專利名稱：包括納米粒子的光導(dǎo)和制造形成該光導(dǎo)的預(yù)成型件的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種光導(dǎo)，具體地涉及一種用于放大電信信號(hào)的光纖，以 及一種用于制造旨在形成這種光導(dǎo)的預(yù)成型件的方法。
背景技術(shù)：
現(xiàn)有技術(shù)中已知如何使用包括放大介質(zhì)的光纖來(lái)重新生成由該光纖接 收的光信號(hào)并且以增加的強(qiáng)度重新傳送該重新生成的光信號(hào)。為此，這種放大光纖包括-由透明材料構(gòu)成的芯，該透明材料摻合至少一種摻雜元素，例如像 鈄(Er)的稀土離子，其能夠放大光信號(hào)；-圍繞所述芯的包層，其用于將大部分的光信號(hào)保持在所述芯內(nèi)。通常，通過(guò)利用包括以溶解鹽形式的不同摻雜元素的溶液來(lái)浸透多孔 玻璃而實(shí)現(xiàn)摻雜元素和改進(jìn)元素的摻合。該方法具有這樣的缺陷當(dāng)制造 光纖使用稱為MCVD (改進(jìn)的化學(xué)氣相沉積，Modified Chemical Vapour Deposition )的方法時(shí)，這些元素不能以令人滿意的方式被#^到在制造光 纖之前的預(yù)成型件中。實(shí)際上，MCVD引入了較高的溫度，這與許多元素的高揮發(fā)性和/或 用這些元素制成的化合物的低穩(wěn)定性是不相容的。另一種稱為MOG (復(fù)合氧化玻璃，Multicomponent Oxide Glass )的 制造方法也用于將新的元素#^至光纖中。然而，MOG方法使用傳統(tǒng)的玻璃制造法，即在坩堝中混合多種成分 并且使它們經(jīng)受高溫?zé)崽幚?，其缺陷在于需要?fù)雜且昂貴的光纖制造技術(shù)。此外，由于坩堝合成而引入的雜質(zhì)以及與用MCVD方法制造的傳輸光纖有關(guān)的焊接問(wèn)題，利用MOG方法制造的光纖的光信號(hào)衰減率要高于 利用MCVD方法制造的光纖的衰減率。例如，美國(guó)專利申請(qǐng)US2003/0175003中描述了一種放大光纖，該專利 申請(qǐng)公開(kāi)了對(duì)小于20納米的納米粒子的使用，該納米粒子包含與摻雜元素 相鄰的化學(xué)元素以改進(jìn)信號(hào)放大，這些元素下文中將稱為改進(jìn)元素。該文件也描述了這些納米粒子的有機(jī)金屬合成以及利用MCVD方法 將它們插入光纖芯中。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明包括這樣的觀察需要一種能夠插入與摻雜元素相鄰的改進(jìn)元此使得將標(biāo)準(zhǔn)光纖焊接至以這^方式制造的放大光纖變得更容易。本發(fā)明的目的是一種包括放大介質(zhì)的光纖，其具有由透明材料和納米 粒子(24)構(gòu)成的芯(22)，其中所述納米粒子包括摻雜元素和至少一種 改進(jìn)該摻雜元素的使用的元素，以及圍繞所述芯的外包層(26)，其特征 在于，所述摻雜元素是鉺(Er),并且所述改進(jìn)元素是從銻(Sb )、鉍(Bi) 以及銻(Sb)和鉍(Bi)的組合之中選出的。根據(jù)本發(fā)明的光纖使用由銻和/或鉍構(gòu)成的新型的納米粒子。當(dāng)銻和/ 或鉍在鉺附近時(shí)，其由此受益于銻和/或鉍的改進(jìn)屬性。此外，即使使用高溫來(lái)制造光導(dǎo)，例如使用MCVD方法，這些納米 粒子的相對(duì)較大的尺寸也使之能夠?qū)⑺鼈儼诠饫w中并且在光纖中保持 它們，其中所述尺寸是1至500納米并且優(yōu)選地大于20納米。在一個(gè)實(shí)施例中，所述摻雜元素和/或所述改進(jìn)元素以氧化物的形式出 現(xiàn)。因此，通過(guò)利用一個(gè)摻雜元素和/或一個(gè)氧化改進(jìn)元素來(lái)制造納米粒子， 限制了納米粒子由于所述元素的氧化而改變的風(fēng)險(xiǎn)。在一個(gè)實(shí)施例中，所述光導(dǎo)在芯中在納米粒子附近包括鋁，這改進(jìn)了 納米粒子的屬性。本發(fā)明還涉及一種用于制造旨在生成光纖的預(yù)成型件的方法，所述光纖包括由透明基質(zhì)和納米粒子構(gòu)成的芯，其中所述納米粒子包括摻雜元素 和至少一種改進(jìn)該摻雜元素的屬性的元素，以及圍繞所述芯的外包層，其特征在于-納米粒子的合成是通過(guò)析出包含所述改進(jìn)元素和/或所述摻雜元素 的溶液中的至少一種鹽來(lái)實(shí)現(xiàn)的；然后，-通過(guò)多孔浸透或改進(jìn)的化學(xué)氣相沉積(MCVD)而將由此形成的所 述納米粒子插入所述預(yù)成型件的芯中。通過(guò)使用本發(fā)明的方法，可以用各種不同的合成物來(lái)制造納米粒子， 其凈皮#^在玻璃基質(zhì)中時(shí)是穩(wěn)定的，假設(shè)所述摻雜元素和改進(jìn)元素以相對(duì) 較大的結(jié)構(gòu)和尺寸形成納米粒子，所述尺寸是1至500納米并且優(yōu)選地大 于20納米，由此使得它們不易揮發(fā)并且對(duì)溫度的敏感度要低于用其他方法 插入所述元素時(shí)的敏感度。此外，所述摻雜和/或改;^iL素是以氧化物的形式的，以使得它們對(duì)在 MCVD方法的步驟中產(chǎn)生的高溫不太敏感，其隨后用于制造預(yù)成型件并將 其轉(zhuǎn)變成包含所述納米粒子的光纖。在一個(gè)實(shí)施例中，所述納米粒子的析出是在軟化學(xué)條件下進(jìn)行的，特 別是以環(huán)境壓力。換言之，該過(guò)程所需要的實(shí)驗(yàn)裝置并不昂貴。在一個(gè)實(shí)施例中，所述納米粒子的析出是在PH值受控的溶液中進(jìn)行 的，例如取決于不同的有關(guān)元素的飽和閾值。最后，本發(fā)明還涉及一種光纖，該光纖包括由透明基質(zhì)和納米粒子構(gòu) 成的芯，其中所述納米粒子包括摻雜元素和改進(jìn)該摻雜元素的使用的元素， 以及圍繞所述芯的外包層，其是通過(guò)基于通過(guò)根據(jù)前述任一實(shí)施例的方法 而制成的預(yù)成型件來(lái)制造光纖而獲得的。


參考附圖，通過(guò)閱讀下面對(duì)本發(fā)明實(shí)施例的說(shuō)明性而非限制性的描述， 本發(fā)明的其他特征和優(yōu)點(diǎn)將變得明顯，其中-已描述的圖la和lb示出了通過(guò)由銻和鉍構(gòu)成的光纖而產(chǎn)生的增益；^-圖2示出了根據(jù)本發(fā)明的放大光纖;國(guó)圖3a、 3b和3c是按照不同方法獲得的不同玻璃的結(jié)構(gòu)圖；和 -圖4示出了通過(guò)根據(jù)本發(fā)明的放大光纖而產(chǎn)生的增益。
具體實(shí)施方式
包括鉍或銻的玻璃具有下面借助于圖la和lb而描述的特別有利的特 征，圖la和lb示出了針對(duì)包括鉺作為摻雜元素和銻(圖la)或鉍(圖lb) 作為改進(jìn)元素的材料的放大增益。更確切地，圖la和lb示出了針對(duì)由銻(圖la中的曲線14)或鉍(圖 lb中的曲線16)構(gòu)成的光纖的、151^大信號(hào)波長(zhǎng)(x軸12)而變化的材料 的放大增益(y軸10)，將這些增益與包括鋁作為摻雜元素的已知光纖的 增益相比較(曲線18)。因此，明顯地，銻(Sb)和鉍(Bi)各自的屬性對(duì)于處理光信號(hào)是有 益的，即拓寬了放大介質(zhì)增益曲線(Sb)或使得該曲線平坦(Bi)。因此，當(dāng)4吏得光線增益的曲線平坦時(shí)，減少了旨在4吏得光纖增益平坦 的過(guò)濾器的使用。由于這個(gè)減少可以限制所述光纖所需的25%的泵浦能 量，因此光纖的運(yùn)轉(zhuǎn)成本明顯大大降低。此外，仿真表明可以拓寬15.5%的放大光纖增益帶，其因而可以超過(guò) 38納米的寬度， 一些1530至1568納米的電信應(yīng)用要求這個(gè)寬度。圖2示出了才艮據(jù)本發(fā)明的放大光纖20。其具有由納米粒子24構(gòu)成的 芯22，所述納米粒子具有例如鉺的摻雜元素，例如鉍和/或銻的幾種改進(jìn)元 素圍繞該摻雜元素。根據(jù)本發(fā)明，光纖20是借助于MCVD (改進(jìn)的化學(xué)氣相沉積)方法、 通過(guò)一種涉及制成的預(yù)成型件的光纖制造過(guò)程而獲得的，并且使之能夠借 助于多孔吸收而將所述納米粒子24摻合至芯22中。在這點(diǎn)上，應(yīng)當(dāng)指出，納米粒子24抵抗被#^至玻璃中，因?yàn)樗鼈兊?尺寸相對(duì)較大，通常是20至500納米。此外， 一些摻雜和/或改進(jìn)元素以 氧化物的形式出現(xiàn)在納米粒子中，這使得它們?cè)谥圃祛A(yù)成型件以及將其轉(zhuǎn)變成光纖的步驟期間不太可能被破壞。
這些納米粒子24可以利用本發(fā)明公開(kāi)的方法來(lái)生成，即通過(guò)析出包括 摻雜和/或改進(jìn)元素的鹽，所述摻雜和/或改進(jìn)元素包含于納米粒子中。
在一個(gè)與包括鉺(Er)作為摻雜元素和銻(Sb)作為改進(jìn)元素的納米 粒子的合成有關(guān)的實(shí)例中，析出使之能夠獲得銻納米粒子，然后#摻雜 元素鉺。
這個(gè)操作模式使用六氫氧化銻鉀(KSb(OH)6)水溶液，其被添加到 維持于酸性PH值的水中以實(shí)現(xiàn)包含銻的納米粒子的析出。
然后在常溫或95X:攪動(dòng)該溶液幾天。最終在離心分離該溶液后獲得了 包括銻的納米粒子，對(duì)其進(jìn)行清洗并在爐中以95X:對(duì)其進(jìn)行烘干。
然后，所述納米粒子可以通過(guò)離子交換來(lái)#^鉺，所述離子交換是通 過(guò)使用水環(huán)境中的包括氯化鉺ErC13的溶液或利用包括水和有機(jī)溶劑的乙 酰丙酮化鉺(Er(Acac)3)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。
在離心分離及清洗之后，通過(guò)浸透一層多孔玻璃，納米粒子然后^: 于PH值受控的水環(huán)境中并且被引入借助于改進(jìn)的化學(xué)氣相沉積MCVD而 制成的預(yù)成型件的芯中。這個(gè)預(yù)成型件然后利用傳統(tǒng)的熱處理方法而形成 光纖。
也可以以類似的方式制備在鉺(Er)附近包含鉍(Bi)的納米粒子。
應(yīng)當(dāng)指出，與更細(xì)小的納米粒子的合成方法相反，例如上述專利申請(qǐng) 中描述的有機(jī)金屬合成，本發(fā)明實(shí)現(xiàn)的析出方法并不能夠相對(duì)于改進(jìn)元素 而準(zhǔn)確地識(shí)別摻雜元素環(huán)境(在該例子中是鉺)。
下面借助于針對(duì)鉺/銻摻雜的圖3a、 3b和3c而給出了對(duì)于利用本發(fā)明 所公開(kāi)的方法而生成的納米粒子的結(jié)構(gòu)的說(shuō)明。
圖3a概略地示出了通過(guò)傳統(tǒng)MCVD方法而獲得的摻雜硅酸鹽玻璃 Si02的結(jié)構(gòu)類型，即其中摻雜元素以溶解氯化鹽形式被引入而無(wú)需特定 組織。在這個(gè)結(jié)構(gòu)中，摻雜元素(Er)由可包括改進(jìn)元素(Sb)的異質(zhì)的 無(wú)序的硅基質(zhì)所圍繞。然而，當(dāng)經(jīng)歷高溫和/或離摻雜元素過(guò)遠(yuǎn)而無(wú)法與其 相互作用時(shí)，大部分改進(jìn)元素都揮發(fā)了。圖3b概略地示出了利用上述MOG方法獲得的玻璃105，該玻璃呈現(xiàn) 出摻雜元素(erbium)附近的改i^t素(Sb)的統(tǒng)計(jì)出現(xiàn)的形式，這是因 為能夠相對(duì)于摻雜元素高比例地*它。
最后，圖3c概略地示出了利用本發(fā)明公開(kāi)的方法而獲得的納米粒子 30。為了清楚，摻雜元素(Er)和改進(jìn)元素(Sb)被繪制成球形，但M 當(dāng)指出，在實(shí)l^f見(jiàn)察中，這些元素在納米粒子中以氧化物的形式出現(xiàn)。
用于制造納米粒子的方法并不能夠完全控制這些粒子的結(jié)構(gòu)和尺寸。 雖然納米粒子的結(jié)構(gòu)和尺寸是變化的，但是它們的尺寸可以相對(duì)較大，通 常是1至500納米；實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明利用本發(fā)明公開(kāi)的方法而產(chǎn)生的光纖放 大增益是令人滿意的，如圖4所示，圖4示出了隨光信號(hào)波長(zhǎng)(x軸42) 變化的光信號(hào)放大增益曲線(y軸40)。
應(yīng)當(dāng)清楚，具有利用本發(fā)明^^開(kāi)的方法而生成的納米粒子的光纖(曲 線46)可以在比利用傳統(tǒng)方法制成的沒(méi)有摻雜元素的光纖更寬范圍的波長(zhǎng) 上產(chǎn)生增益。
本發(fā)明的方法可以以多種不同的方式來(lái)體現(xiàn)。事實(shí)上，通過(guò)析出而合 成納米粒子使之能夠基于例如鉺的不同摻雜元素和例如鉍或銻的不同改進(jìn)
元素而生成許多類型的納米粒子。
另外，本發(fā)明公開(kāi)的方法可以被實(shí)現(xiàn)為利用相同的元素作為摻雜元素 和改進(jìn)元素來(lái)制造納米粒子。
此外，本發(fā)明公開(kāi)的方法使之能夠設(shè)想合成包括不同摻雜和/或改進(jìn)元 素的納米粒子，例如Te、 Ta、 Zr、 V、 Pb、 Nb、 W、 In、 Ga、 Sn、 Mo、 B、 As和Ti。
另外，根據(jù)本發(fā)明的光纖除了納米粒子之外還可以包括例如鋁的改進(jìn) 光纖增益的元素。
最后應(yīng)當(dāng)強(qiáng)調(diào)，存在許多對(duì)根據(jù)本發(fā)明的放大光纖的應(yīng)用。作為實(shí)例， 這種光纖可以被實(shí)現(xiàn)為拉曼(Raman)放大光纖、拉曼激光光纖、高度非 線性光纖、飽和吸收光纖和/或極化光纖。
權(quán)利要求
1. 一種包括放大介質(zhì)的光纖，其具有由透明材料和納米粒子(24)構(gòu)成的芯(22)，其中所述納米粒子包括摻雜元素和至少一種改進(jìn)所述摻雜元素的使用的元素，以及圍繞所述芯的外包層(26)，其特征在于，所述摻雜元素是鉺(Er)，并且所述改進(jìn)元素是從銻(Sb)、鉍(Bi)以及銻(Sb)和鉍(Bi)的組合之中選出的。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的光纖，其中，所述納米粒子的尺寸 是1至500納米。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的光纖，其中，所述納米粒子的尺寸 大于20納米。
4. 根據(jù)前述權(quán)利要求之一所述的光纖，其中，所述摻雜元素 和/或所述改進(jìn)元素是以氧化物的形式出現(xiàn)的。
5. 根據(jù)前述權(quán)利要求之一所述的光纖，該光纖在其芯中、在 所述納米粒子附近包括鋁。
6. —種用于制造旨在生成光纖(20)的預(yù)成型件的方法，所 述光纖包括由透明基質(zhì)和納米粒子(24)構(gòu)成的芯(22)，其中 所述納米粒子包括摻雜元素和至少一種改進(jìn)所述摻雜元素的使用 的元素，以及圍繞所述芯的外包層(26)，其特征在于-納米粒子的合成是通過(guò)析出包含所述改進(jìn)元素和/或所述摻 雜元素的溶液中的至少一種鹽來(lái)實(shí)現(xiàn)的；然后-通過(guò)多孔浸透或改進(jìn)的化學(xué)氣相沉積(MCVD)來(lái)將由此形 成的納米粒子引入所述預(yù)成型件的芯中。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其中，所述析出是在軟化學(xué) 條件以及環(huán)境壓力下進(jìn)行的。
8. 根據(jù)權(quán)利要求6或7所述的方法，其中，所述析出是在 PH值受控的溶液中進(jìn)行的。
9. 一種光纖，包括由透明基質(zhì)和納米粒子構(gòu)成的芯，其中所 述納米粒子包括摻雜元素和改進(jìn)所述摻雜元素的使用的元素，以 及圍繞所述芯的外包層，其是通過(guò)基于通過(guò)根據(jù)權(quán)利要求6至8 之一所述的方法而制成的預(yù)成型件來(lái)制造光纖而獲得的。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種包括放大介質(zhì)的光纖，其具有由透明材料和納米粒子(24)構(gòu)成的芯(22)，其中所述納米粒子包括摻雜元素和至少一種改進(jìn)所述摻雜元素的使用的元素；以及圍繞所述芯的外包層(26)。本發(fā)明的特征在于，所述摻雜元素是鉺(Er)，并且所述改進(jìn)元素是從銻(Sb)、鉍(Bi)以及銻(Sb)和鉍(Bi)的組合之中選出的。根據(jù)本發(fā)明，這種光纖的特征在于，所述納米粒子的尺寸是變化的，該尺寸是1至500納米并且優(yōu)選地大于20納米。
文檔編號(hào)H01S3/067GK101288212SQ200680038415
公開(kāi)日2008年10月15日 申請(qǐng)日期2006年8月17日 優(yōu)先權(quán)日2005年8月17日
發(fā)明者A·帕斯圖雷特, C·沙內(nèi)克, C·科萊, J-P·若利韋, S·布朗尚丹, S·德蒙雷多 申請(qǐng)人:阿爾卡特朗訊公司