光放大用铒镱共掺多组份氧化物玻璃及其制备方法

摘要

一种光放大用铒镱共掺多组份氧化物玻璃，其组成包括SiO2、Al2O3、Li2O、Yb2O3、Er2O3、B2O3、Na2O、K2O、CaO、BaO、ZnO、MgO等。该光放大用玻璃的制备方法是把原料加入坩埚中，进行熔化，得到玻璃液，加入铂坩埚中，再用光学玻璃熔制法使其熔融、澄清、均化。本发明解决了背景技术中光纤放大器增益带宽窄，玻璃转变温度低，热稳定性和化学稳定性较差，制备工艺复杂的技术问题。本发明的铒镱共掺多组份氧化物光学玻璃能提供高达60nm的增益带宽和更为平坦的增益谱，具有良好的化学稳定性和热稳定性，可完全满足当前光通讯发展信息传输容量急剧膨胀的需要，且制备工艺简单，成本低。

说明书

技术领域

本发明涉及一种光放大用铒镱共掺多组份氧化物光学玻璃及其制备方法，该玻璃可用于第三光通讯窗口即1.55～1.65μm波段的宽带光放大器玻璃。

背景技术

掺铒光纤放大器(EDFA)被广泛应用于光通讯领域1550nm波段光信号的放大，其中光放大介质为掺杂有铒离子的光纤。然而，随着不断发展的通讯服务需求的增加，因特网信息传输容量的迅速增加，光纤骨干网和光城域网的信息传输容量急剧膨胀，当前的波分复用(WDM)通讯系统难以适应这种需求，密集波分复用(DWDM)通讯系统应运而生，目前实际系统中由于采用的掺铒光纤放大器EDFA多为石英基质掺铒光纤放大器，其增益谱形状非常尖锐，且所能获得的净增益带宽1530～1565nm窄到只有35nm左右，严重制约了密集波分复用(DWDM)通讯系统传输系统的信道数。

如果掺铒光纤放大器EDFA在更宽的波长范围内能实现更为平坦的增益，则可拓宽可用的信号波长，增大传输容量。为此，人们把不同增益波长范围的光放大器级联起来，但是，这种结构非常复杂，而且在各增益中心波长的边缘无法实现光信号的放大。因此，人们一直致力于研究宽带平坦增益光放大器玻璃材料，当前使用最好的光放大器材料为由ZBLAN(ZrF₃-BaF₂-LaF₃-AlF₃-NaF)玻璃制成的光纤，但其价格昂贵，且制备工艺复杂，其玻璃转变温度比碲酸盐玻璃、铋酸盐玻璃还要低，热稳定性差。

发明内容

本发明解决了背景技术中光纤放大器增益带宽窄，玻璃转变温度低，热稳定性和化学稳定性较差，制备工艺复杂的技术问题。

本发明的技术解决方案是：

一种光放大用铒镱共掺多组份氧化物玻璃，其特殊之处在于：该铒镱共掺多组份氧化物玻璃的摩尔百分比组成如下

  SiO₂ 20～80  B₂O₃ 0～40  Al₂O₃ 3～20  Li₂O 1～20  Na₂O 0～20

  K₂O 0～20  CaO 0～10  BaO 0～10  ZnO 0～10  MgO 0～10  Er₂O₃ 0.01～10  Yb₂O₃ 0.1～25  ZrO₂ 0～5  Bi₂O₃ 0～10  La₂O₃ 0～10  Y₂O₃ 0～10

上述SiO₂和B₂O₃的总含量以20～85mol％为佳。

上述Li₂O、Na₂O和K₂O的总含量以5～25mol％为佳。

上述Bi₂O₃、La₂O₃和Y₂O₃的总含量以0～20％为佳。

上述铒镱共掺多组份氧化物玻璃的较佳组成为

 SiO₂(mol％)45 B₂O₃(mol％)9 Al₂O₃(mol％)12 Li₂O(mol％)8 K₂O(mol％)4 CaO(mol％)6 ZnO(mol％)7 Yb₂O₃(mol％)3 ZrO₂(mol％)4 Y₂O₃+Bi₂O₃(mol％)2

而，其与Er₂O₃的重量百分比为100∶0.25。

上述铒镱共掺多组份氧化物玻璃的另一较佳组成为

 SiO₂(mol％)55 B₂O₃(mol％)8 Al₂O₃(mol％)5 Li₂O(mol％)14 Na₂O(mol％)2 K₂O(mol％)2 CaO(mol％)1 BaO(mol％)3 ZnO(mol％)2 MgO(mol％)2 Yb₂O₃(mol％)2 ZrO₂(mol％)2 Y₂O₃+Bi₂O₃(mol％)1 La₂O₃(mol％)1

而，其与Er₂O₃的重量百分比为100∶0.25。

一种制备上述光放大用铒镱共掺多组份氧化物玻璃的方法，其特殊之处在于：该制备方法包括

1).按组分、配比取原料，把原料加入坩埚中，在1200～1300℃温度下进行熔化，得到玻璃液；

2).把玻璃液加入铂坩埚中，采用光学玻璃熔制法使其熔融、澄清、均化，熔制温度为1380～1450℃，得均匀玻璃。

上述熔制温度以1420℃为佳。

上述熔化温度以1250℃为宜。

上述熔化坩埚可采用石英坩埚或陶瓷坩埚等。

本发明具有以下优点：

本发明的铒镱共掺多组份氧化物光学玻璃能提供高达60nm的增益带宽和更为平坦的增益谱，具有良好的化学稳定性和热稳定性，可完全满足当前光通讯发展信息传输容量急剧膨胀的需要，且制备工艺简单，成本低。

附图说明

图1为本发明玻璃在980nm波长的泵浦光激励下的发射光谱图；

图2为本发明玻璃的透过率示意图；

图3为本发明玻璃的吸收系数曲线图。

具体实施方式

本发明的宽带光放大器用铒镱共掺多组份氧化物玻璃的摩尔百分比组成如下：

  SiO₂ 20～80  B₂O₃ 0～40(SiO₂+B₂O₃＝20～85％)  Al₂O₃ 3～20  Li₂O 1～20  Na₂O 0～20  K₂O 0～20(Li₂O+Na₂O+K₂O＝5～25％)  CaO 0～10  BaO 0～10  ZnO 0～10  MgO 0～10  Er₂O₃ 0.01～10  Yb₂O₃ 0.1～25  ZrO₂ 0～5  Bi₂O₃ 0～10  La₂O₃ 0～10  Y₂O₃ 0～10(Bi₂O₃+La₂O₃+Y₂O₃＝0～20％)

其中，SiO₂和B₂O₃总的含量以20～85mol％为宜；Li₂O、Na₂O和K₂O总的含量以5～25mol％为宜；Bi₂O₃、La₂O₃和Y₂O₃总的含量以0～20％为宜。

本发明的生产方法：

第一步：按摩尔百分比组成取原料，把原料加入至石英坩埚或陶瓷坩埚中，在1200～1300℃温度下进行熔化，得到玻璃液；

第二步：把玻璃液加入至铂坩埚中，采用光学玻璃熔制法使其熔融、澄清和均化，获得均匀的玻璃。熔制温度可为1380～1450℃，最佳熔制温度为1420℃。

SiO₂和B₂O₃作为玻璃网络生成体，其总含量为20～85mol％；SiO₂和B₂O₃的含量低于20mol％，会使玻璃析晶，降低玻璃的化学稳定性，超过85mol％会提高玻璃的高温熔制粘度，使玻璃的熔制困难；同时还会影响其它组分加入到玻璃中。B₂O₃的含量超过15mol％，会降低玻璃的化学稳定性。

Li₂O的加入可以提高Er³⁺的溶解率，使光信号达到一定增益所需的介质长度很短，这对于实现光放大器的小型化极为有利。但Li₂O的含量不能超过20mol％，否则会使玻璃易于失透，缩小玻璃的形成范围。

Na₂O和K₂O的加入有利于扩大玻璃的形成区，便于玻璃在较低的温度下进行熔制。

Li₂O、Na₂O和K₂O的总含量为5～25mol％，低于5mol％会使玻璃的熔制温度偏高，增加玻璃熔制的难度，超过25mol％会降低玻璃的化学稳定性。

二价金属氧化物CaO、BaO、ZnO和MgO的加入用于调整玻璃的折射率及热膨胀系数，提高玻璃的化学稳定性和机械加工性能。

加入Al₂O₃可以改变Er³⁺周围的配位场结构，使Er³⁺在1.5μm发射谱的宽度增加。因此本玻璃中必须含有足够高含量的Al₂O₃，但含量不能超过20mol％，否则会增加玻璃的粘度，使玻璃熔制和成型困难。

Yb₂O₃作为敏化剂，增强Er³⁺在980nm波段的吸收，使Er³⁺能充分吸收泵浦光的能量，提高Er³⁺在1.55μm波段的发光效率，但Yb₂O₃的含量不能超过25mol％，否则会使玻璃易于失透。

适当加入ZrO₂可以有效地提高玻璃的化学稳定性，扩大玻璃的形成范围，但不能超过5mol％，否则会使玻璃易于析晶，对拉纤不利。

适当加入La₂O₃、Y₂O₃和/或Bi₂O₃作可以改善玻璃的熔制性能，扩大玻璃的形成范围，但不能超过20mol％，否则会使玻璃易于析晶；同时有利于增大带宽。

本发明中的掺铒玻璃具有相当宽且平坦的发射谱，如图1所示。虽然玻璃发射谱不同于光纤的增益谱，但是较宽的发射谱有助于产生较大的增益带宽。

本发明玻璃的组成实施例及效果参数如下：

    例一    例二    例三    例四    例五    例六    例七    例八    例九    例十 SiO₂    45    55    60    63    65    70    62    60.5    55    97.9 B₂O₃    9    8    12    5    10    15    0    0    7    0 Al₂O₃    12    5    3    5    5    3    6    8    4    0.1 Li₂O    8    14    8    8    8    6    8    10    2    0 Na₂O    0    2    10    0    6    0    9    0    6    0 K₂O    4    2    0    0    0    0    0    3    5    0 CaO    6    1    0    0    0    0    0    0    3    0 BaO    0    3    0    6    0    0.5    5    4    4    0 ZnO    7    2    0    3    0    0    0    0    4    0 MgO    0    2    2    0    0    0    2    5    0    0 Ga₂O₃    0    0    0    0    0    0    0    0    0    2 Yb₂O₃    3    2    5    4    4    5.5    5    6.5    10    0 ZrO₂    4    2    0    0    2    0    0    2    0    0 Y₂O₃+Bi₂O₃    2    1    0    2    0    0    0    1    0    0 La₂O₃    0    1    0    4    0    0    3    0    0    0 Er₂O₃    0.25    0.25    0.5    0.5    0.7    0.7    1    1.5    2.5    0.05 ρ    2.66    2.68    2.95    3.18    3.21    3.18    3.21    3.22    3.29    - n    1.5379    1.5393    1.5402    1.5578    1.5609    1.5746    1.5802    1.5884    1.5935    1.49 T_g    510    520    540    563    585    610    547    570    530    1010 λ₀    1548    1550    1532    1557    1550    1548    1552    1548    1555    1530 Δλ    52    48    57.5    61    54    57    58    58    69    35

其中，例一至例十的掺铒块状玻璃样品成份以摩尔百分比(mol％)表示，其中Er₂O₃的含量以重量百分比表示，即每100重量单位的掺铒块状玻璃样品成份，含Er₂O₃的重量。例一至例九为本发明样品，可采用常规的高温熔融方法在1420℃下制备；例十为对照玻璃样品，为商用掺铒石英玻璃，可采用气相沉积方法制备。

其中，ρ为密度，单位：g/cm³，采用排水失重法测试；n为1550nm波长的折射率，采用椭偏仪(Ellipsometer)测量；Tg为玻璃的转变温度，单位为℃，采用差热分析仪(DTA)测试；Δλ为增益带宽，单位为nm；λ₀为玻璃荧光发射中心波长；玻璃颜色均为玫瑰色。