[发明专利]一种同时具有紫外光致折射率变化和光放大特性的玻璃材料

说明书

技术领域

本发明涉及一种玻璃材料，特别是涉及同时具有紫外光致折射率变化和光放大特性的玻璃材料，具体地说是一种用于制作光纤的纤芯材料，以及制作光纤Bragg光栅、光纤激光器和光放大器的基质材料。

背景技术

石英光纤紫外光敏性的发现和用干涉法首先写出通信波长光纤光栅，给光纤通信带来了深刻变革。目前，光敏性含锗石英光纤光栅已被广泛用于制作色散补偿器、滤波器、波分复用器、传感器等。另一方面，掺铒光纤放大器(EDFA)的研究突破，成功实现了光纤通信的全光中继，将光通信推向了一个新的阶段，现在EDFA结合波分复用技术(WDM)已成为高速光纤通信网的主干。将可紫外光刻的光敏性光纤和宽带有源掺铒光纤合二为一的光敏有源光纤在光纤激光器、WDM光纤通信网、光纤传感和检测等领域有着极其广阔的应用前景和巨大的应用价值。例如，在光纤激光器方面，由于光纤激光器在光束质量、稳定性、散热性等方面的独特的优势，已在广泛的领域取代气体和固体激光器，近年来已发展成一类重要的激光源。然而石英玻璃稀土离子溶解度低，以稀土掺杂石英光纤为增益介质难以制作极窄线宽(特别是单频)光纤激光器；而稀土离子溶解度高的磷酸盐等玻璃系统光敏性低，不能有效刻写光纤光栅。为形成激光谐振腔，性能优良的磷酸盐增益光纤需要与石英玻璃光纤光栅进行熔接，然而两种玻璃软化温度差异大，使熔接难以实现。一种有效解决此问题的方法是是开发出具有强光敏性的有源光纤，直接在光敏有源光纤两端刻写Bragg光栅，避免了增益光纤与光纤光栅的熔接问题。并且，当增益光纤稀土离子溶解度高是，可制成高光束质量的单模窄线宽光纤激光器；当增益光纤具有大的增益带宽时，可进一步制成波长易于选择、调协范围宽的可调协光纤激光器以及多波长光纤激光器。又如，在WDM光纤通信网中需要大量光纤放大器，这些放大器对各波长的增益均衡需要写入特定的啁啾光栅或长周期光纤光栅作为滤波器来达到，光敏有源光纤可以用于制作紧凑可靠的增益均衡放大器；在集成光学领域，还可以用激光在此光敏有源玻璃上刻写波导，刻写的波导同时具有光放大功能。其次，紫外光敏有源光纤还可用于光纤传感阵列网中既作光传感又作光放大：光纤光栅已在建筑等领域成功地测量应变、温度等机械量和热工量，由于传感单元的增多，目前不得不依靠附加多个光放大器来放大微弱信号。

紫外光敏有源光纤极其方便地集光传感和光放大于一体，为高品质光纤激光器制作和传感阵列的增加提供了简便、经济的途径。然而，目前的标准通信石英光纤光敏性(光致折射率变化量)较低，而要制作高通信速率光栅器件，光纤材料紫外光致折射率变化量需要提高。显然，掺铒石英光纤光敏性远不能满足要求，目前的做法是通过载氢等后处理来增大光纤光敏性，但长的后期处理时间，不仅消耗时间，还会带来光纤熔接时的危险性，增大了光纤的损耗和脆性。另外，使用后期处理技术不能实现光栅的在线写入，因而不能满足大批量快速生产光栅的要求。要解决这些问题，需要从材料本身入手-提高用来制作光纤光栅材料的光敏性。现有技术中，通过增加石英光纤中锗(Ge)的掺入量或通过硼锗(B/Ge)共掺来提高光纤的光敏性，但研制的高掺锗和硼锗共掺光纤光敏性不足(一般为10^-4数量级)且轴向光敏性不均匀，限制了其应用。随后，人们又探索在石英玻璃中掺入稀土离子，这些稀土元素虽然在一定程度上能改善玻璃的光敏性，但同样不能满足在线快速写入强光栅的要求。近年来，国际上一些光通信研究单位纷纷将研究重点转向多组分玻璃。

在光纤增益方面，铒离子的荧光发射带位于重要的第三通信窗口，但掺铒的石英光纤光在第三通信窗口的放大带宽仅35nm，不能满足光纤激光器宽调谐范围，以及通信中对大容量传输的应用要求。铒离子在多种玻璃中的荧光特性已被广泛调查，包括掺铒的硅酸盐、磷酸盐、硼酸盐、锗酸盐、碲酸盐和铋酸盐玻璃等。其中重金属氧化物玻璃铋酸盐玻璃和碲酸盐玻璃展示了大的荧光半高宽(FWHM)，铒离子在这些玻璃中1.5μm处的FWHM值可达70-80nm。但是这些重金属氧化物玻璃没有显著的光敏性。因此，研究开发光敏性强、增益带宽大的铒掺杂多组分光敏有源玻璃成为发展高性能光纤激光器技术、光通信技术和传感技术发展的必然要求。

发明内容

针对现有技术中的不足之处，本发明的目的在于提供一种同时具有紫外光致折射率变化和光放大特性的玻璃材料。该材料经紫外波段激光照射后，玻璃的折射率发生改变。并且，该材料同时具有光放大特性。