稀土聚合物光学放大器或光纤制造技术

本发明专利技术公开了节约成本的、紧密的、光泵激的、高增益的稀土聚合物材料如铒（Ｅｒ＃＋［３＋］）全氟聚合物，在通讯网络系统中运行的电信波长下低损耗的由该材料制成的光纤和由该材料制成的波导放大器。聚合物放大器是基于新型高性能稀土（ＲＥ）聚合物材料的应用。这种新发现的高度透明的ＲＥ聚合物材料是在高ＲＥ离子浓度下（约１０＃＋［２０］－１０＃＋［２１］稀土离子／ｃｍ＃＋［３］，约１０ｗｔ％）直接合成的，通过隔离共价结合的、全氟化磷酸根配位体而将每一个金属离子包覆和物理缓冲，然后所述全氟化磷酸根配位体形成高温稳定性的聚合物骨架基体。这明显不同于广泛研究的无机玻璃和单晶体，在无机玻璃和单晶体中，将ＲＥ离子盐直接掺在介质中，只是ＲＥ离子盐的含量较低（＜０．１ｗｔ％）。（*该技术在2020年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及稀土聚合物组合物，光纤，光波导，特别涉及光学放大器波导和分光器。
技术介绍
基于玻璃光纤(GOF)的光通讯系统不仅能够长距离低衰减地传送通讯信号，而且能够以极高信息率或带宽容量传送通讯信号。这种能力来源于位于0.85，1.3和1.55μm的近红外波长的单光信号模在低损耗玻璃窗中的传播。由于掺饵光纤放大器(EDFA)的应用，近十年来出现了单模GOF，这种单模GOF在广域网(WAN)，特别是陆地和跨海通讯中枢线路(backbones)中用作标准数据传输介质。另外，随着密集波分复用(DWDM)的发展，单模GOF的带宽性能已得到很大提高，密集波分复用(DWDM)最多能将160信道不同波长的光耦合成一个单光纤，每一信道载有每秒几吉(109)比特的数据。另外，在近来的演示中，在一个100信道的DWDW系统中，在一个单光纤上可以传输每秒1兆兆比特(1012比特)的信号。这些技术及其它技术能够使通讯网络的带宽容量以每年一个数量级的速度增加。单模GOF在长距离通讯中枢线路中的成功应用产生了新的光网技术。其通常目的是在所有光学系统上将声音视频和数据流集合成通讯信号，通过光纤从WAN下传至小型局域网(LAN)，下传至路边(FTTC)、家庭(FTTH)、最终到达终端用户，到达用户桌面上的电脑(FTTD)。其例子是最近开发的因特网和万维网的应用，这些网络在短程和中程应用方面非常需要更高的带宽性能。但是，因为光网接近始于LAN阶段的终端用户，所以该系统的特征在于有许多光纤接合、接头和耦合器，特别是与将输入信号分成许多信道相关的那些光纤接合、接头和耦合器。所有这些都会导致很大的光损耗。为了补偿这些不可接受的高损耗代价，目前的解决办法依赖于昂贵的大容量EDFA，其光纤长度约为40m。一般商用EDFA的成本可达数万美元。因此，为了在美国完成计划扩建的FTTC、FTTH和FTTD，需要数百万个放大器和数千亿美元的费用。EDFA模块由多个关键部件构成。其中最关键的一个部件是掺铒石英光纤(EDF)。目前，EDF受到下述因素的限制低浓度的铒原子，能够使光致发光熄灭的群集(clustering)，较窄的发射谱带，高波长依赖性的增益谱，不能以紧密的平面几何形状制作。有人尝试过在熔融石英玻璃基质和其它包括氟化玻璃、亚碲酸盐玻璃和磷酸盐玻璃的玻璃中使用其它稀土离子。在这一点上，这些尝试受制于这些玻璃介质在它们溶解稀土原子的能力、机械性能、热稳定性及其它关键性能方面的基本材料性能。本专利技术的有益效果建立在开发了稀土氟次膦酸盐聚合物材料的基础上，该材料具有下述优越性能与宽范围的稀土元素的兼容性，在使用普通介质平台的情况下这些稀土元素就能够覆盖全部1500-1600nm的波长范围(并超出这一范围)；非常高浓度的稀土元素，并且不会有相关的熄灭和上变频的代价，可以使用以厘米和更小单位计的非常短的光纤；非常低的内在光损耗；可以拉制成单模光纤；和可以铸成用于平面型波导领域的膜。节约成本的紧密集成光路是这一问题的优选解决方法，但是目前还没有这样的方法。本专利技术的目的是提供用标准硅VLSI(超大规模集成)生产方法和光纤拉丝法易于加工的新型光波导材料。本专利技术的另一目的是生产在短程和中程通讯网络系统中低损耗的光纤放大器及其使用的材料。本专利技术的目的是生产集成光学部件，这是一种在保持高信噪比的同时将输入光信号放大和分光结合的低损耗分光器。
技术实现思路
本专利技术公开的是节约成本的、紧密的、光泵激的、高增益的稀土聚合物材料如氟亚膦酸铒(Er3+)，在数据通讯网络系统中运行的电信波长下低损耗的由该材料制成的光纤和由该材料制成的光学放大器。聚合物放大器是基于新型高性能稀土(RE)聚合物材料的应用。高度透明的RE聚合物材料是在高RE离子浓度下(约1020-1021稀土离子/cm3，约10wt％)直接合成的，通过隔离共价结合的、全氟化磷酸根配位体而将每一个金属离子包覆和物理缓冲，然后所述全氟化磷酸根配位体形成高温稳定性的聚合物骨架基体。这明显不同于广泛研究的无机玻璃和单晶体，在无机玻璃和单晶体中，将RE离子盐直接掺在介质中，只是RE离子盐的含量较低(＜0.1wt％)。图1所示的RE聚合物材料设计为使用在利用多个建模(modeling)和计算机模拟的集成光学电路部件中。利用这种RE聚合物材料，聚合物放大器的长度可以短至几厘米，这是因为其有＞5dB/cm的超高增益系数。与用节约成本的VLSI方法生产平面型波导结构互为补充的是，用标准廉价拉丝方法(fiber drawing methods)制造光纤放大器部件以进一步大大降低最终集成光学器件的成本。使用RE聚合物材料使这些光学器件具有多种独特性能和优点。这些性能和优点包括均匀分布的高RE离子浓度，提高的光学跃迁距(opticaltransition moments)，可控的衰减率和分支比，新的能量转移效应，在近红外区较低的光损耗。这些关键特征的结合在标准掺RE的石英玻璃及无机晶体中是没有的。RE聚合物体系具有许多突出的材料性能。这些性能包括简单的通过标准有机方法的两步合成法；易于合成改性；易于用标准方法制造光纤和平面型波导；和各种包覆材料的相容性；高的热稳定性、机械稳定性和光稳定性；在室温可以作业。另外，用简单铸造和标准旋涂方法易于将这种新RE聚合物制成高度透明的薄膜。对于紧密光学放大器件来说，石英玻璃和无机晶体系统的工艺性能不如RE聚合物材料。含RE的聚合物的成功实现并不简单，其原因是基本而内在的。普通的有机聚合物含有高频光学声子，如O-H拉伸(约3600cm-1)和C-H拉伸(约3200cm-1)振动。这些振动在声子帮助的非辐射性除去光激发的RE离子中的电子激发能中起着决定性的作用。RE亚稳状态的这种非辐射性衰减能够显著降低含RE的材料的辐射效率，因此将严重降低放大器器件的性能。这种现象在使用Er3+的情况下表现得特别强烈，因为基态和亚稳电子状态之间的能域较小。另外，同样的O-H和C-H振动的高阶泛音也是在标准聚合物光纤和波导中观察到的在全部近红外区不可接受的高光吸收损耗的原因。因此，同样的解决声子帮助的非辐射性衰减问题的方法自然也适用于解决光学聚合物中有害的吸收损耗问题。为了得到超高增益聚合物光纤放大器和解决这些基本问题的方法，我们用新型RE氟亚膦酸盐聚合物作为活性波导芯材料。在这些材料中，通常为高频的所有O-H和C-H键都被频率振动大大降低(约1000-1200cm-1)的C-F键取代。本专利技术公开几种普通种类的用于光学放大领域的高光学透明度的RE全氟聚合物。在这些聚合物中，RE离子浓度较高，为1020-1021RE离子/cm3数量级。同时，我们发现很多可以与我们的新型RE全氟聚合物一起使用的作为包覆材料(cladding materials)的其它含氟聚合物。除Er3+外，所有的RE金属离子都可以以这种方式高浓度地被包覆起来。附图说明图1是氟亚膦酸铒聚合物的示意性聚合物链结构；图2是铒发色团3级模型的能级图；图3示出RE全氟聚合物中的光能转移机理；图4是皮秒荧光和辐射寿命的测试装置；和图5示出用标准硅VLSI加工步骤制造聚合物信道波导。具体实施例方式稀土聚合物组合物的优选材料的一个通式为{X(OOPRR′)3}n其中本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种由至少一种通式为｛Ｘ（ＯＯＰＲＲ′）↓［３］｝↓［ｎ］的聚合物制成的光学材料，其中：Ｘ是稀土元素；Ｒ是全卤代的有机基团；和Ｒ′是第二个全卤代的有机基团。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：安东尼F加里托，罗伯特A诺伍德，高任远，安娜帕纳卡尔，
申请(专利权)人：X光子公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]