專利名稱：一種具有寬激勵頻帶的有源光纖放大器及相關(guān)的有源光纖的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種具有寬激勵頻帶的有源光纖放大器及相關(guān)的有源光纖。
眾所周知，用特定物質(zhì)摻雜包芯的光纖具有受激光發(fā)射的特征可以用作激光源和光放大器。
事實上，光纖饋入具有特定波長的光源，導(dǎo)致?lián)诫s原子達到激發(fā)能態(tài)，或激勵頻帶，從這種能態(tài)經(jīng)過很短的時間原子自然衰變達到一種被稱為激光發(fā)射狀態(tài)，在這一狀態(tài)它們保持比較長的時間。
當(dāng)有與光發(fā)射狀態(tài)相一致波長的發(fā)光信號通過具有大量在激光發(fā)射能級的受激態(tài)原子的光纖時，這個發(fā)光信號引起激發(fā)狀原子向低能級的躍遷。此發(fā)射光具有與信號波長相一致的波長;因此，上述類型的光纖可以被用于對其傳送的信號的放大。
上述現(xiàn)象可以在摻雜物所代表的幾種波長上產(chǎn)生，因此在光纖中呈現(xiàn)光譜。
上述類型的光發(fā)射放大器的出現(xiàn)使得通過向光纖施加足夠的激勵能，可保持它處于粒子數(shù)反轉(zhuǎn)狀態(tài)，也就是可以維持處于激光發(fā)射態(tài)的雜質(zhì)的原子數(shù)目高于處于基能態(tài)的同樣雜質(zhì)原子的數(shù)目。上述能量可以以光能形式供給光纖，為此光纖需要饋入具有與雜質(zhì)到達高于激光發(fā)射能級的能量躍遷相一致波長的光源。
光纖顯示出吸收光譜，也就是說，在所述光纖含有的雜質(zhì)可進行的不相同的能量躍遷中一些波長上光吸收特別高。
因此，為了提供足夠量的激勵能，將所說光能在一波長上輸入光纖該波長與具有一能量躍遷的光纖吸收光譜的峰值相一致，其能級與期望的激光發(fā)射能級相同或高于它。
例如一個其包芯摻雜有鉬的光纖，如英國專利申請GB NO。8813769中所述的那樣，為了提供上述類型的激光光發(fā)射，使之適合于光信號放大，可以通過吸收具有大約980nm波長的光激勵能使其達到激發(fā)態(tài)。
為了達到這個目的必須使用在這樣一個波長上提供光能的激勵激光。
在這個光譜區(qū)域的激光中，半導(dǎo)體二極管類型的激光以它們所展現(xiàn)的與所需質(zhì)量相關(guān)的緊湊性可靠性和成本可以被工業(yè)應(yīng)用在光纖通信線路上，然而所說的設(shè)備，如果它們被制成工作于大約在980nm波長上，則具有一降低的功率(大約為10mW)，這基本上是由于為產(chǎn)生所說的光發(fā)射波長所需要的精密的晶體結(jié)構(gòu)，因此這樣的設(shè)備不適于為提供功率放大器而沿線路設(shè)置。
還能夠制成適合于產(chǎn)生輸出功率大于50mW的半導(dǎo)體激光器，但是這樣的激光器只工作于900至950nm區(qū)域內(nèi)，這超出了所描述過的摻雜有鉬的光纖能夠從中吸收能量的光譜區(qū)域，因此這些激光器不能使用所說的光纖。
還知道一些激光器適合提供具有一大的發(fā)光功率的光能，例如三級釹激勵二極管激光器YAG型，它們可以方便地用作給光放大器提供激勵能的光源，但是它們只發(fā)出947nm波長的光，這超出了鉺被激勵的區(qū)域。
因而本發(fā)明的目的是提供一種摻雜光纖，它顯示一種對光能的重要的吸收，這種吸收適合于使摻雜物質(zhì)或摻雜物達到具有高功率激光發(fā)射的激光發(fā)射態(tài)。這種光纖還在工業(yè)中實際使用并適合運用在電信線路上為光信號放大。
本發(fā)明的一個目的是一種光纖，它特別使用在用于光通信線路的光纖放大器中，含有用作激光發(fā)射雜質(zhì)的鉺，具有做為反射指數(shù)變換子的摻雜物，適于確保波導(dǎo)效應(yīng)，饋入預(yù)定波長的發(fā)光激勵源用來產(chǎn)生所述激光發(fā)射。其特征在于光纖的組成是一進一步的摻雜物，它大量吸收在結(jié)合到光纖的光放大器具有激勵激光的光發(fā)射波長的光能。所說的進一步摻雜物是適把吸收的激勵能傳送給包含在光纖中的鉺，因此引起一個在有光傳輸信號的情況下產(chǎn)生一激發(fā)光發(fā)射的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。
較可取的進一步的摻雜物是由三價的正離子鐿構(gòu)成。
在光纖中鐿相對于鉺的濃度，以其氧化物重量的百分比表達為1≤ ((Yb2O3))/((Er2O3)) ≤100而且從重量上看鐿相對于整個光纖的濃度低于5%且最好低于1%。
能變化折射指數(shù)的摻雜物可以是鍺或鋁。
本發(fā)明的另一個目的是光放大器，特別用于光纖通信線路，它包括摻鉺激光發(fā)射有源光纖和一激光激發(fā)光源，它工作在一預(yù)定的波長，其特征在于有源光纖的組成是一顯示出在激勵激光發(fā)射器的發(fā)射波長上有光吸收的進一步摻雜物，而且有源光纖適合于將被吸收能量傳送到光纖中含有的鉺，因此引起同樣的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，適合于在有光通信信號的情況下產(chǎn)生激發(fā)的光發(fā)射。
有源光纖中摻雜物進一步是由三價正離子的鐿組成而且發(fā)光激勵源是釹YAG型釹的三級二極管激勵激光器或工作在900至950nm之間波長的半導(dǎo)體二極管激光器，光放大器所用的有源光纖中的鐿的濃度相對所含鉺的濃度以含在所說光纖中氧化物的重量百分比表示為1≤ ((Yb2O3))/((Er2O3)) ≤100而按重量鐿相對于整個光纖的總重量，其濃度低于5%最好低于1%。
下面進一步詳細描述本發(fā)明，同時參考附圖，在附圖中

圖1給出了依據(jù)本發(fā)明使用摻雜光纖的放大器的圖示;
圖2給出了圖1表示的用在光放大器中的光纖的能量傳輸;
圖3給出了用含有Er3+雜質(zhì)的硅玻璃制作的光纖中的光吸收曲線;
圖4給出了用含有Er3+和Yb3+雜質(zhì)的硅玻璃制造的光纖中的光吸收曲線，這是本發(fā)明的一個實施例;
圖5給出了用含有Er3+和Yb3+雜質(zhì)的硅玻璃制造的光纖中的光吸收曲線，這是本發(fā)明的第二個實施例;
圖6給出了與圖4相關(guān)的光纖中激勵光發(fā)射的曲線。
為了達到在通信光纖中放大信號的目的，使用光纖的放大器是很方便的，所述放大器的結(jié)構(gòu)在圖1中示出，在圖1中1表示一個通信光纖，一個波長λs的傳輸信號被傳送到這個通信光纖中，這個信號的產(chǎn)生是能量來自信號激勵源2;這個信號，它經(jīng)過一定長度的線路后被衰減，被傳到二向光性耦合器3，在這里它與具有波長λp的激勵光耦合，λp的產(chǎn)生來自激勵激光源4;在信號光纖5混合的兩個波長而后被傳送到有源光纖6，它構(gòu)成信號的放大元件，信號按需要被放大，最終輸入到繼續(xù)向前然后朝終端去的線路光纖7。
為了生產(chǎn)作為整體構(gòu)成放大器元件的有源光纖6，使用的光纖是例如用石英玻璃制造的光纖，摻入Al2O3的溶液以便獲得所期望的適于取得波導(dǎo)的折射指數(shù)的表層，以及摻入Er2O3例如前面提及的英國專利申請No.8813769所描述的那類類型，使得通過利用鉺的激光傳送來完全傳輸信號的有利放大成為可能，另一方面，使用也含有釹作為激光發(fā)射摻雜物的光纖也是可能的，在這里用作指數(shù)變換子的摻雜物由鍺組成。
如圖2所示，涉及上述類型的光纖且用圖符代表了對于在光纖的硅基質(zhì)溶液里的一個鉺離子可獲得到的能態(tài)。在一個激勵波長λp上的發(fā)光功率被允許進入有源光纖，此波長比傳輸信號波長λs低，導(dǎo)致一定量的存在于光纖硅基質(zhì)中雜質(zhì)Er3+離子達到激發(fā)能量態(tài)8，即在下文稱為激勵能帶，從這個狀態(tài)離子自然衰變到構(gòu)成激光發(fā)射能級的能級9。
在激光發(fā)射能級9，Er3+離子可以停留此較長時間，因此使得在光纖中粒子數(shù)反轉(zhuǎn)能出現(xiàn)，在這種情況下相對于處在基礎(chǔ)能級10的離子在上面激光能級的離子是大量的，大家知道，有相當(dāng)高數(shù)量的處在激光發(fā)射能級的離子的光纖中通過與該激光躍遷相一致的波長的信號時，這信號會使相關(guān)離子在它們出現(xiàn)自然衰變以前受激躍遷，從激光發(fā)射能級到低能級。伴隨著同一波長的光發(fā)射，連續(xù)發(fā)生就在有源光纖的輸出端產(chǎn)生放大了的傳輸信號的光發(fā)射。
如圖3所示，上面敘述過的那種類型的光纖的發(fā)光吸收光譜，大約在980nm，顯示出一個高數(shù)值的峰點，所述吸收是與鉺離子的躍遷相聯(lián)系的。在有該波長的光存在時，它進入激勵能帶，因此利用980nm波長可向光纖傳送高激勵功率用于放大的目的。
這一波長雖然可以被實驗裝置很容易的產(chǎn)生，例如用鈦蘭寶石制作的激光器或者是低功率半導(dǎo)體二極管激光器，然而在工業(yè)領(lǐng)域高功率的激光源是方便的實用。例如商業(yè)上合用的釹YAG型的三級二極管激勵激光器，具有高于50mW的功率，光發(fā)射波長在大約947nm，或者良半導(dǎo)體二極管激光器，工作在900nm至950nm之間，具有高于50mW的功率，這種產(chǎn)品的產(chǎn)生適合用于線路放大器的使用的價值和可靠性。
然而，這種激光源，如上所述，有一個光發(fā)射頻帶為900至950nm，如圖3中影線區(qū)域所示的，正如從圖中所看到的，含有鉺作為激光發(fā)射摻雜物的光纖在該波長范圍上有很低的光吸收值，不足以進行粒子數(shù)反轉(zhuǎn)而引起激光發(fā)生。
業(yè)已知道，除含有鉺及作為折射指數(shù)變化子的雜質(zhì)(鍺或鋁)之外，還含有鐿(Yb+3)作為進一步雜質(zhì)的上述類型光纖，具有圖4所示的吸收曲線，其中有很寬的高吸收區(qū)域適合于包括所述的三級釹YAG激光器或高功率半導(dǎo)體二極管激光器的光發(fā)射頻帶，而且令人驚奇的是在所述波長上的光吸收，由于鐿的存在，與摻雜鉺的光纖在同樣波長上的激光發(fā)射相關(guān)，因此所述光纖可以用作光放大器中的有源元件。
可以確信，在上述類型，摻有鉺和鐿兩種雜質(zhì)的光纖中，鐿吸收能量，隨之能量從鐿離子傳遞到鉺離子，這些離子可以因此而達到它們對應(yīng)的激光發(fā)射能級，并在與所述能級相關(guān)的波長上進行所要求的放大作用。
基于這一論點需要注意，在1.5至1.6μm范圍的波長上，只摻雜鐿的光纖沒有顯示出激光效果，因此對所述的光纖探測出的光發(fā)射不能歸因于鐿，相反發(fā)射的波長顯露出鉺的特征。為了實驗的目的制作了由二氧化硅為基質(zhì)的有源光纖，這種“步進指數(shù)”型的光纖具有依重量計的下列雜質(zhì)含量Er2O30.06%Yb2O36.0%Al2O38.5%這種光纖給出的吸收曲線描繪在圖4顯示了一個主要在890至1000nm之間的大量的光吸收。
一個光纖自身再生的發(fā)射光譜在圖6示出，在具有大約80mW功率和930nm波長的激勵源的情況中，其形狀與只含有鉺的Si-Al光纖相似。
如圖6所示，事實上在光纖含有鐿的情況下鉺的發(fā)射光譜并沒有大的變化，所以這種光纖可以使用在光通信類型的傳輸信號放大方面，這與用只含鉺雜質(zhì)的有源光纖得到同樣的效果。
這種光纖能夠構(gòu)成根據(jù)圖1的光放大器，在放大器中有源光纖長5米，其激勵光源三級Nd∶YAG激光器在947nm上工作，有100mW的功率，且為商業(yè)化產(chǎn)品。
用半導(dǎo)體激光器(In、Gd、As)DEB可以產(chǎn)生傳輸信號，具有1531nm波長和1mW功率，這個信號送入放大器輸入端將被衰減直至達到1μw功率。
在上述條件下，放大器未端得到30dB增益。
作為比較，以相同的回路試用“步進指數(shù)”類型的硅基有源光纖，用Al2O3和Er2O3為雜質(zhì)，包含按重量為600ppm的Er2O3，所述放大器，在給予同樣激勵功率的情況下，在波長為947nm，使用在前述情況顯示出增益低于8dB，相反，同一個光纖用在激勵激光源為980nm時顯示出有大的增益，這種情況可以通過使用低功率(低于10mW)不適于放大通信信號的半導(dǎo)體二極管類激光器得到?；蛘哂酶吖β实膖itanicm zapphire激光器但是太貴，這種激光器不適合用在線路放大器中。
圖5給出的是一種硅基光纖的吸收光譜，雜質(zhì)為鍺并且增加含有Er2O30.175%Yb2O31.72%按重量計。
可以看出，光纖的期望折射指數(shù)由于使用鍺而被得到，該光纖的光吸收同樣增長如上述例子中所說的，并且可成功地用來制成光放大器，用三級Nd∶YAG激光器或半導(dǎo)體二極管激光器，工作在900-950nm之間來激勵。
相對于光纖結(jié)構(gòu)所允許的由鐿到鉺的能量傳遞效率，在本發(fā)明光纖中的鐿成分最好是等于或高于鉺的成分，并且在這樣的范圍內(nèi)
1≤ ((Yb2O3))/((Er2O3)) ≤100在光纖中鐿的最大成分低于重量的5%，最好是低于重量的1%;實際上鐿濃度的高值不可用于光纖放大器中使用的有源光纖，因為相對光纖中的光傳播它們會帶來改變現(xiàn)象，而且它們將把光纖自身的放大效率即所提供的單位激勵功率的增益，降至無法接收的量值，其結(jié)果使得非電抗型額外能量傳輸上升。
在光纖中引入摻雜物可通過例如本領(lǐng)域中熟知的確保質(zhì)量效果的液體摻雜技術(shù)，或者根據(jù)需要通過其它技術(shù)來完成。
為了對專門的應(yīng)用取得特定的效果也可將進一步的摻雜物，根據(jù)本發(fā)明引入光纖中。
在不脫離本發(fā)明的范圍的條件下，可以做出許多包含本發(fā)明基本點的變化形式。
權(quán)利要求
1.一種光纖，尤其是用在為通信線路的光纖放大器中，內(nèi)含有鉺做為激光光發(fā)射的摻雜物并且有一種摻雜物做為折射率的變化子以適合于保證波導(dǎo)效應(yīng)，并由具有產(chǎn)生所述激光光發(fā)射的有預(yù)定波長的發(fā)光激勵源進行饋入，其特征在于光纖中含有進一步的摻雜物其在結(jié)合有這種光纖的光放大器中的對激勵激光發(fā)射波長具有有效的光能吸收。所述的進一步摻雜物是適應(yīng)向含在光纖中的鉺傳輸其吸收的激勵能。由此使得粒子數(shù)反轉(zhuǎn)產(chǎn)生激勵光發(fā)射出現(xiàn)在光通信信號中。
2.如權(quán)利要求1的一種光纖，其特征是進一步的摻雜物包含三價正離子形式的鐿。
3.如權(quán)利要求2的一種光纖，其特征是光纖中所含鐿的濃度與所含的鉺相關(guān)，它們的氧化物按重量的百分比表示為1≤ ((Yb2O3))/((Er2O3)) ≤100而且按重量鐿的濃度相對于光纖的全部重量低于5%。
4.如權(quán)堅要求3的所述光纖，其特征為按重量鐿的濃度相對于光纖的全部重量低于1%。
5.如權(quán)利要求1的所述光纖，其特征為可以改變折射率的摻雜物是鍺。
6.如權(quán)利要求1的所述光纖，其特征為可以改變折射率的摻雜物是鋁。
7.一種光放大器，特別為光纖通信線路，包括有摻雜物鉺、激光光發(fā)射，有源光纖和發(fā)光激勵激光源。使用在特定的波長，其特征為有源光纖含有的進一步的摻雜物呈現(xiàn)出在激勵激光發(fā)射波長上的光吸收和適于將吸收的能量傳遞給光纖中的鉺。因此產(chǎn)生同樣的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，在光通信信號中發(fā)生激勵光發(fā)射。
8.如權(quán)利要求7的所述光放大器，其特征為在有源光纖中的進一步的摻雜物包含三價正離子型的鐿，并且發(fā)光激勵源是釹YAG型三級激勵二極管激光器或運行在900至950nm之間的半導(dǎo)體二極管激光器。
9.如權(quán)利要求7的所述光放大器，其特征為放大器中的有源光纖內(nèi)含鐿的濃度與所含鉺的濃度有關(guān)系，它們包含在所述光纖中的氧化物按重量的百分比表示為1≤ ((Yb2O3))/((Er2O3)) ≤100而且鐿的濃度按重量相對于光纖的全部重量低于5%。
10.如權(quán)利要求9所述的光放大器，其特征為鐿的濃度低于1%。
全文摘要
一種光放大器，主要針對光纖通信線路，由雜質(zhì)鉺、激光發(fā)射器、有源光纖和發(fā)光激勵源之作在特定的波長、放大器中的有源光纖含有進一步的摻雜物鏡，其呈現(xiàn)出在激盛激光發(fā)射的波長上有光吸收，例如商品釹YAG型三級激勵二極管激光器，使用在900至950nm之間，這不同于來自鉺被激發(fā)出的波長，而且其將在此吸收的能量傳送給光纖中的鉺，由此產(chǎn)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)從而在通信信號中產(chǎn)生激勵光發(fā)射，鐿用在有源光纖中能夠達到足夠?qū)挼奈展庾V。
文檔編號G02B6/02GK1051794SQ9010904
公開日1991年5月29日 申請日期1990年11月10日 優(yōu)先權(quán)日1989年11月10日
發(fā)明者吉爾吉奧·格拉索, 阿爾多·里格蒂, 弗拉維奧·方塔納 申請人:卡維·皮雷利有限公司