专利名称：具有小数值孔径的掺稀土光纤的制作方法
技术领域：
本发明涉及光纤领域，更具体地涉及用于放大所传送的光信号的放大光纤。具体 地，放大光纤可用作宽带传输线中的放大器。本发明还提供一种制造这种放大光纤的方法。
背景技术：
放大光纤(例如，掺杂有稀土元素的光纤)常用于多种光学应用。例如，掺铒光纤用于在长距离光通信系统中对传输的光信号进行放大。这种光纤 用于掺铒光纤放大器(EDFA)中并具有由石英基质制成的中央纤芯，其中石英基质包括浓 度约为百万分之250 (ppm)至IOOOppm(即，0. 025重量百分比至0. 1重量百分比)的稀土掺 杂元素(例如，铒)。稀土掺杂元素可以与补充掺杂元素相关联以提高放大率。例如，铝可 用作补充掺杂元素以使波分复用(WDM)应用的增益带宽变宽。通常，通过向光纤注入对稀土元素(例如，EDFA中的Er3+)进行激发的泵浦信号以 在掺稀土光纤中实现光放大。当光信号穿过这部分光纤时，光信号通过受激发射使稀土元 素退激，从而产生在所有方面都与入射光子完全相同的光子。因此光信号加倍。掺稀土光纤的性能通常由功率转换效率(PCE)表示。如等式1 (见下文)所示，功 率转换效率是放大光纤的增益与用来获得该增益的泵浦功率之间的比值。放大光纤的增益 由公式2定义。公式1 :PCE=公式2 -.Gain = Psout — P在这些公式中，Pfn是输入的泵浦功率，Pfn是输入的信号功率，P。Sut是输出的被放大 的信号功率。在一些应用中，期望从放大光纤获得大的输出功率。一种解决方案涉及增加光纤的中央纤芯中的稀土掺杂物的浓度以增加放大增益。然而，当光纤的中央纤芯中的稀土掺杂物的浓度高时，可在中央纤芯的纤芯基质 (例如，石英)中形成成对的稀土元素或甚至形成稀土元素的聚合，从而导致不均勻的掺 杂。因为还同时存在着与提供放大的机制不同的机制，所以这种掺杂的不均勻性降低了光 纤的放大效率。这些其它机制例如为共振能量转移、逐步上转换、合作发光、合作能量转移 以及同步光子吸收。这些机制与受激发射竞争并降低光放大的效率。这些稀土元素的聚合 还加重光子退化，光子退化可能在光信号在光纤中传播期间以大功率出现在光纤的中央纤 芯中并且作为存在于中央纤芯的纤芯基质(例如，石英)中的晶体缺陷的结果。另一种解决方案涉及增加泵浦信号的功率。然而，根据光纤的数值孔径的值，能量 转换效率可能会衰减。图1描绘了功率转换效率(PCE)随泵浦信号功率的变化而变化。图1描绘了 0. 14 与0. 30之间的数值孔径值上所获得的曲线。数值孔径是一种光纤参数，其可通过下式近似表示_5] NA = ^1J-η；其中η。为光纤的中央纤芯的折射率，ng为光纤的包层的折射率。图1示出了功率转换效率随泵浦功率的变化而变化。具体地，对于大的数值孔径 值，功率转换效率最大出现在小的泵浦功率值处。例如，对于数值孔径0. 30，功率转换效率 最大位于约75毫瓦(mW)的泵浦信号处。反之，对于小的数值孔径值，功率转换效率最大位 于大的泵浦功率值处。例如，对于数值孔径0. 14，最大功率转换效率出现在约500毫瓦(mW) 的泵浦功率处。具体地，对于小于0. 18的数值孔径，大泵浦功率(例如，500毫瓦)处的功率转换 效率变得大于0. 50。此外，该功率转换效率在350毫瓦至500毫瓦的泵浦功率范围内几乎 没有变化，所以能够在该范围内改变泵浦功率而不会显著改变功率转换效率。因此，对于给定的数值孔径值存在功率转换效率的最大值，减小数值孔径将使功 率转换效率最大值朝向较大的泵浦功率值转移。这一现象的解释来自于如下事实随着注入光纤的泵浦功率增加，中央纤芯中的 高的功率密度导致已知为激发态吸收(ESA)的非线性效应。当激发态吸收发生时，两个泵 浦光子被单个稀土元素吸收，从而将稀土元素激发至更高的能级(即，比适于放大的通常 能级更高的能级)。通过从这些更高的能级以非辐射的方式松弛，稀土元素的确有助于放 大，但是这样做的结果是消耗了两个泵浦光子而不是消耗仅仅一个泵浦光子。这种损失机 制降低了收益，并因此降低了功率转换效率。换言之，为了获得给定的增益水平，变得有必 要在存在ESA时使用更大的泵浦功率。通过减小数值孔径，增加了泵浦信号的模场直径 (MFD)，从而降低了中央纤芯中泵浦信号的功率密度。泵浦信号的功率密度的降低减少了激 发态吸收的幅度，从而提高了功率转换效率。放大光纤的增益形状将其增益的值表示为入射信号的波长的函数。例如，掺铒光 纤用于在光传输系统中提供放大，具体用于在C频带波长范围内工作的系统内的调度。通 常，C频带包括位于约1525纳米与1570纳米之间(例如，约1530纳米与1565纳米之间) 的波长。掺铒光纤通常在C频带中呈现出约30纳米至35纳米的增益宽度和0. 23的数值 孔径。对于大功率应用，期望降低数值孔径以避免损失放大效率并且保留增益特性。出版物"Novel erbium-doped fiber for high power applications (用于大功 率应用的新型掺铒光纤)”，Passive Components and Fiber-based Devices (无源器件和 基于光纤的装置)，B. S. Wang等，SPIE学报，卷5623，第411-417页(2005)公开了用于WDM 应用的大功率的掺稀土光纤。Wang的出版物提出，对于这几种光纤，光波导的设计应该适于 确保模场直径与稀土元素之间的良好重叠(即，这些稀土元素受到光照；而模场之外的稀 土元素将不提供放大)。此外，掺杂成分的设计(例如，稀土掺杂元素的分散或化学环境) 应该适于确定EDFA光纤的增益形状。Wang的出版物中的掺铒光纤可用于600毫瓦的泵浦 功率。然而，为了提高增益宽度，掺铒过程伴有高浓度铝补充掺杂元素(即，大于12摩尔百 分比的浓度)。不幸地，铝也增加中央纤芯相对于包层的折射率差并且增加背景损耗。这些 增加是能够通过嵌入氟减少折射率差来进行抑制的。然而，因为氟能够改变增益宽度，特别 是在C频带中，所以能够嵌入的氟的程度是有限的。因此，为了在C频带中保持增益，Wang的出版物中所述的光纤拥有小于0. 176的数值孔径。文献EP-A-1152502描述了一种的光纤，其不但掺杂有铒还掺杂有氧化铝以改善 稀土掺杂。该光纤还包括锗以适应中央纤芯与包层之间的折射率差的值，从而获得0.11至 0. 21范围内的数值孔径。然而，预期应用为L频带(S卩，1565纳米至1625纳米)。其它解决方案涉及通过加入经由改进的化学气相淀积(MCVD)掺杂有稀土元 素的纳米粒子而将稀土掺杂物引入光纤的中央纤芯中。例如，文献EP-A-1347545或 W0-A-2007/020362描述了一种光纤，其在光纤的中央纤芯中包含有纳米粒子。这些文献中 描述的纳米粒子包含稀土掺杂元素和至少一种改善信号放大的元素，例如铝、镧、锑、铋或 一些其它元素。EP-A-1347545公开了最终增益形状，该增益形状是多种不同纳米粒子相关 的所有增益形状贡献的总和。该光纤设计、纳米粒子制造和纳米粒子成分与本发明不同。 W0-A-2007/020362未公开任何光纤粒子浓度，并具有不同的光纤设计和纳米粒子成分。文献FR 08/06752描述了一种光纤，该光纤通过纳米粒子进行稀土掺杂并能够获 得大功率。选择纳米粒子的特性和掺杂的特性以确保光纤中的高增益。具体地，稀土元素 的浓度很高以提高该光纤的增益。然而，FR 08/06752未公开具有用于大功率应用的小数 值孔径的光纤。因此，需要一种具有用于大泵浦功率应用的小数值孔径且不具有衰减的增益形状 的掺稀土放大光纤。
发明内容
因此，在一方面，本发明包含一种放大光纤，其包括适于传送和放大光信号的中央 纤芯以及包围中央纤芯以将传送的光信号限制在中央纤芯内的包层。中央纤芯由纤芯基质 形成，在纤芯基质中存在有纳米粒子。换言之，纳米粒子被分散或嵌入在纤芯基质内。纳米 粒子自身包括纳米粒子基质和稀土掺杂元素。通常，纳米粒子基质由包含一种或多种补充 掺杂元素的分子形成。纤芯基质还可以包括一种或多种附加掺杂物(即，除了纳米粒子之 外)。因此本发明提供了一种放大光纤，其包括中央纤芯，适于传送和放大光信号；包层，包围中央纤芯并适于将传送的光信号限制在中央纤芯内；中央纤芯由包含纳米粒子的纤芯基质形成，纳米粒子包括纳米粒子基质和稀土掺 杂元素，中央纤芯的纤芯基质还包括附加掺杂物；其中该光纤还具有以重量计位于200ppm至IOOOppm范围内的、中央纤芯中稀土掺杂元素的浓度；以重量计位于0. 5wt %至5wt %范围内的、优选地位于1. 5wt %至4wt %范围内的、 中央纤芯中纳米粒子基质的浓度；以重量计位于至10wt%范围内的、中央纤芯中附加掺杂物的浓度。在一个实施方式中，光纤的中央纤芯中的稀土掺杂元素的浓度在约200ppm至 IOOOppm之间。在中央纤芯中，纳米粒子基质的补充掺杂元素的浓度通常在约0. 5重量百分 比与5重量百分比之间(例如，在1. 5重量百分比与4重量百分比之间)。在另一个实施方式中，在中央纤芯中，附加掺杂物的浓度在约1重量百分比与10重量百分比之间。在又一个实施方式中，数值孔径在约0. 10至0. 18范围内。该选择的效果是防止 放大效率的损失。在又一个实施方式中，附加掺杂物是锗、氟、铝和/或磷。该选择的效果是这些元 素可用来适应中央纤芯的折射率。 在又一个实施方式中，纤芯基质是石英。在又一个实施方式中，纳米离子具有在约100与500之间(例如，位于150与350 之间)的、纳米粒子基质的补充掺杂元素与稀土掺杂元素的原子比。如果摩尔比越高，则稀 土掺杂元素的效果将越不明显。如果摩尔比太低，则增益的效率将会减少。在又一个实施方式中，中央纤芯中的纳米粒子的浓度位于IO16纳米粒子每立方厘 米(NPs/cm3)至1018NPs/cm3范围内。该浓度将在效果和效率之间产生良好的平衡。在又一个实施方式中，纳米粒子基质是氧化铝(Al2O3)。在又一个实施方式中，稀土掺杂元素是铒(Er)、镱(Yb)和/或铥(Tm)。这些元素 中的每一种都具有不同的使用波长。在又一个实施方式中，在光纤的中央纤芯中，中央纤芯中的稀土掺杂元素的浓度 在约200ppm至400ppm范围内，并且纳米粒子基质的补充掺杂元素的浓度在2. 5重量百分 比至3. 5重量百分比范围内。发明人已经发现，这一范围产生了充分的放大效果，并且不因 所描述的其他机制而损失效率。在又一个实施方式中，对于频带C(约1525纳米至1570纳米)，光纤呈现出在约 30nm至35nm范围内的增益宽度。该选择的效果是本光纤可在C频带的大部分范围内使用。在另一方面，本发明包括一种光放大器，其包括能够以约500mW至1. 5W范围内的 泵浦功率工作的放大光纤的至少一部分。在又一方面，本发明包括一种制造用于放大光纤的初始预成型件的方法。该方法 通常包括在石英管的内表面上淀积包含附加掺杂物的基于石英的多孔层。该多孔层通常形 成光纤的中央纤芯。该方法还包括用掺杂有稀土掺杂元素的纳米粒子的悬浮液浸渍该多孔 层。已浸渍的多孔层中的稀土掺杂元素的浓度通常位于约200ppm与IOOOppm之间。已浸 渍的多孔层中的纳米粒子基质的补充掺杂元素的浓度通常位于约0. 5重量百分比与5重量 百分比之间(例如，位于约1.5重量百分比与4重量百分比之间)。多孔层中的附加掺杂物 的浓度通常位于约1重量百分比与10重量百分比之间。因此，本发明提供一种制造用于本发明的光纤的初始预成型件的方法，该方法包 括以下步骤在石英管的内表面上淀积包含附加掺杂物的基于石英的多孔层，该多孔层形成光 纤的中央纤芯；以及用掺杂有稀土掺杂元素的纳米粒子的悬浮液浸渍该多孔层；多孔层中的稀土掺杂元素的浓度以重量计位于200ppm至IOOOppm范围内，多孔层 中的纳米粒子基质的浓度以重量计位于0. 5wt%至5wt%的范围内，优选地位于1. 5wt%至
的范围内，并且附加掺杂物的浓度以重量计位于至10wt%的范围内。在本发明的方法的一个实施方式中，附加掺杂物是锗、氟、铝、或磷、或这些元素的 组合。该选择的效果是这些元素可用于适应中央纤芯的折射率。
在另一个实施方式中，该方法包括在约1000°C或更高的温度下对已浸渍的多孔层 进行至少一小时的热处理。这个步骤将加固了纳米粒子的结构。在又一个实施方式中，纳米粒子基质是氧化铝，补充掺杂元素是铝，稀土掺杂元素 是铒，并且铝与铒的原子比位于约100至500之间(例如，位于150至350之间)。如果摩 尔比越高，则稀土掺杂元素的效果将越不明显。如果摩尔比太低，则增益的效率将会减少前述的示意性内容，以及本发明的其它示例性目的和/或优点，以及实现同样目 的和/或优点的方式，将在下面的详细的描述及其附图中作进一步的说明。
图1通过图表描绘了随着泵浦功率和数值孔径的变化而变化的功率转换效率 (PCE)；图2示意性地描绘了本发明的(i)示例性光纤的折射率分布；(ii)示例性光纤中 的泵浦功率的分布；以及(iii)示例性光纤所传输的信号功率的分布。
具体实施例方式本发明包括具有用于大泵浦功率应用的小数值孔径且不具有衰减的增益形状的 掺稀土放大光纤。为此，本发明提出将稀土掺杂元素加入中央纤芯，特别以纳米粒子的形式。通常， 中央纤芯由基于石英的纤芯基质形成，该纤芯基质包括纳米粒子和一种或多种附加掺杂物 (例如，锗)。纳米粒子自身包括纳米粒子基质和稀土掺杂元素。通常，纳米粒子基质由包 含一种或多种补充掺杂元素的分子形成。中央纤芯的总体化学成分和结构使得能够获得位 于0. 10和0. 18之间的数值孔径而不使放大光纤的性能衰减。通常，光纤的中央纤芯中的稀土掺杂元素的浓度在约200ppm与IOOOppm之间。光纤的中央纤芯中的纳米粒子基质的补充掺杂元素的浓度通常在约0. 5重量百 分比与5重量百分比之间(例如，在1.5重量百分比与4重量百分比之间)。换言之，中央 纤芯中的补充掺杂元素的重量百分率通常位于这些特定范围内。光纤的中央纤芯中的附加掺杂物(例如，锗)的浓度通常在约1重量百分比与10 重量百分比之间。光纤通常包括光纤纤芯(即，中央纤芯)，用于传输和/或放大光学信号；以及 光纤包层，用于将光信号限制在纤芯内。因此纤芯的折射率η。通常大于光纤包层的折射率 ng(艮口，nc > ng)。通常，中央纤芯和一些包层是通过化学气相淀积(例如，CVD、0VD、VAD等等)获得 的。在CVD型制造方法中，中央纤芯和包层淀积在衬底管(即，淀积管)内部。对此，衬底 管形成一个或多个包层。在一些实施方式中，可对衬底管进行覆层或装套以形成附加的包 层。通常，在CVD操作期间，低挥发性元素(例如，稀土、铝等等)通过浸渍而被加入一块多 孔石英，从而形成初始预成型件的中央纤芯。掺稀土光纤通常具有补充掺杂元素(例如，氧化铝(Al2O3)中的元素铝)，这些补充 掺杂元素通过防止(i)单独的稀土掺杂元素之间以及(ii)稀土掺杂元素与晶体缺陷之间 的相互作用来提高放大率。晶体缺陷是石英网络(例如，硅原子或氧原子上的自由基)中的缺陷，其能够强烈地吸收光并导致使光纤的衰减增加的色心。为了防止这些有害的相互 作用，补充掺杂元素需要包围稀土掺杂元素。通常，当用包含稀土离子的溶液掺杂光纤时， 补充掺杂元素的浓度非常高，从而确保每个稀土掺杂元素都被补充掺杂元素所包围。不幸 地，这些补充掺杂元素改变中央纤芯的折射率。获得良好增益所需的补充掺杂元素的高浓 度难以获得小的中央纤芯折射率差和小的数值孔径。因此，示例性光纤包括由加入纳米粒子的基于石英的纤芯基质所形成的中央纤 芯。该纳米粒子由稀土掺杂元素和纳米粒子基质形成，纳米粒子基质自身由包围稀土元素 的补充掺杂元素形成。通过用纳米粒子基质包围稀土掺杂元素，稀土掺杂元素的环境变得 更加可控。换言之，由于稀土元素被周围的纳米粒子基质隔开，稀土元素聚集或聚合的概率 减少。通过纳米粒子进行掺杂确保稀土掺杂元素通常被由补充掺杂元素所形成的纳米 粒子基质包围。因此，可使用较低浓度的补充掺杂元素。因此，该补充掺杂元素对中央纤芯 的折射率的作用是有限的。在一般的实施方式中，光纤的中央纤芯具有阶跃折射率分布。也就是说，在本发明 的范围内，光纤的中央纤芯具有其他折射率分布(例如，基座分布)。光纤具有的稀土掺杂元素和补充掺杂元素(即，位于纳米粒子基质内)的浓度确 保该光纤的放大特性且不干扰光纤的折射率分布。因此，光纤的中央纤芯可具有相对于包 层的小折射率差，从而能够获得小数值孔径并且不使光纤的增益宽度衰减。因此，本发明 的光纤能够拥有小的数值孔径(例如，像0.10 一样低)。随后嵌入纤芯基质的附加掺杂物 (例如，一种或多种不同的化学掺杂物)能够改变中央纤芯的折射率。表1(见下文)提供了示出中央纤芯折射率差Anc与数值孔径NA之间的关系的 实例。表 权利要求
1.一种放大光纤，包括中央纤芯，包括纤芯基质，所述中央纤芯适于传输和放大光信号； 包层，包围所述中央纤芯并适于将所述光信号限制在所述中央纤芯内， 其中所述纤芯基质包括(i)附加掺杂物和(ii)由稀土掺杂元素和纳米粒子基质形成 的纳米粒子，所述纳米粒子基质包括一种或多种补充掺杂元素；其中所述中央纤芯中稀土掺杂元素的浓度以重量计位于200ppm至IOOOppm范围内，优 选地位于200ppm至400ppm范围内；所述中央纤芯中纳米粒子基质的浓度以重量计位于0. 5重量百分比至5重量百分比范 围内，优选地位于1. 5重量百分比至4重量百分比范围内，更优选地位于2. 3重量百分比至 3. 5重量百分比范围内；并且所述中央纤芯中附加掺杂物的浓度以重量计位于1重量百分比至10重量百分比范围内。
2.根据权利要求1所述的光纤，其中，各稀土掺杂元素实质上由单一的化学元素组成； 所述纳米粒子至少其中之一由至少两种不同的稀土掺杂元素形成。
3.根据上述任意一项权利要求所述的光纤，其中，所述纳米粒子中的所述稀土掺杂元 素的浓度位于约0. 5重量百分比与3重量百分比之间，优选地位于约0. 75重量百分比与 1.5重量百分比之间。
4.根据上述任意一项权利要求所述的光纤，其中，所述数值孔径位于0.10至0. 18范围内。
5.根据上述任意一项权利要求所述的光纤，其中，所述附加掺杂物选自锗、氟、铝、磷或 者这些元素的组合。
6.根据上述任意一项权利要求所述的光纤，其中，所述中央纤芯中纳米粒子的浓度位 于 1016NPs/cm3 至 1018NPs/cm3 范围内。
7.根据上述任意一项权利要求所述的光纤，其中，所述纳米粒子基质实质上由氧化铝 (Al2O3)组成。
8.根据上述任意一项权利要求所述的光纤，其中，所述稀土掺杂元素选自铒(Er)、镱 ( )、铥(Tm)或者这些元素的组合。
9.根据上述任意一项权利要求所述的光纤，其中，所述补充掺杂元素与所述稀土掺杂 元素的原子比在约10与500之间。
10.根据上述任意一项权利要求所述的光纤，对于在约1525纳米与1570纳米之间的频 带C，所述光纤呈现出30nm至35nm范围内的增益宽度。
11.一种光学放大器，包括根据上述任意一项权利要求所述的光纤的至少一部分并使 用位于500mW至1. 5W范围内的泵浦功率。
12.一种制造初始预成型件的方法，包括在石英管的内表面上淀积基于石英的多孔层，所述多孔层包含位于约1重量百分比与 10重量百分比之间的附加掺杂物；以及用纳米粒子的悬浮液浸渍所述多孔层，以形成已浸渍的多孔层，所述纳米粒子包括稀 土掺杂元素和包含一种或多种补充掺杂元素的纳米粒子基质；其中所述已浸渍的多孔层中的稀土掺杂元素的浓度在约200ppm与IOOOppm之间；并且其中所述已浸渍的多孔层中的补充掺杂元素的浓度在约0. 5重量百分比与5重量百分 比之间，优选地位于1. 5重量百分比与4重量百分比范围内，更优选地位于2. 5重量百分比 与3. 5重量百分比范围内。
13.根据权利要求12所述的制造方法，其中，所述附加掺杂物选自锗、氟、铝、磷以及这 些元素的组合。
14.根据权利要求12或13所述的制造方法，还包括在高于1000°C的温度下对所述已 浸渍的多孔层应用至少一小时的热处理的步骤。
15.根据权利要求12至14中任一项所述的制造方法，其中，所述纳米粒子基质是氧化 铝，所述稀土掺杂元素是铒，并且所述氧化铝与所述铒的摩尔比位于100至500范围内，优 选地位于150至350范围内。
16.根据权利要求12至15中任一项所述的制造方法，其中，所述纳米粒子基质是氧化 铝，所述稀土掺杂元素是铒，并且铝与铒的原子比位于约100至500之间，优选地位于150 至350之间。
全文摘要
本发明涉及一种放大光纤，其包括适于传送和放大光信号的中央纤芯；以及包围中央纤芯并适于将传送的光信号限制在中央纤芯内的包层。中央纤芯由包含纳米粒子的纤芯基质形成，纳米粒子包括纳米粒子基质和稀土掺杂元素。纤芯基质还包括附加掺杂物。此外，中央纤芯中的稀土掺杂元素的浓度以重量计位于200ppm至1000ppm范围内，中央纤芯中的纳米粒子基质的浓度以重量计位于0.5wt％至5wt％范围内，优选地位于1.5wt％至4wt％范围内，并且中央纤芯中的附加掺杂物的浓度以重量计位于1wt％至10wt％范围内。
文档编号G02B6/02GK102087378SQ20101056471
公开日2011年6月8日 申请日期2010年11月15日 优先权日2009年11月13日
发明者大卫·博易文, 艾卡特丽娜·伯罗乌, 锡德里克·戈奈特, 阿兰·帕斯托特 申请人:德雷卡通信技术公司