专利名称：一种具有宽激励频带的有源光纤放大器及相关的有源光纤的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种具有宽激励频带的有源光纤放大器及相关的有源光纤。
众所周知，用特定物质掺杂包芯的光纤具有受激光发射的特征可以用作激光源和光放大器。
事实上，光纤馈入具有特定波长的光源，导致掺杂原子达到激发能态，或激励频带，从这种能态经过很短的时间原子自然衰变达到一种被称为激光发射状态，在这一状态它们保持比较长的时间。
当有与光发射状态相一致波长的发光信号通过具有大量在激光发射能级的受激态原子的光纤时，这个发光信号引起激发状原子向低能级的跃迁。此发射光具有与信号波长相一致的波长;因此，上述类型的光纤可以被用于对其传送的信号的放大。
上述现象可以在掺杂物所代表的几种波长上产生，因此在光纤中呈现光谱。
上述类型的光发射放大器的出现使得通过向光纤施加足够的激励能，可保持它处于粒子数反转状态，也就是可以维持处于激光发射态的杂质的原子数目高于处于基能态的同样杂质原子的数目。上述能量可以以光能形式供给光纤，为此光纤需要馈入具有与杂质到达高于激光发射能级的能量跃迁相一致波长的光源。
光纤显示出吸收光谱，也就是说，在所述光纤含有的杂质可进行的不相同的能量跃迁中一些波长上光吸收特别高。
因此，为了提供足够量的激励能，将所说光能在一波长上输入光纤该波长与具有一能量跃迁的光纤吸收光谱的峰值相一致，其能级与期望的激光发射能级相同或高于它。
例如一个其包芯掺杂有钼的光纤，如英国专利申请GB NO。8813769中所述的那样，为了提供上述类型的激光光发射，使之适合于光信号放大，可以通过吸收具有大约980nm波长的光激励能使其达到激发态。
为了达到这个目的必须使用在这样一个波长上提供光能的激励激光。
在这个光谱区域的激光中，半导体二极管类型的激光以它们所展现的与所需质量相关的紧凑性可靠性和成本可以被工业应用在光纤通信线路上，然而所说的设备，如果它们被制成工作于大约在980nm波长上，则具有一降低的功率(大约为10mW)，这基本上是由于为产生所说的光发射波长所需要的精密的晶体结构，因此这样的设备不适于为提供功率放大器而沿线路设置。
还能够制成适合于产生输出功率大于50mW的半导体激光器，但是这样的激光器只工作于900至950nm区域内，这超出了所描述过的掺杂有钼的光纤能够从中吸收能量的光谱区域，因此这些激光器不能使用所说的光纤。
还知道一些激光器适合提供具有一大的发光功率的光能，例如三级钕激励二极管激光器YAG型，它们可以方便地用作给光放大器提供激励能的光源，但是它们只发出947nm波长的光，这超出了铒被激励的区域。
因而本发明的目的是提供一种掺杂光纤，它显示一种对光能的重要的吸收，这种吸收适合于使掺杂物质或掺杂物达到具有高功率激光发射的激光发射态。这种光纤还在工业中实际使用并适合运用在电信线路上为光信号放大。
本发明的一个目的是一种光纤，它特别使用在用于光通信线路的光纤放大器中，含有用作激光发射杂质的铒，具有做为反射指数变换子的掺杂物，适于确保波导效应，馈入预定波长的发光激励源用来产生所述激光发射。其特征在于光纤的组成是一进一步的掺杂物，它大量吸收在结合到光纤的光放大器具有激励激光的光发射波长的光能。所说的进一步掺杂物是适把吸收的激励能传送给包含在光纤中的铒，因此引起一个在有光传输信号的情况下产生一激发光发射的粒子数反转。
较可取的进一步的掺杂物是由三价的正离子镱构成。
在光纤中镱相对于铒的浓度，以其氧化物重量的百分比表达为1≤ ((Yb2O3))/((Er2O3)) ≤100而且从重量上看镱相对于整个光纤的浓度低于5%且最好低于1%。
能变化折射指数的掺杂物可以是锗或铝。
本发明的另一个目的是光放大器，特别用于光纤通信线路，它包括掺铒激光发射有源光纤和一激光激发光源，它工作在一预定的波长，其特征在于有源光纤的组成是一显示出在激励激光发射器的发射波长上有光吸收的进一步掺杂物，而且有源光纤适合于将被吸收能量传送到光纤中含有的铒，因此引起同样的粒子数反转，适合于在有光通信信号的情况下产生激发的光发射。
有源光纤中掺杂物进一步是由三价正离子的镱组成而且发光激励源是钕YAG型钕的三级二极管激励激光器或工作在900至950nm之间波长的半导体二极管激光器，光放大器所用的有源光纤中的镱的浓度相对所含铒的浓度以含在所说光纤中氧化物的重量百分比表示为1≤ ((Yb2O3))/((Er2O3)) ≤100而按重量镱相对于整个光纤的总重量，其浓度低于5%最好低于1%。
下面进一步详细描述本发明，同时参考附图，在附图中
图1给出了依据本发明使用掺杂光纤的放大器的图示;
图2给出了图1表示的用在光放大器中的光纤的能量传输;
图3给出了用含有Er3+杂质的硅玻璃制作的光纤中的光吸收曲线;
图4给出了用含有Er3+和Yb3+杂质的硅玻璃制造的光纤中的光吸收曲线，这是本发明的一个实施例;
图5给出了用含有Er3+和Yb3+杂质的硅玻璃制造的光纤中的光吸收曲线，这是本发明的第二个实施例;
图6给出了与图4相关的光纤中激励光发射的曲线。
为了达到在通信光纤中放大信号的目的，使用光纤的放大器是很方便的，所述放大器的结构在图1中示出，在图1中1表示一个通信光纤，一个波长λs的传输信号被传送到这个通信光纤中，这个信号的产生是能量来自信号激励源2;这个信号，它经过一定长度的线路后被衰减，被传到二向光性耦合器3，在这里它与具有波长λp的激励光耦合，λp的产生来自激励激光源4;在信号光纤5混合的两个波长而后被传送到有源光纤6，它构成信号的放大元件，信号按需要被放大，最终输入到继续向前然后朝终端去的线路光纤7。
为了生产作为整体构成放大器元件的有源光纤6，使用的光纤是例如用石英玻璃制造的光纤，掺入Al2O3的溶液以便获得所期望的适于取得波导的折射指数的表层，以及掺入Er2O3例如前面提及的英国专利申请No.8813769所描述的那类类型，使得通过利用铒的激光传送来完全传输信号的有利放大成为可能，另一方面，使用也含有钕作为激光发射掺杂物的光纤也是可能的，在这里用作指数变换子的掺杂物由锗组成。
如图2所示，涉及上述类型的光纤且用图符代表了对于在光纤的硅基质溶液里的一个铒离子可获得到的能态。在一个激励波长λp上的发光功率被允许进入有源光纤，此波长比传输信号波长λs低，导致一定量的存在于光纤硅基质中杂质Er3+离子达到激发能量态8，即在下文称为激励能带，从这个状态离子自然衰变到构成激光发射能级的能级9。
在激光发射能级9，Er3+离子可以停留此较长时间，因此使得在光纤中粒子数反转能出现，在这种情况下相对于处在基础能级10的离子在上面激光能级的离子是大量的，大家知道，有相当高数量的处在激光发射能级的离子的光纤中通过与该激光跃迁相一致的波长的信号时，这信号会使相关离子在它们出现自然衰变以前受激跃迁，从激光发射能级到低能级。伴随着同一波长的光发射，连续发生就在有源光纤的输出端产生放大了的传输信号的光发射。
如图3所示，上面叙述过的那种类型的光纤的发光吸收光谱，大约在980nm，显示出一个高数值的峰点，所述吸收是与铒离子的跃迁相联系的。在有该波长的光存在时，它进入激励能带，因此利用980nm波长可向光纤传送高激励功率用于放大的目的。
这一波长虽然可以被实验装置很容易的产生，例如用钛兰宝石制作的激光器或者是低功率半导体二极管激光器，然而在工业领域高功率的激光源是方便的实用。例如商业上合用的钕YAG型的三级二极管激励激光器，具有高于50mW的功率，光发射波长在大约947nm，或者良半导体二极管激光器，工作在900nm至950nm之间，具有高于50mW的功率，这种产品的产生适合用于线路放大器的使用的价值和可靠性。
然而，这种激光源，如上所述，有一个光发射频带为900至950nm，如图3中影线区域所示的，正如从图中所看到的，含有铒作为激光发射掺杂物的光纤在该波长范围上有很低的光吸收值，不足以进行粒子数反转而引起激光发生。
业已知道，除含有铒及作为折射指数变化子的杂质(锗或铝)之外，还含有镱(Yb+3)作为进一步杂质的上述类型光纤，具有图4所示的吸收曲线，其中有很宽的高吸收区域适合于包括所述的三级钕YAG激光器或高功率半导体二极管激光器的光发射频带，而且令人惊奇的是在所述波长上的光吸收，由于镱的存在，与掺杂铒的光纤在同样波长上的激光发射相关，因此所述光纤可以用作光放大器中的有源元件。
可以确信，在上述类型，掺有铒和镱两种杂质的光纤中，镱吸收能量，随之能量从镱离子传递到铒离子，这些离子可以因此而达到它们对应的激光发射能级，并在与所述能级相关的波长上进行所要求的放大作用。
基于这一论点需要注意，在1.5至1.6μm范围的波长上，只掺杂镱的光纤没有显示出激光效果，因此对所述的光纤探测出的光发射不能归因于镱，相反发射的波长显露出铒的特征。为了实验的目的制作了由二氧化硅为基质的有源光纤，这种“步进指数”型的光纤具有依重量计的下列杂质含量Er2O30.06%Yb2O36.0%Al2O38.5%这种光纤给出的吸收曲线描绘在图4显示了一个主要在890至1000nm之间的大量的光吸收。
一个光纤自身再生的发射光谱在图6示出，在具有大约80mW功率和930nm波长的激励源的情况中，其形状与只含有铒的Si-Al光纤相似。
如图6所示，事实上在光纤含有镱的情况下铒的发射光谱并没有大的变化，所以这种光纤可以使用在光通信类型的传输信号放大方面，这与用只含铒杂质的有源光纤得到同样的效果。
这种光纤能够构成根据图1的光放大器，在放大器中有源光纤长5米，其激励光源三级Nd∶YAG激光器在947nm上工作，有100mW的功率，且为商业化产品。
用半导体激光器(In、Gd、As)DEB可以产生传输信号，具有1531nm波长和1mW功率，这个信号送入放大器输入端将被衰减直至达到1μw功率。
在上述条件下，放大器未端得到30dB增益。
作为比较，以相同的回路试用“步进指数”类型的硅基有源光纤，用Al2O3和Er2O3为杂质，包含按重量为600ppm的Er2O3，所述放大器，在给予同样激励功率的情况下，在波长为947nm，使用在前述情况显示出增益低于8dB，相反，同一个光纤用在激励激光源为980nm时显示出有大的增益，这种情况可以通过使用低功率(低于10mW)不适于放大通信信号的半导体二极管类激光器得到。或者用高功率的titanicm zapphire激光器但是太贵，这种激光器不适合用在线路放大器中。
图5给出的是一种硅基光纤的吸收光谱，杂质为锗并且增加含有Er2O30.175%Yb2O31.72%按重量计。
可以看出，光纤的期望折射指数由于使用锗而被得到，该光纤的光吸收同样增长如上述例子中所说的，并且可成功地用来制成光放大器，用三级Nd∶YAG激光器或半导体二极管激光器，工作在900-950nm之间来激励。
相对于光纤结构所允许的由镱到铒的能量传递效率，在本发明光纤中的镱成分最好是等于或高于铒的成分，并且在这样的范围内
1≤ ((Yb2O3))/((Er2O3)) ≤100在光纤中镱的最大成分低于重量的5%，最好是低于重量的1%;实际上镱浓度的高值不可用于光纤放大器中使用的有源光纤，因为相对光纤中的光传播它们会带来改变现象，而且它们将把光纤自身的放大效率即所提供的单位激励功率的增益，降至无法接收的量值，其结果使得非电抗型额外能量传输上升。
在光纤中引入掺杂物可通过例如本领域中熟知的确保质量效果的液体掺杂技术，或者根据需要通过其它技术来完成。
为了对专门的应用取得特定的效果也可将进一步的掺杂物，根据本发明引入光纤中。
在不脱离本发明的范围的条件下，可以做出许多包含本发明基本点的变化形式。
权利要求
1.一种光纤，尤其是用在为通信线路的光纤放大器中，内含有铒做为激光光发射的掺杂物并且有一种掺杂物做为折射率的变化子以适合于保证波导效应，并由具有产生所述激光光发射的有预定波长的发光激励源进行馈入，其特征在于光纤中含有进一步的掺杂物其在结合有这种光纤的光放大器中的对激励激光发射波长具有有效的光能吸收。所述的进一步掺杂物是适应向含在光纤中的铒传输其吸收的激励能。由此使得粒子数反转产生激励光发射出现在光通信信号中。
2.如权利要求1的一种光纤，其特征是进一步的掺杂物包含三价正离子形式的镱。
3.如权利要求2的一种光纤，其特征是光纤中所含镱的浓度与所含的铒相关，它们的氧化物按重量的百分比表示为1≤ ((Yb2O3))/((Er2O3)) ≤100而且按重量镱的浓度相对于光纤的全部重量低于5%。
4.如权坚要求3的所述光纤，其特征为按重量镱的浓度相对于光纤的全部重量低于1%。
5.如权利要求1的所述光纤，其特征为可以改变折射率的掺杂物是锗。
6.如权利要求1的所述光纤，其特征为可以改变折射率的掺杂物是铝。
7.一种光放大器，特别为光纤通信线路，包括有掺杂物铒、激光光发射，有源光纤和发光激励激光源。使用在特定的波长，其特征为有源光纤含有的进一步的掺杂物呈现出在激励激光发射波长上的光吸收和适于将吸收的能量传递给光纤中的铒。因此产生同样的粒子数反转，在光通信信号中发生激励光发射。
8.如权利要求7的所述光放大器，其特征为在有源光纤中的进一步的掺杂物包含三价正离子型的镱，并且发光激励源是钕YAG型三级激励二极管激光器或运行在900至950nm之间的半导体二极管激光器。
9.如权利要求7的所述光放大器，其特征为放大器中的有源光纤内含镱的浓度与所含铒的浓度有关系，它们包含在所述光纤中的氧化物按重量的百分比表示为1≤ ((Yb2O3))/((Er2O3)) ≤100而且镱的浓度按重量相对于光纤的全部重量低于5%。
10.如权利要求9所述的光放大器，其特征为镱的浓度低于1%。
全文摘要
一种光放大器，主要针对光纤通信线路，由杂质铒、激光发射器、有源光纤和发光激励源之作在特定的波长、放大器中的有源光纤含有进一步的掺杂物镜，其呈现出在激盛激光发射的波长上有光吸收，例如商品钕YAG型三级激励二极管激光器，使用在900至950nm之间，这不同于来自铒被激发出的波长，而且其将在此吸收的能量传送给光纤中的铒，由此产生粒子数反转从而在通信信号中产生激励光发射，镱用在有源光纤中能够达到足够宽的吸收光谱。
文档编号G02B6/02GK1051794SQ9010904
公开日1991年5月29日 申请日期1990年11月10日 优先权日1989年11月10日
发明者吉尔吉奥·格拉索, 阿尔多·里格蒂, 弗拉维奥·方塔纳 申请人:卡维·皮雷利有限公司