专利名称：放大器中偏振效应较小的光纤的制作方法
背景技术：
本发明涉及具有大量旋转的掺稀土光纤，并且该光纤适于在放大的光纤系统中使用。
偏振烧孔(polarization hole-burning，PHB)和依赖偏振的增益(polarization-dependent gain，PDG)是对现有技术中掺铒光纤-放大器(EDFA)传输系统有所限制的两个各向异性的增益效应。尽管这对单个放大器的影响相当小，但是在远程的情况(例如越洋系统)下，由于存在大量级联的EDFA，所以会大大降低信噪比。
当饱和光信号从光纤中偏振与较强光信号相同的任何较弱光信号中夺去增益时，会发生偏振烧孔。结果，与饱和光信号正交的偏振获得较大的(各向异性的)增益ΔG。在光纤-放大器传输系统中，随机偏振的放大的自发发射(ASE)噪声与增益饱和数据信号同时存在。与信号偏振正交的ASE分量在每一级放大器上获得较大的增益，并且增长得比预计的要快。由于放大系统通常在增益压缩的状态下工作，放大器输出功率不变，所以快速增长的ASE噪声会消耗掉数据信号的功率，并且信噪比会降低。
另一方面，依赖偏振的增益是泵光波偏振所引起的各向异性增益。在取向随机分布的铒离子中，优先激发取向与泵偏振沿同一轴线的铒离子。具有相同偏振的光对这些离子去激励，从而与其它偏振相比获得过量的增益。这也使系统性能劣化。
入射光的偏振特性以及放大器增益内的偏振特性对PHB或PDG具有重大影响。如V.J.Mazurczyk和C.D.Poole在《光放大器会议会刊(Proc.OpticalAmplifier Conference)》1994年ThB3-1，第77-79页的论文“掺铒光纤放大器中双折射对偏振烧孔的影响”中所报告的，目前在双折射很强的掺铒光纤中说明了PHB效应。如作者所揭示的，图1显示了在一双折射很强的光纤中，作为信号发射角的函数的偏振平行于与垂直于饱和信号的试探信号的增益之差。根据体放大器模型，对于线偏振，增益的各向异性为最大，而对于圆偏振，则没有各向异性。因此，当沿双折射轴中的一根轴(θ＝0°或90°)发射信号时，信号是线偏振的，所以产生最大的增益差。在45°处，信号经最大的偏振态范围形成，并且就整个放大器对局部微分增益取平均可以降低总的增益差。使双折射随机化(如图2所示，将图1的双折射很强的光纤绕在1英寸直径的鼓上)可使偏振的形成不固定，并降低Δ G。众所周知，常规的EDFA具有较弱的双折射(几米长)，致使随机双折射更加降低了发射偏振对增益的依赖(图3和4)。事实上，P.F.Wysocki在光放大器会议会刊1994年ThB4-1，第80-82页发表的论文“在具有双折射的掺铒光纤放大器中的偏振烧孔”中用下式量化了这种对线性度(DOL)的依赖ΔGa(dB)≈DOPa[ΔGMAX(dB)L∫0L(DOLρol)2dz]---(1)]]>在上式中，DOP是偏振度，DOL是线性度，L是光纤长度，而a是为1或2，分别对应于信号的部分偏振部分或完全偏振部分。当对整个Poincare球积分时，线偏振度DOL将平均为2/3。这是因为当快偏振绕过慢偏振时，两个偏振波将呈现线偏振经过圆偏振状态。如Wysocki论文中所讨论的，这在典型的掺铒光纤中将发生多次。
偏振度DOP用“主偏振状态”来定义。该参数是本发明的主题。主偏振状态是指偏振本征函数(即，本征偏振)，并且在直的椭圆光纤中，这些状态沿长轴和短轴具有本征偏振。这些本征偏振在整个光纤上保持不变，而信号的偏振状态横穿Poincare球。例如，在扭绞的椭圆光纤中，本征偏振是长短轴以及扭绞率的函数。降低DOP的一种方法是在发射机处对偏振进行扰动(scramble)。但是，其缺点是需要一个花费成本的有源元件来对偏振进行扰动。
本发明旨在通过使DOP最小来把等式1中的依赖偏振的增益/ΔG降至最低。N.Gisin在光纤技术测量讨论会(Symposium on Fiber Optics Measurements)NIST，1994年，第193-196页发表的论文“关于依赖偏振的损耗的统计学”中定义了DOP，例如定义为DOP＝|M|(2)其中|M|与斯托克斯参数S1、S2和S3有关M＝(S12+S22+S32)1/2/S0，而S0是总功率。矢量M与两个正交偏振状态的混合有关，因为“非偏振光可视为正交偏振状态的等量混合”。于是，通过保证两个正交偏振中的功率相等，可迫使DOP为零。
发明内容
本发明旨在消除放大的光纤系统中的偏振烧孔和依赖偏振的增益。这可以通过以下方式实现，即在光纤内建立大量的偏振模式耦合位置，使两个正交的偏振状态数目相等，从而使DOP最小。在光纤内建立大量的偏振模式耦合位置保证了以下现象具有较大的概率，即当光通过掺杂光纤传播时，本征偏振状态的数目将在统计的意义上相等。输入信号较大的偏振模式耦合将降低偏振烧孔；泵激光光束较强的模式耦合将降低依赖偏振的增益。
在本发明中，如图7-10所示，以一定范围的旋转率旋转或扭绞单模掺稀土光纤并且交替改变旋转方向可在正交偏振模式之间引进必要的耦合。这可以在光纤拉丝过程中通过以一预定的方式旋转光纤从而形成几个(如果不是许多个)偏振模式耦合位置来实现。旋转率由光纤的双折射确定，并且换向率的数值由所需的偏振模式耦合位置的数量确定。由于不知道光纤段内的局部双折射，并且局部双折射可以变化，所以需要一定范围的换向率和换向长度，而不是固定不变的数值。众所周知，旋转传输光纤可以减小偏振模式色散，而在本发明中，旋转放大器光纤可减小两个不相关的偏振效应。
众所周知，可以按连续方向或顺时针和反时针方向旋转或扭绞光纤，从而减小偏振模式色散，例如参见Ulrich和Simon在《应用光学(Applied Optics)》1979年第18卷第13期中的论文“扭绞单模光纤的偏振光学”，Payne等人的PCT申请第83/00232号，以及Hart等人的美国专利第5,298,047号和第5,418,881号。如Payne所述，当光沿光纤传播时，沿某一方向的扭绞可减小两个偏振模式之间的时延差。沿两个方向的扭绞或旋转可产生偏振模式耦合，用此耦合可以对时延差进行补偿。这在Ulrich和Simon论文第2250页上作了阐述。发生此模式交换的距离可以相当长，例如几十米甚至几百米。事实上，Ulrich和Simon建议在传输间距的中间进行一次。关于此等交换应该发生几次几乎未见发表，但是交换应该在随机耦合效应造成模式混合之前发生，这可以消除为补偿而进行适当模式混合的可能性。
关于PHB和PDG，现有技术没有关于旋转或扭绞将如何减小甚至解决这些效应的方法。由Hart等人和Payne等人为偏振模式色散(PMD)建立的公式不适用于PHB和PDG。对于这两种现象，使用本发明中提出的模式耦合来防止更糟的情况发生，其中更糟的情况是指当光沿光纤的整个长度传播时，EDFA光纤中的入射光以某一偏振本征状态保留在该光纤中。通过在光纤中建立许多偏振模式耦合位置，在统计上可以保证此更糟的情况不会发生。在本发明中，这些模式耦合位置在1/2米或更短的间隔处出现。然后用Ulrich和Simon建立起来的原理确定旋转率。
另外，通过制造一种预制件可以使偏振模式耦合效应进一步增强，这种预制件通过椭圆形状或应力作用而具有有限大小的双折射。为了已知双折射长度并因此能够较好地规定旋转和换向长度，我们可以制造有限双折射的光纤。通过用较小的椭圆率或应力来形成光纤可以增添双折射。Rashleigh在《光波技术杂志(Journal ofLight Wave Technology)》，1983年6月，第1卷，第2期的“单模光纤中偏振效应的原因和控制”论文中建立了有关椭圆率和应力如何影响双折射的公式。有限双折射至少有两个优点。首先，有限双折射的掺杂光纤不会受附加扭绞双折射以及因光纤在放大器组件中紧密盘绕所引起的非故意的模式耦合的影响。其次，有限双折射可以控制光纤制造过程中产生的非故意双折射。由此，可以明确确定所需的旋转率和换向长度。
图1-4示出了现有技术的EDFA，显示了偏振烧孔或各种双折射和使用。
图5是适用于完成本发明的光纤拉丝设备的示意图。
图6是一段由本发明制造的光纤的透视图。
图7-10示出了在制造本发明光纤中使用的各种旋转率，它们是光纤长度的函数。
图11是在掺稀土光纤放大器中使用本发明光纤的一个实施例的示意图。
本发明的详细描述现参照附图阐述本发明，其中图5是适用于完成本发明的光纤拉丝设备10的简图。如图5所示，将预制件12垂直安装在加热炉14中，并且加热直至从预制件中将熔化的玻璃拉成细光纤16的形状。在检测台18处测量光纤的直径，然后当从预制件继续拉丝时，在涂覆台20处用塑料保护层(未示出)涂覆光纤。在本发明中，光纤随后通过一系列的滚筒22、24和26，其中至少有一个滚筒(22)旋转，以固定的间隔顺时针和逆时针交替地将扭转力矩施加到光纤上，本文将作更全面的描述。通过滚筒26后，将光纤盘绕在存储鼓28上。
图5中简述的光纤拉丝部分是本领域中熟练技术人员熟知的设备。图6画出了由图5所示过程形成的光纤，图6是本发明制造的一段光纤的透视图。该光纤具有交替的旋转或扭绞段，如上所述，这是通过顺时针然后逆时针交替施加扭转力矩而形成的，反之亦然。每一交替段中光纤的旋转或扭绞是均匀的。换向长度用L表示，并且它是相反方向旋转之间的长度，单位是米。角度θ表示在旋转方向改变并且光纤沿相反方向旋转或扭绞之前光纤在某一方向上的总的旋转，单位为度或弧度。对于图6所示的光纤，其具有顺时针和逆时针方向交替的恒定旋转，如果角度单位为度，则旋转率容易定义为θ/(360°×L)，单位为转/米，或者如果角度单位为弧度，则旋转率定义为θ/(2π×L)。较一般地，光纤可以在其整个长度上不均匀地扭绞。参数θ和L具有相同的定义，但旋转率变成局部定义，并且可以在非常短的距离内改变数值。角度θ可以从大约60°变化至360°，其中360°是转一整圈。在某些情况下，可以使用1至5整圈。局部旋转率与瞬时转角变化和光纤无穷小长度的比值有关。用微积分的符号表示，局部旋转率为1/360或1/π乘以dθ/dL。
美国专利第5,298,047号和第5,418,881号介绍了可以在本发明中使用的现有技术和设备，由此，通过导向滚筒装置使导向滚筒相对于某一轴振荡来施加扭转力矩，其中所述轴基本上与光纤拉丝方向垂直，并且与滚筒的旋转方向垂直。这些参考文献通过引用包含在此。另外，已公布的题为“光纤及其制造”的PCT申请WO 83/00232，以及M.J.Marrone等人在1987年美国光学学会(Optical Society of America)上发表的“在偏振保持光纤中双折射轴的内旋转”也介始了用于在光纤中以固定间隔提供扭绞的现有技术和设备。提供扭绞的扭转力矩可以通过旋转预制件或者操纵如现有技术介绍的导向滚筒来实现。美国专利第4,509,968号和第4,308,045号也提供了一种用于对光纤施加扭转应力的设备和方法，它们可用于提供本发明光纤中的旋转或扭绞，并且通过引用包含在此。
图7-10示出了在制造本发明光纤中使用的各种旋转率，它们是光纤长度的函数。图10示出了旋转率沿光纤最基本的变化。如图7-9所示，任何旋转函数可以写成常数与正弦函数的线性叠加。如前所述以及图6所显示的，所需的换向长度L依赖于所需模式耦合位置的数量，而旋转率依赖于光纤的双折射。在图10中，换向长度规定了正弦函数的周期。但是，光纤必须在信号波长和泵激光波长上都能支持模式混合位置。由于光纤双折射依赖于波长，所以旋转分布曲线需为两个正弦函数的叠加，一个在信号波长处产生模式混合，另一个在泵激光波长处产生模式混合。图7-9是将一基本的正弦波与不同的高次谐波混合产生的旋转函数。因此，为了计及光纤双折射的变化，如上所述，可以考虑并使用各种其它的旋转率。当旋转幅度和频率改变时，在光纤双折射的一个宽带中会发生相位匹配或接近匹配的模式耦合。如上所述，沿光纤长度的旋转率极大地依赖于局部双折射。利用上述任何一个旋转率可以制造本发明的掺稀土单模光纤，或者根据正在处理的光纤的双折射可以使用与之类似的旋转率。
图11简略示出了掺稀土光纤放大器30，该放大器使用本发明生产的光纤。在图11中，一弱的光输入信号34从左端输入，通过波分复用耦合器34，耦合器34将其与来自外部泵光源38的光合并。然后，泵和信号光输入掺铒光纤36的一端，该光纤一般20至30米长。来自泵的光激励掺杂原子，使其升至较高的能级。信号波长处的光激励受激原子，使其去激励返回基态，并以信号波长发射过量的光能，然后将经放大的信号40引向输出光纤。
本发明适用于任何单模掺稀土光纤，但在这里描述的特殊实施例中使用了掺铒光纤。一般，这些光纤的外直径约为125微米，内部纤心的直径约为5至6微米。
光纤纤心和包层最好用高纯度的熔凝石英玻璃制成。一般，如光纤双折射所决定的，对光纤每米施加若干次扭绞，施加交替的扭转力矩的间隔约为1/2米或更小。一般，每米约1至4次扭绞是令人满意的。
尽管已经参照附图中所示的较佳模式对本发明作了特殊阐述和描述，本领域的熟练技术人员应该理解，不脱离权利要求所限定的本发明的精神和范围，可以进行各种细节上的变化。
权利要求
1.一种至少包含一根适于在放大的光纤系统中使用的光纤的装置，所述光纤包括一用稀土元素掺杂的内纤心和一外包层，纤心的折射率为n1，包层的折射率为n2，n2小于n1，所述装置的特征在于，所述光纤还具有多个模式耦合位置，它们以固定间隔沿光纤长度方向形成，并且具有较小的偏振度。
2.一种用于形成适于在放大的光纤系统中使用的光纤的方法，包含以下步骤(a)提供一根预制件，该预制件的玻璃内纤心用一种稀土元素掺杂，所述纤心被一透明的玻璃外包层所包围；(b)用传统的方法从所述预制件中拉出一根光纤；所述方法的特征在于(c)以固定间隔沿光纤的长度方向提供多个扭绞，从而形成多个模式耦合位置，用以得到较小的偏振度。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，预制件具有有限的椭圆率。
4.一种用于制造光纤的方法，包含以下步骤a)提供一根光纤预制件，所述光纤预制件具有用一种稀土元素掺杂的玻璃内纤心，以及透明的玻璃外包层；b)至少对所述预制件的一部分进行加热；并且c)从加热的预制件中拉出光纤，从而对光纤施加旋转；所述方法的特征在于d)步骤c)包含将一扭转力矩施加到光纤上，所述扭转力矩使光纤绕光纤的纵向区域旋转，从而当从预制件中拉出光纤时，将旋转施加到光纤上，其中施加扭转力矩是为了引起模式耦合。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，沿顺时针和逆时针方向交替施加扭转力矩，从而施加在光纤上的旋转是顺时针和逆时针交替出现的。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，步骤c)包含用一种聚合物涂层涂覆光纤，并使经涂覆的光纤与一导向滚筒接触，其中用所述导向滚筒施加交替的扭转力矩。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，用导向滚筒施加扭转力矩包含，使导向滚筒相对于一根基本垂直于光纤拉丝方向的轴振荡。
8.一种至少包含一根适于在放大的光纤系统中使用的光纤的装置，所述光纤包括一用稀土元素掺杂的玻璃内纤心和一透明的玻璃外包层，所述装置的特征在于，所述光纤还具有多个模式耦合位置，它们以固定间隔沿光纤长度方向形成，用以获得较小的偏振度，所述位置是通过对光纤施加扭转力矩，以固定间隔沿光纤长度方向进行扭绞而形成的。
9.如权利要求8所述的装置，其特征在于，对光纤每米施加1至10次扭绞。
10.如权利要求8所述的装置，其特征在于，对光纤每米施加5次扭绞。
11.如权利要求8所述的装置，其特征在于，通过沿顺时针和逆时针方向交替施加扭转力矩来对光纤施加扭绞。
12.如权利要求11所述的装置，其特征在于，交替的扭转力矩的施加间隔约为1/2米或更小。
13.如权利要求8所述的装置，其特征在于，扭绞是60°和360°之间的旋转。
14.如权利要求8所述的装置，其特征在于，扭绞是360°的一整圈。
15.如权利要求8所述的装置，其特征在于，扭绞在1至5整圈之间。
16.一种至少包含一根适于在放大的光纤系统中使用的单模光纤的装置，所述光纤包括一用稀土元素掺杂的玻璃内纤心和一透明的玻璃外包层，所述装置的特征在于，所述光纤还具有多个模式耦合位置，它们以固定间隔沿光纤长度方向形成，并且具有较小的偏振度。
17.一种用于形成适于在放大的光纤系统中使用的单模光纤的方法，包含以下步骤(a)提供一根预制件，该预制件具有用铒掺杂的玻璃内纤心，所述纤心被一透明的玻璃外包层所包围；(b)用传统的方法从所述预制件中拉出一根光纤；所述方法的特征在于(c)以固定间隔沿光纤的长度方向提供多个扭绞的改进，从而形成多个模式耦合位置，用以获得较小的偏振度。
18.一种至少包含一根适于在放大的光纤系统中使用的单模光纤的装置，所述光纤包括一用稀土元素掺杂的玻璃内纤心和一透明的玻璃外包层，所述装置的特征在于，所述光纤还具有多个模式耦合位置，它们以预定间隔沿光纤长度方向形成，用以获得较小的偏振度，所述位置是通过对光纤施加扭转力矩，以预定间隔沿光纤长度方向进行扭绞而形成的。
19.如权利要求18所述的装置，其特征在于，玻璃纤心用铒掺杂。
20.如权利要求19所述的装置，其特征在于，对光纤每米施加1至10次扭绞。
全文摘要
一种适于在放大的光纤系统中使用的单模光纤,它包括用一种稀土元素掺杂的玻璃内纤心和透明的玻璃外包层。光纤具有多个模式耦合位置,它们以固定的间隔沿光纤长度方向形成,用以提供较小的偏振度。这些位置是通过对光纤施加扭转力矩,以预定间隔沿光纤长度方向进行扭绞而形成的。还揭示了制造光纤的方法。
文档编号G02B6/10GK1176005SQ96192004
公开日1998年3月11日 申请日期1996年12月11日 优先权日1995年12月20日
发明者艾伦·F·埃文斯, 丹尼尔·A·诺兰 申请人:康宁股份有限公司