专利名称：制造光纤激光器的方法
技术领域：
本发明涉及一种制造光纤激光器的方法。
光纤激光器是一种光学设备，包括掺杂光纤(有源光纤)和对掺杂光纤提供泵激辐射的激发掺杂物的泵激源。用于掺杂的稀土元素一般包括铒(Er)、钕(Nd)、镱(Yb)、钐(Sm)、铥(Tm)与镨(Pr)。应以具体稀土元素按激光发射的波长与泵光的波长决定。
受激发掺杂物由于其去激发而易于产生受激发射辐射。光纤激光器还包括反射元件，适用将受激发射放射限制在光纤内，在达到预定放大条件时可输出部分这种放射。反射元件可以是例如可写在掺杂光纤相对端部上的布喇格光栅。布喇格光栅包括交替的高折射率区与低折射率区，相互隔开一建立反射波长(布喇格波长)的距离。
布喇格光栅一般刻写在普通发射光纤即不是为受激发射而掺杂的光纤的纤芯里，以便限定发射信号的反射元件。在普通光纤上作刻写处理之前，通常在易于接纳该光栅的区域内对纤芯添加某种光敏剂。于是，刻写处理包括使光敏区曝露于紫外辐射，在感生折射率变化的所述纤芯区产生一种干涉图。该干涉图可用不同的技术得到，其中最常用的是“相掩膜”技术，该技术包括在所述纤芯区上聚集两条干涉紫外束。
通过将广谱源(如白光灯或LED)的辐射锁给光纤一端，并用光谱分析仪检测光纤同一端的反射光谱或光纤相对端的发射光谱，可得到刻写期间有关光栅特性的实时信息。这种方法提供了有关光栅的最大波长、光强与形状的信息，而这些信息可用来控制紫外光强、刻写持续时间与光栅长度等加工参数。
获取有关刻写加工信息的另一技术，包括向光纤一端馈送波长调协的激光辐射，并用功率计检测反射光功率(在同一光纤端)或发射光功率(在相对光纤端)。与前一技术相比，该技术速度较慢，分辨率却更高。因此，第一种技术(宽带辐射馈送)适于实时监视刻写加工，而第二种技术(调协的激光辐射馈送)适于在刻写加工结束时作光栅特性化。
在有源光纤上实现谐振腔的简易技术包括把有源光纤与两段不掺杂光纤连接在一起，每段不掺杂光迁包括一个在预定激光波长具有布喇格波长的布喇格光栅。然而，光纤连接区不可避免的插入损失造成激光功率减小和谐振腔内不希望有的反射，劣化了激光器性能。
另一种方法是把布喇格光栅直接刻写在有源光纤纤芯里。在此情况下，有源光纤在馈给光纤的辐射波长(即用于实时监视或光栅特性化的波长)下的高吸收使上述监视技术不可行。
一般在有源光纤上刻写光栅前，通过研究预先对同样但不掺杂的光纤收集的数据，评估出所需的曝光时间。然而，这种方法得不到有关在刻写加工结束时得到的有效光栅反射率，因而也得不到有效激光效率。
Mikael Svalgaard提出的文件”锗硅石中紫外光诱导折射率结构(Ultraviolet light induced refractive index structures ingermanosilica)”(Ph.D.thesis，March 1997，MikroelektronikCentret，Published by Mikro-elektronik Centret，Technical University ofDenmark，Building 345 east，Technical University of Denmark，Building345 east，Dk-2800 Lyngby，Denmark)，在第四章提出的一项研究工作针对研究掺铒光纤激光器的频率稳定性，该激光器将布喇格光纤光栅配置为端面镜。Svalgaard指出，形成布喇格光栅的动力学涉及与光栅带宽同等级的光谱骗移(一般为几分之一纳来)，而且如此小的变化在紫外刻写时会严重影响所得到的光纤激光的性能。推荐的一种方法可根据同时紫外光栅制造和泵激掺铒光纤实时监视激光器性能。
在描述实验装置时(4.2节)，研究了一种10cm的掺铒光纤，其两端与普通通信光纤拼接。发射中用宽带1550nm LED源监视(第一)光栅形成动态特性。第一光栅连续曝光，直到透射率在布喇格波长下为0.028±0.001。在刻写第二光栅时，980nm多模二极管激光器通过1530/980nm波分复用光纤耦合器(WDM)对掺铒光纤泵激，并在光谱分析仪上监视激光输出(接近1530nm)。当第二光栅的曝光时间与第一光栅的曝光时间接近时，就达到了最大激光功率。为避免在二极管与光纤激光器二者后面使用反馈光学隔离器，所有光纤端部都到一角度。如4.3节所述，为实现稳固的单频操作，腔体必须极短。在该特定场合中，腔长12.5±1mm。另外，据Svalgaard称，要发生激光激发，第二光栅布喇格波长与第一光栅布喇格波长相匹配是关键。
申请人发现，上述文件研究的光纤激光器是一种单纵向横波长稳定的掺杂光纤激光器，包括在布喇格波长下吸收相对低的有源光纤，主要原因是光纤极短。这一特征允许利用普通技术(向光纤馈送宽带辐射并检测相关的光纤输出光谱)监视第一光栅在刻写加工时的特征。
申请人指出，若要实现的光纤激光器必须包括在布喇格波长下吸收高的有源光纤，上述方法则不再适合了。
对本发明目标而言，“高吸收”指在以布喇格波长为中心的约±10nm范围内，吸收至少为15dB。光纤的吸收主要取决于其几何结构、长度与掺杂的浓度。
申请人特别指出，在高吸收光纤的情况下，由于光纤内过大的信号损失妨碍了正确的光谱检查，所以不能用LED源或另一种宽带源监视第一光栅刻写。
在光学传输系统中，可将包括高吸收有源光纤在内的光纤激光器用作例如光学放大器的泵源。对这类应用，也无需拥有单模稳定的激光辐射，而有源光纤最好设计成使泵激吸收最大，于是有源光纤最好是一种相对长的重掺杂光纤。还知道，为实现极高的泵激吸收，光纤激光器可以有利地包括一种双包层有源光纤，即一种具有激光发射纤芯、比纤芯更大用于接收泵激辐射的内包层与外包层的有源光纤。泵激辐射逐渐从内包层传到掺杂物激发纤芯。例如可从SDL有限公司名下的美国专利5,530,709了解包含双包层有源光纤的光纤激光器。
申请人提到，若考虑的有源光纤是双包层光纤，会在光栅刻写监视方面造成造成额外的困难。其实在此情况下，宽带源的光将主要在内包层(几何截面要比纤芯截面大得多)里传播，检出的光谱并不指示刻入纤芯里的光栅。若有源光纤是双包层光纤，则光纤吸收的上述条件更紧迫，比15dB低得多的吸收值(在以布喇格波长为中心约±10nm的范围)足以妨碍正确地应用已知技术。
申请人发现，实现包含高吸收有源光纤的光纤激光器的方法，包括限定与有源光纤有关联的反射表面在第一光栅刻写期间，为在第一光栅与反射表面之间造成放大的自发辐射，泵激有源光纤，产生激光辐射。对这一激光辐射作检测与处理，可在刻写加工时控制激光性能。于是该方法包括以同样方式刻写第二光栅，把谐振腔限定在第一与第二光栅之间。
申请人发现，在光栅刻写加工期间，通过最小与最大值之间反复扫描馈给有源光纤的泵激辐射，合理地处理有源光纤的输出功率，可得出激光器效率与闻值功率的实时值，这些值有利于用来控制光栅反射率，以实现优化的激光性能。
根据第一个方面，本发明涉及一种制造光纤激光器的方法，包括刻写在有源光纤中具有第一反射波长带的第一光栅，且包括以下步骤一在刻写所述第一光栅的步骤之前，先限定与有源光纤相关的反射表面，所述反射表面具有比第一反射波长带更宽的第二反射波长带；一在刻写第一光栅步骤期间，以光学方法泵激有源光纤，以便在第一光栅与反射表面之间激发放大的受激发射，再从有源光纤感生出激光辐射；一在刻写第一光栅期间，测量激光辐射的光功率；一按测出的光功率控制刻写第一光栅步骤。
较佳地，该方法包括在有源光纤中刻写到第一光栅，第二光栅适于与第一光栅一起限定所述光纤激光器的谐振腔。
在刻写第一光栅的步骤中，本方法较佳地包括以预定的功率范围扫描泵激辐射功率。
较佳地，按预定的扫描周期重复扫描步骤，而测量光功率的步骤包括在预定扫描周期内获得预定数量的光功率值。
获得预定数量的光功率值的步骤，较佳地包括计算在预定测量周期内测得的光功率的平均值，以得到每个所述光功率值。
为获得当前激光器效率值，本方法较佳地包括处理所述光功率值的步骤。
处理步骤较佳地包括在对应于所述光功率值的激光增盖特性曲线上，对预定数量的点找出一条拟合直线，并且评估所述直线的斜率。
控制刻写步骤的步骤较佳地包括检查所述激光器效率的当前值是否达到极值，若达到所述极值，就停止刻写第一光栅的步骤。
检查步骤较佳地包括对于最后扫描周期相关的所述激光器效率当前值周期与前一扫描周期相关的前一激光器效率值进行比较。
本方法较佳地包括按所述极值评估所述第一光栅的反射率。
限定反射表面的步骤较佳地包括切割和清结有源光纤的一端，以将反射表面限定于玻璃/空气界面。
有源光纤的吸收较佳地在以对应于所述第一光栅最大反射波长的波长为中心的±10nm范围内，至少为15dB。
有源光纤较佳地包括一种双包层有源光纤。
本方法较佳地包括以下步骤一在刻写第二光栅期间，以光学方法泵激有源光纤，以便在所述第一与第二光栅之间激发出放大的受激发射，并从有源光纤感生出激光辐射；一在刻写第二光栅步骤期间，测量激光辐射的光功率；一按测出的光功率控制刻写第二光栅的步骤。
在刻写第二光栅期间，本方法较佳地包括在预定功率范围内扫描泵激辐射的功率。
较佳地以预定扫描周期重复扫描步骤，测量光功率的步骤较佳地包括在预定扫描周期内获得预定数量的光功率值。
为得到每个所述光功率值，获得预定数量光功率值的步骤较佳地包括计算在预定测量周期内测得的光功率的平均值。
本方法较佳地包括处理所述光功率值以得到当前激光器效率值的步骤。
处理步骤较佳地包括从所述光功率值获得当前激光器闻值功率值。
控制刻写步骤的步骤较佳地包括检查所述当前激光器效率值是否达到最大值，若已达到所述最大值，就停止刻写第二光栅的步骤。
控制刻写步骤的步骤较佳地包括在达到了所述当前激光器效率值与闻值功率之间的预定关系时，停止刻写第二光栅的步骤。
本方法较佳地包括所述最大值评估所述第二光栅的反射率。
本方法较佳地包括在刻写第二光栅的步骤之前，规定一反射率可忽略的区域以代替所述反射表面。
较佳地，第二光栅具有第三反射波长带，而且第三与第一反射波长带之间的比率为1.5～3。
根据另一个方面，本发明涉及一种光纤激光器，包括有源光纤、刻写在该有源光纤第一部分中具有第一反射波长带的第一光栅及刻写在有源光纤第二部分中具有第二反射波长带的第二光栅，第一与第二光栅对光纤激光器限定一谐振腔，其中所述第一与第二反射波长带的宽度比为1.5至3之间。
有源光纤较佳地包括一种双包层有源光纤。
有源光纤的吸收较佳地在以相应于所述反射波长带中心的波长为中心约±10nm范围内，至少为15dB。
上述一般说明与下面详细描述仅作示例，并不限制如权利要求所要求的本发明内容。以下描述和本发明的实施提出了本发明的附加优点与目的。
结合在此并构成本说明书一部分的附图，示出了本发明诸实施例，它与指述一起说明本发明的诸优点与原理。
图1是符合本发明的光学传输系统的框图；图2是图1中光学传输系统光谱增益特性的定性曲线图，指定了信号传输带(BB、RB1、RB2)；图3是图1中光学传输系统复用部分的详图；图4是图1中光学传输系统发射机功率放大器部分的详图；图5是图1中光学传输系统去加重滤光器的滤光器性能形状曲线图；图6是图1中光学传输系统中间站的详图；图7是图1中光学传输系统接收机前置放大部分的详图；图8是图1中光学传输系统复用部分的详图；图9示意表示本发明的光学放大单元；图10示意表示图9中光学放大单元中包含的泵源；图11a与图11b示意表示图10中泵源使用的双包层光纤和双包层光纤的多模泵激操作；图12示出用于在图10泵源的双包层光纤中刻写光栅的光栅刻写组件；图13示出用于实验测量的光纤激光器的响应特性曲线；图14～16示出用本发明的放大单元得到的实验结果；图17a与17b是在用于图10泵源的有源光纤中刻写光栅方法的流程图；图18a与18b示意示出按图17a与17b方法作光栅刻写加工期间预定参数的变化；图19～21示出用于图10泵源光纤激光器的模拟性能。
参照图1，光学传输系统1包括第一终端站10、第二终端站20、连接这两个终端站10与20的光纤线30及至少一个沿光纤线路30插在终端站10与20之间的线路站40。
为简化起见，下面描述的光学传输系统1是单向的，即信号从某一终端站传给另一终端站(本例为从第一终端站传给第二终端站)，但下面的任何研究也适用于双向系统，其中信号以双向传送。另外，尽管光学传输系统1适合发射128条信道，从下面描述显而易见，信道数并非是本发明范围与精神的限制特征，根据具体光学传输系统的要求，信道数可以少于或多于128条。
第一终端站10较佳地包括适合接收多条输入信道16的复用部(MUX)11和发射机功放部(TPA)12。第二终端站20较佳地包括接收机前置放大(RPA)部14和适于输出多条输出信道17的分用部(DMUX)15。
下面参照图3描述的复用部11，较佳地将输入信道16复用或组合成三个子带，称为兰带BB、第一红带RB1和第二红带RB2，尽管复用部11也可将输入信道16组成若干大于或小于3的子带。
随后，TPA部12至少在一个线路站40与第二终端站20把三条子带BB、RB1与RB2连续接收为分离的子带或组合的宽带。光纤线路部30将至少一个线路站40与TPA部12、RPA部14和其它线路站的40(未示出)连接起来。以后将参照图4描述的TPA部12，从复用部11接收分离的子带BB、RB1与RB2，对它们作放大与优化，然后把它们组合成单个宽带SWB在光纤线路30第一部分上传输。以后将参照图6描述的线路站40，接收该单个宽带SWB，并把它再分成三个子带BB、RB1与RB2，最后在各子带BB、RB1与RB2中插入与分出诸信号，放大并优化这三个子带BB、RB1与RB2，再把它们重组成单个宽带SWB。对于插入与分出操作，可对线路站40设置已知类型或例如在申请人名下的EP专利申请No.98110594.3中描述类型的光学插入/分出复用器(OADM)。
光纤线路30的第二部分把线路站40的输出耦合至另一线路站40(未示出)或第二终端站20的RPA部14。下面参照图7描述的RPA部14也放大并优化单个宽带SWB，并在输出前把单个宽带SWB分成三个子带BB、RB1与RB2。
后面参照图8描述的分用部15从RPA部14接收这三个子带BB、RB1与RB2，并把它们分成各个输出信道17的波长。由于有些信道可能在线路站40中分出和/或插入，所以输入信道16与输出信道17的数量可能不一。
如上所述，对每个子带BB、RB1与RB2，将光学链路限定在TPA部12相应的输入端与RPA部14相应的输出端之间。
图2是光学传输系统1中使用的放大器光谱放取范围的定性曲线，近似相当于信号信道通过光纤链路传播的不同增益和三个子带BB、RB1与RB2的不同配置。具体而言，第一子带BB较佳地覆盖1529nm～1535nm范围，对应于掺铒光纤放大器的第一放大波长范围，分配给16条信道；第二子带RB1落在1541nm与1561nm之间，对应于掺铒光纤放大器的第二放大波长范围，分配给48条信道；第三子带RB2覆盖1575nm～1602nm范围，根据本发明，对应于掺铒/镱光纤放大器的增益谱曲线，虽然1575nm～1602nm范围在放大倍数方面提供了最佳性能，但是信道可有利地向下分配到1565nm，向上分配到1620nm。
在推荐的128条信道系统中，相邻信道最好有50GHz的恒定间距。或者，可以使用不同的恒定间距，即为了减弱众所周知的四波混合现象，频率间距可以不等。
在铒放大波段内，RB1与RB2带的增益特性相当平坦，而BB带在增益响应曲线中包括明显的凸峰。如下所述，为在BB带中应用掺铒光纤光谱辐射范围，光学传输系统1利用均一装置在该范围使增益特性平坦。结果，通过把掺铒光纤1529nm～1602nm的光谱辐射范围分成分别包括BB带、RB1带与RB2带的三个小范围，光学传输系统1能有效地应用大部分掺铒光纤光谱辐射范围，并提供密集的WDM。
下面详细描述图1所示本发明的各种模块。
图3示出第一终端站10的详图。除了复用部11与TPA部12(图3中未示出)以外，第一终端站10还包括光学线路终端部(OLTE)41和波长变换部(WCS)42。
OLTE41可以相当于用于普通系统如SONET、ATM、IP或SDH系统的普通线路终端设备，它包括数量等于WDM系统10中信道数的收发(TX/RX)单元(未示出)。在一较佳实施例中，OLTE41发射多个本征波长信号。如图3所示，在一较佳实施例中，OLTE41输出第一组16条信道、第二组48条信道和第三组64条信道。但如上所述，根据具体的光学传输系统的需求，信道数可以变化。
本领域的技术人员很容易明白，OLTE41可以包括汇集的更小的分立OLTE，如三个，它们向WCS42馈送信息频率。相应地，WCS42包括128个波长变换模块WCM1～WCM128。
单元WCM1～WCM16各自接受从OLTE41发出的第一组信号的各自一个信号，单元WCM17～WCM64各从OLTE41发出的第二组信号里接收一个信号，而单元WCM65～WCM128各从OLTE41发出的第三组信号里接收一个信号，各单元能把信号从本征波长变换成选择的波长，并且再发射该信号。诸单元可以标准格式接受和再发射信号(如OC-48或STM-16格式)，不过WCM1～128较佳地操作对应用的特定数据格式是显而易见的。
各WCM1～128较佳地包括一种模块，它具有光电二极管(未示出)，用于接收来自OLTE41的光信号并把它转换为电信号；激光器或光学源(未示出)，用于产生固定的的载波波长；和电光调制器，如马赫-伦德尔(Mach-Zehnder)调制器(未示出)，用于以电信号外部调制固定载波波长。或者，各WCM1～128可以包括与激光二极管(未示出)连在一起的光电二极管(未示出)，可用电信号直接调制，以便把接收的波长变换成激光二极管的载波波长。还有，各WCM1～128还包括一种模块，它具有高灵敏度接收机(如符合SDH或SONET标准)，如可通过波长分用器从干线光纤线路端接收光信号，并把它变换成电信号；而且还具有直接或外部调制的激光源。应用后一种方法，可能用于线光纤线路的输出再生信号，并在本发明的光通信系统中传输，可延长链路总长度。
虽然图3示出信号由OLTE41与WCM1～128组合提供与产生，但是信号还可由某种源直接提供与产生而不管其来源。
复用部11包括三个波长复用器(WM)43～45。对于优选的128信道系统，单元WCM1～16输出的各选择的波长信号由WM43接收，WCM17～64输出的各选择的波长信号由WM44接收，而WCM65～128输出的各选择的波长信号由WM45接收。WM43～45把收到的三个带BB、RB1与RB2的信号组合成三个各自的波分复用信号。如图3所示，WM43是16信道波长复用器，如普通1×16平面光学分离器，WM44是48信道波长复用器，如普通1×64平面光学分离器，有16个未用端口，WM45是64信道波长复用器，如普通1×64平面光学分离器。各波长复用器可以包括第二端口(如2×16和2×64分离器)，对光学传输系统1提供一光学监视信道(未示出)。而且，WM43～45的输入端可以多于系统使用的输入端，为系统扩展提供空间。本领域的技术人员可以利用无源石英-硅(SiO2-Si)或石英-石英(SiO2-SiO2)技术制作波长复用器。例如，为减少插入损失，还可对WM应用其它技术，实例有AWG(阵列式波导光栅)、级联的马赫-伦德尔、光纤光栅和干涉滤光器。
参照图4，TPA部12接收复用部11输出的BB、RB1与RB2带。这些带信号可从某个源而不是图3所示的OLTE41、WCS42和WM43～45结构提供给TPA部12。例如，用户可以产生BB、RB1与RB2带信号并直接提供给TPA部12，这不违背下面详述的本发明的目的。
TPA部12包括三个放大部51～53(用于各自的BB、RB1与RB2带)、耦合滤光器54和均一滤光器61。放大部51、52较佳地是掺铒两极光纤放大器(虽然可用其它掺稀土的光纤放大器)。根据本发明，放大部53是一种掺铒/镱(Er/Yb)的光纤放大器，将参照图9加以详述。
滤光器54接收放大器51～53的输出，它还将BB、RB1与RB2带组合成单个宽带(SWB)。
放大器51与52各由一只或两只激光二极管泵激，以向要放大的信号提供光学增益。选择各放大器的特性，包括其长度与泵激波长，以优化该放大器对要放大的特定子带的性能。例如，放大部51与52的第一级(前置放大)可用工作于980nm的激光二极管(未示出)泵激，以在线性或饱和区域中分别放大BB带与RB1带，本申请人可提供合适的激光二极管。激光二极管可以应用980/1550WDM耦合器(未示出)耦合至前置放大器的光路，这种耦合器一般有市售，如E-TEK DYNAMICS有限公司的SWDM0915SPR型(1885 LundyAve-，San Jose，CA(USA))。与其它可能的泵波长相比，该980nm激光二极管可对放大器提供低噪声指数。
各放大器部51～53的第二级最好工作于饱和状态，放大器部51的第二级较佳地掺铒，并用另一个980nm泵(未示出)放大BB带，该泵利用上述WDM耦合器(未示出)耦合至BB带光路。对于覆盖1529～35nm低带区域中的信号，980nm泵提供更佳的增益特性与噪声指数。放大部52的第二极管最好掺铒，并用工作于1480nm的激光二极管泵激放大RB1带。这种激光二极管有市售，如JDS FITEL有限公司(570 Heston Drive，Nepean，Dntario(CA))提供的FOL1402PAX-1型。该1480nm泵提供更优的饱和变换效率特性，对于覆盖1542～61nm区域中更大数量的信道而言，可在RB1带内利用该特性。另外，还可在980nm波长区内使用更高功率的980nm泵激光器或复用泵源。下面参照图9详述部分53。
滤光器61位于RB1带放大链路内，有助于在跨越RB1带的系统输出端均衡信号和SNR。具体而言，滤光器61包括一去加重滤光器，可在RB1带内衰减高放大倍数的波长区。使用的话，该去加重滤光器可以应用长周期布喇格光栅技术、分束富里叶滤光器等。作为实例，去加重滤波器的工作波长范围可以是1541～1561nm，在1541～1542nm和1559～1560nm具有最大传输波长，对这些峰值间的波长有较低的相对恒定的传输。图5示出一较佳去加重滤波器61的形状或相对衰减性能，曲线表示出去加重滤波器61在1542nm与1560nm附近具有最大传输区，在1546nm与1556nm之间具有相对恒定或平坦衰减的区域。为了帮助增益响应曲线平坦的跨越高带，掺铒光纤放大器的去加重滤光器61只要求在峰间波长处添加约3～4db的衰减。根据使用的实际系统的增益平坦化要求，如光纤放大器使用的掺杂物或这些放大器泵源的波长等，去加重滤光器61的衰减特性可以不同于图5所示的特性。
或者，可以省去去加重滤光器61，利用校正的衰减在第一终端站10的复用部11中实现去加重操作。
分别从放大部51～53输出的BB、RB1与RB2带通过TPA12的放大器放大后，被滤光器54接收。滤光器54是一个带组合滤光器，例如可以包括两个级联的干涉三端口滤光器(未示出)，第一个滤光器使BB带与RBi带耦合，第二个滤光器使第一滤光器提供的BB/RB1带与RB2带耦合。
还可在公共端口通过WDM1480/1550干涉滤光器(未示出)添加光学监视器(未示出)和在与通信信道不同的波长如1480nm的服务线路插入。光学监视器检测光信号，确保光学传输系统1不存在断裂。服务线路插入可接入线路服务模块，能通过光学监视信道管理报警、监源、性能与数据监视控制与维护报警及话音频率传号线的遥测。
从TPA部12的滤光器54输出的单个宽带通过诸如100公里的光纤线路30的一段传输光纤(未示出)。衰减单个宽带SWB内的信号，因此线路站40接收并放大单个宽带SWB内的信号。如图6所示，线路站40包括若干放大器(AMP)64～69、三个滤光器70～72、一个均衡滤光器(EQ)74和三个OADM级75～77。
滤光器70接收单个宽带SWB并将RB2带与BB和RB1带分开，放大器64接收并放大BB与RB1带，而滤光器71接收放大器64的输出并分离BB带与RB1带。BB带由均衡滤光器74均衡，被第一OADM级75接收，在其中分出和/或插入预定的信号，再被放大器65放大。已在TPA12中通过去加重滤光器61的RB1带，首先由放大器66放大，然后被第二OADM级76接收，在其中分出和/或插入预定的信号。再由放大器67放大。RB2带先由放大器68放大，再被第三级OADM77接收，在其中分出和/或插入预定的信号，再被放大器69放大。接着，滤光器72把放大的BB、RB1与RB2带复合成单个宽带SWB。
接收单个宽带SWB的放大器64，较佳地包括工作于线性区的单个光纤放大器，即放大器64工作于某个条件，其输出功率取决于其输入功率。根据实际情况，放大器64也可以是单级或多级放大器。通过在线性条件下工作，放大器64有助于在BB与RB1带信道之间确保相对功率独立。换言之，在放大器64工作于线性条件时，若添加或除去了其它子带RB1、BB里的信道，则两子带BB、RB1之一中个别信道的输出功率(和信噪比)并无明显变化。在密集WDM系统中，为了相对存在的某些或所有信道实现耐用性，在线路站40中，在提取部分信道作分离均衡与放大前，第一级放大器(如放大器64与68)必须工作于不饱和区。在一较佳实施例中，放大器64与68均为掺铒光纤放大器，由工作于980nm泵的激光二极管(未示出)沿共同传播方向泵激，以对各带实现较佳地小于5.5dB的噪声指数。
例如，滤光器71可以包括三端口器件，较佳地是一种干涉滤光器，它具有一个把BB带馈入均衡滤光器74的卸端口和一个把RB1带馈入放大器66的反射端口。
放大器66较佳地是饱和工作的单个掺铒光纤放大器，其输出功率基本上与其输入功率无关。这样，与BB带的信道相比，放大器66对RB1带的信道增加了功率提升。在该较佳实施例中，由于RB1带比BB带有更多的信道，即48条对16条，在通过放大器64时，RB1带信道的增益一般较低，因此，与BB带相比，放大器66有助于平衡RB1带信道的功率。当然，对于信道在BB带与RB1带之间的其它配置情况，放大器66可以位于或可以不位于线路站40的BB带一侧。
就RB1带信道而言，可将放大器64与66一起视作两极放大器，第一级工作于线性模型，第二级饱和工作。为有助于稳定RB1带诸信道间的输出功率，放大器64与66最好用同一激光二极管泵源泵激。这样，如EP695049所述，可将放大器64剩余泵功率提供给放大器66。尤其是，线路站40包括一位于放大器64与滤光器71之间的WDM耦合器，可提取保留在放大器64输出里的980nm泵激光。例如，这种WDM耦合器可以是E-TEK DYNAMICS有限公司(1885 Lundy Ave-，San Jose，CA(USA))供应的SWDMCPR3PS110型。该WDM耦合器的输出馈入位于放大器66后面光路中的同类型第二WDM耦合器。这两个偶合器以较低损失发射剩余980nm泵信号的光纤78连接。第二WDM耦合器沿相反传播方向将剩余980nm泵功率传入放大器66。
RB1带信号从放大器66传至已知类型(在本申请人名下的EP专利申请No.98110594.3中有描述)的OADM级76，并且在馈给放大器67。对于优选的掺铒光纤放大器，放大器67具有来自激光二极管(未示出)的例如1480nm的泵波长，而该激光二极管的泵功率超过了驱动放大器64与66的激光器(未示出)。较之掺铒光纤的其它泵波长，1480nm波长对高输出功率具有良好的转换效率。或者，可以用高功率980nm泵源或一组复用泵源(如一个为975nm，另一个为986nm)或两个工作于980nm的偏振复用泵源来驱动放大器67。放大器67最好工作于饱和区以对RB1带内的信号提供功率提升，而需要的话，可包括一多级放大器。
通过放大器64与滤光器71后，BB带进入均衡滤光器74。如上所述，掺铒光纤光谱辐射范围的增益特性在BB带区域有一峰值，但在RB1带区域内仍相当平坦。结果，当BB带或单个宽带SWB(包括BB带)被掺铒光纤放大器放大时，BB带区域内的诸信道被不等地放大。而且，如上所述，在应用均衡装置克服这一不等放大问题时，对整个信道谱都作了均衡，导致连续增益不均衡。然而，将信道谱分成BB带与RB1带，在BB带缩小的工作区中作均衡能合理地使BB带信道的增益特性平坦。
在一较佳实施例中，均衡滤光器74包括一种基于长周期线性调频布喇格光栅技术的双端口器件，在不同波长可给出选择的衰减。例如，BB带均衡滤光器74的工作波长可以是1529～1536nm，谷低波长为1530.3～1530.7nm。均衡滤光器74不需要单独使用，可同其它滤光器(未示出)级联起来形成优化滤光形状，从而对应于WDM系统1的特定放大器作增益均衡。均衡滤光器74可由本领域的技术人员制造，或从众多供货商处买到。应该理解，均衡滤光器74使用的具体结构为技术人员所知，可以包括例如像长周期光栅一样的专用布喇格光栅、干涉滤光器或马赫-伦德尔型滤光器。
BB带信号从均衡滤光器74传到OADM级75(如与OADM级76同类型)，再传给放大器65。运用优选的掺铒光纤放大器，放大器65具有激光二极管源(未示出)提供并经WDM耦合器(未示出)耦合到光路的980nm泵激波长，用于沿相反传播方向泵激放大器65。由于BB带信道通过两个放大器64与65，所以均衡滤光器74可补偿这两个放大器造成的增益不均衡。因此，应按照BB带的总放大倍数与线路功率要求来确定均衡滤光器74的分贝跌落。放大器65最好饱和工作，以对BB带信号提供功率提升，需要时可包括一多级放大器。
RB2带由光纤放大器68接收，放大器68最好是一种掺铒光纤放大器，按系统要求用980nm或1480nm泵光泵激。RB2带信道从放大器68传给OADM级77(如与OADM级75和76同类型)，再馈给放大器69。根据本发明，放大器69是一种适于放大RB2带的掺铒/镱放大器，将参照图10详述。
分别通过放大器65、67与69放大的BB、RB1和RB2带，接着由滤光器72复合成单个宽带SWB。像图4的滤光器54一样，滤光器72可以例如包括两个级联的干涉三端口滤光器(未示出)，第一个将BB与RB1带耦合，第二个将第一滤光器提供的BB和RB1带与RB2带相耦合。
像TPA部12一样，线路站40还可包括光学监视器和通过如WDM1480/1550干涉滤光器(未示出)插入与取出的服务线路(未示出)。一个或多个这些单元可包括在线路站40的任一互连点。
除了放大器64～69、滤光器70～72与74以及OADM级75～77以外，线路站40还可包括一色散补偿模块(DCM)(未示出)，用于补偿信号沿长途通信链路传输期间可能出现的色散。该DCM(未示出)最好包括与上游的一个或多个放大器65、67、69耦合的小单元，用于补偿一个或多个BB、RB1和RB2带信道的色散，而且还可具有若干形式。例如，DCM可以有一个光学循环器，把第一端口接成接收三个带BB、RB1和RB2的信道。可以把线性调频布喇格光栅附接于循环器的第二端口。诸信道将在第二端口出射并在线性调频布喇格光栅中反射，以补偿色散。然后，色散补偿的信号将在循环器下一端口出射，在WDM系统中继续传输。除了线性调频布喇格光栅外，其它器件如一段色散补偿光纤也可用于补偿色散。DCM部的设计与应用并不限制本发明，根据系统构成的总体要求，WDM系统1中可以设置或省略DCM部。
在线路站40之后，组合的单个宽带SWB信号通过光纤线路30的一段长距离光传输光纤。如果第一与第二终端站10与20间的距离长得足以造成光信号衰减，即100公里或更长，可使用一个或多个提供放大作用的附加线路站40。在一实际配置中。使用了由四个放大线路站40分开的五段长距离传输光纤(各段的功率损失为0.22dB/km，长度为总跨度损失接近25dB)。
在最后一段传输光纤后面，RPA部14从最后一个线路站40接收单个宽带SWB，并准备好单个宽带SWB信号在通信链路末端接收和检测。如图7所示，RPA部14可以包括放大器(AMP)81～85、滤光器86与87、均衡滤光器88，需要的话，还包括三个路由器模块91～93。
滤光器86接收单个宽带SWB，把RB2带同BB与RB1带分开。放大器81最好掺铒，放大BB与RB1带，以利提高BB与RB1带信道的信噪比。例如，放大器81用980泵或另一波长泵泵激，以提供放大器低噪声指数。BB与RB1带再用滤光器87分开。
与TPA部12和线路站40一样，放大器82与83分别以980nm泵激放大BB带与RB1带。为有助于稳定RB1带信道间的输出功率，通过应用以较低损失发射剩余980nm泵激信号的连接光纤89，最好以同一个980nm激光二极管泵源泵激放大器81与83。尤其是，放大器81与位于放大器81与滤光器87之间的WDM耦合器相关联，后者提取保持在放大器81输出里的980nm泵激光。该WDM耦合器可以是例如E-TEK DYNAMICS公司(1885 Lundy Ave-，SanJose，CA(USA))提供的SWDMCPR3PS110型。该WDM耦合器的输出馈入位于放大器83之后光路中的同类型第二WDM耦合器。这两只耦合器用以较低损失发射剩余980nm泵信号的光纤89连接。第二WDM耦合器把剩余980nm泵功率沿相反传播方向传入放大器83。这样，放大器81～83、滤光器87和均衡滤光器88执行的功能分别同线路站40的放大器64、65、67、滤光器71和均衡滤光器74一样，根据整个系统要求，可以包括同样或等效的部件。
放大器84耦合于滤光器86以接收和放大RB2带。放大器84是例如掺铒放大器，与图6的放大器68相同。然后，RB2带信道由放大器85即最好是已知类型的掺铒放大器接收。
RPA部14还包括一路由级90，使BB、RB1与RB2带内的信道间距适应分用部15的信道分离能力。具体而言，若分用部15的信道分离能力适合较宽的信道间距(如100GHz网络)，而WDM系统1里的信道间隔密集(如50GH2)，则RPA部14可以包括图7所示的路由级90。根据分用部15的信道分离能力，可对RPA部14增添其它结构。
路由级90包括三个路由器模块91～93，各模块把各自的带分成两个子带，各子带包括相应带的一般信道。例如，若BB带包括16信道λ1-λ16，各自分离50GHz，则路由器模块91就把BB带分成分离100GHz第一子带BB’(拥有信道λ1、λ3……λ15)和子带BB’的信道交织的分离100GHz的第二子带BB”(拥有信道λ2、λ4……λ16)。以同样方式，路由器模块92与93把RB1带和RB2带分别分成第一子带DB1’与DB2’和第二子带DB1”与DB2”。
每个路由器模块91～93可以例如包括一耦合器(未示出)，它具有附接到第一端口的第一组布喇格光栅和附接到第二端口的第二组光栅。附接到第一端口的布喇格光栅具有对应每条其它信道(即偶数信道)的反射波长，而附接到第二端口的布喇格光栅具有对应于其余信道(即奇数信道)的反射波长。这一光栅结构还可讲单系输入通路分成两系输出通路，使信道间距加倍。
通过RPA部14后，BB、RB1与RB2带或它的各自子带被分用部15接收。如图8所示，分用部15包括6个波长分用器(WD)95’、95”、96’、96”、97’、97”。它们接收各自的子带BB、’BB”、RB1’、RB1”、RB2’、RB2”，产生输出信道17。分用部15还包括接收输出信道17的接收单元Rx1～Rx128。
波长分用器较佳地包括阵列式波导光栅器件，但可用其它结构实现同样或类似的波长分离。例如，可以用常规方式用干涉滤光器、珐-珀(Fabry-Perot)滤光器或光纤内布喇格光栅对子带BB、’BB”、RB1’、RB1”、RB2’、RB2”内的信道分路。
在一较佳结构中，分用部15结合了干涉滤光器与AWG滤光器技术。或者，可使用珐-珀滤光器或光纤内布喇格光栅。较佳为8个信道分用器的带干涉滤光器的WD95’、95”分别接收和分离第一子带BB’和第二子带BB”。具体而言，WD95’分离信道λ1、λ3……λ15，而WD95”分离信道λ2、λ4……λ16。然而，两个WD95’与95”可以是1×8型AWG100GHz分用器。同样地，WD96’与96”分别接收和分离第一子带RB1’和第二子带RB1”，产生信道λ17～λ64，而WD97’和97”分别接收和分离第一子带RB2’与第二子带RB2”，产生信道λ65～λ128。WD96’与96”都可以是1×32型AWG100GHz分用器，配备成只使用24个现有的分用器端口。而WD97’和97”可以是1×32型AWG100GHz分用器，使用全部现有的分用器端口。输出信道17包括各条由WD95’、95”、96’、96”、97’、97”。分离的信道，输出信道17的各信道由每个接收单元Rx1～Rx128接收。
图9示出本发明的光学放大器100，可应用于光学传输系统1，包括图4的放大部53和图6的放大部69中，用于放大RB2带信号。
放大器最好是一种双向泵激光学放大器，包括一输入端口101，输入要放大的光信号；一输出端口102，输出放大的光信号；一有源光纤103，其第一端103a光耦合至输入端口101，第二端103b光耦至输出端口102，适于放大光信号；一第一泵源104，用第一光耦器105光耦至有源光纤103，适于最好相对发射的信号沿其同传播方向把第一泵辐射馈给有源光纤103；一第二泵源106，用第二光耦器107光耦至有源光纤103，适于最好相对发射信号沿相反传播方向将第二泵辐射馈给有源光纤103。
或者，通过适时的复用第一泵辐射、第二泵辐射和光信号，可把第一与第二泵辐射沿同一方向最好都沿其同传播方向馈给有源光纤103。
或者，可用多个泵源代替第一和/或第二泵源。这些多个泵源能以波长(若工作于不同波长)或偏振方式复用。
放大器100还可包括已知类型的第一和/或第二光隔离器108和/或109，前者位于输入口101与第一耦合器105之间，使光只从输入口101传输到耦合器105；后者位于第二耦合器107与输出口102之间，使光只从第二耦合器107传输到输出口102。
有源光纤103是掺铒与镱的石英光纤，系单模，长度较佳为10～30m，数值孔经NA较佳为0.15～0.22。有源光纤103的纤芯包括以下标明浓度的元素一铝原子％为0.1～1 3；一磷原子％为0.1～30；一铒原子％为0.1～0.6；一镱原子％为0.5～3.5。
铒与镱比较佳为1∶5～1∶30，如1∶20。
第一耦合器105较佳为微光学干涉WDM耦合器，包括
一第一接入光纤105a，光耦至输入端口101，接收要放大的信号(在RB2带信道中)；一第二接入光纤105b，用单模光纤110光耦至第一泵源104，接收第一泵辐射；一第三接入光纤105c，光耦至有源光纤103，对有源光纤103馈送准备与第一泵辐射一起放大的光信号(且沿同一传播方向)。
第一耦合器105还包括在其接入光纤中间适当地引导光束的会聚镜系统(未示出)和选择反射平面(未示出)，如分色镜。耦合器内反射表面的实际倾斜取决于携带信号与泵辐射的进入光束的方向。较佳地，耦合器105中选择反射表面可透过RB2带信道的波长而反射第一泵辐射的波长。这样，RB2带信道通过反射表面而无损失，第一泵辐射则被反射表面反射入有源光纤103的纤芯。或者，第一耦合器105可以包括一种选择反射表面，它反射RB2带信道的波长而透过第一泵辐射波长。
第一耦合器105对光信号的插入损失较佳地不大于0.6db。例如，第一耦合器105可以是Oplink制造的MWDM-45/54型。
根据另一实施例，第一耦合器105可以是熔融光纤类耦合器。
第二耦合器107较佳是一种熔融光纤WDM耦合器，包括一第一接入光纤107a，光耦至输出口102，对输出口102馈送放大的信号；一第二接入光纤107b，用光纤111光耦至第二泵源106，接收相应的泵辐射；一第三接入光纤107c，光耦至有源光纤103以从有源光纤103接收放大的光信号，并向有源光纤103馈送第二泵源106产生的泵辐射；和一第四接入光纤107d，具有低反射端接的自由端。
第二耦合器107可通过熔融第一光纤以限定第一与第三接入光纤107a、107c，并熔融第二光纤以限定与第四接入光纤107b、107d而制成。
第二耦合器107对光信号的插入损失较佳地不大于0.3dB。
第一泵源104较佳地是半导体激光二极管，提供波长范围为1465～1495nm的第一泵辐射，适合在有源光纤103中激发铒离子。第一泵源104提供的泵功率较佳地为40～250mW。第一泵源104可以是例如SUMITOMO ELECTRICINDUSTRIES有限公司提供的SLA5610-DA型。
直接泵激铒离子，尤其是共向泵激，据信可在有源光纤103中对光信号作前置放大。这一前置放大作用与泵激Yb离子提供的提升效应相结合，据信是观察到的放大器性能明显提高的原由，尤其是，在低输入功率条件下。
申请人发现，相对于在980nm带中的泵激，较佳地是在1480nm带中直接泵激铒离子。实际上，1480nm泵辐射与980nm泵辐射的差别在于被缓慢地吸收于有源光纤中，从而提供较长波长(1600nm)的更高荧光。这使得光信号功率沿有源光纤逐渐增高，避免ASE过量累积。
如下所述，提出的放大器能以低达-25dBm的极低输入功率放大光信号。
参照图10，第二泵源106较佳地包括光纤激光器112和泵激光二极管113。有利的是，光纤激光器112适合产生波长范围为1000～1100nm的第二泵辐射，适宜在有源光纤103中激发Yb离子。光纤激光器112较佳地包括双包层光纤114和第一和第二布喇格光栅118、119。布喇格光栅118、119刻写入双包层光纤114的相对两端，并确定光纤激光器112的珐-珀谐振腔。
泵激光二极管113光耦至双包层光纤114一端，可产生激发辐射以泵激双包层光纤114。双包层光纤114的相对端拼接至光纤111，把第三泵辐射发送给有源光纤103。
图11a示出不按比例的双包层光纤114的截面。光纤114包括具有第一折射率n1的纤芯115、包括纤芯115且具有第二折射率n2小于n1的内包层116及包绕内包层116且具有第三折射率n3小于n2的外包层117。纤芯115、内包层116与外包层117均同轴。
光纤114是石英光纤，为了产生波长适合泵激有源光纤103第二泵辐射，纤芯115较佳地用高浓度镱掺杂，镱浓度较佳大于0.1原子％，更佳为0.7～1.5％。
纤芯115其它元素的浓度最好在下列范围，一锗0.1～20原子％一铝0.1～6原子％一磷0.1～20原子％泵激光二极管113较佳地是宽区激光器，辐射光谱的适合泵激双包层光纤114的掺杂物离子的波长为中心，较佳范围为910～925nm。泵激光二极管113较佳地设置一根输出多模光纤120，纤芯几乎与有源光纤114的内包层116同直径和同数值孔径，以便以极高效率(近100％)把激发辐射耦入有源光纤114。
如图11b所示，在正常操作条件下，泵激光二极管113产生的泵辐射馈入内包层116，逐渐被纤芯115吸收，激发Yb离子。Yb离子的去激发导致在波长范围1000～1100nm的受激发射，传入纤芯115并自放大。光栅118、119在1000～1100nm范围内反射一预定波长(如1047nm)，多次反射后，导致在该特定波长由光纤114相对泵激光二极管113的端部发射的高功率激光辐射。
光纤激光器112可以这样实现，即首先制作双包层光纤114，其特性(长度、几何形状与组分)按照期望的激光器性能优化，再在光纤114相对两端上刻写光栅118与119。
制作光纤114要使用两个不同的预制件(未示出)。第一预制件用于得到纤芯115和内包层116的里面部分。第一预制件的制造方法是，用已知的“化学汽相淀积”(CVD)法淀积SiO2、P2O5与Al2O3。再用已知的“溶液掺杂”法引入稀土镱。接着对第一预制件适当加工，将其外经缩小到预定值。
商业型的第二预制件用于得到内包层116的外面部分和外包层117。第二预制件有一纯SiO2的中心区和掺氟化物SiO2的包绕区。第二预制件的中心区部分除去，得到一中心纵向孔，其直径略大于第一预制件外径，可插入第一预制件。内包层部分由第一预制部分由第二预制件限定。
将如此得到的三层预制件以常规方法拉制成光纤114。
光栅118与119可用图12的光栅刻写组件130按照本申请人研究的下述技术刻写。
参照图12，在光栅刻写组件130中，泵激光二极管113光耦至光纤114的第一端114a，光功率测量设备131较佳地是一位于光纤114第二端114b前面的功率计，而且带通滤光器132较佳地插在光纤114第二端114b与测量设备131之间。
测量设备131例如是ANDO AQ2140型功率计。
滤光器132较佳地是干涉滤光器，以源106激光辐射预定波长λlaser为中心。
组件130还包括处理器(PC)134，较佳地通过DAC(数/模转换器)133用专用软件(如Labview)控制泵激光二极管113和设备131。DAC133可以是例如National Instruments PCI 6110型。如图12所示，在光栅刻写加工期间，根据测量设备131提供的信息，处理器134还可提供(在显示器上)激光器106的Pout/Ppump特性。
另外，组件130包括一适于在光纤114上刻写光栅118、119的紫外刻写设备135，设备135较佳地包括一激子激光设备。
这里参照图16的流程图和图18a的方案图描述刻写第一光栅118的方法。该方法包括以下步骤一限定与有源光纤相关联的反射表面，较佳地通过切割和清洁(方框200)光纤114第二端114b，以在玻璃/空气界面达到预定的反射率R2，较佳为约4％；该反射表面的反射波长带宽于第一光栅期望的反射波长带；一利用泵激光二极管113把光功率Pin的泵辐射馈给(方框210)有源光纤114，以便激发掺杂物离子，导致放大的受激发射(ASE)而限定自激发射；一在光纤114第一端114a附近用紫外刻写设备105刻写第一光栅118(方框220)，空间周期对应于预定的激光波长λlaser；第一光栅118具有可变的反射率R1，并与光纤114第二端114b一起限定一谐振腔，允许受激发射在光纤114中向前向后传播，输出波长λlaser的激光辐射；一在刻写步骤中，通过用处理器134和DAC133驱动泵激光二极管113，在限定功率范围内(可从零功率开始)反复扫描泵辐射功率(方框230)；具有激光辐射的最小泵辐射功率值限定了依赖于光栅强度的阈值功率Pth；扫描周期可以是例如15～20秒；一用滤光器132对光纤114第二端1146输出的光率辐射作光谱滤波(方框240)；滤波可抑制剩余泵辐射，而在刻写加工开始时，可抑制自激辐射；一在刻写与扫描步骤中，用测量设备131测量滤波输出辐射的光功率(方框250)；测量光功率包括在扫描周期内获得预定数N个(如10个)光功率值，各值通过计算在预定测量周期(如2秒)内检出的功率的平均值得到；预定的N个光功率值和预定测量周期同扫描周期值相关；一为得到激光器的效率η与阈值功率Pth，较佳地通过线性回归处理测得的光功率(方框260)；线性回归处理包括找出一条在Pout/Pin曲线上限定最佳拟合的N个最新点(对应于最后一个扫描周期得到的N个光功率值)的直线，并估算该直线的斜率和同Pin轴线的交点，以得到当前的η值与Pth值；一通过将当前η值(图18a中点A的ηcurr)即与最后一个扫描周期相关的η值(图18a中点B的ηprec)即在前一处理步骤中得到并与前一扫描周期相关的值进行比较，检查效率η是否在提高(方框270)；效率η的当前值ηcurr与第一光栅反射率R1的当前值相关；一若效率η在提高(ηcurr＞ηprec)，重复刻写、扫描、滤光、监视、处理与检测(方框220～270)的步骤；一若激光器的效率η开始劣化，即若效率η达到极值ηlimit(图18a中点c)而不再提高(ηcurr≤ηprec)，就停止加工(方框280)；ηlimit对应于第一光栅108的最大反射率R1值(近100％)，也是考虑到R2值(4％)所能得到的最大效率；若过了这一点还继续刻写加工，η将下降(图18a中点D)，因为光栅劣化与某些外来现象相关，像缺陷中心饱和与干涉条纹反差减小；一根据效率极值ηlimit估算第一光栅118的最终反射率(方框290)。
上述刻写第一光栅加工的总持续时间可能为几分钟。
第一光栅的反射波长带较佳为0.3～1nm，更佳为0.4～0.7nm。
第一步骤中使用的反射表面，还可由制作在第二端114b上的多层干涉反射表面、光纤包括光栅的分离部分、微光学单元(如半反射镜或透镜系统)等限定。
申请人已观察到，例如除了用于效率外，阈值功率Pth还是可用来确定必须停止第一光栅刻写时间的另一个参数。实际上，阈值功率Pth在刻写加工期间下降，并且在效率达到其极值ηlimit时也达到极值Pth，limit。然而，申请人发现，估算Pth比估算η更困难，而且在刻写加工中，Pth变化小于η变化。还有，Pth的实际值与线性回归得到的值略有不同。因此，申请人发现，η是应用于检测步骤的优选参数。
一般而言，在上述加工结束时得到的极限效率ηlimit，并不对应于光纤激光器112可得到的最大效率ηmax(图18a中点E)。要达到最大效率ηmax，通常必须刻写第二光栅119并优化其反射率。
在某些有源光纤114第二端的反射率能限定具有期望特性的激光腔的应用场合中，只刻写第一光栅118已足够了。例如，对于“空中激光”，即其输出辐射在空中直接发射的激光器而言，有源光纤114第二端4％的反射率已足够了。
对于所考虑的应用，申请人发现，有反射率至少为4％的第二光栅119，可提高光纤激光器112的性能。
申请人还发现。前述刻写技术也适于刻写第二光栅119，即使要格外注意第二光栅119的实际光谱分配。这是因为有源光纤114在刻写步骤中改变了它的折射率，于是光栅波长峰发生偏移。为纠正这一缺点，第二光栅119较有利的是一种相当大的带状光栅，使峰偏移包括在光栅的带内。较佳地，第二与第一光栅的反射带之比为1.5～3。若使用“相掩膜”刻写技术，通过在掩膜前面设置一块可因如预定紫外辐射衍射的开狭缝的屏，就可得到反射带扩大的光栅。
另外，为使与第一光栅118相关的峰和与第二光栅119相关的峰重叠，最好在刻写时对可能的峰偏移作一次先验的评估。评估方法是估算刻写加工所需的持续时间和光栅峰近似的每秒钟偏移。
这里参照图17的流程图和图18b的方案图描述刻写第二光栅119的方法。该法包括以下步骤一切割有源光纤114第二端114b而得到倾斜7～8(相对垂直于光纤轴线的平面)可忽略反射率的端面(方框300)；一为激发有源光纤114的掺杂物离子，用泵激光二极管113向有源光纤114馈送光功率为Pin的泵辐射(方框310)；一在光纤114第二端114b附近用紫外刻写设备105刻写第二光栅119(方框320)，空间周期对应于预定的激光波长λlaser；第二光栅119具有可变的反射率R2，并与反射率R1近100％的第一光栅118一起限定谐振腔，使受激发射在光纤114中向前向后传播，并作为波长为λlaser的激光辐射输出；一在刻写步骤中，通过用处理器134和DAC133驱动泵激光二极管113，在预定功率范围内(可以与第一光栅刻写使用的范围不同)反复扫描泵辐射功率(方框330)；具备激光辐射的最小泵辐射功率值限定了取决于第二光栅强度的阈值功率Pth；一用滤光器132对光纤114第二端114b输出的光学辐射作光谱滤波(方框340)；滤波可抑制剩余泵辐射，而在第二光栅刻写开始时，还可抑制自激辐射；一在刻写与扫描步骤中，用测量设备131测量滤光输出辐射的光功率(方框350)；在扫描周期内，测量光功率包括获得预定的N’个(可能与第一光栅刻写使用的预定的N个不同)光功率值，各值通过计算在预定测量周期内检出的平均功率值得到；预定的N’个光功率值和预定的测量周期与扫描周期的持续时间相关；一为得到激光器的效率η和阈值功率Pth，较佳地通过线性回归处理测得的光功率(方框360)；先行回归包括在Pout/Pin特性曲线上找出一条限定最佳拟合的N’个最新点(对应于最后一个扫描周期内得到的N’个光功率值)的直线，并估算该直线与Pin轴线的斜率与交点，以得到当前的η与Pth值，第一个检出的η值将在零与第一光栅刻写结束时发现的极值ηlimit之间；一通过比较当前η值(图186中点A的ηcurr)即与最后一个扫描周期相关η值与前一η值(图186中点B的ηprec)即在前一处理步骤中得到并且与前一扫描周期相关的值，检验效率η是否在提高(方框370)；效率η的当前值ηcurr与第二光栅反射率R2当前值相关；一若效率η在提高(ηcurr＞ηprec)，重复刻写、扫描、滤光、监视、处理与检验步骤(方框320～370)；一在激光器的效率η开始劣化，即若效率η不在提高(ηcurr≤ηprec)而达到最大值ηmax(图18b中点E)时，停止加工(方框380)；ηmax对应于第二光栅119反射率R2的最佳值R2，opt(如在4～10％)，并且代表光纤激光器112可得到的最大效率；若过了该点继续刻写加工，η将下降(图18b中点D)，因为光栅劣化与某些外来现象相关，如缺隔中心饱和及干涉条纹反差减小；一按最大效率ηmax估算第二光栅119的最终反射率(方框390)。
申请人发现，在第二光栅刻写加工期间(R2增高)。阈值功率Pth较低是有利的。因为可以用较低输入功率产生激光。因此，优化光纤激光器112性能的另一改进的标准是，在效率η与阈值功率Pth之间达到最佳折中或预定关系时，应停止加工。
这一折中可能取决于考虑的具体应用。
放大单元100性能的实验结果对放大单元100已作过实验测量，以下详细描述其特性。
实验使用的有源光纤103，纤芯直径为4.3μm，包层直径为125μm，数值孔径NA＝0.2，组份如下
铒与镱浓度比约1∶20。
第一耦合器105是OPLINK制造的MWDM-45/54型干涉滤光器，插入损失为0.6dB。
第二耦合器107是熔融光纤WDM耦合器，如上所述，其制造方法是熔融限定接入光纤107a与107c的第一光纤和限定接入光纤107b与107d的第二光纤。第一光纤是SM(单模)光纤，芯直径3.6μm，包层直径125μm，数值孔径NA＝0.195。第二光纤是SM光纤，芯直径3.6μm，包层直径125μm，数值孔径NA＝0.195。这两种SM光纤都是Corning公司生产的CS980型。第二耦合器107的插入损失为1dB。
第一泵源104是激光二极管，在1480nm可提供50～70mW泵辐射功率。光纤110为SM光纤。
第二泵源106由本申请人制造，在1047nm可提供500～650mW泵辐射功率。光纤111是SM光纤。宽区二极管激光器113可爱915nm提供800mW辐射功率。申请人发现，应用更强力的宽区二极管激光器，或许能获得高得多的放大器饱和功率。
通过SEM分析检测，第二泵源中有源光纤114在其纤芯115内具有如下组份
为得到高浓度镱，选用的铝浓度较高。锗浓度较低，因为高浓度的铝与镱决定了高的折射率值。添加磷，以减小光纤的数值孔径(NA)。
有源光纤114长10m，其弯曲直径约40nm。申请人发现，该弯曲直径值代表了光纤中吸光效率与感应损失间的最佳折中。
谐振腔长度(即第一与第二光栅118、119的距离)接近10m。
有源光纤114的外包层117外径约90μm，内包层116外径约45μm，纤芯115外径约4.5μm。纤芯115内包层116之间的折射率落差Δn＝n2-n3约0.0083，内包层116与外包层117间的折射率落差Δn’＝n2-n3约0.0067。纤芯115和内包层116限定一传递传输信号的单模波导，第一数值孔径NA1约为0.155，内包层116和外包层117限定一传递泵辐射的多模波导，第二数值孔径NA2约为0.22。
已用前述方法实现了光栅118、119，二者都具有1047nm的布喇格波长。第一光栅118的最大波长的反射率约99％，第二光栅119同一波长的反射率小于10％。
图13示出光纤激光器112的响应曲线。具体而言，图13示出了发射激光辐射的光功率Pout对激光二极管113提供的泵功率Pin的相依性。据得到的曲线，激光源的效率η＝81.5％，阈值功率Pth＝99mW。
图14示出放大器100的无源元件造成的插入损失，这些元件分别置于输入端101与光纤103第一端之间(即第一光隔离器108与第一光耦器105之间)和光纤103第二端与输出端102(及第二光耦器107与第二光隔离器109)之间。图14的特性用光谱分析仪测得。
图15示出在输入信号从1575nm到1620nm作波长扫描时，放大单元100的增益曲线。图15中不同的曲线指在-25-10dBm范围内的输入信号功率。可以指出，对大于0dBm的输入信号功率，放大单元100提供大于约18dBm的输出功率，于是可以用作提升放大器。具体而言，在10dBm输入信号功率，该单元提供高达22dBm的输出功率，在RB2带内，最大增益变化小于1dB。
在放大器100用作提升单元时，光输入信号为10dBm或更大，增益曲线在RB2带内呈现的最大变化小于1dB。
另外，放大器100呈现的增益可超出RB2带，达1620nm。
光栅刻写法模拟的数值结果图19～21示出的数值结果，通过在具有上述实验测量特性的有源光纤114上模拟上述光栅刻写法得到。
图19对第一光栅刻写加工期间不同的第一光栅反射率值，示出了光学输出功率Pout对泵光功率Pin的相依性。谐振腔由第一光栅118和光纤114第二端114b(4％反射率)限定。可以看出，随着第一光栅反射率的增大，光纤激光器效率逐渐提高，而阈值功率Pth逐渐下降。
图20示出第一光栅刻写加工期间，光纤激光器112的效率η和阈值功率Pth对第一光栅反射率的相依性。η与Pth特性曲线上各点对应于图19的直线。
图21示出在第二光栅刻写加工期间，光纤激光器112的效率η和阈值功率Pth对第二光栅反射率的相依性，假定第一光栅反射率为99％。对约4％的第二光栅反射率，可检测出效率曲线的最大值，其值大于80％。若应用最佳折中(η与Pth之间)标准，在第二光栅反射率为4-10％时停止刻写加工较为有利。
权利要求
1.一种制造光纤激光器，包括刻写在有源光纤中具有第一反射波长带的第一光栅的方法，其特征在于它包括以下步骤一在刻写所述第一光栅步骤前，限定与有源光纤相关联的反射表面，所述反射表面的第二反射波长带比第一反射波长带更宽；一在刻写第一光栅步骤期间，对有源光纤作光学泵激，以在第一光栅与反射表面之间激发出放大的受激发射，继而从有源光纤感生出激光辐射；一在刻写第一光栅步骤期间，测量激光辐射的光学功率；一按测得的光功率控制刻写第一光栅步骤。
2.如权利要求1的方法，其特征在于，它包括在刻写第一光栅之后，在有源光纤中刻写适合与第一光栅一起限定所述光纤激光器的谐振腔的第二光栅。
3.如权利要求1的方法，其特征在于，在刻写第一光栅步骤期间，它包括在预定的功率范围内扫描泵辐射功率。
4.如权利要求3的方法，其特征在于，以预定的扫描周期重复扫描步骤，而测量光功率步骤包括在预定扫描周期内得到预定数量的光功率值。
5.如权利要求4的方法，其特征在于，得到预定数量光功率值的步骤包括计算在预定测量周期内测得的平均光功率值，以获得每个所述光功率值。
6.如权利要求4的方法，其特征在于，它还包括处理所述光功率值以得到当前激光器效率值的步骤。
7.如权利要求6的方法，其特征在于，处理步骤包括在对应于所述光功率值的激光器增益特性曲线上找出预定个点数的拟合直线，并估算所述直线的斜率。
8.如权利要求6的方法，其特征在于，控制刻写步骤的步骤包括检查所述当前激光器效率值是否已达到极值，若已达到所述极值，就停止刻写第一光栅的步骤。
9.如权利要求8的方法，其特征在于，检查步骤包括把与最后一个扫描周期相关的所述当前激光器效率值同与前一扫描周期相关的前一激光器效率值进行比较。
10.如权利要求8的方法，其特征在于，它还包括按所述极值估算所述第一光栅的反射率。
11.如权利要求1的方法，其特征在于，限定反射表面的步骤包括切割和清洁有源光纤一端，以限定玻璃/空气界面的反射表面。
12.如权利要求1的方法，其特征在于，有源光纤包括吸收在以某一波长为中心的约±10范围内至少为15dB的有源光纤，所述波长对应于所述第一光栅的最大反射波长。
13.如权利要求1的方法，其特征在于，有源光纤包括双包层有源光纤。
14.如权利要求2的方法，其特征在于，还包括以下步骤一在刻写第二光栅步骤期间，对有源光纤作光学泵激，以在所述第一与第二光栅之间激发出放大的受激发射，继而从有源光纤感生出激光辐射；一在刻写第二光栅步骤期间，测量激光辐射的光功率；一按测得的光功率控制刻写第二光栅步骤。
15.如权利要求14的方法，其特征在于，在刻写第二光栅步骤期间，它包括在预定功率范围内扫描泵辐射功率。
16.如权利要求15的方法，其特征在于，以预定扫描周期重复扫描步骤，而测量光功率的步骤包括在预定扫描周期内获得预定数量的光功率值。
17.如权利要求16的方法，其特征在于，获得预定数量光功率值的步骤包括计算在预定测量周期内测得的平均光功率值，以得到每个所述光功率值。
18.如权利要求16的方法，其特征在于，它还包括处理所述光功率值以得到当前激光器效率值的步骤。
19.如权利要求8的方法，其特征在于，处理步骤包括从所述光功率值获得当前激光器阈值功率值。
20.如权利要求19的方法，其特征在于，控制刻写步骤的步骤包括当达到了所述当前激光器效率值与阈值功率之间的预定关系时，停止刻写第二光栅的步骤。
21.如权利要求18的方法，其特征在于，控制刻写步骤的步骤包括检查所述当前激光器效率值是否已达到最大值，若已达到所述最大值，就停止刻写第二光栅的步骤。
22.如权利要求21的方法，其特征在于，它还包括按所述最大值估算所述第二光栅的反射率。
23.如权利要求2的方法，其特征在于，在刻写第二光栅前，它还包括限定一反射率可忽略的区域以取代所述反射表面。
24.如权利要求2的方法，其特征在于，第二光栅具有第三反射波长带，而第三反射波长带与第一反射波长带之比为1.5∶3。
25.光纤激光器，包括有源光纤、刻写在有源光纤第一部分中且具有第一反射波长带的第一光栅和刻写在有源光纤第二部分中且具有第二反射波长带的第二光栅，第一与第二光栅限定了光纤激光器的谐振腔，其特征在于，所述第一与第二反射波长带的宽度比为1.5至3之间。
26.如权利要求25的光纤激光器，其特征在于，有源光纤包括双包层有源光纤。
27.如权利要求25的光纤激光器，其特征在于，有源光纤的吸收在以某一波长为中心的约±10nm范围内至少为15dB，所述波长对应于反射波长带中心。
全文摘要
为制造光纤激光器(106)，在第一端(114a)附近预置一条掺Yb的双包层有源光纤(114)，以接收适合刻写第一布喇格光栅的紫外辐射；刻写加工期间，向有源光纤第一端馈送扫描的泵激辐射，以在第一光栅与有源光纤第二端(114b)先前切割和清洁的反射表面之间激发出放大的受激发射，继而从有源光纤感生出激光辐射；测量和处理激光辐射的光功率，得出激光器效率；在达到最大效率值时，停止刻写加工；可用同样的步骤刻写有源光纤第二端(114b)附近的第二光栅。
文档编号H01S3/00GK1402896SQ00816346
公开日2003年3月12日 申请日期2000年9月26日 优先权日1999年9月29日
发明者G·奥利维提, G·罗茜, M·托门 申请人:康宁O.T.I股份公司