专利名称：拉曼散射光放大器的制作方法
技术领域：
本发明涉及特别地用于电信光系统中的拉曼效应光放大器。
背景技术：
拉曼放大器具有对波分复用(WDM)光传输系统有利的特性，原因是这种放大器表现出较宽的通带、较低的噪声以及对信号输入功率变化的较低敏感度。
然而，要获得有效的放大，就必须使用高功率光泵和很长的光纤，这就使得拉曼放大器非常昂贵。
拉曼放大传统地利用了非共振受激拉曼散射。在这种类型的放大中，并且如图1的能量W的示图所示，波长为λp的一个泵浦波光子丢失其能量以生成另一个具有较小能量并因此在较低频率下具有较长波长λd的光子(无弹性散射)。该入射光子的其余能量被传播媒介(光纤)以分子振动(声子)的形式吸收，在图1中用象征对应于基本振动状态的参考能级的第一条水平实线1与象征对应于激发振动状态的能级带的第二条水平粗实线2之间的垂直箭头来表示这种分子振动。为了提高放大的有效性，已知可以减小光纤的有效区段面积以便增大抑制，并且/或者可以用诸如锗氧化物之类的具有较高拉曼系数的材料对光纤芯体进行重掺杂，这些材料形成构成芯体的基质(matrix)的一部分。虽然芯体掺杂提高了放大的有效性，但其必然会增大损耗。
为了说明传统类型的拉曼放大，上述描述涉及图中用水平虚线3表示的虚拟电子能级，其用于说明从波长为λp的泵浦波到波长为λd的放大信号的能量传递。这种能级是“虚拟”的，原因在于这种能级不对应于构成芯体的原子(包括任意可能的掺杂剂)的任何稳定的能量状态。因此，光子与分子之间的相互作用以及光子的再发射准同时(quasiinstantaneously)地发生的事实可以证明通过“虚拟”能级对拉曼处理进行的描述是正确的。
发明内容
本发明的一个目的是使比传统的受激拉曼散射放大更有效的拉曼放大成为可能。
通过利用受激拉曼散射效应的放大器，可以实现这一目的，该放大器包括光导和用于产生泵浦波的光泵，该放大器的特征在于所述光导包括芯体结构，所述芯体结构包括至少一种提供对应于跃迁波长的电子能量跃迁的光活性成分，其中所述跃迁波长接近所述泵浦波的波长但不等于所述泵浦波的波长。
在此使用的术语“芯体结构”意指集中了波导中光波传播的大多数光功率的波导区域。例如，当波导是单根光纤时，芯体结构相当于该光纤的中心区域，其对应于折射率大于光纤的外围区域(通常称作覆层)的折射率的区域。然而，本发明同样适用于具有更复杂的芯体结构的波导，诸如具有多个同轴芯体和多个同轴覆层的光纤。
根据本实施例，可以考虑各种成分，基本要点在于所选的成分是光激活的，即能够提供适合于待放大的波长的跃迁波长，同时要考虑用于构成波导芯体的基质的材料以及针对泵浦波可以选择的可用波长。
因此，如果针对泵浦波利用某个波长λp，那么所选择的成分应当使得存在等于某个值的电子能量跃迁ΔW，使得对应于所述值(即使得在将电子能量跃迁ΔW与波长λ相联系的通用公式中ΔW＝h×c/λt)的波长λt接近于λp但不精确等于λp。两个波长的差值必须足够大以避免产生掺杂剂的共振荧光，原因是这种共振荧光会比拉曼效应强得多并且会屏蔽拉曼效应。
可以以实验的方式针对任意特定环境确定将在这两个波长之间应用的精确补偿。精确补偿的一种简单方法包括在改变泵浦波波长时测量放大器的拉曼增益系数。一旦将泵浦波波长与跃迁波长之间的差值调整为使得放大器呈现出的拉曼增益系数等于在没有光活性成分时的所述增益系数的值的至少两倍，就可以认为已将放大器置于根据本发明的操作条件中。
在本发明的另一个方面中，将泵浦波波长优选地选择为大于跃迁波长。这种部署通常是优选的，原因是如果不这样部署，则具有信号波长的活性元素吸收的能量会使得信号损耗增大。
有利地，从下述元素中选择所述光活性成分稀土离子；过渡金属；以及半导体材料。
在光导的芯体结构中分布这些光活性成分，其中分布可以遍及整个结构或只涉及所述结构的一部分。根据这些成分的类型，应当以元素形式或以纳米粒子的形式来分布这些成分。
特别地，可以用平面波导或用光纤来构成放大器的光导。
本发明还提供了一种利用根据上述描述的光放大器而制造的激光器。
通过阅读以下描述并通过研究附图，可以更好地理解本发明。仅作为说明而非作为对本发明的限制而给出这些图形，其中图1是示出受激拉曼散射放大的现有技术原理的能量图，并且上文已对其进行了描述；图2是示出本发明的拉曼散射放大的原理的能量图；图3包括三个能量图a)、b)和c)，其示出应当如何选择光泵以获得本发明的拉曼散射；图4示出了拉曼放大器；以及图5是示出使用本发明的光活性材料对拉曼放大器增益产生的效果。
具体实施例方式
在图2的能量图中可以看到，本发明不同于现有技术之处在于放大采用了意味着真实的中间电子能级4的电子能量跃迁。图中还示出了更高的另一个能级5。这样做具有显著提高拉曼散射的有效性的效果。
更准确地说，所选择的光活性材料呈现了对应于接近泵波长λp的跃迁波长λt的两个能级之间的跃迁。术语“接近”的意思是泵波长与电子跃迁波长之间的差值必须足够大以避免光泵信号被电子跃迁吸收掉，但是此差值又不能大到使得能量不能从泵光子发送到所述真实电子能级的程度。
图3的三个能量图的作用是示出，为了获得所期望的结果，根据所选的光活性材料来选择光泵是非常重要的。
图a)对应于泵波长λp相对于跃迁波长λt来说太长，以至于不能与光活性材料相互作用的情况。因此，如图1所示，这是一种传统的拉曼放大的情形。
图b)对应于一种情况，其中泵波长λp是最佳的，即足够接近跃迁波长λt。
图c)对应于另一种情况，其中泵波长λp太接近跃迁波长λt。这种情形会导致如λf所示的荧光。
特别地，对于电信领域的应用，有利的是可以使用对应于在400纳米(nm)到2066纳米(nm)的范围内的泵波长的能量跃迁。通常，如果泵浦波的波长和跃迁波长每厘米相差几百个波数，那么所观察到的拉曼增益系数就在具有相同结构并置于相同的光泵条件下但不具有根据本发明的光活性成分的放大器的增益系数值的2倍到10倍的范围内。
有利地，选择大于跃迁波长的泵波长以避免产生光活性材料的共振荧光，这种共振荧光可能会比拉曼效应强得多并且会屏蔽拉曼效应。如图c)所示，从较高能级5开始的跃迁可能会导致波长为λf的荧光。
由于泵波长和跃迁波长的接近，应当可以观察到相对于现有技术的改善，并且应当可以观察到，不同于传统的受激拉曼散射，增益不依赖于构成传播媒介的基质的成分，而是依赖于所用的活性成分的类型和数量。
在合适的光活性材料中，特别要提到的是稀土离子、半导体材料和金属离子。
如同使用传统的拉曼放大那样，根据所期望的放大频带并根据传播媒介的振动频带来选择泵波长。
下面作为示例给出了用于光泵信号的光活性材料以及相应的发射谱带的例子
纳米粒子的优点，特别是半导体粒子的优点是具有通过控制纳米粒子的大小来调整电子跃迁波长的能力。
根据本发明的放大器的实际实施例可以依赖于在制造掺杂平面波导或掺杂光纤中通常使用的传统方法。
本发明当然可以应用于任何波导结构。光活性成分还可以构成波导的芯体结构的一层。如果波导是光纤则这种结构是环形的，或者如果波导是平面的则这种结构是平面的。
对于使用纳米粒子的实施例，可以参考例如2003年9月24日公开的欧洲专利申请EP-A-1 347 545和2003年9月18日公开的相应的美国专利申请US-A-2003/0175003。
图4中示出了本发明的放大器的一般结构。该放大器在传统的总体布局中包括所示实施例中的波导，所示实施例包括适于拉曼放大的光纤6、光泵10和连接器8，该连接器8用于将由光泵传送的光波与当在入口E上接收时将被放大的信号一起注入到光纤6中。光纤的出口S构成放大器的出口。
与受激拉曼散射的传统放大相比，根据本发明的拉曼散射放大的效率获得了显著的改善。因此，与现有技术相比，针对给定放大可以减小光泵功率和/或传播介质长度。
图5绘出了三条曲线，其示出了对于1117nm的泵波长，拉曼增益系数gR(所谓的“固有拉曼增益”)根据波长的变化关系，并且其分别涉及三种放大器，每种放大器使用的光纤具有相同的传统结构但是其中芯体呈现出所掺杂的活性元素的不同特性曲线a)按重量计算的掺杂浓度为1.07％的Yb掺杂；曲线b)按重量计算的掺杂浓度为0.64％的Yb掺杂；曲线c)没有Yb掺杂。
从图5中可以看出，通过按重量计算的浓度大约为1％的Yb3+离子来对传输媒介进行掺杂可以获得双倍的增益。
当然，特别是出于扩大放大器的增益带宽的目的，可以将具有不同特性的多种类型的光活性成分进行组合。
为了通过根据本发明的放大器来形成振荡器或激光源，将该放大器置于共振腔中即可，例如通过在放大器的每一端提供合适的反射器，其中可以以传统的方法提供该反射器，例如使用布拉格反射器。应当可以观察到激光器的振荡波长是所用的泵波长和成分(分子、离子等)的函数。
权利要求
1.一种利用受激拉曼散射效应的放大器，所述放大器包括与用于产生泵浦波的光泵(10)相连的光导(6)，所述放大器的特征在于所述光导包括芯体结构，所述芯体结构包括至少一种提供对应于跃迁波长(λt)的电子跃迁能量的光活性成分，其中所述跃迁波长(λt)接近于所述泵浦波波长(λp)但不等于所述泵浦波波长(λp)。
2.根据权利要求1所述的放大器，其特征在于，调整所述泵浦波波长(λp)和所述跃迁波长(λt)之间的差值，以使所述放大器呈现的拉曼增益系数(gR)等于在没有所述光活性成分时所述增益系数的值的至少两倍。
3.根据权利要求1所述的放大器，其特征在于，所述泵浦波波长(λp)和所述跃迁波长(λt)每厘米相差几百个波数。
4.根据权利要求1所述的放大器，其特征在于，所述泵浦波波长(λp)大于所述跃迁波长(λt)。
5.根据权利要求1所述的放大器，其特征在于，从下述元素中选择所述光活性成分稀土离子；过渡金属；以及半导体材料。
6.根据权利要求1所述的放大器，其特征在于，将所述光活性成分分布在所述光导芯体结构中，所述分布可以遍及整个结构或只涉及所述结构的一部分。
7.根据权利要求6所述的放大器，其特征在于，以元素形式分布所述光活性成分。
8.根据权利要求6所述的放大器，其特征在于，以纳米粒子的形式分布所述光活性成分。
9.根据权利要求1所述的放大器，其特征在于，所述光活性成分构成所述光导芯体结构的一层。
10.根据权利要求1所述的放大器，其特征在于，所述光导(6)包括平面波导和光纤。
11.一种激光源，包括布置在共振腔内的光放大器，所述激光源的特征在于，所述放大器是根据权利要求1所述的放大器。
全文摘要
本发明提供了一种利用受激拉曼散射效应的放大器或激光器，其中包括光导(6)和用于产生泵浦波的光泵(10)。为了提高放大效率，该光导包括芯体结构，该芯体结构包括至少一种提供电子跃迁能量的光活性成分，该电子跃迁能量所对应的波长接近于该泵浦波波长但不等于该泵浦波波长。本发明可应用于光传输系统。
文档编号G02F1/39GK1825191SQ200610057718
公开日2006年8月30日 申请日期2006年2月23日 优先权日2005年2月24日
发明者埃卡泰里纳·比罗夫, 克里斯蒂娜·莫罗, 弗洛朗斯·勒普林加尔, 洛朗斯·洛尔西, 洛朗·比戈 申请人:阿尔卡特公司