專利名稱：帶有攙雜光纖的光功率放大器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種使用活性光纖的高放大效率的光功率放大器。
用光纖作為遠(yuǎn)程通信線對信號進(jìn)行長途傳輸時，為了當(dāng)信號到達(dá)接收站時能被識別和利用，要求其在到達(dá)接收站時有足夠高的電平。
由于光信號在光纖中傳輸時會有衰減，因此，為使位于遠(yuǎn)離幾十公里或幾百公里外的接收站能獲得足夠高電平的信號，要求原來送入到光纖的信號必須有盡可能高電平。
然而，用于產(chǎn)生發(fā)送信號的激光器的功率因受到一些限制而不能超過幾毫瓦，而更高功率的激光器則不能產(chǎn)生所需要的發(fā)送信號，因此，人們急切需要一種功率放大器，用以接收由激光器產(chǎn)生的信號并將其放大到所需的電平上。
眾所周知芯線攙雜以例如稀土離子的特殊物質(zhì)的光纖，呈現(xiàn)出適合于用作為光放大器的受激輸出特性。
事實(shí)上，可以將一個其波長相當(dāng)于攙雜物質(zhì)的吸收光譜的峰值的特定波長上的稱之為“泵源”的光源加到這種光纖上，從而使攙雜物質(zhì)的原子躍遷到受激能級上或泵帶上，這些原子然后又在很短的時間內(nèi)自發(fā)地下落到激光輸出態(tài)，并在此停留一段較長的時間。
當(dāng)波長相應(yīng)于激光發(fā)射態(tài)的波長的光信號加到一條具有大量處在發(fā)射電平上的受激態(tài)原子的光纖時該光信號會使這些受激原子轉(zhuǎn)變成低能級，與此同時，產(chǎn)生與該信號相同波長的光發(fā)射。因而，這類光纖可用來對光信號進(jìn)行放大。
人所共知，從信號的衰減考慮，在1550nm附近時光纖具有較佳的傳輸特性，因此在光學(xué)放大器中，采用氧化鉺作為激光發(fā)射攙雜物，即利用其在1550nm附近的熒光特性來放大波長在該附近的光信號。
在文獻(xiàn)“Proceeding Ecoc L Europen Conference On Optical Communicntion 1989”之42-43頁中，描述了采用攙雜氧化鉺的光纖的光功率放大器。該文獻(xiàn)介紹了一種采用攙雜以鍺及氧化鉺的硅光纖的光功率放大器，其中泵浦采用倍頻到532nm的Nd-YAG激光器。
然而，上述光放大器的效率(輸出的傳輸功率與泵功率之比率)顯得很低，其效率低于20%，與最大理論效率相差甚遠(yuǎn)。
可以從EP-A-0345957中了解到AL/Er型光纖，該光纖采用AL2O2攙雜物質(zhì)以獲得適宜于導(dǎo)引光的折射率分布型式。該光纖適用于采用波長為514.5nm的光泵(例如氬激光器)的光放大器。
根據(jù)上述專利申請，如果以514.5nm波長的光泵加泵的話，則AL/Er光纖的效果優(yōu)于傳統(tǒng)的Ge/Er光纖，這是由于前者避免了Ge/Er光纖在該波長上時、在激發(fā)態(tài)中的吸收現(xiàn)象。
另一方面，為了獲得高的放大效率，采用相對高的泵波長是有利的。具體地說，采用980nm的波長有助于提高效率，因?yàn)楣β史糯笃髦械姆糯笮驶旧鲜桥c泵浦波長成正比的。
本發(fā)明的目的是為了實(shí)現(xiàn)在相應(yīng)于大致高于520nm的高泵波長時具有高放大效率的功率放大器。
本發(fā)明涉及一種光功率放大器，它包括一個包含折射率修止攙雜物并以氧化鉺作為熒光攙雜物的活性攙雜光纖，用光纖將其連接到遠(yuǎn)程通信線上，并在通過一個相應(yīng)的雙向光耦合器在其上加入泵激光。這種激光器適合于熒光攙雜物的受激輸出的飽和條件下工作。所述光功率放大器的特征在于其活性光纖的折射率修正攙雜物為AL2O3。
連結(jié)到活性光纖的泵激光波長大致大于520nm，而以980nm較好。
在光纖中的以Er2O3的重量比表示的氧化鉺濃度是在30之2000PM之間，而最好在30之1000PM之間。
活性光纖不是在泵波長上而是在傳輸信號的波長上是單模的，以在整段光纖上能獲得一高的泵功率。
再則，活性光纖可在泵波長和傳輸信號波長上都是單模的，以減少雙向光耦合器的連結(jié)損耗。
本發(fā)明的光功率放大器的最佳實(shí)施例中包括兩個通過各自的雙向光耦合器與活性光纖的兩端相連的泵激光器，并且由泵激光器發(fā)射的功率光的輸入方向朝向該活性光纖。
參照下面對附圖的說明，讀者將獲得更詳細(xì)的了解。


圖1示出了一條帶有功率放大器的光遠(yuǎn)程通信線;
圖2示出了一個采用一條活性光纖的光功率放大器;
圖3示出了圖2的放大器中的光纖的能級躍遷，它適用于產(chǎn)生受激(激光)輸出;
圖4表示在本發(fā)明的活性光纖的功率放大器對應(yīng)于泵功率的輸出功率;
圖5示出了采用Ge/Er型活性光纖的功率放大器的輸出功率對泵功率的關(guān)系曲線;
圖6示出了本發(fā)明的光纖和Ge/Er光纖的熒光光譜。
圖1中示意地表示了一條使用光纖的遠(yuǎn)程通信線，通常包括一個用來發(fā)送信號的站1，一條用于將光信號傳送至遠(yuǎn)處的光纖線2，及一個接收到達(dá)的光信號的接收站3。
為使引入到光纖通信線路2的光信號在其經(jīng)過其間的光纖中的長路徑上的不可避免的衰減之后在到達(dá)遠(yuǎn)離發(fā)送站1幾十公里或幾百公里外的接收站3時的功率電平仍能為接收站3中的接收裝置的靈敏度所能接受，則可用功率放大器4對站1的激光發(fā)射器產(chǎn)生的該光信號進(jìn)行適當(dāng)?shù)姆糯蟆?br> 事實(shí)上，半導(dǎo)體激光器是一種可用于產(chǎn)生工作于光纖呈現(xiàn)最佳傳輸特性的波長(而相應(yīng)于所謂第三窗口的1500-1600nm附近的波長)的可調(diào)制的及具有良好光譜性能的激光器。但是這種激光器其輸出信號電平低了一些，約不超過3dBm(約5mw)。因此，它們產(chǎn)生的信號在其被引入到傳輸線前應(yīng)適當(dāng)予以放大到一個高電平上，例如放大到15-20dBm。
為了實(shí)現(xiàn)被要引入到遠(yuǎn)程通信的光纖傳輸線的信號的光學(xué)放大，要使用帶光纖的功率放大器。
圖2示意地示出了光纖光放大器的結(jié)構(gòu)。一個波長λs的發(fā)送信號被送到雙向光耦合器5，光耦合器5連結(jié)到一條載有由泵激光器7產(chǎn)生的波長為λp的泵信號的獨(dú)特的輸出光纖6上，一條與光纖6相連的適當(dāng)長度的活性光纖8構(gòu)成了光信號放大器，然后再將信號引到光纖線2上輸向目的地。
概括地說，所述類型的光放大器采用以Er2O3溶液在硅中攙雜的活性光纖8，利用氧化鉺的受激轉(zhuǎn)換以獲得傳輸信號的放大。
圖3中用符號的方式示出了用溶解法生成在在纖維含硅基質(zhì)中的氧化鉺離子的可利用的能級條件，引入到活性光纖的光功率的泵波長λP小于傳輸信號的波長λS，在纖維玻璃基質(zhì)中的攙雜物質(zhì)的一定數(shù)目的Er3+處于激發(fā)能級狀態(tài)9，或“泵”帶上，受激離子由此自發(fā)地下落到能級10，從而構(gòu)成了一個激光發(fā)射能級。
在輸出激光能級10中，該Er3+離子可在轉(zhuǎn)變到基能級11的自發(fā)轉(zhuǎn)換以前可保持一段相對長的時間。
眾所周知，由于從能帶9轉(zhuǎn)換到能級10是與一消散在纖維的內(nèi)部的熱輸出相關(guān)聯(lián)的(聲子輻射)，所以由能級10轉(zhuǎn)變能基能級11產(chǎn)生。由一個波長相應(yīng)于激光發(fā)射電平10的能量值的光子組成的光發(fā)射。如果含有大量處于激光發(fā)射能級的離子的光纖被加上一個波長相應(yīng)于該發(fā)射能級的波長的信號，則該號能使所關(guān)心的離子發(fā)生由發(fā)射能級轉(zhuǎn)換到基能級的受激躍遷，在其自發(fā)下落前，相應(yīng)輸出一個與信號光子同相的光子，使原來的光發(fā)生“瀑布”現(xiàn)象，從而在活性光纖的輸出端獲得經(jīng)大大放大的發(fā)送信號。
在活性光纖的輸入信號是低電平信號時，例如是經(jīng)在長距離的光纖中衰減之后的低電平信號，且在低輸出情況下，則從該活性光纖輸出的波長為λS的傳輸信號的光功率Pu是正比于輸入到該光纖的傳輸信號的光功率Pi，其比例常數(shù)被定義為放大增益G，即Pu＝GPi。
這是典型的線路放大器的工作情況，此時，沿一條遠(yuǎn)程通信線路的一條光纖上配置這些線路放大器，以便將信號在經(jīng)過一定路徑的光纖衰減之后恢復(fù)到足夠高的電平。
在大致高于引入的泵功率5%的高功率輸入信號和高輸出功率情況時，則光放大器工作于飽和狀況，并且此時產(chǎn)生的輸出功率實(shí)際上不再取決于輸入功率，而僅取決于泵功率。實(shí)際上，當(dāng)活性光纖內(nèi)存在大量光子時，由激光能級10的受激轉(zhuǎn)換引起的光纖發(fā)射新光子的容量只受到與為利用在激光能級10中的足量的氧化鉺離子相關(guān)的可能引入的泵功率的限制的，而并不取決于輸入信號的光子數(shù)，即不取決于輸入到光纖的輸入功率。
這就是典型的功率放大器的工作情形，此時，Pu＝KPp，其中Pu為輸出端的功率，Pp為泵功率，而K為一比例常數(shù)，它本質(zhì)上代表了放大器的效率。
放大器的最大效率理論上是相應(yīng)于這種情況的效率此時，每個加到光纖內(nèi)的波長為λP的光子使攙雜物中的離子從基能級11轉(zhuǎn)換到激光能級10，從而發(fā)射一個波長為信號波長λS的光發(fā)射。這種情況相應(yīng)于稱之為“量子效率”的放大效率，即它是輸入的光子能量與輸出的光子能量之比，嚴(yán)格地說是輸入光子，即泵光子波長與泵光子即發(fā)送光子波長之比，即Eg＝λP/λS。
如果發(fā)送信號波長為1550nm，而泵波長為980nm時，則量子效率為60%(980/1550)。
因此，為獲得高放大效率，要求工作在相對高的泵波長以得到盡可能高的量子效率。
具體地說，高采用大體低于520nm的低泵波長時，其量子效率很低(低于33%)，這對于采用放大效率為量子效率的情形來說是很差的。
為了實(shí)現(xiàn)上述類型的功率放大器，我們已介紹了一種活性硅光纖，它攙雜以AL2O3以獲所要求的折射率分布，它包含用作激光發(fā)射的攙雜物質(zhì)氧化鉺，這種放大器工作在泵波長高于520nm時，尤其工作在相應(yīng)于氧化鉺的吸收峰980nm的泵波長時，呈現(xiàn)出具有接近于上述量子效率的高效率。
用眾所周知的溶液攙雜技術(shù)可以制取上述光纖。其方法是，將光纖心線浸漬在基本攙雜物即AL2O3和熒光攙雜物即Er3+的水溶液內(nèi)，相應(yīng)包含鹽類，有一內(nèi)燒結(jié)層的管狀預(yù)型件加以熔化并壓塌，最后將光纖從中抽取出來。
在英國專利申請N.8813769中介紹了上述類型的光纖及其相應(yīng)的制取方法。
為實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的功率放大器，攙雜以AL2O3的光纖包含的氧化鉺的量用Er2O3的重量表示之為30PPm至2000PPm，而以30至1000PPm為最佳，至于折射率修正攙雜物即AL2O3的含量及折射率的徑向分布型式則可根據(jù)具體的應(yīng)用要求選取，而并不違背本發(fā)明的目的。
具體地說，光纖的數(shù)字口徑和模型直徑可選擇得以使與線路光纖的耦合損耗小為宜，而氧化鉺的含量及在光纖內(nèi)的徑向分布則根據(jù)所選的活性光纖的長度及輸入功率等按照眾知的準(zhǔn)則予以選擇。
活性光纖在傳輸波長上是一單模光纖，但在泵波長上卻不是單模的，其目的是為了能向光纖輸入盡可能高的泵功率，而使輸入的泵功率分布整個截面上。不過使用在泵波λP上是單模的活性光纖有助于簡化光纖與雙向光耦合器5的連接及減少由此引起的連接損耗。
用上述光纖就可能獲得按照圖2所示的并在前面的已作了介紹的方案的功率放大器。為了在活性光纖8的整個長度上保持高泵功率并增加引入到光纖的總泵功率，可以在活性光纖的下端提供一個第二泵激光器12，并相應(yīng)配置一個定向該光纖的雙向光耦合器13。
講具體一點(diǎn)，這就有可能使用功率不太大的泵激光器，以便當(dāng)所有必需的功率加到活性光纖時避免信號的失真。
利用攙雜AL2O3和Er3的光纖并在980nm(±5nm)上加泵，已能獲得一個效率已超過60%的接近上述量子效率的很高放大效率。傳統(tǒng)的攙雜鍺的光纖則呈現(xiàn)很低的效率，它只有量子效率的30%。
圖4高出了利用本發(fā)明的光纖(AL/Er)實(shí)現(xiàn)的放大器的作為泵功率Pp函數(shù)的輸出功率Pu的關(guān)系曲線，其中的光纖有如下特性數(shù)字口徑0.16氧化鉺含量(Er2O3重量)350PPm截止波長(λ截止)930nm場模式直徑(MFD)在1536nm時8.14μm放大器輸入的傳輸信號的功率Pi＝-2dBm，波長λS＝1536nm;
泵波長λP＝980nm而活性光纖長為3.7m。
在上述條件下，我們獲得了一個等于量子效率的放大效率。
作為比較，圖5示出了用傳統(tǒng)的光纖(Ge/Er)實(shí)現(xiàn)的放大器中的輸出功率Pu與泵功率Pp的關(guān)系其中的光纖有如下特性數(shù)字口徑0.21氧化鉺含量(Er2O3重量)300PPm截止波長(λ截止)980nm場模式直徑(MFD)在1536nm時5.82μm放大器輸入的傳輸信號的功率Pi＝OdBm波長λS＝1536nm;泵波長λP＝980nm，和活性光纖長為4M。
在上述情況下所獲得的放大效率為16%，約為25%的量子效率。
從對上述兩圖的比較，也可以看到AL/Er光纖的性能要比Ge/Er光纖優(yōu)越。
如圖6曲線A和G分別所示，光纖AL/Dr比Ge/Er光纖呈現(xiàn)了更寬的熒光光譜。在它們用作為線路放大器時，而輸出功率比泵功率低時，則由于氧化鉺離子是以與信號波長不同的波長自發(fā)衷落的，這就使這種活性光纖成為較大的噪聲源。
對用于功率放大器的情形，我們已經(jīng)注意到，與Ge/Er光纖相比，AL/Er光纖并不呈現(xiàn)顯著大的噪聲。我們認(rèn)為，這是由于在功率放大器工作在如前所描述的飽和條件時，在光纖AL/Er中所有帶到激光能級的氧化鉺離子被信號光子驅(qū)使衰減到基能級，因?yàn)橐汛_信放大效率接近了這種光纖所示的量子效率，從而沒有離子處在自發(fā)衰減中，因而在信號的輸出功率由此產(chǎn)生的噪聲總是可以忽略的。
光纖熒光譜的加寬的另一優(yōu)點(diǎn)是可允許在波長傳輸長度的選擇中有更大的靈活性，例如，可允許在信號激光器中有更大的制造公差。
本發(fā)明的光纖已揭示了對用于采用功率光纖的光放大器所具有特別的優(yōu)點(diǎn)，它所能提供的放大效率要明顯比現(xiàn)用的光纖高。
在無需超出本發(fā)明的總的特征的范圍內(nèi)，人們還可以作多種多樣的改變。
權(quán)利要求
1.一種光功率放大器，包括一個包含折射率修正攙雜物和用作熒光攙雜物的氧化鉺的活性攙雜光纖(8)，它通過一個適當(dāng)?shù)碾p向光耦合器(5、13)被加上一個泵激光器(7、12)并被連接到一條光纖通信線路(2)上，該放大器適合于工作在用于熒光攙雜物受激輸出的飽和條件，其特征在于活性光纖的折射率修正攙雜物為AL2O3。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光功率放大器，其特征在于連接到活性光纖的泵激光器的波長是高于520nm。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光功率放大器，其特征在于連接到活性光纖的泵激光波長為980nm。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光功率放大器，其特征在于所述光纖中的氧化鉺的濃度以ET2O3的重量表示之是在30至2000PPM之間。
5.根據(jù)權(quán)利要求3的光功率放大器，其特征在于在光纖中以Er2O3重量表示的氧化鉺濃度是在30至1000PPM之間。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光功率放大器，其特征在于活性光纖(8)在傳輸信號波長上是單模的而在泵波長上則不是單模的。
7.根據(jù)權(quán)利要求1的光功率放大器，其特征在于活性光纖(8)在傳輸信號波長上和泵波長上均是單模的。
8.根據(jù)權(quán)利要求1的光功率放大器，其特征在于它包括兩個通過各自的雙向耦合器(5、13)連接到活性光纖的兩端，并使由泵激光器(7、12)發(fā)射的光功率的輸入方向朝向活性光纖(8)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種光功率放大器它特別適用于種包含一條攙雜以氧化鉺熒光物質(zhì)并泵以其輸出波長為980nm的泵激光器的活性光纖的光纖通信線路，其中活性光纖含有作為折射率修正攙雜物Al
文檔編號G02B6/00GK1053714SQ9110038
公開日1991年8月7日 申請日期1991年1月21日 優(yōu)先權(quán)日1990年1月22日
發(fā)明者喬喬·格拉索, 奧爾多·賴特逖, 福斯托·梅利 申請人:卡維·皮雷利有限公司