專利名稱：光增益光纖的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明對(duì)象一般以光增益光纖為主，尤其是以在980nm和在1480nm是可泵激的具有低紋波、低無源耗損，并可熔凝切片的光增益光纖為主。
背景技術(shù)：
在近代，光纖通信的應(yīng)用已經(jīng)顯著地增加，而已提高的信號(hào)傳播速度和清晰度的有望用于信號(hào)傳播的光纖在未來將繼續(xù)發(fā)展。光纖技術(shù)能用來發(fā)射各種各樣的信號(hào)。例如，長(zhǎng)途通信、傳感器、醫(yī)學(xué)和視頻傳播都可以利用光技術(shù)，在幾乎無限止的帶寬和低衰減為有利的地方尤其如此。在線電視系統(tǒng)是一個(gè)例子，在這個(gè)例子中，光纖技術(shù)對(duì)現(xiàn)有的同軸電纜分布設(shè)計(jì)可提供有效和經(jīng)濟(jì)的替化物。
當(dāng)光信號(hào)通過光纖傳播時(shí)，信號(hào)被衰減了。衰減度一般正比于傳導(dǎo)該信號(hào)的光纖長(zhǎng)度。因此，對(duì)運(yùn)程傳播的一個(gè)障礙是需要信號(hào)再生。按常規(guī)，它已經(jīng)用電學(xué)方式實(shí)現(xiàn)，即把光信號(hào)變換成電信號(hào)，采用常規(guī)的電信號(hào)放大技術(shù)來放大該電信號(hào)，并把已放大的電信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)楣庑盘?hào)。這個(gè)方法引用了幾種信號(hào)處理，其中任一種處理都能導(dǎo)致?lián)p失信號(hào)質(zhì)量。因?yàn)檫@方法在運(yùn)程傳播的整個(gè)過程中是重復(fù)的，所以這些在信號(hào)質(zhì)量上的損失造成重大的問題。
針對(duì)這個(gè)問題，已描述了光增益光纖的應(yīng)用。光纖增益模塊用電磁能量泵激光信號(hào)，首先不把光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。在其中實(shí)現(xiàn)這種泵激的媒質(zhì)包含一根摻有某種稀土金屬，特別是鉺的光纖。然而，這樣一種光增益光纖具有接近于約1550nm的狹的工作窗口，而在整個(gè)工作窗口上的增益均勻性是非常低的。結(jié)果，盡管這些光增益光纖適宜于放大中心為1550nm的狹帶寬光信號(hào)，但是在信號(hào)具有較寬的帶寬或中心不是精確地在1550nm處的情況下，它們產(chǎn)生不均勻的增益。因此，需要有一種增益窗較寬并在增益窗口兩端的均勻性有改進(jìn)的光增益光纖。本發(fā)明就是以滿足這個(gè)需要為目標(biāo)。
發(fā)明概述本發(fā)明涉及一種光增益光纖，這種光纖包括纖芯和圍繞該纖芯的包層。纖芯包括鉺，而光增益光纖在980nm和在1480nm是可泵激的。另外，這個(gè)光增益光纖在約40nm寬的窗口上具有小于約25％的紋波或在約32nm寬的窗口上小于約15％的紋波，或兩者都有。
本發(fā)明也涉及一種光增益光纖。這種光增益光纖包括鉺的纖芯和圍繞纖芯的包層，纖芯包括鉺，而光增益光纖是可熔凝切片的，且在約40nm寬的窗口上具有小于約25％的紋波或在約32nm寬的窗口上小于約15％紋波，或兩者都有。
本發(fā)明還涉及還有另一種光增益光纖。這種光增益光纖包括纖芯和圍繞該纖芯的包層。纖芯包括鉺的氧化物，而包層則包括硅的氧化物。這光增益光纖在1530附近具有小于鉺吸收帶吸收峰的約0.5％的無源損耗。另外，這光增益光纖的紋波在約40nm寬的窗口上小于約25％的紋波在約32nm寬的窗口上小于約15％的紋波，或兩者都有。
本發(fā)明的這個(gè)光增益光纖與常規(guī)的光增益光纖相比，具有較寬的增益窗口和/或在增益窗口兩端，改良的均勻性。而且，本發(fā)明的光增益光纖相對(duì)于常規(guī)的摻鉺光增益光纖在等價(jià)的轉(zhuǎn)換時(shí)，具有提高的單位長(zhǎng)度凈增益。因此，本發(fā)明的這個(gè)光增益光纖在放大光信號(hào)中是有用的，尤其適合放大在遠(yuǎn)程傳輸過程中要求反復(fù)放大的信號(hào)，且沒有常規(guī)光信號(hào)放大方法常見的信號(hào)質(zhì)量損失。
附圖簡(jiǎn)述

圖1是示出包括本發(fā)明的光增益光纖的光放大器的圖；圖2A和2B示出根據(jù)本發(fā)明用來產(chǎn)生光增益光纖坯棒的氧化鋁(圖2A)和氧化鉺(圖2B)纖芯橫截面的組分圖；圖3是示出根據(jù)本發(fā)明(Argo50)的光增益光纖(與常規(guī)的光纖×作比較的已歸一化的熒光譜的圖；圖4是本發(fā)明的光增益光纖和常規(guī)光纖中增益作為波長(zhǎng)函數(shù)的圖。
發(fā)明詳述本發(fā)明涉及一種包括纖芯和圍繞該纖芯的包層的光增益光纖。該纖芯包括鉺，而光增益光纖在980nm和在1480nm是可泵激的。另外，該光增益光纖具有在約40nm寬的窗口上小于約25％的紋波，或在約32nm寬的窗口上小于約15％的紋波，或兩者都有。
本發(fā)明也涉及另一種光增益光纖。這個(gè)光增益光纖包括纖芯和圍繞該纖芯的包層。該纖芯包括鉺，而該光增益光纖是可熔凝切片的，且具有在約40nm的窗口上小于約25％的紋波或在約32nm寬的窗口上小于約15％的紋波，或兩者都有。
本發(fā)明還涉及還有一種光增益光纖。這種光增益光纖包括纖芯和圍繞該纖芯的包層。這纖芯包括鉺的氧化物，而包層則包括二氧化硅。這光增益光纖在1530nm附近具有小于鉺吸收帶吸收峰的約0.5％的無源損耗。另外，這光增益光纖具有在約40nm寬的窗口上小于約25％的紋波或在約32nm寬的窗口上小于約15％的紋波，或兩者都有。
在這里所用的“紋波”是在電磁波譜的一個(gè)區(qū)域(或“窗口”)上光增益光纖增益均勻性的一個(gè)量度。尤其是，對(duì)于特定波長(zhǎng)λ，使用下列方程來計(jì)算在任何特定波長(zhǎng)時(shí)的增益(增益)λ＝L[(n2×g*λ-αλ(1-n2))]此處，(增益)λ是在波長(zhǎng)λ處的增益(一般用dB/m)來表示)；n2是沿著光纖長(zhǎng)度，離子在激發(fā)態(tài)中的平均部分；g*λ代表在全部轉(zhuǎn)換時(shí)(即，當(dāng)n2是1時(shí))，在波長(zhǎng)λ處的增益(一般用dB/m來表示)；αλ是在波長(zhǎng)λ處的吸收(即，小信號(hào)損耗(衰減)系數(shù)) (一般用dB/m來表示)；以及L是光纖長(zhǎng)度。
n2與泵功率有關(guān)。泵功率經(jīng)優(yōu)化使紋波減到最小。為了計(jì)算紋波，把泵功率(因而，平均轉(zhuǎn)換(即，n2))調(diào)節(jié)到使在感興趣的波長(zhǎng)窗口上給出最小的紋波。
g*是從熒光測(cè)量中決定的。全部反轉(zhuǎn)的增益譜形狀(即，g*作為λ的函數(shù)圖)正比于熒光性。典型地，測(cè)量熒光光譜的方法是通過在980nm處(例如，用GaAs/GaAlAs激光器)泵激一根短長(zhǎng)度光纖(例如，小于4cm)并作為波長(zhǎng)的函數(shù)來測(cè)量熒光(即，來自激發(fā)態(tài)的自發(fā)發(fā)射)。這樣測(cè)量到的熒光光譜給出信號(hào)的一個(gè)任意值，因此就建立了g*光譜的形狀。于是，把g*歸到1(例如，通過將每個(gè)λ的g*值除以感興趣的波長(zhǎng)窗口所獲得的最大g*。
在每個(gè)λ時(shí)的吸收α是通過截短方法來測(cè)量的。把一小信號(hào)注入光纖的一端，并在另一端測(cè)量的波長(zhǎng)為λ的信號(hào)。于是，光纖被減少約相當(dāng)于20dB的長(zhǎng)度，而再一次測(cè)量該信號(hào)。于是通過從第一次信號(hào)測(cè)量減去第二次信號(hào)測(cè)量，然后除以截短長(zhǎng)度來計(jì)算波長(zhǎng)λ的吸收(即，αλ)(如以dB表示)這個(gè)方法在感興趣的波長(zhǎng)窗口上對(duì)每個(gè)波長(zhǎng)λ重復(fù)，然后把αλ歸到1(例如，通過將每個(gè)λ的α值除以在感興趣的波長(zhǎng)窗口上所獲得的最大αλ)。
一般，光纖的長(zhǎng)度要選擇得能提供可測(cè)量的吸收和熒光，并把測(cè)得的吸收α和測(cè)量的熒光因而g*λ)除以光纖長(zhǎng)度，所以αλ、g*λ和(增益)λ由單位長(zhǎng)度dB來表示(例如，dB/m)。
因此，增益計(jì)算需要測(cè)量在每個(gè)波長(zhǎng)λ時(shí)的熒光和吸收?？梢杂萌魏我阎姆椒▉頊y(cè)量在波長(zhǎng)λ時(shí)的吸收率和熒光。方便的方法是，可使用二極管陣列儀表在整個(gè)感興趣的波長(zhǎng)窗口上瞬時(shí)地收集吸收或熒光數(shù)據(jù)。熒光和吸收光譜都是已歸一化的，在上述方程中是用這些歸一化的熒光和吸收光譜來一個(gè)波長(zhǎng)一個(gè)波長(zhǎng)地計(jì)算增益譜的。
可以找到有關(guān)增益的測(cè)量和計(jì)算的進(jìn)一步細(xì)節(jié)，例如在“模擬摻鉺光纖放大器”一文中，并把該文結(jié)合在此以供參考。
在電磁譜的任何特定的窗口之內(nèi)，對(duì)一已給定的光增益光纖將存在著一最大和最小的增益。為了本應(yīng)用，于是在這窗口之內(nèi)把紋波定義為最大增益和最小增益之差除以最小增益，即，紋波(λ2，λ1) 此處，紋波(λ2，λ1)是從λ1延伸到λ2的窗口的紋波(增益(λ2，λ1)最大是從λ1延伸到λ2窗口的最大增益，以及(增益(λ2，λ1))最小是從λ1延伸到λ2窗口的最小增益。作為在本技術(shù)領(lǐng)域中的技術(shù)人員將會(huì)認(rèn)識(shí)到，對(duì)較大尺寸的窗口來說，紋波一般將是較大的。例如，本發(fā)明的光增益光纖，在約40nm的窗口上可以具有小于約25％(即，小于0.25)的紋波，較佳的紋波是小于約22％，更佳的是小于約20％，而再進(jìn)一步較佳的則是小于17％。40nm窗口的確切位置，對(duì)本發(fā)明的實(shí)際操作來說不是嚴(yán)格要求的。較佳的是這窗口包括1550nm(例如，從1510到1550nm，從1520到1560nm，從1530到1570nm，從1540到1580nm，從1550到1590nm，等)。另外或換一個(gè)情況，本發(fā)明的光增益光纖，在約32nm的窗口上可以具有小于約15％(即，小于0.15)的紋波，較佳的紋波是小于13％，更佳的是小于11％，而再進(jìn)一步較佳的則是小于10％。32nm窗口的確切位置，對(duì)實(shí)施本發(fā)明來說不是嚴(yán)格要求的。較佳的是，這窗口包括1550nm(例如，從1518到1550nm，從1526到1558nm，從1534到1566nm，從1542到15743nm從1550到1582nm等)。當(dāng)然，本發(fā)明意指包括具有兩個(gè)或更多指定大小的窗口的光增益光纖，這些大小符合上面所陳述的紋波的標(biāo)準(zhǔn)。本發(fā)明較佳的光增益光纖也具有大于約每米15dB、大于約每米20dB、大于約每米25dB、大于約每30dB、大于約每米35dB或大于約每米40dB的最大增益(即，在全部反轉(zhuǎn)時(shí))。這個(gè)最大增益的波長(zhǎng)較佳的是在具有低紋波的窗口中，正如上面所描述的。一般，光增益光纖的最大增益可以通過增加光纖中的氧化鉺含量來增大。
在這里所用的“在980nm和在1480nm可泵激”，意思是本發(fā)明的光增光纖能由波長(zhǎng)約為980nm的光(例如，來自GaAs/GaAlAs激光器的光)以及波長(zhǎng)約為1480nm的光(例如，來自InGaAsP激光器的光)來激發(fā)。在實(shí)踐中，光增益光纖可由這些光源中的任一個(gè)光源，或由這兩者來泵激。本發(fā)明的光增益光纖能否用其它波長(zhǎng)(例如，用來自Ar+離子激光器514.4mm的光)來激發(fā)，對(duì)本發(fā)明的實(shí)際操作作來說不是嚴(yán)格要求的。
正如上面所指出的，本發(fā)明的光增益光纖包括纖芯和圍繞該纖芯的包層。該包層較適宜用能使光纖熔凝切片的材料制成。就是說，該光纖包括觸通過與用粘結(jié)或其它方法不同的熔凝切片技術(shù)，諸如加熱來使光增益光纖與其它光纖或器件連接的包層是較佳的。
也如上面所指出的，用于本發(fā)明的光增益光纖中的包層含有二氧化硅是較佳的。雖然，該包層薄層可以含有本技術(shù)領(lǐng)域中的技術(shù)人員已知道的其它材料，但是，最好不要包含氟原子(例如，在氟化硅的形式等)。或者，該包層薄層可以含有一些氟原子，但是，較佳的是，這種氟存在的量使得包層中氟原子的摩爾數(shù)與包層中硅原子的摩爾數(shù)之比小于約0.05(即，小于約5％)，更佳的是小于約0.02，更為較佳的是小于約0.005。
本發(fā)明的光增益光纖纖芯可以由玻璃制成，該玻璃包括鉺(例如，鉺氧化物)，并且包括鋁氧化物，硅氧化物；以及，可選擇地包括選自釔、鑭、釓和镥的一個(gè)或幾個(gè)金屬的氧化物。
本發(fā)明的光增益光纖較適宜的纖芯包括鋁氧化物，數(shù)量為鋁、鉺和硅氧化物總重量的約6～20重量百分比；而鉺氧化物的數(shù)量為鋁、鉺和硅氧化物總重量的約0.05～5重量百分比(例如，數(shù)量約為0.05，0.10，0.15，0.20，0.25，0.3，0.35，0.40，0.45，0.50，1，1.5，2，2.5，3，3.5，4，4.5或5重量百分比)。本發(fā)明的光增益光纖的纖芯也能包括其它材料，諸如其它元素的氧化物。例如，本發(fā)明的光增益光纖的纖芯也能包括銻氧化物。作為示例，本發(fā)明的光增益光纖的纖芯也可以包括鋁氧化物，數(shù)量為鋁、鉺、銻和氧化物總重量的約6～20重量百分比；鉺氧化物的數(shù)量為鋁、鉺、銻和硅氧化物總重量的約0.05重量百分比；而銻氧化物的數(shù)量為鋁、鉺、銻和硅氧化物總重量的約0.5～60重量百分比(例如，數(shù)量約為0.5，0.6，0.7，0.8，0.9，1，2，3，4，5，6，7，8，9，10，15，20，25，30，35，40，50或60重量百分比)。
本發(fā)明的光增益光纖的纖芯化學(xué)組份可通過常規(guī)的方法，例如通過原子吸收光譜測(cè)定來確定。一旦出現(xiàn)在纖芯的各種金屬之間的比率被確定后，就可計(jì)算它們的對(duì)應(yīng)氧化物的重量。為此，一般假設(shè)在玻璃中的金屬是以它的常規(guī)氧化物形式出現(xiàn)的(例如，所有的鋁是以Al2O3形式出現(xiàn)的，所有的硅是以SiO2形式出現(xiàn)的，所有的遞是以Sb2O3的形式出現(xiàn)的，而所有的鉺則以Er2O3的形式出現(xiàn)的)。
本發(fā)明的光增益光纖的纖芯可以包含其它金屬(即，除了硅、鋁、銻、鉺、釔、鑭、釓和镥以外的金屬)，例如，通常在光學(xué)玻璃制作工藝中使用的那些，其中的例子包括鍺、鉭和鈦。也能包括通常用于光學(xué)玻璃中的其它材料，例如含硼和磷的化合物。較佳的是，出現(xiàn)在本發(fā)明的光增益光纖的纖芯中的其它金屬和材料不能有害地影響光信號(hào)的傳播，不能有害地影響把纖芯拉成光纖的流暢性。
正如上面所指出的，本發(fā)明的光增益光纖的纖芯可以包括鍺氧化物。然而，當(dāng)鍺氧化物出現(xiàn)的時(shí)候，它們較佳的出現(xiàn)數(shù)量為纖芯中氧化物數(shù)量的(按重量計(jì))小于約20％，更佳的是小于10％，而更為較佳的是小于5％。最佳的是，本發(fā)明的光增益光纖的纖芯不會(huì)氧化鍺或不包含顯著的氧化鍺的數(shù)量。
本發(fā)明的光增益光纖正如上面所描述的，除要有低的紋波之外，較佳的是也要有低的無源損耗。無源損耗，正如在本技術(shù)領(lǐng)域中的科技人員將認(rèn)識(shí)的，指信號(hào)強(qiáng)度的損耗，例如，通過散射和不希望有的吸收引起的，象可能出現(xiàn)在光纖中的水分子。可用種種方法來測(cè)量無源損耗，諸如采用例如常規(guī)專用電鍵臺(tái)(PK bench)上的縮短測(cè)量法測(cè)量單位光纖長(zhǎng)度的衰減(例如，用dB)。用這個(gè)方法測(cè)量到的本發(fā)明的光增益光纖一般具有無源損耗小于每千米50dB，較佳是多小于每4米30dB，而佳的是小于每千米10dB。也可以1530nm、附近相對(duì)于鉺吸收帶的吸收峰來測(cè)量無源損耗。在這里所用的“在1530nm附近的鉺吸收帶”意指與鉺離子的基態(tài)相當(dāng)?shù)奈諑?，這個(gè)吸收帶一般在1510nm和1550nm之間。在這里所用的“在1530nm附近鉺吸收帶的吸收峰”意指與鉺離子的基態(tài)相當(dāng)?shù)奈諑У淖畲笪铡Ｄ軌蛉菀椎氐玫綗o源損耗在1530nm附近小于鉺吸收帶吸收峰的約0.5％(較佳的是小于約0.2％，更佳的是小于約0.1％)的本發(fā)明的光增益光纖。一般，本發(fā)明的光增益光纖在1530nm附近具有在鉺吸收帶吸收峰的約0.05％和約0.5％之間的無源損耗。
本發(fā)明的光增益光纖可以用常規(guī)方法用合適的纖芯和包層材料來制備，例如通過拉絲或擠壓。
纖芯較佳的是用一種利用能夠進(jìn)行熱氧化分解以產(chǎn)生它們各自氧化物的先質(zhì)形成的玻璃制造的。合適的先質(zhì)可以是液態(tài)或固態(tài)的形式。在固態(tài)的情況下，該固體最好能溶解于一種合適溶劑或另一先質(zhì)。用于本發(fā)明光纖纖芯的氧化硅組分的合適先質(zhì)是四烷氧基硅烷(例如，四甲甲氧基硅烷和四乙氧基硅烷)和八烷基環(huán)四硅氧烷(例如，八甲基環(huán)四硅氧烷)。用于纖芯的鋁氧化物組分的合適先質(zhì)是鋁的烴氧化物類，其中的例子包括三乙醇鋁，三正丙醇鋁和三異丙醇鋁和三仲丁醇鋁，和β-二酮鋁(aluminum β-diketonates)，諸如乙酰丙酮鋁(III)。用于纖芯的銻氧化物組分(當(dāng)已被包括時(shí))的合適先質(zhì)是烷氧基銻，其中的例子包括三乙醇銻，三正丙醇銻，三異丙醇銻，和三仲丁醇銻。用于纖芯的鉺的氧化物組分的合適先質(zhì)是烷氧基鉺，其中的例子包括三乙醇鉺，三正丙醇鉺，三異丙醇鉺，和三仲丁醇鉺，和三-1，3-二酮而鉺，特別是三-(氟化1，3-二酮)鉺，諸如三(6，6，7，7，8，8，8-七氟-2，2-二甲基-3，5-辛二酸酯)，通常稱為Er(FOD)3。在使用釔、鑭、釓和/或镥的可選的氧化物的地方，用于纖芯的釔、鑭、釓和/或镥的氧化物組分的合適先質(zhì)是烷醇釔、鑭、釓和/或镥，其中的例子包括三乙醇釔、鑭、釓和/或镥，三正丙醇釔、鑭、釓和/或镥，三異丙醇釔、鑭、釓和/或镥，和三仲丁醇鉺，和三-1，3-二酮釔、鑭、釓和/或镥，特別是三-(氟-1，3-二酮)釔、鑭、釓和/或镥，如三-(6，6，7，7，8，8，8-七氟-2，2-二甲基-3，5-辛二酸酯)釔、鑭、釓和/或镥。
正如上面所指出的，在先質(zhì)是一種液體的情況下，它可以是有效純凈的(即，沒有添加過溶劑)，或者，可把它溶解在合適的溶劑中。在某些先質(zhì)是液體而另一些又是固體的情況下，可把固體先質(zhì)與液體先質(zhì)混合起來以產(chǎn)生一種溶液(當(dāng)然，假設(shè)這些材料的本性質(zhì)能夠形成溶液)。換一種方法，可把固體先質(zhì)溶于一種合適的溶劑(除液體先質(zhì)外)，諸如乙二醇、醇類(例如，甲醇、乙醇、丙醇和丁醇)，特別是2-烷氧基醇類，諸如2-甲氧基乙醇，或其組合物。
于是，先質(zhì)以液體的形式，或是逐個(gè)地，或是較佳的作為一種混合物直接送進(jìn)燃燒爐的火焰中。因此，直到剛好被轉(zhuǎn)變?yōu)榫?xì)地被分隔的無定形煙灰之前或與之同時(shí)，先質(zhì)才氣化。
在小的規(guī)模中，可以把用來制作本發(fā)明的光增益光纖纖芯的先質(zhì)以液體的形式。通過使用一只具有細(xì)針的流射器來運(yùn)送，產(chǎn)生一液體流高速直接射進(jìn)爐子的火焰中。另一方面并且特別是在該工藝以大規(guī)模實(shí)現(xiàn)時(shí)，可以使用噴霧器。例如，在atomization and Spray和Liquid Atomization中有描述，它們?cè)谶@里引入以供參考。特別是用來制作本發(fā)明的光增益光纖纖芯的較佳的噴霧器是強(qiáng)氣體噴霧器。在某些情況下，被霧化先質(zhì)的運(yùn)送可用一諸如氮和/或氧的運(yùn)載氣體來協(xié)助，較佳的是，這些氣體是用來霧化先質(zhì)的。
把液體先質(zhì)直接運(yùn)送進(jìn)去的爐子可以用例如甲烷和氧氣作為燃料。先質(zhì)的熱氧化分解產(chǎn)生-精細(xì)地被分隔的煙灰，它能被沉積在諸如可旋轉(zhuǎn)的芯軸的一受納體的表面上。大體上與它們的沉積同時(shí)發(fā)生或在它的沉積之后，可把煙灰固結(jié)為一片熔凝玻璃，例如采用通過在爐子中把它加熱的常規(guī)的玻璃形成方法。
關(guān)于用來制備煙灰較佳方法的另外細(xì)節(jié)，可在申請(qǐng)?zhí)枮?0/095,736的美國(guó)臨時(shí)專利申請(qǐng)中找到，該文在此引入以供參考。
于是，例如，第5,703,191號(hào)美國(guó)專利申請(qǐng)的“最后用途”(end-uses)一節(jié)中所描述的來拉石英的熔凝體以制作作發(fā)明的光增益光纖，該專利在此引入以供參考。較佳的是，按審批中的申請(qǐng)?zhí)枮?9/750,068的美國(guó)專利申請(qǐng)中所描述的，采用直接拉絲方法來把石英的熔凝體拉成本發(fā)明的光增益光纖，該專利在在此引入以供參考。
可把本發(fā)明的光增益光纖用來放大光信號(hào)，并可把它用作例如功率放大器、前置放大器或在線放大器。據(jù)信，放大是通過部分地或全部地反轉(zhuǎn)纖芯中的鉺離子而實(shí)現(xiàn)的，雖然這個(gè)建議的機(jī)制并不在任何方面限止本發(fā)明的范圍。雖然波長(zhǎng)從約1510nm到約1600nm，特別是從1525nm到1575nm是最受本發(fā)明的光增益光纖的影響的信號(hào)，但是，對(duì)被放大信號(hào)的本質(zhì)并不特別嚴(yán)格要求。把要放大的信號(hào)從信號(hào)源，例如通過常規(guī)的(輸入)光纖傳送到光增益光纖的一端。也使激光進(jìn)入該光增益光纖(例如，通過雙色性的光纖耦合器)，結(jié)果就放大了該光信號(hào)。把光增益光纖的另一端耦合到一光學(xué)元件，諸如波導(dǎo)(為了信號(hào)控制)或另一現(xiàn)在被放大的光信號(hào)的常規(guī)(輸出)光纖(為了進(jìn)一步傳播)。
較佳的是用來放大光信號(hào)的激光器的波長(zhǎng)約為980nm或約1480nm(即，來自GaAs/GaAlAs激光器或InGAAsP激光器的光)。合適的激光器可容易地被在本技術(shù)領(lǐng)域中的技術(shù)人員識(shí)別，例如，參照P.C.Becker等人的Erbium-Doped Fiber amplifiers Fundamentals and Technology，該書在此引入以供參考。
圖1圖示了可采用按照本發(fā)明的光增益光纖構(gòu)筑的典型的光放大器。正如在那些所示，光放大器2包括光增益光纖4和激光器6?？梢园l(fā)射波長(zhǎng)約為980nm或1480nm的激光器6，與光增益光纖4作光通信(例如，通過光纖8和雙色性光纖耦合器9)。在操作中，輸入信號(hào)10(例如，通過常規(guī)的光纖14發(fā)射的)進(jìn)入光增益光纖4(例如，通過雙色性光纖耦合器9)的輸入端12，在光增益光纖中輸入信號(hào)被放大。然后，該已放大的信號(hào)通過光增益光纖4的輸出端16離開光增益光纖4，成為已放大的信號(hào)18。然后，已放大的信號(hào)18能夠通過常規(guī)光纖20的輸出進(jìn)一步傳播，光纖20可以通過熔凝薄片22在光學(xué)上耦合到光增益光纖4的輸出端16。這也可設(shè)想輸入光信號(hào)10可以另外的光學(xué)元件，例如諸如波導(dǎo)的光學(xué)有源元件來傳送，而不是如所示的通過常規(guī)光纖14來傳送輸入光信號(hào)10。另一方面或另外，也可設(shè)想把輸出光信號(hào)18傳送到光學(xué)有源元件，例如光衰減器或另一光放大器，而不是如所示的輸出光信號(hào)18進(jìn)入常規(guī)光纖20。
有關(guān)光增益光纖的應(yīng)用及其被激光器泵激的更多細(xì)節(jié)可在Becker的書中找到，該書在此引入以供參考。
本發(fā)明通過下面的實(shí)例作進(jìn)一步的說明。
實(shí)例實(shí)例1-烷醇硅、鋁、鉺和銻的制備把四乙基鄰硅酸硅(105.60克，0.5069摩爾)，三(仲丁醇)鋁(18.25克，0.07409摩爾)和FOD鉺(0.20克，0.00019摩爾)用吸管吸到在充滿氮?dú)獾母稍锵渲械囊恢籈rlenueyer燒瓶中。溶液呈蒼白色具有點(diǎn)混濁。該溶液能支持60小時(shí)，在此之后，在底部形成一種白色膠體，而溶液變成無色。加入125ml的2-甲氧基乙醇。膠體溶解，而溶液仍保持清沏。用一注射器并以1-2mL/min的傳送速率把該溶液直接傳送到一甲烷/氧的爐子的火焰上。最后的煙灰被收集在一根石英棒上，并分析硅、鋁和鉺的含量。最后的結(jié)果，連同傳送到爐子的在溶液中的Si，Al和Er的氧化物當(dāng)量的含量一起示于下面的表1。
表1
實(shí)例2-光增益光纖的橫載面成分分析采用申請(qǐng)?zhí)枮?0/095,736的美國(guó)臨時(shí)專利申請(qǐng)中所描述的方法，該申請(qǐng)?jiān)诖艘胍怨﹨⒖?，把液體先質(zhì)直接傳送到爐子的火焰上以產(chǎn)生煙灰。把該煙灰固結(jié)到熔凝玻璃中，而從那里拉制出一根95μm的光纖。從其中拉制出這根光纖坯棒的橫截面鋁氧化物濃度示于圖2A，而坯棒的橫截面鉺氧化物濃度則示于圖2B。
實(shí)例3-含鍺和無鍺光纖的熒光比較采用在實(shí)例2中所陳述的方法，把它叫做Argo50的第一根光纖纖芯用石英、氧化鋁和氧化鉺的先質(zhì)制成。采用常規(guī)的兩步外部氣相沉積(“OVB”)工藝，把它叫做“光纖X”的第二根光纖纖芯用石英、氧化鋁、氧化鍺和氧化鉺的先質(zhì)制備。分析了這兩根光纖的成分，而其結(jié)果示于下面的表2。
表2
來自每根光纖的熒光的歸一化強(qiáng)度作為發(fā)射波長(zhǎng)的函數(shù)示于圖3，發(fā)射波長(zhǎng)用一980nm光源激發(fā)。正如圖3所示，Argo50光纖(即，不含鍺的光纖)具有比光纖×(它含鍺)更寬的熒光峰。
實(shí)例4-Argo50光纖的紋波分析對(duì)Argo50光纖，圖4示出了作為波長(zhǎng)的函數(shù)的增益。在下面的表3，對(duì)各種波長(zhǎng)窗口陳述了紋波。
表3
雖然本發(fā)明已為說明的目的作了詳細(xì)的描述，但是要知道這種細(xì)節(jié)僅是為了說明的目的，而本技術(shù)領(lǐng)域中的科技人員可以在不背離本發(fā)明在下面的權(quán)利要求中所規(guī)定的精神和范圍下作出為更。
權(quán)利要求書(按照條約第19條的修改)1.一種光增益光纖，包括(a)一包括鉺的纖芯；以及(b)圍繞該纖芯的包層，其特征在于，所述光增益光纖在980nm和在1480nm可泵激，并在約40nm寬的窗口上具有小于25％的紋波，或在約32nm寬的窗口上具有小于15％的紋波，或兩者都有。
2.如權(quán)利要求1所述的光增益光纖，其特征在于，所述纖芯包括鉺的氧化物。
3.如權(quán)利要求2所述的光增益光纖，其特征在于，所述纖芯還包括硅的氧化物、鋁的氧化物，而且可選用選自釔、鑭、釓和镥中的一個(gè)或幾個(gè)金屬的氧化物。
4.如權(quán)利要求2所述的光增益光纖，其特征在于，所述纖芯還包括銻的氧化物。
5.如權(quán)利要求4所述的光增益光纖，其特征在于，鋁的氧化物含量在鋁、鉺、銻和硅的氧化物總重量中約占6～20重量百分比；以及其中鉺的氧化物含量在鋁、鉺、銻和硅的氧化物總重量中約占0.05～5重量百分比例；以及其中銻的氧化物含量在鋁、鉺、銻和硅的氧化物總重量中約占0.5～60重量百分比。
6.如權(quán)利要求3所述的光增益光纖，其特征在于，所述纖芯不包括鍺的氧化物或所述纖芯包括鍺的氧化物的數(shù)量以重量計(jì)小于所述纖芯中氧化物總量的約20％。
7.如權(quán)利要求1所述的光增益光纖，其特征在于，所述鉺在1530nm附近有一個(gè)吸收帶，而所述光增益光纖的無源損耗在1530nm小于鉺吸收帶吸收峰約0.5％。
8.如權(quán)利要求7所述的光增益光纖，其特征在于，所述光增益光纖的無源損耗在1530nm附近為吸收帶吸收峰的約0.05％和0.5％之間9.如權(quán)利要求7所述的光增益光纖，其特征在于，所述光光增益光纖可熔凝切片。
10.如權(quán)利要求1所述的光增益光纖，其特征在于，所述光增益光纖可熔凝切片。
11.如權(quán)利要求1所述的光增益光纖，其特征在于，所述光增益光纖具有大于約每15dB的最大增益。
12.一種光增益光纖，包括(a)一包括鉺的纖芯；以及(b)一圍繞纖芯的一個(gè)包層，其特征在于所述光增益光纖可熔凝切片，紋波在約40nm寬的窗口上小于約25％，或在約32nm寬的窗口上小于約15％，或兩者都有。
13.如權(quán)利要求12所述的光增益光纖，其特征在于，所述纖芯包括鉺的氧化物。
14.如權(quán)利要求13所述的光增益光纖，其特征在于，所述纖芯還包括硅的氧化物、鋁的氧化物和可任意選用的選自釔、鑭、釓和镥中的一個(gè)或幾個(gè)金屬的氧化物。
15.如權(quán)利要求14所述的光增益光纖，其特征在于，所述纖芯還包括銻的氧化物。
16.如金金權(quán)利要求15所述的光增益光纖，其特征在于，所述鋁的氧化物含量在鋁、鉺、銻和硅的氧化物總重量中約占6～20重量百分比；其中鉺的氧化物含量在鋁、鉺、銻和硅的氧化物總重量中約占0.05～5重量百分比；以及其中銻的氧化物含量在鋁、鉺、銻和硅的氧化物總重量中約點(diǎn)0.5～60重量百分比。
17.如權(quán)利要求13所述的光增益光纖，其特征在于，所述纖芯不包括鍺的氧化物，或所述纖芯包括鍺的氧化物的數(shù)量以重量計(jì)小于為所述纖芯中氧化物總量的約20％。
18.如權(quán)利要求13所述的光增益光纖，其特征在于，所述鉺在1530nm附近有一個(gè)吸收帶，其中所述光增益光纖的無源損耗在1530nm附近小于吸收帶吸收峰的0.5％。
19.如權(quán)利要求18所述的光增益光纖，其特征在于，所述光增益光纖的無源損耗在1530nm附近在吸收帶吸收峰的約0.05％和0.5％之間。
20.如權(quán)利要求13所述的光增益光纖，其特征在于，所述光增益光纖具有大于約每米15dB的最大增益。
21.一種光增益光纖，包括(a)一包括鉺的氧化物的纖芯；以及(b)圍繞纖芯的一個(gè)包層，其特征在于所述包層包括二氧化硅，其中鉺的氧化物在1530附近有一個(gè)吸收帶，其中所述光增益光纖的無源損耗在1530附近小于鉺吸收帶吸收峰的約0.5％；以及其中所述光增益光纖的紋波在約40nm寬的窗口上小于約25％，在約32nm寬的窗口上小于約15％，或兩者都有。
22.如權(quán)利要求21所述的光增益光纖，其特征在于，所述光增益光纖的無源損耗在1530nm附近為鉺吸收帶吸收峰的約0.05％和0.5％之間。
23.如權(quán)利要求21所述的光增益光纖，其特征在于，所述纖芯還包括硅的氧化物和鋁的氧化物。
24.如權(quán)利要求23所述的光增益光纖，其特征在于，所述纖芯還包括選自釔、鑭、釓和镥中的一個(gè)或幾個(gè)金屬的氧化物。
25.如權(quán)利要求23所述的光增益光纖，其特征在于，所述纖芯還包括銻的氧化物。
26.如權(quán)利要求25所述的光增益光纖，其特征在于，所述鋁的氧化物含量在鋁、鉺、銻和硅的氧化物總重量中約占6～20重量百分比；其中鉺的氧化物含量在鋁、鉺、銻和硅的氧化物總重量中約占0.05～5重量百分比；以及其中銻的氧化物含量在鋁、鉺、銻和硅的氧化物總量中約點(diǎn)0.5～60重量百分比。
27.如權(quán)利要求32所述的光增益光纖，其特征在于，所述纖芯不包括鍺的氧化物，或其中所述纖芯包括鍺的氧化物的數(shù)量以重量計(jì)小于在所述纖芯中氧化物總量的約20％。
28.如權(quán)利要求21所述的光增益光纖，其特征在于，所述光增益光纖具有大于約每米15dB的最大增益。
29.如權(quán)利要求27所述的光增益光纖，其特征在于，所述包層不包括氟原子，或所述包層包括氟原子的數(shù)量使得在所述包層中的氟原子摩爾數(shù)與所述包層中的硅原子摩爾數(shù)的比率小于0.05。
30.一種用于放大光信號(hào)的方法，其特征在于所述方法包括(a)如權(quán)利要求1、2或21，將光信號(hào)提供到光增益光纖的一端；以及(b)在對(duì)放大光信號(hào)有效的條件下，將激光提供給光增益光纖。
31.一種光放大器，其特征在于包括(a)如權(quán)利要求1、2或21的光增益光纖；以及(b)在與光增益光纖的光通訊中，能發(fā)射波長(zhǎng)約為980nm或約為1480nm激光的激光器。
權(quán)利要求
1.一種光增益光纖，包括一包括鉺的纖芯；以及圍繞該纖芯的一包層，其特征在于，所述光增益光纖在980nm和在1480nm可泵激，并在約40nm寬的窗口上具有小于25％的紋波，或在約32nm寬的窗口上具有小于15％的紋波，或兩者都有。
2.如權(quán)利要求1所述的光增益光纖，其特征在于，所述光增益光纖在約40nm寬的窗口上具有小于25％的紋波。
3.如權(quán)利要求1所述的光增益光纖，其特征在于，所述光增益光纖在約32nm寬的窗口上具有小于15％的紋波。
4.如權(quán)利要求1所述的光增益光纖，其特征在于，所述光增益光纖在約40nm寬的窗口上具有小于25％的紋波，在約32nm寬的窗口上具有小于15％的紋波。
5.如權(quán)利要求1所述的光增益光纖，其特征在于，所述纖芯包括鉺的氧化物。
6.如權(quán)利要求5所述的光增益光纖，其特征在于，所述纖芯還包括硅的氧化物、鋁的氧化物，而且可選用選自釔、鑭、釓和镥中的一個(gè)或幾個(gè)金屬的氧化物。
7.如權(quán)利要求5所述的光增益光纖，其特征在于，所述纖芯還包括銻的氧化物。
8.如權(quán)利要求7所述的光增益光纖，其特征在于，鋁的氧化物在鋁、鉺、銻和硅的氧化物總重量中約占6～20重量百分比；鉺的氧化物在鋁、鉺、銻和硅的氧化物總重量中約點(diǎn)0.05～5重量百分比例；向銻的氧化物在鋁、鉺、銻和硅的氧化物總重量中約占0.5～60重量百分比。
9.如權(quán)利要求6所述的光增益光纖，其特征在于，所述纖芯還包括鍺的氧化物或所述纖芯包括鍺的氧化物的數(shù)量以重量計(jì)小于所述纖芯中氧化物總量的約20％。
10.如權(quán)利要求1所述的光增益光纖，其特征在于，所述鉺在1530nm附近有一個(gè)吸收帶，而所述光增益光纖的無源損耗在1530nm小于鉺吸收帶吸收峰約0.5％。
11.如權(quán)利要求10所述的光增益光纖，其特征在于，所述光增益光纖的無源損耗在1530nm附近為吸收帶吸收峰的約0.05％和0.5％之間。
12.如權(quán)利要求10所述的光增益光纖，其特征在于，所述光光增益光纖可熔凝切片。
13.如權(quán)利要求1所述的光增益光纖，其特征在于，所述光增益光纖可熔凝切片。
14.如權(quán)利要求1所述的光增益光纖，其特征在于，所述光增益光纖具有大于約每15dB的最大增益。
15.一種光增益光纖，包括包括鉺的纖芯；以及圍繞纖芯的一個(gè)包層，其特征在于所述光增益光纖可熔凝切片，紋波在約40nm寬的窗口上小于約25％，或在約32nm寬的窗口上小于約15％，或兩者都有。
16.如權(quán)利要求15所述的光增益光纖，其特征在于，所述光增益光纖在約40nm寬的窗口上具有小于約25％的紋波。
17.如權(quán)利要求15所述的光增益光纖，其特征在于，所述光增益光纖在約32nm寬的窗口上具有小于約15％的紋波。
18.如權(quán)利要求15所述的光增益光纖，其特征在于，所述光增益光纖的紋波在約40nm寬的窗口上小于約25％，而在約32nm寬的窗口上小于約25％。
19.如權(quán)利要求15所述的光增益光纖，其特征在于，所述纖芯包括鉺的氧化物。
20.如權(quán)利要求19所述的光增益光纖，其特征在于，所述纖芯還包括硅的氧化物、鋁的氧化物和可任意選用的選自釔、鑭、釓和镥中的一個(gè)或幾個(gè)金屬的氧化物。
21.如權(quán)利要求20所述的光增益光纖，其特征在于，所述纖芯還包括銻的氧化物。
22.如權(quán)利要求21所述的光增益光纖，其特征在于，所述鋁的氧化物含量在鋁、鉺、銻和硅的氧化物總重量中約占6～20重量百分比；鉺的氧化物含量在鋁、鉺、銻和硅的氧化物總重量中約占0.05～5重量百分比；而銻的氧化物含量在鋁、鉺、銻和硅的氧化物總重量中約點(diǎn)0.5～60重量百分比。
23.如權(quán)利要求19所述的光增益光纖，其特征在于，所述纖芯不包括鍺的氧化物，或所述纖芯包括鍺的氧化物的數(shù)量以重量計(jì)小于為所述纖芯中氧化物總量的約20％。
24.如權(quán)利要求15所述的光增益光纖，其特征在于，所述鉺在1530nm附近有一個(gè)吸收帶，而所述光增益光纖的無源損耗在1530nm附近小于吸收帶吸收峰的0.5％。
25.如權(quán)利要求24所述的光增益光纖，其特征在于，所述光增益光纖的無源損耗在1530nm附近在吸收帶吸收峰的約0.05％和0.5％之間。
26.如權(quán)利要求15所述的光增益光纖，其特征在于，所述光增益光纖具有大于約每米15dB的最大增益。
27.一種光增益光纖，包括包括鉺的氧化物的纖芯；以及圍繞纖芯的一個(gè)包層，其特征在于所述包層包括二氧化硅，其中鉺的氧化物在1530附近有一個(gè)吸收帶，其中所述光增益光纖的無源損耗在1530附近小于鉺吸收帶吸收峰的約0.5％，所述光增益光纖的紋波在約40nm寬的窗口上小于約25％，而在約32nm寬的窗口上小于約15％。
28.如權(quán)利要求27所述的光增益光纖，其特征在于，所述的紋波在約40nm寬的窗口上小于約25％。
29.如權(quán)利要求27所述的光增益光纖，其特征在于，所述光增益光纖的紋波在約32nm寬的窗口上小于約15％。
30.如權(quán)利要求27所述的光增益光纖，其特征在于，所述光增益光纖的紋波在約40nm寬的窗口上小于約25％，而在約32nm寬的窗口上小于約15％。
31.如權(quán)利要求27所述的光增益光纖，其特征在于，所述光增益光纖的無源損耗在1530nm附近為鉺吸收帶吸收峰的約0.05％和0.5％之間。
32.如權(quán)利要求27所述的光增益光纖，其特征在于，所述纖芯還包括硅的氧化物和鋁的氧化物。
33.如權(quán)利要求32所述的光增益光纖，其特征在于，所述纖芯還包括選自釔、鑭、釓和镥中的一個(gè)或幾個(gè)金屬的氧化物。
34.如權(quán)利要求32所述的光增益光纖，其特征在于，所述纖芯還包括銻的氧化物。
36.如權(quán)利要求34所述的光增益光纖，其特征在于，所述鋁的氧化物含量在鋁、鉺、銻和硅的氧化物總重量中約占6～20重量百分比；鉺的氧化物含量在鋁、鉺、銻和硅的氧化物總重量中約占0.05～5重量百分比；而銻的氧化物含量在鋁、鉺、銻和硅的氧化物總量中約點(diǎn)0.5～60重量百分比。
37.如權(quán)利要求32所述的光增益光纖，其特征在于，所述纖芯不包括鍺的氧化物，或所述纖芯包括鍺的氧化物的數(shù)量以重量計(jì)小于在所述纖芯中氧化物總量的約20％。
38.如權(quán)利要求27所述的光增益光纖，其特征在于，所述光增益光纖具有大于約每米15dB的最大增益。
39.如權(quán)利要求27所述的光增益光纖，其特征在于，所述包層不包括氟原子，或所述包層包括氟原子的數(shù)量使得在所述包層中的氟原子摩爾數(shù)與所述包層中的硅原子摩爾數(shù)的比率小于0.05。
40.一種用于放大光信號(hào)的方法，其特征在于所述方法包括按照權(quán)利要求1將光信號(hào)提供到光增益光纖的一端；以及在對(duì)放大光信號(hào)有效的條件下，將激光提供給光增益光纖。
41.一種用于放大光信號(hào)的方法，其特征在于，所述方法包括如權(quán)利要求15將光信號(hào)提供給光增益光纖的一端，以及在對(duì)放大光信號(hào)有效的條件下，將激光提供給光增益光纖。
42.一種用于放大光信號(hào)的方法，其特征在于所述方法包括如權(quán)利要求27將光信號(hào)提供給光增益光纖的一個(gè)端；以及在對(duì)放大光信號(hào)有效的條件下，將激光提供給光增益光纖。
43.一種光放大器，其特征在于包括如權(quán)利要求1所述的光增益光纖；在與光增益光纖的光通訊中，能發(fā)射波長(zhǎng)約為980nm或約為1480nm激光的激光器。
44.一種光放大器，其特征在于包括按照權(quán)利要求15的光增益光纖；在與光增益光纖的光通信中，能發(fā)射波長(zhǎng)約為980nm或約為1480nm激光的激光器。
45.一種光放大器，其特征在于包括如權(quán)利要求27所述的光增益光纖，在與光增益光纖的光通信中，能發(fā)射波長(zhǎng)約為980nm或約為1480nm激光的激光器。
全文摘要
揭示了一種光增益光纖，它包括一含鉺的纖芯和圍繞該纖芯的包層，該光纖在約40nm寬的窗口上具有約小于25％的紋波，或在約32nm寬的窗口上具有約小于15％的紋波，或兩者都有。在一實(shí)施例中，該光增益光纖在980nm和在1480nm可泵激。在另一實(shí)施例中，光增益光纖可熔凝切片。在還有一個(gè)實(shí)施例中，纖芯包括氧化鉺；包層包括二氧化硅；而該光增益光纖的無源損耗在1530nm附近小于鉺吸收帶吸收峰的約0.5％。本發(fā)明的光增益光纖具有一較寬的增益窗口，在整個(gè)增益窗口上有改良的均勻性。和/或與常規(guī)的光增益光纖相比有增大的增益。因此，它們?cè)诜糯蠊庑盘?hào)中是有用的，特別適用于放大在整個(gè)運(yùn)程傳播中需要重復(fù)放大的信號(hào)，且沒有通常在常規(guī)的光信號(hào)放大方法中遇到的信號(hào)質(zhì)量損失。
文檔編號(hào)H01S3/17GK1421061SQ00817129
公開日2003年5月28日 申請(qǐng)日期2000年10月23日 優(yōu)先權(quán)日1999年12月16日
發(fā)明者P·W·朱, A·J·G·艾利森, D·E·弗爾什, D·W·霍托夫, J·M·惠倫 申請(qǐng)人:康寧股份有限公司