專利名稱：雙包層光子光纖的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及到光纖傳輸領(lǐng)域，而特別涉及的是用于信號(hào)的光學(xué)放大的雙包層光子光纖。
最近出現(xiàn)了稱之為“光子”光纖，亦由英語(yǔ)叫做“photonic crystalfibres”(PCS)。這種光纖不同于傳統(tǒng)的光纖那樣完全是由透明的固體材料—例如摻雜石英構(gòu)成的，從橫截面看，光子光纖有多個(gè)氣孔，這些孔都和光纖的軸線平行且沿光纖縱向伸展。在實(shí)際上，這些孔是在制造時(shí)按照光纖中要獲得的孔的圖案，用毛細(xì)管或石英柱的組裝成預(yù)制棒而得到。將這樣的預(yù)制棒拉伸便提供了帶有相應(yīng)的毛細(xì)管孔的光纖。
在光纖材料中有孔，引起了材料的平均折射率變化，和在傳統(tǒng)的光纖中是一樣的，折射率的變化可用來(lái)傳導(dǎo)適當(dāng)波長(zhǎng)的光信號(hào)。在WO-A-0049 435中提供了這樣的光子光纖的描述。在這個(gè)文獻(xiàn)中除了描述光子光纖的運(yùn)行原理之外，還描述了一種這種光纖的構(gòu)成方法—使孔的直徑縱向變化。光纖折射率曲線并非是嚴(yán)格的，在上面的專利申請(qǐng)書中表明由孔的直徑的縱向變化所生成的模直徑的變化可以用于光學(xué)放大器。
在R.F.Cregan及其同事的文章Distribution of SpontanrousEmission from an Er3-Doped photonic crystal Fiber，Journal of lightwaveTechnology，Vol.17No.11，November1999研究了光子光纖中的自發(fā)輻射，其中的氣孔是按照三角陣分布的，光纖呈六角形，在六角形的中心，光纖上沒(méi)有孔，石英中摻有鉺，這份文獻(xiàn)還研究了光纖在軸向泵浦時(shí)的自發(fā)輻射的空間分布，指出其分布是光纖中孔的分布的函數(shù)，和模擬結(jié)果相符。這份文獻(xiàn)對(duì)于摻雜光纖的使用未作任何評(píng)述。
在Thomas Sondergaard的文章Crystal Distributed FeedbackFiber Lasers with Bragg Gratings，Journal of LightwaveTechnology，Vol.18，No4，April 2000，描述了將光子光纖用于光纖激光的使用，指出信號(hào)光模面積的或泵浦光模面積可以小于亦可大于傳統(tǒng)的突變折射率光纖的相應(yīng)的模面積。因此，可以使光子纖在小的模截面的情況下實(shí)現(xiàn)低的泵浦閾的光纖激光器，亦可在大的模截面的情況下實(shí)現(xiàn)高功率的激光器。這篇文獻(xiàn)只給出了數(shù)值模擬情況，而沒(méi)有實(shí)際實(shí)施的情況。
在W.J.Wadsworth及其同事的文章Yb3+-doped photoniccrystal fibre laser，Electronics.Letters，Vol.36 No.17 2000年8月，明確地在實(shí)驗(yàn)上給出了光子光纖中的激光效應(yīng)。這種光纖是用純石英管圍著摻有Yb再摻Al的石英管構(gòu)成的，然后再拉伸形成光纖，在這條光纖的外面裝上純石英的筒，在摻雜的纖芯外周圍有兩層孔，而光則很好地約束在摻雜的纖芯中。
EP-A-1 043 816描述了一種雙包層光纖，信號(hào)在摻雜的纖芯中傳輸，而泵浦光注入第一包層，第二包層起到將泵浦光約束在第一包層中的作用。為了將泵浦光引向纖芯，文章建議在第一包層提供一些折射率變化區(qū)，這些折射率變化區(qū)特別是由氣孔構(gòu)成的。在一種實(shí)施方式中，有三個(gè)折射率變化區(qū)分布于第一包層的周邊。在另一種實(shí)施方式中有六個(gè)折射率變化區(qū)，構(gòu)成了等邊三角形的頂點(diǎn)和邊的中點(diǎn)，文章還建議所有的折射率變化區(qū)都應(yīng)該盡可能遠(yuǎn)離纖芯，以避免改變纖芯中的偏振狀態(tài)。
更詳細(xì)地說(shuō)，本發(fā)明提出一種雙包層光子光纖，其中有—纖芯，包圍纖芯的第一包層及包圍第一包層的第二包層，—在纖芯中至少有一個(gè)孔，以及—至少在纖芯中用稀土離子摻雜。
在一種實(shí)施方式中，光纖在纖芯和第一包層中有多個(gè)孔。
最好，注入到纖芯的信號(hào)的模直徑大于纖芯直徑。
摻雜是分布在一個(gè)盤內(nèi)，或是在一個(gè)環(huán)內(nèi)。在后一種情況下，最好環(huán)是覆蓋著纖芯和第一包層之間的界面。
可以將所有的孔置于一個(gè)三角形的點(diǎn)陣上；不能將孔置于光纖的軸線上；還可使孔離光纖的軸線越遠(yuǎn)，尺寸越大。
本發(fā)明還提出一種放大器，其中含有上述的光纖，而且要在第一包層中注入至少一個(gè)泵浦光。最后本發(fā)明提出一種光纖激光器，其中有根據(jù)上述的光纖，包括這樣的光纖和在第一包層中注入的至少一個(gè)泵浦光。
孔至少是處在纖芯；孔的作用在于增加注入到纖芯的信號(hào)的模直徑；這樣便改善了信號(hào)和注入到纖芯的泵浦光之間的重疊。


圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的一種實(shí)施方式的光子光纖的橫截面圖。在這個(gè)實(shí)施例中，光纖2具有一個(gè)纖芯4，一個(gè)圍繞這個(gè)纖芯的第一包層6和一個(gè)圍繞這個(gè)第一包層的第二包層8，圖中沒(méi)有畫出第二包層的外沿。光纖的這些不同部分是關(guān)于一方面是纖芯與第一包層間拆射率之差、另一方面是第一包層與第二包層之間折射率之差來(lái)確定的。因此可知纖芯為分布在光纖中心的那一部分，是以和第一包層的交界處為界線，或是以在折射率曲線上的折射率下落處為界線。同樣，第一包層是光纖在從前述的第一個(gè)分界處到它與第二包層間的第二個(gè)分界處之間那部分，就是說(shuō)直到折射率曲線的第二個(gè)下落處的那部分。
圖1中的光纖至少是摻有一種原子序列數(shù)在57至71之間的稀土元素的離子，特別是摻鉺、鐿、鍺，或其它已知的用于光學(xué)放大器中的元素。還可用其它雜質(zhì)進(jìn)行第二次摻雜，如鋁、磷、亦或鈰，這些元素可以用來(lái)改變相應(yīng)纖芯的折射率，導(dǎo)致包層的光譜的變化或?qū)е路禽椛渫思ぐl(fā)率的變化。用于摻鉺的放大器的光纖中摻鉺的濃度比例在百萬(wàn)分之ppm1000的量級(jí)上，可以預(yù)計(jì)雙摻鐿的濃度比例在5000到20000ppm之間。對(duì)于用于激光的光纖，亦可僅摻鐿，其濃度約為2000ppm。在摻鉺的情況下，泵浦光波長(zhǎng)的典型值在970到985nm；而對(duì)于摻鐿的情況下，泵浦光的典型值約在915nm。
在光纖中摻稀土元素之處可以隨實(shí)施方式而變化可以僅在纖芯中摻雜，在光纖中有孔可以使信號(hào)光的模直徑擴(kuò)大到纖芯外，在纖芯之外摻雜雜質(zhì)至少在第一包層的一部分摻雜是有利的，這可以提高光纖中的放大系數(shù)。還可以在光纖中環(huán)狀摻雜，這個(gè)環(huán)分布在單模纖芯的外部以及第一包層鄰近單模纖芯的那一部分，于是這個(gè)環(huán)覆蓋了單模纖芯和第一包層間的界面。
這里所示的光纖同樣為一光子光纖，就是說(shuō)所示的孔是沿縱向展開的，在光纖中至少是一個(gè)孔最好多于一個(gè)孔。這些孔中至少有一部分是在纖芯中，其作用是增加注入纖芯中的信號(hào)光的模直徑。在圖1所示的例子中和在所有別的例子中一樣，所有的孔都處在一個(gè)三角陣的陣點(diǎn)上。這里的術(shù)語(yǔ)“陣”是在光子光纖中所有孔的可能位置的集合，在光纖預(yù)制棒中，它是由毛細(xì)管和實(shí)心圓柱形(cylindres pleins)的組合而成，這個(gè)陣是由預(yù)制棒中的毛細(xì)管和圓柱形的安排來(lái)決定。在三角陣的例子中，所有的管和圓柱形都排列成行，相鄰兩行間錯(cuò)開的距離相當(dāng)于一行中兩個(gè)相鄰的管或兩個(gè)圓柱形之間的距離。亦可使用別種形式的陣，例如方陣，在所有的情況下，陣是點(diǎn)的集合，如有必要，每個(gè)可以是一個(gè)孔。
在圖1所示的實(shí)施例中，所有的孔在一個(gè)呈六角形的三角陣中，中心沒(méi)有孔。孔在光纖中的分布可以相對(duì)于這個(gè)示例有變化。
可以使所有的孔都只在纖芯中，如在圖7和圖13的示例中那樣。這樣可以增加纖芯的直徑，同時(shí)使信號(hào)完全保持單模，這樣就能增加模直徑。換言之，使用大的光纖直徑，光纖并不必須是單模無(wú)孔的；有了孔，有可能使光纖保持單模，既使有大的纖芯半徑?？准葦U(kuò)大了模直徑，同時(shí)又?jǐn)U大了單模纖芯的直徑，這就改善了重疊。
前述的孔還可以存在于第一包層內(nèi)，如像在圖1和圖4及圖10所示的示例中?？梢允侨鐖D1的示例那樣廣泛的存在于第一包層中；亦可如圖4及圖10所示的情況中那樣，只在單模纖芯的附近。在圖1的變型中當(dāng)孔的位置較靠外，便對(duì)信號(hào)有限制作用，并有將泵浦光引向纖芯的附加作用，特別有意義。
可以使用類似于題為Fibre optique photonique à forte surfaceeffective的同日申請(qǐng)專利書中描述的分布。在這種情況下，將截面的點(diǎn)陣中的可以滿足相對(duì)于光纖中央圓對(duì)稱的子集稱為“層”。所有相繼的層都是共心的，其共同的中心是光纖中心。在三角陣的例子中，一個(gè)典型的層是由處在一個(gè)六角形各個(gè)頂點(diǎn)上的孔和可能處在這個(gè)六角形的各邊上的孔的集合。其第一層有六個(gè)點(diǎn)在以光纖中心為中心，的一個(gè)六角形的諸頂點(diǎn)上。在那個(gè)專利申請(qǐng)書所給出的例子中，這一層的所有點(diǎn)都是孔。其中的第二層是由十二個(gè)點(diǎn)構(gòu)成的，處在一個(gè)正六角形的各個(gè)頂點(diǎn)及每個(gè)邊的中點(diǎn)上，這個(gè)六角形的邊長(zhǎng)等于構(gòu)成第一層的六角形的邊長(zhǎng)的二倍，在這個(gè)專利申請(qǐng)書中，這一層的所有點(diǎn)都是孔。第三層是由二十四個(gè)點(diǎn)構(gòu)成的，分布于一個(gè)六角形的各個(gè)頂點(diǎn)及每條邊的三分之一處和三分之二處；在第三層上沒(méi)有孔。可以用同樣的方法確定后面各層。在這個(gè)專利申請(qǐng)書的示例中，每一層都是繞光纖中心60°旋轉(zhuǎn)不變的。這樣利用陣的可能的點(diǎn)，每個(gè)層就構(gòu)成了一個(gè)圓的近似。將這個(gè)“層”的定義推廣到別的類型的點(diǎn)陣，對(duì)于方陣，其一層是正方形或八角形的各邊上的點(diǎn)的集合；這樣，每一層是繞光纖中心90°旋轉(zhuǎn)不變。前述的W.J.Wadsworth及其同事的文章中的孔具有繞光纖中心的二重“周期”，每重“周期”是一個(gè)圓。
于是可以確定孔的分布為—光纖的所有的孔都處在以纖中心為中心的陣點(diǎn)的至少兩個(gè)層上；—一個(gè)層的各光纖的孔具有同樣的大小，且占據(jù)這層的所有的點(diǎn)的集合。
—處在至少一層上的光纖的各個(gè)孔的大小和處在別的至少一層上的光纖的各個(gè)孔的大小不同。
換言之，光纖的各孔盡可能具有徑向?qū)ΨQ性，考慮點(diǎn)陣所要求的幾何約束，這保證信號(hào)的偏振性不受或少受光纖中的孔的干擾。
然而，孔的大小隨著光纖的半徑而變化?？梢园才胖辽僖粚訜o(wú)孔的層，這層的作用在于使場(chǎng)分布于光纖中，這樣就增加了光纖的有效截面積，因而也就增加了其模直徑。還要指出，孔的大小沿徑向是增大的，換言之，某一層的孔的大小要比較靠?jī)?nèi)部的一層的孔為大。孔的大小沿徑向增加就能改善將光限制在光纖內(nèi)部的作用。實(shí)際上，定性地說(shuō)，較大的孔對(duì)應(yīng)著平均拆射率的較多的下降，且可以將孔層看作是起到折射率突變的作用，且孔的大小變化越大折射率的變化也越大。
和上面相反，可以使孔的集合中接近光纖中心的孔較大，接著的孔較小，最后的最外層的孔大。定性地說(shuō)，場(chǎng)集中在孔最小的區(qū)域，處在中心的孔的作用是使信號(hào)的場(chǎng)移向第一包層，定性的說(shuō)，處在外層的孔有限制的作用。
總之，在纖芯及有可能在第一包層內(nèi)的孔的分布可以是變化的，可以像前面描述的相關(guān)申請(qǐng)書中提出的示例那樣，也可以是在本申請(qǐng)書中提出的示例。
從尺寸方面看，圖1所示光纖中的孔都是圓形，直徑為0.5μm，在陣中的孔之間的間距為5μm，圖1中孔的分布有六層，每層呈六角形。圖2示出圖1所示光纖的折射率曲線，按照傳統(tǒng)的方式，沿橫坐標(biāo)為距光纖中心的距離，縱坐標(biāo)為構(gòu)成光纖材料的折射率，這里指出，圖2表示的是沿通過(guò)各孔所構(gòu)成的正六角形的頂點(diǎn)的光纖半徑上的折射率曲線。可以看到在圖上不僅是材料的折射率，還有孔的位置，它用值1標(biāo)出?？紤]到圖中沿縱軸的標(biāo)度，僅示出曲線的一部分，在圖中沒(méi)有示出折射率接近1的那部分，圖中沒(méi)有示出光纖中的平均折射率。圖2示出的纖芯的半徑r1為5μm，且其折射率與第一包層的折射率的差Δn1為5×10-3。第一包層在半徑r1到r2之間，r2的值為40μm，第一包層的折射率與第二包層的折射率之差Δn2為10×10-3。第二包層在半徑r2的外邊，例如可以是沒(méi)有摻雜的硅。圖中還示出對(duì)應(yīng)孔處的折射率的凹陷，對(duì)應(yīng)的半徑為5、10、15、20、和25μm。
圖3示出在圖1所示的光纖中的信號(hào)強(qiáng)度隨半徑的變化。和圖2一樣，橫坐標(biāo)為半徑，縱坐標(biāo)是該處信號(hào)強(qiáng)度與信號(hào)最大強(qiáng)度之比，圖3中仍示出了折射率曲線，折射率在右側(cè)縱坐標(biāo)示出。在圖中看到，在纖芯半徑之外，信號(hào)強(qiáng)度保持很大的值，例如模直徑是11.5μm(即模直徑在1/e處，用傳統(tǒng)的強(qiáng)度的高斯近似方法計(jì)算)。在這種情況下，78％的能量在直徑為這個(gè)模直徑的圓內(nèi)；85％的能量在直徑為14μm的圓內(nèi)；90％的能量在直徑為16μm的圓內(nèi)，95％的能量在直徑為21μm的圓內(nèi)。
作為比較，可以設(shè)定孔的分布如前，而折射率曲線為滿足下列參數(shù)—r1＝5μm；—Δn1為4.5×10-3；—r2＝25μm；
—Δn2＝30×10-3。在這種情況下的典型值是模直徑約為11.5μm，而重疊率近似為5％。
為進(jìn)一步比較，一種光纖，其中孔的分布和前述的在同日提出申請(qǐng)的專利中所提出的光纖中孔的分布屬同一類型，有同樣的材料折射率曲線，其模直徑約20μm。
在圖1所示的例中，所摻雜質(zhì)為鉺，濃度近似為1000ppm。如前所述，在直徑約為模直徑-例如11.5μm的圓內(nèi)摻雜。亦可使用環(huán)狀摻雜，例如約在9至16μm之間，內(nèi)限略小于單模纖芯的直徑，同時(shí)外限對(duì)應(yīng)于圓里面含有90％的能量的圓的直徑。
本發(fā)明相對(duì)于無(wú)孔的雙包層光纖來(lái)說(shuō)改善了重疊。作為比較，帶有一個(gè)圓形包層的雙包層光纖，其單模纖芯的直徑為8μm，圓形第一包層的直徑為100μm。其它都不變，僅具有如本申請(qǐng)書中的示例中的孔，則其重疊就增加，可以達(dá)到約1.3％?？资沟弥丿B增加了約30％。
對(duì)于第一包層呈玫瑰瓣?duì)畹墓饫w，其重疊的典型值為3％，有如前面示例所推薦的孔，則能使重疊達(dá)到約4％，提高仍約為30％，這個(gè)提高表現(xiàn)為相應(yīng)的放大率的提高或激光效應(yīng)的提高。
圖1所示的光纖可以用于人所共知的放大裝置或激光器中，可以使用同向泵浦光或反向泵浦光，或同時(shí)使用這兩種泵浦光。
圖4至圖6與圖1至圖3類似，為另一種光纖。在圖4所示的例中，所有的孔都分布在單模纖芯內(nèi)和在第一包層的接近單模纖芯的部分。孔的直徑均為0.5μm，其間距為2.5μm，折射率曲線和圖1光纖的折射率曲線相似，有r1＝5μm，Δn1＝4.5×10-3，r2＝20μm，及Δn2＝10×10-3。
圖4所示光纖的傳輸特性如下光纖在1550nm處的色散為3.41ps/(nm·km)及色散斜率(pente de dispersion chromatique)為0.10ps/(nm2·km)。這種光纖在這一波長(zhǎng)處的有效截面積為55.4μm2。
圖7至圖9類似于圖1至圖3，是另一種光纖的。在圖7所示的示例中，所有孔的分布和圖1所示的示例有同樣的分布，但僅在纖芯內(nèi)。纖芯的半徑r1為12.5μm，其折射率和第一包層的折射率之差Δn1為4.5×10-3，第一包層延伸到半徑r2為20μm處，其折射率與第二包層折射率之差Δn2為10×10-3。在這個(gè)示例中，信號(hào)的模直徑為9μm，大于圖4所示光纖的模直徑。
圖7所示的光纖的傳播特征如下光纖在1550nm處的色散為8.50ps/(nm·km)，色散斜率為-2.8ps/(nm2·km)，并在同一波長(zhǎng)處的有效截面為63.5μm2。
圖10至圖12和圖1至圖3相類似，是第三種光纖。在圖10所示的光纖中，孔的分布和圖1中的分布一樣，但纖芯的半徑要大，孔的分布也和圖1中一樣在纖芯和包層中都有。圖11的折射率曲線不同于圖5的折射率曲線之處在于纖芯的半徑r1為7.5μm。在這個(gè)示例中，信號(hào)的模直徑仍為9μm。
圖10所示光纖的傳播特性如下光纖在1550nm處的色散為5.0ps/(nm·km)，色散斜率為-0.11ps/(nm2·km)，且在同一波長(zhǎng)處的有效截面為61.1μm2。
圖13至圖15類似于圖1至圖3，為第四種光纖。在圖13所示的示例中，孔的分布和圖4中孔的分布相同，但纖芯的半徑要大，所有的孔都分布在纖芯內(nèi)，沒(méi)有進(jìn)入第一包層的。圖14的折射率曲線與圖5的折射率曲線之不同之處在于其纖芯的半徑r1為10μm。在這個(gè)示例中，信號(hào)的模直徑為9μm。
圖13所示光纖的傳播特性如下光纖在1550nm處的色散為5.79ps/(nm·km)，色散斜率為0.11ps/(nm2·km)，并在同一波長(zhǎng)處的有效截面為63.4μm2。
將上面所描述的光纖作為放大光纖用于光學(xué)放大器中是非常有利的。和傳統(tǒng)的雙包層光纖相比，它們具有更好的信號(hào)和泵浦光的重疊，并有更大的放大系數(shù)。在如上面所描述的一種光纖中的放大系數(shù)較對(duì)應(yīng)的現(xiàn)有技術(shù)中的一種光纖中的放大系數(shù)要大30％。
當(dāng)然，可以實(shí)現(xiàn)相對(duì)于前面給出的示例的變型，上面各種光纖的孔都是圓的，亦可使用別的形狀的孔；第二包層可以用不是石英的其它摻雜的材料，這使折射率曲線整體移動(dòng)。還可以將現(xiàn)有技術(shù)與上述的各種示例進(jìn)行組合，例如第一包層呈花瓣形或呈別的圖形，以將泵浦光傳向纖芯，外包層對(duì)示例給出的光纖的運(yùn)行影響只有很小的一點(diǎn)，折射率和尺寸都可變化。
權(quán)利要求
1.雙包層光子光纖(2)，其中有—一個(gè)纖芯(4)，圍繞這纖芯的第一包層(6)，及圍繞第一包層的第二包層(8)；—在纖芯至少有一個(gè)孔(10)；且—至少是在纖芯中摻雜有一種稀土離子。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光纖，其特征在于在纖芯及第一包層中有多個(gè)孔。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的光纖，其特征在于注入纖芯的信號(hào)的模直徑大于纖芯的直徑。
4.根據(jù)權(quán)利要求1、2或3所述的光纖，其特征在于所述的摻雜分布是一個(gè)盤形。
5.根據(jù)權(quán)利要求1、2或3所述的光纖，其特征在于所述的摻雜分布為一環(huán)形。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的光纖，其特征在于所述的環(huán)重疊著纖芯和第一包層的分界面。
7.根據(jù)權(quán)利要求1至6中任一項(xiàng)所述的光纖，其特征在于所有的孔都在一個(gè)三角點(diǎn)陣上。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的光纖，其特征在于并沒(méi)有孔處在光纖的軸線上。
9.根據(jù)權(quán)利要求1至8中任一項(xiàng)所述的光纖，其特征在于其中孔的大小隨離開光纖軸線的距離越遠(yuǎn)而越大。
10.光學(xué)放大器，其中含有根據(jù)權(quán)利要求1至9中任一項(xiàng)所述的光纖且至少有一個(gè)注入到這光纖的第一包層中的泵浦光。
11.光纖激光器，其中含有根據(jù)權(quán)利要求1至9中任一項(xiàng)所述的光纖，且至少有一個(gè)注入這光纖的第一包層中的泵浦光。
全文摘要
本發(fā)明提出一種雙包層光子光纖(2),其中有一個(gè)纖芯(4),一個(gè)包圍這纖芯的第一包層(6),以及一個(gè)包圍第一包層的第二包層(8),在纖芯中至少有一個(gè)孔(10),以及在纖芯中,還有可能在第一包層中摻雜有稀土離子。本發(fā)明得到的雙包層光纖的信號(hào)光和注入纖芯的泵浦光有好的重疊。將信號(hào)光注入纖芯,將泵浦光注入第一包層,本發(fā)明改善了雙包層光學(xué)放大器的放大重疊系數(shù)。
文檔編號(hào)H01S3/06GK1375712SQ02106790
公開日2002年10月23日 申請(qǐng)日期2002年3月8日 優(yōu)先權(quán)日2001年3月16日
發(fā)明者多米尼克·巴亞特, 勞倫特·貝特勞特 申請(qǐng)人:阿爾卡塔爾公司