專利名稱：具有寬帶信號(hào)波長(zhǎng)的雙芯有源光纖放大器的制作方法
此項(xiàng)發(fā)明涉及一種含有熒光摻入物質(zhì)的光纖，用以對(duì)送入其中的光傳輸信號(hào)進(jìn)行放大，并消除自由發(fā)發(fā)射在其內(nèi)部產(chǎn)生的具有無(wú)用波長(zhǎng)的輻射。
已知含有摻稀土材料芯的光纖可用在光放大器中，例如，用適當(dāng)波長(zhǎng)的泵浦源(例如532、670、807、980或1490毫微米)泵浦的摻鉺芯線可以用作1550毫微米通訊波段內(nèi)光信號(hào)的行波放大器。
這種光纖實(shí)際上可以由具有能將摻入物質(zhì)原子提升到激發(fā)能態(tài)或泵浦帶的特定波長(zhǎng)的光源來(lái)提供光能，由此處這些原子在很短的時(shí)間內(nèi)衰變到激光發(fā)射態(tài)，它們可在此態(tài)停留相對(duì)較長(zhǎng)的時(shí)間。
當(dāng)含有大量處于發(fā)射能級(jí)的激發(fā)態(tài)原子的光纖中有一波長(zhǎng)與該激光發(fā)射態(tài)相應(yīng)的光照信號(hào)穿過(guò)時(shí)，該信號(hào)導(dǎo)致受激原子躍遷到較低能級(jí)，并伴著波長(zhǎng)與該信號(hào)相同的光發(fā)射;因此，這種光纖可用來(lái)實(shí)現(xiàn)光信號(hào)的放火。
從激發(fā)態(tài)開(kāi)始，原子衰變也可以自發(fā)地發(fā)生，這就加強(qiáng)了構(gòu)成疊加在相應(yīng)于已放大信號(hào)的受激發(fā)射上的“背景噪聲”的隨機(jī)發(fā)射。
因光照泵浦能量輸入“摻雜的”或有源的光纖中而產(chǎn)生的光發(fā)射可出現(xiàn)在摻入物質(zhì)所特有的若干波長(zhǎng)處，從而給出了光纖熒光光譜的基線。
為了利用上面這種光纖達(dá)到最大的信號(hào)放大倍數(shù)，同時(shí)又有高的信噪比，在光通訊中通常采用由激光發(fā)射器產(chǎn)生的波長(zhǎng)與含有所用摻入物質(zhì)的光纖的熒光光譜曲線的最大值相對(duì)應(yīng)的信號(hào)。
具體地說(shuō)，當(dāng)考慮到光通訊信號(hào)的放大時(shí)，采用摻有鉺離子(Er3 +)的芯的“有源”光纖是適宜的。
但是，上面所述這種放大器中的摻鉺芯線的光譜增益曲線有兩個(gè)特有的增益帶。一個(gè)窄增益帶中心大約在1530毫微米，而第二個(gè)較寬，但又較低的增益帶中心大約在1550毫微米。
增益帶的峰值波長(zhǎng)和它們的光譜寬度取決于芯線基質(zhì)玻璃的成分。例如摻有餌和氧化鍺的石英芯線其較高增益帶的峰值波長(zhǎng)在1536毫微米處，而摻有餌和氧化鋁的石英芯線其較高增益帶的峰值波長(zhǎng)在1532毫微米處。
在這兩種情況下，較高增益帶具有大約3至4毫微米的“3分貝線寬”，而由基質(zhì)玻璃成分決定的較低增益帶比較寬，具有大約30毫微米的“3分貝線寬”。前一增益帶具有比后者更大的增益，但要求被放大的信號(hào)具有非常穩(wěn)定而嚴(yán)格專一的中心波長(zhǎng)。
這就要求采用工作在具有有限容差的固定波長(zhǎng)的激光發(fā)射器作為傳輸信號(hào)源，因?yàn)槌鲞@種容差極限的信號(hào)不會(huì)得到適當(dāng)?shù)姆糯?，而同時(shí)在該峰值波長(zhǎng)處會(huì)出現(xiàn)強(qiáng)自發(fā)發(fā)射，這會(huì)增強(qiáng)能夠嚴(yán)重?fù)p害傳輸質(zhì)量的背景噪聲。
但是具有以上性能并工作于鉺發(fā)射峰處的激光器生產(chǎn)起來(lái)既困難又昂貴，盡管普通的工業(yè)生產(chǎn)可提供諸如半導(dǎo)體激光器(In、Ga、As)之類的激光器，具有可使它們用于通訊的若干性能，但又具有相當(dāng)大的有關(guān)發(fā)射波長(zhǎng)的容差，因而這種激光發(fā)射器只有少數(shù)能以以上的峰值波長(zhǎng)發(fā)射。
盡管在某些應(yīng)用方面諸如海底通訊之類，可以進(jìn)行選擇而使用工作于固定波長(zhǎng)值的傳輸信號(hào)發(fā)射器，例如通過(guò)嚴(yán)格的挑選從商品質(zhì)量的激光器中找出，從而只用那些可進(jìn)行極其接近于光纖放大器的激光發(fā)射峰的激光器，而當(dāng)考慮到其它種類的線路諸如城市通訊線路時(shí)，限制安裝成本是非常重要的，這種方法從經(jīng)濟(jì)觀點(diǎn)來(lái)看是不可取的。
例如，用來(lái)實(shí)現(xiàn)激光發(fā)射的摻鉺光纖在大約1536毫微米處有一發(fā)射峰，并在從所述發(fā)射峰值算起±5毫微米范圍內(nèi)具有高強(qiáng)度，可以用來(lái)放大在同一波長(zhǎng)范圍內(nèi)的信號(hào);但是，用于傳輸?shù)纳唐钒雽?dǎo)體激光器通常制造的發(fā)射波長(zhǎng)值在1520至1570毫微米范圍內(nèi)。
結(jié)果，大量商品激光器在適合于含鉺放大的范圍之外，因而不能用來(lái)在裝有以上這種含鉺放大器的線路中產(chǎn)生通訊信號(hào)。
另一方面，已知摻鉺光纖在發(fā)射光譜中有上面所討論的第二增益帶，在鄰近上面所述的窄增益峰的波長(zhǎng)區(qū)域內(nèi)具有相對(duì)較高而又基本上恒定的強(qiáng)度，并且寬得足以將上面提到的商品激光器的發(fā)射范圍包括在其中。
但是，在這種光纖中波長(zhǎng)在第二增益帶內(nèi)的信號(hào)以較低的倍數(shù)被放大，而從光纖的激光發(fā)射態(tài)開(kāi)始的自發(fā)躍遷主要是伴隨窄增益帶波長(zhǎng)1536毫微米處的發(fā)射而發(fā)生的，從而產(chǎn)生出通過(guò)有源光纖長(zhǎng)度時(shí)將被進(jìn)一步放大并且將遮蓋掉有用信號(hào)的“背景噪聲”。
可以設(shè)想，在放大器的端頭對(duì)構(gòu)成該“噪聲”的光發(fā)射進(jìn)行濾除，將波長(zhǎng)唯一的傳輸信號(hào)送入線路，為此目的在有源光纖的端頭裝上適當(dāng)?shù)臑V光片。
但是由于光纖中存在大部分在光纖最大放大倍數(shù)的波長(zhǎng)處的自發(fā)發(fā)射，會(huì)減少用于不同波長(zhǎng)傳輸信號(hào)放大的泵浦能量，從而使光纖就該信號(hào)本身的放大而言變成基本上無(wú)源的。
因此，將有源光纖用于光放大器，并和用于發(fā)射傳輸信號(hào)的商品激光發(fā)射器一起使用，而又不對(duì)所述激光發(fā)射器施行重大的質(zhì)量限制措施，就成了問(wèn)題。
此項(xiàng)發(fā)明旨在制成一種能在足夠?qū)挼牟ㄩL(zhǎng)范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)令人滿意的放大的摻雜光纖，從而可以采用商品激光發(fā)射器，而又能避免材料的無(wú)用波長(zhǎng)自發(fā)發(fā)射損害光纖的放大性能和形成相對(duì)于傳輸信號(hào)而言高強(qiáng)度的背景噪聲。
這些結(jié)果是用附帶的權(quán)利要求所述的光放大器達(dá)到的。
更多的細(xì)節(jié)從下面參照附帶的圖形所作的說(shuō)明中可明顯看出，其中

圖1為采用有源光纖的光放大器示意圖;
圖2為用于圖1示意圖所示放大器的那種光纖中的熒光摻入物質(zhì)的能量躍遷的示意圖，該躍遷適合于產(chǎn)生傳輸信號(hào)的受激(激光)發(fā)射;
圖3為摻Er3 +的石英基質(zhì)光纖的受激發(fā)射曲線的示意圖;
圖4為基于此發(fā)明的光放大器的放大示意圖;
圖5為放大器的有源光纖沿圖4中V-V線所取的截面;
圖6為在本發(fā)明所述的有源光纖芯線中隨波長(zhǎng)而變的光傳播系數(shù)曲線圖;
圖7為基于此發(fā)明的光纖部分的示意圖，表示兩芯線之間光能的周期變化曲線;
圖8為另一個(gè)實(shí)施例中在共同包覆層內(nèi)裝有直徑不同的放大芯線和衰減芯線的光纖構(gòu)造的截面;
圖9概略地表示圖8光纖的兩芯線的折射率曲線;
圖10表示圖8光纖的放大芯線的光譜增益曲線;
圖11表示圖8光纖的衰減芯線的衰減曲線;
圖12為兩芯線的耦合曲線圖13為能量傳輸曲線;
為了放大光通訊信號(hào)，適合采用由光纖制成的放大器;這些放大器的構(gòu)造由圖1作示意性的表示，其中標(biāo)號(hào)1指示有波長(zhǎng)為λs并由信號(hào)發(fā)射激光器2所產(chǎn)生的傳輸信號(hào)送入的光通訊光纖。
在經(jīng)過(guò)一定線路長(zhǎng)度之后會(huì)衰減的所述信號(hào)被送入雙色耦合器3，在此它在唯一的引出光纖4上混入波長(zhǎng)為λp并由泵浦激光發(fā)射器5所產(chǎn)生的泵浦信號(hào)。
與從耦合器引出的光纖4相連接的有源光纖6構(gòu)成信號(hào)放大元件，而后被引至線路光纖7以求延伸到其目的地。
為了制成構(gòu)成該裝置中放大元件的有源光纖6，根據(jù)此發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，采用摻有Er2O3的石英基質(zhì)光纖是適宜的，可以利用鉺的激光躍遷來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)傳輸信號(hào)的有效的放大。
所需的光纖折射率曲線可通過(guò)摻入氧化鍺或氧化鋁來(lái)方便地獲得。
如與這種特殊光纖有關(guān)并象征性地表示分散于光纖石英基質(zhì)內(nèi)的鉺離子的可供利用的能態(tài)的圖2示意圖所示，將具有短于傳輸信號(hào)波長(zhǎng)λs的泵浦波長(zhǎng)λp的光照能量引入有源光纖，可以使作為摻入物質(zhì)存在于光纖玻璃基質(zhì)內(nèi)的一定數(shù)量的Er3 +離子到達(dá)“受激”高能態(tài)8，以下稱為“泵浦”態(tài)，由此態(tài)離子自發(fā)衰變到作為激光發(fā)射能級(jí)的能級(jí)9。
在經(jīng)過(guò)自發(fā)躍遷到達(dá)基態(tài)10之前Er3 +離子可以在該激光發(fā)射態(tài)9停留相對(duì)較長(zhǎng)的時(shí)間。
已知從帶8至能級(jí)9的躍遷伴隨著散發(fā)到光纖之外的熱發(fā)射(聲子輻射)，而從能級(jí)9到基態(tài)能級(jí)10的躍遷則產(chǎn)生波長(zhǎng)相應(yīng)于激光發(fā)射能級(jí)9的能量值的光發(fā)射。
如果含有大量處于激光發(fā)射能級(jí)的離子的光纖有波長(zhǎng)與該發(fā)射能級(jí)相應(yīng)的信號(hào)通過(guò)，該信號(hào)使得所述離子在自發(fā)衰變之前通過(guò)雪崩現(xiàn)象發(fā)生從發(fā)射態(tài)至基態(tài)的受激躍遷，在有源光纖的輸出端產(chǎn)生大大放大了的傳輸信號(hào)發(fā)射。
在沒(méi)有傳輸信號(hào)的情況下，反映每種物質(zhì)不連續(xù)性質(zhì)的從激光發(fā)射態(tài)的自發(fā)衰變，增強(qiáng)了峰值在相應(yīng)于適用能級(jí)的不同頻率處的熒光強(qiáng)度。
具體地說(shuō)，如圖3或圖10所示，用于光放放大器的摻有Er3 +的Si/Al或Si/Ge型光纖，在1536毫微米波長(zhǎng)處有一高強(qiáng)度的窄發(fā)射峰，而在更長(zhǎng)波長(zhǎng)長(zhǎng)達(dá)大約1560毫微米處有一個(gè)區(qū)域，其中的發(fā)射盡管低于峰值區(qū)域的強(qiáng)度，仍具有高強(qiáng)度，形成一寬發(fā)射峰。
在有波長(zhǎng)相應(yīng)于1536毫微米處Er3 +發(fā)射峰的光信號(hào)引入光纖的情況下，會(huì)出現(xiàn)很強(qiáng)的信號(hào)放大作用，而由自的鉺發(fā)發(fā)射所產(chǎn)生的背景噪聲被抑制，使得光纖適用于供該波長(zhǎng)信號(hào)用的光放大器中。
為了產(chǎn)生信號(hào)，可以購(gòu)買并方便地采用具有典型的在1.52至1.57微米范圍內(nèi)的發(fā)射帶的半導(dǎo)體類(In、Ga、As)激光器前面已指出它們的生產(chǎn)方法不能保證所有成品都可進(jìn)行具有相應(yīng)于用作放大器的摻鉺光纖的窄發(fā)射峰的準(zhǔn)確頻率值的傳輸信號(hào)發(fā)射，相反卻可提供占很大百分比的信號(hào)處于與上面所述較低且較寬的發(fā)射峰相應(yīng)的鄰近所述窄發(fā)射峰的光纖發(fā)射曲線區(qū)域內(nèi)的成品。
由所述激光發(fā)射器所產(chǎn)生的信號(hào)在上面所述那種摻Er3+光纖放大器中不能被放大到足夠的增益，因?yàn)檫M(jìn)入有源光纖中的泵浦能量大部分被用來(lái)放大在放大器有源光纖內(nèi)部產(chǎn)生的與鉺在1536毫微米波長(zhǎng)處的自發(fā)發(fā)射有關(guān)的背景噪聲。
因此，鑒于與摻鉺光纖放大器配合采用上面那種激光發(fā)射器并且在整個(gè)生產(chǎn)容差范圍內(nèi)都予接受，也就是說(shuō)，總體而言，鑒于允許將特定類型的激光信號(hào)發(fā)射器與具有由從激光態(tài)自發(fā)躍遷所產(chǎn)生的強(qiáng)背景噪聲的熒光摻雜物配合使用，根據(jù)此項(xiàng)發(fā)明采取了措施來(lái)使用圖4和5截面圖所示的那種有源光纖，其中有兩根芯線，分別為11和12，包在同一包覆層13內(nèi)。
如圖4所示意性地表示的，有源光纖芯線11一端連接到由雙色耦合器引出的光纖4，另一端連接到線路光纖7，而光纖芯線12在有源光纖6的兩端處被截?cái)嗲也蛔髌渌B接。
光纖6兩芯線11和12制作得可使當(dāng)芯線11的摻雜物發(fā)射峰波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)一最大值(在餌的情況下在1536毫微米處)而其幅值由光纖內(nèi)相應(yīng)光傳播系數(shù)β1和β2如圖6所象征性地表示的依賴于波長(zhǎng)的變化曲線的走向在λ1和λ2之間所包括的范圍內(nèi)確定并且如圖3所示基本上對(duì)應(yīng)于產(chǎn)生噪聲的窄發(fā)射峰本身的幅值時(shí)，β1和β2可實(shí)現(xiàn)兩芯線11和12之間的光耦合。
通過(guò)對(duì)芯線的數(shù)值孔徑、直徑和間距作相應(yīng)的選擇，可選定適用于所需耦合的系數(shù)β1和β2。
作為說(shuō)明，在同一包覆層中兩不同芯線1和2之間的光能耦合P1和P2由下式表示P1(Z)＝1-Fsin2CZ 1)P2(Z)＝Fsin2CZ 2)其中F＝1/〔1-(Bd/C)2〕 3)C = 〔B2d+ N2〕 1/2 4)Bd＝(β1-β2)/2 5)N=S1S24a1a24·U1U2[V1V2]3/2·K0[W1d/a1]K1[W1]K1[W2]6]]>Si＝1-(ncl/nci)27)其中下標(biāo)1和2分別指示芯線1和2，C是耦合系數(shù)，ai是芯線i的芯線半徑，Si是芯線i的數(shù)值孔徑，βi是芯線i的傳播系數(shù)，nci和ncl分別是芯線i和光纖包覆層的折射率，d是芯線中心之間的間距，Vi、Ui和Wi為表征芯線i的參數(shù)。
通過(guò)認(rèn)真考慮以上參數(shù)的數(shù)值，有可能設(shè)計(jì)并制造出光耦合發(fā)生在以預(yù)定波長(zhǎng)為中心的狹窄的預(yù)定帶寬內(nèi)的雙芯光纖。
比如說(shuō)在用鉺作為芯線11的摻入物質(zhì)的情況下，兩芯線11和12的最佳耦合帶寬可以在λ1＝1530毫微米和λ2＝1540毫微米的范圍內(nèi)。以上內(nèi)容意味著在有源芯線11內(nèi)傳播并大體上構(gòu)成由鉺的自發(fā)發(fā)射所產(chǎn)生的“背景噪聲”的波長(zhǎng)接近1536毫微米的光，根據(jù)如1985年1月《美國(guó)光學(xué)學(xué)會(huì)學(xué)報(bào)》A第2卷第1期第84和90頁(yè)上所述的已知的耦合定律，是周期性地從芯線11傳向芯線12的。
在其中可出現(xiàn)如圖7所示的在耦合波長(zhǎng)處的從一芯線向另一芯線的完全的光能傳輸?shù)墓饫w長(zhǎng)度LB被稱為拍長(zhǎng)度并且取決于兩芯線的特性，具體地說(shuō)取決于其直徑、折射率、數(shù)值孔徑和相對(duì)間距。
而存在于芯線11中的傳輸信號(hào)其波長(zhǎng)λs卻不同于發(fā)生兩芯線11和12之間耦合的波長(zhǎng)，比如說(shuō)等于1550毫微米，因而所述信號(hào)被限定在芯線11之內(nèi)而不能被傳輸?shù)叫揪€12;以同樣的方式波長(zhǎng)為λp比如說(shuō)980毫微米或540毫微米的由耦合器3送入芯線11的泵浦光在芯線11中的傳播特性阻止了它傳送到芯線12，從而確保在后者之中沒(méi)有泵浦能量。
芯線11和12都含有摻入物質(zhì);具體地說(shuō)，此后也稱作“有源”或“放大”芯線的芯線11摻有鉺，而此后也稱作“無(wú)源”芯線的芯線12摻有某種在整個(gè)光譜或至少在如前面所述作為“噪聲”源的芯線11的摻雜物發(fā)射峰處具有高光吸收性能的，具體來(lái)說(shuō)當(dāng)餌被用作激光摻雜物時(shí)在大約1536毫微米處有峰值的物質(zhì)。
用于此目的的在光譜范圍內(nèi)具有高光吸收性能的物質(zhì)如在88304182.1號(hào)歐洲專利申請(qǐng)中所述，并且通常包括不同價(jià)的元素諸如Ti、V、Cr、Fe，處于其最低價(jià)態(tài)(TiⅢ、VⅢ、CrⅢ、FeⅡ)。
在特定波長(zhǎng)即在人們希望消除的“有源”芯線11的摻雜物發(fā)射峰的波長(zhǎng)處具有高光吸收性能的物質(zhì)當(dāng)中，采用與所述有源光纖相同的摻雜物是特別方便的;事實(shí)上加有充足的泵浦能量的熒光物質(zhì)在特定波長(zhǎng)處表現(xiàn)出一定的發(fā)射能力，而同一種物質(zhì)當(dāng)未加泵浦能量時(shí)會(huì)吸收波長(zhǎng)與有泵浦的發(fā)射相同的光。
具體地說(shuō)，在裝有摻鉺“有源”芯線11的情況下，第二芯線也可以方便地?fù)揭糟s。
以這種方式，因?yàn)殂s吸收曲線出現(xiàn)與其熒光或激光發(fā)射曲線相應(yīng)的增強(qiáng)，如圖3所示，結(jié)果在1536毫微米的受激發(fā)射峰處有一個(gè)波長(zhǎng)相同的相似的吸收峰。
結(jié)果，在有泵浦光的情況下由活性摻雜物(鉺)從較高激光能級(jí)9自發(fā)衰變所產(chǎn)生的在芯線間耦合波長(zhǎng)即1536毫微米處的熒光，當(dāng)產(chǎn)生出來(lái)時(shí)就被自動(dòng)傳輸?shù)叫揪€12;但它不會(huì)被從芯線12再傳輸?shù)狡渲杏袀鬏斝盘?hào)傳導(dǎo)的芯線11，因?yàn)樵谒鲂揪€12內(nèi)發(fā)生了輸入光的基本上是完全的衰減，這種光是被存在于其中的摻雜物吸收掉了。
因此無(wú)用波長(zhǎng)的發(fā)射被不斷地從芯線11中去除并散布于芯線12之中，以至它無(wú)法再回到芯線11而且無(wú)法在光纖11中通過(guò)抽取用于傳輸信號(hào)放大的泵浦能量并疊加于其上而得以放大。
因此根據(jù)此發(fā)明制成的光纖可在整個(gè)有源光纖長(zhǎng)度上進(jìn)行對(duì)出現(xiàn)在芯線11中的光的連續(xù)濾除、當(dāng)在1536毫微米處發(fā)射出的光子剛由E3 +r離子從激光發(fā)射能級(jí)的自發(fā)衰變產(chǎn)生出來(lái)時(shí)立即將它們吸收掉，從而阻它們?cè)诠饫w中前進(jìn)，那將導(dǎo)致在那個(gè)波長(zhǎng)處的進(jìn)一步衰變;因而所述光纖可以有基本上遍及芯線11的唯一的傳輸波長(zhǎng)和泵浦波長(zhǎng)。
從而傳輸波長(zhǎng)λs可以從在其中鉺具有一重要的激光發(fā)射值的整個(gè)范圍內(nèi)選出，比如說(shuō)在圖3所示的值λ2和λ3之間(象征性地對(duì)應(yīng)于大約1540-1570毫微米)，這使得用于傳輸信號(hào)發(fā)射的激光發(fā)射器可以自由選擇，而不會(huì)導(dǎo)致有關(guān)采用具有包括在寬得足以接受大多數(shù)商品半導(dǎo)體激光器(In、Ga、As)的容差范圍之內(nèi)的不同波長(zhǎng)的信號(hào)發(fā)射器的放大的性能差異。
可使兩芯線的耦合在所需波長(zhǎng)范圍內(nèi)得以實(shí)現(xiàn)的雙芯光纖的特性可以從前面提到的文章中得出。
存在于光纖有源芯線11中的餌的量根據(jù)所用放大光纖長(zhǎng)度上所需的增益來(lái)選定;換句話說(shuō)，有源光纖長(zhǎng)度選擇得可在現(xiàn)有鉺量的基礎(chǔ)上獲得既定的增益;作為光纖有源芯線11中的氧化物(Er2O3)的鉺的總含量按重量計(jì)可在10和1000ppm之間變化。
在“無(wú)源”或“衰減”芯線12中具有高光吸收性能的摻雜物的含量必須顧及拍波長(zhǎng)LB，使得芯線12中定義為在該長(zhǎng)度之后光纖能量被降低因數(shù)l/e的消光長(zhǎng)度L根據(jù)有關(guān)光能在衰減介質(zhì)中傳播的已知定律P＝Poe-αL〕
至少比拍波長(zhǎng)LB(與如圖7所示的在耦合波長(zhǎng)處從一芯線到另一芯線光能量的完全傳輸對(duì)應(yīng))低一個(gè)數(shù)量級(jí)L＜1/10LB;
芯線12的特性和光吸收摻雜物最好選擇得可以確定出比拍長(zhǎng)度低兩個(gè)數(shù)量級(jí)(百分之一)的消光長(zhǎng)度。
無(wú)源或衰減芯線12中的摻雜物含量可以等于或者高于放大芯線11中的含量，并可以高達(dá)10，000ppm或者更高，以至達(dá)到上面規(guī)定的限制。
摻入物質(zhì)可通過(guò)比如說(shuō)目前熟知的能確保滿意的質(zhì)量效果的所謂“固溶摻雜”方法或根據(jù)特殊要求通過(guò)其它也是熟知的方法混入光纖之中。
如圖5所示，光纖6最好具有為傳導(dǎo)光信號(hào)并接收泵浦光而設(shè)計(jì)的同軸裝設(shè)在光纖包覆層13內(nèi)的芯線11，而第二芯線12裝設(shè)在偏心位置。
以這種方式，根據(jù)圖4所示的示意圖，有源光纖6與光纖4和7之間的連接可以以傳統(tǒng)方式實(shí)現(xiàn)，而無(wú)需采用特殊方法，只需將光纖端頭面對(duì)面放置并使用傳統(tǒng)的連接設(shè)備通過(guò)控制它們的外表面使置于軸向位置的芯線11相應(yīng)地與光纖4和7的芯線對(duì)準(zhǔn)來(lái)完成光纖的校準(zhǔn)而沒(méi)有任何嚴(yán)重的連接損耗;處于偏心位置的芯線12不必與其它芯線連接，因而在雙芯光纖6的端頭處被截?cái)喽鵁o(wú)需進(jìn)一步的加工。
為了獲得最高的放大效率，最好芯線11為用于信號(hào)波長(zhǎng)和泵浦波長(zhǎng)的兩處的單模芯線，而芯線12也是至少用于λS處的單模芯線。
作為實(shí)例，已按圖1所示的示意圖制成了一個(gè)放大器，由一摻有Er3+的Si/Al型雙芯有源光纖6構(gòu)成，按重量計(jì)Er2O3的總含量為80ppm，以同等比例分布于兩芯線11和12中。
芯線11和12都具有下列數(shù)值a＝3.1微米 (半徑)S＝0.105 (數(shù)值孔徑)n1＝1.462 (折射率)d/a＝3.5 (兩芯線11和12的間距d與芯線半徑a之間比值，圖5)芯線11與光纖的外徑同軸，有源光纖長(zhǎng)30米。
采用一臺(tái)工作于528毫微米處功率為150毫瓦的氬離子激光器作為泵浦激光發(fā)射器5，而采用一個(gè)功率為1毫瓦發(fā)射波長(zhǎng)測(cè)定為1560毫微米的商品半導(dǎo)體激光器(In、Ga、As)作為信號(hào)激光發(fā)射器。
采用所述實(shí)驗(yàn)方案，在一被衰減到量值為0.5微瓦的輸入信號(hào)基礎(chǔ)上在放大器末端獲得了27分貝的增益。
在放大器輸入端用以模擬實(shí)用條件的信號(hào)衰減是用一可變衰減器來(lái)實(shí)現(xiàn)的。
在沒(méi)有信號(hào)的情況下在放大器末端測(cè)得量級(jí)為10微瓦的自發(fā)發(fā)射。這種構(gòu)成了由放大器產(chǎn)生的背景噪聲的發(fā)射對(duì)于被放大到高得多的量級(jí)(大約250微瓦)的信號(hào)來(lái)說(shuō)不算是嚴(yán)重的噪聲。
為作比較，使用同樣的傳輸信號(hào)發(fā)射器2，配以結(jié)構(gòu)與前面例子相同但采用摻有Er3+的Si/Al“階梯折射率”型的裝有單芯且芯線內(nèi)按重量計(jì)含有40ppm的Er3 +的有源光纖6;有源光纖長(zhǎng)30米。
加有波長(zhǎng)1560毫微米的傳輸信號(hào)的所述放大器表現(xiàn)出低于15分貝的增益，自發(fā)發(fā)射具有與輸出信號(hào)可比的量值。
在如圖8至13所示的另一個(gè)實(shí)施例中，光纖的構(gòu)造如下a1＝2微米S1＝0.196a2＝4.45微米S2＝0.135d/a1＝9其中芯線101為放大芯線，含有150ppm的Er2O3，而芯線102為衰減芯線，含有10，000ppm的Er2O3，埋設(shè)在共用的包覆層103內(nèi)。
芯線最好也摻有氧化鍺。
制成的光纖拉成125微米的標(biāo)準(zhǔn)外徑。芯纖101的參數(shù)可確保其第二模截止處低于980毫微米，使其在選定的泵浦波長(zhǎng)980毫微米處成為單模的。
圖10表示該光纖放大芯線的光譜增益曲線，具有一個(gè)比圖3中的峰更窄的主峰，而圖11表示衰減芯線的衰減曲線。
圖12表示方程5所用的隨波長(zhǎng)而變的芯線傳播系數(shù)基(即β1～β2)，表明傳播素?cái)?shù)相等處的同步波長(zhǎng)出現(xiàn)在1536毫微米處，亦即窄帶的峰值波長(zhǎng)處。
圖13表示芯線之間的能量傳輸效率(即方程3中的F)，并且還表示在1536毫微米處的峰值耦合而在以1550毫微米為中心的較寬增益帶內(nèi)各波長(zhǎng)處有明顯較弱的耦合。
圖8中的光纖的構(gòu)造(即含有不同直徑芯線的光纖)可以以窄帶來(lái)進(jìn)行濾光。
這是由于從芯線101向芯線102傳輸?shù)牟ㄩL(zhǎng)帶非常窄，并且通過(guò)帶(未衰減)和截止帶(衰減)的寬度之間的比值可以根據(jù)需要通過(guò)選擇兩芯線的相對(duì)直徑來(lái)設(shè)定。
這使得可以設(shè)計(jì)出其中截止帶寬度與放大芯線的餌增益峰寬度相符的芯線，以致噪聲源可以被完全消除，而不會(huì)使對(duì)放大有用的頻帶變窄。
在用摻有氧化鍺的光纖的情況下這種光纖為最佳，因?yàn)檫@種光纖具有可被消除而又不致降低傳輸信號(hào)帶內(nèi)增益的非常窄的增益峰。
圖5中的構(gòu)造(裝有相同直徑芯線的光纖)可以以寬帶來(lái)進(jìn)行濾光，具有寬度相近的通過(guò)帶(未衰減)和截止帶(衰減)。
具有圖5中那種構(gòu)造的光纖制造起來(lái)可以比裝有不同直徑芯線的光纖更容易;這種光纖最好能與裝有著摻有氧化鋁的芯線并且具有如圖3所示比摻有氧化鍺的光纖更寬的餌的主增益峰的光纖一起使用。
在這些光纖中衰減芯線的截止帶寬度接近餌的主峰寬度，將引起噪聲。
此發(fā)明的光纖構(gòu)造可以通過(guò)將芯線線材插入用超聲方法在高純度石英或其它軟玻璃的包覆線材上鉆出的通孔中來(lái)制成。
用于放大芯線線材的鉆孔是與包覆線材外圓同心的，而用于衰減芯線線材的鉆孔平行于用于放大芯線的鉆孔但偏離包覆線材軸線一預(yù)定距離。
芯線線材可以用固溶摻雜方法或用從適當(dāng)?shù)膿诫s軟玻璃的熔料中“抽”出的軟玻璃線材來(lái)制成。當(dāng)采用固溶摻雜方法來(lái)制造芯線線材時(shí)，芯線線材的直徑可以用浸蝕或機(jī)械加土來(lái)控制。
用另外一種方法可以制成由包著放大芯線的包覆玻璃構(gòu)成的預(yù)制材，并將衰減芯線插入在預(yù)制材包覆玻璃上用超聲方法鉆出的通孔內(nèi)。
如從以上例子可以看出的，由于在有波長(zhǎng)為1560毫微米的信號(hào)的情況下采用單芯光纖的放大器表現(xiàn)出較低的增益，還會(huì)引起使信號(hào)接收發(fā)生困難的噪聲，以至所述放大器實(shí)際上是無(wú)用的，根據(jù)此發(fā)明采用有源光纖的放大器，正如從最初提到的例子中明顯可見(jiàn)的，業(yè)已證明它有在同樣1560毫微米波長(zhǎng)的信號(hào)的情況下提供高放大增益的能力，而引起的背景噪聲可忽略不計(jì)。
因此在通訊線路中采用根據(jù)此發(fā)明制成的放大器使得所述線路能夠傳輸由商品激光發(fā)射器產(chǎn)生的傳輸信號(hào)，對(duì)這些發(fā)射器可采用寬的生產(chǎn)容差并且同時(shí)可確?；旧虾愣ǖ姆糯笮阅芏灰蕾囉谒眯盘?hào)發(fā)射器的實(shí)際發(fā)射值。
可以作出許多改動(dòng)而并不偏離此項(xiàng)發(fā)明由其總體特性所決定的范圍。
權(quán)利要求
1.一種具有寬信號(hào)帶的光放大器，特別用于處理預(yù)定波長(zhǎng)帶內(nèi)傳輸信號(hào)的光纖通訊線路中(1)，包括一個(gè)雙色耦合器用以將傳輸信號(hào)和光泵浦能量同時(shí)傳至其唯一的輸出光纖中，以及一個(gè)含有熒光摻入物質(zhì)的有源光纖，一端聯(lián)接雙色耦合器的輸出光纖，另一端聯(lián)接用以接收和傳輸放大信號(hào)的通線路光纖，其特征在于，有源光纖(6)整個(gè)由共用包覆層(13，103)中的兩芯線(11和12，101和102)構(gòu)成，其中前一芯線(11，101)為含有在包括傳輸信號(hào)波長(zhǎng)帶在內(nèi)的波長(zhǎng)范圍中有熒光激光發(fā)射摻雜質(zhì)并一端與所述由雙色耦合器引出的光纖而另一端與所述通訊線路光纖光學(xué)連接的有源或放大芯線，而有源光纖的另一芯線(12，102)為衰減芯線并含有用來(lái)吸收光能的物質(zhì)而且在端頭處被截?cái)?，兩芯線在一包括在第一芯線激光發(fā)射波長(zhǎng)范圍內(nèi)且不同于傳輸信號(hào)帶的波長(zhǎng)帶中相互光耦合。
2.權(quán)利要求1所述寬信號(hào)帶光放大器，其特征在于有源光纖(6)中第二芯線(12，102)含有在第一芯線摻雜物的激光發(fā)射范圍內(nèi)具有高光吸收性能的摻雜物。
3.權(quán)利要求2所述寬信號(hào)帶光放大器，其特征在于第二芯線(12，102)中具有高光吸收性能的摻雜物含有與存在于第一芯線(11，101)中的相同的熒光物質(zhì)。
4.權(quán)利要求1所述寬信號(hào)帶光放大器，其特征在于第二芯線(12，102)中的摻入物質(zhì)是從至少部分地處于它們的最低價(jià)態(tài)的鈦、釩、鉻或鐵中選出的在整個(gè)光譜范圍內(nèi)具有高光吸收性能的物質(zhì)。
5.權(quán)利要求1所述寬信號(hào)帶光放大器，其特征在于在第二芯線(12，102)中具有高光吸收性能的摻雜物含量和光纖芯線(11和12，101和102)的耦合特性相配合，使得它們能在第二芯線內(nèi)產(chǎn)生在選定的芯線耦合帶中小于耦合芯線之間拍長(zhǎng)度的1/10的衰減長(zhǎng)度。
6.權(quán)利要求1所述寬信號(hào)帶光放大器，其特征在于存在于第一芯線(11，101)中的熒光摻入物質(zhì)為。
7.權(quán)利要求5所述寬信號(hào)帶光放大器，其特征在于是兩芯線(11、12;101，102)在1530和1540毫微米之間的波長(zhǎng)范圍內(nèi)相互光耦合。
8.權(quán)利要求1所述寬信號(hào)帶光放大器，其特征在于第一芯線(11，101)設(shè)置得與光纖外表面成同軸關(guān)系，并與由二向色耦合器引出的光線芯線以及放大器所連接的通訊線路光纖芯線對(duì)準(zhǔn)，而第二芯線(12，102)在其端頭處與所述光纖的包覆層相遇。
9.權(quán)利要求1所述寬信號(hào)帶光放大器，其特征在于兩光纖芯線(11和12，101和102)中至少有源光纖(11，101)在傳輸波長(zhǎng)和泵浦波長(zhǎng)處能保證光的單模傳播。
10.權(quán)利要求1所述光放大器，其特征在于有源光纖(6)比其兩耦合芯線(11和12，101和102)在選定的光芯線耦合帶內(nèi)的拍長(zhǎng)度的一半更長(zhǎng)。
11.一種含有熒光摻入物質(zhì)的雙芯有源光纖(6)，專門用于供光通訊線路用的光放大器中，其特征在于它有在共用包覆層內(nèi)間距均勻的兩個(gè)光耦合芯線(11和12，101和102)，其中前者(11，101)為放大芯線并含有在某波長(zhǎng)范圍可受激發(fā)射的熒光摻入物質(zhì)而且被連接到同時(shí)載有通訊信號(hào)和光泵浦能量的光纖上，而第二芯線(12，102)為衰減芯線并含有具有高光吸收性能的摻入物質(zhì);兩芯線的最大光耦合出現(xiàn)在包括第一芯線的所述受激發(fā)射范圍內(nèi)而又不同于通訊信號(hào)帶的波長(zhǎng)帶中。
12.權(quán)利要求11所述含有熒光摻入物質(zhì)的雙芯光纖，其特征在于第二芯線(12，102)中具有高光吸收性能的摻雜物含有與存在于第一芯線(11，101)中的相同的熒光物質(zhì)。
13.權(quán)利要求11所述光纖，其特征在于第二芯線(12，102)中的摻入物質(zhì)是從至少部分地處于它們的最低價(jià)態(tài)的鈦、釩鉻或鐵中選出的在整個(gè)光譜范圍內(nèi)具有高光吸收性能的物質(zhì)。
14.權(quán)利要求11所述光纖，其特征在于在第二芯線(12，102)中具有高光吸收性能的摻雜物含量和光纖芯線的耦合特性相配合，使得它們能在第二芯線(12，102)中產(chǎn)生在選定的芯線耦合帶中小于耦合芯線之間拍長(zhǎng)度的1/10的衰減長(zhǎng)度。
15.權(quán)利要求11所述光纖，其特征在于存在于第一芯線(11，101)中的熒光摻入物質(zhì)為稀土摻雜物。
16.權(quán)利要求15所述光纖構(gòu)造，其中所述放大芯線摻有。
17.權(quán)利要求16所述光纖構(gòu)造，其中所述放大芯線含有10至1000ppm的Er2O3。
18.前面權(quán)利要求中任何一個(gè)所述光纖構(gòu)造，其中所述衰減芯線含有超過(guò)5000且最好為大約10，000ppm的Er2O3。
19.前面權(quán)利要求中任何一個(gè)所述光纖構(gòu)造，其中放大芯線的直徑等于衰減芯線直徑。
20.前面權(quán)利要求中任何一個(gè)所述光纖構(gòu)造，其中放大芯線(101)的直徑小于衰減芯線(102)的直徑。
21.權(quán)利要求16所述光纖，其特征在于兩芯線(11和12)在1530和1540毫微米之間相互光耦合。
22.權(quán)利要求11所述光纖，其特征在于第一芯線(11，101)設(shè)置得與光纖外表面成同軸關(guān)系。
23.權(quán)利要求11所述光纖，其特征在于至少兩光纖芯線(11和12，101和102)之一在傳輸波長(zhǎng)和泵浦波長(zhǎng)處能保證光的單模傳播。
24.制造如權(quán)利要求1-23中任何一個(gè)所述光纖構(gòu)造的方法，包括將相應(yīng)的芯線線材插入在包覆線材上用超聲方法鉆出的通孔之中以制成預(yù)制材。
25.制造如權(quán)利要求1-23中任何一個(gè)所述光纖構(gòu)造的方法，包括制成用包覆玻璃制的包著用作放大芯線的玻璃的預(yù)制材，并將用作衰減芯線的芯線線材插入在預(yù)制材包覆玻璃上用超聲方法鉆出的通孔之中。
全文摘要
此發(fā)明涉及一種光放大器，特別用于光纖通訊線路(1)，處理預(yù)定波長(zhǎng)范圍內(nèi)的傳輸信號(hào)，該放大器裝有摻有餌的熒光有源光纖(6)，其中有兩個(gè)芯線(11和12∶101和102)，一個(gè)(11，101)連接光纖(4)，其中多路傳送需放大的傳輸信號(hào)和光泵浦能量和用來(lái)傳輸已放大的信號(hào)的引出光纖，而第二芯線(12，102)與第一芯線光耦合并且能吸收構(gòu)成噪聲源的餌的自發(fā)發(fā)射，使得信號(hào)可以在基本上相應(yīng)于商品激光信號(hào)發(fā)射器容差范圍的波長(zhǎng)范圍內(nèi)被放大。
文檔編號(hào)H01S3/067GK1049434SQ9010695
公開(kāi)日1991年2月20日 申請(qǐng)日期1990年8月10日 優(yōu)先權(quán)日1989年8月11日
發(fā)明者格里高里·格拉索, 保爾·勞倫斯·斯克里溫內(nèi)爾, 安德魯·保爾·阿普雷德 申請(qǐng)人:卡維·皮雷利公司