專利名稱：具有雙芯部分的寬信號波長帶有源光纖放大器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種含有激光發(fā)射摻雜物的光纖。它適于用來對在光纖中發(fā)送的傳輸信號進行放大，以及用來消除光纖因自發(fā)發(fā)射產(chǎn)生的波長不合適的輻射。
人們知道，其芯部摻有特殊物質(zhì)，如稀土離子的光纖具有受激輻射特點，適于用來做激光光源和光放大器。
這種光纖實際上可加一特定波長的光源，這一光源可以使摻雜物質(zhì)的原子處于受激能態(tài)，或稱泵激態(tài)。這些原子本身會在一很短的時間內(nèi)從所述泵激態(tài)自發(fā)衰變到一激光發(fā)射態(tài)，并在這一狀態(tài)保持相對較長的時間。
當(dāng)一根具有大量處于這種受激態(tài)的發(fā)射能級原子的光纖中有一波長對應(yīng)于這種激光發(fā)射態(tài)的光信號通過時，該信號會引起受激原子向較低的能級躍遷，并伴有波長與該信號相同的光發(fā)射，這樣一根這種類型的光纖就可用來得到一種光信號的放大。
從受激能態(tài)開始，原子的衰變也會自發(fā)產(chǎn)生。這種自發(fā)衰變產(chǎn)生隨機發(fā)射，它構(gòu)成迭加在與放大信號對應(yīng)的受繳發(fā)射上的“背景噪聲”。
由于對摻雜的、或有源的光纖引入光泵激能量而產(chǎn)生的光發(fā)射可以出現(xiàn)在幾個波長上，典型的是在摻雜物的波長上，這樣便產(chǎn)生了光纖的熒光光譜。
以通過上述這種光纖獲得最大的信號放大和高信/噪比為目的，在光遠(yuǎn)程通訊中，通常采用一個由激光發(fā)射器產(chǎn)生的信號，其波長對應(yīng)于含有所采用的摻雜物質(zhì)的光纖的熒光光譜曲線峰值。
具體對于光學(xué)遠(yuǎn)程通訊信號來說，采用其芯部摻有鉺離子(ER)的光纖是方便的，但鉺的熒光光譜，在感興起的波長范圍內(nèi)有一個特別窄的發(fā)射尖峰。因此這使它作為激光發(fā)射器的傳輸信號源使用時工作在一個具有有限容差的特定波長上，因為在這個容差范圍以外的信號不能得到充分放大。而在這一尖峰波長上會發(fā)生很強的自發(fā)發(fā)射，從而構(gòu)成背景噪聲，這會使傳輸質(zhì)量劇烈惡化。
另一方面，具有上述特性的，即工作于鉺發(fā)射尖峰的激光發(fā)射器制造困難，制造成本很高。而通常工業(yè)生產(chǎn)提供的激光發(fā)射器，如半導(dǎo)體激光器(錮、鎵、砷)，具有適用于遠(yuǎn)程通訊的幾種特點。但它們對于發(fā)射波長有相當(dāng)寬的容差，那種能在上述峰值波長上進行發(fā)射的激光發(fā)射器的數(shù)量就很有限了。
在某些應(yīng)用中，如海底進程通訊線路中可在采用工作于特定波長值的傳輸信號發(fā)射器。這種發(fā)射器可以通過在例如商業(yè)化生產(chǎn)的激光器中精選獲得，從而只挑選那些在放大器光纖的激光發(fā)射尖峰的很小區(qū)域內(nèi)發(fā)射的激光器。而對于其它線路，如市政通訊線路，由于安裝費用顯得特別重要，上述這種過程從經(jīng)濟上看是不能接受的。
例如，摻入鉺的允許激光發(fā)射的光纖在峰值1536nm附近發(fā)射;它在該峰值的5nm范圍內(nèi)具有高強度發(fā)射，并在同一波長范圍內(nèi)可用來進行信號放大;然而，可用于發(fā)射的商品生產(chǎn)的半導(dǎo)體激光器的發(fā)射波長值范圍通常是1520-1570nm。
這樣，可以看到相當(dāng)大量的這種工業(yè)生產(chǎn)的激光器都超出了用鉺實現(xiàn)放大所適合的范圍，因此不能用來在配備上述這種鉺放大器的線路中產(chǎn)生遠(yuǎn)程通訊信號。
但是，眾所周知，摻鉺光纖具有一個高強度的發(fā)射光譜區(qū)，在接近上面所述的峰值波長范圍內(nèi)強度大體不變，其寬度是以包括上述感興趣的商品激光器發(fā)射范圍的一大部分;但在這種光纖中，對于遠(yuǎn)離最大發(fā)射光峰波長的信號所能進行的放大很大限，而在光纖中從激光發(fā)射態(tài)進行的自發(fā)躍遷不斷在光譜的峰值波長長，1536nm，上形成發(fā)射，產(chǎn)生背景噪聲。這種背景噪聲沿光纖長度方向行進時將會被進一步放大并疊加在有用信號上。
如上所述，為了，用摻雜鉺的有源光纖對商品類型的半導(dǎo)體激光發(fā)射器而產(chǎn)生的遠(yuǎn)程通訊信號進行放大，需要濾除沿有源光纖長度方向上鉺的自發(fā)射峰發(fā)射，從而使這種在不想要的波長上的發(fā)射不致占用信號放大的泵激能量，同時不把背景噪聲疊加的信號上去。
為此目的，可以采用一種有兩根芯線的有源光纖，在其中一根芯線中發(fā)送傳輸信號和泵激能量，在另一根芯線中有一種光吸收摻雜物質(zhì);如果兩根芯線在自發(fā)發(fā)射的尖峰波長實現(xiàn)光耦合，自發(fā)發(fā)射的尖峰波長的光信號就會轉(zhuǎn)移到第二芯線，在第二芯線中被吸收，而不會過來疊加在傳輸信號的波長上。
這樣一種光纖見于同一申請人的意大利專利申請(No.22654A/89)。該光纖對不需要的波長進行有效濾除，但對在某些要受到機械或熱應(yīng)力作用情況下，特別是對于芯線的扭絞狀態(tài)，會遇到芯線間光耦合性能的變化，同時轉(zhuǎn)移到第二根吸收芯線的波長值會改變。
這樣便引起了能否使用有源光纖，便它與商品類型的傳輸信號激光發(fā)射器相結(jié)合用到激光發(fā)射器中，而不出現(xiàn)明顯的質(zhì)量上的限制的問題，同時這種有源光纖對于在放大器制造過程中作用其上的或在鋪設(shè)過程中放大器在線路中的工作狀態(tài)下出現(xiàn)的變形應(yīng)力和狀態(tài)基本上不敏感。
本發(fā)明的目的在于提供一種摻雜光纖放大器，該放大器可以在一個足夠地擴展了的波長范圍內(nèi)提供令人滿意的放大，這種波長范圍適于采用商品激光器，這種放大器消除了材料在無用波長上的構(gòu)成傳輸信號高強度背景噪聲的自發(fā)發(fā)射，并在工作狀態(tài)期間保持這一性能穩(wěn)定。
本發(fā)明的目的在于提供一種寬信號帶光放大器，特別是用于以預(yù)定波長帶的傳輸信號進行工作的光纖遠(yuǎn)程通訊線路的光放大器。它包括一個分光耦合器，適于多路地把傳輸信號和光泵激能量傳輸?shù)揭粏胃龉饫w中;和一個含有一種熒光摻雜物質(zhì)的有源光纖，它與分光耦合器的輸出光纖相連接并連接一根適于接收和發(fā)送放大信號遠(yuǎn)程通訊線路光纖;其特征在于有源光纖的各部分都是由具有雙芯的光纖構(gòu)成，第一根芯線光學(xué)地連接有源光纖其余的芯線，而另一芯線在其端頭處截斷。兩根芯線以包括在第一芯線的激光發(fā)射波長范圍內(nèi)的，不同于傳輸信號帶波長的波長帶光學(xué)地耦合在一起。
在一個最佳實施例中，有源光纖的雙芯部分的第二芯線含有的摻雜物質(zhì)在有源光纖摻雜物質(zhì)的激光發(fā)射范圍內(nèi)具有高的光吸收性;第二芯線的具有高光吸收性的摻雜物質(zhì)可以方便地由有源光纖中的在的同一熒光物質(zhì)構(gòu)成。
雙芯光纖的每一部分中第一芯線可以含有一種熒光摻雜物質(zhì)，作為另一選擇，也可以不含任何熒光摻雜物質(zhì)。
在任何情況下，有源光纖中至少是在其單芯部分內(nèi)的熒光摻雜物最方便是用鉺。
根據(jù)另一實施例，第二芯線中的摻雜物質(zhì)可以是從鈦、釩、鉻或鐵中選取的，至少是部分地處于其低價態(tài)的，對整個光譜都有高的光吸收性的一種物質(zhì)。
雙芯光纖每段的長度等于或大于芯線間以選定的耦合帶實現(xiàn)耦合的芯線間差拍長度(beating length)。
具有第二芯線的高光吸收性的摻雜物質(zhì)其成分與光纖芯線的耦合特性相關(guān)聯(lián)，從而決定了在第二芯部中粹熄長度(quench-ing length)小于耦合的芯線間差拍長度(beat-ing length)的十分之一。
在本發(fā)明的一個特殊實施例中，第二芯線沒有任何光吸收摻雜物，且雙芯光纖的每一部分具有等于一個差相長度的整數(shù)倍的長度，容限差為差拍長度本身的10%。
在有源光纖的熒光摻雜物為鉺的情況下，雙芯光纖部分的兩個芯線在1530-1540nm之間光學(xué)地耦合在一起。
雙芯光纖的每一部分的第一芯線與光纖的外表面同軸配置，并對準(zhǔn)有源光纖其余部分的芯線和連接放大器的光纖芯線。而第二芯部的端頭對著光纖本身的包覆層。
至少光纖的兩個芯線的第一芯線適于用來進行傳輸波長上的和泵激波長上的單模光傳送。
有源光纖在兩個相繼的雙芯部分之間有含熒光摻雜物的光纖段，其長度不大于對應(yīng)雙芯光纖部分的芯線間的耦合波長可獲得的15dB最大增益的長度，對應(yīng)的增益最好在1-5dB之間。
至少有源光纖的一個端頭是由一般雙芯光纖構(gòu)成。
雙芯光纖部分可以機械地彎曲成一個弧形，以便根據(jù)芯線間耦合波長進行精密的調(diào)整。
為了使用方便，雙芯光纖的各部分都剛性地固定在各自的一個托板上，在工作狀態(tài)下實際不會有形變。
另外，雙芯光纖的每一部分都以對應(yīng)于芯線間理想耦合波長帶的曲率條件剛性地固定在各自的托板上。
通過以下對本發(fā)明的說明并參考附圖可以更詳細(xì)地了解本發(fā)明。


圖1為一種采用有源光纖的光放大器;
圖2為可用在圖1所示的放大器上的適于產(chǎn)生受激發(fā)射的那種光纖的能量躍遷圖(激光);
圖3為由硅摻雜鉺Er材料制成的光纖的受激發(fā)射曲線圖，圖4為根據(jù)本發(fā)明的光放大器的一個放大了的示意圖;
圖5為圖4沿平面V-V截得的放大器的有源光纖;
圖6為根據(jù)本發(fā)明的有源光纖芯線中光傳播常數(shù)與波長的關(guān)系曲線。
圖7為根據(jù)本發(fā)明的有源光纖的部分，它包括一個雙芯段;并表示一根芯線與另一芯線間對耦合波長的光能量轉(zhuǎn)移曲線，圖8為根據(jù)本發(fā)明的有源光纖的部分，它包括一個雙芯段，其長度等于一個差拍長度。
圖9為根據(jù)本發(fā)明的一個放大器的光纖的一部分，這部分光纖有一些其曲率固定的雙芯段。
為了實現(xiàn)對遠(yuǎn)程通訊的光纖中的信號進行放大的目的，可以方便地采用光纖放大器;這種放大器由圖1示意地表示出，其中標(biāo)號為1的是一遠(yuǎn)程通訊用的光纖，沿這根光纖發(fā)出一個由激光信號發(fā)射器2產(chǎn)生的，波長為λ的傳輸信號;經(jīng)過一定長度的線路后衰減了的這一信號送到一個分光耦合器3，在這里對單輸出光纖4并入了一個由泵激繳光發(fā)射器與產(chǎn)生的、波長為λ的泵激信號;與離開耦合器的光纖4相連接的一段有源光纖(整體用標(biāo)號6表示)構(gòu)成了信號放大部件，然后這段光纖被引向線路光纖下以繼續(xù)通向其目的地。
為了實現(xiàn)這種能構(gòu)成單元放大部件的有源光纖6，根據(jù)本發(fā)明的一個最佳實施例，采用一種硅制成的其芯部摻雜液化ErO的光纖是很方便的，這種光纖可以利用鉺的激光躍遷對傳輸信號產(chǎn)生很好的放大作用。
關(guān)于含有所述這種類形的摻雜物的一根光纖，如圖2所示，該圖形象地表示了光纖的硅基中液態(tài)鉺離子的能量狀態(tài)情況，對有源光纖引入一個具有小于傳輸信號波長λ的泵激波長λ的光源會導(dǎo)致作為光纖中摻雜物質(zhì)的一定數(shù)量的Er離子處于受激能態(tài)8，此后稱為泵激帶，這些離子又從這一能態(tài)自發(fā)衰變到能級9，能級9構(gòu)成了一個激光發(fā)射能級。
在這種激光發(fā)射能級9，Er離子可以保持一段相對長的時間，然后會自發(fā)躍遷到基位能級10。
正如已經(jīng)知道的那樣，從能帶8到能級9的躍遷伴隨著熱的發(fā)出，這種熱能擴散到光纖之外(聲子輻射)，而能級9至基位能級10的躍遷會產(chǎn)生一種光的發(fā)射，其波長對應(yīng)于激光輻射的能值9;如果一根含有大量處于這種激光發(fā)射能級的離子的光纖中通過一個具有對應(yīng)該發(fā)射能級的波長的信號，則該信號就會使離子在激發(fā)衰變之前，產(chǎn)生從發(fā)射態(tài)到基態(tài)的受激躍遷，并伴隨著雪崩效應(yīng)，這樣在有源光纖的輸出端就發(fā)射出一個極大地放大了的傳輸信號。
在沒有傳輸信號時，激光發(fā)射態(tài)的自發(fā)衰變是以離散的數(shù)量進行的，并對各種物質(zhì)是特有的，這種衰變產(chǎn)生具有對應(yīng)各可能的能級的各種頻率尖峰的光強度;具體地，如圖3所示，適于用在光放大器中的摻有Er的I/A型或Si/Ge型的光纖在波長1536nm處具有一個高強度發(fā)射尖峰，而對于直至1560nm的那些更長波長存在一個強度仍然很高的發(fā)射區(qū)域，但另一方面這一區(qū)域的強度比尖峰區(qū)的強度低。
當(dāng)出現(xiàn)了引入光纖的波長對應(yīng)E發(fā)射峰值，即1536nm的光信號時，該信號會被很強地放大，而由于鉺的自發(fā)發(fā)射產(chǎn)生的背景噪聲則是保持在有限的強度，這就使這種光纖適用于可對具有這一波長的信號進行放大的光放大器。
至于該信號的產(chǎn)生，商業(yè)上可選用且使用上方便的是些半導(dǎo)體型(In、Ga、As)激光器，它們的典型的發(fā)射帶為1.52-1.57um這就是說生產(chǎn)技術(shù)尚不能保證所有生產(chǎn)出的器件都能在某一特定波長值，即對應(yīng)放大器用摻鉺光纖的發(fā)射峰值，進行傳輸信號的發(fā)射。與之相反，所提供的器件中很大一個百分比所發(fā)射信號是落在上述發(fā)射尖峰附近的一段光纖發(fā)射曲線的區(qū)間內(nèi)。
這種激光發(fā)射器所產(chǎn)生的信號無法在上面所述的摻E光放大器中得到具有足夠增益的放大，因為引入有源光纖的泵激能源大部分被用來對放大器有源光纖自內(nèi)部在波長約為1536nm處的鉺自發(fā)發(fā)射產(chǎn)生的背景器聲進行放大。
因此，為了結(jié)合摻鉺光纖放大器使用上述類型的激光發(fā)射器，在足夠?qū)挼纳a(chǎn)容差范圍內(nèi)接受這些激光器從而使費用便宜，即，一般來說為了結(jié)合熒光摻揉物質(zhì)(它們從激光態(tài)的自發(fā)躍遷會產(chǎn)生高背景噪聲)而允許使用特定類型的激光信號發(fā)射器，本發(fā)明提供了如圖4所示的一種有源光纖它包括一些包覆在同一外包覆層14內(nèi)的具有兩根芯線12和13的部分11，這些部分與單芯光纖部分15交替出現(xiàn)。
在每個雙芯光纖部分11，芯線12與單芯光纖15的鄰接部分16連接，并在有源光纖的端頭分別連接到離開分光耦合器的光纖4和線路光纖7，這條芯線傳導(dǎo)傳輸信號;芯線13，或者說第二芯線在每段雙芯光纖部分11的兩端截斷，并且沒有進一步的連接。
光纖部分11的兩條芯線12和13實現(xiàn)了這樣的結(jié)果光纖中它們各自的光傳遞常數(shù)β和β(β和β隨波長的變化曲線示于圖6)在熒光摻雜物的最大發(fā)射尖峰波長處，具體對鉺來說是1536nm處并在一個從λ到λ的范圍內(nèi)如同實現(xiàn)了兩條芯線12和13間的光耦合，其幅值取決于相交區(qū)域λ和λ處的典線斜率并且實際對應(yīng)于如圖3所示的產(chǎn)生背景噪聲的發(fā)射尖峰幅值。
在采用鉺作的為芯線16的摻雜物質(zhì)的情況下，兩條芯線12和13間的較佳耦合范圍可以是從λ＝1530至λ＝1540nm。
這就是說，與傳輸信號一起在芯線12中傳播的并且實際上由于鉺的自發(fā)發(fā)射構(gòu)成背景噪聲的波長約為1536nm的光會按已知的光耦合定律周期性地從芯線12向芯線13傳遞。所述的光耦合定律見于，例如，美國光學(xué)協(xié)會期刊1985年1月第一期，A/Vol.2的第84頁至第90頁。
如圖所示，兩根芯線間的光耦合波長上的光強度基本上是按正弦曲線分布在兩根芯線之間的，在其中一根光纖的一個點上達到100%，在一個長度L(該長度移為差拍長度beating length)后在另一根光纖中達到100%。而在光纖的普通段，光的強度在同段光纖的兩根芯線間分布。
另一方面，在芯線12中的傳輸信號具有一個波長λ，它不同于兩根芯線12和13間出現(xiàn)耦合的波長(例如，等于1550nm)。這樣，它就被限定在芯線12中，而不傳遞到芯線13中;以同一方式，由耦合器3向芯線16提供的波長λ為，例如，980或540nm的泵激光在光纖段11中具有恒定的傳播，排除了通向芯線13的通道，這樣保證了泵激能量不丟失。
芯線13除了含有決定其理想折射率分布的摻雜物質(zhì)外，最好含有一種摻雜物，它由一種對整個光譜或至少對芯線16的摻雜物質(zhì)的發(fā)射尖峰(如前所述，這是一種噪聲源)，在采用鉺作為激光摻拔物質(zhì)情況下具體說是在1536nm的尖峰處有高的光吸收性的材料構(gòu)成。
適合此目的的，對整個光譜都具有一個高光吸收性的物質(zhì)敘述于，例如，歐洲專利申請No.88304182.4中。這種物質(zhì)一般說來包括處于低價態(tài)(Ti、V、Cr、F、)的可變價元素，例如Ti、Vi、Cr、Fe。
在對某一特定波長，即要消除的放大光纖15中芯線16的摻雜物質(zhì)的發(fā)射尖峰波長具有一高光吸收性的物質(zhì)中，采用與上述有源芯線同樣的摻雜物質(zhì)特別方便;事實上，提供了足夠的泵激能量的熒光物質(zhì)可對一個特定波長表現(xiàn)出一定的發(fā)射性，而未提供泵激能量的同一物質(zhì)則會吸收與有泵激時產(chǎn)生的發(fā)射波長相同的波長的光。
具體地對于一根摻鉺芯線16，光纖部分11的第二芯線13也可以方便地?fù)姐s。
按這種方法，由于鉺的吸收曲線與圖3所示的它的熒光或激光發(fā)射曲線相似，在受激發(fā)射尖峰，即在1536nm處有一個對同一波長的吸收尖峰。
這樣，傳遞到芯線13的處于芯線間耦合波長，即1536nm處的熒光不會再次傳遞回引導(dǎo)傳輸信號的芯線12，因為在芯線13中被摻雜物質(zhì)吸收的引入光實際上可以完全衰耗掉。
這樣，在芯線16中出現(xiàn)的在不需要的波長上的發(fā)射可以在其變得過強之前引入到光纖部分11，在這段光纖中，它可被從芯線12抽取并擴散到芯線13中，因此，它不會在由芯線12引到放大光纖15后序部分的芯線16的傳輸信號的放大中取走泵激能量，同時不會迭加在信號上。
根據(jù)本發(fā)明的這一目的，有必要使放大光纖與在如圖4所示的位于一個雙芯光纖段之前的光纖段F具有有限的長度，從而避免背景噪聲過大地增加;這一長度取決于光纖本身的特性，簡單地說就是取決于其增益根據(jù)本發(fā)明的放大器在芯線間的合波長，具體地在1536nm處提供的長度F可以確定一個小于15dB的最大增益，它最好在1-5dB范圍內(nèi)。
光纖11的芯線12可以不含任何熒光摻雜物質(zhì)，整個放大增益就靠光纖部分15，或者，芯線12可以含有與芯線16相同的摻雜物質(zhì)。
雙芯光纖段的長度La比上面提到的差拍長度L要長;另外，其中的具有高光吸收性的摻雜物質(zhì)的含量要能決定光纖的芯線13的淬熄長度L，該長度至少小于差拍長度L的一個數(shù)量級L＜1/10L，(見于衰減介質(zhì)中光強度的傳播定律p＝pe其中α是取決于光纖衰減特纖特征并且實質(zhì)上取決于其中的摻雜量的分?jǐn)?shù)。在光纖的一段長度L后，光纖中的光能量下降一個固子1/e);芯線13的特性最好具有小子精拍長度L兩個數(shù)量級大小的淬熄長度L。
芯線13也可以不含任何衰減摻雜物質(zhì);在這種情況下，如圖8所示，雙芯光纖段11必須有一個長度L＝L，從而在第二芯線13的端部是具要消除的波長的光強度完全傳遞到芯線13內(nèi)部，這樣在與光纖15銜接處，它消失在光纖15本身的包覆層中。
這樣一種結(jié)果是方便的，因為除了引入用以決定其折射率分布的摻雜物質(zhì)外，可以避免在雙芯光纖中引入另外的摻雜物質(zhì)。但是另一方面，這要求在測量的切口處和部分11與其余的有源光纖的連接處對于差拍長度L的正負(fù)容差不大于L的10%，以保證在銜接處芯線12中基本沒有噪聲。
對小于幾厘來的差柏長度L，這樣的容差必然帶來實際困難，因此最好在芯線13中采用上述的衰減物質(zhì)。
光纖11各部分的尺寸的確定要使兩條芯線中傳播常數(shù)可導(dǎo)致一種位于以尖峰發(fā)射波長(如，1536nm)為中心的帶中的耦合。但是不可避免生產(chǎn)的容差可能導(dǎo)致其偏離期望值。
因此，為了對本發(fā)明的耦合波長進行精密校正，應(yīng)將雙芯光纖部分11彎曲成弧形，這樣便引起光纖的內(nèi)部張力，這種張力會改變其光傳遞特性，檢測改變曲率時的耦合波長值直到它與所期望的波長值相一致;為了保持這一形狀，把光纖11的這些部分用，例如，膠限定在各個托板17上(如圖9所示)，這樣便穩(wěn)固地保持了其形狀。
在雙芯光纖11各部分之間的單芯光纖15可以根據(jù)包覆放大器的包覆層要求按，例如環(huán)繞起來的方式設(shè)置，這樣從構(gòu)成噪聲的波長的分離角度考慮不會影響放大器的性能。而雙芯光纖則以其最適合的(如上所述)曲率剛性地限定并防止進一步的應(yīng)力作用。
為了方便地把無噪聲傳輸信號送到放大器下游的接續(xù)線路段7，放大器有源光纖6在信號通過方向的最后一段由雙芯光纖11構(gòu)成;對于要雙向使用的線路，有源光纖的兩端都由雙芯光纖段11構(gòu)成。
這樣，根據(jù)本發(fā)明的光纖對于其中所引導(dǎo)的光完成一個濾波工作，它對Er離子從激光發(fā)射能級進行自發(fā)衰變產(chǎn)生的1536nm波長的光子進行分離和吸收，從而避免這些在有泵激能量的有源光纖中行進的光子引起同一波長上的進一步衰變，并使芯線12中基本上只有傳輸波長和泵激波長的光傳播;這樣，可以在鉺具有明顯激光發(fā)射值的整個范圍內(nèi)，例如，在圖3所示的λ與λ之間(對應(yīng)1540-1560nm)，選取傳輸波長λ，使傳輸信號的激光發(fā)射器有一個很寬的選擇自由度。對于放大的目的而言，可以用，包括在商品生產(chǎn)的半導(dǎo)體激光器(In、Ga、As)所采納的一個足夠?qū)挼姆秶鷥?nèi)具有各種波長的信號發(fā)射器，而不會出現(xiàn)性能上的差別;同時，對具有減少的雙芯光纖各部分的設(shè)置使耦合波長可以精確調(diào)整并使它們對機械受力基本上不敏感。
如圖5所示，雙芯光纖11最好把用來引導(dǎo)光信號的芯線12與光纖包覆層14同軸設(shè)置，而第2芯線13設(shè)置在一個偏心位置處。
以這樣的方法，如圖4、7、8所示，雙芯光纖6的各部分、放大光纖15各部分及光纖4和7之間的連接可以按傳統(tǒng)的方法實現(xiàn)，而不用特殊措施，通過傳統(tǒng)的銜接裝置將光纖本身的各端頭相對設(shè)置，這種銜接裝置通過檢查它們的外表面實現(xiàn)光纖之間相互對準(zhǔn);與外表面相對應(yīng)，雙芯光纖中的芯線12在軸線位置與單芯光線的芯線相對準(zhǔn)，從而不會有任何嚴(yán)重的銜接損耗;處于偏心位置的芯線13不得與任何它芯線相連接，這樣，不需要任何進一步的工作就可使雙芯光纖11的各部分在其端部中斷。
為了有最高的放大效率，芯線12最好對信號波長和泵激波長都是單模的(mono model)，同時芯線13至少對λ也是單模的。
作為一例，按圖1制成了一個放大器，它包括一根摻雜Er并具有雙芯部分的Si/Al型有源光纖6;光纖的單芯部分中ErO重量的含量為40ppm。
雙芯光纖11的各部分中，芯線12和芯線13的半徑均為a＝3.1m，數(shù)值孔徑NA＝0.105，折射率n＝1.462;如圖5示，而根芯線12和13的分開距離D＝3.5m;芯線12與光纖外表面同軸。
每一部分11的長度L＝100mm，其相今的放大光纖長度F為5m。
雙芯光纖11的各部分中芯纖12不含鉺，而芯纖13的ErO的含量為2500ppm。
有源光纖的總長度為30m。
泵激激光器5采用一個工作于528nm的氬離子激光器，其功率為150mw。信號發(fā)射激光器2采用一個商用型半導(dǎo)體激光器(In、Ga、As)，功率為1mw，測得的發(fā)射波長為1550nm。
按上述實驗的配置，對一個衰減到0.5w的輸入信號從放大器的下游可獲得20dB的增益。
適于激發(fā)生一條線路中放大器實際使用條件的放大器輸入信號的衰減是通過各種衰減器獲得的。
不存在信號時，在放大器下游測得10W平手的自發(fā)發(fā)射。
這樣一種構(gòu)成放大器產(chǎn)生的背景噪聲的發(fā)射對信號來說并不算高噪聲，因為信號放大的水平要高得多(約250W)。
作為一種比較，一個與上面所述的相同的傳輸激光發(fā)自射器2和一個與前例的結(jié)構(gòu)完全相同的放大器一起使用，但使用了一種摻Er的步長指數(shù)(step index)型si/Al單芯有源光纖6，芯線中Er的重量含量為40ppm;有源光纖的長度為30m。
這樣一種放大器，對波長為1560nm的傳輸信號表小于15dB的增益，該放大器的自發(fā)發(fā)自射水平與輸出信號的水平可比。
正如給出的實例可看到的那樣，單芯光纖放大器對出現(xiàn)的一個1560nm信號表現(xiàn)出減小的增益，卻還引入了一個噪聲，這樣就難以接收到該信號本身，證明它無法實際應(yīng)用，然而根據(jù)本發(fā)明，采用具有雙芯光纖部分(兩芯線在相應(yīng)背景噪聲自射尖峰的波長處耦合在一起)的有源光纖的一個放大器則顯示出對1560nm的同一信號可提供一個高放大增益，并伴有一可忽略的引入噪聲。
這樣在遠(yuǎn)程通訊線路中使用根據(jù)本發(fā)明的放大器可使這種線路適于傳輸商用型激光發(fā)射器產(chǎn)生的信號，接受這種商用型激光自發(fā)射的一個寬生產(chǎn)容差，同時保證放大作用基本不變并與所用信號發(fā)自射器實際發(fā)射值無關(guān)。
可以不超出本發(fā)明的一般特征的范圍引內(nèi)出許多變通方式。
權(quán)利要求
1.寬信號帶光放大器，特別用于以一預(yù)定波長帶中傳輸信號進行工作的光纖遠(yuǎn)程通訊線路，包括一個適用于把一傳輸信號和光泵激能量復(fù)路傳輸?shù)揭粏屋敵龉饫w(4)的分光耦合器(3)，和一含有熒光摻雜物質(zhì)的有源光纖(6)，它與分光耦合器(3)的輸出光纖(4)連接并連接一根適于接收和傳輸一個放大的信號的遠(yuǎn)程通訊線路光纖(7)，其特征在于，有源光纖(6)包括一些部分(11)，每一部分由一根具有兩個芯線(12.13)的光纖構(gòu)成，其中第一芯線(12)與有源光纖(6)的其余部分的芯線(16)光連接，而另一芯線(13)在其端頭中斷，兩芯線(12、13)在一個波長帶上光學(xué)地耦合在一起，所述波長帶包含在第一芯線(12)的激光發(fā)射的波長范圍并且不同于傳輸信號帶。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的寬信號帶光放大器，其特征在于，有源光纖(6)的雙芯光纖部分(11)的第二芯線(13)含有一種摻物質(zhì)，它在有源光纖的摻雜物質(zhì)的激光發(fā)射范圍內(nèi)有一高的光吸收性。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的寬信號帶光放大器，其特征在于第二芯線中具有高的光吸收性的摻雜物質(zhì)是由與有源光纖(6)中的熒光物質(zhì)相同的物質(zhì)構(gòu)成。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的寬信號帶光放大器其特征在于各雙芯光纖部分(11)中的第一芯線(12)含有一種熒光摻雜物質(zhì)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的寬信號帶光放大器，其特征在于各雙芯光纖部分(11)中的第一芯線(12)不含熒光摻雜物質(zhì)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1的寬信號帶光放大器，其特征在于有源光纖(6)中至少在其具有單芯部分的內(nèi)部的熒光摻雜物是鉺。
7.根據(jù)權(quán)利要求2的寬信號帶光放大器，其特征在于第二芯線(13)中的摻雜物質(zhì)為一種至少部分處于其低價態(tài)的從鈦、釩、鉻或鐵中選出的在整個光譜范圍都具有高的光吸收性的物質(zhì)。
8.根據(jù)權(quán)利要求1的寬信號帶光放大器，其特征在于雙芯光纖的各段(11)的長度(La)等于或大于在選定的兩根芯線間的耦合帶上的芯線(12、13)間的差拍長度(L)
9.根據(jù)權(quán)利要求1的寬信號帶光放大器，其特征在于第二芯線(13)中具有一高光吸收性的摻雜物質(zhì)的含量與光纖芯線(12、13)相關(guān)，以確定在第二芯線中淬熄長度比耦合芯線間的差拍長度短十分一以上。
10.根據(jù)權(quán)利要求8的寬信號帶光放大器，其特征在于第二芯線(13)沒有任何光吸收摻雜物質(zhì)，且每段雙芯光纖部分(11)的長度(L)等于一個差拍長度(L)的整數(shù)倍，其容差為差拍長度的10%。
11.根據(jù)權(quán)利要求6的寬信號帶光放大器，其特征在于;兩根芯線在1530至1540之間光學(xué)地耦合在一起的。
12.根據(jù)權(quán)利要求1的寬信號帶光放大器，其特征在于每段雙芯光纖部分(11)的第一芯線(12)與光纖的外表面同軸設(shè)置，對準(zhǔn)有源光纖(6)其余部分的芯線(16)并對準(zhǔn)放大器連接的光纖(7)的芯線，而第二芯線13的端頭對著光纖本身的包覆層(15)。
13.根據(jù)權(quán)利要求1的寬信號帶光放大器，其特征在于光纖(11)的兩根芯線中至少第一根(12)適合用來產(chǎn)生傳輸波長的和泵激波長的單模光傳輸。
14.根據(jù)權(quán)利要求1的光放大器，其特征在于有源光纖有一些位于兩相鄰雙芯部分(11)之間的含有熒光摻雜物質(zhì)的光纖段，其長度(F)不大于在雙芯光纖(11)的各部分中兩個芯線間耦合波長上的對應(yīng)一個15dB的最大可獲增益的長度。
15.根據(jù)權(quán)利要求14的光放大器，其特征在于位于兩個相鄰雙芯部分(11)之間的含有熒光摻雜物質(zhì)的光纖段的長度(F)不大于在雙芯光纖(11)的各部分中兩個芯線間耦合波長上的對應(yīng)一個15dB增益的長度。
16.根據(jù)權(quán)利要求1的光放大器，其特征在于有源光纖(6)的至少一端部是由一段雙芯光纖部分(11)構(gòu)成。
17.根據(jù)權(quán)利要求1的光放大器，其特征在于為了精確調(diào)整芯線間的耦合波長帶，將雙芯光纖部分11機械地彎曲成一段孤形。
18.根據(jù)權(quán)利要求1的光放大器，其特征在于每個雙芯光纖部分(11)剛性地限定在各自的托板(17)上，在工作條件下基本不會變形。
19.根據(jù)權(quán)利要求17、18的光放大器，其特征在于每個雙芯部分(11)以芯纖間理想的耦合波長帶所對應(yīng)的曲率條件剛性地限定在各自的托板(17)上。
全文摘要
一種光放大器包括一根摻雜鉺的有源激光發(fā)射光纖6，它帶有一些長度有限，具有兩根芯線12、13的部分，其中第一芯線12與有源光纖的其余部分的芯線連接并與線路光纖7連接，這些光纖部分構(gòu)成放大器的輸入和輸出，第二芯線13在一個不同于傳輸信號的特定波長上與第一芯線12光耦合；第二芯線13可從第一芯線12中除去構(gòu)成噪聲源的鉺的自發(fā)發(fā)射光。
文檔編號H01S3/067GK1054670SQ9110069
公開日1991年9月18日 申請日期1991年2月5日 優(yōu)先權(quán)日1990年2月7日
發(fā)明者喬喬·格拉索, 保羅·勞倫斯·斯克里夫納 申請人:卡維·皮雷利有限公司