用於發射或放大「s」波段信號的稀土摻雜光纖器件的製作方法

2023-06-20 02:59:41 1

專利名稱：用於發射或放大「s」波段信號的稀土摻雜光纖器件的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種包括矽石基(silica-based)光纖的器件，所述矽石基光纖包含 稀土元素作為摻雜劑，以便在公知為「S」波段(即「短波段」)的波長範圍內發射信號或放 大信號，所述「S」波段意味著與小於約1530nm的波長相對應。本發明涉及一種用稀土摻雜光纖發射或放大光信號的器件。光纖放大器包括按照 公知為受激發射的原理工作的放大光纖，根據所述受激發射原理，通過經由諸如泵浦雷射 器的高能光源激勵材料，所述材料可以發射與所傳輸光波相同波長和相同相位的光波，所 述泵浦雷射的波長小於在光纖內傳播的信號的波長。所使用的主要放大元件通常是諸如鉺 或鐿之類的稀土元素，並且通常作為在光纖的單模纖芯或單模纖芯附近的摻雜劑。泵浦信 號產生粒子數反轉、並且從而使這些離子變活躍。如果將放大光纖插入到光學腔，可以產生 用於發射光信號的雷射。
背景技術：
已知有一種提高摻鉺光纖放大器的性能的方法。公知為「EDFA」(摻鉺光纖放大 器)的這些放大器通常用於長距離光學鏈路以便對波分復用信號進行放大。這些EDFA放大器包括在其纖芯或纖芯附近區域進行鉺摻雜的光纖，提供1550nm 波長的放大轉換。將所述光纖設計用於在公知為C波段(傳統波段)和L波段(大波段) 的波長域內獲得最有效的可能放大，所述C波段與1530nm至1565nm之間的波長相對應，所 述L波段與1565nm和1625nm之間的波長相對應。在這種情況下，在對波長小於這些值的信號進行放大時出現問題，所述波長與其 波長落在1450nm和1530nm之間的所謂S波段相對應。在該波長的波段內的放大表現出的 主要好處在於可以增加光學系統的傳輸能力。可以製造能夠在S波段內放大的摻銩TDFA放大器。然而，這些放大器表現出只可 用於氟基光纖的缺點。這些光纖不能與傳統矽石基光纖相連。也可以在1530nm附近或以上波長引入損耗的情況下用矽石基光纖製造EDFA，以 便支持1530nm以下的增益。可以按照兩種不同的方式獲得這些損耗。首先，可以將摻鉺光纖切割成兩部分，並且在這兩個得到的部分之間插入布拉 格光柵。然而，必須將這些損耗分布在放大光纖的整個波長上，使得必須使用幾個布拉 格光柵，因此需要將光纖切割多次。在H.0no等人題目為「S-Band erbium doped fiber amplifiers with a multistageconfiguration-design, characterization, and gain tiltcompensation」(IEEE, Jnl of lightwave Techn. 2003，21 (10)，2240-2246)的文章中 描述了該方案。該方案昂貴、複雜並且效率低。其次，文件US6970631提出了一種調節摻鉺光纖折射率以便在1530nm以上產生 主要的損耗的方案。該方案特別包括採用具有W形狀輪廓的光纖折射率。儘管該方案在S 波段內給出放大，所得到的增益不是平坦的。相反，該特定折射率輪廓導致了覆蓋層模式諧 振，引起在波段中心的損耗。為了避免覆蓋層模式諧振，可以用吸收元素對光學覆蓋層摻雜，但是如果這樣做，S波段內的增益帶寬將變得非常受限。文件US-7079309涉及一種光學放大器，其中將光子晶體用於控制增益輪廓。所述 晶體包括具有光子帶隙(Photonic Band Gap)(或者PBG)的電介質周期性結構。三維結構 由摻雜有鉺離子的矽基條組成。所述電介質周期性結構包括多個微腔缺陷。然而，根據該文獻的光子帶隙使得腔體諧振將可能減小在C波段中增益的自然偏 移。

發明內容
本發明的目的是消除現有技術的缺陷，特別是公開了一種至少在S波段的主要部 分上產生或放大信號的器件。本發明的另一個目的是提出一種易於製造、有效率和廉價的器件。本發明的另一個目的是在S波段內產生表現出相對平坦增益的放大。本發明的目的是提供一種器件，包括具有光子帶隙的光纖，所述光子帶隙包括由 稀土摻雜矽石玻璃構成的固體纖芯，所述固體纖芯的折射率是n。，所述固體纖芯由包括所 述纖芯周圍的N對矽石層的光學覆蓋層包圍，其中N是大於2的整數，每一對包括具有厚 度屯和大於纖芯折射率n。的折射率ni的第一內層；用具有厚度de和折射率&的第二外層 覆蓋所述第一內層，所述外層的折射率I小於相同對中內層的折射率ni。本發明的基本原理包括使用包含稀土摻雜劑的具有固態纖芯光子帶隙的光纖在 特定波長產生損耗。優選地，所述光纖是具有稀土摻雜矽石玻璃纖芯的單模光纖。優選地， 從鉺、鐿和釹中選擇稀土摻雜劑。這使得可以在光纖的整個長度上、在其中摻雜離子增益較 高的波長上(例如對於鉺離子在1525nm附近)產生信號傳播損耗。這些損耗將使得可以產 生其中由稀土離子提供的增益較低的光譜區域，例如對於鉺離子在約1490nm和1520nm之 間。對於釹離子，在從1020nm至1070nm的光譜區域中產生損耗。對於鐿離子，在從1050nm 至llOOnm的光譜區域中產生損耗。根據一個有利實施例，對於單獨的一對，外層的厚度大於內層的厚度屯。根據本發明的一個實施例，內層的厚度相等。根據本發明的另一個實施例，外層的厚度相等。優選地，外層的厚度至少等於內層厚度的兩倍。根據一個特定的實施例，稀土摻雜劑在纖芯的至少一部分中按照離子或納米顆粒 的形式散布，意味著稀土摻雜劑可以在整個單模纖芯或只在一個部分中散布。更一般地，在 矽石光纖內散布的有源空間是三價離子的形式。摻雜劑的納米顆粒具有依賴於所接受的損 耗、稀土元素的所需濃度和納米顆粒的組成的尺寸。典型地，該尺寸在2nm至20nm之間。可以將稀土離子看作一定波長範圍內的四級系統和對於更短波長的三級系統。已 知如何在三級系統內獲得足夠的反轉，以便使能主要增益(或者發射係數)。然而，這種反 轉對於更高波長也在四級系統內使能更大增益(或者發射係數)，從而抑制了對於三級系 統的增益。通過在四級系統內選擇性的產生損耗，從而可以在三級系統內製造放大器或激 光器。利用摻鐿光纖，本發明可以在llOOnm附近產生損耗、並且在980nm附近促進增益， 從而產生在980nm附近發射(例如雷射器)或放大(例如放大器)的器件。利用摻釹光纖，甚至可以在1050nm附近產生損耗、並且在915nm處促進增益，從而製造在915nm附近工作 的放大器或雷射器。所述纖芯還可以通過諸如鋁A1、鍺Ge、磷P和/或氟F之類的其他摻雜劑來構建， 以便相對於覆蓋層折射率調節纖芯的折射率。可以以離子或納米顆粒的形式將摻雜劑添加 到矽石矩陣中。低折射率外層可以由未摻雜矽石或摻雜Ge、P和/或F的矽石構成。高折 射率內層從可以由摻雜Ge和/或P的矽石構成。根據本發明的一個實施例，內層折射率相等。根據另一個實施例，外層折射率相等。根據另一個實施例，外層的折射率等於纖芯折射率。具有周期性高折射率和低折射率的覆蓋層引起對於來自纖芯的某些特定波 長輻射的分布式反射。這些特定波長屬於覆蓋層的光子帶隙。不屬於所述帶隙的波 長處的輻射不會在光纖纖芯內導弓丨，而是洩露出覆蓋層。帶隙的中心波長通過關係式
y-d^n2-n]f = f直接依賴於組成覆蓋層的層的厚度，其中d是所討論層的厚度，n是所討
論層的折射率，nrf是纖芯內傳導模式的有效折射率，、是中心波長。根據本發明，光纖包括N對層，每一對包括內層和外層。根據本發明的光纖內的對 的個數N至少等於2。根據優選變體實施例，層對的個數N至少等於5。跟另一個變體，光纖的半徑r至少等於纖芯半徑R的兩倍。根據本發明的光纖擁有光子帶隙導引特性，所述光子帶隙導引特性設計使得在已 知為C波段的傳統放大波段內抵消了稀土元素增益，以便在公知為s波段的短波長波段內 實現放大。自然地，用光子帶隙(PBG)結構在不需要的波長處獲得的衰減等級必須足有的 幅度量級，使得可以在這些波長處衰減放大增益。本發明使得可以比早些的方案在S波段 內獲得更加平坦的增益。本發明的另一個益處是可以通過工業工藝容易地製造所述光纖，具體地通過MCVD 工藝(改進化學氣相沉積)。


在閱讀自然作為非限制示例的實施例的以下描述和附圖之後，本發明的其他特徵 和優勢將變得顯而易見，其中圖1是根據本發明一個實施例的光纖的截面圖。圖2表示根據所述光纖半徑的折射率輪廓。圖3示出了以dB/km為單位的光纖內傳播損耗P依賴於沿x軸以P m為單位的波 長、的變化。圖4示出了與鉺的吸收係數a和發射係數g*相比的傳播損耗P的輪廓，在y軸 上給出了傳播損耗P的輪廓、以dB/km為單位的吸收係數a和發射係數g*，在x軸上給出 了以nm為單位的波長入。圖5示出了利用圖2的光纖獲得的增益，在y軸上給出了以dB為單位的增益G，在 x軸上給出了以nm為單位的波長入。
具體實施例方式在圖1的截面圖中示出了根據本發明一個實施例的單模光纖，包括固態稀土摻雜 纖芯，並且擁有光子帶隙導引性質。具有半徑r的光纖1包括具有半徑R和折射率n。的固 體纖芯2，所述纖芯2由摻雜鉺離子或鉺納米顆粒的矽石構成。所述纖芯2由光學覆蓋層 圍繞，所述光學覆蓋層2包括第一對層，所述第一對層包括第一層3和第二層4 ；所述第一 層3也由矽石構成，並且具有嚴格大於纖芯折射率的折射率叫，使得ni > nc ；所述第二層4 由摻雜矽石構成，並且具有小於第一層折射率的折射率n2，使得n2 nc,並且n4 n。，並且n6 < n5。所述光纖還可以用由聚合物材料組成的保護塗層覆蓋，這 裡沒有進行描述。優選地選擇低折射率聚合物。在圖2中所示的本發明實施例中，具有半徑r的光纖包括由7對類似層構成的多 光學覆蓋層。纖芯具有半徑R= 12.7 pm和折射率n。。纖芯由第一層圍繞，所述第一層的 厚度a是2.5pm，並且其折射率是叫，使得ni-n。= A n，這裡A n = 0. 03。緊鄰第一層的 是第二層，其厚度b = 8. 5 y m，並且其折射率是n2，這裡使得n2 = n。。以下層類似繼續，交 替設置高折射率和低折射率及其相應厚度。根據本發明一個實施例的光纖具有特定的傳播行為，依賴於層的總個數、它們的 折射率和厚度。如果在拉伸預型件時調整光纖的外直徑0D，可以修改參數a、b、N和An的值。下表示出了對於與參數a、b、N和A n之一的值有關的變體的幾個示例，實現初始 傳播條件所必須的外直徑0D的相對變化5 0D。表 1(a) (b) (c) (d) 例如，如果層數減小1 S N = -1，外直徑0D必須增加2 % S 0D = +2 %，使得所得 到的結果保持不變。在圖3中給出了在前述光纖中信號基于波長\的傳播損耗P的一個示例。傳播 損耗的光譜變化示出了泵浦雷射器的發射波長損耗的較低值(X = 980nm，區域30)和在大 於X = 1530nm的波長處的損耗的較高值(區域31)。可以觀察到在屬於平均值在1450nm 和1530nm之間的目標S波段的波長處，傳播損耗相對較低(區域32)。應當注意，本發明的基本原理包括在具有摻雜稀土元素的固體纖芯的光子帶隙 光纖的幫助下，在特定波長處產生損耗。在該示例中，泵浦輻射將在光纖內正常傳播，而波 段C和L的信號光將被嚴重衰減，這實現了 S波段的信號放大。
現在我們考慮圖4，示出了傳播損耗P(曲線40)、鉺吸收係數a (曲線41)和鉺發 射係數曲線42)基於信號波長\的輪廓變化。在遠大於1530nm的波長處，在沒有傳播損耗P (曲線40)時，發射係數g*(曲線42) 大於吸收係數a (曲線41)。在該示例中，由光子帶隙(PGB)引起的損耗大於1530nm以上 波長處的發射係數g*，並且對於1520nm以下的波長，損耗小於發射係數g*。例如，EDFA放大器將正確地並主要地放大C和L波段的信號。為了正確地和主要 地放大S波段中的信號，意味著在小於1530nm的波長處，傳播損耗P(曲線40)的應用是必 須的。這些損耗在1530nm附近和以上的波長處非常高，並且防止在這些波長處的放大。於 是獲得了在S波段的增益。圖5示出了利用上述放大器件獲得的增益G基於信號波長\的變化。曲線50示 出了對於小於1520nm的波長\相對較高的增益，示出了本發明放大器件的貢獻。此外，增 益曲線50是平坦的，意味著增益作為波長函數是相對恆定的。這是本發明放大器件的固有 特性，將在其他應用中有利地使用。以上作為說明目的描述了 S波段中的放大器件。自然的，相同原理和相同光纖可 用於構建諸如在相同波段S內發射的雷射器之類的發光器件。
權利要求
一種器件，包括光子帶隙光纖，所述光子帶隙光纖包括由稀土摻雜矽石玻璃構成的固體纖芯，所述固體纖芯的折射率是nc，所述固體纖芯由包括圍繞該纖芯的N對矽石層的光學覆蓋層所包圍，其中N是大於2的整數，每一對矽石層由覆蓋有第二外層的、具有厚度di和大於纖芯折射率nc的折射率ni的第一內層構成，所述第二外層具有厚度de和折射率ne，外層的折射率ne小於同一對中內層的折射率ni。
2.根據權利要求1所述的器件，其中同一對中外層的厚度de大於內層的厚度屯。
3.根據權利要求2所述的器件，其中外層的厚度de是內層的厚度Cli的兩倍。
4.根據權利要求1到3中任意一項所述的器件，其中纖芯是由從鉺、鐿和釹中選擇的稀 土摻雜矽石光纖構成。
5.根據權利要求4所述的器件，其中稀土元素散布在纖芯的至少一部分中。
6.根據任一前述權利要求所述的器件，其中內層的折射率相等。
7.根據任一前述權利要求所述的器件，其中外層的折射率相等。
8.根據權利要求7所述的器件，其中外層的折射率等於纖芯的折射率。
9.根據任一前述權利要求所述的器件，其中，層的對數N至少等於5。
10.根據任一前述權利要求所述的器件，其中光纖的半徑r至少是纖芯的半徑R的兩倍。
全文摘要
一種用於發射或放大信號的器件，包括具有折射率nc的固體纖芯(2)的光纖(1)，由摻雜有諸如鉺、鐿或釹等稀土元素的矽石玻璃構成，所述纖芯由包括至少一對矽石層的光學覆蓋層(3、4、5、6、7、8)包圍，所述矽石層的對由用第二外層(4)覆蓋的第一內層(3)構成，所述第一內層(3)具有大於纖芯(2)的折射率nc的折射率。所述光纖(1)包括在纖芯(2)周圍的幾對矽石層(3，4；5，6；7，8)，每一對包括具有折射率ni的內層(3，5，7)和具有折射率ne的外層(4，6，8)，外層的折射率ne低於同一對中內層的折射率ni。
文檔編號G02B6/036GK101855797SQ200880115112
公開日2010年10月6日 申請日期2008年11月7日 優先權日2007年11月9日
發明者克裡斯蒂安·西蒙尼奧, 塞巴斯蒂安·費弗利爾, 艾卡特裡娜·布洛夫 申請人:阿爾卡特朗訊