具有小數值孔徑的摻稀土光纖的製作方法

2023-06-14 22:59:51 2

專利名稱：具有小數值孔徑的摻稀土光纖的製作方法
技術領域：
本發明涉及光纖領域，更具體地涉及用於放大所傳送的光信號的放大光纖。具體 地，放大光纖可用作寬帶傳輸線中的放大器。本發明還提供一種製造這种放大光纖的方法。
背景技術：
放大光纖(例如，摻雜有稀土元素的光纖)常用於多種光學應用。例如，摻鉺光纖用於在長距離光通信系統中對傳輸的光信號進行放大。這種光纖 用於摻鉺光纖放大器(EDFA)中並具有由石英基質製成的中央纖芯，其中石英基質包括濃 度約為百萬分之250 (ppm)至IOOOppm(即，0. 025重量百分比至0. 1重量百分比)的稀土摻 雜元素(例如，鉺)。稀土摻雜元素可以與補充摻雜元素相關聯以提高放大率。例如，鋁可 用作補充摻雜元素以使波分復用(WDM)應用的增益帶寬變寬。通常，通過向光纖注入對稀土元素(例如，EDFA中的Er3+)進行激發的泵浦信號以 在摻稀土光纖中實現光放大。當光信號穿過這部分光纖時，光信號通過受激發射使稀土元 素退激，從而產生在所有方面都與入射光子完全相同的光子。因此光信號加倍。摻稀土光纖的性能通常由功率轉換效率(PCE)表示。如等式1 (見下文)所示，功 率轉換效率是放大光纖的增益與用來獲得該增益的泵浦功率之間的比值。放大光纖的增益 由公式2定義。公式1 :PCE=公式2 -.Gain = Psout — P在這些公式中，Pfn是輸入的泵浦功率，Pfn是輸入的信號功率，P。Sut是輸出的被放大 的信號功率。在一些應用中，期望從放大光纖獲得大的輸出功率。一種解決方案涉及增加光纖的中央纖芯中的稀土摻雜物的濃度以增加放大增益。然而，當光纖的中央纖芯中的稀土摻雜物的濃度高時，可在中央纖芯的纖芯基質 (例如，石英)中形成成對的稀土元素或甚至形成稀土元素的聚合，從而導致不均勻的摻 雜。因為還同時存在著與提供放大的機制不同的機制，所以這種摻雜的不均勻性降低了光 纖的放大效率。這些其它機制例如為共振能量轉移、逐步上轉換、合作發光、合作能量轉移 以及同步光子吸收。這些機制與受激發射競爭並降低光放大的效率。這些稀土元素的聚合 還加重光子退化，光子退化可能在光信號在光纖中傳播期間以大功率出現在光纖的中央纖 芯中並且作為存在於中央纖芯的纖芯基質(例如，石英)中的晶體缺陷的結果。另一種解決方案涉及增加泵浦信號的功率。然而，根據光纖的數值孔徑的值，能量 轉換效率可能會衰減。圖1描繪了功率轉換效率(PCE)隨泵浦信號功率的變化而變化。圖1描繪了 0. 14 與0. 30之間的數值孔徑值上所獲得的曲線。數值孔徑是一種光纖參數，其可通過下式近似表示_5] NA = ^1J-η；其中η。為光纖的中央纖芯的折射率，ng為光纖的包層的折射率。圖1示出了功率轉換效率隨泵浦功率的變化而變化。具體地，對於大的數值孔徑 值，功率轉換效率最大出現在小的泵浦功率值處。例如，對於數值孔徑0. 30，功率轉換效率 最大位於約75毫瓦(mW)的泵浦信號處。反之，對於小的數值孔徑值，功率轉換效率最大位 於大的泵浦功率值處。例如，對於數值孔徑0. 14，最大功率轉換效率出現在約500毫瓦(mW) 的泵浦功率處。具體地，對於小於0. 18的數值孔徑，大泵浦功率(例如，500毫瓦)處的功率轉換 效率變得大於0. 50。此外，該功率轉換效率在350毫瓦至500毫瓦的泵浦功率範圍內幾乎 沒有變化，所以能夠在該範圍內改變泵浦功率而不會顯著改變功率轉換效率。因此，對於給定的數值孔徑值存在功率轉換效率的最大值，減小數值孔徑將使功 率轉換效率最大值朝向較大的泵浦功率值轉移。這一現象的解釋來自於如下事實隨著注入光纖的泵浦功率增加，中央纖芯中的 高的功率密度導致已知為激發態吸收(ESA)的非線性效應。當激發態吸收發生時，兩個泵 浦光子被單個稀土元素吸收，從而將稀土元素激發至更高的能級(即，比適於放大的通常 能級更高的能級)。通過從這些更高的能級以非輻射的方式鬆弛，稀土元素的確有助於放 大，但是這樣做的結果是消耗了兩個泵浦光子而不是消耗僅僅一個泵浦光子。這種損失機 制降低了收益，並因此降低了功率轉換效率。換言之，為了獲得給定的增益水平，變得有必 要在存在ESA時使用更大的泵浦功率。通過減小數值孔徑，增加了泵浦信號的模場直徑 (MFD)，從而降低了中央纖芯中泵浦信號的功率密度。泵浦信號的功率密度的降低減少了激 發態吸收的幅度，從而提高了功率轉換效率。放大光纖的增益形狀將其增益的值表示為入射信號的波長的函數。例如，摻鉺光 纖用於在光傳輸系統中提供放大，具體用於在C頻帶波長範圍內工作的系統內的調度。通 常，C頻帶包括位於約1525納米與1570納米之間(例如，約1530納米與1565納米之間) 的波長。摻鉺光纖通常在C頻帶中呈現出約30納米至35納米的增益寬度和0. 23的數值 孔徑。對於大功率應用，期望降低數值孔徑以避免損失放大效率並且保留增益特性。出版物"Novel erbium-doped fiber for high power applications (用於大功 率應用的新型摻鉺光纖)」，Passive Components and Fiber-based Devices (無源器件和 基於光纖的裝置)，B. S. Wang等，SPIE學報，卷5623，第411-417頁(2005)公開了用於WDM 應用的大功率的摻稀土光纖。Wang的出版物提出，對於這幾種光纖，光波導的設計應該適於 確保模場直徑與稀土元素之間的良好重疊(即，這些稀土元素受到光照；而模場之外的稀 土元素將不提供放大)。此外，摻雜成分的設計(例如，稀土摻雜元素的分散或化學環境) 應該適於確定EDFA光纖的增益形狀。Wang的出版物中的摻鉺光纖可用於600毫瓦的泵浦 功率。然而，為了提高增益寬度，摻鉺過程伴有高濃度鋁補充摻雜元素(即，大於12摩爾百 分比的濃度)。不幸地，鋁也增加中央纖芯相對於包層的折射率差並且增加背景損耗。這些 增加是能夠通過嵌入氟減少折射率差來進行抑制的。然而，因為氟能夠改變增益寬度，特別 是在C頻帶中，所以能夠嵌入的氟的程度是有限的。因此，為了在C頻帶中保持增益，Wang的出版物中所述的光纖擁有小於0. 176的數值孔徑。文獻EP-A-1152502描述了一種的光纖，其不但摻雜有鉺還摻雜有氧化鋁以改善 稀土摻雜。該光纖還包括鍺以適應中央纖芯與包層之間的折射率差的值，從而獲得0.11至 0. 21範圍內的數值孔徑。然而，預期應用為L頻帶(S卩，1565納米至1625納米)。其它解決方案涉及通過加入經由改進的化學氣相澱積(MCVD)摻雜有稀土元 素的納米粒子而將稀土摻雜物引入光纖的中央纖芯中。例如，文獻EP-A-1347545或 W0-A-2007/020362描述了一種光纖，其在光纖的中央纖芯中包含有納米粒子。這些文獻中 描述的納米粒子包含稀土摻雜元素和至少一種改善信號放大的元素，例如鋁、鑭、銻、鉍或 一些其它元素。EP-A-1347545公開了最終增益形狀，該增益形狀是多種不同納米粒子相關 的所有增益形狀貢獻的總和。該光纖設計、納米粒子製造和納米粒子成分與本發明不同。 W0-A-2007/020362未公開任何光纖粒子濃度，並具有不同的光纖設計和納米粒子成分。文獻FR 08/06752描述了一種光纖，該光纖通過納米粒子進行稀土摻雜並能夠獲 得大功率。選擇納米粒子的特性和摻雜的特性以確保光纖中的高增益。具體地，稀土元素 的濃度很高以提高該光纖的增益。然而，FR 08/06752未公開具有用於大功率應用的小數 值孔徑的光纖。因此，需要一種具有用於大泵浦功率應用的小數值孔徑且不具有衰減的增益形狀 的摻稀土放大光纖。

發明內容
因此，在一方面，本發明包含一种放大光纖，其包括適於傳送和放大光信號的中央 纖芯以及包圍中央纖芯以將傳送的光信號限制在中央纖芯內的包層。中央纖芯由纖芯基質 形成，在纖芯基質中存在有納米粒子。換言之，納米粒子被分散或嵌入在纖芯基質內。納米 粒子自身包括納米粒子基質和稀土摻雜元素。通常，納米粒子基質由包含一種或多種補充 摻雜元素的分子形成。纖芯基質還可以包括一種或多種附加摻雜物(即，除了納米粒子之 外)。因此本發明提供了一种放大光纖，其包括中央纖芯，適於傳送和放大光信號；包層，包圍中央纖芯並適於將傳送的光信號限制在中央纖芯內；中央纖芯由包含納米粒子的纖芯基質形成，納米粒子包括納米粒子基質和稀土摻 雜元素，中央纖芯的纖芯基質還包括附加摻雜物；其中該光纖還具有以重量計位於200ppm至IOOOppm範圍內的、中央纖芯中稀土摻雜元素的濃度；以重量計位於0. 5wt %至5wt %範圍內的、優選地位於1. 5wt %至4wt %範圍內的、 中央纖芯中納米粒子基質的濃度；以重量計位於至10wt%範圍內的、中央纖芯中附加摻雜物的濃度。在一個實施方式中，光纖的中央纖芯中的稀土摻雜元素的濃度在約200ppm至 IOOOppm之間。在中央纖芯中，納米粒子基質的補充摻雜元素的濃度通常在約0. 5重量百分 比與5重量百分比之間(例如，在1. 5重量百分比與4重量百分比之間)。在另一個實施方式中，在中央纖芯中，附加摻雜物的濃度在約1重量百分比與10重量百分比之間。在又一個實施方式中，數值孔徑在約0. 10至0. 18範圍內。該選擇的效果是防止 放大效率的損失。在又一個實施方式中，附加摻雜物是鍺、氟、鋁和/或磷。該選擇的效果是這些元 素可用來適應中央纖芯的折射率。 在又一個實施方式中，纖芯基質是石英。在又一個實施方式中，納米離子具有在約100與500之間(例如，位於150與350 之間)的、納米粒子基質的補充摻雜元素與稀土摻雜元素的原子比。如果摩爾比越高，則稀 土摻雜元素的效果將越不明顯。如果摩爾比太低，則增益的效率將會減少。在又一個實施方式中，中央纖芯中的納米粒子的濃度位於IO16納米粒子每立方釐 米(NPs/cm3)至1018NPs/cm3範圍內。該濃度將在效果和效率之間產生良好的平衡。在又一個實施方式中，納米粒子基質是氧化鋁(Al2O3)。在又一個實施方式中，稀土摻雜元素是鉺(Er)、鐿(Yb)和/或銩(Tm)。這些元素 中的每一種都具有不同的使用波長。在又一個實施方式中，在光纖的中央纖芯中，中央纖芯中的稀土摻雜元素的濃度 在約200ppm至400ppm範圍內，並且納米粒子基質的補充摻雜元素的濃度在2. 5重量百分 比至3. 5重量百分比範圍內。發明人已經發現，這一範圍產生了充分的放大效果，並且不因 所描述的其他機制而損失效率。在又一個實施方式中，對於頻帶C(約1525納米至1570納米)，光纖呈現出在約 30nm至35nm範圍內的增益寬度。該選擇的效果是本光纖可在C頻帶的大部分範圍內使用。在另一方面，本發明包括一種光放大器，其包括能夠以約500mW至1. 5W範圍內的 泵浦功率工作的放大光纖的至少一部分。在又一方面，本發明包括一種製造用於放大光纖的初始預成型件的方法。該方法 通常包括在石英管的內表面上澱積包含附加摻雜物的基於石英的多孔層。該多孔層通常形 成光纖的中央纖芯。該方法還包括用摻雜有稀土摻雜元素的納米粒子的懸浮液浸漬該多孔 層。已浸漬的多孔層中的稀土摻雜元素的濃度通常位於約200ppm與IOOOppm之間。已浸 漬的多孔層中的納米粒子基質的補充摻雜元素的濃度通常位於約0. 5重量百分比與5重量 百分比之間(例如，位於約1.5重量百分比與4重量百分比之間)。多孔層中的附加摻雜物 的濃度通常位於約1重量百分比與10重量百分比之間。因此，本發明提供一種製造用於本發明的光纖的初始預成型件的方法，該方法包 括以下步驟在石英管的內表面上澱積包含附加摻雜物的基於石英的多孔層，該多孔層形成光 纖的中央纖芯；以及用摻雜有稀土摻雜元素的納米粒子的懸浮液浸漬該多孔層；多孔層中的稀土摻雜元素的濃度以重量計位於200ppm至IOOOppm範圍內，多孔層 中的納米粒子基質的濃度以重量計位於0. 5wt%至5wt%的範圍內，優選地位於1. 5wt%至
的範圍內，並且附加摻雜物的濃度以重量計位於至10wt%的範圍內。在本發明的方法的一個實施方式中，附加摻雜物是鍺、氟、鋁、或磷、或這些元素的 組合。該選擇的效果是這些元素可用於適應中央纖芯的折射率。
在另一個實施方式中，該方法包括在約1000°C或更高的溫度下對已浸漬的多孔層 進行至少一小時的熱處理。這個步驟將加固了納米粒子的結構。在又一個實施方式中，納米粒子基質是氧化鋁，補充摻雜元素是鋁，稀土摻雜元素 是鉺，並且鋁與鉺的原子比位於約100至500之間(例如，位於150至350之間)。如果摩 爾比越高，則稀土摻雜元素的效果將越不明顯。如果摩爾比太低，則增益的效率將會減少前述的示意性內容，以及本發明的其它示例性目的和/或優點，以及實現同樣目 的和/或優點的方式，將在下面的詳細的描述及其附圖中作進一步的說明。


圖1通過圖表描繪了隨著泵浦功率和數值孔徑的變化而變化的功率轉換效率 (PCE)；圖2示意性地描繪了本發明的(i)示例性光纖的折射率分布；(ii)示例性光纖中 的泵浦功率的分布；以及(iii)示例性光纖所傳輸的信號功率的分布。
具體實施例方式本發明包括具有用於大泵浦功率應用的小數值孔徑且不具有衰減的增益形狀的 摻稀土放大光纖。為此，本發明提出將稀土摻雜元素加入中央纖芯，特別以納米粒子的形式。通常， 中央纖芯由基於石英的纖芯基質形成，該纖芯基質包括納米粒子和一種或多種附加摻雜物 (例如，鍺)。納米粒子自身包括納米粒子基質和稀土摻雜元素。通常，納米粒子基質由包 含一種或多種補充摻雜元素的分子形成。中央纖芯的總體化學成分和結構使得能夠獲得位 於0. 10和0. 18之間的數值孔徑而不使放大光纖的性能衰減。通常，光纖的中央纖芯中的稀土摻雜元素的濃度在約200ppm與IOOOppm之間。光纖的中央纖芯中的納米粒子基質的補充摻雜元素的濃度通常在約0. 5重量百 分比與5重量百分比之間(例如，在1.5重量百分比與4重量百分比之間)。換言之，中央 纖芯中的補充摻雜元素的重量百分率通常位於這些特定範圍內。光纖的中央纖芯中的附加摻雜物(例如，鍺)的濃度通常在約1重量百分比與10 重量百分比之間。光纖通常包括光纖纖芯(即，中央纖芯)，用於傳輸和/或放大光學信號；以及 光纖包層，用於將光信號限制在纖芯內。因此纖芯的折射率η。通常大於光纖包層的折射率 ng(艮口，nc > ng)。通常，中央纖芯和一些包層是通過化學氣相澱積(例如，CVD、0VD、VAD等等)獲得 的。在CVD型製造方法中，中央纖芯和包層澱積在襯底管(即，澱積管)內部。對此，襯底 管形成一個或多個包層。在一些實施方式中，可對襯底管進行覆層或裝套以形成附加的包 層。通常，在CVD操作期間，低揮發性元素(例如，稀土、鋁等等)通過浸漬而被加入一塊多 孔石英，從而形成初始預成型件的中央纖芯。摻稀土光纖通常具有補充摻雜元素(例如，氧化鋁(Al2O3)中的元素鋁)，這些補充 摻雜元素通過防止(i)單獨的稀土摻雜元素之間以及(ii)稀土摻雜元素與晶體缺陷之間 的相互作用來提高放大率。晶體缺陷是石英網絡(例如，矽原子或氧原子上的自由基)中的缺陷，其能夠強烈地吸收光並導致使光纖的衰減增加的色心。為了防止這些有害的相互 作用，補充摻雜元素需要包圍稀土摻雜元素。通常，當用包含稀土離子的溶液摻雜光纖時， 補充摻雜元素的濃度非常高，從而確保每個稀土摻雜元素都被補充摻雜元素所包圍。不幸 地，這些補充摻雜元素改變中央纖芯的折射率。獲得良好增益所需的補充摻雜元素的高濃 度難以獲得小的中央纖芯折射率差和小的數值孔徑。因此，示例性光纖包括由加入納米粒子的基於石英的纖芯基質所形成的中央纖 芯。該納米粒子由稀土摻雜元素和納米粒子基質形成，納米粒子基質自身由包圍稀土元素 的補充摻雜元素形成。通過用納米粒子基質包圍稀土摻雜元素，稀土摻雜元素的環境變得 更加可控。換言之，由於稀土元素被周圍的納米粒子基質隔開，稀土元素聚集或聚合的概率 減少。通過納米粒子進行摻雜確保稀土摻雜元素通常被由補充摻雜元素所形成的納米 粒子基質包圍。因此，可使用較低濃度的補充摻雜元素。因此，該補充摻雜元素對中央纖芯 的折射率的作用是有限的。在一般的實施方式中，光纖的中央纖芯具有階躍折射率分布。也就是說，在本發明 的範圍內，光纖的中央纖芯具有其他折射率分布(例如，基座分布)。光纖具有的稀土摻雜元素和補充摻雜元素(即，位於納米粒子基質內)的濃度確 保該光纖的放大特性且不幹擾光纖的折射率分布。因此，光纖的中央纖芯可具有相對於包 層的小折射率差，從而能夠獲得小數值孔徑並且不使光纖的增益寬度衰減。因此，本發明 的光纖能夠擁有小的數值孔徑(例如，像0.10 一樣低)。隨後嵌入纖芯基質的附加摻雜物 (例如，一種或多種不同的化學摻雜物)能夠改變中央纖芯的折射率。表1(見下文)提供了示出中央纖芯折射率差Anc與數值孔徑NA之間的關係的 實例。表 權利要求
1.一种放大光纖，包括中央纖芯，包括纖芯基質，所述中央纖芯適於傳輸和放大光信號； 包層，包圍所述中央纖芯並適於將所述光信號限制在所述中央纖芯內， 其中所述纖芯基質包括(i)附加摻雜物和(ii)由稀土摻雜元素和納米粒子基質形成 的納米粒子，所述納米粒子基質包括一種或多種補充摻雜元素；其中所述中央纖芯中稀土摻雜元素的濃度以重量計位於200ppm至IOOOppm範圍內，優 選地位於200ppm至400ppm範圍內；所述中央纖芯中納米粒子基質的濃度以重量計位於0. 5重量百分比至5重量百分比範 圍內，優選地位於1. 5重量百分比至4重量百分比範圍內，更優選地位於2. 3重量百分比至 3. 5重量百分比範圍內；並且所述中央纖芯中附加摻雜物的濃度以重量計位於1重量百分比至10重量百分比範圍內。
2.根據權利要求1所述的光纖，其中，各稀土摻雜元素實質上由單一的化學元素組成； 所述納米粒子至少其中之一由至少兩種不同的稀土摻雜元素形成。
3.根據上述任意一項權利要求所述的光纖，其中，所述納米粒子中的所述稀土摻雜元 素的濃度位於約0. 5重量百分比與3重量百分比之間，優選地位於約0. 75重量百分比與 1.5重量百分比之間。
4.根據上述任意一項權利要求所述的光纖，其中，所述數值孔徑位於0.10至0. 18範圍內。
5.根據上述任意一項權利要求所述的光纖，其中，所述附加摻雜物選自鍺、氟、鋁、磷或 者這些元素的組合。
6.根據上述任意一項權利要求所述的光纖，其中，所述中央纖芯中納米粒子的濃度位 於 1016NPs/cm3 至 1018NPs/cm3 範圍內。
7.根據上述任意一項權利要求所述的光纖，其中，所述納米粒子基質實質上由氧化鋁 (Al2O3)組成。
8.根據上述任意一項權利要求所述的光纖，其中，所述稀土摻雜元素選自鉺(Er)、鐿 ( )、銩(Tm)或者這些元素的組合。
9.根據上述任意一項權利要求所述的光纖，其中，所述補充摻雜元素與所述稀土摻雜 元素的原子比在約10與500之間。
10.根據上述任意一項權利要求所述的光纖，對於在約1525納米與1570納米之間的頻 帶C，所述光纖呈現出30nm至35nm範圍內的增益寬度。
11.一種光學放大器，包括根據上述任意一項權利要求所述的光纖的至少一部分並使 用位於500mW至1. 5W範圍內的泵浦功率。
12.一種製造初始預成型件的方法，包括在石英管的內表面上澱積基於石英的多孔層，所述多孔層包含位於約1重量百分比與 10重量百分比之間的附加摻雜物；以及用納米粒子的懸浮液浸漬所述多孔層，以形成已浸漬的多孔層，所述納米粒子包括稀 土摻雜元素和包含一種或多種補充摻雜元素的納米粒子基質；其中所述已浸漬的多孔層中的稀土摻雜元素的濃度在約200ppm與IOOOppm之間；並且其中所述已浸漬的多孔層中的補充摻雜元素的濃度在約0. 5重量百分比與5重量百分 比之間，優選地位於1. 5重量百分比與4重量百分比範圍內，更優選地位於2. 5重量百分比 與3. 5重量百分比範圍內。
13.根據權利要求12所述的製造方法，其中，所述附加摻雜物選自鍺、氟、鋁、磷以及這 些元素的組合。
14.根據權利要求12或13所述的製造方法，還包括在高於1000°C的溫度下對所述已 浸漬的多孔層應用至少一小時的熱處理的步驟。
15.根據權利要求12至14中任一項所述的製造方法，其中，所述納米粒子基質是氧化 鋁，所述稀土摻雜元素是鉺，並且所述氧化鋁與所述鉺的摩爾比位於100至500範圍內，優 選地位於150至350範圍內。
16.根據權利要求12至15中任一項所述的製造方法，其中，所述納米粒子基質是氧化 鋁，所述稀土摻雜元素是鉺，並且鋁與鉺的原子比位於約100至500之間，優選地位於150 至350之間。
全文摘要
本發明涉及一种放大光纖，其包括適於傳送和放大光信號的中央纖芯；以及包圍中央纖芯並適於將傳送的光信號限制在中央纖芯內的包層。中央纖芯由包含納米粒子的纖芯基質形成，納米粒子包括納米粒子基質和稀土摻雜元素。纖芯基質還包括附加摻雜物。此外，中央纖芯中的稀土摻雜元素的濃度以重量計位於200ppm至1000ppm範圍內，中央纖芯中的納米粒子基質的濃度以重量計位於0.5wt％至5wt％範圍內，優選地位於1.5wt％至4wt％範圍內，並且中央纖芯中的附加摻雜物的濃度以重量計位於1wt％至10wt％範圍內。
文檔編號G02B6/02GK102087378SQ20101056471
公開日2011年6月8日 申請日期2010年11月15日 優先權日2009年11月13日
發明者大衛·博易文, 艾卡特麗娜·伯羅烏, 錫德裡克·戈奈特, 阿蘭·帕斯託特 申請人:德雷卡通信技術公司