CN101825737A - 包括纳米结构的光纤放大器 - Google Patents

Abstract

一种受激拉曼效应放大光纤，包括由能够在泵浦信号的作用下，在给定频率ω_Raman振动的由绝缘介质基体构成的芯部。该光纤包括至少一种类型的能在光纤中产生表面等离子体共振的金属纳米结构，所述金属纳米结构的形状和组成使得其表面等离子体共振的频率ω_plasmon对应于泵浦信号的频率ω_pump和/或在光纤中传输的光信号的频率ω_signal。所述金属纳米结构的至少一个维度是介于1nm和20nm之间，且金属纳米结构的总体积小于光纤芯部总体积的2％。该光纤具有增大的拉曼品质因数。

Description

包括纳米结构的光纤放大器

技术领域

本发明涉及光纤领域，更确切地说，涉及能够放大传输的光信号的光纤放大器。光纤放大器可特别用作高速传输线路放大器。

背景技术

光纤放大器可以是掺杂有例如铒这样的稀土元素的光纤。这种光纤被用于EDFAs或掺铒光纤放大器(Erbium Doped Fibre Amplifiers)，并具有一由包含铒掺杂元素的二氧化硅基体构成的的中央芯部，考虑到改善增益，很可能与另外的掺杂元素相结合。以一种本身已知的方式，EDFA型光纤中的光放大通过向光纤中注入一激发(excite)掺杂元素的离子(Er³⁺)的泵浦信号(pump signal)来生效。当一光信号穿过光纤的这一部分时，其通过激光效应而使离子去激发(de-excite)，产生一与入射的光子完全相同的光子。光信号因此增加了一倍。

光纤放大器也可利用拉曼(Raman)效应。拉曼放大不是利用光纤中掺杂的稀土离子的原子跃迁，而是基于通过拉曼散射的能量交换。

拉曼散射是入射光在材料中的非弹性散射过程，其引起与基体的原子振动相互作用。每种物质都有一个在给定波长的自发的拉曼发射光谱，也就是说，它的行为就像在给定频率振动的振荡器网络那样。玻璃的拉曼光谱，像无序非晶材料那样，是由形成覆盖了很宽频带的连续光谱的大量波长来表征。拉曼发射的强度随施加到材料的输入功率而增加，并在一给定功率处变得显著。这种现象被称为受激拉曼散射(SRS)。因此可以利用材料的拉曼发射，通过使其经过被光泵浦信号预先激发的材料来大幅地放大光信号。在此类放大器中，泵浦光子被转换为另一与信号处于同样波长的较低能量的光子。

使用具有比欲放大的信号频率低的泵浦信号，且泵浦信号和被传输的信号之间的频率差约等于介质的振动频率(对二氧化硅，通常为13.2THz)，以确保通过SRS放大光信号。因此，为了激发1550nm的拉曼放大，要向二氧化硅光纤中注入1450nm的泵浦信号。

拉曼放大增益G，以dB表示，可以表示如下：

$G=\frac{10}{\ln 10}{C}_R{P}_P{L}_{\mathrm{eff}}$

其中C_R(以1/km＊W为单位)是光纤的拉曼系数。

$C_R=\frac{g_R}{A_{\mathrm{eff}}}$

其中，g_R(以km/W为单位)是材料的本征拉曼增益，A_eff(以km²为单位，是在泵浦波长处光纤的有效面积；

其中

P_p(以瓦特为单位)是泵浦信号功率，

L_eff(以km为单位)是光纤在泵浦波长处的有效长度，可由以下方程确定：

$L_{\mathrm{eff}}=\left(\frac{1}{{\mathrm{\α}}_p}\right)\·(1-e^{\frac{-{\mathrm{\α}}_p}{L}})$

其中，α_p是线性衰减系数(以1/km为单位)。

因此，为增加拉曼放大的效率(例如，拉曼放大的增益G)，既可以提高材料本征拉曼增益g_R，也减小光纤的有效面积A_eff，二者都可以使提高的拉曼系数C_R增加，或者也可以减小在泵浦波长处的光损耗α_p其是线性衰减系数，以1/km为单位)，或者是增加泵浦功率P_p。

提高泵浦的功率(P_P)涉及使用昂贵的激光器，这种解决方案在寻求低成本的全光学系统时是被排除在外的。本征拉曼增益g_R的提高可以通过优化光纤的芯部的组成来实现，例如，通过给二氧化硅芯部增加锗掺杂，或通过生产具有例如碲而非二氧化硅芯部的光纤。但是，这个方案将导致光传输损耗增加，造成了与同一光学系统中的使用标准光纤的其它光纤的兼容性问题。

同样，减少光纤的有效面积(Aeff)来改善拉曼放大增益(G)会导致与现有光传输系统标准的相容性问题和引起在光传输损耗的增加。

也有人建议通过向光纤的芯部加入稀土掺杂物来改善拉曼放大增益(G)，但由于稀土离子对信号的吸收，这种方法没有产生令人满意的效果。

最终，拉曼光纤放大器的生产是基于一方面是拉曼系数(C_R)和另一方面是光纤的光损耗之间的折衷。在文献中，这种折衷经常通过品质因数(Figure of Merit，FOM)来评价，以W^-1.dB^-1表示，其代表了在泵浦波长处，以W^-1.km^-1表示的光纤的拉曼系数(C_R)和以dB.km^-1表示的光纤内的光损耗(α_p)之间的比率。典型地，对于意欲拉曼放大的标准单模纤维(二氧化硅芯部含少于5wt％的Ge，有效面积80μm²)，拉曼FOM被限制在3.2W^-1.dB^-1。

因此，对于光纤放大器，需要具有改善的拉曼FOM且仍与其它标准的光纤是兼容的。

为此目的，本发明提出利用绝缘介质上布置的金属纳米结构的表面等离子体共振(SPR)现象用于光纤放大器。

在光纤中传播的电磁波，例如光，可以极化位于光纤的芯部的纳米结构周围的电子云，从而引起一致的集体振荡(称为“表面等离子体”)。因此，当一个波长在共振条件下，且是以该极化云的振荡波长注入，能量可以转移到这个波长。纳米结构的共振波长可以调整，并依赖于其形状和尺寸以及纳米结构的金属的性质。

表面等离子体共振(SPR)的现象已经被观察到。

例如，出版物“Optical Properties of Gold Nanorings”，J.Azipura et al，PhysicalReview Letters，Vol.90，No.5，7February 2003，介绍了布置在玻璃基体上的环形金纳米粒子的光响应。

出版物“Nanoengineering of optical resonances”，S.J.Oldenburg et al.，ChemicalPhysics Letters，22May 1998，pp.243-247，和“A Hybridation Model for the PlasmonResponse of Complex Nanostructures”，E.Prodan et al.，Science，Vol.302，17 October2003，描述了不同形状和组成的纳米粒子及其导致的光学共振。

出版物“Symmetry breaking in individual plasmonic nanoparticles”，Hui Wang et al，PNAS，Vol.103，No.29，18July 2006，描述了由绝缘介质芯部和金属外壳构成的纳米粒子。该出版物更为具体地描述了在表面等离子体共振转换中纳米粒子金属外壳尺寸的影响。

R.L.Garell的出版物“Surface-Enhanced Plasmon Raman pectroscopy”，in AnalyticalChemistry，1989，61，pp.401-411，描述了一种使用溶液中具有银纳米粒子的SRS放大的分子表征技术。

进一步地，出版物“Surface plasmon polariton modified emission of erbium in ametallodielectric grating”，J.Kalkman et al.，Applied Physics Letters，Vol.83，No.1，7July2003，“Coupling of Er ions to surface plasmons on Ag”，J.Kalkman et al.，Applied PhysicsLetters，Vol.86，2005，041113-1-3，以及“Plasmon-enhanced erbium luminescence”，H.Mertens et al.，Applied Physics Letters，Vol.89，2006，211107-1-3，描述了由布置在银纳米粒子附近的铒离子发出的光的强度的增加，因此有可能减少平面波导管中的热效应。

金属纳米粒子也被用于光学传感器。例如，文件US-A-6,608,716和US-A-7,123,359描述的光学传感器包括由绝缘介质基底上淀积金属、半金属和/或半导体原子构成的微腔，还包括多个纳米粒子布置形成分形结构。文件US-A-6,807,323描述了一个光学传感器，其利用了的薄导电薄膜和掺杂了稀土元素或过渡金属的薄绝缘介质膜之间的表面等离子体共振(SPR)的现象。

但是，表面等离子体共振(SPR)现象并没有被用来改善光纤放大器的拉曼增益。光纤的生产限制条件要求对混合的纳米结构的性质，大小和形状加以选择。

此外，包含纳米粒子的光纤在现有技术中是已知的。例如，文件EP-A-1347545或WO-A-2007/020362描述了在光纤芯部具有纳米粒子的光纤。在这些文件中所描述的纳米粒子包括一稀土掺杂元素，且至少一种元素提高了信号放大倍数，例如铝，镧，锑，铋或其它。

但是，这些文件没有描述供在光纤的芯部引起表面等离子体共振(SPR)现象之用的金属纳米粒子。

因此，没有任何现有技术的文件描述了包含供在光纤的芯部引起表面等离子体共振(SPR)现象之用的金属纳米粒子，以使光纤的拉曼增益的增加的光纤。

发明内容

本发明涉及一种受激拉曼效应光纤放大器，包括：能够保证光信号的传输的芯部和围绕所述芯部且能限制光信号在所述芯部内传输的光纤包层，所述芯部由能够在泵浦信号的作用下，在给定频率振动的绝缘介质基体构成，以使传输的光信号通过拉曼效应被放大，其特征在于，所述光纤包括至少一种类型的能在光纤中产生表面等离子体共振的金属纳米结构，所述金属纳米结构的形状和组成使得其表面等离子体共振的频率对应于泵浦信号的频率和/或在光纤中传输的光信号的频率，所述金属纳米结构的至少一个维度是介于1nm(纳米)和20nm(纳米)之间，且所述金属纳米结构的总体积小于光纤芯部总体积的2％。

根据一实施例，所述金属纳米结构被布置在光纤的芯部。金属纳米结构具有的形状和组成使得其表面等离子体的带宽大于光纤芯部绝缘介质基体的振动频率。

根据一实施例，所述金属纳米结构布置于围绕光纤的所述芯部的环中；光信号在光纤的芯部中传输，以及泵浦信号在所述环中传输。

根据一实施例，光纤芯部的绝缘介质基体是基于二氧化硅的，芯部的绝缘介质基体可以掺杂有选自锗(Ge)，磷(P)，氟(F)，硼(B)，铝(Al)，钽(Ta)，碲(Te)或其组合的元素。

根据一实施例，所述金属纳米结构包括选自金(Au)，银(Ag)，铜(Cu)，铝(Al)，钨(W)，镍(Ni)，钯(Pd)，铑(Rh)，铱(Ir)，钌(Ru)，钼(Mo)，锇(Os)，铂(Pt)或其组合的金属。

根据一实施例，所述金属纳米结构的熔化温度大于或等于950℃，且汽化温度大于或等于2100℃。

根据一实施例，所述金属纳米结构具有球形形状，直径介于1nm(纳米)和10nm(纳米)之间。

根据另一实施例，所述金属纳米结构具有椭圆形状，小直径(a)介于1nm(纳米)和10nm(纳米)之间。大直径记为(b)。根据该实施例的大直径与小直径的比率(b/a)介于1和2000之间。

根据另一实施例，金属纳米结构具有被外金属壳包围的绝缘介质芯部，外径D在1nm(纳米)和20nm(纳米)之间，金属壳的厚度t小于5nm，绝缘介质芯部的直径与所述外径的比率在0.5和1之间。

根据另一实施例，金属纳米结构具有一金属芯部，一内绝缘介质壳和一外金属壳，金属纳米结构的外径D介于1nm(纳米)和20nm(纳米)之间，且外金属壳的厚度小于5nm。

根据一实施例，根据本发明的光纤对于小于500m的光纤长度，具有大于10W^-1.dB^-1的拉曼品质因数(Raman Figure of Merit，FOM)，所述拉曼品质因数定义为光纤的拉曼系数(Raman coefficient)(C_R)与光纤中的损耗的比率，所述光纤的拉曼系数(C_R)定义为在泵浦波长处芯部材料的本征拉曼增益(g_R)和光纤有效面积(A_eff)的比率。根据一实施例，对于小于500m的光纤长度，所述拉曼品质因数(FOM)大于20W^-1.dB^-1。

本发明涉及包含根据本发明的光纤的至少一部分的光放大器或激光器。

本发明进一步的特征和优点，在阅读了下面以举例形式并参照附图的本发明实施例的描述后将更为明确，其中：

附图说明

图1显示了表面等离子体共振现象；

图2显示了一利用拉曼效应的标准光纤放大器；

图3显示了根据发明的拉曼光纤放大器的一实施例；

图4显示了根据发明的光纤中的纳米结构的第一示例；

图5显示了根据发明的光纤中的纳米结构的第二示例；

图6显示了根据发明的光纤中的纳米结构的第三示例；

图7显示根据本发明的光纤的制造的例子。

具体实施方式

下面将参照受激拉曼效应(SRS)的光纤放大器描述本发明。通常，光纤由具有传输以及，如果适用的话，放大光信号的功能的光纤芯部和具有将光信号限制在芯部内的功能的光学包层构成。为此，芯部的折射率n_c和包层的折射率n_g为n_c＞n_g。对于拉曼效应光纤放大器，芯部通常由锗掺杂的二氧化硅构成，而包层通常是由非掺杂的二氧化硅构成。但是，应理解，只要传输和封闭(confinement)的功能可以保证，就可以根据所需的光学性能使用其它的掺杂剂。

本发明提出在光纤中混合金属纳米结构，以在光纤中产生表面等离子体共振(SPR)。所谓“纳米结构”是指，几百至数千的原子和/或分子的组合，合成一至少一个维度是纳米级的物体，在1到100纳米之间，且具有特定的物理-化学性质。所谓“金属纳米结构”意思是，包括至少一个金属原子组合的纳米结构。所谓“纳米结构的类型“意思是，纳米结构具有一形状，大小和组成，使得其表面等离子体共振频率(ω_plasmon)被限定和控制。

表面等离子体共振(SPR)现象如图1所示。在金属中，由于库仑屏蔽效应(Coulombshielding effect)，电子的运动是非常自由的，与其各自的原子核之间的相互作用小。在纳米的层次上，入射的光波的电场会在金属/电介质界面引起相对于所述金属原子的离子原子核的电子的极化。因而产生净电荷，电子可在一频率(ω_plasmon)相干地(coherently)振荡，该频率取决于金属的性质和纳米结构的形状和大小。当纳米结构(几何结构，形状，大小，组成)选择得当时，电子表面极化可以能集中能量和放大纳米结构周围的局部电场的方式进行。

图2显示了一个标准的拉曼光纤放大器。标准光纤放大器包括一个由绝缘介质基体构成的芯部，该绝缘介质基体能够传输在给定频率(ω_signal)传播的信号，并能在给定频率(ω_pump)下发射的泵浦信号的作用下通过拉曼效应放大该信号。因此，芯部基体的振动频率(ω_Raman)是由其组成决定，并按照这样的方式选择：来自泵浦的能量的一部分通过拉曼效应(Ps)被传输到信号频率(ω_signal)。传输到该信号的能量正比于：

P_s(ω_s)∝Nσ_ramanI_p(ω_pump)

其中，

N是基体的拉曼活性振动的数量；

σ_Raman是基体的有效拉曼截面(其正比于拉曼系数g_R)；

I_P(ω_pump)是泵浦信号的入射强度。

图3显示了根据本发明的光纤。根据本发明的光纤放大器包括一个由绝缘介质基体构成的芯部，该绝缘介质基体能够传输在给定频率(ω_signal)传播的信号，并能在给定频率(ω_pump)下发射的泵浦信号的作用下通过拉曼效应放大该信号。因此，芯部基体的振动频率(ω_Raman)是由其组成决定，并按照这样的方式选择：来自泵浦的能量的一部分通过拉曼效应(Ps)被传输到信号频率(ω_signal)。根据本发明的经由拉曼效应被放大的光信号，通过将金属纳米结构引入光纤中而被加强。这一效应归因于两个现象：

-由于基体内键环境的改变导致的基体的有效拉曼截面(σ_Raman)的近似100倍因子的增大(σ_SPR＞σ_Raman)；

-金属纳米结构附近电磁场的集中。

在这种情况下，泵浦的能量中由拉曼效应(Ps)传输到信号频率(ω_signal)的部分正比于：

P_S(ω_s)∝Nσ_SPRF²(ω_signal)F²(ω_pump)I_P(ω_pump)

其中

N是基体的拉曼活性振动的数量；

σ_SPR是通过纳米结构的存在修正过的，基体的有效拉曼截面；

I_P(ω_pump)是泵浦信号的入射强度；

F(ω_pump)是在泵浦频率上，金属纳米结构附近的局部电磁场的振幅的增长因子；

F(ω_signal)是在信号频率上，金属纳米结构附近的局部电磁场的振幅的增长因子。

从理论上讲，该因子F可以大于1000，并取决于光纤芯部的材料，即基体的介电性能，金属纳米结构的形状和大小，以及金属的性质(银，金或其它)。

因此，根据本发明与金属纳米结构的引入相关的拉曼放大的总的提高，导致以下的结果：有效拉曼横截面σ_SPR增加，在泵浦F(ω_pump)和/或信号F(ω_signal)频率上金属纳米结构附近的局部电磁场振幅增加。

根据设想的应用，根据本发明的引入到光纤芯部基体的金属纳米结构的大小，形状和性质，能够适于与泵浦(ω_pump)或者与传输的信号(ω_signal)，或者同时与二者产生共振(ω_plasmon)。为了取得与泵浦和信号的同步共振，根据本发明引入光纤芯部的纳米结构必须满足一附加条件：纳米结构的共振带宽必须大于光纤芯部的基体的拉曼振动频率(ω_Raman)。该实施例由于其允许拉曼效应的最大增加(～F⁴)而成为优选。

因此，该纳米结构通过其大小，几何结构，形状，性质和集聚程度进行选择，一方面，以使最大表面等离子体共振(SPR)效应出现在选定的被控制的频率，另一方面，以避免光纤中光信号传输的扰动。因此，根据本发明的光纤可具有大于10W^-1.dB^-1的拉曼FOM，或甚至大于20W^-1.dB^-1。

根据该实施例，金属纳米结构可被引入到光纤的芯部和/或包层，特别是引入到围绕芯部的包层的环。如果金属纳米结构被同时引入到光纤的芯部和包层，可以选择不同类型的纳米结构，即引入到芯部的纳米结构的尺寸、组成、几何结构和形状可以与引入到光纤包层的纳米结构的尺寸、组成、几何结构和形状不同。

如果金属纳米结构被引入到围绕光纤芯部的环，泵浦信号可以在该环中传输且该纳米结构将被特别地选为与泵浦(ω_pump)共振(ω_plasmon)。欲被放大的光信号仍是在芯部内传输。

金属纳米结构在光纤的芯部和/或在围绕芯部的环中的出现，会对光纤的光-几何(opto-geometric)条件产生影响，并改变信号传输条件。

首先，有必要限制由金属纳米结构造成的光损耗，与其尺寸和它们在光纤中的集聚程度有关。将金属纳米结构引入光纤的芯部或接近芯部-在直接围绕该芯部的环中-，改变了芯部的有效折射率，并可能导致通过散射的光损失增加。此外，结合于光纤之中的金属纳米结构会改变芯部基体和光纤包层的物理-化学性质，特别是其粘滞性，这将致使该材料与光纤的生产约束条件不相容，特别是拉纤温度。发明人由此确定，为了保持材料可以在标准工业条件下被拉伸和获得有限损耗的光纤，主要的条件是：

-金属纳米结构的一个纳米视觉的(nanoscopic)维度小于20nm(纳米)；

-光纤中金属纳米结构的含量(concentration)小于芯部体积的2％。

如果金属纳米结构仅被引入到光纤包层的环中而未被引入到光纤的芯部之中，光损耗将被减小但是将只能与泵浦信号，而不能与传输的信号发生表面等离子体共振(SPR)。

根据本发明，包括选自金(Au)，银(Ag)，铜(Cu)，铝(Al)，钨(W)，镍(Ni)，钯(Pd)，铑(Rh)，铱(Ir)，钌(Ru)，钼(Mo)，锇(Os)，铂(Pt)或其组合的金属的金属纳米结构将是非常适合的。这种纳米结构具有较高的熔融温度，最好是高于950℃，且最好是至少汽化温度大于或等于2100℃，允许拉纤，同时在光纤的基于二氧化硅的基体中保持纳米结构。这些可以在拉纤过程中液化，但不会蒸发。使用的纳米结构同时具有良好的化学氧化稳定性和高电子密度，保证足够多的电子云的存在，以用于在光信号的作用下的表面等离子体共振现象的发生。

光纤中央芯部的绝缘介质基体可以是基于二氧化硅的，其可以掺杂有选自锗(Ge)，磷(P)，氟(F)，硼(B)，铝(Al)，钽(Ta)，碲(Te)或其组合的元素。

下面表1给出了根据本发明可用于引入到光纤的纳米结构的金属的熔化和汽化温度。

表1

金属	熔化温度，℃	汽化温度，℃
			Au	1065	3054
Ag	961	2162
			Cu	1085	2554
Al	660	2519
			W	3407	5658
Ni	1453	2913
			Pd	1550	2963
Rh	1966	3695
			Ir	2443	4428
Ru	2250	4150
			Mo	2617	4639
Os	3027	5009
			Pt	1772	3825

根据本发明，金属纳米结构的形状可以变化，以调整依赖于它们的尺寸、性质、和预计的应用的SPR共振频率(ω_plasmon)，它们可以是近似球形或具有椭圆的形状或核壳型(core-shell(s))结构。椭圆或核壳形将允许与光纤材料的绝缘介质基体的接触表面的增加，并导致纳米结构附近电子密度的增加。

纳米结构的表面等离子体共振的强度，波长和范围本质上与引入的纳米结构的参数(金属的性质，几何结构，集聚程度)选择相关联。例如，该金属纳米结构必须至少有一个维度明显小于激发光信号的波长。对于球形纳米结构，直径可在1nm(纳米)和10nm(纳米)之间；对于椭圆形的纳米结构，小直径可在1nm(纳米)和10nm(纳米)之间。对于核壳型纳米结构，外径小于20nm(纳米)，且金属壳的厚度可限于5nm(纳米)。核壳型纳米结构的直径可以大于球形或椭圆形的纳米结构的直径，由于核壳型纳米结构部分是由绝缘介质构成所以吸收的光信号少于完全由金属构成的球形或椭圆形的纳米结构。因此，尽管有更大的外径，但由核壳型纳米结构造成的光损耗与由球形或椭圆形纳米结构造成的光损耗在同一数量级。

图4显示了可用于根据本发明的光纤的纳米结构的第一示例。

对于球形金属纳米结构(a＝b)，光信号在光纤中传播引起表面等离子体共振(SPR)现象，这导致了在一取决于金属成分的给定波长上的光波的电场振幅的增加。如果该纳米结构是椭圆的(a＜＜b)，表面等离子体共振频率(ω_plasmon)将向最低频率移动并扩宽，如图4的图形所示。

例如，对于黄金金属纳米结构，纳米结构的成椭圆形大直径和小直径之间的比率(b/a)低于2000，最好不超过1000，将允许表面等离子体共振频率向通信使用的波段(特别是C波段)移动。因此椭圆形纳米结构最好有一介于1nm(纳米)和10nm(纳米)之间的小直径a，而且，大直径b最好介于10nm(纳米)和1500nm(纳米)之间(长度可与电信光信号的波长相比较)。金属纳米结构的成椭圆形可通过调整光纤的产品参数控制，特别是在拉纤阶段。例如，对于黄金，黄金的熔化温度是1064度，而拉纤在1700至2200℃之间进行。因此，在拉纤期间，金纳米结构将表现出粘性，并将很容易在光纤预型体(preform)进行同位的变换期间变形。

此外，对SPR的频移，该金属纳米结构成椭圆形允许表面等离子体共振带扩宽。因此，通过经由同步放大泵浦和信号来保证最大拉曼效应，在一较宽带宽上的有效拉曼放大可被保证，特别是对于WDM(Wavelength Division Multiplexing，波分复用)型应用。图5显示了可用于根据本发明的光纤的纳米结构的第二示例。

该示例提出了核壳型纳米结构，其具有绝缘介质的芯部和金属的外壳，外径为D，壳厚t。当直径D等于厚度t时，其对应于球形金属纳米结构。当纳米结构具有核壳的形式，表面等离子体共振频率(ω_plasmon)是向最低频率移动并相对于球形金属纳米结构外散，如在图5中的图形所示。

例如，纳米结构具有二氧化硅芯部，并且可以使用一金层。但应了解的是，对纳米粒子芯部的绝缘介质可以与光纤的绝缘介质基体不同。直径D和壳厚度t的优化使得有可能对表面等离子体共振(SPR)频率进行控制。大约10的直径厚度比(D/t)使得可以获得在通信用波段内的SPR频率。核壳型纳米结构最好是直径D在1到20nm(纳米)之间，壳厚t小于5nm(纳米)，选择以使非金属芯部的直径(D-2t)和纳米结构的总直径(D)之间的比率介于0.5和1之间，最好大于0.8。除SPR频移之外，核壳型金属纳米结构允许表面等离子体共振带扩宽。因此，通过经由同步放大泵浦和信号来保证最大拉曼效应，在一较宽带宽上的有效拉曼放大可被保证，特别是对于WDM型应用。

图6显示了可用于根据本发明的光纤的纳米结构的第三示例。

该示例提出了具有金属中央芯部，内部绝缘介质壳和外部金属外壳的综合纳米结构。该纳米结构具有外径为D，内部绝缘介质壳厚度t₁，以及外部金属外壳厚度t₂。当纳米结构具有此类型的构成时，表面等离子体共振频率(ω_plasmon)是向最低频率移动并相对球形纳米结构外散，如图6的图形所示。此外，光波的电场强度增加。这种金属纳米结构可以优选地用于WDM类型的应用。

例如，可以使用具有一个金(gold)金属芯部，二氧化硅内壳和金外壳的纳米结构。该等纳米结构的总直径D最好是介于1和20nm(纳米)之间，且外部金属壳的厚度t₂小于5nm(纳米)。直径D和每个壳的厚度t₁和t₂的优化使得有可能对SPR频率(ω_plasmon)和共振带宽进行控制。但应了解的是，纳米结构的内壳的绝缘介质可以与光纤的基体的绝缘介质不同，而且芯部和外壳的金属可以不同。

还可以设想金属纳米结构的其它例子。特别是，可以将多种不同类型的金属纳米结构混合到单一光纤中，即球形和/或椭圆纳米结构以及核壳型纳米结构，根据上文提出的理由，只要按体积含量低于光纤的芯部体积的2％即可。当在光纤中引入不同类型的金属纳米结构时，每一类型的纳米结构可包括与其它类型不同的金属，形状和尺寸。

图7显示了根据本发明的光纤的制造的例子。

金属纳米结构(Me NP)可以通过化学或物理合成来生产，如本身众所周知的溶胶凝胶法(sol-gel method)。核壳型金属纳米结构可通过用化学或物理合成形成纳米粒子来生产，生成纳米颗粒(nanoscopic grains)粉末，然后通过化学或物理淀积在该粉末上进行一次或连续淀积。之后，纳米结构在水溶液中分散。由此获得一稳定的纳米结构悬胶(suspension)。

具有多孔芯部的二氧化硅管100和由二氧化硅管所形成的包层100同样通过MCVD(Modified Chemical Vapour Deposition，改进的化学气相淀积)生产。之后，稳定悬胶状态的纳米结构溶液，用于浸渍110二氧化硅管的多孔芯部，例如，在MCVD操作期间，以形成初级预型体(preform)芯部，可选地，形成环。

接下来，是为获得初级预型体的玻璃化和挤压操作120，最后是整体覆层(overcladding)操作，以形成可用于拉纤塔以抽拉光纤150的最终预型体。

这样，光纤被生产出来，其包括一个芯部，以及，如果适用的话，一环，由绝缘介质基体构成，且包括容许表面等离子体共振(SPR)现象发生的金属纳米结构，以放大一泵浦和/或信号波长。

根据预计的应用设想，泵浦的功率可以降低从而可使用不那么昂贵的设备，和/或光纤放大器的长度可以减小以使设备更加紧凑。

例如，尽管具有重锗掺杂(在20至25％wt％的锗之处，有效面积是10μm²)基于二氧化硅的芯部的标准的光纤放大器，对于最佳光纤长度900米将具有8W^-1.dB^-1的拉曼FOM，根据本发明的光纤，对于同一有效面积，对于小于500米的最佳光纤长度，可以具有远大于10W^-1.dB^-1的拉曼FOM，甚至超过20W^-1.dB^-1。

这种光纤可以用于具有显著放大增益的光纤放大器并相对于现有技术状态改进了紧凑性。这种光纤还可以用于具有改进的紧凑性的激光器。

当然，本发明不仅限于以示例形式描述的实施例和应用。特别是，绝缘介质基体可以是二氧化硅(silica)或任何其它成分，例如氧化锗或碲，还可以包括诸如例如锗，磷，锑和铊等掺杂物。

Claims (17)

1.一种受激拉曼效应放大光纤，包括：能够保证光信号的传输的芯部和围绕所述芯部且能限制光信号在所述芯部内传输的光纤包层，所述芯部由能够在泵浦信号的作用下，在给定频率ω_Raman振动的绝缘介质基体构成，以使传输的光信号通过拉曼效应被放大，其特征在于，

该光纤包括至少一种类型的能在光纤中产生表面等离子体共振的金属纳米结构，所述金属纳米结构的形状和组成使得其表面等离子体共振的频率ω_plasmon对应于泵浦信号的频率ω_pump和/或在光纤中传输的光信号的频率ω_signal，所述金属纳米结构的至少一个维度是介于1nm(纳米)和20nm(纳米)之间，且金属纳米结构的总体积小于光纤芯部总体积的2％。

2.根据权利要求1所述的光纤，其特征在于，所述金属纳米结构是布置于光纤的芯部。

3.根据权利要求2所述的光纤，其特征在于，所述金属纳米结构的形状和组成使得其表面等离子体共振的带宽大于光纤芯部绝缘介质基体的振动频率ω_Raman。

4.根据权利要求1到3中任意一项所述的光纤，其特征在于，所述金属纳米结构布置于围绕光纤的所述芯部的环中，光信号在光纤的芯部中被传输，且泵浦信号在所述环中传输。

5.根据权利要求1到4中任意一项所述的光纤，其特征在于，所述芯部的绝缘介质基体是基于二氧化硅的。

6.根据权利要求1到4中任意一项所述的光纤，其特征在于，所述芯部的绝缘介质基体是基于二氧化硅的，其掺杂有选自锗(Ge)，磷(P)，氟(F)，硼(B)，铝(Al)，钽(Ta)，碲(Te)或其组合的元素。

7.根据上述任意一项权利要求所述的光纤，其特征在于，所述金属纳米结构包括的金属选自金(Au)，银(Ag)，铜(Cu)，铝(Al)，钨(W)，镍(Ni)，钯(Pd)，铑(Rh)，铱(Ir)，钌(Ru)，钼(Mo)，锇(Os)，铂(Pt)或其组合。

8.根据上述任意一项权利要求所述的光纤，其特征在于，所述金属纳米结构的熔化温度等于或大于950℃。

9.根据上述任意一项权利要求所述的光纤，其特征在于，所述金属纳米结构的汽化温度等于或大于2100℃。

10.根据权利要求1到9中任意一项所述的光纤，其特征在于，所述金属纳米结构具有球形形状，直径介于1nm(纳米)和10nm(纳米)之间。

11.根据权利要求1到9中任意一项所述的光纤，其特征在于，所述金属纳米结构具有椭圆形状，其小直径a介于1nm(纳米)和10nm(纳米)之间，且大直径b与小直径的比率b/a是介于1和2000之间。

12.根据权利要求1到11中任意一项所述的光纤，其特征在于，所述金属纳米结构具有被外金属壳包围的绝缘介质芯部，外径D在1nm(纳米)和20nm(纳米)之间，金属壳的厚度t小于5nm，绝缘介质芯部的直径与所述外径的比率(D-2t)/D在0.5和1之间。

13.根据权利要求1到11中任意一项所述的光纤，其特征在于，所述金属纳米结构具有一金属芯部，一内绝缘介质壳和一外金属壳，外径D介于1nm(纳米)和20nm(纳米)之间，且外金属壳的厚度t₂小于5nm。

14.根据上述任意一项权利要求所述的光纤，其特征在于，所述光纤对于小于500m的光纤长度，具有大于10W^-1.dB^-1的拉曼品质因数，所述拉曼品质因数定义为光纤的拉曼系数C_R与光纤中的损耗的比率，所述光纤的拉曼系数C_R定义为在泵浦波长处芯部材料的本征拉曼增益g_R和光纤有效面积A_eff的比率。

15.根据权利要求14所述的光纤，其特征在于，所述光纤对于小于500m的光纤长度，具有大于20W^-1.dB^-1的拉曼品质因数。

16.一种光放大器，其特征在于，包括根据权利要求1到15任意一项所述的光纤的至少一部分。

17.一种激光器，其特征在于，包括根据权利要求1到15任意一项所述的光纤的至少一部分。

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