CN101855797A - 用于发射或放大“s”波段信号的稀土掺杂光纤器件 - Google Patents

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Abstract

一种用于发射或放大信号的器件，包括：具有折射率nc的固体纤芯(2)的光纤(1)，由掺杂有诸如铒、镱或钕等稀土元素的硅石玻璃构成，所述纤芯由包括至少一对硅石层的光学覆盖层(3、4、5、6、7、8)包围，所述硅石层的对由用第二外层(4)覆盖的第一内层(3)构成，所述第一内层(3)具有大于纤芯(2)的折射率nc的折射率。所述光纤(1)包括在纤芯(2)周围的几对硅石层(3，4；5，6；7，8)，每一对包括具有折射率ni的内层(3，5，7)和具有折射率ne的外层(4，6，8)，外层的折射率ne低于同一对中内层的折射率ni。

Description

用于发射或放大“S”波段信号的稀土掺杂光纤器件
技术领域
本发明涉及一种包括硅石基(silica-based)光纤的器件，所述硅石基光纤包含稀土元素作为掺杂剂，以便在公知为“S”波段(即“短波段”)的波长范围内发射信号或放大信号，所述“S”波段意味着与小于约1530nm的波长相对应。
本发明涉及一种用稀土掺杂光纤发射或放大光信号的器件。光纤放大器包括按照公知为受激发射的原理工作的放大光纤，根据所述受激发射原理，通过经由诸如泵浦激光器的高能光源激励材料，所述材料可以发射与所传输光波相同波长和相同相位的光波，所述泵浦激光的波长小于在光纤内传播的信号的波长。所使用的主要放大元件通常是诸如铒或镱之类的稀土元素，并且通常作为在光纤的单模纤芯或单模纤芯附近的掺杂剂。泵浦信号产生粒子数反转、并且从而使这些离子变活跃。如果将放大光纤插入到光学腔，可以产生用于发射光信号的激光。
背景技术
已知有一种提高掺铒光纤放大器的性能的方法。公知为“EDFA”(掺铒光纤放大器)的这些放大器通常用于长距离光学链路以便对波分复用信号进行放大。
这些EDFA放大器包括在其纤芯或纤芯附近区域进行铒掺杂的光纤，提供1550nm波长的放大转换。将所述光纤设计用于在公知为C波段(传统波段)和L波段(大波段)的波长域内获得最有效的可能放大，所述C波段与1530nm至1565nm之间的波长相对应，所述L波段与1565nm和1625nm之间的波长相对应。
在这种情况下，在对波长小于这些值的信号进行放大时出现问题，所述波长与其波长落在1450nm和1530nm之间的所谓S波段相对应。在该波长的波段内的放大表现出的主要好处在于可以增加光学系统的传输能力。
可以制造能够在S波段内放大的掺铥TDFA放大器。然而，这些放大器表现出只可用于氟基光纤的缺点。这些光纤不能与传统硅石基光纤相连。
也可以在1530nm附近或以上波长引入损耗的情况下用硅石基光纤制造EDFA，以便支持1530nm以下的增益。可以按照两种不同的方式获得这些损耗。
首先，可以将掺铒光纤切割成两部分，并且在这两个得到的部分之间插入布拉格光栅。然而，必须将这些损耗分布在放大光纤的整个波长上，使得必须使用几个布拉格光栅，因此需要将光纤切割多次。在H.Ono等人题目为“S-Band erbium doped fiber amplifiers with a multistageconfiguration-design，characterization，and gain tiltcompensation”(IEEE，Jnl of lightwave Techn.2003，21(10)，2240-2246)的文章中描述了该方案。该方案昂贵、复杂并且效率低。
其次，文件US6970631提出了一种调节掺铒光纤折射率以便在1530nm以上产生主要的损耗的方案。该方案特别包括采用具有W形状轮廓的光纤折射率。尽管该方案在S波段内给出放大，所得到的增益不是平坦的。相反，该特定折射率轮廓导致了覆盖层模式谐振，引起在波段中心的损耗。为了避免覆盖层模式谐振，可以用吸收元素对光学覆盖层掺杂，但是如果这样做，S波段内的增益带宽将变得非常受限。
文件US-7079309涉及一种光学放大器，其中将光子晶体用于控制增益轮廓。所述晶体包括具有光子带隙(Photonic Band Gap)(或者PBG)的电介质周期性结构。三维结构由掺杂有铒离子的硅基条组成。所述电介质周期性结构包括多个微腔缺陷。
然而，根据该文献的光子带隙使得腔体谐振将可能减小在C波段中增益的自然偏移。
发明内容
本发明的目的是消除现有技术的缺陷，特别是公开了一种至少在S波段的主要部分上产生或放大信号的器件。
本发明的另一个目的是提出一种易于制造、有效率和廉价的器件。
本发明的另一个目的是在S波段内产生表现出相对平坦增益的放大。
本发明的目的是提供一种器件，包括：具有光子带隙的光纤，所述光子带隙包括由稀土掺杂硅石玻璃构成的固体纤芯，所述固体纤芯的折射率是nc，所述固体纤芯由包括所述纤芯周围的N对硅石层的光学覆盖层包围，其中N是大于2的整数，每一对包括：具有厚度di和大于纤芯折射率nc的折射率ni的第一内层；用具有厚度de和折射率ne的第二外层覆盖所述第一内层，所述外层的折射率ne小于相同对中内层的折射率ni。
本发明的基本原理包括：使用包含稀土掺杂剂的具有固态纤芯光子带隙的光纤在特定波长产生损耗。优选地，所述光纤是具有稀土掺杂硅石玻璃纤芯的单模光纤。优选地，从铒、镱和钕中选择稀土掺杂剂。这使得可以在光纤的整个长度上、在其中掺杂离子增益较高的波长上(例如对于铒离子在1525nm附近)产生信号传播损耗。这些损耗将使得可以产生其中由稀土离子提供的增益较低的光谱区域，例如对于铒离子在约1490nm和1520nm之间。对于钕离子，在从1020nm至1070nm的光谱区域中产生损耗。对于镱离子，在从1050nm至1100nm的光谱区域中产生损耗。
根据一个有利实施例，对于单独的一对，外层的厚度de大于内层的厚度di。
根据本发明的一个实施例，内层的厚度相等。
根据本发明的另一个实施例，外层的厚度相等。
优选地，外层的厚度至少等于内层厚度的两倍。
根据一个特定的实施例，稀土掺杂剂在纤芯的至少一部分中按照离子或纳米颗粒的形式散布，意味着稀土掺杂剂可以在整个单模纤芯或只在一个部分中散布。更一般地，在硅石光纤内散布的有源空间是三价离子的形式。掺杂剂的纳米颗粒具有依赖于所接受的损耗、稀土元素的所需浓度和纳米颗粒的组成的尺寸。典型地，该尺寸在2nm至20nm之间。
可以将稀土离子看作一定波长范围内的四级系统和对于更短波长的三级系统。已知如何在三级系统内获得足够的反转，以便使能主要增益(或者发射系数)。然而，这种反转对于更高波长也在四级系统内使能更大增益(或者发射系数)，从而抑制了对于三级系统的增益。通过在四级系统内选择性的产生损耗，从而可以在三级系统内制造放大器或激光器。
利用掺镱光纤，本发明可以在1100nm附近产生损耗、并且在980nm附近促进增益，从而产生在980nm附近发射(例如激光器)或放大(例如放大器)的器件。利用掺钕光纤，甚至可以在1050nm附近产生损耗、并且在915nm处促进增益，从而制造在915nm附近工作的放大器或激光器。
所述纤芯还可以通过诸如铝Al、锗Ge、磷P和/或氟F之类的其他掺杂剂来构建，以便相对于覆盖层折射率调节纤芯的折射率。可以以离子或纳米颗粒的形式将掺杂剂添加到硅石矩阵中。低折射率外层可以由未掺杂硅石或掺杂Ge、P和/或F的硅石构成。高折射率内层从可以由掺杂Ge和/或P的硅石构成。
根据本发明的一个实施例，内层折射率相等。
根据另一个实施例，外层折射率相等。
根据另一个实施例，外层的折射率等于纤芯折射率。
具有周期性高折射率和低折射率的覆盖层引起对于来自纤芯的某些特定波长辐射的分布式反射。这些特定波长属于覆盖层的光子带隙。不属于所述带隙的波长处的辐射不会在光纤纤芯内导引，而是泄露出覆盖层。带隙的中心波长通过关系式
Figure GPA00001134758500041
直接依赖于组成覆盖层的层的厚度，其中d是所讨论层的厚度，n是所讨论层的折射率，nef是纤芯内传导模式的有效折射率，λ是中心波长。
根据本发明，光纤包括N对层，每一对包括内层和外层。根据本发明的光纤内的对的个数N至少等于2。根据优选变体实施例，层对的个数N至少等于5。
跟另一个变体，光纤的半径r至少等于纤芯半径R的两倍。
根据本发明的光纤拥有光子带隙导引特性，所述光子带隙导引特性设计使得在已知为C波段的传统放大波段内抵消了稀土元素增益，以便在公知为S波段的短波长波段内实现放大。自然地，用光子带隙(PBG)结构在不需要的波长处获得的衰减等级必须足有的幅度量级，使得可以在这些波长处衰减放大增益。本发明使得可以比早些的方案在S波段内获得更加平坦的增益。
本发明的另一个益处是可以通过工业工艺容易地制造所述光纤，具体地通过MCVD工艺(改进化学气相沉积)。
附图说明
在阅读自然作为非限制示例的实施例的以下描述和附图之后，本发明的其他特征和优势将变得显而易见，其中：
图1是根据本发明一个实施例的光纤的截面图。
图2表示根据所述光纤半径的折射率轮廓。
图3示出了以dB/km为单位的光纤内传播损耗P依赖于沿x轴以μm为单位的波长λ的变化。
图4示出了与铒的吸收系数α和发射系数g*相比的传播损耗P的轮廓，在y轴上给出了传播损耗P的轮廓、以dB/km为单位的吸收系数α和发射系数g*，在x轴上给出了以nm为单位的波长λ。
图5示出了利用图2的光纤获得的增益，在y轴上给出了以dB为单位的增益G，在x轴上给出了以nm为单位的波长λ。
具体实施方式
在图1的截面图中示出了根据本发明一个实施例的单模光纤，包括固态稀土掺杂纤芯，并且拥有光子带隙导引性质。具有半径r的光纤1包括具有半径R和折射率nc的固体纤芯2，所述纤芯2由掺杂铒离子或铒纳米颗粒的硅石构成。所述纤芯2由光学覆盖层围绕，所述光学覆盖层2包括第一对层，所述第一对层包括第一层3和第二层4；所述第一层3也由硅石构成，并且具有严格大于纤芯折射率的折射率n1，使得n1＞nc；所述第二层4由掺杂硅石构成，并且具有小于第一层折射率的折射率n2，使得n2＜n1。覆盖层还包括具有相同特性的第二对层，所述第二对层围绕所述第一对层并且与所述第一对层类似，由具有折射率n3的第一层5和具有折射率n4的第二层6构成，使得n3＞nc，并且n4＜n3。在这里给出的示例中，所述覆盖层还包括第三对层，所述第三对层围绕所述第二对层、并且和所述第一对层和所述第二对层类似，由具有折射率n5的第一层7和具有折射率n6的第二层8构成，使得n5＞nc，并且n6＜n5。所述光纤还可以用由聚合物材料组成的保护涂层覆盖，这里没有进行描述。优选地选择低折射率聚合物。
在图2中所示的本发明实施例中，具有半径r的光纤包括由7对类似层构成的多光学覆盖层。纤芯具有半径R＝12.7μm和折射率nc。纤芯由第一层围绕，所述第一层的厚度a是2.5μm，并且其折射率是n1，使得n1-nc＝Δn，这里Δn＝0.03。紧邻第一层的是第二层，其厚度b＝8.5μm，并且其折射率是n2，这里使得n2＝nc。以下层类似继续，交替设置高折射率和低折射率及其相应厚度。
根据本发明一个实施例的光纤具有特定的传播行为，依赖于层的总个数、它们的折射率和厚度。如果在拉伸预型件时调整光纤的外直径OD，可以修改参数a、b、N和Δn的值。
下表示出了对于与参数a、b、N和Δn之一的值有关的变体的几个示例，实现初始传播条件所必须的外直径OD的相对变化δOD。
表1
(a)(b)(c)(d)
Figure GPA00001134758500061
例如，如果层数减小1：δN＝-1，外直径OD必须增加2％：δOD＝+2％，使得所得到的结果保持不变。
在图3中给出了在前述光纤中信号基于波长λ的传播损耗P的一个示例。传播损耗的光谱变化示出了泵浦激光器的发射波长损耗的较低值(λ＝980nm，区域30)和在大于λ＝1530nm的波长处的损耗的较高值(区域31)。可以观察到在属于平均值在1450nm和1530nm之间的目标S波段的波长处，传播损耗相对较低(区域32)。
应当注意，本发明的基本原理包括：在具有掺杂稀土元素的固体纤芯的光子带隙光纤的帮助下，在特定波长处产生损耗。在该示例中，泵浦辐射将在光纤内正常传播，而波段C和L的信号光将被严重衰减，这实现了S波段的信号放大。
现在我们考虑图4，示出了传播损耗P(曲线40)、铒吸收系数α(曲线41)和铒发射系数g*(曲线42)基于信号波长λ的轮廓变化。
在远大于1530nm的波长处，在没有传播损耗P(曲线40)时，发射系数g*(曲线42)大于吸收系数α(曲线41)。在该示例中，由光子带隙(PGB)引起的损耗大于1530nm以上波长处的发射系数g*，并且对于1520nm以下的波长，损耗小于发射系数g*。
例如，EDFA放大器将正确地并主要地放大C和L波段的信号。为了正确地和主要地放大S波段中的信号，意味着在小于1530nm的波长处，传播损耗P(曲线40)的应用是必须的。这些损耗在1530nm附近和以上的波长处非常高，并且防止在这些波长处的放大。于是获得了在S波段的增益。
图5示出了利用上述放大器件获得的增益G基于信号波长λ的变化。曲线50示出了对于小于1520nm的波长λ相对较高的增益，示出了本发明放大器件的贡献。此外，增益曲线50是平坦的，意味着增益作为波长函数是相对恒定的。这是本发明放大器件的固有特性，将在其他应用中有利地使用。
以上作为说明目的描述了S波段中的放大器件。自然的，相同原理和相同光纤可用于构建诸如在相同波段S内发射的激光器之类的发光器件。

Claims (10)

1.一种器件，包括光子带隙光纤，所述光子带隙光纤包括由稀土掺杂硅石玻璃构成的固体纤芯，所述固体纤芯的折射率是nc，所述固体纤芯由包括围绕该纤芯的N对硅石层的光学覆盖层所包围，其中N是大于2的整数，每一对硅石层由覆盖有第二外层的、具有厚度di和大于纤芯折射率nc的折射率ni的第一内层构成，所述第二外层具有厚度de和折射率ne，外层的折射率ne小于同一对中内层的折射率ni。
2.根据权利要求1所述的器件，其中同一对中外层的厚度de大于内层的厚度di。
3.根据权利要求2所述的器件，其中外层的厚度de是内层的厚度di的两倍。
4.根据权利要求1到3中任意一项所述的器件，其中纤芯是由从铒、镱和钕中选择的稀土掺杂硅石光纤构成。
5.根据权利要求4所述的器件，其中稀土元素散布在纤芯的至少一部分中。
6.根据任一前述权利要求所述的器件，其中内层的折射率相等。
7.根据任一前述权利要求所述的器件，其中外层的折射率相等。
8.根据权利要求7所述的器件，其中外层的折射率等于纤芯的折射率。
9.根据任一前述权利要求所述的器件，其中，层的对数N至少等于5。
10.根据任一前述权利要求所述的器件，其中光纤的半径r至少是纤芯的半径R的两倍。
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