CN1021929C - 放大光信号的装置和方法 - Google Patents

Abstract

可用以放大光信号的光缆结构，其共同铠装内有两条均匀间隔的单模缆芯，两条缆芯有不同的传播常数，但在预定耦合波长上两个传播常数值相同，一条缆芯内有产生受激发射的荧光材料。利用这种光缆结构发明了一种放大光信号的方法，光信号波长、荧光波长和预定耦合波长一样，在一个缆芯加入不同波长(λp)的光泵能量以激励荧光材料，在另一缆芯加入光信号，光信号就在此两芯间重复传送，使荧光材料中在其自身波长上的产生受激发射，从而使信号被放大。

Description

本发明涉及光信号的放大。

美国光学杂志（JOSA）1985年1月A/卷2，1期的84到90页曾经建议用双芯光缆来放大光信号。该建议的方法是向光缆的一个芯内发送光信号，向其另一芯发光泵能量。这两个芯的直径和/或者折射率不同，因而它们决定的各目的导引路径也具有不同的传播常数。尤其是，这两个芯的传播常数会随波长有很大变化，所以它们的传播常数只能对于一个波长是相同的。设计应使该波长相应于光信号的波长，因此，通过已知的光耦合原理，传输将在两个缆芯间重复进行。

光信号的放大是通过三波混合的非线性效应，或者在同一光缆芯内同时存在光信号和泵能量的区段内出现的受激拉曼（Raman）散射来实现的。为了实现期望的非线性效应，光泵能量的波长应在1000毫微米以上并且应在非常高的能量等级提供光泵能量。

本发明的目的可以采用较低的泵能量，也能够使用较低的波长泵能量，所以它更便宜、更可靠、更经济、并且可以采用半导体源来提供泵能。为此，本发明采用芯内包含荧光材料（比如烯土掺杂的芯）的受激发射

一方面，本发明提供了一种可用于放大光信号的光缆结构，它包括一段光缆，该光缆的同一包复内具有两条均匀间隔的单模光芯，从 而提供两条光导路径，这两条光芯的光特性不同，因而使这两条光导路径具有不同的传播常数值，但它们的传输常数对预定要耦合的波长是一样的，且其一个芯内具有荧光材料，它可产生受激发射。

从另一方面来说，本发明给出了一种用前述光缆结构来放大光信号的方法，它使光信号的波长（λ_S）与一个光缆芯内荧光材料的荧光波长和预定的耦合波长都一样，向所述一个缆芯内发射具有不同波长（λ_P）的光泵能量来激励荧光材料，向所述另一缆芯内发光信号，这样，由于光耦合作用，光信号就在该两个缆芯内重复传播，并且，当经过一个缆芯时，从荧光材料引起在其自己波长上的受激发射而使光信号被放大，当已放大的光信号通过光缆结构的另一芯时，该信号被取出。

实践中，向两芯光缆的两个芯分别发送光不是容易实现的，它可以用透镜及/或者专门准备的耦合光缆来实现。因此，往深里讲，本发明提供了一种放大光信号的装置，它简化了输入和输出装置。

从这方面说，本发明提供了一种放大光信号的装置，它包括上述发明的光缆结构，至少在该光缆的一端有一个平面光学元件，它包括两条光路径，该路径分别与两个光缆芯的一个实现光学还配并且一端与缆芯对准，该平面光学元件的两条光路径在离开光缆的方向稍稍分开以便使接到光缆芯的两个光输入间有较宽的间距。

本发明还包括对两个光缆芯间的耦合波长进行电调谐的装置，若在光缆制造时没有调性的话，它可把耦合波长调谐到与光信号的波长相一致。

为了更清楚地了解本发明起见，现在将参照如下附图，用例子来说明一些具体装置。其中，

图1是图2所示光缆的光导路径的传播常数随波长具有不同变化的关系图;

图2给出了具有两个互不相同的光芯的光缆（长度比实际大大缩短），这两个光缆芯具有如图1所示的不同的传播常数;

图3给出了图2所示光缆的两个芯之间的光耦合在荧光谱范围内的通带特性;

图4示出了与图2的光缆一起使用的本发明的（输入输出）装置;

图5的断面图画出了修正的光缆结构，它可以调谐所述通常的中心波长;

图6是说明图5所示光缆结构的制造步骤;

图7给出了另一种可电调谐的光缆结构。

图2所示的光缆1在其共同包复层6内有两条光缆芯2和4。在整个光缆长度内，该缆芯2和4是按均匀间隔安放的。各缆芯分别提供各自的光导路径，它沿横向延伸到缆芯的每一边，并且缆芯的间距应做得足够小以使它们的光导路径能至相重选。缆芯2和4的设计应使其能在被放大光信号的波长上实现单模工作。

每一缆芯的材料、直径和折射率的选择，应使两个缆芯具有不同的传播常数。图1的曲线8是缆芯2的传播常数（随波长的变化），而曲线10是缆芯4的传播常数。

从图1可看出两个传播常数对波长λ_S是一样的。我们知道，当把波长及λ_S的光引入两个缆芯之一时，由于熟知的缆芯传播常数一样时会出现的光耦合过程，光会渐进地从原缆芯使到另一缆芯，然后再返回来，如此重复下去。实际上，以波长λ_S为中心的一个通带内 的光信号都会出现这种现象，该通带的宽度取决于曲线8和曲线10间的相对发散角，而该发散角可以通过调节前面已描述过的缆芯特性来控制。

图2所述的光缆结构中，波长等于光耦合中心波长λ_S的光信号引入到缆芯2。如图2的虚线12所示光耦合效应使光信号不断从芯2传到芯4再返回。实际上，光缆长度差不多有1到2米长，所以当光信号在光缆长度上传播时，可以出现几百个这种传输。

另一缆芯4中加入可产生的波长λ_S和或非常接近λ_S的受激发射的荧光材料。较好的材料是荧光烯土杂质，特别是铒，它在荧光时会产生波长从1530到1550nm（毫微米）的受激发时，这相当接近于光通信标准信息的传输波长1550nm，这可使这种光缆在标准光通信波长范围内用于放大。为了在其它标准电信光信息传输波长如850nm和1300nm上工作，缆芯的设计必须能得到恰当的不同的耦合波长，且必须采用不同的掺杂。

其它烯土元素可产生各种不同波长的受激发射，比如，钕可产生1060nm的受激发射，并可用来放大相应的不同波长的光信号。

回到图2，可根据要求的放大量的大小，把小于λ_S的波长为λ_P的光泵能量从一端或两端引入缆芯4。芯4的泵能量可以是或不是单模工作。光泵能量将缆芯4中烯土元素的电子激发到一个高能级，从这里它们掉回到较低能级并产生荧光频谱，由于在缆芯4中加入泵能而产生的这种自然荧光发射具有较宽的频谱，如图3的虚线14所示，只有落入光耦合通带16的有限量才可通过光耦合效应而进入光缆芯2。这种滤波作用大大减小了由于放大缆芯4中自然发射引起的在缆芯2中信号的噪声，它比已知的单缆芯烯土掺杂的放大光 缆的输出噪声量要小得多。

此外，并且在很大程度上，在波长λ_S的光信号通过缆芯4的所有位置上，都会引起已激励的烯土原子的受激发时，这种受激发射由于是激励它的光信号引起的自然荧光发射，所以这种受激发射集中在同一波长λ_S并且与光信号相干。因此，当沿光缆长度进行时，光信号被逐渐放大。光缆长是这样决定的，它等于光通信传输所用波长的光能量在两条缆芯之间的耦合拍长整数倍的长度上。使得已放大的光信号在整个缆芯2内行进并且可在光缆的末端从光缆中在自然发射的荧光辐射中提取出来，但其中不包括通带16内的那部分限量的荧光辐射。具有较短波长λ_P的光泵能量不会耦合到缆芯2，它仍然限制在缆芯4内，它相当于位于曲线14和曲线16之间的自然荧光发射部分。

举例来说，光缆的外径在125nm范围，而每一缆芯的直径在3到20μm。

图4描述了一种装置，它具有一定长度的上述光缆1，在其每一端，分别装有平面光学元件18、20。每一光学元件18，20具有两个光学路径18a，18b，20a和20b。路径18a和20a由光缆的缆芯4对准，并在尺寸和折射率分布上尽可能与缆芯4的接近（即实现光学匹配），以使接口的反射最小，这种反射会引起不必要的光受激发射作用。光平面元件的另一光路径18b和20b以同样方式要与缆芯2对准并实现光学匹配。

光路18a和18b在远离光缆的一端互相分开，这可以使光输入之间有较宽的空间，比如，可用两条单芯光缆22和24以传统的已知方法相连接，从而把光泵能量从光缆22经平面元件18送入光缆1，要放大的光信号从光缆24经平面元件18送入光缆1。另外的单芯光缆26和28可与平面元件20相接，以便把另一光泵能量 送到光缆1的芯4，并把已放大的光信号从光缆1的芯2取出来。若只需要一个泵能输入，平面元件20可省去，此时光缆28可直接与缆芯2相接。反之，也可省去平面元件18，电缆24可直接与缆芯2对准，光泵能量可从光缆26引入。

图5给出了与前图所示相似的光缆的剖面图，但它加入了可对光耦合通带的中心波长作微小电调谐的装置，这可使制造后能调节中心波长，从而使得中心波长与被放大光信号的波长相一致。

图5中，在光缆结构中加入两个金属电极30和32。两个电极的安放应使两个缆芯夹在电极中间。虽然缆芯2和4中所用的硅质材料对所加电场只呈现较小的克耳效应（电介质内光电效应），但在光缆内加入电极后，相对于电极上所加电压就会产生相当高的电场强度。当电压加到电极上时，克耳效应会使每一缆芯的折射率发生变化，因而使它们的传播常数发生移动。所以使耦合通带的中心频率发生相应移动。

事实上，克耳效应使垂直于电极的极化光和平行于电极的极化光（在图5中的垂直方向和水平方向）的折射率发生不同的变化。对于其极化平面垂直于电极的光，其折射率移动较大，为了利用这种极化的较大移动，光缆中一开始就只送入这种极化光。另一种方法，是在光缆的输出端用一折光仪（也称偏振器）把与电极平行的光滤除，这就只剩下垂直于电极的极化光了。

要进一步增加可用最大频率移动，可在缆芯和包复物中加入软玻璃（比如：铅玻璃，冕牌无铅玻璃或者火石玻璃），它们比一般光缆的芯和包复物中所用的硬玻璃具有更大的克耳效应。

图6是图5所示的光缆结构制造过程的说明。光制造两个缆芯 棒，比如，用改进的化学汽相沉积过程（MCVD），把具有适当的缆芯特性的玻璃材料沉积到各自的硅支承管内。绝大部分支承管材料此后被腐蚀掉，这样在中心的缆芯材料上只留有少量的包复材料，因为缆芯之间需要相对靠紧。然后，当在电炉内加热时，这两个缆芯棒被拉长，并拉成几毫米直径。

一高纯度硅棒34，它原先是园截面，经过机械加工在其相对的两面变成平面36，再用超声加工出两个沿轴向穿过它的孔洞38和40。

两个拉制成的芯棒（其拉制成的直径应分别与孔38和40相吻合）被插入到这些孔洞内，这个合成的组合件再插入硅管42内。然后，这整个组合件再拉伸，使其直径足够小，以保证能在光信号波长上实现单模工作。

这样做成的光缆如图5所示，但仍留有放电极30和32的空间。这些空间再充以低熔点合金，比如伍德合金或铟镓混合物，把整个光缆装入一加热的套筒内，使其一端浸在液态合金内，同时在该端加上压力而在光缆的另一端抽空。液态金属就这样泵入到这些空间，并在光缆冷却后，固化成电极30和32。

图7是根据本发明的可电调谐光缆的另一种样式，其中只有缆芯4处于电极（44）之间。这种结构可用图6的类似方法制造，但棒34上的平面26被两个用超声波在孔40两边打出的两个孔所替代。在光缆拉成后，这两个孔内充上金属就构成电极44。用这种结构，电极44间所加的电压将只使一个缆芯的传播常数移动，所以，比起图5的结构来，如所加电压一定时，它所得到的中心波铒移动量将有所不同并且可能更大些。

为了给图5中的电极30和32之间，或图7的电极44间加电压，部分光缆的铠装应就地用氟化氢腐蚀掉，直到使电极的表面部分暴露出来，然后用超声把精细的电引线46焊到电极上，这示于图7，其中的虚线表示光缆的铠装被蚀去的部分。

图7还用虚线画出了可以安装在缆芯2两边的第二对电极48，这样两个缆芯的传播常数就可根据需要来独立控制了。

Claims (18)

1、一种可用以放大光信号的光缆结构，它具有一定长度的光缆(1)，该光缆的同一铠装(6)内具有两条均匀间距安装的单模缆芯，从而提供了两条光导路径，至少这些缆芯的光学特性是不同的，以便使这两条光导路径具有不同的传播常数，但在预定的耦合波长处，二者的传播常数一样，其特征是，缆芯之一(4)用于接收光泵浦能，其内包含有可以产生与所述预定耦合滤长基本相同的波长的受激发射的荧光材料，另一缆芯(2)用于接收待放大的光信号。

2、如权利要求1所述的光缆结构，其特征是，其荧光材料基本上是在光通信传输所用的波长上产生受激发射。

3、如权利要求1或2所述的光缆结构，其特征在于：光缆的长度等于光通信传输所用波长的光能量在两条缆芯之间的耦合拍长整数倍的长度。

4、如权利要求1至3任一项所述的光缆结构，其特征是荧光材料用的是（Er）。

5、如权利要求1所述的光缆结构，其特征在于其荧光材料是烯土杂质。

6、如权利要求5所述的光缆结构，其特征是烯土杂质是钕。

7、如上述权利要求中任一个所述的光缆结构，其特征在于其装内具有两个电极（30，。32;44），并且它们之间至少有一条缆芯（4），对该缆芯施加一电场就可通过电光效应来改变其传播常数，因而就改变了所述耦合波长，从而使该结构被调节。

8、权利要求7所述的光缆结构，其特征是两个电极间有二的缆芯。

9、如权利要求7所述的光缆结构，其特征是只有一个光缆芯（4）在两个电极（44）之间。

10、如权利要求9所述的光缆结构，其特征是具有另一对电极（48），其间装有另一缆芯（2）。

11、如权利要求7到10任一项所述的光缆结构，其特征是至少一条缆芯具有呈现相对于大些电光效应的软玻璃。

12、如权利要求11所术的光缆结构，其特征是：其共同铠装是由电光效应相对较大的软玻璃制成的。

13、利用前述权利要求的任一项所述的光缆结构实现光信号放大的方法，其特征是光信号波长（λ_s），所述一条缆芯的所述材料的荧光波长和所述预定的耦合的长基本上一样，它向上述的一条缆芯中发射具有不同波长（λ_p）的光泵能量以激励荧光材料，向另一缆芯发送光信号，这样由于光耦合作用，光信号就在这两条缆芯间重复传递，并且，当上述一条缆芯内从荧光材料引起大体上是自己波长的受激发射时，光信号就被放大，当这些光信号处于另一缆芯时，可以光缆结构中提取出这些已放大的光信号。

14、如权利要求13所述的放大光信号的方法，其特征是光泵能量是从一条缆芯的两端加入的。

15、如权利要求13或14所述的放大光信号的方法，其特征是具有向至少一条缆芯施加电场的方法，从而通过电光效应后来改变其传播常数，因而改变所述耦合波长。

16、一种放大信号的装置，它具有如权利要求1到12任一项所述的光缆结构，其特征是在至少一个端具有平面光学元件（18、20），包括两条光通路（18a，18b），它们分别与光缆芯（4、2）实现光学耦合并在一端对准，该平面光学元件的两条光路径在远离光缆的方向逐渐分开，因而给送到缆芯或从缆芯取出信号的光输入或输出装置间提供较大的间隔。

17、权利要求16所述的装置，其特征在于其光缆结构的每一端都有一平面光学元件。

18、如权利16或17所述宾装置，其特征是，其光缆中，其铠装内装有两个电极（30，32;44），其结构是至少有一条缆芯位于该电极之间，以便对该缆芯施加电场，从而通过电光效应来改变其传播常数，因而就改变了前述耦合波长，使该装置被调谐。

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