CN102565927B - 光纤、光纤激光器和光学放大器 - Google Patents

光纤、光纤激光器和光学放大器 Download PDF

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Abstract

本发明涉及光纤、光纤激光器和光学放大器。光纤(1)包括纤芯(90)和光包层(200)。纤芯(90)包括含有纳米颗粒(110)的纤芯基质(100)。纳米颗粒(110)包括包覆有外层的纳米颗粒基质(120)。纳米颗粒基质(120)包括稀土族掺杂原子(130)，其中，稀土族掺杂原子(130)的浓度使得除氧以外的纳米颗粒基质(120)原子的数量相对于稀土(130)原子的数量的原子比在300～1000的范围内。外层包括基本上不存在任何稀土(130)原子的外层基质，并且外层的厚度在1nm～2nm的范围内。这种光纤能够使对诱发淬火(PIQ)机制和同质上转换(HUC)机制衰减。

Description

光纤、光纤激光器和光学放大器
技术领域
本发明涉及光纤领域，尤其涉及掺杂有稀土族元素(以下称为“稀土”)的光纤。
背景技术
传统上，光纤(即，通常由一个或多个包覆层包住的玻璃纤维)包括光纤纤芯和光包层，其中，光纤纤芯传输和/或放大光信号，以及光包层将光信号限制在光纤纤芯(即，中央纤芯)内。因此，纤芯的折射率nc通常大于光包层的折射率ng(即，nc＞ng)。通常通过向中央纤芯和/或包层引入掺杂物来获得中央纤芯和包层之间的折射率差。
通常纤芯和光包层是通过诸如内部化学气相沉积(CVD)、外部气相沉积(OVD)、轴向气相沉积(VAD)等的气相沉积所获得的。利用内部CVD型工艺，外包层被制成包括沉积管以及可能地还包括额外的包层或套筒。中央纤芯由可选地包括掺杂元素的基质(matrix)构成。该纤芯基质通常由二氧化硅制成。通常，通过在用于形成初级预制件的芯的CVD工序期间浸透多孔的二氧化硅棒而掺入不太稳定的元素(例如，稀土、铝等)。例如，对于掺入稀土，可以使用从溶解盐获得的具有稀土的溶液来进行浸透。这些稀土一旦被嵌入纤芯内，则以离子形式存在。
掺杂有稀土的光纤广泛用于多种光学应用中。特别地，掺杂有稀土的光纤可以用作宽带传输用的线路放大器。
铒掺杂光纤可用于长距离光通信系统内以对光信号进行放大。在铒掺杂光纤放大器(EDFA)中使用这种光纤，并且这种光纤具有包括二氧化硅基质的纤芯，其中，该二氧化硅基质包含重量浓度在百万分之250(250ppm)～1,000ppm(即，0.025重量百分比(重量％)～0.1重量％)量级的诸如铒等的稀土。
稀土掺杂光纤内的光学放大通过将所谓的“泵浦(pump)”信号注入光纤内而起作用。该泵浦信号激发稀土离子。当入射信号穿过光纤的该部分时，使这些稀土离子去激，并且通过模拟发射(simulatedemission)而产生与来自该入射信号的光子大致相同的光子。该入射信号由此被放大。
放大光纤的增益“形状”是指增益的值为入射信号的波长的函数。增益“宽度”是指增益保持大于预定值的波长的范围。例如，在波段C(1530纳米～1565纳米)内适合使用铒掺杂光纤。传统上，铒掺杂光纤在C波段内的增益宽度约为30纳米～35纳米。
重掺杂稀土离子的光纤受到越来越多的关注。首先，增加光纤内稀土离子的量使得可以增大该光纤每单位长度的增益，由此缩短实现给定放大所需的光纤长度。因而，包括放大光纤的系统的成本降低且大小缩小。此外，重掺杂的光纤特别适合于在L波段(1565纳米～1625纳米)内进行放大。
然而，当光纤纤芯的基质内的稀土离子的浓度变高时，相邻的两个稀土之间的平均距离变短。这导致在纤芯基质内形成稀土对、或者甚至稀土聚集体，由此引起掺杂不均匀。稀土间平均距离的缩短增大了相邻的稀土彼此作用的可能性。由泵浦信号传递至光纤的能量在相邻的稀土之间进行传递，因此这些能量存在损耗。因而，同时存在除引起放大的机制以外的机制导致光纤的放大效率下降。
相邻的稀土之间的两种主要的相互作用机制是同质上转换(HUC)和对诱发淬火(PIQ)。这两种机制的影响在很大程度上依赖于稀土之间的距离。
同质上转换发生在均匀分布的、相互间距离为纳米级的稀土之间。通过参考作为相邻的两个稀土的能量图的图1可以更好地理解该机制。由于作为受体的稀土1和作为供体的稀土2彼此邻近，稀土1从稀土2接收能量WHUC。稀土2经历朝向基本能态4I15/2的松弛(relaxation)9。因而，仅在被泵浦光子再一次激发的情况下，稀土2才可用于放大入射信号。能量传递WHUC用于将稀土1从亚稳能态4I13/2激发至能态4I9/2(激发10)。之后，稀土1朝向能态4I13/2松弛。
这种松弛可能包括经由能态4I11/2进行传递。在这种情形下，稀土1经历从能态4I9/2到能态4I11/2的松弛12，然后经历从能态4I11/2到能态4I13/2的松弛14。松弛12和14并未发生辐射(即，没有发射波长与能态之间的能量差相对应的光子)。相反，该能量差以热(热效应)的形式或者以振动波或声子(即，声波而非光波)的形式消散。
在存在入射信号光子的情况下，稀土1经历从能态4I13/2到能态4I15/2的松弛16，由此产生与该入射信号光子相同的光子。该模拟发射使得入射信号能够被放大。然而，由两个稀土构成的系统的能量平衡表明两个泵浦光子已产生了一个入射信号光子。如果不发生HUC机制，则两个泵浦光子本应产生两个入射信号光子。因而，同质上转换导致光放大机制的效率下降。
松弛18不太可能发生。然而，如果发生松弛18，则两个泵浦光子均被消耗而没有获得用于对入射信号进行放大的光子。在存在入射信号光子的情况下，松弛18形成在入射信号的波长处的光子，但该光子的性质不同于入射信号光子的性质。在随机方向上以随机相位发射光子。因此，通过松弛18所发射的光子无法用于对入射信号进行放大。
例如，根据Delevaque等人的论文“Modelingofpair-inducedquenchinginerbium-dopedsilicatefibers”，IEEEPhotonicsTechnologyLetters，Vol.5，No.1，1993，pp.73to75已知有对诱发淬火。PIQ机制在两个稀土非常接近时发生。当两个稀土隔开的距离的量级与它们的直径相同(例如，0.2纳米)时发生PIQ机制。然后，这两个稀土非常牢固地耦合到一起以使得这两者形成稀土对。无法稳定地将这两个稀土共同激发至能态4I13/2。通过参考作为包括两个稀土的稀土对的能量图的图2可以更好地理解该情况。
在相位I中，稀土1处于能态4I15/2并且稀土2处于能态4I13/2。在吸收泵浦光子时，稀土1经历到能态4I13/2的激发(excitation)20。紧挨在该泵浦信号穿过之后，该对稀土进入相位II，即这两个稀土都处于态4I13/2。与PIQ机制的时标相比较，该相位的持续时间非常短。稀土1经历到能态4I15/2的松弛22，由此将能量传递至稀土2。利用该能量，稀土2经历到能态4I9/2的激发24。然后，该对稀土进入相位III。该对稀土保持处于相位III约50纳秒(ns)。然而，稀土2没有保持处于态4I9/2，并且稀土2经历回到态4I13/2的非辐射松弛26和28。因而，在PIQ机制结束时，仅稀土2可用于对入射信号进行放大。泵浦光子已被吸收而无法用于对入射信号进行放大。在没有发生PIQ机制的情况下，稀土1和2这两者都可用于进行放大。
因而，稀土掺杂光纤的性能极度依赖于稀土之间的距离。
一种解决方案包括减少稀土量并增大光纤长度，从而实现给定的放大增益。通过减少稀土量，相邻的稀土之间的平均距离增大。因而，PIQ机制和HUC机制发生的可能性降低。例如，可以利用2米(m)增益为40分贝/米(dB/m)的稀土掺杂光纤或者8米增益为10dB/m的稀土掺杂光纤来制造增益为80分贝(dB)的放大器。然而，增大光纤长度导致放大器的大小增大。
另一解决方案包括将共掺杂物或补充掺杂物连同稀土一起嵌入。这些共掺杂物用于通过防止稀土之间发生相互作用来改善放大率。例如，已知有氧化铝用来改善宽带放大所需的增益平坦性并减少稀土(例如，铒)聚集。为了有效，这些共掺杂物需要包住稀土离子。在利用包含稀土的溶液对光纤进行掺杂时，共掺杂物的浓度非常高以确保纤芯内的各稀土离子均被共掺杂物包住。然而，可以嵌入纤芯内的共掺杂物的量有限，这是因为共掺杂物可能改变纤芯的折射率并增加背景损耗和/或改变增益形状。
还已知有能够减少稀土离子之间的能量传递的纤芯基质。因此，这种纤芯基质能够容纳大量稀土离子。例如，已知有磷酸盐玻璃和氟化物玻璃(即，包含磷或氟的玻璃)。还已知有玻璃陶瓷或ZBLA(ZrF4-BaF2-LaF3-AlF3)基质。这些基质可能存在缺陷。例如，氟化物玻璃或磷酸盐玻璃对氢氧根离子非常敏感并且耐湿性差。此外，包括这些基质的光纤很难与纤芯基质通常由二氧化硅制成的标准光纤相兼容。例如，在包括这种基质的光纤和标准光纤之间焊接接头非常困难。
S.Tammela等的论文“Potentialofnanoparticletechnologiesfornextgenerationerbium-dopedfibers”，OFC2004TechnicalDigest，FB5，2004描述了包括直接纳米颗粒沉积(DND)的光纤制造方法。作者们使用了外部气相沉积，其中利用专门设计的喷枪的火焰对具有掺杂物前体的玻璃进行加热。玻璃和这些前体发生反应而形成稀土烟黑。DND技术使得即使高浓度的稀土也能够均匀地分散。稀土的化学环境(即，紧邻各稀土的原子)主要确定用于形成主要的增益特性的稀土的荧光性质。将这些稀土嵌入纤芯基质内。因而，稀土的环境依赖于纤芯基质的组成。DND技术是不能对稀土周围的化学环境进行控制的随机方法。因而，DND技术无法改善光纤针对给定增益的放大效率。
已知使用改进的化学气相沉积(MCVD)工艺来利用纳米颗粒进行稀土掺杂。由于纳米颗粒基质包住稀土离子，因此对各稀土离子的环境进行了较好的控制。例如，欧洲专利申请公开2194408描述了光纤纤芯内具有纳米颗粒的光纤。这些纳米颗粒包括稀土离子。
欧洲专利申请公开2194620描述了如下的光纤：可以通过避免作为由于二氧化硅内存在的缺陷所引起的寄生机制的光致发黑来使纳米颗粒内的稀土聚集。然而，该文献并未描述如何消除PIQ机制和HUC机制。
欧洲专利申请公开2187486描述了具有稀土掺杂纳米颗粒的光纤，其中，稀土离子之间的距离大于0.8纳米，从而避免发生PIQ机制。然而，该光纤并未考虑HUC机制。
还已知欧洲专利申请公开2091115描述了包括纳米颗粒的光纤。各纳米颗粒具有包含稀土离子的铝基质。这些纳米颗粒还包括位于外侧的非掺杂金属层(例如，厚度为9微米(μm))。各纳米颗粒的金属外层用于通过表面等离子共振(SPR)现象来改善放大率。然而，该文献并未描述如何消除PIQ机制和HUC机制。
因而，需要PIQ机制和HUC机制均被衰减的稀土掺杂光纤。
发明内容
在一个方面中，本发明提供一种光纤，其包括：
中央纤芯，其包括纤芯基质和纳米颗粒，并且用于传输光信号，其中，所述纤芯基质包住所述纳米颗粒；以及
光包层，其包住所述中央纤芯，并且用于将所述光信号限制在所述中央纤芯内传输；其中，
所述纳米颗粒包括稀土掺杂元素、纳米颗粒基质和外层，所述纳米颗粒基质包住所述稀土掺杂元素，并且所述外层包住所述纳米颗粒基质；
在所述纳米颗粒内，除氧以外的纳米颗粒基质原子的数量相对于稀土掺杂元素原子的数量的原子比为300～1000；以及
所述外层包括基本上不存在任何稀土掺杂元素原子的外层基质，并且所述外层的厚度为1纳米～2纳米。
在实施例中，所述纤芯基质由二氧化硅制成。
在实施例中，所述纳米颗粒基质包括氧化铝(Al2O3)和/或二氧化硅(SiO2)。
在实施例中，所述纳米颗粒的外层由氧化铝(Al2O3)、二氧化硅(SiO2)或它们的组合制成。
在实施例中，稀土族掺杂元素是从铒(Er)、镱(Yb)、铥(Tm)或它们的组合中选择出的。
在实施例中，对于所述纳米颗粒，除氧以外的纳米颗粒基质原子的数量相对于稀土原子的数量的原子比在350～550的范围内。
在实施例中，纤芯内的纳米颗粒基质的重量百分比在0.5重量％～3.5重量％的范围内。
在实施例中，所述纳米颗粒基本上为直径在5nm～50nm的范围内的球形。
在实施例中，所述纤芯内的稀土族掺杂元素的浓度在250ppm～1500ppm的范围内。
在实施例中，所述纤芯基质还包括用于形成所述纤芯和所述光包层之间的折射率差的附加掺杂物。可以从锗、氟、铝、磷或它们的组合中选择所述附加掺杂物。
本发明还提供一种光纤激光器，其包括根据本发明的光纤的至少一部分。本发明还提供一种光学放大器，其包括根据本
发明的光纤的至少一部分并且使用60毫瓦(mW)～1.5瓦(W)的范围内的泵浦功率。
换言之，本发明的一个方面提供一种光纤，其包括：中央纤芯，用于传输光信号；以及包住所述中央纤芯的光包层，用于将所述光信号限制在所述中央纤芯内传输。所述中央纤芯包括包含纳米颗粒的纤芯基质。所述纳米颗粒包括包覆有外层的纳米颗粒基质。所述纳米颗粒基质包括稀土族掺杂原子，所述稀土族掺杂原子的浓度使得除氧以外的纳米颗粒基质原子的数量相对于稀土原子的数量的原子比在300～1000的范围内。所述外层包括基本上不存在任何稀土原子的外层基质，并且所述外层的厚度在1nm～2nm的范围内。
优选地，所述纤芯基质由二氧化硅制成。优选地，所述纳米颗粒基质包括氧化铝(Al2O3)和/或二氧化硅(SiO2)。优选地，所述纳米颗粒的所述外层由氧化铝(Al2O3)、二氧化硅(SiO2)或它们的组合制成。优选地，所述稀土族掺杂元素是从铒(Er)、镱(Yb)、铥(Tm)或它们的组合中选择出的。优选地，对于所述纳米颗粒，除氧以外的纳米颗粒基质原子的数量相对于稀土原子的数量的原子比在350～550的范围内。优选地，所述纤芯内的纳米颗粒基质的重量百分比在0.5重量％～3.5重量％的范围内。优选地，所述纳米颗粒基本上为直径在5nm～50nm的范围内的球形。优选地，所述纤芯内的稀土族掺杂元素的浓度在250ppm～1500ppm的范围内。优选地，所述纤芯基质还包括用于形成纤芯和光包层之间的折射率差的附加掺杂物。优选地，所述附加掺杂物是从锗、氟、铝、磷或它们的组合中选择出的。
在另一实施例中，本发明涉及一种光纤，其包括由光包层包住的中央纤芯，所述中央纤芯包括分散在纤芯基质内的纳米颗粒；其中，所述纳米颗粒包括包住分散在纳米颗粒基质内的稀土掺杂物的外层，所述外层基本上不存在稀土掺杂物；其中，对于至少80％的所述纳米颗粒，同一纳米颗粒内的相邻稀土掺杂物之间隔开的平均距离d1至少约为2纳米；并且，对于至少80％的所述纳米颗粒，不同纳米颗粒内的稀土掺杂物之间隔开的距离d2至少约为2纳米。
优选地，对于至少90％的所述纳米颗粒，(i)同一纳米颗粒内的相邻稀土掺杂物之间隔开的平均距离d1至少约为2纳米，并且(ii)不同纳米颗粒内的稀土掺杂物之间隔开的距离d2至少约为2纳米。优选地，对于至少95％的所述纳米颗粒，(i)同一纳米颗粒内的相邻稀土掺杂物之间隔开的平均距离d1至少约为2纳米，并且(ii)不同纳米颗粒内的稀土掺杂物之间隔开的距离d2至少约为2纳米。优选地，所述纳米颗粒基质包括氧化铝和/或二氧化硅；并且所述中央纤芯内的所述纳米颗粒基质的浓度约为0.5重量百分比～3.5重量百分比。优选地，所述稀土掺杂物是铒(Er)、镱(Yb)和/或铥(Tm)；并且所述中央纤芯内的所述稀土掺杂物的浓度约为250ppm～1,500ppm。
通过阅读以下对以示例的方式并且参考附图所给出的根据本发明的实施例的说明，将清楚根据本发明的其它特征和优点。
附图说明
图1是两个稀土发生HUC机制时的能量图(已说明)。
图2是两个稀土发生PIQ机制时的能量图(已说明)。
图3示意性示出根据本发明的光纤的示例。
具体实施方式
在一个方面中，本发明探索减少上述的PIQ机制和HUC机制。稀土之间存在最小距离，其中，低于该最小距离，则在相邻的稀土之间发生能量传递。在本发明的光纤中，纳米颗粒包括外层，并且存在控制的、除氧以外的纳米颗粒基质原子的数量相对于稀土原子的数量的原子比(或原子比)。该原子比使得可以对稀土的环境进行控制，从而获得稀土之间的平均距离大于前述最小距离。因而，在根据本发明的光纤中，稀土之间的寄生能量传递被衰减或者甚至被消除。
以下参考作为根据本发明的光纤1的图的图3来说明根据本发明的光纤的示例，其中，光纤1的中央纤芯90被放大。光纤1具有：中央纤芯90，其适合于传输光信号；以及包住中央纤芯90的光包层200，其适合于限制在中央纤芯90内传输的光信号。
根据本发明的光纤的中央纤芯90由纤芯基质100和纳米颗粒110构成。例如，纤芯基质100基于二氧化硅。
在实施例中，纤芯基质100包括用于形成中央纤芯90和光包层200之间的折射率差的附加掺杂物(未示出)。例如，该附加掺杂物可以是锗、氟、铝、磷或这些元素的组合。例如，附加掺杂物的浓度在1重量％～10重量％的范围内。
在特定例子中，纤芯基质100由二氧化硅制成并且附加掺杂物是锗。
中央纤芯90相对于光包层具有折射率差，这使得可以获得光信号引导性质。例如，相对于光包层的折射率差在10×10-3～30×10-3的范围内。
纤芯基质100包住纳米颗粒110(例如，纳米颗粒分散在纤芯基质内)。纳米颗粒110掺杂有稀土离子(即，稀土掺杂元素)130。各纳米颗粒110由包住稀土130的纳米颗粒基质120制成(例如，稀土掺杂元素分散在纳米颗粒基质内)。因而，与利用经由溶解盐的浸透进行的掺杂相比，利用纳米颗粒110进行的掺杂使得可以获得稀土130的更好分散。
纳米颗粒基质120的组成和结构促进了稀土130的解散。纳米颗粒基质120可以与中央纤芯90的基质100区分开。稀土采用离子形式，其中，该离子形式的电荷被存在于纳米颗粒基质120中的氧离子平衡。纳米颗粒基质120包括氧化形式的一个或多个化学元素。纳米颗粒110的基质120包括一个或多个氧化物，其中，所述一个或多个氧化物使得用于提供光纤1的增益性质的稀土130能够均匀溶解，同时维持稀土130和纤芯基质100的晶体缺陷之间的物理屏障。纳米颗粒基质120不会引起对于作为利用时间的函数的发射效率而言成为麻烦的缺陷。另外，纳米颗粒基质120经受住光纤1的制造工艺条件。纳米颗粒基质120可以包括例如二氧化硅SiO2和/或氧化铝Al2O3。氧化铝提供了稀土在纳米颗粒110内的良好分布，并且使得针对波分复用(WDM)应用的谱窗内的放大增益可以扩宽。
对于纳米颗粒110，除氧以外的纳米颗粒基质原子的数量相对于稀土130原子的数量的原子比在300～1000的范围内，优选在350～550的范围内。该原子比是指存在于纳米颗粒内的除氧以外的基质原子的量相对于稀土原子的量的比率。比率值在该范围内可以使得给定纳米颗粒110内包含的稀土130之间的距离d1大于或等于2纳米。首先，当稀土130以在0.2纳米～0.4纳米的范围内的距离分隔开时，发生PIQ机制。其次，当稀土130以小于2纳米的距离间隔开时，发生HUC机制。因而，在本发明的光纤1中，纳米颗粒110内的稀土130之间的距离d1极大，从而减少或者甚至消除发生在纳米颗粒110内的稀土130之间的HUC机制和PIQ机制。
通常，表述“平均距离d1”是指各掺杂离子与其最邻近的掺杂离子之间的平均间隔(即，每两个掺杂离子之间的距离的平均值)。在这方面，如图3所示，表述“平均距离d1”是表现纳米颗粒的基质材料内的各组相邻掺杂离子之间的间隔这一特征的有用方式。
纳米颗粒110还具有基本上不存在稀土130的外层(未示出)(例如，纳米颗粒的外围部分可能不包括任何稀土)。该外层的厚度在1纳米～2纳米的范围内。因而，即使两个不同的纳米颗粒110接触，这些纳米颗粒内包含的两个稀土130也以距离d2彼此分隔开，其中，该距离d2大于或等于2纳米。因而，在本发明的光纤1中，两个不同的纳米颗粒110内的稀土130之间的距离d2极大，从而消除发生在这些稀土130之间的HUC机制和PIQ机制。换言之，该外层用于减少或者甚至消除发生在两个不同的纳米颗粒内的稀土130之间的HUC机制和PIQ机制。
在这方面，如图3所示，表述“距离d2”是表现中央纤芯的基质材料内的不同纳米颗粒中的相邻稀土之间的间隔这一特征的有用方式。
大部分或者甚至所有的纳米颗粒110均具有上述这些特性：(i)除氧以外的纳米基质原子的数量相对于稀土130原子的数量的原子比的值；以及(ii)(基本上)不存在稀土130的外层的厚度。
特别地，至少80％的纳米颗粒110、优选为至少85％的纳米颗粒110、甚至更优选为至少90％的纳米颗粒110或甚至95％的纳米颗粒110均具有上述这些特性(例如，形状、尺寸、成分浓度和间隔距离)。
纳米颗粒110的特性可以通过利用光衍射或散射的技术和设备进行确定。这些特性还可以通过电子显微镜观察进行确认。特别地，外层的厚度可以通过电子显微镜进行确定。
在下文，PIQ机制的特征在于PIQ机制所涉及的光纤内的稀土130的百分比。换言之，PIQ机制的特征在于成对地所涉及的稀土130的百分比。
另外，在下文，HUC机制的特征在于以立方米/秒(m3·s-1)表示的能量传递率WHUC。
稀土百分比和能量传递率WHUC是根据诸如Marcerou等人于ProceedingsofSPIE，Vol.1373，pp.168-186(1990)中公开的题为“Generaltheoreticalapproachdescribingthecompletebehavioroftheerbium-dopedfiberamplifier”的论文所述的模型等的已知模型而获得的。考虑如图1所示的HUC机制和如图2所示的PIQ机制，如下所示的稀土百分比的值和传递率的值是根据Marcerou所著论文中的模型而获得的。本领域的技术人员应当理解，可以使用用于确定对的百分比和能量传递率WHUC的其它模型。
通常，PIQ机制所涉及的对的百分比随着中央纤芯90内的稀土130的浓度而增大。在根据本发明的光纤的例子中，与传统的利用稀土溶液进行掺杂的光纤相比，对的百分比更加缓慢地随着稀土130的浓度增大而增大。在利用稀土溶液进行掺杂的光纤的例子中，对的百分比以2.31×10-25％立方米(％.m3)的斜率随着稀土浓度增大。
作为对比，根据本发明的光纤的例子的对百分比以小于1.45×10-25％m3的斜率随着稀土130的浓度增大。对百分比增大斜率的这种减小可能是由于以下两个因素所引起的：(i)除氧以外的纳米颗粒基质原子的数量相对于稀土130原子的数量的原子比；以及(ii)纳米颗粒110的外层。
通常，与HUC机制相关联的能量传递率WHUC随着稀土浓度增大而增大。本发明的光纤的例子的能量传递率WHUC随着稀土130的浓度增大而基本上保持恒定，这是由于至少以下的两个原因：(i)除氧以外的纳米颗粒基质原子的数量相对于稀土130原子的数量的原子比；以及(ii)纳米颗粒的外层。换言之，能量传递率WHUC并不随着稀土浓度而大幅改变。例如，能量传递率WHUC在±0.1×10-24m3·s-1内保持恒定。能量传递率WHUC的值依赖于除氧以外的纳米颗粒基质原子的数量相对于稀土130原子的数量的原子比的值。
当使用根据本发明的光纤的例子来放大光信号时，PIQ机制和HUC机制的衰减使得泵浦信号功率损耗能够降低。因而，获得给定增益所需的泵浦功率减小。这实现了节能，降低了运营成本，并且对于包括光纤的系统而言提供了更大的可靠性。
例如，纳米颗粒的外层由二氧化硅或氧化铝或者这两者的组合制成。在实施例中，纳米颗粒110的外层和基质120具有相同的组成。
稀土130的浓度用于获得给定放大增益。在根据本发明的光纤1中，PIQ机制和HUC机制均被衰减或者甚至被消除。因而，在根据本发明的光纤1中，稀土130的浓度不受相邻的两个稀土之间的相互作用机制所限制。
因而，在实施例中，根据本发明的光纤具有重掺杂的中央纤芯90，同时其中的PIQ机制和HUC机制还均由于除氧以外的纳米颗粒基质原子的数量相对于稀土130原子的数量的原子比以及各纳米颗粒110的外层而被衰减。在本实施例中，中央纤芯90内的稀土130的浓度例如在250ppm～1500ppm的范围内，或者在500ppm～1000ppm的范围内。在特定例子中，对于中央纤芯90，稀土130的浓度为1400ppm，对的百分比小于4％，并且能量传递率WHUC小于0.5×10-24m3.s-1。
在光纤1的中央纤芯90中，纳米颗粒110内的纳米颗粒基质120的浓度在0.5重量％～5重量％的范围内，优选在1.5重量％～4重量％的范围内。
纳米颗粒110的尺寸便于掺入中央纤芯90内。例如，纳米颗粒110的形状基本上为直径在5纳米～50纳米的范围内的球形。在该例子中，大部分或者甚至所有的纳米颗粒110的形状基本上均为直径在5纳米～50纳米的范围内的球形。
通常，至少80％(例如，至少85％)的纳米颗粒110、典型地90％(例如，至少95％)的纳米颗粒110具有标称的纳米颗粒特性(例如，形状、尺寸、成分浓度和间隔距离)。
本发明的上下文所使用的稀土130例如是铒Er、镱Yb、铥Tm或它们的组合，或者甚至是使得能够通过光泵浦进行放大的任何其它稀土。
当使用光纤1来放大信号时，放大器的增益依赖于所使用的稀土以及这些稀土的浓度。另外，根据本发明的光纤1可用于诸如激光器等的其它应用中。
以下将说明适用于放大光信号的根据本发明的光纤1的示例。光纤1的例子包括具有重量浓度为600ppm的铒的中央纤芯90。纳米颗粒基质120由氧化铝制成，并且纳米颗粒基质120在中央纤芯90内的浓度为3.5重量％。氧化铝用于形成放大增益形状。纳米颗粒110的平均直径为25纳米。在光纤1的该例子中，对于纳米颗粒110，铝相对于铒的原子比为400并且由纯氧化铝制成的外层的厚度为1纳米，由此使得可以确保两个铒原子之间的距离大于2纳米。因而，光纤1的例子的对百分比小于3％并且能量传递率WHUC小于0.5×10-24m3.s-1。
使用MCVD技术来制造上述光纤1的例子。以下将说明用于制造根据本发明的光纤的该例子的方法。
该方法包括如下步骤：在2000℃的温度下，在二氧化硅管的内表面上连续沉积基于二氧化硅的烧结层。这些烧结层形成在拉制步骤之后获得的光纤1的光包层。
然后，该方法包括如下步骤：在先前沉积得到的内表面上沉积基于二氧化硅的多孔层。该多孔层形成拉制之后的光纤1的中央纤芯90。在较低的温度下沉积该多孔层，从而避免该层玻璃化。例如，该温度约为1400℃。
然后，利用由纳米颗粒110在可能优选为水或乙醇的传统溶剂中形成的悬浮液浸透该多孔层。在环境温度下优选地通过与MCVD技术完全兼容的液体掺杂技术来进行浸透。
通过改变水溶液内的稀土130的浓度来调节稀土130在如拉制之后所获得的光纤1的中央纤芯90内的重量浓度。在该例子中，悬浮液的铒浓度为1.75×10-3摩尔/升(mol/L)，从而使得可以在已拉制出的光纤1的中央纤芯90内获得重量浓度为600ppm的铒。
随后，在2000℃温度下对浸透后的多孔层进行烧结。
然后，使包含连续的沉积物的沉积管收拢，从而获得初级预制件。
之后，使该初级预制件套上二氧化硅管，从而将芯的直径以及中央纤芯90相对于光包层200的比率调整为预定值。这样制成了次级预制件。
随后，通过对次级预制件进行拉制的步骤来获得根据本发明的光纤的例子。
通过促进形成热力学稳定的化学计量结构并便于控制纳米颗粒110的大小和组成的温和化学技术来合成纳米颗粒110。通过使氧化铝盐的前体和稀土盐的前体一起沉淀，可利用标准方法来在控制的pH的水溶液内化学合成纳米颗粒110。在该阶段，通过基于各种前体的分子重量及期望的原子比调整这些前体反应的重量来定义纳米颗粒内除氧以外的纳米颗粒基质原子的数量相对于稀土130原子的数量的原子比。例如，可以使用无机盐(例如，硝酸盐或氯化物)作为氧化铝的前体，并且使用有机盐(例如，乙酰丙酮(acetylacetonate)或醋酸盐)作为铒、镱和铥的前体。
随后，通过使用化学合成或物理合成来使纳米颗粒110包覆有厚度为1纳米的外层。
在已沉积了外层之后，通过离心过滤(centrifuging)对纳米颗粒110进行清洗，并使纳米颗粒110分散在优选为水或乙醇的传统溶剂内。
为了确保纳米颗粒的基质120保存于最终的光纤内、并保持能够构成稀土130与中央纤芯90的基质100的晶体缺陷之间的物理屏障，纳米颗粒基质120能够经受住光纤的制造工艺条件(温度和应力)，这很重要。因而，对于特定纳米颗粒基质120，在已通过浸透使纳米颗粒110渗入初级预制件的多孔层内之后并且在使已这样进行了掺杂的层烧结(或玻璃化)之前，可以设置用于对纳米颗粒110进行热致密的步骤。因而，该管可以经受至少一小时温度大于1000℃的热处理，从而增强中央纤芯90内的纳米颗粒110的结构。
在另一方面中，本发明还提供了光学放大器，其中，该光学放大器具有根据本发明的光纤的至少一部分并且使用60mW～1.5W的范围内的泵浦功率。与传统的放大器相比较，由于根据本发明的光纤可以容纳浓度非常高的稀土，因此所使用的光纤长度缩短。因而，与传统的放大器相比较，该放大器的尺寸缩小。此外，由于HUC机制和PIQ机制所引起的衰减能够降低泵浦信号的损耗。因而，光泵浦更加高效。
在又一方面中，本发明还提供了光纤激光器，其中，该光纤激光器具有根据本发明的光纤的至少一部分。
通常，光纤激光器包括与由镜的系统或布拉格(Bragg)光栅的系统构成的谐振腔相结合的光纤的一部分。该光纤激光器的波长和功率依赖于光纤内所使用的稀土及其浓度。
与现有技术的光纤激光器相比较，由于根据本发明的光纤容纳高浓度的稀土，因此所使用的光纤长度较短。根据本发明的光纤能够减轻依赖于所使用的光纤长度的激光器的非线性效应。
根据本发明的光纤的上述例子并不局限于根据本发明的可能应用。特别地，可以使用具有除氧化铝基质以外的基质120并且掺杂有除铒以外的稀土130的纳米颗粒110来制造根据本发明的光纤。
根据本发明的光纤1不限于稀土130的浓度高的实施例。根据本发明的光纤内的稀土130的浓度可以在250ppm～1500ppm的范围内，而仍使PIQ机制和HUC机制衰减或消除。

Claims (13)

1.一种光纤(1)，其包括：
中央纤芯(90)，其包括纤芯基质(100)和纳米颗粒(110)，并且用于传输光信号，其中，所述纤芯基质(100)包住所述纳米颗粒(110)；以及
光包层(200)，其包住所述中央纤芯(90)，并且用于将所述光信号限制在所述中央纤芯(90)内传输；
其中，所述纳米颗粒(110)包括稀土掺杂元素(130)、纳米颗粒基质(120)和外层，所述纳米颗粒基质(120)包住所述稀土掺杂元素(130)，并且所述外层包住所述纳米颗粒基质(120)；
在所述纳米颗粒内，除氧以外的纳米颗粒基质原子的数量相对于稀土掺杂元素(130)原子的数量的原子比在300～1000的范围内；以及
所述外层包括基本上不存在任何稀土掺杂元素(130)原子的外层基质，并且所述外层的厚度为1纳米～2纳米。
2.根据权利要求1所述的光纤(1)，其特征在于，所述纤芯基质(100)由二氧化硅制成。
3.根据权利要求1所述的光纤(1)，其特征在于，所述纳米颗粒基质(120)包括氧化铝Al2O3和/或二氧化硅SiO2。
4.根据权利要求1所述的光纤(1)，其特征在于，所述外层基质由氧化铝Al2O3和/或二氧化硅SiO2制成。
5.根据权利要求1所述的光纤(1)，其特征在于，所述稀土掺杂元素(130)是铒Er、镱Yb、铥Tm或它们的组合。
6.根据权利要求1所述的光纤(1)，其特征在于，在所述纳米颗粒(110)内，除氧以外的纳米颗粒基质(120)原子的数量相对于稀土掺杂元素(130)原子的数量的原子比在350～550的范围内。
7.根据权利要求1所述的光纤(1)，其特征在于，在所述中央纤芯(90)内，所述纳米颗粒基质(120)的浓度在0.5重量百分比～3.5重量百分比的范围内。
8.根据权利要求1所述的光纤(1)，其特征在于，所述纳米颗粒(110)基本上为直径在5纳米～50纳米的范围内的球形。
9.根据权利要求1所述的光纤(1)，其特征在于，在所述中央纤芯(90)内，所述稀土掺杂元素(130)的浓度在0.025重量百分比～0.15重量百分比的范围内。
10.根据权利要求1所述的光纤(1)，其特征在于，所述纤芯基质(100)还包括附加掺杂物，其中，所述附加掺杂物用于形成所述中央纤芯(90)和所述光包层(200)之间的折射率差。
11.根据权利要求10所述的光纤(1)，其特征在于，所述附加掺杂物是从锗、氟、铝、磷或它们的组合中选择出的。
12.一种光纤激光器，其包括根据权利要求1至11中的任一项所述的光纤(1)。
13.一种光学放大器，其包括根据权利要求1至11中的任一项所述的光纤(1)，并以60mW～1.5W的泵浦功率来进行放大。
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