CN1052223A - 具有宽带信号波长的有源光纤放大器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种光放大器，所述放大器包括掺杂 有铒的激光发射有源光纤，所述光纤含有沿光纤分布 的再掺杂物，所述掺杂物表现出一种对波长低于 1,540nm的光的吸收，它显著地高于再掺杂物对于波 长在1,540nm至传输信号的预定波长范围上限之间 变化的光所表现出的吸收性。

包含在光纤中的钐能够吸收铒自然发射的光(铒 自然发射构成噪声源)，允许信号大体上在与市面出 售的信号激光发射器的波长范围相应的范围内放 大。

Description

本发明涉及一种含有掺杂物质，以利于改善其受激发光发特性和对不同波长的吸收特性的光纤。

众所周知，其芯掺杂有特定物质，如稀土离子的光纤具有受激发射特点，适于作为激光源和光放大器。

实际上，某一特定波长的发光源可以供给这些光纤，这种光源能够将掺杂物质的原子提到一种受激高能状态，或称泵激带;从这个状态原子在非常短的时间内自然衰变到激光发射状态;在这一状态中它们持续相对较长的时间。

当拥有大量处在发射能级的受激原子的一根光纤上有一种波长与这种激光发射状态相一致的发光信号通过时，发光信号使受激原子跃迁到一个低能级并且这种光的发射具有与该信号相同的波长;而此种类型的光纤可以用于获取一种光信号的放大。

从受激状态开始，原子衰变也能够自发地产生，这种自发衰变产生了随机发射，它构成迭加在与放大信号对应的受激发射的“背景噪声”。

这些现象发生在典型掺杂物的几种波长上，由此得出一个原始的荧光光谱图。为了得到上述光纤的最大信号放大量和高信噪比，通常使用具有对应于含掺杂物光纤的荧光光谱曲线上最大值波长的信号;这个信号一般由一种激光发射器产生。

例如，可以采用一种其芯中掺有铝离子（Al³⁺）和鉺离子（Er³⁺）的光纤作为放大光纤，见专利申请EP-A-0345957;而鉺荧光光谱在所关心的范围内有一个特别窄的发射尖峰，这使得该光纤可用作在限差内的确定波长的激光发射器的传输信号源，因为超出该限差的信号将不被有效放大，与此同时，处于这一波长上的背景噪声则被显著放大。

然而，具有上述特性的激光发射器的生产是困难的和昂贵的，而这些器件的普通工业产品的发射波长限差太大。

在某些应用中，如海底远程通讯线路可以用工作于正确波长上的传输信号发射器，例如此种发射器可从市面出售的激光器中精选出，以便于只使用发射严格靠近放大器光纤的激光发射尖峰的发射器。当涉及到其它类型的线路，如市政通讯线路，对安装费用是很重视的，从经济的观点看，上述那种步骤是不能接受的。

例如，根据上述专利的被掺入了铝离子以改善其折射率和掺入鉺离子以允许激光发射的这种光纤具有一个大约1，531nm的发射尖峰，偏差量±5nm，在这个值上表现出一种很高的强度而能够被用来进行放大;因此对于使用这种光纤来说，使用一种在相同的波长范围内的信号较好;但市面出售的半导体激光器（该激光器能够适合这种应用），通常被制成发射波长在1，520到1，570nm的范围内。

因此，大多数市面出售的激光器都超出了所希望的波长范围，因而不能产生一个用于实现有效放大的信号。

另一方面，众所周知鉺掺杂光纤在发射光谱中，波长范围接近上述尖峰处，具有很高的并且大体上不变的强度区域并包括上述市售激光器的信号范围在内，然而在这种光纤中，加在离开发射尖峰的最大值的波长上的信号将被按约化测量（reduced  measure）给以放大，而在光纤中的激光发射状态自然跃迁主要发生在光谱尖峰（1，531nm）的波长的发射上，这样便产生一种“背景噪声”，背景噪声经过光纤长度被进一步放大并被叠加在有用信号上。

可能要正视的问题是在放大器的末端对构成“噪声”的光发射进行滤波，该放大器只接受一个波长的信号，为此在有源光纤的末端提供一种适当的滤波器;但在光纤中，其最大放大范围内存在一种不希望的发射，它将减弱泵激能量，这样使得光纤实质上对于信号放大自身不起作用。

人们知道干扰滤波器，它能设置在放大光纤的各个位置上，但人们也知道，这种类型的滤波器由分立元件构成，而不是用光纤制成因此要求空气中的光束，这些都使得它们不适合于工业化应用。

于是提出了如何制造一种用于光学放大器中的有源光纤的问题，这种放大器适合于与市面出售的激光器一起用于传输信号的发射而不受到进一步的限制。

本发明的目的在于提供一种掺杂光纤，在相当宽的波长范围内能够提供满意的放大，因此能使用市面出售的激光器，而避免材料自然发射不希望的波长，损害光纤的放大能力，避免构成相对于传输信号过强的背景噪声。

本发明的一个目的是提供一种含有激光发射物的光纤，特别是用于光纤远程通讯线路的光纤，激光发射掺杂物含有鉺，适应于在预定波长范围内接收从激光器来的远程通讯信号其特征在于包括一种沿光纤分布的再掺杂物，所述掺杂物能吸收波长小于1，540nm的光、其吸收明显高于同种掺杂物，对波长在1，540nm至传输信号预置波长范围上限之间变化的光所表现出的吸收性。

在本发明的较佳实施例中，再掺杂物是三价正离子形式的釤。

光纤中釤的浓度与存在于光纤中鉺的浓度有关，用氧化物含量的重量百分比表示：

1≤ (［Sm₂O₃］)/(［Er₂O₃］) ≤10

本发明的另一目的是提供一种光放大器，特别是用于在预定波长范围内工作于某一种传输信号的光纤远程通讯线路中的光放大器，其中包括一个掺入鉺的激光发射有源光纤，其特征在于有源光纤含有一种沿光纤分布的再掺杂物，所述的掺杂物对波长低于1，540nm的光表现出吸收性，明显高于再掺杂物对于波长在1，540nm到传输信号的预定波长范围上限间变化的光所表现出的吸收性。

下边结合附图详细介绍本发明。

图1是一个采用有源光纤的光放大器;

图2是适用于图1所示放大器的光纤的能量跃迁的原理图，在此跃迁中能够产生一种受激（激光）发射;

图3是一个掺杂有Al³⁺和Er³⁺的硅基光纤的受激发射曲线;

图4是一个掺杂有Al³⁺和Er³⁺和Sm³⁺的图1所示的光纤的受激发射曲线;

图5是一个掺杂有Al³⁺、Er³⁺和Sm³⁺的硅光纤的光吸收图。

为了放大光纤远程通讯信号，适合采用光纤制作的放大器;这些放大器的结构被原理性地表示在图1中，在此，1表示远程通讯光纤，信号发射激光器2产生的波长为入s的传输信号发给这根光纤;经过某一光纤长度后衰减的所述信号被送给双向耦合器3，在此它与一个波长为入p、由泵激光发射器5产生的泵激信号在一根输出光纤4上结合;有源光纤6与从耦合器来的光纤4连接，光纤6构成信号放大单元，信号放大单元引至光纤7，向目的地延伸。

为了有源光纤6的实施，构成单元放大的元件，方便的办法是使用一种在含有Al₂O₃和Er₂O₃这一类掺杂溶液中的硅基光纤，例如，上述专利申请EP-A-0345957，它给出一种传输信号的优良的放大特性，其实现方法是使用鉺激光跃迁。

图2所示原理图是针对一种选定的光纤类型，象征性地表示在光纤硅基片中溶液内鉺离子的有效能态，由于向有源光纤引入了具有比传输信号波长入s低的“泵”激波长入p的发光源，使向“泵”激波长入p低于传输信号波长入s的发光功率的有源光纤的输入，光纤玻璃基片一定数量的Er³⁺离子作为掺杂物质到达受激能态8，以下称为“泵激”带，离子从“泵激”带自然地衰减到激光发射能级9。

在激光发射能级9，Er³⁺在自然跃迁到基本能级10之前能够持续一个相对长的时间。

人们知道，当从带8到能级9的跃迁与一种热型发射有关（热型发射会散射到光纤以外，形成光子辐射）时，从能级9到基本能级10的跃迁将产生一个波长与激光发射能级9的能量值相应的光发射;如果一根在激光发射能级含有大量离子的光纤中有一个波长对应于这种发射能级的波长信号通过时，所述信号将使自然衰减前从发射状态到基本状态的有关离子通过级联现象受激跃迁，在有源光纤的输出端产生一个被大大放大了的传输信号的发射。

没有传输信号时，从激光发射状态（激光发射状态是每种物质典型的离散数字）自然衰减使对应于各有效能级的不同频率尖峰的发光量上升;如图3所示，一种掺杂Er³⁺的Si/Al光纤，适用于光放大器，位于1，531nm波长处，出现一个强度很大的发射尖峰，而在较高的波长处，接近1，560nm处，有一个区域，在这个区域内发射依然大，但其强度已很低。

当发光信号其波长对应于Er³⁺发射尖峰（在1，531nm处）的波长输入给光纤时，将出现一个非常强的信号放大，而由鉺的自然发射带来的背景噪声得到限制，这种特性使得该光纤可用作此种波长信号的光放大器。

市面出售的使用方便的半导体型信号发生激光器（In，Ca，As）拥有一个范围为1.52到1.57mm的典型发射带：这说明它们的生产技术不能保证发射信号定于和用作放大器的鉺-掺杂光纤的发射尖峰相对应的精确频率值上，正相反，它提供出大量的产品，在这些产品中信号被限制在邻近所述发射尖峰的光纤发射曲线的区域内。

所述激光发射器产生的信号，在一根上述型号的Er³⁺掺杂光纤中，可能不会被放大到足够的增益，因为进入有源光纤的泵激功率可能大部分被用于放大背景噪声，背景噪声对应于鉺在1，531nm波长处的自然发射，在放大器有源光纤内部产生。

但是，已看到的以釤（Sm³⁺）作为再掺杂物和Er³⁺结合在一起掺杂的光纤，在波长范围内表现出如图4所示受激发射特性曲线，在1，531nm处没有高强度的尖峰，相反，出现一个高且几乎在一个宽的范围内不变的值，实际范围在1，530和1，560nm之间。

这种光纤也可以用于工作在市面出售的激光发射器产生的信号的放大器，因为它在所述的波长范围内对传输信号能给予有效的放大和满意的增益，而不加进不能接受的“噪声”量。

作为例子，按照图1所示的原理图，已经制成了一种放大器，包括掺杂有Er³⁺和Sm³⁺的“Step index”Si/Al型有源光纤6，Er₂O₃含量40PPm，Sm₂O₃含量为60ppm。有源光纤的长度为30米。

一种泵激激光发射器5已被使用，一种氩离子激光器，工作在528nm，功率为150mW。而作为信号激光发射器2，使用市面出售的半导体型（In，Ga，As）激光器，其功率为1mW，已测发射波长为1，560nm。

对所述的实验配置，放大器的后端在输入信号为1mW的条件下得到27dB的增益。

无信号时，放大器后端自然发射量的测量值为10μW。

包括放大器产生的背景噪声的这种发射，不会对信号构成有重要影响的噪声，信号被放大到很高的电平（约250μW）。

作为比较，相同的传输激光发射器2和一种同样结构的放大器一起使用，如前一个例子所述，使使用“Step index”Si/Al型有源光纤6，仅仅以Er³⁺掺杂，Er³⁺含量40ppm;有源光纤30米长。

所述波长为1，560nm的传输信号的放大器产生的增益低于15dB，自然发射水平与输出信号相当。

正如在以上例子中看到的那样，当第二例中的放大器，由于引入了这种噪声，也出现增益减小时，使传输信号的接收变得困难了，因此所述放大器实际上没有用处。使用本发明的有源光纤的放大器，从所述第一个例子已经证明它能够提供一个高放大增益和几乎可以忽略不计的引入噪声。

所获得的结果被认为是釤作为有源光纤的再掺杂物的产物，实际上釤扮演1，531nm处鉺的波长发射吸收器的角色，在同一时刻，它实际上不吸收较高波长的光功率，以此种方式“整平”有源光纤的发射光谱，因此它能在相当宽的范围内有效地放大传输信号，以便于采用大多数市面出售的半导体激光器（In，Ga，As）。

如图5所示，为一段长度的掺杂釤的Si/Al光纤的吸收曲线，釤掺入这种光纤，对于实际波长低于1，540nm，就会引起吸收量大大高于1，540和1，560nm之间的吸收量;这说明根据本发明加入光纤中的釤如同沿有源光纤分布的“滤波器”一样，吸收1，531nm处的光子发射，只要Er³⁺离子激光发射能级自然衰减会产生光子，以这一方法避免光子能在有源光纤中向前运动导致这一波长的再次衰减，所以在波长范围接近有效信号发送值时减去泵激源就会产生一种放大了的背景噪声。

有源光纤中鉺的含量根据对于使用的光纤的长度所希望获得的增益来选取，即光纤长度根据光纤中所含鉺的量来选择，而鉺的量又是希望得到的增益的函数;通常光纤中鉺的含量，以氧化物（Er₂O₃）形式给出，其重量在10～100ppm。

与鉺在光纤中的浓度值相应，釤在光纤中的浓度以氧化物（Sm₂O₃）形式表达重量，等于或最好多于鉺的浓度，釤浓度的范围由下式给出：

1≤ (［Sm₂O₃］)/(［Er₂O₃］) ≤10

掺杂物可以引入光纤中，例如，通过“溶液掺杂”技术，这在工艺上是众所周知的，它能保证满意的质量结果，根据特殊的需要或通过其它熟知的技术进行。

除了本发明已作详细说明的以钐作为有源光纤的掺杂物以外，其它掺杂物也能用于同一目的，只要它们对于铒的最大自然发射波长特别是在1，531nm附近具有高的发光吸收能力，同时对于高于这个波长的波长值的吸收量相当小，就市面出售的信号激光发射器限差内的整个波长范围而言，最好高于1，540nm。

为了不影响进行粒子数反转（Population  jnversion），导致光纤中的激光发射所要求的放大器泵激功率，所述泵激功率以低于传输信号波长的光辐射形式加在光纤上，光纤中加给铒的掺杂物（如釤）在泵激波长528或980nm处不具有明显的发光吸收特性。

在不离开本发明构思轮廓的情况下，吸收其主要特征可以作出许多修改。

Claims (6)

1、包含激光发射掺杂物质，特别是用于光纤远程通讯线路的光纤放大器的光纤，所述光纤含有作为激光发射掺杂物的鉺，适合于在一个预定的波长范围内接收来自激光发射器的远程通讯信号，其特征在于所述光纤含有一种沿该光纤分布的再掺杂物，所述掺杂物表现出一种对波长低于1，540nm的光的吸收，它明显高于所述再掺杂物对于波长在1，540nm至传输信号的预定波长范围变化的光所表现出的吸收性。

2、根据权利要求1的包含激光发射掺杂物的光纤，其特征在于再掺杂物是三价阳离子形式的釤。

3、根据权利要求2的含有激光发射掺杂物的光纤，其特征在于釤在光纤中的浓度与鉺在光纤中的浓度有关，所含氧化物重量百分比表达式是

1≤ (［Sm₂O₃］)/(［Er₂O₃］) ≤10

4、光放大器，特别是用在工作于某予定波长范围的光纤远程通讯线路的光放大器，包含掺杂有铒的激光发射有源光纤，其特征在于该有源光纤含有沿光纤分布的再掺杂物，所述掺杂物表现出一种对于波长低于1，540nm的光的吸收，它明显高于再掺杂物对光波长在1，540nm到传输信号的预定波长范围的上限之间变化的光表现出的吸收特性。

5、根据权利要求4的光纤，其特征在于有源光纤的再掺杂物由三价阳离子形式的釤形成。

6、根据权利要求4的光放大器，其特征在于该有源光纤中的釤的浓度与该光纤中的鉺浓度有关，光纤中所含氧化物的重量百分比如下式所示：

1≤ (［Sm₂O₃］)/(［Er₂O₃］) ≤10

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