CN1053714A - 带有搀杂光纤的光功率放大器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种光功率放大器它特别适用于 种包含一条搀杂以氧化铒荧光物质并泵以其输出波 长为980nm的泵激光器的活性光纤的光纤通信线 路，其中活性光纤含有作为折射率修正搀杂物 Al₂O₃：该放大器具有接近于最大理论效率的特别高 的放大效率。

Description

本发明涉及一种使用活性光纤的高放大效率的光功率放大器。

用光纤作为远程通信线对信号进行长途传输时，为了当信号到达接收站时能被识别和利用，要求其在到达接收站时有足够高的电平。

由于光信号在光纤中传输时会有衰减，因此，为使位于远离几十公里或几百公里外的接收站能获得足够高电平的信号，要求原来送入到光纤的信号必须有尽可能高电平。

然而，用于产生发送信号的激光器的功率因受到一些限制而不能超过几毫瓦，而更高功率的激光器则不能产生所需要的发送信号，因此，人们急切需要一种功率放大器，用以接收由激光器产生的信号并将其放大到所需的电平上。

众所周知芯线搀杂以例如稀土离子的特殊物质的光纤，呈现出适合于用作为光放大器的受激输出特性。

事实上，可以将一个其波长相当于搀杂物质的吸收光谱的峰值的特定波长上的称之为“泵源”的光源加到这种光纤上，从而使搀杂物质的原子跃迁到受激能级上或泵带上，这些原子然后又在很短的时间内自发地下落到激光输出态，并在此停留一段较长的时间。

当波长相应于激光发射态的波长的光信号加到一条具有大量处在发射电平上的受激态原子的光纤时该光信号会使这些受激原子转变成低能级，与此同时，产生与该信号相同波长的光发射。因而，这类光纤可用来对光信号进行放大。

人所共知，从信号的衰减考虑，在1550nm附近时光纤具有较佳的传输特性，因此在光学放大器中，采用氧化铒作为激光发射搀杂物，即利用其在1550nm附近的荧光特性来放大波长在该附近的光信号。

在文献“Proceeding  Ecoc  L  Europen  Conference  On  Optical  Communicntion  1989”之42-43页中，描述了采用搀杂氧化铒的光纤的光功率放大器。该文献介绍了一种采用搀杂以锗及氧化铒的硅光纤的光功率放大器，其中泵浦采用倍频到532nm的Nd-YAG激光器。

然而，上述光放大器的效率（输出的传输功率与泵功率之比率）显得很低，其效率低于20%，与最大理论效率相差甚远。

可以从EP-A-0345957中了解到AL/Er型光纤，该光纤采用AL₂O₂搀杂物质以获得适宜于导引光的折射率分布型式。该光纤适用于采用波长为514.5nm的光泵（例如氩激光器）的光放大器。

根据上述专利申请，如果以514.5nm波长的光泵加泵的话，则AL/Er光纤的效果优于传统的Ge/Er光纤，这是由于前者避免了Ge/Er光纤在该波长上时、在激发态中的吸收现象。

另一方面，为了获得高的放大效率，采用相对高的泵波长是有利的。具体地说，采用980nm的波长有助于提高效率，因为功率放大器中的放大效率基本上是与泵浦波长成正比的。

本发明的目的是为了实现在相应于大致高于520nm的高泵波长时具有高放大效率的功率放大器。

本发明涉及一种光功率放大器，它包括一个包含折射率修止搀杂物并以氧化铒作为荧光搀杂物的活性搀杂光纤，用光纤将其连接到远程通信线上，并在通过一个相应的双向光耦合器在其上加入泵激光。这种激光器适合于荧光搀杂物的受激输出的饱和条件下工作。所述光功率放大器的特征在于：其活性光纤的折射率修正搀杂物为AL₂O₃。

连结到活性光纤的泵激光波长大致大于520nm，而以980nm较好。

在光纤中的以Er₂O₃的重量比表示的氧化铒浓度是在30之2000PM之间，而最好在30之1000PM之间。

活性光纤不是在泵波长上而是在传输信号的波长上是单模的，以在整段光纤上能获得一高的泵功率。

再则，活性光纤可在泵波长和传输信号波长上都是单模的，以减少双向光耦合器的连结损耗。

本发明的光功率放大器的最佳实施例中包括两个通过各自的双向光耦合器与活性光纤的两端相连的泵激光器，并且由泵激光器发射的功率光的输入方向朝向该活性光纤。

参照下面对附图的说明，读者将获得更详细的了解。

图1示出了一条带有功率放大器的光远程通信线;

图2示出了一个采用一条活性光纤的光功率放大器;

图3示出了图2的放大器中的光纤的能级跃迁，它适用于产生受激（激光）输出;

图4表示在本发明的活性光纤的功率放大器对应于泵功率的输出功率;

图5示出了采用Ge/Er型活性光纤的功率放大器的输出功率对泵功率的关系曲线;

图6示出了本发明的光纤和Ge/Er光纤的荧光光谱。

图1中示意地表示了一条使用光纤的远程通信线，通常包括一个用来发送信号的站1，一条用于将光信号传送至远处的光纤线2，及一个接收到达的光信号的接收站3。

为使引入到光纤通信线路2的光信号在其经过其间的光纤中的长路径上的不可避免的衰减之后在到达远离发送站1几十公里或几百公里外的接收站3时的功率电平仍能为接收站3中的接收装置的灵敏度所能接受，则可用功率放大器4对站1的激光发射器产生的该光信号进行适当的放大。

事实上，半导体激光器是一种可用于产生工作于光纤呈现最佳传输特性的波长（而相应于所谓第三窗口的1500-1600nm附近的波长）的可调制的及具有良好光谱性能的激光器。但是这种激光器其输出信号电平低了一些，约不超过3dBm（约5mw）。因此，它们产生的信号在其被引入到传输线前应适当予以放大到一个高电平上，例如放大到15-20dBm。

为了实现被要引入到远程通信的光纤传输线的信号的光学放大，要使用带光纤的功率放大器。

图2示意地示出了光纤光放大器的结构。一个波长λs的发送信号被送到双向光耦合器5，光耦合器5连结到一条载有由泵激光器7产生的波长为λp的泵信号的独特的输出光纤6上，一条与光纤6相连的适当长度的活性光纤8构成了光信号放大器，然后再将信号引到光纤线2上输向目的地。

概括地说，所述类型的光放大器采用以Er₂O₃溶液在硅中搀杂的活性光纤8，利用氧化铒的受激转换以获得传输信号的放大。

图3中用符号的方式示出了用溶解法生成在在纤维含硅基质中的氧化铒离子的可利用的能级条件，引入到活性光纤的光功率的泵波长λP小于传输信号的波长λS，在纤维玻璃基质中的搀杂物质的一定数目的Er³⁺处于激发能级状态9，或“泵”带上，受激离子由此自发地下落到能级10，从而构成了一个激光发射能级。

在输出激光能级10中，该Er³⁺离子可在转变到基能级11的自发转换以前可保持一段相对长的时间。

众所周知，由于从能带9转换到能级10是与一消散在纤维的内部的热输出相关联的（声子辐射），所以由能级10转变能基能级11产生。由一个波长相应于激光发射电平10的能量值的光子组成的光发射。如果含有大量处于激光发射能级的离子的光纤被加上一个波长相应于该发射能级的波长的信号，则该号能使所关心的离子发生由发射能级转换到基能级的受激跃迁，在其自发下落前，相应输出一个与信号光子同相的光子，使原来的光发生“瀑布”现象，从而在活性光纤的输出端获得经大大放大的发送信号。

在活性光纤的输入信号是低电平信号时，例如是经在长距离的光纤中衰减之后的低电平信号，且在低输出情况下，则从该活性光纤输出的波长为λS的传输信号的光功率Pu是正比于输入到该光纤的传输信号的光功率Pi，其比例常数被定义为放大增益G，即Pu＝GPi。

这是典型的线路放大器的工作情况，此时，沿一条远程通信线路的一条光纤上配置这些线路放大器，以便将信号在经过一定路径的光纤衰减之后恢复到足够高的电平。

在大致高于引入的泵功率5%的高功率输入信号和高输出功率情况时，则光放大器工作于饱和状况，并且此时产生的输出功率实际上不再取决于输入功率，而仅取决于泵功率。实际上，当活性光纤内存在大量光子时，由激光能级10的受激转换引起的光纤发射新光子的容量只受到与为利用在激光能级10中的足量的氧化铒离子相关的可能引入的泵功率的限制的，而并不取决于输入信号的光子数，即不取决于输入到光纤的输入功率。

这就是典型的功率放大器的工作情形，此时，P_u＝KP_p，其中P_u为输出端的功率，P_p为泵功率，而K为一比例常数，它本质上代表了放大器的效率。

放大器的最大效率理论上是相应于这种情况的效率：此时，每个加到光纤内的波长为λ_P的光子使搀杂物中的离子从基能级11转换到激光能级10，从而发射一个波长为信号波长λS的光发射。这种情况相应于称之为“量子效率”的放大效率，即它是输入的光子能量与输出的光子能量之比，严格地说是输入光子，即泵光子波长与泵光子即发送光子波长之比，即Eg＝λ_P/λ_S。

如果发送信号波长为1550nm，而泵波长为980nm时，则量子效率为60%（980/1550）。

因此，为获得高放大效率，要求工作在相对高的泵波长以得到尽可能高的量子效率。

具体地说，高采用大体低于520nm的低泵波长时，其量子效率很低（低于33%），这对于采用放大效率为量子效率的情形来说是很差的。

为了实现上述类型的功率放大器，我们已介绍了一种活性硅光纤，它搀杂以AL₂O₃以获所要求的折射率分布，它包含用作激光发射的搀杂物质氧化铒，这种放大器工作在泵波长高于520nm时，尤其工作在相应于氧化铒的吸收峰980nm的泵波长时，呈现出具有接近于上述量子效率的高效率。

用众所周知的溶液搀杂技术可以制取上述光纤。其方法是，将光纤心线浸渍在基本搀杂物即AL₂O₃和荧光搀杂物即Er³⁺的水溶液内，相应包含盐类，有一内烧结层的管状预型件加以熔化并压塌，最后将光纤从中抽取出来。

在英国专利申请N.8813769中介绍了上述类型的光纤及其相应的制取方法。

为实现本发明的功率放大器，搀杂以AL₂O₃的光纤包含的氧化铒的量用Er₂O₃的重量表示之为30PPm至2000PPm，而以30至1000PPm为最佳，至于折射率修正搀杂物即AL₂O₃的含量及折射率的径向分布型式则可根据具体的应用要求选取，而并不违背本发明的目的。

具体地说，光纤的数字口径和模型直径可选择得以使与线路光纤的耦合损耗小为宜，而氧化铒的含量及在光纤内的径向分布则根据所选的活性光纤的长度及输入功率等按照众知的准则予以选择。

活性光纤在传输波长上是一单模光纤，但在泵波长上却不是单模的，其目的是为了能向光纤输入尽可能高的泵功率，而使输入的泵功率分布整个截面上。不过使用在泵波λ_P上是单模的活性光纤有助于简化光纤与双向光耦合器5的连接及减少由此引起的连接损耗。

用上述光纤就可能获得按照图2所示的并在前面的已作了介绍的方案的功率放大器。为了在活性光纤8的整个长度上保持高泵功率并增加引入到光纤的总泵功率，可以在活性光纤的下端提供一个第二泵激光器12，并相应配置一个定向该光纤的双向光耦合器13。

讲具体一点，这就有可能使用功率不太大的泵激光器，以便当所有必需的功率加到活性光纤时避免信号的失真。

利用搀杂AL₂O₃和Er³的光纤并在980nm（±5nm）上加泵，已能获得一个效率已超过60%的接近上述量子效率的很高放大效率。传统的搀杂锗的光纤则呈现很低的效率，它只有量子效率的30%。

图4高出了利用本发明的光纤（AL/Er）实现的放大器的作为泵功率Pp函数的输出功率Pu的关系曲线，其中的光纤有如下特性：

数字口径0.16

氧化铒含量（Er₂O₃重量）350PPm

截止波长（λ截止）930nm

场模式直径（MFD）在1536nm时8.14μm

放大器输入的传输信号的功率Pi＝-2dBm，波长λ_S＝1536nm;

泵波长λ_P＝980nm而活性光纤长为3.7m。

在上述条件下，我们获得了一个等于量子效率的放大效率。

作为比较，图5示出了用传统的光纤（Ge/Er）实现的放大器中的输出功率Pu与泵功率Pp的关系：其中的光纤有如下特性：

数字口径0.21

氧化铒含量（Er₂O₃重量）300PPm

截止波长（λ截止）980nm

场模式直径（MFD）在1536nm时5.82μm

放大器输入的传输信号的功率Pi＝OdBm波长λ_S＝1536nm;泵波长λ_P＝980nm，和活性光纤长为4M。

在上述情况下所获得的放大效率为16%，约为25%的量子效率。

从对上述两图的比较，也可以看到AL/Er光纤的性能要比Ge/Er光纤优越。

如图6曲线A和G分别所示，光纤AL/Dr比Ge/Er光纤呈现了更宽的荧光光谱。在它们用作为线路放大器时，而输出功率比泵功率低时，则由于氧化铒离子是以与信号波长不同的波长自发衷落的，这就使这种活性光纤成为较大的噪声源。

对用于功率放大器的情形，我们已经注意到，与Ge/Er光纤相比，AL/Er光纤并不呈现显著大的噪声。我们认为，这是由于在功率放大器工作在如前所描述的饱和条件时，在光纤AL/Er中所有带到激光能级的氧化铒离子被信号光子驱使衰减到基能级，因为已确信放大效率接近了这种光纤所示的量子效率，从而没有离子处在自发衰减中，因而在信号的输出功率由此产生的噪声总是可以忽略的。

光纤荧光谱的加宽的另一优点是可允许在波长传输长度的选择中有更大的灵活性，例如，可允许在信号激光器中有更大的制造公差。

本发明的光纤已揭示了对用于采用功率光纤的光放大器所具有特别的优点，它所能提供的放大效率要明显比现用的光纤高。

在无需超出本发明的总的特征的范围内，人们还可以作多种多样的改变。

Claims (8)

1、一种光功率放大器，包括一个包含折射率修正搀杂物和用作荧光搀杂物的氧化铒的活性搀杂光纤(8)，它通过一个适当的双向光耦合器(5、13)被加上一个泵激光器(7、12)并被连接到一条光纤通信线路(2)上，该放大器适合于工作在用于荧光搀杂物受激输出的饱和条件，其特征在于：活性光纤的折射率修正搀杂物为AL₂O₃。

2、根据权利要求1所述的光功率放大器，其特征在于：连接到活性光纤的泵激光器的波长是高于520nm。

3、根据权利要求1所述的光功率放大器，其特征在于：连接到活性光纤的泵激光波长为980nm。

4、根据权利要求1所述的光功率放大器，其特征在于所述光纤中的氧化铒的浓度以ET₂O₃的重量表示之是在30至2000PPM之间。

5、根据权利要求3的光功率放大器，其特征在于：在光纤中以Er₂O₃重量表示的氧化铒浓度是在30至1000PPM之间。

6、根据权利要求1所述的光功率放大器，其特征在于活性光纤（8）在传输信号波长上是单模的而在泵波长上则不是单模的。

7、根据权利要求1的光功率放大器，其特征在于活性光纤（8）在传输信号波长上和泵波长上均是单模的。

8、根据权利要求1的光功率放大器，其特征在于：它包括两个通过各自的双向耦合器（5、13）连接到活性光纤的两端，并使由泵激光器（7、12）发射的光功率的输入方向朝向活性光纤（8）。