CN1054137A - 带有单模弯曲的活性光纤的光放大器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一个光放大器，它可具体应用于光纤 通信线路。它包括活性光纤(7)，在光纤(7)的线心中 搀杂有荧光物质，荧光物质可在当光纤加上发光泵信 号时在发送信号波长上发送待放大的传输信号。光 纤(7)在其呈基本直线形时，它可允许将以传输波长 单模光传播和以泵波长多模传播，将该光纤的70％ 的长度的采用相应于只以基本模以泵波长在光纤内 传播弯曲半径的弯曲构形，从而减少了传输波长的模 式直径而不传输由泵信号的高次模。

Description

本发明涉及一种光放大器，具体地说，涉及一种用于采用在传输波长上的单模光纤的远程通信线路中的光放大器。

众所周知，芯子搀杂以诸如稀土离子这种特殊的光纤具有适用作为激光源或光放大器的受激发射特性。

事实上，这些光纤可以被加以一种称之为泵波长的特殊波长的光源，该光源能将搀杂原子带到一个受激能级状态，或泵浦带上，原子然后从该泵浦带上自发地在一个很短的时间内下落到一个激光发射态，原子在该发射态上保持一段相对长的时间。

当具有在激光发射能级上有大量受激状态的原子的光被一种其波长相应于该激光发射态的光信号通过时，则该信号使受激原子转换到低能级，而光发射具有与该信号一样的波长;因此上述类型的光纤可以用来放大信号，具体地说，例如可用作光线路放大器，将一个在经过远程通信线路的光纤中经过长途传输衰减后的光信号恢复到一个高电平上。

上述类型的光放大器可例如在与本申请同名的意大利专利申请No.22120A/89中了解到，该专利的申请日是1989年10月24日。在该申请中的活性光纤在传输波长和泵波长上均提供单模型式。

然而，这种在传输波长和泵波长上均为单模的光纤在光纤截面中有不同的发光功率分布，具体说，传输信号的发光功率在光纤截面中的分布区域要比泵功率的分布区域大。

提供传输信号放大的萤光搀杂物质，集中在光纤芯子中，且已知的放大器中的光纤则是这样设计的：泵功率被太局限于所述区域，以致于它可完全被用于激励处在激光发射能级上的萤光搀杂物;然而因为部分传输信号功率被传输到光纤的此有萤光搀杂物和泵功率的区域之外的部分，因此造成在可以进行放大的光纤区域中只利用了一部分所述信号。

上述现象对放大效率，即对每单位泵功率的传输信号增益是一个限制。

因此提出了如何增加已知放大器的所述效率的问题。

本发明的目的是提供一种放大器，在该放大器中，传输信号功率和泵功率在活性光纤截面中基本上有相似的分布且都集中在存在萤光物质的光纤区域内。

因此本发明提供一种光放大器，该光放大器可用于远程光纤通信线路中，只要将其串连地插入在线路光纤中即可。这种放大器包括至少两个输入端和一个输出端，两个输入端分别与载送传输信号的光纤线和发光泵源相连，而输出端则与一活性光纤之一端相连，活性光纤在其相应的光学芯子部分含有萤光搀杂物，它可以以传输信号波长发射光并可以以泵源波长加泵。上述光放器其特征在于所述活性光纤是一种这样的光纤：它可以让光束以基本上是直线的形式在传输波长上进行单模传播而在泵波长进行多模传播，并且该活性光纤的总长的70%呈现弯曲的构形，其弯曲半径与以泵浦波长上的基本模在光纤中的传输相对应。

弯曲活性光纤的弯曲半径是在20至140nm的范围内，最好是在35至100nm的范围内。

在一个最佳实施例中，传输波长是在1520和1570nm之间，泵波长是在980nm（±10nm），而在活性光纤中的萤光搀杂物是氧化铒。

具体地说，该活性光纤有至少一个弯曲部分，该弯曲部分具有一个相应于泵波长上的基本模在该光纤中的传播的弯曲半径，并与非弯曲的光纤部分相邻接，弯曲部分的长度或者说弯曲部分的总长大于该活性光纤总长的70%。

最好活性光纤呈现一单个连续弯曲部分，其弯曲半径相应于泵波上的基本模在光纤本身中的传播。在活性光纤的一端或两端有非弯曲光纤部分。

在本发明的一个光放大器的具体最佳实施例中，活性光纤以一个弯曲半径相应于在泵波长上的基本模在整个长度上的传播被弯曲，此外还有基本上无弯曲的端部分，每段此无弯曲端部分长度小于400nm;最好此基本无弯曲端部分的长度小于200nm。

现结合附图更详细地介绍本发明。

图1示出了一个采用活性光纤的光放大器;

图2示出了用于图1中的这类光纤的中的能级跃迁图，这种跃迁适用于产生一受激（激光）发射;

图3示出了有关泵波长、传输波长及截止波长的配置;

图4示出了在一个光纤中的光强度的径向分布;

图5示出了本发明的放大器中的活性光纤的结构;

图6为图5中的光纤的顶视图;

图7示出了在光纤中的模式直径与波长的关系;

图8示出了光放大器增益与所用活性光纤长度的关系。

为了放大在光远程通信光纤中的信号，可使用采用光纤的放大器;图1示意地示出了这种放大器的结构。其中参考数字1表示一条光远程通信光纤，由一个信号激光发送器2将其产生的波长λ_S的传输信号送入到该光纤，该信号在经一段线路的衰减之后被送至放大器3，放大器3基本上由一个双向光耦合器4和一段活性光纤7组成。此光耦器在单条输出光纤上与由泵激光发送器6产生的波长λ_P的泵信号相连接，活性光纤7与从光耦合器出来的光纤5相连，然后再将经此构成信号放大元件的活性光纤7放大的信号引入到线路光纤1，并继续传向目的地。

为了制造产生光信号放大的活性光纤7，可使用氧化硅基光纤，向该光纤搀以萤光材料，此萤光材料可在有光信号受激时产生光发射，于是光信号被放大。

至于萤光材料，可采用能具有在适用于远程通信信号的长途传输的波长上受激跃迁或称之为“激光”跃迁特性的Er₂O₃。

图2形象地表示了在纤维二氧化硅-基-基质中的氧化铒离子溶液的可提供的能级状态。将波长为比传输信号波长λ_S小的“泵”波长λ_P的光功率引入到该活性光纤，会使一定数目的作为纤维玻璃基质中的搀杂物的Er³⁺离子引发到称之为“泵”带的“受激励”能级态8，从该能级态离子自发地衰落到构成激光发射能级的能级9中。

众所周知，从泵带8至能级9的转换相应有一消散在光纤外的热发射（声子辐射）。而从能级9至基能级10的转换则产生一个相应于激光发射能级9的能量值的波长的光发射;如果波长相应于该发射能级的信号通过一个含有大量处于激光发射能级上的离子的光纤时，则该信号使所关心的离子在其自发衰落之前产生从发射态到基态的受激转换，这样在活性光纤的输出端便得到了称之为瀑布现象的由这种光发射产生的被放大了的传输信号。

图4所示的是对应于用参考数字11表示的一段光纤的轴向截面，其中参考数字12和13分别定义为该光纤的线心和包壳，它们具有不同的折射指数。

为用作放大器中的活性光纤，在线心12中搀入有搀杂物Er³⁺。

如在与本申请同名的意大利专利申请No.22120A/89中所公开的，为了获得高放大增益，在放大器中的活性光纤7具有在传输波长和泵波长均为单模型是合适的。

如图3所示的基于所述专利的教导的前述的活性光纤的尺寸定为：光纤截止波长λc1，也称之为“λ截止”，均小于传输信号波长λ_S和泵辐射波长λp，在此λc1以上，在光纤中只出现基本模的传播。

光纤的数字口径NA和线心直径可用作为选择光纤截止波长的重要指标。

光纤的数字口径NA基本上具有“步长指数”或类似的可用下式表式的折射指数分布;

NA＝（n2₁-n2₂）^1/2

其中n1为光纤线心的折射指数而n₂为光纤包壳的折射指数。

众所周知，光纤线心和包壳所需的折射指数可以通过选择在线心和包壳本身的主搀杂物或指数变化搀杂物的浓度来获得。将搀杂物引入预型件而制取这种活性光纤的技术是人们所熟知的。

为此目的搀杂物通常由GeO₂或Al₂O₂组成。

在光纤内，一个具有用于只有单模在光线中传播的、大于光纤的截止波长的波长上的光辐射，呈现一种如图所用曲线P和S表示的近似于高斯型的光强度辐射分布，它沿光纤轴向有一最大密度1max而向光纤外围逐渐减少到趋于零。

根据上述分布，模式直径φm定义为在光纤有如下式所示光强1（φm）处的直径：

I(φm)= 1/(e₂) Imar

根据CCITTG.652的技术规格其中1max为光纤中的最大光强（CCITT-Consultative  Committee  International  Teleyram  and  Telephone）

从图中可以清楚地看到，大部分所传输的光功率基本上局限在模式直径内。

为了使放大效率高，重要的是在光纤线心12中要有高强度的泵功率，这样在搀杂物中的高粒子数反转得以保持，也就是说处在可提供实现放大的高激光能级9上的搀杂物原子与相对于处在基态能级10上的搀杂物原子有一高的百分比;在不存在搀杂物的线心外面传输的泵功率对在高激光能级上的搀杂物的反转实际上是无效的。

传输信号相应在光纤中应有相似于泵信号的径向强度分布，以便使其被传输到存在大部分泵功率的光纤区域，这样就能实现有效的放大。

因此，泵信号和传输信号的模式直径应尽可能地相似。

在如图4所示的具有线心12和包壳13的那类光纤，根据其泵信号和传输信号的径向光强分布图可知，用曲线S表示的传输波长λ_S上的径向光强分布曲线的φ_S显然比用曲线P表示的泵波长λp上的径向光强分布曲线的模式直径φp要大得多，φp大致对应于线心12的直径;由上可知，光信号的重要部分如图所示并不传播到加泵能量和有搀杂物的活性光纤部分;因此，为了保证在泵波长λp上光纤是单模的，例如，在具有氧化铒搀杂的活性光纤的980nm（±10%）的光放大器的情况下，必须使用截止波长λc小于980nm的光纤，从而获得一个在传输波长λs上很高模式直径，此模式直径远比泵波长λp上的模式直径大，以致于大部分传输信号并不传输到在它可以被放大的光纤的区域。

上述状况发生在当活性光纤是一直线或基本呈直线构形时，这里所说“基本呈直线构形”是指光纤没有经受过会使光学性有很大改变的几何变形;为上述理由，按照前述技术规格（CCITT，Instructicn  G.652），可以根据光纤中的折射指数分布图求得理论截止波长和在工作条件的截止波长。

具体地说，所述技术规格已考虑到了可对接在线路中的光纤测量其截止波长，即可在半径140mm的单圈光纤上进行测量。另一方面，检测表明，在这些条件下的截止波长与理论值相比其间变化很小，预期相差约小于5%。

按照本发明，如图3所示，放大器的活性光纤被选成只在传输波长λs上是单模型式，即其截止波长λ_C2的值小于λs，但比λp明显高。

用这种光纤，传输波长上，具体地说在1520-1570nm范围内，在适合于氧化铒搀杂的活性光纤放大器的传输波长上，具体地说在1520-1570nm波长范围上的模式直径显得足够小，基本上接近于光纤线心的直径;而泵信号的基本模的直径接近于光纤线心直径，因而传输信号功率基本上是存在在有泵信号和活性搀杂物的光纤区域内。

将整个活性光纤以弯曲的构形，如图5和6所示，以线圈的形式构成光放大器，例如将光纤绕在一个柱形骨架上;其弯曲半径Rc则按本发明选为大致低于140nm，这样，可甚至对比上述λ_C2还短的波长及甚至对泵波长λp上在光纤内都只以基本模传播。

事实上，随着光纤弯曲程度越来越明显，即随着其弯曲半径Rc变小，则光纤内可只以基本模传播的波长要逐渐变小;因此可能定义一弯曲半径Rp：使在此Rp以下，对一给定的波长，具体地说对泵波长，在光纤内可只传播基本模。

因此，活性光纤的弯曲半径是要低于或等于上述半径Rp;实际上，弯曲会引起光纤结构的机械强度的减弱，为避免断裂或破碎，弯曲半径最好等于或接近于Rp。

通过适当选择上述弯曲值可使在活性光纤上消除高于泵波长上的模，这样，在光纤内只激发泵信号的基本模，同时保持光纤在传输波长上一个导致小的模式直径的截止波长。

用这种方式，就可能获得特别高的放大效率，即对每单位泵功率的高放大增益，从而用一段较短的光纤获得所需的放大，如图8所示用光纤的截止波长λ_C2＞980nm时，用一段长度为L₁的活性光纤可以获得增益G₀，而用光纤的截止波长λ_C1＜980nm为获得同样的增益所需的活性光纤的长度为L₂，L₁要比L₂短得多。

在根据上面提及的意大利专利申请No.22120A/89公开技术制取的双向光耦合器中，与泵功率信号相耦合的传输信号的输出光纤5具有在所述的两信号波长上都是单模的型式，因而此光纤在传输波长λs上的模式直径比本发明的活性光纤的模式直径要大;由于这种直径的不同，因而在光纤5与11之间的熔接在传输波长上呈现出衰减。

在活性光纤和线路光纤1之间的熔接也还会引起衰减;事实上，虽然市售的用于线路光纤的光纤只在1520至1570nm范围内的传输波长上具有单模型，为了实现连结容易或类似的缘故，这种光纤有一个等于或比耦合器光纤5的模式直径大的相当高的模式直径。

放大器的总增益Gex是活性光纤的内部增益Gin减去由于在不同光纤之间的熔接引起的损耗或衰减As;因此，为了获得预期效果，要求从活性光纤中获得增益Gin＝Gcx+As。

采用本发明的具有甚小模式直径的光纤因熔接引起的损耗与在波长λp上也是单模的已知光纤相比要大，但是这种附加损耗通常与所获得效率的增加相比是可忽略的。

可适合使用的活性光纤的最小弯曲半径Rc约大于20mm，在此半径以下时，弯曲后的光纤的机械强度处于危险值，此外，在联结时会因在活性光纤的模式直径与线路光纤或与耦合器的输出光纤的模式直径之间相差过大而引起的熔接损耗会成为一个不小的值，而弯曲半径高于140mm则对显著改变截止波长而言无实用性;这样，最好Rc＞35mm，而尤以50mm≤Rc≤100mm为最佳。

所述弯曲半径，与在直线情况下的截止波长的最大值有关，当光纤被弯曲成一个不会达到被认为是光纤的机械强度的所述危险值并能使泵信号在980mm波长上以单模传输的弯曲半径的截止波长的λc约为1280nm，其相应的模式直径约为4μm;采用弯曲半径Rc为50mm时，所述截止波长λc其值约为1100nm，模式直径约为5.3μm，而泵信号的基本模的直径约为3.8+4μm。

对于在泵波长上的、在直线状态的单模光纤，在传输信号上的波长的模式直径高于6μm。

为了使本发明的放大器中的活性光纤的品质发挥得最好，就应使活性光纤的总长度予以弯曲以具有一弯曲半径，也就是说，活性光纤必须安置成弯曲的构形，例如，如图5所示，通过其出口处的熔接点15直接与双向耦合器光纤5相连。

如果上述情况不可能或不需要，例如，为了避免伸向熔接点15的活性光纤的弯曲构形引起的弯曲应力，而这种应力通常在光纤中造成一个机械强度的减弱点，则如图所示，可留出一段不弯曲部分16，而这并不会使由活性光纤弯曲带来的优点有明显的减少。

直线形或基本呈直线形的活性光纤部分16的长度Lr最好小于400mm，尤以Lr≤200mm为更佳;在接近线路光纤的连接点的活性光纤的另一相对端也允许留出这样长一段的基本直线形的一段活性光纤而不会使放大效率明显减少。

事实上，在光纤中发生的高次模耦合是与在光纤中的行进长度成比例的，因为在经所述的长度部分之后，在活性光纤中再也不会有多少泵功率可由基本模转换成高次模。

另一方面，在泵波长上也是单模的活性光纤放大器也可获得的一个有用的结果是使放大效率提高。根据本发明，采用了只是其中一段活性光纤是弯曲的，如果这对满足不同场合的要求是需要的话，则提供一段相应于只以基本模传播泵功率的弯曲半径的弯曲光纤，其长度应大于总光纤长度的70%。

出于结构上的考虑，特别不致使放大器的结构不过分庞大，可将活性光纤的中段构成一弯曲段，而与光纤本身的熔接端相连的起始部分和末尾部分也可有一直线形的伸延;然而，由于某种特殊要求，活性光纤也可有几段弯曲部分并交替有几段直线形部分。

举例说，已经制备了具有如下特性的氧化铒搀杂的活性光纤：

线心直径  3.6μm

数字口径（n2₁-n2₂）^1/20.23

λc（理论截止波长）  1100nm

单模直径  5.3μm

氧化铒含量（Er₂O₃重量） 350ppm

已经做成了如图1所示的上述光纤的放大器，其中，全部光纤已一圈圈地弯成线圈，其弯曲半径R＝50mm;在此情况下，已测得截止波长为

λc（R）（在弯曲半径上的截止波长）  980nm

使用该光纤的放大器的特性为：

泵功率  17mw

活性光纤长度  8.4m

将此放大器连接到一个截止波长λc（F）＝1100nm的线路光纤上，待放大的传输信号为：

输入信号功率  -45dBm

放大器的光耦合器的光纤能载送波长为λc（A）＝980nm的传输信号和泵功率。

由于采用了上述构形，已获得的放大增益为

G₁30dB

为了比较，已做成了一个具有同样结构配置的放大器，采用的活性光纤有如下特性：

线心直径  3.6μm

数字口径（n2₁-n2₂）^1/20.21

λc（理论截止波长）  980nm

单模直径  6.2μm

氧化铒含量（Er₂O₃重量） 350ppm

该光纤用于如前示所述意义上的基本呈直线形的放大器中，以便使其在截止波长引入一明显的变化。

此放大器有如下特性：

泵功率  20mw

活性光纤长度  10m

由相似于前述一个例子的活性光载送的输入到放大器的待放大的信号的

输入信号功率  -45dBm

而放大器的放大增益为

G₂30dB

可见，本发明的放大器已能提供如采用基本直线性形的光纤的可予以比较的放大器一样的放大增益，而且所使用的活性光纤还较短而所用的泵功率也较低，故本发明的放大器表明有相对高的效率。

用于支撑线圈匝以保持要求的弯曲半径的结构不受限制，它取决于放大器外壳的结构特点，因此这里不予详述。

在不脱离本发明的总的特征的范围内，人们还可作出许多改型。

Claims (8)

1、一种光放大器，具体地说一种可用于光纤远程通信线路的光放大器，它可串接到线路的光纤中，至少包括一个发光泵源(6)，一个有两个与载送传输信号的光线路光纤和发光泵源分别相连的输入端及一个与一活性光纤(7)的末端相连的输出端(5)，在活性光纤的光学芯子部分搀杂有可在传输信号波长发射的、并可以泵源波长加泵的萤光搀杂物，其特征在于：当活性光纤(7)呈现基本直线构形时能以传输波长传播发光单模信号和以泵波长传播发光多模信号，将其安置成弯曲构形，其中至少总长的70%以一相应于在光纤中在泵波长上只传播单模的弯曲半径进行弯曲。

2、根据权利要求1的光放大器，其特征在于：活性光纤（7）被弯曲，以使其弯曲半径在20至140mm的范围内。

3、根据权利要求2的光放大器，其特征在于：活性光纤的弯曲半径在35至100mm间的范围内。

4、根据权利要求1的光放大器，其特征在于：传输波长是在1520至1570的范围内，泵波长是980nm（±10nm），而活性光纤的萤光搀杂物是氧化铒。

5、根据权利要求1的光放大器，其特征在于：活性光纤（7）呈现至少一个有相应于在光纤本身中在泵波长上只以基本模传播的弯曲半径的弯曲部分（11），该部分是与非弯曲光纤部分邻接，弯曲部分或弯曲部分长度总和大于活性光纤总长之70%。

6、根据权利要求5的光放大器，其特征在于：活性光纤（7）呈现一个有其弯曲半径相应于以泵波长只有基本模在光纤中传播的弯曲半径的单个邻接的弯曲部分（11），在活性光纤的一端或两端有一非弯曲部分（16）。

7、根据权利要求6的光放大器，其特征在于：活性光纤（7）是按照一个其弯曲半径相应于在整个光纤长度上在泵波长上只以基本模传播的弯曲半径予以弯曲，此外还有二个端部分（16）是基本上不弯曲，每部分长度短于400mm。

8、根据权利要求7的光放大器，其特征在于：端部分（16）是基本不弯曲的且其长度小于200mm。

Images