CN1165788C - 稀土掺杂光纤 - Google Patents
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Abstract
一种稀土掺杂光纤，它包括一个包层，一个掺杂有稀土元素的中央纤芯，以及一个不接触地环绕着该中央纤芯的环形纤芯，该中央纤芯的折射率高于包层的折射率，该环形纤芯的折射率比包层的折射率高，并比中央纤芯的折射率低。
Description
本发明涉及一种稀土掺杂光纤，更具体地说，本发明涉及这样一种稀土掺杂光纤，该光纤在中央纤芯的外部区域具有一附加环形纤芯，以增加模场直径。
光纤包括一个被包层环绕的纤芯区域。该纤芯区域的折射率比包层的折射率高，从而使光沿着该光纤传导时被限制在该区域中。
通常，光并不是准确地在纤芯和包层的界面处被反射，而是在其反射回纤芯中之前穿透到包层的一定深度内。该穿透深度根据折射率的不同而不同。典型地，突变(阶跃)折射率(型)单模光纤显示出这种趋势。当光沿着光纤传导时其穿透的直径称作模场直径(MFD)。更具体地说，一个给定波长的单模光纤的模场直径对应于这样一个距离，在该距离处该给定波长的传输辐射强度降至最大辐射强度的1/e。
在光学放大或光纤激光器领域中，已经提出了具有掺杂有稀土元素的纤芯的光纤。采用了稀土掺杂光纤的光学放大作用按以下方式进行。当一泵浦光被引入到一具有掺杂有稀土元素的纤芯区域的光纤中时，稀土元素被激发到一高的能级。随后，如果一信号光照射在已被激发到高的能级的稀土元素上，该稀土元素将经历向一低能级的跃迁，并产生一个受激发射。因此，该信号光在通过该稀土掺杂光纤传播时被放大。
图1示出了一稀土掺杂光纤的典型例子及其折射率分布。该稀土掺杂光纤包括一含有提高折射率的元素如锗、铝的区域A，并具有带有高的数值孔径的阶跃型折射率分布，通过它使信号光与稀土掺杂区域的重叠被最小化。
为在这种稀土掺杂光纤中获得高的效率和低的噪声电平，应该使放大的自发发射最小化。此外，如果包含在纤芯中的稀土元素未完全转变到粒子数反转状态，它将吸收信号光，从而降低效率。
因此，如图1所示，仅仅在纤芯的中央区域B掺杂有稀土元素，以防止对信号光的吸收。也就是说，仅仅在泵浦强度足够高的区域上掺杂有稀土元素。
然而，在纤芯的小的区域上控制掺杂剂的分布是很困难的，而且不容易得到高的吸收系数。此外，随着锗浓度的增加，传播损耗也随之增加，并且由于信号光波长的模场直径被减小，在与其它光纤的连接点处的损耗也被增加。
因此，本发明的的一个目的是提供一种稀土掺杂光纤，它具有一中央纤芯区域和一附加环形纤芯区域，其中泵浦光沿着该中央纤芯区域传播，而信号光沿着两个纤芯区域传导，从而可得到与具有含高浓度稀土元素的中央纤芯区域的传统稀土掺杂光纤基本上相同的效果。
根据本发明的一个优选实施例，提供了一种稀土掺杂光纤，它包括一包层，一掺杂有稀土元素的中央纤芯，以及一不接触地围绕着该中央纤芯的环形纤芯，该中央纤芯的折射率高于包层的折射率，该环形纤芯的折射率高于包层的折射率，并低于中央纤芯的折射率。
从下面参考附图进行的进一步描述中，本发明的上述和其它目的、特征及优点将变得更加清楚。其中：
图1示出了稀土掺杂光纤的一典型例子及其折射率分布；
图2示出了根据本发明的一优选实施例的光纤的横截面图；
图3示出了图2所示的光纤的折射率分布；
图4为一示出了本发明的实例(以实线示出)与现有技术的一对比例(以虚线示出)的模场直径差异的图表。
下面参考附图详细描述本发明的优选实施例。
图2示出了根据本发明的一优选实施例的光纤的横截面图。
该光纤涂敷有一聚合物涂层10。该光纤还具有一包层11，一环形纤芯12以及一中央纤芯14。在环形纤芯12和中央纤芯14之间，布置着一具有相对较低的折射率的中间区域13。中央纤芯14和环形纤芯12分别具有比其它区域高的折射率，一信号光通过这些纤芯被引导。如果该光纤为一石英光纤，则包层的折射率与纯石英的折射率相同，而环形纤芯12和中央纤芯14的折射率通过添加可提高折射率的材料如锗、磷或铝被提高。
图3为图2所示的光纤的折射率分布。中央纤芯14的折射率比环形纤芯12的折射率高。优选地，中间区域13具有比这些纤芯低的折射率，以获得高的效率。此外，中间区域13可以具有比包层11高的折射率。尽管图3所示的光纤具有一突变(阶跃)型折射率分布，但它也可以具有其它类型的分布，例如矩形、多重对角线形状或曲线形状。
中央纤芯14掺杂有稀土元素，并可包含铝(Al)、磷(P)或镱(Yb)。当一具有较短波长的泵浦光通过掺杂有稀土元素的中央纤芯14时，稀土元素被转变到一激发态。如果在自发发射发生之前允许信号光照射到稀土元素上，则稀土元素将经历向一个较低能级的跃迁，并发生受激发射。因此，该信号光在通过该光纤传播时被放大。
与传统的光纤相比，根据本发明的优选实施例的光纤中信号光与稀土掺杂区域的重叠较小，从而可以得到完全的粒子数反转。其结果是，信号光的吸收被降低，而且可以获得高的效率。
实例：
下面描述根据本发明的一示例性光纤。
根据本发明的石英光纤的详细说明示于表1中。
表1
| 直径(nm) | 折射率差 | |
| 中央纤芯 | 2 | 0.018 |
| 中间区域 | 5 | 0 |
| 环形纤芯 | 7 | 0.006 |
| 包层 | 125 | 0 |
石英光纤的特性示于表2中。
表2
| 截止波长(nm) | 960 |
| 连接损耗(dB) | 低于0.1 |
| MFD(nm) | 9.4(1550nm) |
| 4.1(980nm) |
如以上表中所示，泵浦光的截止波长为960nm，从而一具有980nm波长的泵浦光可以在该单模光纤中传导。没有附加辅助的情况下，传统的稀土掺杂光纤具有1-2dB的连接损耗。与之相对照，本发明得到很大的改进。
图4显示了本发明的实例(以实线示出)与现有技术的一对比例(以虚线示出)的模场直径的差异。本发明的实例的模场直径(MFD)比率为MFD1550/MFD980＝9.4/4.1＝2.29，而对比例的模场直径比率为MFD1550/MFD980＝5.5/3.5＝1.57。
如图4所示，本发明的实例具有比对比例高的模场直径及在泵浦光波长(980nm)与信号光波长(1550nm)之间的模场直径差。本发明的模场直径大约为传统光纤的模场直径的1.7倍。
根据本发明，由于泵浦光通过中央纤芯传导，从而使包含在其中的稀土元素被激发，以及由于信号光通过环形纤芯及中央纤芯传播，从而使得根据本发明的光纤具有比传统光纤高的模场直径。因此，由非线性效应导致的对能量累积容量的限制被减弱，同时信号光与稀土掺杂区域的重叠被相对降低。此外，由于稀土掺杂区域被增加，从而吸收系数被提高。由于本发明的光纤具有类似于单模光纤的模场直径，因此连接损耗也被最小化。
尽管已经参考优选实施例对本发明进行了详细描述，但本技术领域的技术人员能够理解，还可对本发明进行多种不同的变化或替换。这写均不脱离本发明的精神和范围。
Claims (6)
1.一种稀土掺杂光纤，包括：
一包层；
一掺杂有稀土元素的中央纤芯，该中央纤芯的折射率高于包层的折射率；以及
一以不接触中央纤芯的方式环绕着该中央纤芯的环形纤芯，该环形纤芯的折射率比包层的折射率高，并比中央纤芯的折射率低，
其中环形纤芯中掺杂有可提高折射率的材料。
2.根据权利要求1所述的稀土掺杂光纤，其特征在于，该中央纤芯进一步含有铝。
3.根据权利要求1所述的稀土掺杂光纤，其特征在于，该中央纤芯进一步含有磷。
4.根据权利要求1所述的稀土掺杂光纤，其特征在于，该中央纤芯进一步含有镱。
5.根据权利要求1所述的稀土掺杂光纤，其特征在于，它进一步包括布置在中央纤芯与环形纤芯之间的一个或多个环形区域。
6.根据权利要求1所述的稀土掺杂光纤，其特征在于，它进一步包括一个位于中央纤芯与环形纤芯之间的中间区域，该中间区域的折射率低于中央纤芯和环形纤芯的折射率。
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