CN1196021C - 硫属化物玻璃基的喇曼光学放大器 - Google Patents
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Abstract
一种光学放大器，包括一具有光输入端和输出端的硫属化物玻璃光波导，一泵浦光波导，以及一波长可调谐泵浦激光器。由泵浦光波导将该波长可调谐泵浦激光器耦合到该硫属化物玻璃光波导上。
Description
本申请要求2000年8月29日提出的美国临时申请No.60/228,665的权利。
发明背景
发明领域
本发明涉及喇曼光学放大器。
相关技术的描述
为了补偿衰减，光通信系统中通常沿光传输光纤以均匀间隔提供对光信号的放大。可以由基于如铒和镱的稀土元素的放大器产生放大，或者由基于喇曼效应的放大器产生放大。由于它们对选定原子能级跃迁的依赖性，故稀土放大器具有有限的带宽。放大发生在相应于选定原子跃迁的分立波长处。宽波带掺铒光纤放大器在某种程度上是对稀土放大器的改进，使得这些稀土放大器可以驱动某些波分复用(WDM)光学网络。另一方面，喇曼放大器是自然可调谐的，能够对宽波带内的波长提供放大。在这种放大器中，通过调谐泵浦激光器产生一个波长，使得在该选定波长处能够产生受激喇曼发射，从而简单地选择放大波长。喇曼放大器比稀土放大器覆盖更宽的频谱范围。另外，喇曼放大器具有比稀土放大器更低的噪音。这些优点使得喇曼放大器更符合远程WDM系统的需要，在远程WDM系统中传输带宽可能会很宽。
然而，传统的喇曼放大器具有相当低的增益。在这种放大器中，光信号通常必须穿过一个长且被强泵浦的放大器光纤来获得适当的放大。例如，为了产生20-dB的放大，某些传统的喇曼光纤放大器使用10到100千米(km)的放大器光纤以及300到1000毫瓦(mW)的泵浦光。高泵浦光功率需要昂贵的泵浦激光器，并且使得泵浦激光器的工作成本增加。因此，需要一种基于较短放大器光纤和较低泵浦功率的喇曼放大器。
发明概述
按照一个方面，本发明的特征为一种光学放大器，包括一具有光输入端和输出端的硫属化物玻璃光波导，一泵浦光波导，以及一波长可调谐泵浦激光器。由泵浦光波导将该波长可调谐泵浦激光器耦合到该硫属化物玻璃光波导上。
按照第二个方面，本发明的特征为一种对光进行放大的方法。该方法包括调谐波长可调谐泵浦激光器以产生泵浦光，随着硫属化物玻璃光波导中对选定波长光的接收，该泵浦光的波长能够在硫属化物玻璃光波导中产生喇曼放大。该方法还包括将泵浦光传送到硫属化物玻璃光波导，并且将具有选定波长的输入光接收到硫属化物玻璃光波导中。该方法可以将输入光按每千米波导、每100mW泵浦光功率放大至少40分贝。
按照第三个方面，本发明的特征为一种光通信系统。该系统包括多个石英玻璃光纤和至少一个耦合在两个石英玻璃光纤之间的喇曼放大器。本发明的喇曼放大器包括一连接两个石英光纤的硫属化物玻璃光波导，一泵浦光波导和一波长可调谐泵浦激光器。由泵浦光波导将该泵浦激光器耦合到该硫属化物玻璃光波导上。
附图简述
图1给出了喇曼放大器的一个例子；
图2给出了喇曼放大器的另一个例子；
图3给出了用于图1和2中喇曼放大器某些实施例的硫属化物玻璃光纤的横截面图；
图4给出了使用图1或2中喇曼放大器的光通信网络的一部分；
图5给出了使用图1或2中的喇曼放大器对光进行放大的方法的流程图；
图6和7给出了图5所示方法中泵浦光波长与输入光波长之间关系曲线图；
图8给出了用来拉制用于图1和2所示喇曼放大器的某些实施例中的硫属化物玻璃光纤的设备；
图9给出了用于制造图1和2所示喇曼放大器的某些实施例中的硫属化物玻璃光纤的流程图。
发明的详细描述
通过使用由硫属化物玻璃制成而不是由石英或其他氧化物玻璃制成的光学放大媒质，本发明的各个实施例提供了改进的喇曼放大。
图1给出了喇曼放大器10的一个例子，其中波长可调谐激光器12通过一个2×1光连接器16耦合到硫属化物玻璃放大器波导14的一个输入端。泵浦激光器12的波长调谐能力使得对光的放大是宽波段的，不象传统的基于稀土的放大器，由于放大波长不可调，从而泵浦源不是波长可调谐的。在不同实施例中，放大器媒质14或者是光纤，或者为平面型波导。
光连接器16还将诸如石英光传输光纤的一个输入波导18连接到硫属化物玻璃放大器波导14的输入端。通过光耦合器22，硫属化物玻璃放大器波导14的一个输出端被耦合到一个输出波导20，比如另一个石英光传输光纤。在一些实施例中，耦合器22有选择地滤除泵浦激光器12所产生的光，使得泵浦光不会被传输到输出波导20。
通过使用一种硫属化物玻璃放大媒质，喇曼放大器10提高了增益，使增益大于石英玻璃喇曼放大器的增益。从波导的喇曼增益G的近似公式可以理解这种增益提高的原因。该公式表示为G＝K′egIL。其中，“g”为喇曼增益系数，L为放大器波导的长度，I为泵浦光强。喇曼增益截面与克尔系数n2成正比。从而，喇曼增益(G)按指数规律依赖于克尔系数n2与泵浦光强I的乘积。
对n2的按指数规律的依赖性表明，许多硫属化物玻璃将会比石英玻璃产生更大的增益，因为硫属化物玻璃的n2比石英玻璃的n2要大得多。例如，某些硒化合物硫属化物玻璃的n2大约是石英玻璃的n2的50到1000倍，即n2至少是未掺杂石英玻璃的50或200倍。喇曼放大器10使用一种高n2的硫属化物玻璃作为放大器波导14的光芯。
增益(G)公式还提供了一种确定硫属化物玻璃光纤长度的指导，因为全部的放大取决于乘积LIn2。例如，为了产生与LI大约为(10千米)(500mw)的石英喇曼放大器相同的放大，喇曼放大器10所需的长度与功率的乘积仅为25000到5000米-mW。由于硫属化物玻璃增加的n2值，有多种放大器使用长度小于500米的硫属化物光纤和所产生的泵浦功率小于500-mW的泵浦光源。例如一个100米长的硫属化物光纤和一个50-250mW的泵浦源可以产生一个10千米(Km)石英喇曼放大器光纤和500-mW泵浦源所产生的放大。
在此，硫属化物玻璃规定为一种可发射可见及近红外光的非晶态材料，包括硒(Se)，碲(Te)，和/或硫(S)与其他一种或多种元素所组成的化合物。Se，Te，和/或S的总的摩尔百分比通常为至少25％。在化合物中，其他元素包括锗(Ge)，砷(As)，锡(Sb)，铊(Ti)，铅(Pb)，磷(P)，镓(Ga)，铟(In)，镧(La)，硅(Si)，氯(Cl)，溴(Br)，碘(I)和稀土元素。与标准石英光学玻璃不同，硫属化物玻璃不是氧化物玻璃。
图2给出了喇曼放大器10’的另一个实施例，其中波长可调谐泵浦激光器12耦合到硫属化物玻璃放大器波导14的一端，输入波导18耦合到硫属化物玻璃放大器波导14的另一端。在放大器10’中，泵浦光和输入光在放大器波导14中反向传输，使得泵浦光不会出现在输出波导20中。
在图1和2所示放大器10或10’的某些实施例中，波导14为硫属化物玻璃光纤。图3为用在这些实施例中的硫属化物玻璃放大器光纤26的横截面图。光纤26包括一个硫属化物玻璃芯27和一个硫属化物玻璃包层28。芯27的直径大约为2-14微米(μm)，最好是芯径小于大约5μm。包层28的外径大约为120-130μm。
芯27和包层28由包含不同化学成分的硫属化物玻璃制成，使得在芯—包层的交界面处发生折射率越变。为了使放大器光纤26内传输的光发生全内反射，芯27的折射率ncore大于包层28的折射率ncladding。为了保证在放大器光纤26中为单模操作，光纤26为单模，在芯—包层交界面处的折射率越变，即Δ＝[ncore-ncladding]/ncladding在1％到5％之间，Vnumber小于大约2.4。此处，Vnumber＝(πD/λ)ncore 2-ncladding 2)1/2，D为芯直径，λ为在放大器光纤26中所传输的光波长。在WDM系统中，λ在大约1.3到1.6微米之间。
例如，芯27可以由As40Se60玻璃制成，其折射率大约为2.7，包层28可以由As40S60制成，其折射率大约为2.4。那么，Δ＝1.25，且芯27的直径小于大约3微米，以确保波长大约为1.5微米的光的单模传输。
在某些例子中， 芯27由As40-40ySe60-60yS100y，Ge28Se60Sb12，Ge25Se65-67，Te8-10或As50Se35Cu15制成，而且包层28由As40-40xSe60-60xS100x制成。
用于芯27的硫属化物玻璃的选择取决于所需的喇曼增益G。增益依赖于芯玻璃的克尔系数。As40Se60玻璃具有较大的克尔系数，可以提高放大器的增益。对于长放大器光纤，增益还依赖于可引起泵浦光损耗的双分子吸收。如果所选择的芯玻璃具有比所需泵浦光子能量的两倍还要大的带隙，那么就产生较低的双光子吸收，增加整个增益。1999年9月20日申请的美国专利申请No.09/399,625，发明人为H.Y.Hwang等人，描述了一种选择芯27玻璃成分的方法，在此将此专利申请引做参考。
在包层28中硫(S)的摩尔百分比，即100x的选择取决于上面所讨论的对Vnumber和Δ的保证单模操作的限制条件。当100x从0％变化到100％时，As40-40xSe60-60xS100x的折射率近似从2.7线性变化到2.4，使得能够选择包层28中摩尔百分比“100x”来满足对单模操作的限制条件。
图4表示使用可变波长、硫属化物玻璃、诸如图1和2中放大器10，10’的喇曼放大器32的光通信网络30。放大器32通常设置在光传输光纤连续两段34-36之间，例如光纤段可以由多模石英玻璃光纤制成。段34-36形成了将光发送器38与光接收器40光连接在一起的传输通道。传输光纤段34-36的长度足够短，可以确保在下一放大阶段之前，累积衰减小于大约20dB。例如，对于大约1.3到1.6μ之间的波长，现代的石英传输光纤产生大约0.2dB/km的衰减。对于这类光纤，单段34-36的长度不大于大约80km。
图5为使用图1或2中的喇曼放大器10，10’对光进行放大的方法50的流程图。在接收入射光之前，该方法50包括调谐波长可调谐泵浦激光器12，以产生泵浦光，泵浦光的波长能够响应选定波长的入射光在硫属化物玻璃波导14中进行喇曼放大(步骤51)。可以通过操作员或控制波长可调谐泵浦激光器12的可编程计算机24完成这种调谐。如果计算机24控制泵浦激光器14，则对于一放大具有选定波长的输入光的外部请求，计算机24在数据库查询表中查询适当的泵浦光波长。
泵浦波长的选择依赖于硫属化物玻璃的声子频谱和待放大的选定波长。在喇曼放大器中，通过输入光信号激发的喇曼作用产生输出光。由于泵浦光的背景强度而导致了受激作用。在受激喇曼作用中，泵浦光子产生了受激发射光子和受激发射声子。从而，泵浦光子的初始能量和动量被分到受激发射光子与受激发射声子之间。初始能量与动量的这种分配表明，受激发射光比产生受激发射光的泵浦光具有更长的波长。由于受激发射光与入射光具有相同的波长，泵浦光子的能量必须等于输入光子与受激发射声子的能量之和。从而，泵浦光波长相对于输入光波长有一个由声子所产生的偏移。
与其它和声子相关的特性相似，在泵浦和输入光之间波长偏移的大小取决于放大器玻璃的物理特性。通过选择泵浦光波长使它等于输入光波长，可以减小与放大器波导14中所使用的特定硫属化物玻璃相关的与声子相关的波长偏移。与声子相关的波长偏移是公知技术，并且使用本领域技术人员所公知的方法可以简单地对其进行测量。
由于喇曼散射截面具有一定宽度，泵浦光波长的选择具有一定的自由度。散射截面使喇曼作用可能作为泵浦和输入光波数之间差异的函数。
图6给出了As40S60玻璃的喇曼散射横截面以波数偏移Δk为函数的图表。该波数偏移满足：Δk＝kpump-kinput，其中kpump和kinput分别为泵浦光和输入光的波数。喇曼散射截面与Δk近似为线性相关，在峰值处Δk＝348cm-1。通过选择使泵浦光的波数kpump等于输入光的波数kinput加上348cm-1，提供较高的喇曼散射，在As40S60比例波导中产生强喇曼放大。
但是，其它喇曼散射截面较大，例如至少是最大横截面一半的泵浦光波长也是泵浦光波长可能的选择。从而，喇曼横截面定义了一个可供选择的泵浦光波长λPUMP的窗口“w”。图7给出了对于选定入射波长λINPUT，泵浦光波长λPUMP的窗口“w”。还给出了用于特定放大器波导中的硫属化物玻璃与声子相关的波长偏移。在这个例子中，窗口“w”小于输入光的光传输频宽，例如传输频宽可能是整个一组DWDM网络信道。可以调整波长可调谐泵浦激光器12，产生一个新的泵浦波长λ’PUMP，在初始窗口“w”以外对随后接收到的具有新波长λ’INPUT的输入信号进行放大。
对于所选择的特定的泵浦光波长，可以选择放大器媒质的组成，即图1和2中的波导14，在较宽波段中产生放大。一种扩展放大波段的方法要求放大器波导由声子所致喇曼偏移不同的两种或多种二元硫属化物混合物制成。例如，放大器波导可以为As40S60玻璃和As40Se60玻璃的混合物，其喇曼波长偏移分别为85和55纳米(nm)。对于这种三元混合物，总的喇曼散射截面是混合物中二元玻璃各自的散射截面之和。这可导致总的散射截面与偏移之间不再为如图6所示的线性关系。混合物可以具有多个峰值，使得喇曼截面至少为其中一个峰值一半的输入信号波长可以被相同泵浦光波长所放大。
再次参考图5，在选择泵浦光波长之后该方法50包括将波长可调谐激光器12所发出的泵浦光传送给硫属化物玻璃放大器波导14(步骤52)。该硫属化物玻璃放大器波导14从输入波导18接收具有选定的输入光波长的输入光，例如一系列数字光脉冲(步骤53)。输入光和同时被传送的泵浦光在放大器波导14中产生受激喇曼发射，导致对输入光的放大。该方法50包括将光从硫属化物玻璃放大器波导14或者简单地从放大器波导14的一端发送到输出，例如输出波导20(步骤54)。方法50还可以使放大器波导14所发出的光通过一个滤波器，在将光发送到输出波导20之前有选择地去除泵浦光。
图8为用于拉制图3所示硫属化物玻璃放大器光纤26的设备70的横截面图。设备70包括内部和外部圆筒72、74，用来分别装载用于制造光纤芯24和包层26的分离的硫属化物玻璃预制棒76、78。内部和外部圆筒72，74是同心圆筒，内径分别为大约5-20mm和10-100mm。圆筒72，74由石英，铂或铂合金制成。玻璃预制棒76具有光纤芯27的组成，并且为棒状，使预制棒76可以滑动到内部圆筒72中。玻璃预制棒78具有光纤包层28的组成，并且为管形，使得预制棒78可以滑动到内部和外部圆筒72和74之间管形空间中。
每个圆筒72，74在下端都逐渐变细，形成管形拉制口80，82。在此，上端和下端的方向是关于重力的方向“z”作出的。内部圆筒72的拉制口80，82的内径分别为大约0.1-20mm和0.2-30mm。内部口80的下端设置在从外部拉制口82的下端向上大约0.5-5mm处。
通过匹配的圆锥形支架部分84，86，使内部和外部圆筒72，74之间同心并垂直相对对齐。支架部分84，86还密封了内部与外部圆筒72，74之间的上部区域，使之与外界空气隔离，即密封使外部大气不能进入预制棒78的上部区域。
在光纤拉制和将气体导入以及将气体从这些区域去除的过程中，可调口88-91可以控制玻璃预制棒76，78上的大气压力。与之相似，可以设置一个可移动塞92来关闭口80，82，并密封玻璃预制棒76，78下面的空间，从而在熔化过程中阻止气体逃逸。
外部圆筒74由一个圆柱形金属体94制成，即圆柱形金属体由Iconel合金或铂制成。金属体94在下端逐渐变细，物理上保持外部圆筒74不下落。体94形成了外部圆筒74与可调谐加热器96之间的热接触。
美国专利5,900,036中描述了一种拉制设备70的结构，该专利在此引做参考。美国专利5,879,426和6,021,649中描述了拉制硫属化物光纤的其它设备和方法，这些专利在此引做参考。
图9为使用图8中的拉制设备70制造硫属化物玻璃光纤的方法100的流程图。该方法100包括将用于制造光纤芯27和包层28的分离的玻璃预制棒76，78分别设置在圆筒72，74中，并且安置支架部分84，86以将圆筒72，74上部的区域密封起来而与外界气体隔离(步骤102)。然后该方法100包括将外部圆筒74设置在加热器96的金属体94中，并使用可移动塞子92封闭拉制口80，82(步骤104)。接着利用通口88-91将玻璃预制棒76，78上部区域中的大气置换为诸如氮或氦的惰性气体(步骤105)。调节加热器96，以缓慢加热预制棒76，78到一可导致预制棒76，78的硫属化物玻璃熔化的温度(步骤106)。该方法100还包括将预制棒76、78的熔化物保持在熔点温度之上一段足够长的时间，例如0.25-6小时，以从该熔化物中除去气泡(步骤108)。然后该方法100包括在2-10分钟内将该熔化物冷却到拉制温度(步骤110)。在拉制温度下，硫属化物材料的粘度为103到107泊。
接下去，通口88-91被操作而将内圆筒72中芯熔化物的气压和位于内外圆筒72，74之间包层熔化物的气压调整到选定的拉制压力(步骤112)。两个硫属化物玻璃熔化物的相对气压决定了拉制所产生的芯27和包层28的相对直径。通过保持位于内圆筒72中的芯玻璃熔化物相对于位于圆筒72，74之间的包层玻璃熔化物的相当低的气体压力，可以制造具有相当细纤芯的光纤。在调节拉制压力之后，将塞子92去掉，并从口80，82拉制光纤(步骤114)。气压被保持在比外部气压高大约0.01到30磅每平方英寸，以产生大约每分钟1到10米光纤的拉制速度。
在345℃的拉制温度、芯和包层玻璃各自熔化物上的拉制压力分别为25.4mm水产生的压力和0.5磅每平方英寸下，产生一具有直径为14μm的As40S58Se2芯27和外径为130μm的As2S3包层28的硫属化物光纤。为了制造具有这些尺寸的光纤，口82的内径大约为5mm，口80的内径大约为1mm并且下端位置大约在口82下端以上的0.5mm处。这些拉制条件产生了大约每分钟3米光纤的拉制速度。
根据本申请的说明书、附图和权利要求，本发明的其它实施例对本领域技术人员来说是显而易见的。
Claims (10)
1.一种光学放大器，包括：
一具有光输入端和输出端的硫属化物玻璃光波导；
一泵浦光波导；以及
一波长可调谐泵浦激光器，由泵浦光波导将该泵浦激光器耦合到该硫属化物玻璃光波导上，
其中，所述泵浦激光器适合于使从所述输入端接收到的光在所述硫属化物玻璃光波导中喇曼放大。
2.根据权利要求1所述的光学放大器，其中该硫属化物玻璃光波导为一种光纤。
3.根据权利要求2所述的光学放大器，其中该光纤的克尔系数至少约为非掺杂石英玻璃的克尔系数的50倍。
4.根据权利要求1所述的光学放大器，其中所述硫属化物玻璃光波导不用稀土元素掺杂。
5.一种光通信系统，包括：
多个石英玻璃光纤；
至少一个耦合在两个石英玻璃光纤之间的喇曼放大器，该喇曼放大器包括：
一连接所述两个石英玻璃光纤的硫属化物玻璃光波导；
一泵浦光波导；以及
一波长可调谐泵浦激光器，由泵浦光波导将该泵浦激光器耦合到该喇曼放大器的硫属化物玻璃光波导上，
其中，所述泵浦激光器适合产生泵浦光，该泵浦光适合于在所述硫属化物玻璃光波导中使选定波长的光喇曼放大。
6.根据权利要求5所述的光通信系统，还包括光发送器与光接收器其中的一个，光发送器和光接收器的所述其中一个经过一个石英玻璃光纤连接到所述喇曼放大器上。
7.一种放大光的方法，包括：
操作泵浦激光器以产生泵浦光，该泵浦光适合于响应选定波长的光在硫属化物玻璃光波导中产生喇曼放大；
将泵浦光传送到硫属化物玻璃光波导；
将具有选定波长的输入光接收到硫属化物玻璃光波导中；以及
将硫属化物玻璃光波导所放大的光发送到一个输出端。
8.根据权利要求7所述的方法，其中在接收输入光时将该泵浦光传送给硫属化物玻璃光波导。
9.根据权利要求7所述的方法，其中每千米波导、每100mW泵浦光功率对输入光的放大至少为约40dB。
10.根据权利要求7所述的方法，其中所述硫属化物玻璃光波导不用稀土元素掺杂。
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