CN1314597A - 用于光放大器的光纤,光纤放大器和光纤激光器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及OFA,它有高的信号放大效率,容易制造,有高的机械强度,有与其他光纤低的接头损耗,以及在信号波长中不大可能出现噪声。按照本发明的OFA有这样的功能,通过给该光纤提供泵浦光,它放大传播通过该光纤的信号;用于光放大器的光纤至少包括:纤芯区;纤芯区周围的内包层区;内包层区周围的外包层区;和一个或多个模耦合光栅。用于信号放大的元素至少添加到纤芯区。纤芯区有保证信号纤芯模的结构,而内包层区有保证泵浦光多模性的结构。

Description

用于光放大器的光纤， 光纤放大器和光纤激光器
本发明涉及光纤放大器，光纤激光器，和作为光放大媒体可应的用于光放大器的用于光放大器的光纤(OFA)。
用于光放大器的光纤(OFA)具有放大传播通过该光纤信号的功能，这是通过给用于光放大器的光纤提供泵浦光实现的；且它是一种作为光放大媒体可应用于光纤放大器，光纤激光器等器件的光学装置。一般地说，OFA是一种石英基光纤，其纤芯区掺以用于信号放大的发光元素。作为这种发光元素，例如，可以采用稀土元素，最好是Er。作为发光元素的Er添加到OFA中，当波长为1.48μm或0.98μm的泵浦光提供给用于光放大器的光纤时，该用于光放大器的光纤能够放大波段为1.55μm的信号。在这种OFA中，增大信号增益是很重要的，已提出几种可以满足这个要求的技术。
例如，日本专利公开No.135548/1998(文件1)中作为常规技术公开的OFA有：一个纤芯区，它的折射率为n1；纤芯区周围的内包层区，它的折射率为n2(＜n1)；和内包层区周围的外包层区，它的折射率为n3(＜n2)。纤芯区掺以发光元素。这种光纤使泵浦光作为内包层模光(泵浦光传播时被限制在纤芯区和内包层区的一种模式)传播，和使信号作为纤芯模光(信号传播时被支持在纤芯区的一种模式)传播。以下称这种OFA为包层泵浦光纤。
日本专利公开No.238883/1991(文件2)中公开一种适合于上述包层泵浦光纤的结构。其中描述，在这种包层泵浦光纤中，泵浦光可以作为内包层模光传播，因此，在光纤中的泵浦光的耦合效率是很高的。此外，由于泵浦光还传播通过不包含发光元素的内包层区，因此，泵浦光的传输损耗很小，可以改善增益效率。
国际公开出版物PCT/EP96/04187(文件3)中公开一种包层泵浦光纤，通过内包层区采用非圆形横截面形状，包层泵浦用于光放大器的光纤的作用是在泵浦光的内包层模与纤芯模之间诱发模耦合。引入泵浦光到这种包层泵浦光纤，内包层模更有效地耦合到纤芯模，从而可以把增益效率提高到一个高的水平。
此外，在日本专利公开No.107345/1998(文件4)中公开的包层泵浦光纤中，当信号被限制在纤芯区时，该信号的传播不仅作为基模(纤芯模)光，还作为高阶模光，从而可以提高信号增益。利用切断高阶模光的光栅，输出到外部的光仅仅是基模光。
本发明者在讨论了上述现有技术中发现以下的一些问题。即，在文件1和2的包层泵浦光纤中，内包层模泵浦光不能有效地泵浦添加到纤芯区中的发光元素，从而不能充分地获得信号增益的提高。很难控制内包层区为非圆形横截面形状的包层泵浦光纤的制造，此外，这种光纤的机械强度很容易下降。
在文件3和4的包层泵浦光纤中，当信号被支持在纤芯区时，通过该光纤的信号不但以基模光传播，而且还以高阶模光传播，所以，很难由光栅完全地切断高阶模光。泄漏的高阶模光引发很高的噪声值。此外，发生在这个包层泵浦光纤与另一个光纤之间的接头损耗变得很大，在后者的光纤中发生高阶模的泵浦，这也构成一个噪声值。
本发明是通过解决上述问题实现的，本发明的目的是提供这样一种用于光放大器的光纤，它有高的信号增益效率，能够易于制造，有高的机械强度，不对任何其他的光纤引入大的接头损耗，不会在信号波长，光纤放大器和光纤振荡器中引入噪声，所述用于光放大器的光纤作为光放大媒体可以应用到该光纤放大器和光纤激光器。
按照本发明的用于光放大器的光纤是一种石英基光纤，当给该光纤提供泵浦光时，它有放大信号的功能，用于光放大器的光纤包括：纤芯区，其折射率为n1；内包层区，它在纤芯区的周围和折射率为n2(＜n1)；和外包层区，它在内包层区的周围和折射率为n3(＜n2)。纤芯区有这样的结构，它保证信号的单模性；而内包层区有这样的结构，它保证泵浦光的多模性。信号放大的发光元素添加到至少部分的纤芯区。
特别是，按照本发明的用于光放大器的光纤包括：一个或多个模耦合光栅，每个模耦合光栅允许纤芯模光传播通过，并诱发泵浦光的内包层模与纤芯模之间的模耦合。
在用于光放大器的光纤中，最初引入到其中的泵浦光作为内包层模光传播，由于模耦合光栅的模耦合效应，内包层模转变成纤芯模。纤芯模泵浦光泵浦添加到用于光放大器的光纤中至少部分纤芯区的发光元素。另一方面，信号作为纤芯模光传播，并在保持它的模式下传播通过模耦合光栅。因此，从该用于光放大器的光纤得到放大的信号。
按照本发明用于光放大器的光纤中至少一个模耦合光栅可以包括：长周期光栅，它诱发内包层模与纤芯模之间的模耦合，纤芯模的传播方向与内包层模的传播方向相同。在此情况下，长周期光栅的周期最好是10μm-400μm。当泵浦光到达长周期光栅时，由于长周期光栅的模耦合效应，内包层模转变成纤芯模，该纤芯模的传播方向与内包层模的传播方向相同。
按照本发明用于光放大器的光纤中至少一个模耦合光栅可以包括：倾斜光纤布喇格光栅，它诱发纤芯模与内包层模之间的模耦合，该纤芯模的传播方向与内包层模的传播方向相反。在此情况下，倾斜光纤布喇格光栅相对于预定轴(例如，光轴)的倾斜角最好是0.5°-20°。当泵浦光到达倾斜光纤布喇格光栅时，由于这个倾斜光纤布喇格光栅的模耦舍效应，内包层模转变成纤芯模，该纤芯模的传播方向与内包层模的传播方向相反。
如在美国专利No.5,703,978中所明确公开的，长周期光栅是这样一种光栅，它诱发传播通过光纤的纤芯模与包层模之间的模耦合，它明显地区别于光纤布喇格光栅，它反射预定波长附近的光而不诱发模耦合。在长周期光栅中，光栅周期是这样设定的，纤芯模与包层模之间的相位差为2π，为的是得到从纤芯模到包层模的强功率转变。所以，由于长周期光栅的作用是耦合纤芯模与包层模，纤芯模衰减预定波长附近的一段窄波带(以下称该波长为损耗波长)。
按照本发明的光纤放大器包括：用于光放大器的光纤(按照本发明的用于光放大器的光纤)，它有上述的模耦合光栅；和一个或多个泵浦光源，它给用于光放大器的光纤提供泵浦光。根据该光纤放大器，获得高的信号放大增益，因为采用该用于光放大器的光纤作为信号放大的光放大媒体。
当光纤放大器包括泵浦光源时，每个泵浦光源提供波长各不相同的泵浦光，最好是，用于光放大器的光纤包含光纤布喇格光栅，它有选择地反射预定波长的光，光纤布喇格光栅安排成把一个或多个模耦合光栅夹在中间。每个光纤布喇格光栅可以包括：反射特定波长的光而不诱发模耦合的布喇格光栅，或倾斜布喇格光栅，它相对于预定轴有预定的倾斜角且有模耦合效应。
按照本发明的光纤激光器包括：有上述结构的用于光放大器的光纤(按照本发明的用于光放大器的光纤)；一个或多个泵浦光源，每个泵浦光源给用于光放大器的光纤提供泵浦光；和谐振器，它谐振用于光放大器的光纤放大的信号。光纤激光器中的谐振器可以由Fabry-Perot谐振器或环形谐振器构成。根据这种光纤激光器，应用用于光放大器的光纤作为放大信号(诱发的发射光)的光放大媒体，获得高的激光振荡效率。在光纤激光器中，泵浦光源还可以有提供波长各不相同泵浦光的结构。在这种情况下，最好是，用于光放大器的光纤包括：光纤布喇格光栅，它有选择地反射预定波长的光，光纤布喇格光栅安排成把一个或多个模耦合光栅夹在中间。每个光纤布喇格光栅可以包括：反射特定波长的光而不诱发模耦合的布喇格光栅，或倾斜布喇格光栅，它相对于预定轴有预定的倾斜角且有模耦合效应。
根据以下详细的描述和附图，可以更充分地理解本发明，给出这些附图仅仅是为了说明的目的，而不是考虑成对本发明的限制。
根据以下的详细描述，可以进一步清楚本发明的应用范围。然而，应当明白，虽然给出了本发明几个优选实施例，详细的描述和特定的例子仅仅为了说明的目的，根据这些详细的描述，本领域专业人员显然知道，在本发明的精神和范围内可以作各种变化和改动。
图1A和1B是按照本发明用于光放大器的光纤的剖面图及其折射率分布；
图2是信号(波长1.55μm)基模LP(0,1)(纤芯模)的电磁场分布图；
图3A-3E是泵浦光(波长0.98μm)基模LP(0,1)(纤芯模)和高阶模(LP(0,2)-LP(0,5)的电磁场分布图；
图4是沿图1A中所示直线Ⅰ-Ⅰ的用于光放大器的光纤的剖面结构图(1)；
图5是沿图1A中所示直线Ⅰ-Ⅰ的用于光放大器的光纤的剖面结构图(2)；
图6是按照本发明第一个实施例光纤放大器的结构图；
图7是描述第一个实施例光纤放大器的用于光放大器的光纤中泵浦光的模耦合效应图；
图8是按照本发明第二个实施例光纤放大器的结构图；
图9是描述第二个实施例光纤放大器的用于光放大器的光纤中泵浦光的模耦合效应图；
图10是按照本发明第三个实施例光纤放大器的结构图；
图11是按照本发明第四个实施例光纤放大器的结构图；和
图12是按照本发明一个光纤激光器实施例的结构图。
现在参照图1A,1B,2,3A-3E和4-12描述按照本发明每个实施例的用于光放大器的光纤，光纤放大器和光纤激光器。在附图的描述中，相同的单元是用相同的参考数字和符号命名，并省略重复的描述。
图1A是按照本发明的用于光放大器的光纤10的剖面结构图。这个用于光放大器的光纤10包括：沿预定轴(例如，光轴)延伸的纤芯区11，该纤芯区周围的内包层12，和内包层12周围的外包层13。纤芯区11的折射率为n1，外直径为2a。内包层12的折射率为低于n1的n2，外直径为2b。外包层13的折射率为低于n2的n3。用于光放大器的光纤10是包层泵浦的光纤，当给它提供泵浦光时，它能够放大信号，并使该信号作为纤芯模光传播，而使泵浦光作为纤芯模光或内包层模光传播。为了满足这些条件，恰当地设定用于光放大器的光纤10中每个玻璃区的折射率和外直径。
图1B所示的折射率分布100指出图1A中直线L上每点的折射率。区域101代表直线L上纤芯区11的折射率，区域102代表直线L上内包层12的折射率，和区域103代表直线L上外包层13的折射率。
用于光放大器的光纤10中至少部分的纤芯区11掺以信号放大的发光元素。这种掺杂的发光元素最好是稀土元素和过渡元素，尤其是，Er是最合适的。若添加作为发光元素的Er和泵浦光的波长带是0.98μm或1.48μm，则可放大的信号波段是1.52μm-1.63μm。发光元素可以添加到用于光放大器的光纤10中的整个纤芯区，或只是部分的纤芯区(例如，光轴附近的区域)，或不但是纤芯区，还有内包层区。发光元素可以添加到整个长度的用于光放大器的光纤10中，或只是沿光纤10纵向的部分用于光放大器的光纤。
例如，用于光放大器的光纤10包括：石英基光纤，它有掺以GeO2和Er的纤芯11；掺以F的内包层区12；和掺以F的外包层区13(其F的浓度高于内包层区12中F的浓度)。Al和P可以再添加到纤芯区11。还可以在每个玻璃区添加用于折射率调节的元素(例如，Cl和B)。Er不但可以添加到纤芯区，还可以添加到内包层区12。Er也可以仅仅添加到部分的纤芯区。
更准确地说，我们把纤芯区11的外直径2a和内包层区12的外直径2b分别设定为4μm和35μm，外包层区13的外直径为125μm的标准值。纤芯区11相对于内包层区12的相对折射率差Δn1(=(n1 2-n2 2)/2n2 2)设定为1.3％，外包层区13的相对折射率差Δn2(=(n2 2-n3 2)/2n2 2)为0.35％。如此设计的用于光放大器的光纤允许1.55μm波段的信号作为纤芯模光传播，而允许泵浦光作为纤芯模光或内包层模光传播。
就是说，按照上述设计的用于光放大器的光纤10保证1.55μm波长的信号传播是图2所示的基模LP(0,1)(纤芯模)，图2表示信号(波长1.55μm)基模LP(0,1)的电磁场分布。
用于光放大器的光纤10保证泵浦光的传播是在图3A中所示的基模LP(0,1)(纤芯模)，也在图3B-3E中所示的高阶模(LP(0,2)-LP(0,5))。图3B表示泵浦光的二阶内包层模LP(0,2)，图3C表示泵浦光的三阶内包层模LP(0,3)，图3D表示泵浦光的四阶内包层模LP(0,4)，和图3E表示泵浦光的五阶内包层模LP(0,5)。
图4是沿图1A中所示直线Ⅰ-Ⅰ的用于光放大器的光纤10的剖面结构图。如图4所示，用于光放大器的光纤10包括：含光轴的纤芯区11，围绕纤芯区11的内包层区12，和围绕内包层区12的外包层区13。这个用于光放大器的光纤10还包括：模耦合光栅14。模耦合光栅14指的是沿用于光放大器的光纤10的纵向形成在部分纤芯区11的折射率调制区。模耦合光栅14允许纤芯模信号在保持它的模式下传播，并产生泵浦光的内包层模与纤芯模之间模耦合。例如，利用空间强度调制的紫外光照射掺Ge的纤芯区11以得到模耦合光栅14。
如图5所示，模耦合光栅14可以是在用于光放大器的光纤10的纤芯区11和内包层12上延伸。模耦合光栅14最好包括：诱发泵浦光的纤芯模与内包层模之间模耦合的长周期光栅，这两个模式的传播方向是相同的。在此情况下，长周期光栅的光栅周期最好是10μm-400μm。模耦合光栅14还可以包括：诱发泵浦光的纤芯模与内包层模之间模耦合的倾斜光纤布喇格光栅，这两个模式的传播方向是相反的。倾斜光纤布喇格光栅相对于光轴AX的倾斜角θ最好是0.5°至20°(见图9)。
在用于光放大器的光纤10中，沿该光纤纵向添加发光元素的区域与形成模耦合光栅14的区域可以互相重叠或互相分开。用于光放大器的光纤10可以包括：第一光纤，它包含掺发光元素的区域；和第二光纤，它包含形成模耦合光栅14并与第一光纤熔接的区域。
现在参照图6和7描述按照本发明第一个实施例的光纤放大器。应用于按照第一个实施例光纤放大器1a的用于光放大器的光纤10a(包括在按照本发明的用于光放大器的光纤10内)包括作为模耦合光栅14a的长周期光栅。
图7是按照第一个实施例的光纤放大器1a的剖面结构图，它对应于沿图1A中直线Ⅰ-Ⅰ的剖面图。光纤放大器1a包括：光隔离器21,耦合器31，用于光放大器的光纤10a，耦合器32，和光隔离器22，它们是按照从信号输入端1in到信号输出端1out的顺序排列。提供泵浦光给用于光放大器的光纤10a的泵浦光源41光连接到耦合器31，而提供泵浦光给用于光放大器的光纤10a的泵浦光源42光连接到耦合器32。借助于保证信号波长单模性的光纤，输入端1in与光隔离器21，光隔离器21与耦合器31，耦合器32与光隔离器22，以及光隔离器22与输出端1out之间互相光连接。借助于保证泵浦光波长多模性的光纤52，耦合器31与泵浦光源41之间互相光连接。借助于保证泵浦光波长多模性的光纤51，耦合器32与泵浦光源42之间互相光连接。
光隔离器21,22的作用是沿从输入端1in到输出端1out的方向传播光,而不传播沿相反方向的光。泵浦光源41,42是输出泵浦光的光装置。耦合器31输出的泵浦光与从隔离器21输出并到达耦合器31的信号一起传向用于光放大器的光纤10a，泵浦光是从泵浦光源41发送并到达耦合器31。耦合器32输出信号到光隔离器22，该信号是从用于光放大器的光纤10a发送并到达耦合器32，它输出泵浦光到达用于光放大器的光纤10a，泵浦光是从泵浦光源42发送并到达耦合器32。
在光纤放大器1a中，从泵浦光源41输出的泵浦光借助于光纤51和耦合器31提供给用于光放大器的光纤10a。从泵浦光源42输出的泵浦光借助于光纤52和耦合器32提供给用于光放大器的光纤10a。通过输入端1in俘获的信号借助于光隔离器21和耦合器31输入到用于光放大器的光纤10a，并作为纤芯模光传播通过光纤10a的内部。放大的信号从用于光放大器的光纤10a输出，借助于耦合器32，光隔离器22和输出端1out最后输出到光传输线。
图7是描述第一个实施例光纤放大器1a的用于光放大器的光纤10a中泵浦光的模耦合剖面图。从泵浦光源41输出的泵浦光作为内包层模光P11在提供这个泵浦光给用于光放大器的光纤10a的初始期问沿正向传播。当这个内包层模泵浦光P11到达模耦合光栅14a(长周期光栅)时，由于光栅14a的模耦合效应，内包层模P11转变成纤芯模P12，纤芯模P12的传播方向与内包层模P11的传播方向相同。类似地，从泵浦光源42输出的泵浦光作为内包层模光P21在提供这个泵浦光给用于光放大器的光纤10a的初始期间沿反向传播。当这个内包层模泵浦光P21到达模耦合光栅14a(长周期光栅)时，由于光栅14a的模耦合效应，内包层模P21转变成纤芯模P22，纤芯模P22的传播方向与内包层模P21的传播方向相同。纤芯模泵浦光P12,P22泵浦包含在用于光放大器的光纤10a的纤芯区11中的发光元素。
模耦合光栅14a可以形成在沿用于光放大器的光纤10a纵向的任何区域，即，光栅14a可以形成在光纤10a中间部分的附近区域，该光纤两端部分的附近区域，或该光纤一端部分的附近区域。虽然在按照第一个实施例的用于光放大器的光纤10a中形成一个模耦合光栅14a，也可以按照如下所述形成多个模耦合光栅。在此情况下，多个模耦合光栅14a最好形成在这样的区域，允许纤芯模泵浦光P21,P22传播通过用于光放大器的光纤10a中包含发光元素的纤芯区11有最长可能的时间周期。
一般地说，在模耦合光栅14a(长周期光栅)中，从泵浦光内包层模到泵浦光纤芯模的耦合效率与泵浦光纤芯模到泵浦光内包层模的耦合效率是相同的。然而，在按照第一个实施例的光纤放大器1a中，纤芯模泵浦光被吸收到包含在纤芯区11的发光元素中，因此其功率就变小。所以，从泵浦光内包层模到泵浦光纤芯模的模耦合变成主要的，泵浦光从内包层模转变成纤芯模，并被吸收到发光元素中。
如上所述，按照用于光放大器的光纤10a应用于第一个实施例的光纤放大器1a，发光元素是受到作为纤芯模光传播的泵浦光P21,P22的泵浦。所以，泵浦光对发光元素的泵浦效率是很高的，可以有效地提高信号的放大增益。由于用于光放大器的光纤10a中每个玻璃区的横截面形状可以是圆形的(每个玻璃区的横截面形状不需要设置成非圆形)，所以，能够以高精度控制用于光放大器的光纤10a的制造，可以得到足够的机械强度。由于信号是作为纤芯模光传播通过用于光放大器的光纤10a，用于光放大器的光纤10a与其他光纤之间的接头损耗可以减至最小，这些其他光纤中高阶模的泵浦作用受到抑制。所以，信号波段中出现噪声的可能性很小。
现在参照图8和9描述按照本发明第二个实施例的光纤放大器。倾斜光纤布喇格光栅作为模耦合光栅14b形成在用于光放大器的光纤10b(按照本发明的用于光放大器的光纤10)，该光纤应用于按照第二个实施例的光纤放大器1b。
图8是按照本发明第二个实施例光纤放大器的示意结构图。按照第二个实施例的光纤放大器1b包括：用于光放大器的光纤10b，其中形成倾斜光纤布喇格光栅(模耦合光栅14b)，用于光放大器的光纤10b代替上述按照第一个实施例光纤放大器1a的用于光放大器的光纤10a(图6)。
图9是描述第二个实施例光纤放大器1b的用于光放大器的光纤10b中泵浦光模耦合的剖面图。从泵浦光源41输出的泵浦光作为内包层模光P11在提供泵浦光给用于光放大器的光纤10b的初始期间沿正向传播。当这个内包层模泵浦光P11到达模耦合光栅14b(倾斜光纤布喇格光栅)时，由于光栅14b的模耦合效应，内包层模P11转变成纤芯模P12，纤芯模P12的传播方向与内包层模P11的传播方向相反。类似地，从泵浦光源42输出的泵浦光作为内包层模光P21在提供泵浦光给用于光放大器的光纤10b的初始期间沿反向传播。当这个内包层模泵浦光P21到达模耦合光栅14b(倾斜光纤布喇格光栅)时，由于光栅14b的模耦合效应，内包层模转变成纤芯模P22，纤芯模P22的传播方向与内包层模P21的传播方向相反。纤芯模泵浦光P12,P22泵浦包含在用于光放大器的光纤10b的纤芯区11中的发光元素。
模耦合光栅14b可以形成在沿用于光放大器的光纤10b纵向的任何区域，即，光栅14b可以形成在光纤10b中间部分的附近区域，该光纤两端部分的附近区域，或该光纤一端部分的附近区域。虽然一个模耦合光栅14b形成在第二个实施例的用于光放大器的光纤10b中，也可以形成多个模耦合光栅。在此情况下，多个模耦合光栅14b最好形成在这样的区域，允许纤芯模泵浦光P21,P22传播通过用于光放大器的光纤10b中包含发光元素的纤芯区11有最长可能的时间周期。
一般地说，在模耦合光栅14b(倾斜光纤布喇格光栅)中，从泵浦光内包层模到泵浦光纤芯模的耦合效率与泵浦光纤芯模到泵浦光内包层模的耦合效率是相同的。然而，在按照第二个实施例的光纤放大器1b中，纤芯模泵浦光被吸收到包含在纤芯区11的发光元素中，因此其功率就变小。所以，从泵浦光内包层模到泵浦光纤芯模的模耦合作用变成主要的，泵浦光从内包层模转变成纤芯模，并被吸收到发光元素中。
如上所述，即使在按照第二个实施例的光纤放大器1b中，发光元素是受到作为纤芯模光传播的泵浦光P21,P22的泵浦。所以，泵浦光对发光元素的泵浦效率是很高的，可以有效地提高信号的放大增益。由于用于光放大器的光纤10b中每个玻璃区的横截面形状可以是圆形的(每个玻璃区的横截面形状不需要设置成非圆形)，所以，能够以高精度控制用于光放大器的光纤10b的制造，可以得到足够的机械强度。由于信号是作为纤芯模光传播通过用于光放大器的光纤10b，用于光放大器的光纤10b与其他光纤之间的接头损耗可以减至最小，这些其他光纤中高阶模的泵浦作用受到抑制。所以，信号波段中出现噪声的可能性很小。
现在利用一个比较例子描述应用第一个实施例和第二个实施例的具体实例。应用1中光纤放大器的结构与图6所示第一个实施例中光纤放大器1a的结构完全相同，且用于光放大器的光纤在其中间部分的附近区域有作为模耦合光栅的长周期光栅，该用于光放大器的光纤加到这个应用1的放大器中。应用2中光纤放大器的结构与图8所示第二个实施例中光纤放大器1b的结构完全相同，且用于光放大器的光纤在其中间部分的附近区域有作为模耦合光栅的倾斜光纤布喇格光栅，该用于光放大器的光纤应用于这个例子2的放大器中。比较例子中光纤放大器的结构类似于图6和8中所示光纤放大器的结构，不同的是其中用于光放大器的光纤的结构。这个比较例子与上述应用1和2的不同之处在于所用用于光放大器的光纤中没有模耦合光栅。
应用1,2和比较例子中所有的用于光放大器的光纤有以下的各项数据。即，纤芯区和内包层区的外直径2a和2b分别为4μm和35μm，外包层区的外直径为125μm的标准值。纤芯区和外包层区相对于内包层区的相对折射率差分另为1.3％和0.35％。每根光纤的长度是30m。泵浦光的波长是0.98μm，正向和反向上提供给用于光放大器的光纤的泵浦光功率总和是800mW。通过每根所应用的用于光放大器的光纤，1.55μm波段的信号作为纤芯模光传播，而0.98μm波长的泵浦光作为纤芯模光或内包层模光传播。
应用1中的用于光放大器的光纤包括：作为模耦合光栅的长周期光栅，其折射率调制周期(光栅周期)为75μm和长度为10mm。应用2中的用于光放大器的光纤包括：作为模耦合光栅的倾斜短周期光栅，其折射率调制周期(光栅周期)为350nm，相对于光轴AX的倾斜角θ为6.0°(见图9)和长度为10mm。
本发明的发明者把波长为1.55μm的预定功率电平信号输入到有上述结构的每个光纤放大器的输入端，并测量从输出端输出的信号功率。其结果是，比较例子中的功率电平为18.3dBm，而应用1和2中的功率电平分别为22.0dBm和21.8dBm。因此，我们确认，应用1和2中两个光纤放大器的放大增益分别以3.7dB和3.5dB大于比较例子中光纤放大器的放大增益。
图10是按照本发明第三个实施例的光纤放大器的结构图。按照第三个实施例的光纤放大器1c的结构基本上与按照第一个实施例光纤放大器的结构相同，不同的是所应用的用于光放大器的光纤10c，它包含多个模耦合光栅14c,14d,14e。特别是，光纤放大器1c中的用于光放大器的光纤10c是通过熔接包层泵浦光纤到光纤的两端，在该两端形成多个模耦合光栅14c,14d,14e，每根包层泵浦光纤包含信号放大元素(例如，Er)。
在传播通过用于光放大器的光纤10c的泵浦光中，存在多个高阶内包层模(见图3B-3E)。按照第三个实施例的光纤放大器1c，这些高阶内包层模是由多个模耦合光栅14c,14d,14e分别耦合到纤芯模，从而可以更有效地利用提供给用于光放大器的光纤10c的泵浦光。
在组成部分用于光放大器的光纤10c的光纤中形成多个模耦合光栅14c,14d,14e，这些模耦合光栅可以都是由长周期光栅构成的，其中一些也可以是由倾斜光纤布喇格光栅构成的。
准确地说，本发明者制备一根用于光放大器的光纤，在该光纤上形成光栅周期为75μm和长度为10mm的长周期光栅构成模耦合光栅14c，光栅周期为70μm和长度为10mm的长周期光栅构成模耦合光栅14d，和光栅周期为64μm和长度为10mm的长周期光栅构成模耦合光栅14e，当用于光放大器的光纤10c应用于第三个实施例中时，本发明者测量制备的用于光放大器的光纤10c的输出信号功率。测量的条件与应用1中的条件相同。
因此，我们确认，输出信号功率为22.9dBm，与应用1中的光纤放大器比较，其放大增益进一步增大。获得这些优点的原因是，与按照第一个实施例的光纤放大器1a进行比较(应用1中仅有一个模耦合光栅)，按照第三个实施例的光纤放大器1c能够使内包层模与纤芯模之间有更大的耦合。
图11是按照本发明第四个实施例光纤放大器的结构图。按照第四个实施例光纤放大器的结构与按照第一个实施例光纤放大器1a的结构基本相同，它包括：输出λ1和λ2不同波长泵浦光的泵浦光源410和420，和用于光放大器的光纤10d，其中形成反射预定波长光的光纤布喇格光栅140a和140b，这两个光纤布喇格光栅的安排是把模耦舍光栅14f夹在中间。
模耦合光栅14f可以是由长周期光栅或倾斜光纤布喇格光栅构成的。每个光纤布喇格光栅140a,140b可以是反射预定波长光的光栅或诱发模耦合的倾斜布喇格光栅。
特另是，在这第四个实施例中，光栅140a的作用是传输通过其中波长为λ1的泵浦光，而反射其中波长为λ2的泵浦光。光栅140b的作用是反射其中波长为λ1的泵浦光，而传输通过其中波长为λ2的泵浦光。在从用于光放大器的光纤10c的两端提供不同波长λ1,λ2泵浦光的结构情况下，具有光反射功能的光纤布喇格光栅安排在接近于该光纤两端的部分，这种安排能够有效地利用泵浦光。
准确地说，本发明者测量第四个实施例中光纤放大器1d的输出信号功率电平，其中光纤放大器1d利用波长为0.97μm的泵浦光和波长为0.985μm的泵浦光。制备的用于光放大器的光纤10d包括：光栅周期为77μm和长度为10mm的长周期光栅，和光栅周期为75μm和长度为10mm的长周期光栅作为模耦合光栅14f。用于光放大器的光纤10d还包括：光栅周期为338μm和长度为10mm的布喇格光栅作为反射波长为λ1泵浦光的光栅140b，和光栅周期为333μm和长度为10mm的布喇格光栅作为反射波长为λ2泵浦光的光栅140a。测量条件与应用1中所用的测量条件相同。
因此，我们确认，输出信号功率为22.4dBm，与应用1中光纤放大器的放大增益比较，放大增益进一步增大。获得这些优点的原因是，形成按照第四个实施例的光纤放大器1d，与按照第一个实施例的光纤放大器1a进行比较(应用1中仅有一个模耦合光栅)，光纤放大器1d能够更有效地利用泵浦光。
现在参照图12描述按照本发明第一个实施例的光纤激光器。应用于这个实施例光纤激光器2的用于光放大器的光纤10e包括：模耦合光栅14g(长周期光栅或倾斜光纤布喇格光栅)，其方式如同按照第一至第四个实施例中光纤放大器1a至1d的一样。
图12是这个实施例光纤激光器的结构图。光纤激光器2包括：光纤71，耦合器31,用于光放大器的光纤10e，耦合器32和光纤72，它们是按照从高反射率反射镜61到低反射率反射镜62的顺序排列。泵浦光源41光连接到耦合器31,而泵浦光源42光连接到耦合器32。每根光纤71,72保证信号波长(振荡波长)的单模性。耦合器31与泵浦光源41之间的光连接借助于保证泵浦光波长多模性的光纤51。耦合器32与泵浦光源42之间的光连接借助于保证泵浦光波长多模性的光纤52。
耦合器31输出来自光纤71的信号到用于光放大器的光纤10e，输出来自用于光放大器的光纤10e的信号到光纤71，和输出来自泵浦光源41的泵浦光到用于光放大器的光纤10e。耦合器32输出来自用于光放大器的光纤10e的信号到光纤72，输出来自光纤72的信号到用于光放大器的光纤10e，和输出来自泵浦光源42的泵浦光到用于光放大器的光纤10e。
在光纤激光器2中，从泵浦光源41输出的泵浦光借助于光纤51和耦合器31提供给用于光放大器的光纤10e。另一方面，从泵浦光源42输出的泵浦光借助于光纤52和耦合器32提供给用于光放大器的光纤10e。在提供泵浦光给用于光放大器的光纤10e的初始期问，泵浦光作为内包层模光传播，其方式如同参照图7和9所描述的动作。当内包层模泵浦光到达模耦合光栅14g时，由于光栅14g的模耦合效应，内包层模转变成纤芯模。纤芯模泵浦光泵浦包含在用于光放大器的光纤10e纤芯区中的发光元素。
当包含在用于光放大器的光纤10e纤芯区中的发光元素被泵浦光泵浦时，发光元素发射自发发射光。这个自发发射光作为纤芯模光传播通过用于光放大器的光纤10e和光纤71,72，并在由高反射率反射镜61与低反射率反射镜62构成的Fabry-Perot谐振器中来回传播。当自发发射光传播通过用于光放大器的光纤10e时，诱发的发射光引起激光振荡。这个诱发发射光中的一部分作为激光束从低反射率反射镜62中输出到该谐振器外。
模耦合光栅14g可以形成在沿用于光放大器的光纤10e纵向的任何区域，即，该光栅可以形成在光纤10e中间部分的附近区域，该光纤两端部分的附近区域，或该光纤一端部分的附近区域。虽然在这个实施例的用于光放大器的光纤10e中形成一个模耦合光栅14g，也可以形成多个模耦合光栅。在这种情况下，用于光放大器的光纤10e最好包括这样一个区域中的模耦合光栅14g，允许纤芯模泵浦光传播通过包含发光元素的纤芯区有最长可能的时间周期。
一般地说，在模耦合光栅14g中，从泵浦光内包层模到泵浦光纤芯模的耦合效率与泵浦光纤芯模到泵浦光内包层模的耦合效率是相同的。然而，在这个实施例的光纤激光器2中，纤芯模泵浦光被吸收到包含在纤芯区的发光元素中，因此其功率就变小。所以，从内包层模到纤芯模的模耦合作用变成主要的，泵浦光从内包层模转变成纤芯模，并被吸收到发光元素中。
如上所述，根据应用用于光放大器的光纤10e的光纤激光器，发光元素是被传播通过纤芯模光的泵浦光泵浦。所以，泵浦光对发光元素的泵浦效率是很高的，可以有效地提高激光振荡效率。由于用于光放大器的光纤10e中每个玻璃区的横截面形状可以是圆形的(每个玻璃区的横截面形状不需要设置成非圆形)，所以，能够以高精度控制用于光放大器的光纤10e的制造，可以使该光纤有足够的机械强度。由于信号(包含在诱发发射光中)是作为纤芯模光传播通过用于光放大器的光纤10e，用于光放大器的光纤10e与其他光纤之间的接头损耗可以减至很小，因此，这些其他光纤中高阶模的泵浦作用受到抑制。所以，信号波段中出现噪声值的可能性很小。
如上所述，由于在本发明中提供了有模耦合光栅的用于光放大器的光纤，所以，最初引入到用于光放大器的光纤中的泵浦光作为内包层模光传播，但是，当这个内包层模泵浦光到达模耦合光栅时，由于模耦合光栅的模耦合效应，内包层模转变成纤芯模，这个纤芯模泵浦光泵浦包含在用于光放大器的光纤纤芯区中的发光元素。另一方面，引入到用于光放大器的光纤中的信号作为纤芯模光在保持它的模式下传播通过模耦合光栅，得到放大的信号。
所以，发光元素被作为纤芯模光传播的泵浦光有效地泵浦。因此，泵浦光对发光元素的泵浦效率是很高的，可以提高信号的放大增益。由于用于光放大器的光纤中每个玻璃区的横截面形状可以是圆形的，所以，能够以高精度控制光纤的制造，可以使该光纤有足够高的机械强度。此外，由于信号是作为纤芯模光传播通过用于光放大器的光纤，用于光放大器的光纤与其他光纤之间的接头损耗可以减至很小，这些其他光纤中高阶模的泵浦作用受到抑制。所以，信号波段中出现噪声值的可能性很小。
根据上述的本发明，显而易见，可以有多种方法对本发明各个实施例进行变化。这些变化不应该看成是偏离了本发明的精神和范围，所有这些变化对于本领域专业人员而言是显然的，它们应当包括在以下权利要求书的范围内。

Claims (12)

1.一种用于光放大器的光纤，利用给该光纤提供的泵浦光放大传播通过该光纤的信号，所述用于光放大器的光纤包括：
沿预定轴延伸并且有第一折射率的纤芯区，所述纤芯区具有一个结构保证关于所述信号的单模性和至少部分纤芯区掺以用于信号放大的元素；
所述纤芯区周围的内包层区，它有低于所述第一折射率的第二折射率，所述内包层区具有一个结构保证关于所述泵浦光的多模性；
提供在所述内包层区周围的外包层区，它有低于所述第二折射率的第三折射率；和
一个或多个模耦合光栅，传播通过该光栅的纤芯模信号，并诱发关于所述泵浦光的内包层模与纤芯模之间的模耦合。
2．按照权利要求1的用于光放大器的光纤，其中所述内包层区掺以用于信号放大的所述元素。
3．按照权利要求1的用于光放大器的光纤，其中至少一个所述模耦合光栅包括：长周期光栅，它诱发所述内包层模与所述纤芯模之问的模耦合，所述纤芯模的传播方向与所述内包层模的传播方向相同。
4．按照权利要求3的用于光放大器的光纤，其中所述长周期光栅的光栅周期是10μm-400μm。
5．按照权利要求1的用于光放大器的光纤，其中至少一个所述模耦合光栅包括：倾斜光纤布喇格光栅，它诱发所述内包层模与所述纤芯模之间的模耦合，所述纤芯模的传播方向与所述内包层模的传播方向相反。
6．按照权利要求5的用于光放大器的光纤，其中所述倾斜光纤布喇格光栅相对于所述预定轴倾斜0.5°至20°。
7．按照权利要求1的用于光放大器的光纤，还包括：光纤布喇格光栅，每个光纤布喇格光栅有选择地反射预定波长的光，所述光纤布喇格光栅把所述一个或多个模耦合光栅夹在中间。
8．按照权利要求7的用于光放大器的光纤，其中每个所述光纤布喇格光栅包括：布喇格光栅和倾斜布喇格光栅之一，所述倾斜布喇格光栅相对于所述预定轴有一个预定倾斜角。
9．一种光纤放大器，包括：
按照权利要求1的用于光放大器的光纤；和
一个或多个泵浦光源，用于给所述用于光放大器的光纤提供泵浦光。
10．按照权利要求9的光纤放大器，其中所述泵浦光源提供波长各不相同的泵浦光。
11．一种光纤激光器，包括：
按照权利要求1的用于光放大器的光纤；
一个或多个泵浦光源，用于给所述用于光放大器的光纤提供泵浦光；和
谐振器，用于谐振来自所述用于光放大器的光纤的放大信号。
12．按照权利要求11的光纤激光器，其中所述泵浦光源提供波长各不相同的泵浦光。
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