CN1375712A - 双包层光子光纤 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种双包层光子光纤(2),其中有一个纤芯(4),一个包围这纤芯的第一包层(6),以及一个包围第一包层的第二包层(8),在纤芯中至少有一个孔(10),以及在纤芯中,还有可能在第一包层中掺杂有稀土离子。本发明得到的双包层光纤的信号光和注入纤芯的泵浦光有好的重叠。将信号光注入纤芯,将泵浦光注入第一包层,本发明改善了双包层光学放大器的放大重叠系数。
Description
技术领域
本发明涉及到光纤传输领域，而特别涉及的是用于信号的光学放大的双包层光子光纤。
背景技术
对于光纤，通常用折射率曲线，即折射率随折射率光纤半径变化的函数图形来定量描述。按照传统的方法，用横坐标表示距光纤中心的半径r，用纵坐标表示该处折射率与光纤包层折射率之差。于是，将图形分别为阶梯状、梯形、或三角形的折射率曲线称为“阶梯形”、“梯形”、或“三角形”。这些曲线通常是光纤的理论曲线表示或标准表示。光纤制造上的限制会导致曲线形状有明显的不同，根据曲线折射率的变化能够控制光沿光纤的传播。
最近出现了称之为“光子”光纤，亦由英语叫做“photonic crystalfibres”(PCS)。这种光纤不同于传统的光纤那样完全是由透明的固体材料—例如掺杂石英构成的，从横截面看，光子光纤有多个气孔，这些孔都和光纤的轴线平行且沿光纤纵向伸展。在实际上，这些孔是在制造时按照光纤中要获得的孔的图案，用毛细管或石英柱的组装成预制棒而得到。将这样的预制棒拉伸便提供了带有相应的毛细管孔的光纤。
在光纤材料中有孔，引起了材料的平均折射率变化，和在传统的光纤中是一样的，折射率的变化可用来传导适当波长的光信号。在WO-A-0049 435中提供了这样的光子光纤的描述。在这个文献中除了描述光子光纤的运行原理之外，还描述了一种这种光纤的构成方法—使孔的直径纵向变化。光纤折射率曲线并非是严格的，在上面的专利申请书中表明由孔的直径的纵向变化所生成的模直径的变化可以用于光学放大器。
在R.F.Cregan及其同事的文章：Distribution of SpontanrousEmission from an Er3-Doped photonic crystal Fiber，Journal of lightwaveTechnology，Vol.17No.11，November1999研究了光子光纤中的自发辐射，其中的气孔是按照三角阵分布的，光纤呈六角形，在六角形的中心，光纤上没有孔，石英中掺有铒，这份文献还研究了光纤在轴向泵浦时的自发辐射的空间分布，指出其分布是光纤中孔的分布的函数，和模拟结果相符。这份文献对于掺杂光纤的使用未作任何评述。
在Thomas Sondergaard的文章Crystal Distributed FeedbackFiber Lasers with Bragg Gratings，Journal of LightwaveTechnology，Vol.18，No4，April 2000，描述了将光子光纤用于光纤激光的使用，指出信号光模面积的或泵浦光模面积可以小于亦可大于传统的突变折射率光纤的相应的模面积。因此，可以使光子纤在小的模截面的情况下实现低的泵浦阈的光纤激光器，亦可在大的模截面的情况下实现高功率的激光器。这篇文献只给出了数值模拟情况，而没有实际实施的情况。
在W.J.Wadsworth及其同事的文章：Yb3+-doped photoniccrystal fibre laser，Electronics.Letters，Vol.36 No.17 2000年8月，明确地在实验上给出了光子光纤中的激光效应。这种光纤是用纯石英管围着掺有Yb再掺Al的石英管构成的，然后再拉伸形成光纤，在这条光纤的外面装上纯石英的筒，在掺杂的纤芯外周围有两层孔，而光则很好地约束在掺杂的纤芯中。
EP-A-1 043 816描述了一种双包层光纤，信号在掺杂的纤芯中传输，而泵浦光注入第一包层，第二包层起到将泵浦光约束在第一包层中的作用。为了将泵浦光引向纤芯，文章建议在第一包层提供一些折射率变化区，这些折射率变化区特别是由气孔构成的。在一种实施方式中，有三个折射率变化区分布于第一包层的周边。在另一种实施方式中有六个折射率变化区，构成了等边三角形的顶点和边的中点，文章还建议所有的折射率变化区都应该尽可能远离纤芯，以避免改变纤芯中的偏振状态。
发明内容
本发明的问题在于改善双包层光纤相对于EP-A-1 043 816的方案的光学放大器的效率。因此，本发明在一种实施方式中提出双包层光子光纤中的气孔的分布不只在第一包层中，还可以在纤芯中。
更详细地说，本发明提出一种双包层光子光纤，其中有：
—纤芯，包围纤芯的第一包层及包围第一包层的第二包层，
—在纤芯中至少有一个孔，以及
—至少在纤芯中用稀土离子掺杂。
在一种实施方式中，光纤在纤芯和第一包层中有多个孔。
最好，注入到纤芯的信号的模直径大于纤芯直径。
掺杂是分布在一个盘内，或是在一个环内。在后一种情况下，最好环是覆盖着纤芯和第一包层之间的界面。
可以将所有的孔置于一个三角形的点阵上；不能将孔置于光纤的轴线上；还可使孔离光纤的轴线越远，尺寸越大。
本发明还提出一种放大器，其中含有上述的光纤，而且要在第一包层中注入至少一个泵浦光。最后本发明提出一种光纤激光器，其中有根据上述的光纤，包括这样的光纤和在第一包层中注入的至少一个泵浦光。
附图说明
在后面的作为示例的本发明的实施方式的描述中将看到本发明的别特征和优越性，后面的描述将参照下列附图：
—图1示出根据本发明的一种实施方式的光子光纤的横截面图；
—图2示出图1所示光纤参考(consigne)折射率曲线；
—图3示出随图1所示的光纤的半径变化的信号强度图形；
—图4至图15，类似于图1至图3，是对别的光纤而言的。
具体实施方式
本发明提出，在双包层光纤中不仅在第一包层中安排有孔，而且还在纤芯中安排有孔，这样本发明就改善了信号和泵浦光之间的重叠。本发明提出的方案和文献EP-A-1 043 816中所讲的不同，在这份文献中提出将所有的孔都放在包层之外沿。在这个文献中所提出的方案的目的是将在第一包层与第二包层之交界附近传播的泵浦光线传向纤芯。而在本发明中所提出的方案则相反，在包层中的孔的作用和在纤芯中的孔的作用一样是用来扩大信号的模直径并扩大信号光和泵浦光的重叠。
孔至少是处在纤芯；孔的作用在于增加注入到纤芯的信号的模直径；这样便改善了信号和注入到纤芯的泵浦光之间的重叠。
图1示出了根据本发明的一种实施方式的光子光纤的横截面图。在这个实施例中，光纤2具有一个纤芯4，一个围绕这个纤芯的第一包层6和一个围绕这个第一包层的第二包层8，图中没有画出第二包层的外沿。光纤的这些不同部分是关于一方面是纤芯与第一包层间拆射率之差、另一方面是第一包层与第二包层之间折射率之差来确定的。因此可知纤芯为分布在光纤中心的那一部分，是以和第一包层的交界处为界线，或是以在折射率曲线上的折射率下落处为界线。同样，第一包层是光纤在从前述的第一个分界处到它与第二包层间的第二个分界处之间那部分，就是说直到折射率曲线的第二个下落处的那部分。
图1中的光纤至少是掺有一种原子序列数在57至71之间的稀土元素的离子，特别是掺铒、镱、锗，或其它已知的用于光学放大器中的元素。还可用其它杂质进行第二次掺杂，如铝、磷、亦或铈，这些元素可以用来改变相应纤芯的折射率，导致包层的光谱的变化或导致非辐射退激发率的变化。用于掺铒的放大器的光纤中掺铒的浓度比例在百万分之ppm1000的量级上，可以预计双掺镱的浓度比例在5000到20000ppm之间。对于用于激光的光纤，亦可仅掺镱，其浓度约为2000ppm。在掺铒的情况下，泵浦光波长的典型值在970到985nm；而对于掺镱的情况下，泵浦光的典型值约在915nm。
在光纤中掺稀土元素之处可以随实施方式而变化：可以仅在纤芯中掺杂，在光纤中有孔可以使信号光的模直径扩大到纤芯外，在纤芯之外掺杂杂质至少在第一包层的一部分掺杂是有利的，这可以提高光纤中的放大系数。还可以在光纤中环状掺杂，这个环分布在单模纤芯的外部以及第一包层邻近单模纤芯的那一部分，于是这个环覆盖了单模纤芯和第一包层间的界面。
这里所示的光纤同样为一光子光纤，就是说所示的孔是沿纵向展开的，在光纤中至少是一个孔最好多于一个孔。这些孔中至少有一部分是在纤芯中，其作用是增加注入纤芯中的信号光的模直径。在图1所示的例子中和在所有别的例子中一样，所有的孔都处在一个三角阵的阵点上。这里的术语“阵”是在光子光纤中所有孔的可能位置的集合，在光纤预制棒中，它是由毛细管和实心圆柱形(cylindres pleins)的组合而成，这个阵是由预制棒中的毛细管和圆柱形的安排来决定。在三角阵的例子中，所有的管和圆柱形都排列成行，相邻两行间错开的距离相当于一行中两个相邻的管或两个圆柱形之间的距离。亦可使用别种形式的阵，例如方阵，在所有的情况下，阵是点的集合，如有必要，每个可以是一个孔。
在图1所示的实施例中，所有的孔在一个呈六角形的三角阵中，中心没有孔。孔在光纤中的分布可以相对于这个示例有变化。
可以使所有的孔都只在纤芯中，如在图7和图13的示例中那样。这样可以增加纤芯的直径，同时使信号完全保持单模，这样就能增加模直径。换言之，使用大的光纤直径，光纤并不必须是单模无孔的；有了孔，有可能使光纤保持单模，既使有大的纤芯半径。孔既扩大了模直径，同时又扩大了单模纤芯的直径，这就改善了重叠。
前述的孔还可以存在于第一包层内，如像在图1和图4及图10所示的示例中。可以是如图1的示例那样广泛的存在于第一包层中；亦可如图4及图10所示的情况中那样，只在单模纤芯的附近。在图1的变型中当孔的位置较靠外，便对信号有限制作用，并有将泵浦光引向纤芯的附加作用，特别有意义。
可以使用类似于题为Fibre optique photonique à forte surfaceeffective的同日申请专利书中描述的分布。在这种情况下，将截面的点阵中的可以满足相对于光纤中央圆对称的子集称为“层”。所有相继的层都是共心的，其共同的中心是光纤中心。在三角阵的例子中，一个典型的层是由处在一个六角形各个顶点上的孔和可能处在这个六角形的各边上的孔的集合。其第一层有六个点在以光纤中心为中心，的一个六角形的诸顶点上。在那个专利申请书所给出的例子中，这一层的所有点都是孔。其中的第二层是由十二个点构成的，处在一个正六角形的各个顶点及每个边的中点上，这个六角形的边长等于构成第一层的六角形的边长的二倍，在这个专利申请书中，这一层的所有点都是孔。第三层是由二十四个点构成的，分布于一个六角形的各个顶点及每条边的三分之一处和三分之二处；在第三层上没有孔。可以用同样的方法确定后面各层。在这个专利申请书的示例中，每一层都是绕光纤中心60°旋转不变的。这样利用阵的可能的点，每个层就构成了一个圆的近似。将这个“层”的定义推广到别的类型的点阵，对于方阵，其一层是正方形或八角形的各边上的点的集合；这样，每一层是绕光纤中心90°旋转不变。前述的W.J.Wadsworth及其同事的文章中的孔具有绕光纤中心的二重“周期”，每重“周期”是一个圆。
于是可以确定孔的分布为：
—光纤的所有的孔都处在以纤中心为中心的阵点的至少两个层上；
—一个层的各光纤的孔具有同样的大小，且占据这层的所有的点的集合。
—处在至少一层上的光纤的各个孔的大小和处在别的至少一层上的光纤的各个孔的大小不同。
换言之，光纤的各孔尽可能具有径向对称性，考虑点阵所要求的几何约束，这保证信号的偏振性不受或少受光纤中的孔的干扰。
然而，孔的大小随着光纤的半径而变化。可以安排至少一层无孔的层，这层的作用在于使场分布于光纤中，这样就增加了光纤的有效截面积，因而也就增加了其模直径。还要指出，孔的大小沿径向是增大的，换言之，某一层的孔的大小要比较靠内部的一层的孔为大。孔的大小沿径向增加就能改善将光限制在光纤内部的作用。实际上，定性地说，较大的孔对应着平均拆射率的较多的下降，且可以将孔层看作是起到折射率突变的作用，且孔的大小变化越大折射率的变化也越大。
和上面相反，可以使孔的集合中接近光纤中心的孔较大，接着的孔较小，最后的最外层的孔大。定性地说，场集中在孔最小的区域，处在中心的孔的作用是使信号的场移向第一包层，定性的说，处在外层的孔有限制的作用。
总之，在纤芯及有可能在第一包层内的孔的分布可以是变化的，可以像前面描述的相关申请书中提出的示例那样，也可以是在本申请书中提出的示例。
从尺寸方面看，图1所示光纤中的孔都是圆形，直径为0.5μm，在阵中的孔之间的间距为5μm，图1中孔的分布有六层，每层呈六角形。图2示出图1所示光纤的折射率曲线，按照传统的方式，沿横坐标为距光纤中心的距离，纵坐标为构成光纤材料的折射率，这里指出，图2表示的是沿通过各孔所构成的正六角形的顶点的光纤半径上的折射率曲线。可以看到在图上不仅是材料的折射率，还有孔的位置，它用值1标出。考虑到图中沿纵轴的标度，仅示出曲线的一部分，在图中没有示出折射率接近1的那部分，图中没有示出光纤中的平均折射率。图2示出的纤芯的半径r1为5μm，且其折射率与第一包层的折射率的差Δn1为5×10-3。第一包层在半径r1到r2之间，r2的值为40μm，第一包层的折射率与第二包层的折射率之差Δn2为10×10-3。第二包层在半径r2的外边，例如可以是没有掺杂的硅。图中还示出对应孔处的折射率的凹陷，对应的半径为5、10、15、20、和25μm。
图3示出在图1所示的光纤中的信号强度随半径的变化。和图2一样，横坐标为半径，纵坐标是该处信号强度与信号最大强度之比，图3中仍示出了折射率曲线，折射率在右侧纵坐标示出。在图中看到，在纤芯半径之外，信号强度保持很大的值，例如模直径是11.5μm(即模直径在1/e处，用传统的强度的高斯近似方法计算)。在这种情况下，78％的能量在直径为这个模直径的圆内；85％的能量在直径为14μm的圆内；90％的能量在直径为16μm的圆内，95％的能量在直径为21μm的圆内。
作为比较，可以设定孔的分布如前，而折射率曲线为满足下列参数：
—r1＝5μm；
—Δn1为4.5×10-3；
—r2＝25μm；
—Δn2＝30×10-3。在这种情况下的典型值是模直径约为11.5μm，而重叠率近似为5％。
为进一步比较，一种光纤，其中孔的分布和前述的在同日提出申请的专利中所提出的光纤中孔的分布属同一类型，有同样的材料折射率曲线，其模直径约20μm。
在图1所示的例中，所掺杂质为铒，浓度近似为1000ppm。如前所述，在直径约为模直径-例如11.5μm的圆内掺杂。亦可使用环状掺杂，例如约在9至16μm之间，内限略小于单模纤芯的直径，同时外限对应于圆里面含有90％的能量的圆的直径。
本发明相对于无孔的双包层光纤来说改善了重叠。作为比较，带有一个圆形包层的双包层光纤，其单模纤芯的直径为8μm，圆形第一包层的直径为100μm。其它都不变，仅具有如本申请书中的示例中的孔，则其重叠就增加，可以达到约1.3％。孔使得重叠增加了约30％。
对于第一包层呈玫瑰瓣状的光纤，其重叠的典型值为3％，有如前面示例所推荐的孔，则能使重叠达到约4％，提高仍约为30％，这个提高表现为相应的放大率的提高或激光效应的提高。
图1所示的光纤可以用于人所共知的放大装置或激光器中，可以使用同向泵浦光或反向泵浦光，或同时使用这两种泵浦光。
图4至图6与图1至图3类似，为另一种光纤。在图4所示的例中，所有的孔都分布在单模纤芯内和在第一包层的接近单模纤芯的部分。孔的直径均为0.5μm，其间距为2.5μm，折射率曲线和图1光纤的折射率曲线相似，有r1＝5μm，Δn1＝4.5×10-3，r2＝20μm，及Δn2＝10×10-3。
图4所示光纤的传输特性如下：光纤在1550nm处的色散为3.41ps/(nm·km)及色散斜率(pente de dispersion chromatique)为0.10ps/(nm2·km)。这种光纤在这一波长处的有效截面积为55.4μm2。
图7至图9类似于图1至图3，是另一种光纤的。在图7所示的示例中，所有孔的分布和图1所示的示例有同样的分布，但仅在纤芯内。纤芯的半径r1为12.5μm，其折射率和第一包层的折射率之差Δn1为4.5×10-3，第一包层延伸到半径r2为20μm处，其折射率与第二包层折射率之差Δn2为10×10-3。在这个示例中，信号的模直径为9μm，大于图4所示光纤的模直径。
图7所示的光纤的传播特征如下：光纤在1550nm处的色散为8.50ps/(nm·km)，色散斜率为-2.8ps/(nm2·km)，并在同一波长处的有效截面为63.5μm2。
图10至图12和图1至图3相类似，是第三种光纤。在图10所示的光纤中，孔的分布和图1中的分布一样，但纤芯的半径要大，孔的分布也和图1中一样在纤芯和包层中都有。图11的折射率曲线不同于图5的折射率曲线之处在于纤芯的半径r1为7.5μm。在这个示例中，信号的模直径仍为9μm。
图10所示光纤的传播特性如下：光纤在1550nm处的色散为5.0ps/(nm·km)，色散斜率为-0.11ps/(nm2·km)，且在同一波长处的有效截面为61.1μm2。
图13至图15类似于图1至图3，为第四种光纤。在图13所示的示例中，孔的分布和图4中孔的分布相同，但纤芯的半径要大，所有的孔都分布在纤芯内，没有进入第一包层的。图14的折射率曲线与图5的折射率曲线之不同之处在于其纤芯的半径r1为10μm。在这个示例中，信号的模直径为9μm。
图13所示光纤的传播特性如下：光纤在1550nm处的色散为5.79ps/(nm·km)，色散斜率为0.11ps/(nm2·km)，并在同一波长处的有效截面为63.4μm2。
将上面所描述的光纤作为放大光纤用于光学放大器中是非常有利的。和传统的双包层光纤相比，它们具有更好的信号和泵浦光的重叠，并有更大的放大系数。在如上面所描述的一种光纤中的放大系数较对应的现有技术中的一种光纤中的放大系数要大30％。
当然，可以实现相对于前面给出的示例的变型，上面各种光纤的孔都是圆的，亦可使用别的形状的孔；第二包层可以用不是石英的其它掺杂的材料，这使折射率曲线整体移动。还可以将现有技术与上述的各种示例进行组合，例如第一包层呈花瓣形或呈别的图形，以将泵浦光传向纤芯，外包层对示例给出的光纤的运行影响只有很小的一点，折射率和尺寸都可变化。
Claims (11)
1.双包层光子光纤(2)，其中有
—一个纤芯(4)，围绕这纤芯的第一包层(6)，及围绕第一包层的第二包层(8)；
—在纤芯至少有一个孔(10)；且
—至少是在纤芯中掺杂有一种稀土离子。
2.根据权利要求1所述的光纤，其特征在于在纤芯及第一包层中有多个孔。
3.根据权利要求1或2所述的光纤，其特征在于注入纤芯的信号的模直径大于纤芯的直径。
4.根据权利要求1、2或3所述的光纤，其特征在于所述的掺杂分布是一个盘形。
5.根据权利要求1、2或3所述的光纤，其特征在于所述的掺杂分布为一环形。
6.根据权利要求5所述的光纤，其特征在于所述的环重叠着纤芯和第一包层的分界面。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的光纤，其特征在于所有的孔都在一个三角点阵上。
8.根据权利要求7所述的光纤，其特征在于并没有孔处在光纤的轴线上。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的光纤，其特征在于其中孔的大小随离开光纤轴线的距离越远而越大。
10.光学放大器，其中含有根据权利要求1至9中任一项所述的光纤且至少有一个注入到这光纤的第一包层中的泵浦光。
11.光纤激光器，其中含有根据权利要求1至9中任一项所述的光纤，且至少有一个注入这光纤的第一包层中的泵浦光。
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