DE60217775T2

DE60217775T2 - Erbium dotierte Fasern zur Verstärkung des erweiterten L- Band Bereichs

Info

Publication number: DE60217775T2
Application number: DE60217775T
Authority: DE
Inventors: Matthew Julius Clinton Andrejco; Inger Pihl Byriel; Bera Palsdottir
Original assignee: Lucent Technologies Inc
Current assignee: Nokia of America Corp
Priority date: 2001-08-21
Filing date: 2002-06-24
Publication date: 2007-11-15
Anticipated expiration: 2022-06-25
Also published as: US6560009B1; EP1286433B1; JP2003124547A; JP3803310B2; EP1286433A1; DE60217775D1; US20030076580A1

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Diese Erfindung betrifft Erbium-dotierte Fasern für Photonengeräte und insbesondere Erbium-dotierte Faserverstärker (EDFA), die im L-Band arbeiten.
ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
Optische Übertragungssysteme verwenden Wellenlängenmultiplexen (WDM), um die Informationsvermittlung einer optischen Faserübertragungsleitung, in der Regel einer Weitübertragungsleitung, zu erhöhen. Frühe WDM-Systeme arbeiteten mit einer relativ engen Wellenlängenbandbreite, die um 1550 Nanometer lag, z. B. 1530 bis 1565 Nanometer, oft als C-Band bezeichnet. Dies ist der Wellenlängenbereich, in dem Standard-optische Fasern auf Siliziumdioxidbasis optimalerweise eine niedrige Absorption haben.
In den meisten WDM-Systemen gibt es einen Kompromiss zwischen der Anzahl der Kanäle, die das System aufweist, und der Kanaltrennung. Beide Ziele begünstigen ein weites Betriebsspektrum, d. h. einen weiten Bereich von Betriebswellenlängen.
In neuerer Zeit sind Systeme entworfen worden, die den effektiven Betriebswellenlängenbereich deutlich über das C-Band-Übertragungsband hinaus ausdehnen. In Bezug auf die Wellenlänge ist das neue Band, welches als L-Band bezeichnet wird, unterschiedlich definiert, für die Zwecke dieser Beschreibung sind es jedoch 1570 bis 1610 Nanometer. Die Verwendung dieser zusätzlichen Wellenlängen erweitert die Kapazität der WDM-Systeme wesentlich. Es gibt jedoch weitere Bemühungen, das effektive Betriebswellenlängenfenster weiter auszudehnen, selbst über 1610 Nanometer hinaus. Diese Bemühungen konzentrieren sich momentan auf das sogenannte "erweiterte L-Band" von 1570 bis über 1610 nm, bei spielsweise bis 1620 nm.
Mit Seltenerden dotierte Faserverstärker werden in WDM-Kommunikationssystemen als Verstärker weitverbreitet verwendet. Diese Verstärker sind in der Regel Erbium-dotierte Faserverstärker (EDFA). Sie werden leicht mit Weitfaserkabeln integriert und können bequem mit preisgünstigen Multimoduslasern, wie GaAlAs, mit Einzelmodusausgängen mit hoher Energie gepumpt werden. Sie können auch mit relativ weiten Verstärkungsbandbreiten hergestellt werden, um einige der eben erwähnten Ziele zu erreichen.
WDM-Systeme können auch dispersionsoptimierte Faser (DSF) verwenden, die mehr Wellenlängen in dem L-Band als in dem C-Band tragen. Mit diesen Komponenten mit fortschrittlichem Design, EDFAs und DSF-Übertragungsleitungen, sind dichte WDM-(DWDM)-Systeme entwickelt worden, die 40 × 10 Gbit/s Wellenlängen in dem L-Band übertragen können, was zu einem Anstieg der Netzwerkkapazität von 16.000 % führt. In praktische Informationshandhabungskapazität übersetzt ist dieses System in der Lage, die auf mehr als 80 CD-ROMs enthaltenen Daten pro Sekunde simultan zu übertragen.
Es ist bei WDM-Systemen wichtig, über das gesamte WDM-Wellenlängenband gleichförmige Verstärkung zu haben. Dies Ziel lässt sich schwieriger erreichen, wenn der Betriebswellenlängenbereich auf längere Wellenlängen ausgedehnt wird. Mäßige Uneinheitlichkeiten in der Verstärkungskurve können durch Abschneiden der Peaks mit hoher Verstärkung herausgefiltert werden. Typische Verstärkungskurven haben jedoch eine Krümmung über wesentlichen Abschnitten des Wellenlängenbands, so dass das Abschneiden des hohen Verstärkungsabschnitts eine wesentliche Signalmenge vergeuden kann. Ein optischer Verstärker mit relativ einheitlicher und relativ flacher Verstärkung über dem L-Band einschließlich des erweiterten L-Bands würde somit im DWDM-Systemdesign eine wichtige technologische Weiterentwicklung bedeuten.
Frühere EPA-Dokumente, EP-A1-0 989 693 und EP-A1-1 089 401, beschreiben optische Verstärker, in denen die Betriebsbandbreite infolge von Codotieren der optischen Faser mit mehr als einem Seltenerd-Dotiermittel, beispielsweise Erbium und Ytterbium, verbreitert wird.
KURZFASSUNG DER ERFINDUNG
Ein erfindungsgemäßes Verfahren und eine erfindungsgemäße Vorrichtung sind in den unabhängigen Ansprüchen beschrieben, auf die der Leser nun verwiesen wird. Bevorzugte Merkmale sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
Eine Seltenerd-dotierte Faser und ein Faserverstärker sind zum Betrieb in dem erweiterten L-Band entwickelt worden. Die für diese Erfindung verwendete optische Faser beinhaltet Erbium für die grundlegende Lichtverstärkungsfunktion, Phosphor zur selektiven Erhöhung der Verstärkung in den Zielwellenlängen im erweiterten L-Band, Germanium zur Bereitstellung einer hohen numerischen Apertur (NA) und Aluminium, um die anderen Additive zu solubilisieren. Die Aluminiummenge wird auf unter die Menge des Phosphors und allgemein unter 4 kontrolliert, um die Verstärkungskurve flach zu halten. Die tatsächlichen Funktionen dieser Additive sind teilweise austauschbar, und die genaue Rolle von jedem ist nicht umfassend untersucht worden. Der Effekt der Additive in den nachfolgend beschriebenen Kombinationen ist jedoch bewiesen.
Erfindungsgemäß hergestellte optische Fasern zeigen ein flaches Verstärkungsprofil, das sich über mindestens 1620 Nanometer erstreckt, wodurch die Bandbreite des L-Bands um mehr als 20 % verbreitert wird.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
1 ist eine schematische Darstellung eines optischen Faserverstärkers;
2 ist eine Endansicht der Faser in dem Verstärker von 1 und
3 ist eine Auftragung von Verstärkung gegen wellenlänge für den erfindungsgemäßen Seltenerd-dotierten Faserverstärker und vergleicht diese mit der Verstärkungskurve eines Standard-L-Band-Faserverstärkers, und
4 bis 8 sind Verstärkungskurven für mehrere Beispiele für erfindungsgemäße Faserverstärkervorrichtungen.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
In 1 ist eine optische Faserverstärkerstruktur mit der optischen Faserspirale 11 gezeigt, wobei ein Teil der Spirale weggeschnitten ist, um die wesentliche Länge zu zeigen. Fachleuten wird klar sein, dass die Figuren in dieser Beschreibung nicht maßstabgerecht gezeichnet sind und die Elemente schematisch dargestellt sind. Die Länge der Faser in diesen Strukturen liegt üblicherweise in der Größenordnung von -zig Metern, so dass die Faser in der Figur viele Wicklungen wiedergibt. Die Faser kann auf einer Vielfalt von Dornstrukturen gehalten werden, die rund oder oval sein können
Der Verstärker kann am Ende gepumpt sein, wie in der Figur unter Verwendung von Laserpumpe 13 gezeigt ist, die durch den schematisch bei 12 gezeigten Koppler in den Kern der Faser gekoppelt wird. Eine (nicht gezeigte) Gegenpumpe kann an das Ausgangsende des Verstärkers gekoppelt sein. Typische Pumpwellenlängen sind um die 980 und 1480 Nanometer, es können jedoch auch andere Wellenlängen sein. Der Signaleingang wird durch 14 wiedergegeben, und die Ausgabe des verstärkten Signals ist bei 15 gezeigt. Die Faser kann prinzipiell, weil sie wie gezeigt endgepumpt ist, über ihre Länge oder wesentliche Abschnitte ihrer Länge aufgereiht sein.
In 2 ist ein Ende des optischen Faserverstärkers gezeigt. Diese Ansicht ist auch repräsentativ für einen Querschnitt, der an einer beliebigen Position entlang der Faser genommen worden ist. Der Faserlaser weist einen Kern 21 und eine Umhüllung 22 auf. Der Kern der Faser hat eine erfindungsgemäße Zusammensetzung, wie nachfolgend beschrieben wird. Die Umhüllungsschicht ist vorzugsweise ein Material mit hohem Siliziumdioxidgehalt, d. h. mindestens 85 % SiO₂. In einigen bevorzugten Strukturen kann es reines Siliziumdioxid sein.
Die Dimensionen der in 2 gezeigten Struktur können erheblich variieren. Der Durchmesser der Umhüllungsschicht liegt in der Regel im Bereich von 50 bis 400 μm und vorzugsweise 70 bis 300 μm.
Die in 1 gezeigte Struktur und die nachfolgend beschriebene optische Faser erinnern an den optischen Faserlaser, der in US-A-5,937,134, ausgegeben am 10. August 1999, von David J. DiGiovanni beschrieben und beansprucht worden ist. Die Ähnlichkeit resultiert größtenteils jedoch aus der Tatsache, dass das vorherrschende Element vieler optischer Faserverstärker und vieler optischer Faserlaser eine Seltenerd-dotierte optische Faser ist. Das Gesamtdesign der Faser und ihre Eigenschaften sind deutlich verschieden. Der optische Faserlaser ist zudem mit einem Hohlraumresonator ausgestattet, der üblicherweise durch Bragg-Reflektorbeugungsgitter gebildet wird. Die erfindungsgemäße Verstärkervorrichtung arbeitet nach dem Prinzip der sich bewegenden Welle, und es ist kein Hohlraumresonator erforderlich. Der Laser hat auch keine kodierte Eingabe und Ausgabe. Die Verstärkerfaser ist zum simultanen Verstärken vieler Wellenlängen vorgesehen.
Bei einer EDFA-Vorrichtung ist die Verstärkung des Verstärkers eine Funktion der Länge des aktiven optischen Faserelements, und die Verstärkungskurve kann mit den Absorptions- und Verstärkungskoeffizienten wie folgt berechnet werden:
wobei α(λ) und g*(λ) die Absorptions- beziehungsweise Verstärkungskoeffizienten sind, <n₂> die durchschnittliche Inversion ist, n_t die Gesamtanzahl der Er-Ionen ist und L die Länge der Faser ist.
Mit dieser Beziehung können Verstärkungskurven für EDFA-Geräte berechnet und ihre L-Band-Leistung analysiert werden. Die verschiedenen Parameter können eingestellt werden, um den Effekt auf die Verstärkungskurve und insbesondere auf die Leistung bei Wellenlängen über 1610 Nanometer zu bestimmen. Mit dieser Modellierungstechnik können Hochleistungs-EDFA-Geräte erhalten werden, es wurde bei allen jedoch gefunden, dass die Verstärkung bei Wellenlängen oberhalb von 1610 steil abfiel. Dies ist in 3 gezeigt, wo die gestrichelte Kurve 31 echte Messungen an einem erfolgreichen EDFA-Design wiedergibt, jedoch den scharfen Abfall der Verstärkung oberhalb von 1600 Nanometern zeigt. Die gestrichelte Linie 32 ist willkürlich bei 11 dB als erwünschtes Mindestziel über die gezeigte Wellenlänge gezeigt.
Erfindungsgemäß wird der Kern der Faser mit Erbium dotiert, um Verstärkung zu liefern und die Verstärkung pro Längeneinheit der Faser zu optimieren. Empfohlen werden Er-Dotierniveaus von 0,01 bis 0,1 Mol.%. Um Konzentrationsauslöschung durch das hohe Erbiumniveau zu verhindern, wird Aluminium zugesetzt, das die Effizienz des Verstärkers auf akzeptable Niveaus erhöht. Empfohlen wird ein Al-Dotierniveau von 0,5 bis 8,0 %. Es muss beim Aluminiumdotieren jedoch vorsichtig vorgegangen werden, da hohe Aluminiumniveaus zu Welligkeit in der Verstärkungskurve führen. Wenn die Verstärkungskurve bei der Erhöhung der Größenordnung der Verstärkung inakzeptabel wellig wird, wird der Vorteil der höheren Gesamtverstärkung durch die Notwendigkeit zunichte gemacht, die übermäßigen wellen herauszufiltern. Wir haben daher gefunden, dass die Aluminiumkonzentration vorzugsweise unter etwa 4 Mol.% gehalten wird.
Die Form der Verstärkungskurve wird dann durch Codotieren des Kerns mit Germanium und Phosphor feinabgestimmt. Die Germaniumkonzentration kann über einen mäßig weiten Bereich von 0 bis 12 % variieren, ist allgemein jedoch 0,1 bis 10 % und vorzugsweise oberhalb von 6 %, um die gewünschte hohe NA zu liefern. Eine hohe NA verminderte die Anfälligkeit der Faser gegenüber Biegeverlusten. In Fasern mit vertiefter Umhüllung, d. h. abwärtsdotierter (fluordotierter) Umhüllung, kann ein niedrigerer Germaniumgehalt verwendet werden. Dieser Hilfsstoff kann verwendet werden, um eine relativ hohe NA aufrecht zu halten, das Gesamtadditivniveau jedoch niedrig zu halten.
Wir haben gefunden, dass Phosphor für ein flaches Verstärkungsspektrum in einer Konzentration über der Konzentration von Al zugegeben werden sollte. Daher liegt die Phosphorkonzentration in den meisten Fällen im Bereich von 1,0 bis 10 Mol.% und vorzugsweise 5 bis 10 Mol.%. Aluminium wirkt der indexmodifizierenden Wirkung von Phosphor entgegen, und daher ist ein großer Überschuss an Phosphor oder Phosphor plus Germanium erwünscht, um ein relativ hohes Kern-Δ bereitzustellen.
Das Ziel liegt allgemein in der Herstellung eines Kern-Δ von mindestens 0,005, vorzugsweise jedoch größer als 0,008, unter Verwendung der eben beschriebenen Codotierungstechnik. Beste Ergebnisse werden mit einem Kern-Δ von mindestens 0,012 erhalten. Kern-Δ-Werte von 0,008 und 0,012 entsprechen ungefähr NA-Werten von 0,15 beziehungsweise 0,19 (bezogen auf reines Siliziumdioxid als erstes Umhüllungsmaterial).
Die folgende Tabelle zeigt mehrere Beispiele für optische Fasern, die zur Durchführung der Erfindung brauchbar sind. Die Kernzusammensetzungen und Eigenschaften werden angegeben, um die Effektivität der Erfindung zu zeigen, und es sei darauf hingewiesen, dass diese in keinerlei Weise den Schutzumfang der Erfindung einschränken. In jedem Fall ist das als Wirt verwendete Material Siliziumdioxid, und das Kern-Δ wird bezogen auf Siliziumdioxid als erste Umhüllungsschicht berechnet.
TABELLE I
Diese Fasern haben einen Kerndurchmesser von 3 bis 7 μm und Grenzwellenlängen zwischen 900 und 1600 nm. Die innere Umhüllung hatte einen Durchmesser von 125 μm.
Mit diesen Faserzusammensetzungen wurden Verstärkerge räte gefertigt, um die Effekte der Zusammensetzung auf die Verstärkungsspektren zu untersuchen. Die Ergebnisse der Verstärkermessungen sind in der folgenden Tabelle wiedergegeben. Verstärkungswelligkeit ist definiert als (G_max – G_min)/G_min.
TABELLE II
Die Verstärkungsspektren für die Beispiele A bis E der Tabellen I und II wurden als Verstärkung gegen Wellenlänge aufgetragen und sind jeweils in den 4 bis 8 gezeigt. Die numerische Verstärkung ist willkürlich und kann auf jedem gewählten Niveau festgelegt werden, indem ein oder mehrere von der Gerätelänge, der Erbium-konzentration und den Pumpeigenschaften eingestellt werden.
Um das Gesamtziel der Erfindung zu erreichen, sollte die Verstärkungswelligkeit 70 % oder weniger und vorzugsweise weniger als 40 % im Wellenlängenbereich von 1565 bis 1620 nm sein, wobei die Verstärkungswelligkeit wie oben definiert ist.
Die für diese Demonstrationen verwendeten optischen Fasern wurden durch Standard-MCVD in Kombination mit Lösungsdotierung hergestellt. Germanium wurde in die Rußschicht eingebaut. Phosphor wurde eingebaut, indem die Vorform in einer POCl₃-Atmosphäre verfestigt wurde. Aluminium und Erbium wurden durch Lösungsdotieren mit AlCl₃ und ErCl₃ eingebracht. Eine typische Vorform wurde unter Verwendung von 1,2 g/Min SiCl₄, 1,2 g/Min GeCl₄ in dem Rußniederschlag, 250 sccm (Standard-cm³) POCl₃ während des Sinterns und 120 g/l AlCl₃·6H₂O und 1,5 g/l ErCl₃·6H₂O in der Lösung hergestellt. Die nominelle produzierte Zusammensetzung war 7 Mol.% GeO₂, 3,4 Mol.% Al₂O₃ und 5,4 Mol.% P₂O₅, und das nominelle Kern-Δ war 0,012, was einer NA von 0,19 entspricht.
Die in den meisten dieser Beispiele verwendete Seltenerde und die bevorzugte erfindungsgemäße Seltenerde ist Erbium. In den Beispielen C und D erfolgten Zusätze von Lanthan, um zu zeigen, dass andere Additive, vorzugsweise Seltenerdadditive, in Kombination mit Germanium verwendet werden können, um die NA und die Effizienz der Faser zu erhöhen.
Zusätzlich zu den oben für die Bereiche der Bestandteile angegebenen Einschränkungen sollte die gesamte Indexvariation, d. h. das Kern-Δ, kontrolliert werden, um das Ziel der Erfindung zu erreichen. Die kombinierten Mol.% der Dotierungsmittel sollten mit der Erzeugung eines gesamten NA-Wertes von mindestens 0,1415 und vorzugsweise 0,19 oder größer in Einklang stehen.
Die in diesen Demonstrationen verwendete Pumpdiode war ein GaAlAs-Gerät mit relativ breitem Band. Andere Halbleiter-Laserpumpquellen, wie InGaAs oder InGaAsP, können jedoch als Ersatz genommen werden. Halbleiter-Pumplaser sind bevorzugt, es können jedoch andere Pumpquellen verwendet werden, z. B. Nd-Glas, Ti-Saphir.
Wie Fachleuten bekannt sein wird, können optische Faserverstärker "in-line" (in der Leitung) zum Verstärken eines Multiplexsignals verwendet werden, z. B. eines Signals mit Wellenlängen über sowohl dem L-Band als auch dem C-Band, wobei die oben beschriebenen flachen Verstärkungsbandcharakteristika in diesem Fall von Bedeutung sind. Diese Verstärker können auch ver wendet werden, um ein Signal aus einem Einzelkanal zu verstärken, d. h. nach Demultiplexen. Im letzteren Fall kann das Eingangssignal ein relativ schmales Signal der Wellenlänge bis zu 1620 nm oder mehr haben. Die flachen Verstärkungscharakteristika des Verstärkers sind bei dieser Anwendung jedoch auch wichtig, so dass Verstärker für unterschiedliche Kanäle keine separate Verstärkungseinstellung benötigen. Der Begriff Signal wird hier in dem Sinne verwendet, dass übertragenes Licht mit Information kodiert ist. Der erfindungsgemäße Verstärker kann jedoch auch für unmodulierte Signale verwendet werden, z. B. Laserquellengeräte. In jedem Fall wird der Eingang eine Wellenlänge oberhalb von 1610 nm enthalten, um die Vorteile der Erfindung zu erhalten.
Fachleuten ergeben sich verschiedene zusätzliche Modifikationen dieser Erfindung innerhalb des Schutzumfangs der Erfindung wie beansprucht.

Claims

Faserverstärker, aufweisend: a. eine Länge Glasfaser mit einem Kern und einer Umhüllung, b. Lichtwelleneingabemittel zur Einbringung eines Lichtwellensignals in den Kern der Glasfaser, c. optische Pumpmittel zur Einbringung von Lichtwellenpumpenergie in den Kern der Glasfaser, wobei die Zusammensetzung des Kerns der Glasfaser in Mol.% 0,01 bis 2,0 Er 0 bis 12,0 Ge 0,5 bis 8,0 Al 1,0 bis 10,0 P restlicher Bestandteil SiO₂ ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Unterschied zwischen dem Brechungsindex des Kerns und dem Brechungsindex der Umhüllung größer als 0,012 ist, das Verhältnis der Mol.% P zu den Mol.% Al größer als 1 ist und das Lichtwelleneingabemittel mindestens eine Wellenlänge größer als 1610 nm enthält.
Faserverstärker nach Anspruch 1, der ferner 0,1 bis 10,0 Mol.% La enthält.
Faserverstärker nach Anspruch 1, wobei die Verstärkungswelligkeit im Wellenlängenbereich von 1565 bis 1620 nm weniger als 70 % beträgt.
Faserverstärker nach Anspruch 1, wobei die NA der Faser 0,19 oder größer ist.