TW478227B

TW478227B - Dual wavelength waveguide amplifier

Info

Publication number: TW478227B
Application number: TW089123445A
Authority: TW
Inventors: Bruce Gardiner Aitken; Bryce Neilson Samson
Original assignee: Corning Inc
Priority date: 1999-10-29
Filing date: 2000-11-05
Publication date: 2002-03-01
Also published as: CA2383052A1; JP2003529205A; EP1232548A1; US6407853B1; WO2001033679A1; CN1399809A; AU7702800A

Description

478227 經濟部中夾標準局員工消費合作社印製五、發明説明（丨）發明背景 1. 發明領域/ 目月發明大致上是關於光警放太H'。特別是關於一個應用雙波長泵運以增加介穩能階粒子，以減小中間遂^能階之穩定狀態粒子的光學放大器。第二泵的功率和/或波長可以經過調整以改變放大器增益光譜的形狀。 2. 技術背景光學放大器經由一個稱為受激發射的過程，來增加光波的振幅。在此過程中，一個作為輸入信號的光子，激發一個光學物質中較南能階的電子，使它轉變到較低的能階。在此過程中，此物質會發射出一個跟初始光子具有相同頻率、方向、和偏極化的光子。這兩個光子又依次地用來激發兩個另外的光子，如此繼續下去。結果產生了同調的光學放大。當光子能量幾乎等於原子的轉變能量差異時，才會產生受激發射。因此，這個過程在一或多個頻帶中產生放大，由原子譜線寬度來決定。雖然今天有很多不同的光學放大器結構在使用，但是光纖結構相當普遍，尤其是對於光學通訊的應用來說。光纖放大器通常包括一個如玻璃的光學物質，跟稀土族摻雜物結合在一起，而配置成一個光學波導。摻雜稀土族的矽石光纖在今天為很普遍，部分是因為它們提供了單模光學波導的優點。光纖放大器可以被製作成在一個大的波長範圍下操作，這是由基質和稀土族摻雜物的原子特性來支配。通訊技術和資訊技術上的現象成長，使大家對發 (請先閱讀背面之注意事項存填寫本頁) ,ίτ 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） il· gum 了相tA的騎，為了⑽增加信號通道頻見，並且讓I购能觸發新的頻帶。較低質所面臨的一個困難，在於這些賴曰右二耳衣減速率。在準穩態能階中具杳長生命週期 :在二夂因^可以幫助受激發射。然而，如果此特殊物、，、止能階上也顯現了一個類似的長生命週期，那勺月匕就不是所期望的了。例如，摻轉的—棘，通f具有—個大聊0微秒準穩態能階）生命週期，以及_個大於5⑽的轄射量 ^率3。然而，這個鮮聲子衰減速率的進—步結果，為相田、的①能階（ι·3微分觀的巾間終止鎌）生命週期。在硫屬玻璃中，％能階的生命週期值通常在微秒的範在由此物質所製造的光學放大H中，在麵毫微米所供應的栗運能量，會將物質巾的原子從3⑽基礎能量狀態到G4的準穩怨狀態。輸入光信號跟此物質在這個激發狀態下相互作用，而經由受激發射以產生光子，因此使得準穩態狀態下的電子掉到一個3Hs的中間終止能階。當電子處於中間3HS能階時，它們無法再被使用。只有等它們衰回到基礎能階Μ*之後，它們才能再度被泵運到準穩態能階G4,此時才能再參與進一步的受激發射過程。因此，當此物質用於光纖放大器時，長的％能階生命週期具有損害的效應。％粒子降低了放大器的增益效率，並且各易將尖峰搡作波長偏離所想要的波長。本紙張尺度適用巾國國家標準（CNS)八4赌（2ΐ〇χ297公董） 4 五、發明説明（3 經濟部中央標準局員工消費合作社印裝雨面提到的困難，不普對摻雜镨(Pr3+)的硫屬玻璃玻璃，相反地，還包辦雜簡#)或鈥(H〇3+)的任何一種硫屬玻璃、齒化物、亞碲酸鹽、鍺酸鹽(卿晒制、鋁酸鹽（aluminate)、和鎵酸鹽(gaUate)玻璃光纖。發明大要： '本發明的-個優點是它提供了—個光學放大器以及一個泵運触，可以克服某些稀土赫雜冑級顯現出長的中贷終止能階生命週期所產生之困難。本發明之光學放大器的各種實施例，將在申請專利範圍中揭不tB。更詳細地說，根據本發明的實闕，此光學放大器包括-個光學波導，此光學波導有—個包含稀土族摻雜物的光學基質。此基質和摻雜物定義了_個基礎能量狀悲。此放大器進一步包括一個第一泵，跟波導作光學連接。此策一杗在基礎能量狀態上方建立了一個準穩態能量狀態。一個輸入連接到光學波導，用來傳送一個欲放大的光信號，在那裡經由準穩態能量狀態的光子之受激發射以產生放大。這就建立了一個在第一準穩態能量狀態之下，以及基礎能量狀態之上的終止能量狀態。此光學放大器進一步包括一個桌二^，跟波導作光學連接，用來在第二波長供應光能量給波導。此第二泵經由減少終止能量狀態粒子數目，來增加準穩態能量狀態的粒子數目。所產生的光學放大器結構，適用於很多不同的光纖物質，包括掺雜镨的硫屬玻璃光纖，特別疋硫化物玻璃，以及換雜鐘或欽的硫屬玻璃、鹵化物、亞碲破鹽、鍺酸鹽、鋁酸鹽、和鎵酸鹽玻璃。本紙浪尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X29?公釐） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) ,ιτ A7 五、發明説明（+ ) 了更％整地了解本發明的目標和優點，可以參考底述及關。本發其他特色和伽在底下的评細描述中也會加以說明。必須要明白的疋，前面的一般敘述以及底下的詳細描述都只是本發鴨例，是射請翻範騎界定出之本發，本質及特色提供—個全盤的了解。_是用來對本發明提仏更進步的了解，也被併人而且構成了此說明書的-部分。這些附圖說明了本發明的各種特性和實施例，加上對它們的描述，制來轉本發0_顧及運作。附圖簡要說明：，一圖（圖1)顯示雙波長泵運的光學放大器之示意圖。第二圖（圖2)是本發明範例性實施例之能量狀態苴使用摻雜镨之硫屬玻璃。第二圖（圖3)是從1G4到3Hs的發射截面，以及從％終止能量狀態的激發狀態吸收截面之比較圖形。第四圖（圖4)是以放大器效率對信號波長的關係，其顯示出一組曲線圖，用來說明改變％的能階粒子對放大器的增盈曲線和效率所產生的效應。經濟部中央標準局員工消費合作社印製苐五圖（圖5)是一個最大1G4*~3H5反轉與相對泵運波長之關係曲線圖，可用來決定實例中掺雜镨之硫屬玻璃光纖之最佳第二泵波長。第六圖（圖6)是以放大器增益對信號波長的關係曲線圖，可用來了·解改變泵功率對改變放大器之操作頻寬之效應0 、本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） 478227 A7 B7 2 五、發明説明（經濟部中失標準局員工消費合作社印裝發明背景 1. 發明領域目前發明大致上是關於光學放大器。特別是關於一個應用雙波長泵運以增加介穩能階粒子，以減小中間終止能階之穩定狀態粒子的光學放大器。第二泵的功率和/或波長可以經過調整以改變放大器增益光譜的形狀。 2. 技術背景光學放大器經由一個稱為受激發射的過程，來增加光波的振幅。在此過程中，一個作為輸入信號的光子，激發一個光學物質中較高能階的電子，使它轉變到較低的能階。在此過程中，此物質會發射出一個跟初始光子具有相同頻率、方向、和偏極化的光子。這兩個光子又依次地用來激發兩個另外的光子，如此繼續下去。結果產生了同調的光學放大。當光子能量幾乎等於原子的轉變能量差異時，才會產生文激發射。因此，這個過程在一或多個頻帶中產生放大，由原子譜線寬度來決定。雖然今天有很多不同的光學放大器結構在使用，但是光纖結構相當普遍，尤其是對於光學通訊的應用來說。光纖放大器通常包括一個如玻璃的光學物質，跟稀土族摻雜物結合在一起，而配置成一個光學波導。摻雜稀土族的矽石光纖在今天為很普遍，部分是因為它們提供了單模光學波導的優點。光纖放大器可以被製作成在一個大的波長範圍下#作，這是由基質和稀土族摻雜物的原子特性來支配。通訊技術和資訊技術上的現象成長，使大家對發現新的本紙張尺度適用_關家標準（CNS) M綠（21()><297公瘦-) (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 衣. ，ar

Jt· u厶厶I五、發明説明（ A7 B7 經濟部中央標準局員工消費合作杜印製 ϋ物d生了相當大的興趣，為了可明加信號通道頻見，並且讓工程師能夠開發新的頻帶。稀t族物質所面臨的一個困難，在於這些物質先天的，低之多聲子衰減速率。在準穩態能階中具有長生命週期 =有利的，因為這可以幫助受激發射。然而，如果此特殊物貝在中間終止旎階上也顯現了一個類似的長生命週期，那可能就不是所期望的了。 i例如，摻雜镨的硫屬玻璃，通常具有一個大約300微秒的G4(準穩態能階）生命週期，以及一個大於5〇%的輻射量子效率。然而，這個低多聲子衰減速率的進一步結果，為相 §長的Hs能階（1· 3微分轉變的中間終止能階）生命週期。在硫屬玻璃中，3化能階的生命週期值通常在1 〇〇微秒的範圍内。在由此物質所製造的光學放大器中，在1〇2〇毫微米所供應的泵運能量，會將物質中的原子從3H4的基礎能量狀態，激發到1G4的準穩態狀態。輸入光信號跟此物質在這個激發狀態下相互作用，而經由受激發射以產生光子，因此使得準穩態狀態下的電子掉到一個3H5的中間終止能階。當電子處於中間3H5能階時，它們無法再被使用。只有等它們衰減回到基礎能階3H4之後，它們才能再度被泵運到準穩態能階G4,此時才能再參與進一步的受激發射過程。因此，當此物質用於光纖放大器時，長的％能階生命週期具有損害的效應。％粒子降低了放大器的增益效率，並且容易將尖峰操作想要的本紙張尺度逋用中國國家標準（CNS ) A4規格（2l〇X2W公釐） Γ (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 衣· 訂 478227 A7 __… _ B7五、發明説明（3 ) 4 經濟部中央標準局員工消費合作社印裝前面提到的困難，不只針對摻雜镨(pr3。的硫屬玻璃玻璃，相反地，還包括摻雜链0V+)或鈥(Ho。的任何一種硫屬玻璃、鹵化物、亞碲酸鹽、鍺酸鹽(germanate)、鋁酸鹽（aluminate)、和鎵酸鹽(gaUate)玻璃光纖。發明大要：本發明的一個優點是它提供了一個光學放大器以及一個泵運技術，可以克服某些稀土族摻雜物質由於顯現出長的中間終止能階生命週期所產生之困難。本發明之光學放大器的各種實施例，將在申請專利範圍中揭示出。更詳細地說，根據本發明的實施例，此光學放大器包括一個光學波導，此光學波導有一個包含稀土族摻雜物的光學基質。此基質和掺雜物定義了一個基礎能量狀態。此放大器進一步包括一個第一泵，跟波導作光學連接。此第一泵在基礎能量狀態上方建立了一個準穩態能量狀態。一個輸入連接到光學波導，用來傳送一個欲放大的光信號，在那裡經由準穩態能量狀態的光子之受激發射以產生放大。這就建立了一個在第一準穩態能量狀態之下，以及基礎能量狀態之上的終止能量狀態。此光學放大器進一步包括一個第二泵，跟波導作光學連接，用來在第二波長供應光能量給波導。此第二泵經由減少終止能量狀態粒子數目，來增加準穩態能量狀態的粒子數目。所產生的光學放大裔結構，適用於很多不同的光纖物質，包括摻雜镨的硫屬玻璃光纖，特別是硫化物玻璃，以及摻雜铥或鈥的硫屬玻璃、i化物、亞碲破鹽、鍺酸鹽、鋁酸鹽、和鎵酸鹽玻璃。 (锖先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 本紙张尺度適用中國國家榡準（CMS ) A4規格（210X29*7公釐） 478227 A7 B7 五、發明説明（+ ) 經濟部中央標準局員工消費合作社印裝為了更完整地了解本發明的目標和優點，可以參考底下的詳細敘述及附圖。本發明的其他特色和優點在底下的詳細描述中也會加以說明。必須要明白的是，前面的一般敘述以及底下的詳細描述都只是本發明範例，是對申請專利範圍所界定出之本發明'本質及特色提供一個全盤的了解。附圖是用來對本發明提供更進一步的了解，也被併入而且構成了此說明書的一部分。這些附圖說明了本發明的各種特性和實施例，加上對它們的描述，共同來解釋本發明的原理及運作。附圖簡要說明：第一圖（圖1)顯示雙波長泵運的光學放大器之示意圖。第二圖（圖2)是本發明範例性實施例之能量狀態圖，其使用摻雜镨之硫屬玻璃。第三圖（圖3)是從1G4到％的發射截面，以及從如終止能量狀態的激發狀態吸收截面之比較圖形。第四圖（圖4)是以放大器效率對信號波長的關係，其顯不出一組曲線圖，用來說明改變％的能階粒子對放大器的增益曲線和效率所產生的效應。第五圖（圖5)是一個最大1G4- %反轉與相對泵運波長之關係曲線圖，可用來決定實例中摻雜镨之硫屬玻璃光纖之最佳第二泵波長。第六圖（圖6)是以放大器增益對信號波長的關係曲線圖，可用來T解改變泵功率對改變放大器之操作頻寬之效應。、

(請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 、-ζ'ϊτ

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補充 A7 B7 經濟部中夫梂準局貝工消費合作社印製五、發明説明（f ) 第七圖（圖7)是第二個實施例範例中，應用摻雜鍤之玻璃的能階圖。第八圖（圖8)是比較各種低聲子能量玻璃的強度，對波長的關係之一系列波形圖。第九圖（圖9)是針對多成分鍺酸鹽玻璃，從3h4到3F4之發射截面，及從％到3H4之激發狀態吸收過程的比較圖。第十圖（圖10)顯示在多成分鍺酸鹽玻璃中，改變％對 3F4之粒子反轉對改變第二泵功率或第二泵波長的效應之組曲線圖。第十一圖（圖11)是一個最大3H4_3F4反轉，對泵波長的關係圖，可用來決定圖1 〇所顯示的多成分鍺酸鹽玻璃之最佳第一栗波長。第十二圖（圖12)是鈥之能階圖。第十三圖（圖13)是摻雜鈥之硫屬玻璃基質的螢光光譜( 附圖元件數字符號說明：光學波導10;輸入埠12;第一泵p1;第二泵p2。詳細說明：我們已經發現，雙泵運技術(底下將詳細描述）可以克服某些稀土族摻雜物質由於顯現出長中間能階生命週期而引起的困難。根據本發明的一個實施例，此技術應用了一個在主操作波長的第一泵，以及在某一波長操作的第二泵以降低中間終止能階的穩定狀態粒子，同時增加準穩態能階的粒子·。我們也發現，經由控制這兩個泵的相對光學功率和/或波長，可以增強放大器的特性，這給了此技術一個重要的額外優點。參考圖1，其中顯示了光學放大器的一個實施例。此優本紙張从通财關家轉（CNS ) A4· ( 21GX297公釐）— 8 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁)

478227 A7 -B7 五、發明説明（t ) 經濟部中央檩準局員工消費合作杜印製先實施例應用了一個光學波導10,此光學波導可以是例如個具有第一種光學物質之心蕊，和不同物質之外包覆層的光纖線纜。使用於心蕊和外包覆層的這些物質具有不同的折射率，以便光能量可以在心蕊和外包覆層的介面反射，如此使得能量經由波導來傳播。 '正如底下將更完整解釋的，此光學波導包含了一個含有稀土族摻雜物的基質，優先地是玻璃。各種不同的光學物質和稀土族摻雜物也可以用在此處。底下我們會討論幾個範例，而其他的範例和物質，對那些熟悉此技術的人來說，將报容易明白。此光學放大器有第一泵?!作為主裏用來激發一群光學物質内的稀土族離子，將它們從基礎能量狀態提升到準穩態能量狀態。此準穩態能量狀態的特性是相當長的螢光生命週期，通常大於50微秒。換句話說，被提升到準穩態能量狀態的離子，可以維持在那個狀態下一段足夠的時間，使得能夠受激發射。此放大器包括一個輸入埠12，一個光輸入信號被傳送到這裡。輸入埠12將輸入光信號連接到光學波導10,在那裡經由準穩態能量狀態光子之受激發射以產生放大。正如底下提出的範例中將更完整解釋的，用來執行光學波導之光學物質的特性，可以使得受激發的離子從準穩恕狀態衰減掉到終止能量狀態，作為使用於放大過程的結果。2終止能量狀態是在準穩態能量狀態之下，但是在基礎能量狀態之上，、it倾為4階觀。在終止能餘態的離尺度適用中國國家(210x2^y (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁)

'1T 眭、p2、>些衰減時間，最後會衰減到基礎能量狀態，此衰減、、声物質的成分來支配，而且大大決定於基質物質 =ft里。雖然激活離子最後會從終止能量狀態衰減到土礎能量狀態，但是它們佔據終止能量狀態的有限時間，會大大景》響放大器的性能。 '它們可能會降低放大器的整體效率，因為在終止能階，離子會造聽驗長的縣。此損耗可能會連帶地大大移動放大器的操作波長(例如圖6和1G)，而對放大器的噪音圖形產生不利的縛。在大部分情況下，位於巾間終止能 1的激活離子粒子，並不受泵Ρι波長的影響。中間終止能 P白的生命週期，是由相關基質玻璃中激活離子的螢光生命週期所決定。為了解決此一問題，光學放大器包含了第二泵P,。此第二泵P2特別選在一個波長下操作，它作用於中闓終止能階的電子上，或許經由一個更高的能階，將這些電子提升到準穩態能量狀態，然後這些電子就可以再一次地來幫助放大過程。經濟部中央標準局員工消費合作社印製因此，此光學放大器應用了一個雙波長泵結構，經由設計每個泵單元的操作波長和功率來缚、制準穩態和終止能階中相對的激活離子粒子。主泵仏影響基礎能量狀態的粒子，而第二泵P2影響中間終止能量狀態的粒子。如前面所提到的，本發明可以使用各種不同的光學物質來實施。一般來說，雙泵光學放大器對光學物質最為有效，其具有高於終止能量狀態（所謂4階系統）之基礎能量狀本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210Χ 297公釐） /6227 A7

也其具有相當長的生命週期（例如大約跟準穩態能量狀態的生命週期相同數量級）。又波長泵結構在控制放大器的操作波長和頻寬上提供了很大的雜。經由㈣各顺的侧辨和/或波長，可以控制準穩態和終止能量狀態中各別粒子，如此就可以改變放大器的操作參數。最重要的是，在放大器單元組成後，讀放大器的操作特性提供了相當大程度的彈性。在波長區分多工應财最重要在於增加或減少放大器頻道之效應，可以經由泵P1和P2的控制加以彌補。一底下將提出幾個有用的雙波長泵運放大器的範例。範例〗:雙波長泵運的摻雜镨之硫屬玻穐光纖放大器此範例使用摻雜镨的硫屬玻璃光纖來製造光波導10。 =顯示了此光學物質的能階系統。基魏量狀態3驗指定為階1，準穩態狀態^4翻定為階5,祕止缝狀態3出被指定為階2。 “ 經濟部中央標率局員工消費合作社印裝在這個實施例中，泵P1在大約^ _碰米的波長操作，用來將電子從基雜·運麟·狀態L。此光纖放大為利用了 G4-%的轉變，這相當於q大約13則膏微恭為中心的電信頻窗，此頻窗存在於目前安裝主要電信光纖中。因此，此實施例很容易應用於現今的光纖系統中。在低聲子能量玻璃，像硫屬玻璃，特別是硫化物玻璃中 ’通常A的生命週期大衡、烈3微秒而輻射量子效率大於5〇 %。里子效率定義為離開光線（以光子數目來測量）與進入光線之比值。例如，在這裡的情況，我們測量被泵運之光子度適用中國國家標21^97公釐) 478227 A7

----：---JL 五、發明説明（q ) 對，射出之光子之比值。在這些玻H財，較低之多聲子衰減速率的結果是相當長的％能階生命週期。通常，在石瓜化物玻璃中，Hs能階的生命週期值在1 〇〇微秒的範圍内。當廷些玻璃用於光纖放大器時，長的3仏生命週期具有有害的效應。心4-3Hs的發射截面，以及之激發狀悲吸收截面，顯示在圖3中。改變％的能階粒子，對放大器增益曲線和效率所產生的效果顯示在圖4中。要注意的疋反轉係指1G4中離子數目，對％中離子數目的比值。準確的％能階粒子大大決定於放大器的操作情況，而增加旭粒子所產生的淨效應是更低的增益效率（分貞/毫瓦)，以及將尖峰操作波長偏移到更大的波長。這兩種效應對於放大器的可用性都是有害的，因為理想的尖峰操作(也狀―皮長應職可·接近13 微米。經濟部中央檩準马員工消費合作、杜印製加入弟一泵P2,可以經由將％的粒子泵運回到1〇4準穩態狀態，來改善上面的問題。最佳第二泵波長顯示於圖5 令，圖中我們畫出最大之對如粒子反轉，相對於第二泵波長的圖形。為了達到u對池的高粒子反轉(也就是高於80%)，泵波長辆在摘聰^齡或更少。對使用半導體雷射來直接轉而言，這是-個讀的波長。圖6中顯示了在不同情況下，放大器操作之期望增益曲 ^的範例。僅僅改變第二泵的雷射功率或波長，連帶地改變％的能階粒子，我們可以很容易地改變放大器的增益光譜0 、

A7 五、發明説明（LC?) 經濟部中央標準局員工消費合作社印製因此，圖6證明了我們可以使用第二热來控制放大器增益光譜的雜。健_具有不㈤簡毫微米泵速率的纖維區段，第二奶就可以延伸光學放A||的可祕作波長。此外，經由改變第-和第二泵功率的比值，雙泵結構也可以改變放大|§增㈣線的大小。照這種情形來看，雙泵米學放大H非常翻於執行無傾制放Α||功能(也就是在整個放大器的波長範圍中，具有大致相同的增益）例如用於波長區分多4財。也就是說，由增加或降低通道（連帶地改變信號波長的數目）所引起的放Α||增益形狀之改變，僅僅靠改變泵單元ΡφΡ2_對功率或波長就可以辦補了。實例2··在大別1500毫微米下操作之寬頻接雜铥放大器此實施例利用一個摻雜铥的光纖放大器。主泵源波長· 可以是大，_⑽毫财，或者也可以制其他泵波長。此栗源從基礎狀態（¾)泵運離子，讓它們成為3Η4準穩態能階粒子。放大是經由在波長大約1500毫微米下，從％到％能階之轉變來達成（如圖1〇)。由於％能階之長螢光生命週期，相當大比例的铥離子會處於這個激發狀態。第二泵 Ρ2在大約1440毫微米操作，用來控制相關的如對％之電子粒子。經由適當選擇相對的泵功率和波長，連帶地相對粒子，此放大為就可以達到廣大而且平坦的增益光譜。在此所說明特殊範例中，所實施的是一個多成分鍺酸鹽玻璃光纖硃大器，具有以1500毫微米為中心的4〇毫微米寬增益光譜。然而本發明可以應用到很多低/中聲子能量 (請先閲讀背面之注意事項存填寫本頁) 訂本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) Α4現格（210Χ 297公釐）(3 4/δΖΖ/ Α7 五、發明説明（以） Β7 12 較鱗，就可崎到—赠峰增益為可3用H 2分㈣平坦增益光譜。此實施例也 T以應用在波長區分多工系統中。摻雜録之玻璃的能階系統顯示於圖7中。有相當多的 ϋ要工作在研究製造一個作用於變之铥纖、准放大為的潛力。其中大部分集中在稱為ZBLAN的玻璃糸統上'由於跟準穩態能階(¾)比較起來，終止能階(3f〇的生命週她長，因此破壞了在鱗變上的有效放大。多個摻麵之玻翻螢献命週期範例，顯示在圖表丨以及圖 8的螢，光譜範例中。在所有情形中，％能階的生命週期都小於I能階的生命週期，而使用這些玻璃中任何一個所製造的放大器，都會遭遇到相同的問題。圖表1 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) ，1Τ 經濟部中央檩準局員工消費合作社印製玻璃最大聲子 %生命週期 3F4生命: 能量（cnT1) (毫秒） (毫秒) 鍺酸鹽. 900 0.30 3.0 亞碲酸鹽 800 0.25 2.2 氟化物 600 1.0 6.0 鋁酸鹽 800 0.3 4.0 硫化物 450 0.10 1.0 田I卜叼、藥從入窃吋，¾义王呷㉝朋臂Ί汜付杜δυυ宅微[ 米下受到泵運時，穩定狀態的％能階粒子少於卞4的能階粒子。先前用解決這個問題的嘗試包含使用向上逆轉泵運，也就是在1064毫微米時，將離子從一個激發狀態泵運到一本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) Μ規格（210X297公釐） 1屮 478227 經濟部中央標準局負工消費合作社印製 A7 B7 五、發明説明（\>) 個更南（也就是更南能）的能階；有的是利用合併接雜其他的稀土族離子，來降低穩定狀態的卞4能階粒子。這兩種方案都有顯著的缺點。然而我們使用由受激發之離子粒子所產生的激發狀能吸收過程，來取代降低3H4能階粒子的方法，以逹到一個在〜 1480¾微米到1520¾微来波長範圍中，廣大而且平坦的辦益光譜。圖9中顯示了多成分鍺酸鹽玻璃從如到％所測得的發射截面，以及從％到如的激發狀態吸收過程圖。特別地，我們使用這個基質玻璃只是作為一個範例因為它具有一個範圍廣大的螢光光譜。然而，我們的雙栗運方式可以作用在任何低或中聲子能量玻璃上。低或中聲子能s玻璃，是指以銪聲子邊帶頻譜學所測得的最大聲子能量小於lOOOcnf1之玻璃。圖10中顯示了由多成分鍺酸鹽玻璃所製造的光纖放大器，在對應於不同泵運速率之各種不同程度的如對卞心粒子反轉中，所計算出的增益光譜。如圖所示，大約50%的相對粒子反轉，可以提供一個從1480毫微米延米之廣大平㈣增益光譜。對於未來的波純分多= ϋτ個具有潛力的可用操作波長，摻雜铒的光纖放大器相ί 長範圍。此外，這個40毫微米的波長範圍，短^極=衣的長距離光纖基底中，低損耗傳輸頻窗的圖11顯示了最大之％對3F4 波長的關係。此曲線指出，為達到5_反轉 E張尺度適用 21 Ox 297公釐） 1Γ (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁)

478227 經濟部中央標率局員工消費合作社印製 A7 B7 五、發明説明（\七）泵波長大約疋1440毫微米，這是一個很容易由目前的半導體雷射技術來達到的泵波長。另外，Ramar^l動光纖雷射也可以作為來源。在我們的範例中，主泵來源是8〇〇毫微米但是另外的波長也可以使用，包括大約7〇0毫微米（3F3能階) 、1200毫微米（3¾能階）、和1600毫微米（π能階）的波長。'僅管敢不直接增加H4的粒子，但是後面兩個波長可以增加終止3 F4能階的粒子，而第二泵雷射可以從3 ρ4粒子來增加準穩態％能階的粒子。曰經由改變相對的1440毫微米和8〇〇毫微米泵功率，我們可以製造出一個具有無傾斜放大器功能的放大器。增益的大小（由8 0 0耄微米的主泵速率來控制），現在可以獨立於放大器增ϋ形狀（由調整1440毫微米的泵速率來控制）來加以控制。這樣的裝置在波長區分多工系統中，有很多潛在的應用，在這些應用中，例如由增加和降低頻道所引起之放大為增显形狀的改變，僅僅經由改變兩個泵雷射之相關泵速率，就可以彌補。在這個範例中，我們也考慮了用於摻雜铥之放大器的另一種雙波長泵運方案。前面的範例使用一個主栗波長，可以直接將鋥離子激發到準穩態（3Η4)能階，例如大約800毫微米或700毫微米（其中△；1是± 5〇毫微米，優先地是± 25¾微米）。然而，另外一種使用主泵波長，將铥離子激發到終止能階(3F〇的方案，也可以考慮。經由控制受激發之鋥離子的總數目，此泵單元（波長和/或功率）可以控制放大器中的增益總量。然後第二泵波長，如在前面範例中的1460毫微米，就用來控制相對的準穩態和終止能階本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公楚） \(〇 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁)

B7 五 '發明説明（叫) 粒子，以便使放大器達到最佳化增益形狀和尖峰波長。也就是說，改變第二泵的波長導致了準穩態和中間能階中相對粒子的改變，也因此改變了增益光譜(也就是改變增益曲線和位置)，如圖1〇巾所示。以摻雜之放大II為例，主泵波長可以是大約1200毫微米，泵運到％能階，由該處產生妈速的多聲子衰減，而將铥離子釋出能量到達終止％能階。直接激發F4旎階的第二種方式也可以使用，在此方案中，主泵波長可能在1500毫微米到17〇〇毫微米的波長範圍内。在這兩種情形中，主泵波長和/或功率都可以經過改變來控制終止能階粒子，同時使用第二泵單元來控制準穩態和終止能階之間的相對粒子。貫例3:摻雜鈥的疏屬玻璃放大器鈥5的能階圖顯示於圖12中，而一個摻雜鈥之硫屬玻璃基貝從15能階到終止517能階的螢光光譜，則顯示於圖i 3 中。大約1650毫微米的螢光波長在未來的長距離電信系統中有潛在的應用性。通常，準穩態和終止能階的螢光生命週期分別是大約1· 5毫秒和3毫秒。因此此轉變會自動終止，而在如900亳微米的單波長泵運下，出現在I能階之較多經濟部中央標準局員工消費合作社印製粒子，會對光纖放大器的性能造成非常不利的影響。增加第二泵波長，如大約16〇〇毫微米，來增加準穩態能階515的粒子，並且控制終止能階，可以有效地增進放大器的性能。第二泵波長和/或功率可以經過改變來控制並使放大器增益光譜最佳化。由岫面所看到的，我們知道本發明的雙波長泵技術，可用適度尺紙 ί國準標家釐 I公 97 16478227 A7 B7 五'發明説明（θ) 以用來在各種不同的光學物質中，控制終止能階粒子。因此本發明可用來執行各種不同的光學放大器。本發明涵蓋了本發明的各種變化及修正，正如申請專利範圍和其同等物中所定義。 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部中央標準局員工消費合作社印製本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X 297公釐）

Claims

478227 A8 B8 C8 _ _____ D8六、申請專利範圍 7 經濟部中央標準局員工消費合作社印装 1· 一種光學放大器，其包含：光學波導，其具有含有稀土族摻雜劑之光學宿主，該宿主以及摻雜劑界定出基礎能量狀態；第一泵，其供應第一波長之光學能量進入波導以建立高於基礎能量狀態之準穩態能階，該第一泵光學連接至波導; 一個輸入，其連接到光學波導，該輸入加入欲放大的光學信號，放大作用藉由準穩態能量狀態的光子之受激發射而產生，因而建立在低於第一準穩態能量狀態以及高於基礎能量狀態之終止能量狀態；以及 •第二泵，其與波導作光學連接，以第二波長供應光學能量至波導以及加以操作藉由減少終止能量狀態粒子數以增加準穩態能量狀態的粒子數目。 2. 依據申請專利範圍第1項之光學放大器，其中宿主為低至中等聲子能量之玻璃，其具有聲子能量小於l〇〇〇cm-i。 3. 依據申請專利範圍第1項之光學放大器，其中光學波導為摻雜镨硫屬玻璃光纖。 4. 依據申請專利範圍第1項之光學放大器，其中準穩態能量狀態為A能階，其具有螢光生命週期大於1〇〇微秒。 5. 依據申請專利範圍第1項之光學放大器，其中第一波長為 1020nm預先決定波長。 6. 依據申請專利範圍第1項之光學放大器，其中終止能量狀態為％能階。 7·依據申請專利範圍第1項之光學放大器，其中第一波長為 1280nm預先決定波長。 (请先聞讀背面之注意事項再填寫本頁} I 111 i I n 1i n 11 線 I— I I 料氏張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐）

8 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 8·依據中請專利範g]第丨項之光學放大器終止能量狀態之遷移相當社9·依據中料利範圍第1項之光學放大n，其中第_泵及第二泵之至少一個泵為半導體雷射。 10·依據申請專利範圍第1項之光學放大器，其中更進一步包含泵運功率或波長控制機構連接至第二泵以控制第二泵功率或S長以及Ε]而齡控制終止能餘魏量粒子以控制光學放大器之頻帶寬度或操作波長。 11·依據申請專利範圍第丨項之光學放大器，其中光學波導為摻雜Μ之魅巾轉子能量_，其具有最大聲子小於lOOOcm"1。 12.依據申請專利範圍第丨丨項之光學放大器，其中準穩態能 $狀悲為H4能階，其具有螢光生命週期大於5〇微秒。 13·依據申請專利範圍第丨丨項之光學放大器，其中第一波長為700, 800,1060或12〇〇nm預先決定波長。 14.依據申請專利範圍第η項之光學放大器，其中終止能量狀態為卞4能階。 15·依據申請專利範圍第丨丨項之光學放大器，其中第一波長為1440nm預先決定波長。 16.依據申請專利範圍第丨丨項之光學放大器，其中玻璃宿主為鍺酸鹽，銘酸鹽，亞碌酸鹽，_化物，鎵酸鹽(gallate)之任何一種玻璃。 17·依據申請專利範圍第11項之光學放大器，其中波導為摻衣紙張尺度適用中國國家榡準（CNS ) Α4規格（210X2517公聲） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) I In n m ϋ^ι - - -τ —ϋ •L: 1— 0 、χ !·線 19478227 經濟部中夫棵準局負工消費合作社印製 A8 B8 C8 D8 六、申請專利範圍雜鈥之硫屬玻璃。 18·依據申請專利範圍第17項之光學放大器，其中放大器操作於波長約為1650nm對515」17之躍遷。 19. 依據申請專利範圍第17項之光學放大器，其中放大器在兩種波長下泵運，一種波長為650, 760, 900,1200,1800nm之一，第二波長約為1500nm以控制相對準穩態以及終止能階粒子。 20. —種光學放大器，其包含：光學波導，其具有含有稀土族摻雜劑之光學宿主，該宿主以及摻雜劑界定出基礎能量狀態；第一泵，其光學地連接至波導，該泵供應第一波長之光學月匕虽進入波導以建立高於基礎能量狀態之準穩態能階；第二泵，其光學地連接至波導，該第二泵以第二波長供應光能量至波導以建立高於終止能量狀態之準穩態能量狀態，一個輸入連接到光學波導以加入欲放大的光學信號，因而放大藉由光子由準穩態能量狀態至終止能量狀態之受激發射而產生；以及其中第二|運以第二波長供應光學能量以及操作以藉由減少終止能餘錄子_再增加準穩態能餘態的粒數目。 21·依據申睛專利範圍第旧之光學放大器，其中更進一步包含連接至第二泵之泵運功率或波長控制構件以控制第二果之功率錢長以及因而齡控繼止狀·量之粒子: 控制光學放大H之卿寬度或操作波長。 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁)