本发明专利技术涉及一种放大光纤，其包括适于传送和放大光信号的中央纤芯；以及包围中央纤芯并适于将传送的光信号限制在中央纤芯内的包层。中央纤芯由包含纳米粒子的纤芯基质形成，纳米粒子包括纳米粒子基质和稀土掺杂元素。纤芯基质还包括附加掺杂物。此外，中央纤芯中的稀土掺杂元素的浓度以重量计位于２００ｐｐｍ至１０００ｐｐｍ范围内，中央纤芯中的纳米粒子基质的浓度以重量计位于０．５ｗｔ％至５ｗｔ％范围内，优选地位于１．５ｗｔ％至４ｗｔ％范围内，并且中央纤芯中的附加掺杂物的浓度以重量计位于１ｗｔ％至１０ｗｔ％范围内。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及光纤领域，更具体地涉及用于放大所传送的光信号的放大光纤。具体 地，放大光纤可用作宽带传输线中的放大器。本专利技术还提供一种制造这种放大光纤的方法。
技术介绍
放大光纤(例如，掺杂有稀土元素的光纤)常用于多种光学应用。例如，掺铒光纤用于在长距离光通信系统中对传输的光信号进行放大。这种光纤 用于掺铒光纤放大器(EDFA)中并具有由石英基质制成的中央纤芯，其中石英基质包括浓 度约为百万分之250 (ppm)至IOOOppm(即，0. 025重量百分比至0. 1重量百分比)的稀土掺 杂元素(例如，铒)。稀土掺杂元素可以与补充掺杂元素相关联以提高放大率。例如，铝可 用作补充掺杂元素以使波分复用(WDM)应用的增益带宽变宽。通常，通过向光纤注入对稀土元素(例如，EDFA中的Er3+)进行激发的泵浦信号以 在掺稀土光纤中实现光放大。当光信号穿过这部分光纤时，光信号通过受激发射使稀土元 素退激，从而产生在所有方面都与入射光子完全相同的光子。因此光信号加倍。掺稀土光纤的性能通常由功率转换效率(PCE)表示。如等式1 (见下文)所示，功 率转换效率是放大光纤的增益与用来获得该增益的泵浦功率之间的比值。放大光纤的增益 由公式2定义。公式1 :PCE=公式2 -.Gain = Psout — P在这些公式中，Pfn是输入的泵浦功率，Pfn是输入的信号功率，P。Sut是输出的被放大 的信号功率。在一些应用中，期望从放大光纤获得大的输出功率。一种解决方案涉及增加光纤的中央纤芯中的稀土掺杂物的浓度以增加放大增益。然而，当光纤的中央纤芯中的稀土掺杂物的浓度高时，可在中央纤芯的纤芯基质 (例如，石英)中形成成对的稀土元素或甚至形成稀土元素的聚合，从而导致不均勻的掺 杂。因为还同时存在着与提供放大的机制不同的机制，所以这种掺杂的不均勻性降低了光 纤的放大效率。这些其它机制例如为共振能量转移、逐步上转换、合作发光、合作能量转移 以及同步光子吸收。这些机制与受激发射竞争并降低光放大的效率。这些稀土元素的聚合 还加重光子退化，光子退化可能在光信号在光纤中传播期间以大功率出现在光纤的中央纤 芯中并且作为存在于中央纤芯的纤芯基质(例如，石英)中的晶体缺陷的结果。另一种解决方案涉及增加泵浦信号的功率。然而，根据光纤的数值孔径的值，能量 转换效率可能会衰减。图1描绘了功率转换效率(PCE)随泵浦信号功率的变化而变化。图1描绘了 0. 14 与0. 30之间的数值孔径值上所获得的曲线。数值孔径是一种光纤参数，其可通过下式近似表示_5] NA = ^1J-η；其中η。为光纤的中央纤芯的折射率，ng为光纤的包层的折射率。图1示出了功率转换效率随泵浦功率的变化而变化。具体地，对于大的数值孔径 值，功率转换效率最大出现在小的泵浦功率值处。例如，对于数值孔径0. 30，功率转换效率 最大位于约75毫瓦(mW)的泵浦信号处。反之，对于小的数值孔径值，功率转换效率最大位 于大的泵浦功率值处。例如，对于数值孔径0. 14，最大功率转换效率出现在约500毫瓦(mW) 的泵浦功率处。具体地，对于小于0. 18的数值孔径，大泵浦功率(例如，500毫瓦)处的功率转换 效率变得大于0. 50。此外，该功率转换效率在350毫瓦至500毫瓦的泵浦功率范围内几乎 没有变化，所以能够在该范围内改变泵浦功率而不会显著改变功率转换效率。因此，对于给定的数值孔径值存在功率转换效率的最大值，减小数值孔径将使功 率转换效率最大值朝向较大的泵浦功率值转移。这一现象的解释来自于如下事实随着注入光纤的泵浦功率增加，中央纤芯中的 高的功率密度导致已知为激发态吸收(ESA)的非线性效应。当激发态吸收发生时，两个泵 浦光子被单个稀土元素吸收，从而将稀土元素激发至更高的能级(即，比适于放大的通常 能级更高的能级)。通过从这些更高的能级以非辐射的方式松弛，稀土元素的确有助于放 大，但是这样做的结果是消耗了两个泵浦光子而不是消耗仅仅一个泵浦光子。这种损失机 制降低了收益，并因此降低了功率转换效率。换言之，为了获得给定的增益水平，变得有必 要在存在ESA时使用更大的泵浦功率。通过减小数值孔径，增加了泵浦信号的模场直径 (MFD)，从而降低了中央纤芯中泵浦信号的功率密度。泵浦信号的功率密度的降低减少了激 发态吸收的幅度，从而提高了功率转换效率。放大光纤的增益形状将其增益的值表示为入射信号的波长的函数。例如，掺铒光 纤用于在光传输系统中提供放大，具体用于在C频带波长范围内工作的系统内的调度。通 常，C频带包括位于约1525纳米与1570纳米之间(例如，约1530纳米与1565纳米之间) 的波长。掺铒光纤通常在C频带中呈现出约30纳米至35纳米的增益宽度和0. 23的数值 孔径。对于大功率应用，期望降低数值孔径以避免损失放大效率并且保留增益特性。出版物"Novel erbium-doped fiber for high power applications (用于大功 率应用的新型掺铒光纤)”，Passive Components and Fiber-based Devices (无源器件和 基于光纤的装置)，B. S. Wang等，SPIE学报，卷5623，第411-417页(2005)公开了用于WDM 应用的大功率的掺稀土光纤。Wang的出版物提出，对于这几种光纤，光波导的设计应该适于 确保模场直径与稀土元素之间的良好重叠(即，这些稀土元素受到光照；而模场之外的稀 土元素将不提供放大)。此外，掺杂成分的设计(例如，稀土掺杂元素的分散或化学环境) 应该适于确定EDFA光纤的增益形状。Wang的出版物中的掺铒光纤可用于600毫瓦的泵浦 功率。然而，为了提高增益宽度，掺铒过程伴有高浓度铝补充掺杂元素(即，大于12摩尔百 分比的浓度)。不幸地，铝也增加中央纤芯相对于包层的折射率差并且增加背景损耗。这些 增加是能够通过嵌入氟减少折射率差来进行抑制的。然而，因为氟能够改变增益宽度，特别 是在C频带中，所以能够嵌入的氟的程度是有限的。因此，为了在C频带中保持增益，Wang的出版物中所述的光纤拥有小于0. 176的数值孔径。文献EP-A-1152502描述了一种的光纤，其不但掺杂有铒还掺杂有氧化铝以改善 稀土掺杂。该光纤还包括锗以适应中央纤芯与包层之间的折射率差的值，从而获得0.11至 0. 21范围内的数值孔径。然而，预期应用为L频带(S卩，1565纳米至1625纳米)。其它解决方案涉及通过加入经由改进的化学气相淀积(MCVD)掺杂有稀土元 素的纳米粒子而将稀土掺杂物引入光纤的中央纤芯中。例如，文献EP-A-1347545或 W0-A-2007/020362描述了一种光纤，其在光纤的中央纤芯中包含有纳米粒子。这些文献中 描述的纳米粒子包含稀土掺杂元素和至少一种改善信号放大的元素，例如铝、镧、锑、铋或 一些其它元素。EP-A-1347545公开了最终增益形状，该增益形状是多种不同纳米粒子相关 的所有增益形状贡献的总和。该光纤设计、纳米粒子制造和纳米粒子成分与本专利技术不同。 W0-A-2007/020362未公开任何光纤粒子浓度，并具有不同的光纤设计和纳米粒子成分。文献FR 08/06752描述了一种光纤，该光本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种放大光纤，包括：中央纤芯，包括纤芯基质，所述中央纤芯适于传输和放大光信号；包层，包围所述中央纤芯并适于将所述光信号限制在所述中央纤芯内，其中所述纤芯基质包括（ｉ）附加掺杂物和（ｉｉ）由稀土掺杂元素和纳米粒子基质形成的纳米粒子，所述纳米粒子基质包括一种或多种补充掺杂元素；其中所述中央纤芯中稀土掺杂元素的浓度以重量计位于２００ｐｐｍ至１０００ｐｐｍ范围内，优选地位于２００ｐｐｍ至４００ｐｐｍ范围内；所述中央纤芯中纳米粒子基质的浓度以重量计位于０．５重量百分比至５重量百分比范围内，优选地位于１．５重量百分比至４重量百分比范围内，更优选地位于２．３重量百分比至３．５重量百分比范围内；并且所述中央纤芯中附加掺杂物的浓度以重量计位于１重量百分比至１０重量百分比范围内。
【技术特征摘要】
...
【专利技术属性】
技术研发人员：大卫博易文，阿兰帕斯托特，艾卡特丽娜伯罗乌，锡德里克戈奈特，
申请(专利权)人：德雷卡通信技术公司，
类型：发明
国别省市：NL
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