CN1381082A - 光放大光纤和使用该光纤的光放大器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种能够削弱与铒离子浓度抑制和非线性效应有关的放大效率降低的光放大光纤。至少一种不同于铒、且其离子半径大于等于70%并小于等于130%铒离子半径的稀土元素,如镧,被掺入到掺铒光放大光纤的芯部中。

Description

光放大光纤和使用该光纤的光放大器
技术领域
本发明涉及主要用于光通信系统的光放大光纤；和采用该光纤的光放大器。
背景技术
近年来，因特网通信等方面的需求正在迅猛地增加，提高光传输线路的传输容量正在受到积极的关注。基于这些事实，波分复用(WDM)光传输系统容量正在增大，即通道数量越来越多且传输带宽不断扩展。为了扩大WDM光传输系统的容量，增加光放大器所放大信号光的输出值和扩展传输带宽是必不可少的，而且，作为重要关键器件的光放大器越来越引起技术人员的注意。
随着WDM信号通道数量的增加，整个信号光输入功率将随之提高，而那种适于既增加通道数又提高信号光输入功率的光放大器则需要更高的饱和功率。在这种情况下，光放大器的输出是通过提高光放大光纤和泵浦源输出的效率而增大的。
而且，为了提高传输带宽，人们还展开了有关光放大器增益带宽扩展的讨论，通过采用更长的光放大光纤，使具有比相关技术光放大器的增益带宽波长更大的增益带宽的光放大器付诸实施。
但是，上述光放大光纤在长度和输出方面的增加引出了新的问题，即出现了相关技术的光放大光纤中不曾显现出来的非线性现象。主要的非线性现象包括四波混合和交叉相位调制。由于这些非线性效应导致了信号光传输质量降低，所以需要且必须消除这种非线性现象。
因非线性现象引起的波形失真可以用下述公式(1)推算。
ΦNL＝(2π/λ)·(n2/Aeff)LeffP………………………(1)
在公式(1)中，Leff代表放大光纤的有效波长，Aeff为有效芯面积，n2为非线性折射率，λ为信号光波长，和P为输入光强度。
从公式(1)知道，为了减少波形失真ΦNL的出现，适宜(1)缩短光纤的有效长度，(2)减小非线性常数n2/Aeff。
为了缩短所用的光纤长度，需要通过提高稀土元素的添加量来提高单位长度上的增益系数。但是，当提高1.55μm带宽光放大器中实际采用的掺铒光纤中铒浓度时，由于浓度抑制，放大效率将会减小。
一般地，在纯石英(SiO2)基质情况下，浓度抑制开始出现时的铒浓度是几百wtppm，而且即使在具有消除浓度抑制的铝被共掺到其中的Al2O3-SiO2基质的情况下，也是1000wtppm左右(例如，参见R.I.LAMING，D.N.PAYNE，F.MELI，G.GRASSO，E.J.TARBOX，“SATURATED ERBIUM-DOPEDFIBRE AMPLIFIERS”，OAA’90.Tech.Digest)。所以，对掺铒光纤长度的缩短有一个限制。
增大有效芯区面积Aeff可以看成是另一种抑制非线性效应的方法。一般地，掺铒光纤的有效面积比常规单模光纤(SMF)有效面积的数值要小。所述方法的理由是，通过增加芯部相对于包层部分的相对折射率差Δ可以在整个芯部形成极好的粒子数反转，由此加强泵浦光强，进而高效率地改进掺铒光纤增益特性。
此外，与常规传输光纤比较，光放大光纤在其芯部含有各种大剂量的掺杂物质，这使得控制有效芯区面积更为困难。
光放大光纤包含许多元素，除了构成活性物质的稀土元素之外，例如改善熔融稀土元素在基质玻璃中稀土元素溶解度的元素，改善基质玻璃折射率的元素，改变其增益波长特性的元素，改进放大特性的元素，用于调节粘度而掺杂的元素等等。这些掺杂到芯部的非稀土元素称为共掺杂物。
从优化光放大器放大特性的角度出发，确定这些共掺杂物的添加浓度。联系到共掺杂物的差异，上述物质使控制折射率变得很难。
此前，锗已经被用来作为改进芯部折射率的共掺杂物了。
锗不仅有效地提高了折射率，而且还有效地调整了芯部的粘度。与锗相同，上述掺杂到光放大光纤芯部的这些共掺杂物都是改善折射率的物质。
但是，由于添加共掺杂物使相对折射率差Δ变高，故难以抑制光放大光纤的非线性效应。如前所述，为了抑制它的非线性效应，必须缩短光放大光纤的使用长度，即有效长度。但是为了满足这个要求，必须提高单位长度的增益系数。而且，稀土元素和共掺杂物的添加量必须提高，而且这会引起相对折射率差的进一步提高。
鉴于存在着这些问题，为了实际地获得一种非线性现象受到抑制的放大光纤，需要一种改善铒添加浓度限制值的方法，和一种与稀土元素等等共掺杂物添加浓度无关地获得所需有效芯区面积Aeff的新方法。
本发明就是在上述情况下提出的，并且提供了一种非线性效应受到抑制的光放大光纤，和采用该光纤的光放大器。
根据本发明的一个方面，光放大光纤具有下述结构，即该光纤具有芯部和围绕在该芯部外部周围的不少于一层的包层部分，铒离子并掺杂到该芯部，至少一种不同于铒的稀土元素离子也掺杂到芯部中，且所述的不同的稀土离子其半径为大于等于70％而小于等于130％的铒离子半径。
根据本发明的另一方面，光放大光纤在芯部掺杂有铝，掺到芯部的铝离子数量大于等于芯部所含全部稀土元素离子数的6倍。
根据本发明的再一个方面，光放大光纤在芯部掺杂有磷。
根据本发明的又一个方面，光放大光纤具有降低纯石英折射率的物质，该物质被掺杂在芯部，该降低纯石英折射率的物质可以是氟等。
根据本发明的另一个方面，在某些情况下，光放大光纤在其芯部掺杂有锗，或者在某些情况下其芯部基本上不含有掺杂锗。
根据本发明的另一个方面，光放大光纤在至少包层的一部分中含有提高纯石英折射率的物质，该提高纯石英折射率的物质可以为锗，磷和铝中的至少一种。
根据本发明的另一个方面，光放大光纤芯部的铒掺杂浓度高达1000wtppm，允许达到的浓度为2000wtppm。
根据本发明的另一个方面，光放大光纤具有掺杂到芯部的除了铒之外的稀土元素，这些稀土元素为从下述一组中选出的一种元素：La，Ce，Pr，Nd，Sm，Eu，Gd，Tb，Dy，Ho，Tm，Yb和Lu。
根据本发明的另一个方面，光放大光纤可以有一个折射率分布形态，其中芯部相对于该芯部外侧相邻的包层的相对折射率差小于1.0％。
根据本发明的另一个方面，光放大器采用上述光放大光纤作为光放大光纤。
根据本发明的上述方面，将铒的浓度提高到一个很高的值，而不引起因发生浓度抑制而导致的效率降低，而且所用的纤维长度可以缩短。其理由是有除铒之外围绕着铒离子共掺杂的稀土元素离子的缘故，它们使铒离子之间的距离增加了，并抑制了铒离子之间的相互作用。
添加减少芯部折射率的物质，而且出于实用的考虑，不添加锗能使光放大光纤的非线性系数进一步减小。其理由是，提高调节芯与包层之间折射率差的自由度，与掺杂剂的种类和浓度无关，如稀土元素，铝，磷等等，这能使有效芯区面积(Aeff)随意地增大，而且使非线性系数(n2/Aeff)随之增大。
因非线性现象导致的波形失真量正比于有效长度Leff与非线性系数(n2/Aeff)的乘积。根据本发明，有效长度和非线性系数可以分别地减小。因此，可以抑制光放大光纤中非线性现象的发生，且可以得到实用化的光信号传输质量不会变劣的光放大器。
附图简要说明：
图1表示本发明光放大光纤一个实施例的折射率分布形态；
图2表示本发明光放大光纤的折射率分布形态的另一个实例；
图3表示本发明光放大光纤的折射率分布形态的另一个实例；
图4表示本发明光放大光纤的折射率分布形态的另一个实例；
图5表示本发明光放大光纤的折射率分布形态的另一个实例；以及
图6表示相关技术光放大光纤的折射率分布形态的一个实例。
实施本发明的最佳方式
现在根据附图详细描述本发明。图1表示本发明光放大光纤一个实施例的折射率分布形态。参考图1，参考数字1代表芯部，而2代表芯部，参考符号Δ代表芯部相对于包层部分2的相对折射率差。低折射率的包层部分2围绕在高折射芯部1的周围，图1实例中包层部分2的折射率值与石英的值一致。
在本发明当前实施例的光放大光纤中，将铒掺杂到芯部1中，且除铒之外的稀土元素被共掺杂到其中。严格地讲，本发明第一实施例由掺铒-镱光纤构成，这是通过将镱(Yb)和铒(Er)共掺杂到光放大光纤的芯部1而获得的。
本发明的第二实施例旨在通过将镧(La)和铒(Er)掺杂到光放大光纤芯部而获得掺铒-镧的光纤。
在图6所示的相关技术实例光放大光纤中，芯部1相对于包层部分2的相对折射率差Δ值低于与石英折射率的差值。
即，在相关技术的光放大光纤中，是通过把作为提高折射率掺杂剂的锗添加到掺铒光纤(EDF)芯部1中，并将降低折射率的氟添加到包层2中而增大相对折射率差Δ的。这些技术用来提高泵浦光的强度，从而得到极好的泵浦效率，但是没有考虑对非线性现象的抑制。
表1表示出本发明第一和第二实施例光放大光纤的参数，和作为比较例的相关技术实例1和2的光放大光纤的参数。表1还表示了相应条件下这些光纤的最优长度与铒的浓度，泵浦光强和能量转换效率之间的比较结果。表1所表示的数据是在泵浦波长和信号光波长分别被定在1480nm和1560nm时得到的。
                                             表1
类型 实施例1 实施例2 相关技术实例1 相关技术实例2
芯的成分 Er/Yb/p/Al/Ge/Si Er/La/Al/Ge/Si Er/Al/Ge/Si Er/Al/Ge/Si
包层的成分 SiO2 SiO2 F-SiO2 F-SiO2
铒的浓度(wtppm) 2000 2120 1000 380
Al的浓度(wt％) 3.8 3.2 3.0 1.1
Yb的浓度(wtppm) 2.5 0 0 0
La的浓度(wtppm) 0 2.0 0 0
相对折射率差Δ 0.9 0.8 1.3 1.3
长度(m) 7 7 12 50
能量效率(％) 76 75 63 86
如表1所明示的，当镱或镧掺杂到实施例1和2的长度缩短的光放大光纤芯部时，高的铒浓度显示出高的能量转换效率，即表明了本发明的效果。
从上述结果中可得知，镱和镧具有削弱铒浓度抑制的作用。公知的是，即使在铝或磷掺杂到芯部的情况下，也有一定程度的削弱浓度抑制效果。但是，当铒的掺杂浓度超过1000wtppm时，浓度抑制依然会发生。这在相关技术实例1中的能量效率测量结果中可以清楚地看到。
在本发明的实施例1和2中，其中镱或镧共掺杂到芯部1中，由于即使在铒浓度超过2000wtppm的情况下也不发生浓度抑制的缘故，效率问题变得不突出了。
上述结果的原因是，多个镱离子或镧离子共掺杂在铒离子的周围形成离子团，致使铒离子之间的距离增大，由此削弱了铒离子的相互作用。各个离子的形状和电子分布与不同种离子间离子团发生率具有密切关系。
因此，具有与铒离子相同电子分布且离子半径基本等于铒离子的物质，与镱和镧同样地具有削弱铒离子相互作用的效果。这类物质表示在表2中。
                                             表2
   原子序数    原子符号   原子量     电子态 氧化数   离子半径A(6配位)
    57     La  138.90552 [Xe]，5d1，6s2 +3，     1.20
    58     Ce  140.1154 [Xe]，4f1，5d1，6s2， +3，+4，     1.17
    59     Pr  140.907653 [Xe]，4f3，6s2， +3，+4，     1.15
    60     Nd  144.243 [Xe]，4f4，6s2， +3，     1.14
    62     Sm  150.363 [Xe]，4f6，6s2， +3，     1.10
    63     Eu  151.9659 [Xe]，4f7，6s2， +2，+3，     1.31
    64     Gd  157.253 [Xe]，4f7，5d1，6s2， +3，     1.08
    65     Tb  158.925343 [Xe]，4f9，6s2， +3，+4，     1.06
    66     Dy  162.503 [Xe]，4f10，6s2， +3，     1.05
    67     Ho  164.930323 [Xe]，4f11，6s2， +3，     1.03
    68     Er  167.263 [Xe]，4f12，6s2， +3，     1.02
    69     Tm  168.934213 [Xe]，4f13，6s2， +3，     1.01
    70     Yb  173.043 [Xe]，4f14，6s2， +2，+3，     1.00
    71     Lu  174.9671 [Xe]，4f14，5d1，6s2， +3，     0.99
表2中所示的稀土元素具有与铒相同的电子分布，且离子半径大于等于70％且小于等于130％铒离子半径。这些元素的4f态电子数是不同的。但是，该4f态电子的外层有八个电子，它们包括5s态2个和5p态6个电子，使得这些元素之间的化学特性很相似。
实际上，这些元素与镱和镧一样，还具有削弱铒离子相互作用的效果。为了作比较，该表中也表示出了铒的值。所以这些元素的氯化物都是稳定的，而且这些元素是可以实际掺杂到光纤芯部的稀土元素。
在实施例1和2中，为了改善稀土元素的溶解性，掺杂了铝。稀土元素在石英基质中的溶解度原本是较低的。所以，当如本发明这样大量掺杂稀土元素时，由于稀土元素聚集所致的芯的反玻璃化作用，将会使传输损耗的增大。添加铝可有效地抑制这种不良现象。
但是，铝是提高纯石英折射率的物质。当铝掺杂到芯部1时，其有效芯区面积会减小。所以，从抑制非线性现象的角度出发，将铝的添加量限制到可接受的最小值。
在实际中，通过改变稀土元素添加总量与铝添加量的比例制备出样品，以检验聚集的出现或不出现。其结果证实，掺杂的铝离子数量大于等于6倍掺杂到芯部1的稀土元素离子数总量，该芯不会出现反玻璃化。并且还证实，在芯部1添加磷也对抑制稀土元素聚集有效。
现在说明本发明的实施例3。在该实施例3中，在通过将镱共掺杂到芯部1中而得到的掺铒-镱光纤的芯部1中进一步掺入氟。芯部1没有掺锗。
即在实施例3中，所述与锗有关的芯部1折射率过度提高的情况被抑制了，而且，通过添加氟降低了芯部1的折射率。实施例3的共掺铒-镱光纤的各项参数列于表3中。
                   表3
    芯的成分     Er/Yb/P/Al/F/Si
    包层的成分     SiO2
    相对折射率差Δ     0.36％
    Er的浓度     2000wtppm
    Yb的浓度     2.5wt％
    Al的浓度     3.8wt％
为了评估由于实施例1和3以及相关技术实例2的光放大光纤中的非线性现象导致的波形失真量，测量1550nm波长对应的有效芯区面积。其结果列于表4中。
                                               表4
类型 实施例1 实施例3 相关技术实例2
芯的成分 Er/Yb/p/Al/Ge/Si Er/Yb/p/Al/F/Si Er/Al/Ge/Si
包层的成分 SiO2 SiO2 F-SiO2
相对折射率差(％) 0.9 0.36 1.3
Er离子浓度(wtppm) 2000 2000 1000
Al离子浓度(wtppm) 3.8 3.8 3
Yb离子浓度(wtppm) 2.5 2.5 0
Aeff(μm2)@λ＝1550nm 40 74 23
这些结果，表明了本发明的如下效果。即，可以大大提高有效芯区面积，在高铒浓度下即使采用短的光纤长度也可获得高的能量转换效率，减少了与光纤非线性效应有关的波形失真。
如上所述可以知道，在实施例1光纤中，添加镱可得到高铒浓度光纤，而且即使短的光纤也可表现出高的能量转换效率。在实施例3中，用基本等长的光纤也可得到相同的高转换效率。
即，如实施例3那样在芯中添加氟可使有效芯区面积增大，且使与光纤的非线性效应有关的波形失真比实施例1中的更低。其原因在于与非线性现象有关的波形失真正比于(Leff/Aeff)。
在实施例3中，是通过在芯部1添加氟而不是添加锗来增大有效芯区面积的。即使在提高折射率的掺杂剂掺杂到至少一部分的包层部分2中时，用同样的方法也可以增大有效芯区面积。从不破坏光纤的各种特性的角度考虑，用于此处提高折射率的掺杂剂适宜为至少锗，磷和铝中的一种。
本发明光放大光纤的折射率分布形态不限于图1的简单阶跃型。例如，芯部1可以具有α分布。
如图2和图3所示，光纤可以具有由内侧的芯部1，第一包层3和第二包层4构成的双包层型(2-层)的折射率分布形态。在此情况下，相对折射率差Δ由芯部1和紧邻该芯部1外侧的第一包层3来确定。
如图4和图5所示，光纤可以具有由内侧的芯部1，第一包层5，第二包层6和第三包层7构成的三包层型(3-层)的折射率分布形态。在此情况下，相对折射率差Δ由芯部1和第一包层部分5确定。
折射率分布形态不限于图1至图5所示的那些。当然事实上，光纤可以有其他的折射率分布形态。
尽管在上述实施例中，掺入芯部1的铒浓度被定为2000wtppm，但也可以是大于1000wtppm的值。当相关技术的光放大光纤中铒浓度到达一个大于1000wtppm的量值时，尽管其芯部掺入了铝或磷，仍然会发生浓度抑制。在根据本发明的结构中，没有出现这类问题，且可以表现出相关技术光纤所无法得到的极好效果。
现在将说明根据本发明的一个光放大器实施例。本实施例的光放大器是光纤型光放大器，在其光信号通过的光路上具有光放大光纤，其中本发明各实施例的光放大光纤被用作所述的光放大光纤。因此，本实施例的光放大器同样显示出上述各个实施例光放大光纤的极好效果。
工业实用性：
如上所述，根据本发明的光放大光纤和光放大器，适合用于光信号的放大，它在光通信等场合进行高输出和高效率的信号放大，而同时非线性现象受到抑制。

Claims (15)

1、一种光放大光纤，具有芯部和围绕在芯部周围大于等于一层的包层部分，铒离子掺入该芯部，它包括：还有至少一种不同于铒离子的稀土元素离子掺入到芯部，该离子的半径大于等于且小于等于铒离子的半径。
2、根据权利要求1的光放大光纤，其中芯部掺有铝。
3、根据权利要求2的光放大光纤，其中掺入芯部的铝离子数量大于等于6倍的芯部所含稀土元素总离子数。
4、根据权利要求1的光放大光纤，其中芯部掺有磷。
5、根据权利要求1的光放大光纤，其中芯部掺有减小纯石英折射率的物质。
6、根据权利要求5的光放大光纤，其中减小纯石英折射率的物质是氟。
7、根据权利要求1的光放大光纤，其中芯部掺有锗。
8、根据权利要求1的光放大光纤，其中芯部基本上不掺锗。
9、根据权利要求1的光放大光纤，其中至少有包层的一部分掺有提高纯石英折射率的物质。
10、根据权利要求9的光放大光纤，其中提高纯石英折射率的物质至少是锗，磷和铝的一种。
11、根据权利要求1的光放大光纤，其中掺入芯部的铒浓度设定为大于1000wtppm。
12、根据权利要求11的光放大光纤，其中掺入芯部的铒浓度设定为高达2000wtppm的值。
13、根据权利要求1的光放大光纤，其中掺入到芯部且除了铒之外的稀土元素是选择下列一组的一种元素：La，Ce，Pr，Nd，Sm，Eu，Gd，Tb，Dy，Ho，Tm，Yb和Lu。
14、根据权利要求1的光放大光纤，其中芯部与紧邻芯部外侧包层部分的相对折射率差小于1.0％。
15、一种具有适于放大光信号的光放大光纤的光放大器，包括：权利要求1-14任意一个所述的光放大光纤作为其光放大光纤。
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