[发明专利]具有小数值孔径的掺稀土光纤

说明书

技术领域

本发明涉及光纤领域，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。本发明还提供一种制造这种放大光纤的方法。

背景技术

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1000ppm(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=PoutS-PinSPinP]]>

公式2：Gain=PoutS-PinS]]>

在这些公式中，是输入的泵浦功率，是输入的信号功率，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，从而导致不均匀的掺杂。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匀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：

NA=nc2-ng2]]>

其中n_c为光纤的中央纤芯的折射率，n_g为光纤的包层的折射率。