[发明专利]光纤、光纤激光器、光学放大器及光纤制造方法

说明书

技术领域

本发明涉及用于放大所传输信号的放大光纤的领域。本发明尤其涉及针对紧凑型装置所设计的稀土掺杂单模光纤以及所述光纤的制造方法。

背景技术

传统上，光纤包括光纤芯或内纤芯以及光包层或外包层，其中，光纤芯或内纤芯用于传输光信号并且可以对光信号进行放大，而光包层或外包层用于将光信号限制在内纤芯内。为此，所述光纤的内纤芯的折射率(表示为n_c)大于所述光纤的外包层的折射率(表示为n_g)。

对于光纤，通常将折射率分布限定为用于描绘使折射率与光纤半径相关联的函数的图形的曲线。传统上，沿着横轴示出相对于光纤中心的距离r，并且沿着纵轴示出光纤中心的给定距离处的折射率和光纤外包层的折射率之间的差。因此，对于形状分别为阶梯形、梯形、三角形或渐变形的图形，将光纤的折射率分布称为“阶梯”、“梯形”、“三角形”或“α(alpha)”分布。这些曲线代表光纤的理论分布或设定分布，因而光纤的制造约束可能导致略微不同的分布。

主要存在多模光纤和单模(还被称为单一模式)光纤这两类光纤。在多模光纤中，对于给定波长，多个光模式沿着光纤同时传播。在单模光纤中，基本模式为特许模式并且高阶模式被大幅衰减。

放大光纤、特别是掺杂有稀土元素的光纤普遍应用于各种光学应用。

例如，铒掺杂用于长距离光电通信系统内以对所传输光信号进行放大。在铒掺杂光纤放大器(即，EDFA)中使用这种光纤，并且这种光纤具有包括二氧化硅基质的中央纤芯，其中该二氧化硅基质包含浓度约为250ppm～1000ppm(0.025～0.1重量百分比)的诸如铒等的掺杂元素，并且可选地与可提高放大率的补充掺杂元素(例如，用于扩宽密集波分复用(DWDM)应用的增益带宽的铝)相组合。

通过将用于激发稀土离子(例如，EDFA中的Er³⁺)的泵浦信号(pump signal)注入光纤内来实现稀土掺杂光纤内的光学放大。当光信号穿过光纤的该部分时，通过利用模拟发射(simulated emission)产生各方面均与该入射光子相同的光子来使这些离子去激。该光信号由此被加倍。光纤中与由包括镜或布拉格(Bragg)光栅的系统构成的谐振腔相结合的这部分构成了光纤激光器。该激光器的波长和功率依赖于所使用的稀土元素的类型和浓度。

通常，由以下的参数来定义稀土掺杂光纤的放大性能。

-泵浦功率：将放大光纤的泵浦功率定义为光纤纤芯内所启动的用以允许光放大起作用的泵浦的功率(通常以W或mW为单位进行表示)；

-数值孔径(NA)：将NA按照如下进行定义：

NA=nc2-ng2]]>

其中，n_c是光纤的内纤芯的折射率，并且n_g是该光纤的外包层的折射率；

-功率转换效率(PCE)：光纤的PCE是对输入动力源(例如，泵浦)的能量中有多少被有效地传递至放大器输出的度量：

其中，P_{信号-输出}是输出信号的功率，P_{信号-输入}是输入信号的功率，并且P_泵浦是泵浦功率；

-量子转换效率(QCE)：将光纤的QCE定义为对动力源(泵浦)的能量中有多少被有效地传递至放大波长的度量。QCE是对放大器的效率的直接度量，并且根据以下关系式与PCE相关联：

图1针对NA为各种值即NA＝0.14、NA＝0.18、NA＝0.22、NA＝0.26和NA＝0.30的已知光纤示出波长980nm处作为以mW为单位的泵浦功率值的函数的PCE的值。可以看出，特别是对于高于或等于350mW的泵浦功率值，针对最低的NA值，获得了最高的PCE值。

为了在更大程度上缩小光纤放大器的大小，不得不缩小光学组件的封装尺寸。这导致分配给增益介质、即稀土掺杂光纤的体积减小。

减小体积的有效方式是减小放大光纤的存储半径、即该光纤在为了封装或安装而弯曲时的曲率半径。

如图2所示，市售的紧凑型放大器所使用的普通光纤的存储半径等于或小于20mm。