具有双芯部分的宽信号波长带有源光纤放大器

摘要

一种光放大器包括一根掺杂铒的有源激光发射光纤6，它带有一些长度有限，具有两根芯线12、13的部分，其中第一芯线12与有源光纤的其余部分的芯线连接并与线路光纤7连接，这些光纤部分构成放大器的输入和输出，第二芯线13在一个不同于传输信号的特定波长上与第一芯线12光耦合；第二芯线13可从第一芯线12中除去构成噪声源的铒的自发发射光。

说明书

本发明涉及一种含有激光发射掺杂物的光纤。它适于用来对在光纤中发送的传输信号进行放大，以及用来消除光纤因自发发射产生的波长不合适的辐射。

人们知道，其芯部掺有特殊物质，如稀土离子的光纤具有受激辐射特点，适于用来做激光光源和光放大器。

这种光纤实际上可加一特定波长的光源，这一光源可以使掺杂物质的原子处于受激能态，或称泵激态。这些原子本身会在一很短的时间内从所述泵激态自发衰变到一激光发射态，并在这一状态保持相对较长的时间。

当一根具有大量处于这种受激态的发射能级原子的光纤中有一波长对应于这种激光发射态的光信号通过时，该信号会引起受激原子向较低的能级跃迁，并伴有波长与该信号相同的光发射，这样一根这种类型的光纤就可用来得到一种光信号的放大。

从受激能态开始，原子的衰变也会自发产生。这种自发衰变产生随机发射，它构成迭加在与放大信号对应的受缴发射上的“背景噪声”。

由于对掺杂的、或有源的光纤引入光泵激能量而产生的光发射可以出现在几个波长上，典型的是在掺杂物的波长上，这样便产生了光纤的荧光光谱。

以通过上述这种光纤获得最大的信号放大和高信/噪比为目的，在光远程通讯中，通常采用一个由激光发射器产生的信号，其波长对应于含有所采用的掺杂物质的光纤的荧光光谱曲线峰值。

具体对于光学远程通讯信号来说，采用其芯部掺有铒离子（ER）的光纤是方便的，但铒的荧光光谱，在感兴起的波长范围内有一个特别窄的发射尖峰。因此这使它作为激光发射器的传输信号源使用时工作在一个具有有限容差的特定波长上，因为在这个容差范围以外的信号不能得到充分放大。而在这一尖峰波长上会发生很强的自发发射，从而构成背景噪声，这会使传输质量剧烈恶化。

另一方面，具有上述特性的，即工作于铒发射尖峰的激光发射器制造困难，制造成本很高。而通常工业生产提供的激光发射器，如半导体激光器（锢、镓、砷），具有适用于远程通讯的几种特点。但它们对于发射波长有相当宽的容差，那种能在上述峰值波长上进行发射的激光发射器的数量就很有限了。

在某些应用中，如海底进程通讯线路中可在采用工作于特定波长值的传输信号发射器。这种发射器可以通过在例如商业化生产的激光器中精选获得，从而只挑选那些在放大器光纤的激光发射尖峰的很小区域内发射的激光器。而对于其它线路，如市政通讯线路，由于安装费用显得特别重要，上述这种过程从经济上看是不能接受的。

例如，掺入铒的允许激光发射的光纤在峰值1536nm附近发射;它在该峰值的5nm范围内具有高强度发射，并在同一波长范围内可用来进行信号放大;然而，可用于发射的商品生产的半导体激光器的发射波长值范围通常是1520-1570nm。

这样，可以看到相当大量的这种工业生产的激光器都超出了用铒实现放大所适合的范围，因此不能用来在配备上述这种铒放大器的线路中产生远程通讯信号。

但是，众所周知，掺铒光纤具有一个高强度的发射光谱区，在接近上面所述的峰值波长范围内强度大体不变，其宽度是以包括上述感兴趣的商品激光器发射范围的一大部分;但在这种光纤中，对于远离最大发射光峰波长的信号所能进行的放大很大限，而在光纤中从激光发射态进行的自发跃迁不断在光谱的峰值波长长，1536nm，上形成发射，产生背景噪声。这种背景噪声沿光纤长度方向行进时将会被进一步放大并叠加在有用信号上。

如上所述，为了，用掺杂铒的有源光纤对商品类型的半导体激光发射器而产生的远程通讯信号进行放大，需要滤除沿有源光纤长度方向上铒的自发射峰发射，从而使这种在不想要的波长上的发射不致占用信号放大的泵激能量，同时不把背景噪声叠加的信号上去。

为此目的，可以采用一种有两根芯线的有源光纤，在其中一根芯线中发送传输信号和泵激能量，在另一根芯线中有一种光吸收掺杂物质;如果两根芯线在自发发射的尖峰波长实现光耦合，自发发射的尖峰波长的光信号就会转移到第二芯线，在第二芯线中被吸收，而不会过来叠加在传输信号的波长上。

这样一种光纤见于同一申请人的意大利专利申请（No.22654A/89）。该光纤对不需要的波长进行有效滤除，但对在某些要受到机械或热应力作用情况下，特别是对于芯线的扭绞状态，会遇到芯线间光耦合性能的变化，同时转移到第二根吸收芯线的波长值会改变。

这样便引起了能否使用有源光纤，便它与商品类型的传输信号激光发射器相结合用到激光发射器中，而不出现明显的质量上的限制的问题，同时这种有源光纤对于在放大器制造过程中作用其上的或在铺设过程中放大器在线路中的工作状态下出现的变形应力和状态基本上不敏感。

本发明的目的在于提供一种掺杂光纤放大器，该放大器可以在一个足够地扩展了的波长范围内提供令人满意的放大，这种波长范围适于采用商品激光器，这种放大器消除了材料在无用波长上的构成传输信号高强度背景噪声的自发发射，并在工作状态期间保持这一性能稳定。

本发明的目的在于提供一种宽信号带光放大器，特别是用于以预定波长带的传输信号进行工作的光纤远程通讯线路的光放大器。它包括一个分光耦合器，适于多路地把传输信号和光泵激能量传输到一单根引出光纤中;和一个含有一种荧光掺杂物质的有源光纤，它与分光耦合器的输出光纤相连接并连接一根适于接收和发送放大信号远程通讯线路光纤;其特征在于有源光纤的各部分都是由具有双芯的光纤构成，第一根芯线光学地连接有源光纤其余的芯线，而另一芯线在其端头处截断。两根芯线以包括在第一芯线的激光发射波长范围内的，不同于传输信号带波长的波长带光学地耦合在一起。

在一个最佳实施例中，有源光纤的双芯部分的第二芯线含有的掺杂物质在有源光纤掺杂物质的激光发射范围内具有高的光吸收性;第二芯线的具有高光吸收性的掺杂物质可以方便地由有源光纤中的在的同一荧光物质构成。

双芯光纤的每一部分中第一芯线可以含有一种荧光掺杂物质，作为另一选择，也可以不含任何荧光掺杂物质。

在任何情况下，有源光纤中至少是在其单芯部分内的荧光掺杂物最方便是用铒。

根据另一实施例，第二芯线中的掺杂物质可以是从钛、钒、铬或铁中选取的，至少是部分地处于其低价态的，对整个光谱都有高的光吸收性的一种物质。

双芯光纤每段的长度等于或大于芯线间以选定的耦合带实现耦合的芯线间差拍长度（beating  length）。

具有第二芯线的高光吸收性的掺杂物质其成分与光纤芯线的耦合特性相关联，从而决定了在第二芯部中粹熄长度（quench-ing  length）小于耦合的芯线间差拍长度（beat-ing  length）的十分之一。

在本发明的一个特殊实施例中，第二芯线没有任何光吸收掺杂物，且双芯光纤的每一部分具有等于一个差相长度的整数倍的长度，容限差为差拍长度本身的10%。

在有源光纤的荧光掺杂物为铒的情况下，双芯光纤部分的两个芯线在1530-1540nm之间光学地耦合在一起。

双芯光纤的每一部分的第一芯线与光纤的外表面同轴配置，并对准有源光纤其余部分的芯线和连接放大器的光纤芯线。而第二芯部的端头对着光纤本身的包覆层。

至少光纤的两个芯线的第一芯线适于用来进行传输波长上的和泵激波长上的单模光传送。

有源光纤在两个相继的双芯部分之间有含荧光掺杂物的光纤段，其长度不大于对应双芯光纤部分的芯线间的耦合波长可获得的15dB最大增益的长度，对应的增益最好在1-5dB之间。

至少有源光纤的一个端头是由一般双芯光纤构成。

双芯光纤部分可以机械地弯曲成一个弧形，以便根据芯线间耦合波长进行精密的调整。

为了使用方便，双芯光纤的各部分都刚性地固定在各自的一个托板上，在工作状态下实际不会有形变。

另外，双芯光纤的每一部分都以对应于芯线间理想耦合波长带的曲率条件刚性地固定在各自的托板上。

通过以下对本发明的说明并参考附图可以更详细地了解本发明。

图1为一种采用有源光纤的光放大器;

图2为可用在图1所示的放大器上的适于产生受激发射的那种光纤的能量跃迁图（激光）;

图3为由硅掺杂铒Er材料制成的光纤的受激发射曲线图，

图4为根据本发明的光放大器的一个放大了的示意图;

图5为图4沿平面V-V截得的放大器的有源光纤;

图6为根据本发明的有源光纤芯线中光传播常数与波长的关系曲线。

图7为根据本发明的有源光纤的部分，它包括一个双芯段;并表示一根芯线与另一芯线间对耦合波长的光能量转移曲线，

图8为根据本发明的有源光纤的部分，它包括一个双芯段，其长度等于一个差拍长度。

图9为根据本发明的一个放大器的光纤的一部分，这部分光纤有一些其曲率固定的双芯段。

为了实现对远程通讯的光纤中的信号进行放大的目的，可以方便地采用光纤放大器;这种放大器由图1示意地表示出，其中标号为1的是一远程通讯用的光纤，沿这根光纤发出一个由激光信号发射器2产生的，波长为λ的传输信号;经过一定长度的线路后衰减了的这一信号送到一个分光耦合器3，在这里对单输出光纤4并入了一个由泵激缴光发射器与产生的、波长为λ的泵激信号;与离开耦合器的光纤4相连接的一段有源光纤（整体用标号6表示）构成了信号放大部件，然后这段光纤被引向线路光纤下以继续通向其目的地。

为了实现这种能构成单元放大部件的有源光纤6，根据本发明的一个最佳实施例，采用一种硅制成的其芯部掺杂液化ErO的光纤是很方便的，这种光纤可以利用铒的激光跃迁对传输信号产生很好的放大作用。

关于含有所述这种类形的掺杂物的一根光纤，如图2所示，该图形象地表示了光纤的硅基中液态铒离子的能量状态情况，对有源光纤引入一个具有小于传输信号波长λ的泵激波长λ的光源会导致作为光纤中掺杂物质的一定数量的Er离子处于受激能态8，此后称为泵激带，这些离子又从这一能态自发衰变到能级9，能级9构成了一个激光发射能级。

在这种激光发射能级9，Er离子可以保持一段相对长的时间，然后会自发跃迁到基位能级10。

正如已经知道的那样，从能带8到能级9的跃迁伴随着热的发出，这种热能扩散到光纤之外（声子辐射），而能级9至基位能级10的跃迁会产生一种光的发射，其波长对应于激光辐射的能值9;如果一根含有大量处于这种激光发射能级的离子的光纤中通过一个具有对应该发射能级的波长的信号，则该信号就会使离子在激发衰变之前，产生从发射态到基态的受激跃迁，并伴随着雪崩效应，这样在有源光纤的输出端就发射出一个极大地放大了的传输信号。

在没有传输信号时，激光发射态的自发衰变是以离散的数量进行的，并对各种物质是特有的，这种衰变产生具有对应各可能的能级的各种频率尖峰的光强度;具体地，如图3所示，适于用在光放大器中的掺有Er的I/A型或Si/Ge型的光纤在波长1536nm处具有一个高强度发射尖峰，而对于直至1560nm的那些更长波长存在一个强度仍然很高的发射区域，但另一方面这一区域的强度比尖峰区的强度低。

当出现了引入光纤的波长对应E发射峰值，即1536nm的光信号时，该信号会被很强地放大，而由于铒的自发发射产生的背景噪声则是保持在有限的强度，这就使这种光纤适用于可对具有这一波长的信号进行放大的光放大器。

至于该信号的产生，商业上可选用且使用上方便的是些半导体型（In、Ga、As）激光器，它们的典型的发射带为1.52-1.57um：这就是说生产技术尚不能保证所有生产出的器件都能在某一特定波长值，即对应放大器用掺铒光纤的发射峰值，进行传输信号的发射。与之相反，所提供的器件中很大一个百分比所发射信号是落在上述发射尖峰附近的一段光纤发射曲线的区间内。

这种激光发射器所产生的信号无法在上面所述的掺E光放大器中得到具有足够增益的放大，因为引入有源光纤的泵激能源大部分被用来对放大器有源光纤自内部在波长约为1536nm处的铒自发发射产生的背景器声进行放大。

因此，为了结合掺铒光纤放大器使用上述类型的激光发射器，在足够宽的生产容差范围内接受这些激光器从而使费用便宜，即，一般来说为了结合荧光掺揉物质（它们从激光态的自发跃迁会产生高背景噪声）而允许使用特定类型的激光信号发射器，本发明提供了如图4所示的一种有源光纤：它包括一些包覆在同一外包覆层14内的具有两根芯线12和13的部分11，这些部分与单芯光纤部分15交替出现。

在每个双芯光纤部分11，芯线12与单芯光纤15的邻接部分16连接，并在有源光纤的端头分别连接到离开分光耦合器的光纤4和线路光纤7，这条芯线传导传输信号;芯线13，或者说第二芯线在每段双芯光纤部分11的两端截断，并且没有进一步的连接。

光纤部分11的两条芯线12和13实现了这样的结果：光纤中它们各自的光传递常数β和β（β和β随波长的变化曲线示于图6）在荧光掺杂物的最大发射尖峰波长处，具体对铒来说是1536nm处并在一个从λ到λ的范围内如同实现了两条芯线12和13间的光耦合，其幅值取决于相交区域λ和λ处的典线斜率并且实际对应于如图3所示的产生背景噪声的发射尖峰幅值。

在采用铒作的为芯线16的掺杂物质的情况下，两条芯线12和13间的较佳耦合范围可以是从λ＝1530至λ＝1540nm。

这就是说，与传输信号一起在芯线12中传播的并且实际上由于铒的自发发射构成背景噪声的波长约为1536nm的光会按已知的光耦合定律周期性地从芯线12向芯线13传递。所述的光耦合定律见于，例如，美国光学协会期刊1985年1月第一期，A/Vol.2的第84页至第90页。

如图所示，两根芯线间的光耦合波长上的光强度基本上是按正弦曲线分布在两根芯线之间的，在其中一根光纤的一个点上达到100%，在一个长度L（该长度移为差拍长度beating  length）后在另一根光纤中达到100%。而在光纤的普通段，光的强度在同段光纤的两根芯线间分布。

另一方面，在芯线12中的传输信号具有一个波长λ，它不同于两根芯线12和13间出现耦合的波长（例如，等于1550nm）。这样，它就被限定在芯线12中，而不传递到芯线13中;以同一方式，由耦合器3向芯线16提供的波长λ为，例如，980或540nm的泵激光在光纤段11中具有恒定的传播，排除了通向芯线13的通道，这样保证了泵激能量不丢失。

芯线13除了含有决定其理想折射率分布的掺杂物质外，最好含有一种掺杂物，它由一种对整个光谱或至少对芯线16的掺杂物质的发射尖峰（如前所述，这是一种噪声源），在采用铒作为激光掺拔物质情况下具体说是在1536nm的尖峰处有高的光吸收性的材料构成。

适合此目的的，对整个光谱都具有一个高光吸收性的物质叙述于，例如，欧洲专利申请No.88304182.4中。这种物质一般说来包括处于低价态（Ti、V、Cr、F、）的可变价元素，例如Ti、Vi、Cr、Fe。

在对某一特定波长，即要消除的放大光纤15中芯线16的掺杂物质的发射尖峰波长具有一高光吸收性的物质中，采用与上述有源芯线同样的掺杂物质特别方便;事实上，提供了足够的泵激能量的荧光物质可对一个特定波长表现出一定的发射性，而未提供泵激能量的同一物质则会吸收与有泵激时产生的发射波长相同的波长的光。

具体地对于一根掺铒芯线16，光纤部分11的第二芯线13也可以方便地掺铒。

按这种方法，由于铒的吸收曲线与图3所示的它的荧光或激光发射曲线相似，在受激发射尖峰，即在1536nm处有一个对同一波长的吸收尖峰。

这样，传递到芯线13的处于芯线间耦合波长，即1536nm处的荧光不会再次传递回引导传输信号的芯线12，因为在芯线13中被掺杂物质吸收的引入光实际上可以完全衰耗掉。

这样，在芯线16中出现的在不需要的波长上的发射可以在其变得过强之前引入到光纤部分11，在这段光纤中，它可被从芯线12抽取并扩散到芯线13中，因此，它不会在由芯线12引到放大光纤15后序部分的芯线16的传输信号的放大中取走泵激能量，同时不会迭加在信号上。

根据本发明的这一目的，有必要使放大光纤与在如图4所示的位于一个双芯光纤段之前的光纤段F具有有限的长度，从而避免背景噪声过大地增加;这一长度取决于光纤本身的特性，简单地说就是取决于其增益：根据本发明的放大器在芯线间的合波长，具体地在1536nm处提供的长度F可以确定一个小于15dB的最大增益，它最好在1-5dB范围内。

光纤11的芯线12可以不含任何荧光掺杂物质，整个放大增益就靠光纤部分15，或者，芯线12可以含有与芯线16相同的掺杂物质。

双芯光纤段的长度La比上面提到的差拍长度L要长;另外，其中的具有高光吸收性的掺杂物质的含量要能决定光纤的芯线13的淬熄长度L，该长度至少小于差拍长度L的一个数量级：L＜1/10L，（见于衰减介质中光强度的传播定律：p＝pe其中α是取决于光纤衰减特纤特征并且实质上取决于其中的掺杂量的分数。在光纤的一段长度L后，光纤中的光能量下降一个固子1/e）;芯线13的特性最好具有小子精拍长度L两个数量级大小的淬熄长度L。

芯线13也可以不含任何衰减掺杂物质;在这种情况下，如图8所示，双芯光纤段11必须有一个长度L＝L，从而在第二芯线13的端部是具要消除的波长的光强度完全传递到芯线13内部，这样在与光纤15衔接处，它消失在光纤15本身的包覆层中。

这样一种结果是方便的，因为除了引入用以决定其折射率分布的掺杂物质外，可以避免在双芯光纤中引入另外的掺杂物质。但是另一方面，这要求在测量的切口处和部分11与其余的有源光纤的连接处对于差拍长度L的正负容差不大于L的10%，以保证在衔接处芯线12中基本没有噪声。

对小于几厘来的差柏长度L，这样的容差必然带来实际困难，因此最好在芯线13中采用上述的衰减物质。

光纤11各部分的尺寸的确定要使两条芯线中传播常数可导致一种位于以尖峰发射波长（如，1536nm）为中心的带中的耦合。但是不可避免生产的容差可能导致其偏离期望值。

因此，为了对本发明的耦合波长进行精密校正，应将双芯光纤部分11弯曲成弧形，这样便引起光纤的内部张力，这种张力会改变其光传递特性，检测改变曲率时的耦合波长值直到它与所期望的波长值相一致;为了保持这一形状，把光纤11的这些部分用，例如，胶限定在各个托板17上（如图9所示），这样便稳固地保持了其形状。

在双芯光纤11各部分之间的单芯光纤15可以根据包覆放大器的包覆层要求按，例如环绕起来的方式设置，这样从构成噪声的波长的分离角度考虑不会影响放大器的性能。而双芯光纤则以其最适合的（如上所述）曲率刚性地限定并防止进一步的应力作用。

为了方便地把无噪声传输信号送到放大器下游的接续线路段7，放大器有源光纤6在信号通过方向的最后一段由双芯光纤11构成;对于要双向使用的线路，有源光纤的两端都由双芯光纤段11构成。

这样，根据本发明的光纤对于其中所引导的光完成一个滤波工作，它对Er离子从激光发射能级进行自发衰变产生的1536nm波长的光子进行分离和吸收，从而避免这些在有泵激能量的有源光纤中行进的光子引起同一波长上的进一步衰变，并使芯线12中基本上只有传输波长和泵激波长的光传播;这样，可以在铒具有明显激光发射值的整个范围内，例如，在图3所示的λ与λ之间（对应1540-1560nm），选取传输波长λ，使传输信号的激光发射器有一个很宽的选择自由度。对于放大的目的而言，可以用，包括在商品生产的半导体激光器（In、Ga、As）所采纳的一个足够宽的范围内具有各种波长的信号发射器，而不会出现性能上的差别;同时，对具有减少的双芯光纤各部分的设置使耦合波长可以精确调整并使它们对机械受力基本上不敏感。

如图5所示，双芯光纤11最好把用来引导光信号的芯线12与光纤包覆层14同轴设置，而第2芯线13设置在一个偏心位置处。

以这样的方法，如图4、7、8所示，双芯光纤6的各部分、放大光纤15各部分及光纤4和7之间的连接可以按传统的方法实现，而不用特殊措施，通过传统的衔接装置将光纤本身的各端头相对设置，这种衔接装置通过检查它们的外表面实现光纤之间相互对准;与外表面相对应，双芯光纤中的芯线12在轴线位置与单芯光线的芯线相对准，从而不会有任何严重的衔接损耗;处于偏心位置的芯线13不得与任何它芯线相连接，这样，不需要任何进一步的工作就可使双芯光纤11的各部分在其端部中断。

为了有最高的放大效率，芯线12最好对信号波长和泵激波长都是单模的（mono  model），同时芯线13至少对λ也是单模的。

作为一例，按图1制成了一个放大器，它包括一根掺杂Er并具有双芯部分的Si/Al型有源光纤6;光纤的单芯部分中ErO重量的含量为40ppm。

双芯光纤11的各部分中，芯线12和芯线13的半径均为a＝3.1m，数值孔径NA＝0.105，折射率n＝1.462;如图5示，而根芯线12和13的分开距离D＝3.5m;芯线12与光纤外表面同轴。

每一部分11的长度L＝100mm，其相今的放大光纤长度F为5m。

双芯光纤11的各部分中芯纤12不含铒，而芯纤13的ErO的含量为2500ppm。

有源光纤的总长度为30m。

泵激激光器5采用一个工作于528nm的氩离子激光器，其功率为150mw。信号发射激光器2采用一个商用型半导体激光器（In、Ga、As），功率为1mw，测得的发射波长为1550nm。

按上述实验的配置，对一个衰减到0.5w的输入信号从放大器的下游可获得20dB的增益。

适于激发生一条线路中放大器实际使用条件的放大器输入信号的衰减是通过各种衰减器获得的。

不存在信号时，在放大器下游测得10W平手的自发发射。

这样一种构成放大器产生的背景噪声的发射对信号来说并不算高噪声，因为信号放大的水平要高得多（约250W）。

作为一种比较，一个与上面所述的相同的传输激光发自射器2和一个与前例的结构完全相同的放大器一起使用，但使用了一种掺Er的步长指数（step  index）型si/Al单芯有源光纤6，芯线中Er的重量含量为40ppm;有源光纤的长度为30m。

这样一种放大器，对波长为1560nm的传输信号表小于15dB的增益，该放大器的自发发自射水平与输出信号的水平可比。

正如给出的实例可看到的那样，单芯光纤放大器对出现的一个1560nm信号表现出减小的增益，却还引入了一个噪声，这样就难以接收到该信号本身，证明它无法实际应用，然而根据本发明，采用具有双芯光纤部分（两芯线在相应背景噪声自射尖峰的波长处耦合在一起）的有源光纤的一个放大器则显示出对1560nm的同一信号可提供一个高放大增益，并伴有一可忽略的引入噪声。

这样在远程通讯线路中使用根据本发明的放大器可使这种线路适于传输商用型激光发射器产生的信号，接受这种商用型激光自发射的一个宽生产容差，同时保证放大作用基本不变并与所用信号发自射器实际发射值无关。

可以不超出本发明的一般特征的范围引内出许多变通方式。