專利名稱：在加寬的光帶寬上放大光輸入信號的方法以及光放大器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光放大器領(lǐng)域，更具體而言，本發(fā)明涉及包含一定長度的光導(dǎo)光纖的光放大器領(lǐng)域，其中光纖具有響應(yīng)泵浦光而發(fā)出熒光的活性摻雜物。
背景技術(shù)：
摻有鉺的光纖放大器(EDFA)廣泛應(yīng)用于商業(yè)光學通信系統(tǒng)，既用作全光中繼器，也用作預(yù)放大器。信息編碼信號在通過很長的通信光纖(通常有數(shù)十公里)之后被光纖損耗大大削弱，摻有鉺的光纖放大器(EDFA)的作用就是將這些信號放大到合理的功率水平。EDFA的能效現(xiàn)在已經(jīng)達到了最佳，減少了對泵浦功率(很昂貴)的要求。EDFA的噪音性能已經(jīng)進一步得到了優(yōu)化，以致噪音數(shù)現(xiàn)在能夠接近理論極限3dB。最佳EDFA的增益平穩(wěn)度現(xiàn)在超過數(shù)十納米帶寬數(shù)十dB。EDFA現(xiàn)在設(shè)計成能夠使他們的增益很少依賴輸入信號的偏振。
EDFA的一個還非?；钴S的領(lǐng)域是增益帶寬。該增益帶寬參數(shù)非常重要，因為它最終確定能夠由給定EDFA放大的不同波長的信號數(shù)。帶寬越寬，則能夠被放大的個別信號數(shù)越大，因此能夠由嚴格單光纖攜帶的帶寬(單位時間的信號比特)越大。由于基質(zhì)影響鉺離子的光譜，因此一直并將繼續(xù)研究數(shù)種基質(zhì)材料，包括硅石，氟磷酸鹽玻璃和硫族化物，來試圖確定一種能夠為Er3+的4I13/2→4I15/2轉(zhuǎn)變提供更大的增益帶寬的基質(zhì)。在硅基玻璃內(nèi)，帶寬通常被分成C帶和L帶。在接近的術(shù)語中，C帶是低于約1565納米的光譜部分，而所謂的L帶是高于約1565納米的光譜部分。C帶和L帶的組合總帶寬接近80納米，盡管該數(shù)字迄今為止只是通過串聯(lián)兩個EDFA獲得的。(例如參見Y.Sun，et al.，80nm ultra-wideband erbium-doped silica fibre amplifier，Electronics Letters，Vol.33，No.23，November 1997，pp.1965-1967)。情況與氟鋯酸鹽基質(zhì)相同。(例如見S.Kawai，et al.，Wide bandwidth andlong distance WDM transmission using highly gain-flattened hybridamplifier，Proceedings of Optical Fiber Communication OFC’99，PaperFC3，F(xiàn)ebruary 1999，pp.56-58)。在亞碲酸鹽光纖中，總帶寬大約也是80納米，但是可以用一個單光纖實現(xiàn)。(例如見Y.Ohishi，et al.，Opticalfiber amplifiers for WDM transmission，NTT R & D，Vol.46，No.7，pp.693-698，1997；Y.Ohishi，et al.，Gain characteristics of tellurite-basederbium-doped fiber amplifiers for 1.5μm broadband amplification，OpticsLetters，Vol.23，No.4，F(xiàn)ebruary 1998，pp.274-276.)圖1表示一種具有一個摻鉺光纖(EDFA)110的標準EDFA構(gòu)造100的示例。光信號經(jīng)一個第一光頻隔離器120和一個波分復(fù)用(WDM)耦合器122輸入摻鉺光纖110內(nèi)。光泵浦源124發(fā)出的一個光泵浦信號也經(jīng)該WDM耦合器輸入到該摻鉺光纖110內(nèi)。摻鉺光纖110發(fā)出的放大輸出信號通過一個第二光隔離器126輸出。光隔離器126，120用于分別消除從輸出口進入摻鉺光纖110內(nèi)的向后的反射，和從摻鉺光纖110到輸入口的向后的反射。如圖1所示，可以朝前方泵浦出摻鉺光纖110，或者朝后方泵浦出，或者朝兩個方向泵浦出。由于光纖增益介質(zhì)的廣泛性，圖1的構(gòu)造產(chǎn)生的增益超過大的帶寬。例如，在圖1的構(gòu)造中已經(jīng)使用了摻鉺的碲光纖和摻鉺的硫族化物光纖。如Y.Ohishi，et al.，Gain characteristics of tellurite-based erbium-dopedfiber amplifiers for 1.5m broadband amplification，Optics Letters，Vol.23，No.4，F(xiàn)ebruary 1998，pp.274-276所述，使用碲光纖已經(jīng)產(chǎn)生了大約80納米的增益帶寬。
當該光纖基質(zhì)是硅基玻璃時，用一個單光纖不能夠提供超過整個帶寬(大約1525納米到1610納米)的增益。作為替換，需要在兩個相鄰光譜區(qū)域之間產(chǎn)生增益，接著將從該注意得到的輸出組合起來。一種獲得較寬增益帶寬的一般方法是使用混合的放大器，其中兩個或多個由不同基質(zhì)組成的放大器連接起來。這些放大器設(shè)計成能夠提供互相補充的增益譜，因此產(chǎn)生比只用任何一個時更大的總增益帶寬。通過在一個硅基EDFA后連接一個氟基EDFA，該方法已經(jīng)成功地得到了證實，該方法產(chǎn)生了17納米的0.5-dB-帶寬。(見P.E.Wysocki，etal.，Dual-stage erbium-doped，erbium/ytterbium-codoped fiber amplifierwith up to+26-dBm output power and a 17-nm fiat spectrum，OpticsLetters，Vol.21，November 1996，pp.1744-1746.)。最近，對兩個氟基EDFA采用了相同的概念。(見Y.Sun，et al.，80nm ultrawidebanderbium-doped silica fibre amplifier，Electronics Letters，Vol.33，No.23，November 1997，pp.1965-1967.)圖2表示具有兩個EDFA 210和220的一例構(gòu)造200。一個EDFA用于放大C帶寬(大約1525-1565納米)，另一個EDFA(上EDFA)用于放大L帶寬(大約1565-1620納米)。這兩個EDFA 210，220都包括各自的泵浦源(未示出)，它們使用各自的WDM耦合器與摻鉺光纖耦合，如圖1所示。間隔開一定量的不同波長的輸入信號隨一個WDM耦合器230分成兩部分，放大的輸出信號在一個輸出耦合器232內(nèi)結(jié)合。一個輸入光隔離器240和一個輸出光隔離器242如上述那樣工作。由于WDM耦合器230，波長比1565納米短的信號耦合到下面的分支內(nèi)，傳播到C帶EDFA 210，波長比1565納米大的信號耦合到上部分支內(nèi)，傳播到L帶EDFA 22。(實際上，在C帶和L帶之間有避免兩邊內(nèi)信號重疊的窄的保護帶)。例如，硅基EDFA可以設(shè)計成具有一個在1568-1602納米的范圍內(nèi)增益譜平穩(wěn)度在0.5dB內(nèi)的L帶。該增益平穩(wěn)度可以部分地通過選擇適當?shù)墓饫w長度或采用過濾器獲得。這兩種方法都是本領(lǐng)域公知。
C帶EDFA 210和L帶EDFA 220可以由相同的摻鉺光纖，或者由不同的光纖構(gòu)成，或者由不同的基質(zhì)材料構(gòu)成。C帶和L帶EDFA 210，220在設(shè)計上可以各自不同，尤其是泵浦波長、泵浦構(gòu)造和光纖長度不同。
L帶EDFA 220的上限大約為1610納米。一些研究團體已經(jīng)做了大量的努力來通過調(diào)整基質(zhì)材料增加該上限。進一步增加該上限的困難在于對于碲玻璃而言在1620納米左右和對于硅玻璃而言在1610納米左右存在信號激發(fā)狀態(tài)吸收(ESA)。該ESA構(gòu)成不希望有的信號損失機理。根據(jù)這些結(jié)果，現(xiàn)在的硅基(上面引用的Y.Sun等)和氟基EDFA(上面引用的S.Kawai等)的帶寬記錄大約為80-85納米(即，與上面引用的Y.Ohishi等的文章內(nèi)公開的碲基EDFA帶寬記錄相同)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明一方面在于提供一種在一個加寬的光帶寬上放大光輸入信號的方法。該方法包括摻有稀土的非晶Y2SiO5。這些光輸入信號包括至少一個具有第一波長的第一光信號和一個具有第二波長的第二光信號，其中第二波長大于第一波長。該方法包括對光波導(dǎo)施加泵浦光，使所述波導(dǎo)給光輸入信號提供光增益，以便至少放大所述第一光信號和第二光信號。
在該方法的一個實施例中，非晶材料是摻有鉺的Y2SiO5，第二波長大約比第一波長長160納米?；蛘撸蔷2SiO5材料也可以摻有鉺和鐿。
在該方法的第二實施例中，該非晶材料是Lu3Al5O12，第二波長大約比第一波長長160納米。
在該方法的第三實施例中，該非晶材料是Y3Ga5O12，第二波長大約比第一波長長140納米。
在該方法的第四實施例中，該非晶材料是Ca2Al2SiO7，第二波長大約比第一波長長130納米。
在該方法的第五實施例中，該非晶材料是Y3Sc2Ga3O12，第二波長大約比第一波長長130納米?；蛘撸摲蔷3Sc2Ga3O12材料也可以摻有鉺和鐿。還或者，該非晶Y3Sc2Ga3O12材料也可以摻有鉺和鉻。
在該方法的第六實施例中，該非晶材料是Bi4Ge3O12，第二波長大約比第一波長長125納米。
在該方法的第七實施例中，該非晶材料是GdAlO3，第二波長大約比第一波長長125納米。
在該方法的第八實施例中，該非晶材料是SrY4(SiO4)3O，第二波長大約比第一波長長125納米。
在該方法的第九實施例中，該非晶材料是LiYF4，第二波長大約比第一波長長110納米。
在該方法的第十實施例中，該非晶材料是CaF2-YF3，第二波長大約比第一波長長110納米。
在該方法的第十一實施例中，該非晶材料是YVO4，第二波長大約比第一波長長90納米。
在該方法的第十二實施例中，該非晶材料是LiErYP4O12，第二波長大約比第一波長長80納米。
本發(fā)明的另一個方法是一種能夠在一個擴展的光帶寬上放大光輸入信號的光放大器。該光放大器包括一個提供光泵浦光的光泵浦源，和一個包括一種摻有稀土的非晶材料的光波導(dǎo)。該光波導(dǎo)光耦合接收來自光泵浦源的光泵浦光。該光波導(dǎo)接收具有多個波長的光輸入信號。這些光輸入信號包括至少一個具有第一波長的第一光信號和至少一個具有比第一波長更大波長的第二波長的第二光信號。該泵浦光在泵浦波長處有一個泵浦波長和強度，使光波導(dǎo)提供光增益，以便至少放大所述第一光信號和第二光信號。
在該裝置的一個實施例中，非晶材料是摻有鉺的Y2SiO5，第二波長大約比第一波長長160納米?；蛘撸蔷2SiO5材料也可以摻有鉺和鐿。
在該裝置的第二實施例中，該非晶材料是Lu3Al5O12，第二波長大約比第一波長長160納米。
在該裝置的第三實施例中，該非晶材料是Y3Ga5O12，第二波長大約比第一波長長140納米。
在該裝置的第四實施例中，該非晶材料是Ca2Al2SiO7，第二波長大約比第一波長長130納米。
在該裝置的第五實施例中，該非晶材料是Y3Sc2Ga3O12，第二波長大約比第一波長長130納米?；蛘?，該非晶Y3Sc2Ga3O12材料也可以摻有鉺和鐿。還或者，該非晶Y3Sc2Ga3O12材料也可以摻有鉺和鉻。
在該裝置的第六實施例中，該非晶材料是Bi4Ge3O12，第二波長大約比第一波長長125納米。
在該裝置的第七實施例中，該非晶材料是GdAlO3，第二波長大約比第一波長長125納米。
在該裝置的第八實施例中，該非晶材料是SrY4(SiO4)3O，第二波長大約比第一波長長125納米。
在該裝置的第九實施例中，該非晶材料是LiYF4，第二波長大約比第一波長長110納米。
在該裝置的第十實施例中，該非晶材料是CaF2-YF3，第二波長大約比第一波長長110納米。
在該裝置的第十一實施例中，該非晶材料是YVO4，第二波長大約比第一波長長90納米。
在該裝置的第十二實施例中，該非晶材料是LiErYP4O12，第二波長大約比第一波長長80納米。


下面將結(jié)合附圖描述本發(fā)明的這些和其它方面。
圖1表示一例包括一個摻鉺光纖的標準EDFA構(gòu)造；圖2表示一例有兩個EDFA的構(gòu)造，其中一個EDFA放大C帶，另一個EDFA放大L帶；圖3表示非晶YAG光纖和在摻有各種濃度的鉺和在980納米下用大約45毫泵浦出的非晶鑭替代YAG光纖；圖4表示該非晶YAG光纖和該非晶鑭替代YAG光纖的向后熒光譜測量譜；圖5表示鉺摩爾濃度增加對摻鉺非晶YAG和摻鉺非晶鑭替代YAG的向前和向后的帶寬的影響；圖6A表示摻鉺1％的非晶YAG光纖輻射的熒光的暫時衰變(張馳)；圖6B表示摻鉺5％的非晶YAG光纖輻射的熒光的暫時衰變(張馳)；圖7表示鉺濃度對摻鉺非晶YAG光纖熒光的快光(下部曲線內(nèi)的方形標記)和慢光(上部曲線內(nèi)的圓形標記)的影響；圖8表示用于實現(xiàn)本發(fā)明的方法的第一實施例的一種放大器的第一構(gòu)造；圖9表示用于實現(xiàn)本發(fā)明的方法的第二實施例的一種放大器的第二構(gòu)造；圖10表示一個包括單一長度的摻鉺非晶YAG光纖的前L帶放大器；圖11表示類似圖8的構(gòu)造但是卻具有用做L帶放大器的更長的摻鉺非晶YAG光纖的一種放大器構(gòu)造；圖12表示一種L帶放大器的構(gòu)造，其中一個摻鉺非晶YAG光纖位于兩個WDM耦合器之間，這些耦合器接收各個泵浦信號，向前后兩個方向泵浦出摻鉺的非晶YAG光纖；圖13表示一種包括兩個由一個WDM耦合器串聯(lián)連接的摻鉺非晶YAG光纖的L帶放大器的構(gòu)造，其中帶有引向前泵浦第二光纖的泵浦光；圖14表示一種包括由一個WDM多路復(fù)用器串聯(lián)連接的第一摻鉺非晶YAG光纖和第二摻鉺非晶YAG光纖的放大器構(gòu)造，其中帶有引向后泵浦第二光纖的泵浦光；圖15表示從圖6A和6B所示相同熒光衰變曲線測量的熒光功率的1/e衰變時間常數(shù)，其中1/e時間常數(shù)代表快和慢時間常數(shù)的平均值；圖16-23是國際專利申請PCT/US97/00466中附圖的再現(xiàn)，該專利申請的申請日是1997年1月9日，公開于1997年7月17日，國際公開號為WO97/25284，其附圖和說明書在此引入用于說明一種制造一種光纖的方法，用于完成本發(fā)明，其中圖16表示一種制造光纖的方法的光纖插入管拉制系統(tǒng)的一個實施例的示意圖；圖17表示根據(jù)WO97/25284的原理，沿相反的方向從過冷和漂浮的融化物中拉制光纖的一種方法的一個實施例；圖18表示根據(jù)WO97/25284的原理，從保持在圓錐形噴嘴漂浮器中的過冷融化物內(nèi)拉制光纖的一種方法的一個實施例；圖19表示漂浮和融化在空氣聲學漂浮器內(nèi)的0.3cm直徑富鋁紅柱石(mullite)樣品的典型冷卻曲線圖；圖20表示典型的鋁-硅相圖；圖21表示從保持在非等溫容器內(nèi)的過冷融化物中拉制光纖的一種方法的一個實施例；圖22表示富鋁紅柱石接近融化溫度的行為的一部分異常鋁-硅相圖；及圖23表示含富鋁紅柱石成分的玻璃光纖的典型張力測試結(jié)果圖；圖24表示摻鉺結(jié)晶鋁石榴石(LuAG)的熒光譜。
具體實施例方式
本發(fā)明涉及一種在較寬的增益帶寬上放大光信號的方法。該方法部分依賴使用一種具有較寬熒光(fluorescent)帶寬的光纖。更具體而言，Containerless Research公司(CRI)最近已經(jīng)研制了一種由固體均衡融化點下形成幾乎無粘液體的材料制造光纖和少量樣品的方法。(見J.K.R.Weber，et al.，Glass fibers of pure and erbium orneodymium-doped yttria-alumina compositions，Nature，Vol.393，1998，PP.769-771；及Paul C.Nordine，er al.，F(xiàn)iber Drawing fromUndercooled Molten Materials，其國際公開號為WO97/25284，公開于1997年7月17日)。該國際專利申請在此引入作為參考。該國際專利申請的詳細描述作為本申請說明書的一部分給出。
該方法包括完全融化一種固體，在處于或稍微高于結(jié)晶材料均衡融化點處形成一種成分均勻的液體。為了獲得支持光纖拉制所要求的粘性，要把該液體過冷(即冷卻到其均衡融化點以下)。使用過冷來增加粘性在該方法中是一個主要步驟。接著從該粘性的過冷液體中拉制玻璃光纖。
該光纖合成方法的一個實施例使用無容器處理技術(shù)，能夠避免接觸固體容器壁產(chǎn)生的復(fù)相成核，允許深冷到低于結(jié)晶先兆材料融化點的溫度。無容器處理技術(shù)消除了接觸外部物體(例如坩堝帶來的液體污染)。它們還可以用于從各種氧化材料中合成直徑2-3毫米的玻璃球體。(例如見J.K.R.Weber，et al.，Enhanced Formation of Calcia-GalliaGlass by Containerless Processing，J.Am.Geram.Soc.Vol.76，No.9，1993，pp.2139-2141；及J.K.R.Weber，et al.，Aeroacoustic lebitation-Amethod forcontainerless liquid-phase processing at high temperatures，Rev.Sci.Instrumen.，Vol.65，1994，pp.456-465)。新的光纖制造工藝已經(jīng)應(yīng)用于很多種既不含有二氧化硅(硅石)也不含有任何其它通過傳統(tǒng)光纖制造技術(shù)制造的典型玻璃光纖成分的“網(wǎng)絡(luò)”形成物。該方法允許生成直徑通常為10-30微米長達1米的光纖。
一種可以通過該方法制造的原型材料是Y3Al5O12成分。本申請中討論的這些材料是通過在材料內(nèi)用鑭(La)，鐿(Yb)和/或鉺(Er)替代釔(Y)原子形成的組分的改型。這些材料由純氧化物按一定重量的混合物合成，這些氧化物是Y2O3，Al2O3，La2O3，Yb2O3，Er2O3，每種組分的稱重誤差大約占總質(zhì)量0.5克的0.5毫克。純氧化物的純度是99.999％，比325粉末小，可以從Cerac，of Milwaukee，Wisconsin獲得。對于含Er2O30.5摩爾％的一種成分，使用Yb2O3∶Er2O3等于9∶1的“母合金”能夠容易稱量摻雜劑。這些氧化物成分的混合物融化在激光爐融化器內(nèi)，首先融化并攪勻0.5克的樣品，然后通過再次融化物體內(nèi)的碎片來獲得大約3毫米的球體。(例如見J.K.R.Weber，et al.，Laserhearth melt processing of ceramic materials，Rev.Sci.Instrum.，Vol.67，1996，pp.522-524)。這些球體接著由激光光束在一個空氣聲學懸浮器(例如如J.K.R.Weber，et al.，Aero-acoustic levitation-A method forcontainerless liquidphase processing at high temperatures，Rev.Sci.Instrumen.，Vol.65，1994，pp.456-465中所述的)或在一個錐形噴嘴懸浮器(如J.P.Coutures，et al.，Contactless Treatments of Liquids in a LargeTemperature Range by an Aerodynamic Levitation Debice under LaserHeating，Proc.6thEuropean Symposium on Materials under MicrogravityConditions，Bordeaux，F(xiàn)rance，December 2-5，1986，pp.427-30；J.K.R.Weber，et al.，Containerless LiquidPhase Processing of Ceramic Materials，Microgravity Sci.Technol.，Vol.7，1995，pp.279-282；S.Krishnan，et al.，Levitation apparatus for structural studies of high temperature liquids usingsynchrotron radiation，Rev.Sci.Instrum.，Vol.68，1997，pp.3512-3518所述)中受熱得到懸浮和融化。
在無容器條件下，切斷加熱激光光束的電源使液體樣品迅速冷卻到室溫可以制備玻璃球?？梢酝ㄟ^減少加熱激光器的功率直到液體溫度為1600°-1700°K來制備玻璃光纖，其中液體粘性足以進行光纖牽引。接著將鎢絲插入管迅速插入融化物中，并以恒定的的大約為100厘米/秒的速度抽出來從該融化物中牽引光纖。上述部分過程描述在Paul C.Nordine，et al.，F(xiàn)iber Drawing from Undercooled Molten Materials中，它是公開號為WO97/25284的國際專利申請，公開于1997NA年7月17日，在此公開了其中的一部分。
純Y3Al5O12的結(jié)晶形態(tài)公知的是釔鋁石榴石或簡稱為YAG。這里所述的“YAG”指結(jié)晶材料。摻有釹離子(Nd3+)是將要論證的最早和最成功的激光器材料。釹-YAG(Nd:YAG)激光器可以購買已經(jīng)有25年之多，他們現(xiàn)在仍然是一個最有效和功率最高和最廣泛使用的激光器。相反，這里論述的Y3Al5O12成分的非晶光纖將被稱作非晶YAG，由鑭替代的Y3Al5O12光纖將被稱為由非晶鑭替代(或由La替代)的YAG光纖。
YAG和這里論述的材料有兩個主要差別。首先，這里描述的材料不同，因為它們與YAG相比是非晶的玻璃材料，它是一種結(jié)晶材料。其次，這里論述的材料含有鑭(La)原子，鐿(Yb)原子，和/或鉺(Er)原子取代Y3Al5O12成分中的一些釔(Y)原子。這里討論的材料將被稱為摻鉺非晶YAG，摻鐿非晶YAG，非晶鑭替代YAG或非晶YAG。該術(shù)語源于不同的目的，用于鉺原子，鐿原子和鑭原子替代釔原子。鉺原子和鐿原子替代在基質(zhì)玻璃材料內(nèi)的光學活性摻雜劑。
元素釔、鑭、鉺和鐿是“稀土”族元素，即這些元素的原子序數(shù)為21、39、57到71個。這些稀土元素有+3的原子價，盡管一些稀土元素尤其是鐿也會有+2的原子價。該說明書中合成的所有材料的一般化學式都可以書寫為RE3Al5O12，其中“RE”的下標“3”代表Y、La、Er、Yb的總量。這些玻璃球和光纖含有鑭和或鉺，并在空氣、純氬氣或純氧氣中制造。盡管在此已經(jīng)針對前面的稀土元素進行了描述，但是可以理解也可以使用其他稀土材料。
用鑭原子、鉺原子和鐿原子替代釔原子合成的非晶YAG成分的材料的化學成分由表I給出


摻雜的和替代的非晶YAG材料的一個最吸引人的特點是他們可以摻有很高濃度的Er3+、Yb3+或其他稀土離子。能夠在玻璃中得到的最大濃度取決于Er2O3在玻璃中的溶解率。如果稀土氧化物在玻璃融化物中的濃度太高，那么結(jié)晶氧化物粒子沉淀在基質(zhì)內(nèi)。這些結(jié)晶粒子通常是對具有該材料的激光器和放大器性能有害的。限制一些材料尤其是硅基玻璃內(nèi)摻雜物濃度的第二個因素是基質(zhì)材料內(nèi)溶解的摻雜物離子簇的形成，該形成發(fā)生在在濃度小于危害氧化物粒子規(guī)定濃度的濃度下。
不象鉺離子那樣均勻地分布在基質(zhì)中，成簇的鉺離子受到一種公知的交叉馳豫的有害過程。(例如見J.L.Wagener，et al.，modeling ofion pairs in erbium-doped fiber amplifiers，optics Letters，Vol.19，March1994，pp.347-349)。通過該過程，當兩個離子受到光激發(fā)成為亞穩(wěn)定(激光器)狀態(tài)時，其中的一個離子迅速失去了其能量，把能量給了另外一個離子，導(dǎo)致了不希望出現(xiàn)的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)損失和光增益的巨大減少。在硅基玻璃中，在該作用變得顯著之前，可以使用的最大鉺濃度大約為百萬分之100(ppm)摩爾Er2O3。為了避免這種影響，絕大多數(shù)硅基光纖激光器和放大器使用少于500ppm摩爾的Er2O3。這個數(shù)字在氟基光纖中是比較高的，其中幾千ppm的濃度是可以接受的。(例如見J.S.Sanghera，et al.，Rare earth doped heavy-metal fluoride glass fiber，inRare Earth Doped Fiber lasers and Amplifiers，M.J.F.Digonnet，Ed.，MarcelDekker，Inc.，N.Y.，1993)。在碲光纖中，該數(shù)字是幾千ppm，即一摩爾百分比的十分之幾。(見Y.Ohishi，et al.，Gain characteristics oftellurite-based erbium-doped fiber amplifiers for 1.5-μm broadbandamplification，Optics Letters，Vol.23，No.4，F(xiàn)ebreary 1198，pp.274-276)。這些濃度限制的主要后果是單位長度上如此多的離子都能夠被組合在一個光纖內(nèi)，長光纖用于制造有用的裝置，這樣成本高、體積大。例如，一種典型的硅基EDFA要求數(shù)十米長度的摻雜光纖。
人們已經(jīng)對摻有Er3+的新玻璃材料的光譜性能的早期實驗研究。這些研究的一個目的是給這些材料添加新的幾個光學性能，或者是球體或者是光纖形態(tài)的。尤其是，該研究是將材料的吸收和輻射交叉部分引向是否存在簇(交叉馳豫)和在這樣的濃度，熒光光譜的帶寬(它反映該材料的增益帶寬)。
為了光學特征的目的，將長度短的摻鉺非晶YAG光纖插入毛細管內(nèi)，接著與UV熟化環(huán)氧樹脂結(jié)合，然后拋光。通常在相同的毛細管內(nèi)安裝四到五個具有相同基質(zhì)和鉺濃度的光纖。制備幾個毛細管，其中每個都具有幾種濃度(百分之0.5，1，2，5，8摩爾的Er2O3)。這些光纖是暴露的。這些光纖的外徑大約為30-15微米或更小，在拋光后光纖的長度為大約5毫米或大約為10毫米。已經(jīng)對兩種新的氧化物玻璃基質(zhì)成分進行了實驗，也就是非晶YAG(Y3Al5O12，用鉺替代Y)和非晶鑭替代YAG光纖，其中50％的釔用鑭替代(La1.5Y1.5Al5O12，用鉺替代La和Y)。對于所有測量，這些光纖用980納米50毫瓦的光功率從市場上可以購買的辮狀光纖激光器二極管泵浦出。
通過測量輸出和輸入泵浦功率的比值，然后假定泵浦入光纖內(nèi)的耦合為100％，并在每個光纖端部修正菲涅爾(Fresnel)反射(大約8.3％)，可以測量光纖吸收。菲涅爾反射是在假定材料的折射系數(shù)與晶體YAG的折射系數(shù)相同的情況下計算的，該系數(shù)在這些波長下大約為1.8。從這些數(shù)據(jù)可以推倒出吸收系數(shù)αa，以及吸收交叉部分σa＝αa/N0，其中N0是光纖中的鉺濃度。在具有兩種不同濃度的幾種樣品中觀察到的平均值是σa＝2.4*10-21cm2。它能夠與標準值為2.2*10-21cm2的摻鉺硅光纖相比。
圖3表示在非晶YAG光纖內(nèi)和非晶鑭替代YAG光纖內(nèi)測量的熒光譜，其中光纖長度為0.5-1.0厘米，直徑為30微米，摻有各種濃度的鉺，在980納米以大約45毫瓦泵浦出。這些譜是從前方測出的，即該譜代表按照與光纖的泵浦出方向相同的方向輻射出的熒光。所有光譜都是寬的，并且不受摻鉺晶體的轉(zhuǎn)變線的影響。該觀察證實了X線衍射分析的結(jié)果，它表明從YAG成分的過冷液體中牽引的光纖是非晶的。(例如見J.K.R.Weber，et al.，Glass fibers of pure and erbium orneodymium-doped yttria-alumina compositions，Nature，Vol.393，1998，pp.769-771)。在鉺濃度低的光纖中，該譜表現(xiàn)出的特性是在其他氧化物玻璃內(nèi)通常具有低功率的Er3+熒光譜，即峰值在1530納米左右，平的側(cè)翼大約為1550納米。在較高濃度下，這些特性變得不明顯，光譜朝長波長移動，因為泵浦功率不足以激發(fā)所有鉺離子，基態(tài)吸收篩選出1530-1550納米帶寬(C帶)。在這些光纖中，L帶(波長大于1565納米)更突出。該材料的L帶極寬。在1厘米和摻雜8％的光纖內(nèi)，L帶拓寬到1653納米。人們已經(jīng)觀察到3dB熒光帶寬在1厘米和摻雜5％YAG光纖內(nèi)達到116納米。這遠遠高于以前報道的任何基質(zhì)內(nèi)的鉺轉(zhuǎn)變帶寬。作為一個比較點，在1650納米的標準摻鉺硅基光纖內(nèi)，熒光功率通常從1530納米下降50dB。相反，在本發(fā)明的非晶YAG光纖內(nèi)，熒光功率只減少大約12dB(見圖3)。這可以解釋成一種熒光光譜，該譜從20-40納米進一步拓寬到比摻鉺硅基光纖更長的波長。
后熒光光譜表示在圖4中，其中表示了C帶的特點，如期望的那樣，但是這里的光譜也非常寬。在0.5厘米摻雜8％的YAG光纖中，對于后光譜觀察到的最高3-dB的帶寬是121納米。
前和后熒光帶寬通常都隨濃度的增加而增加，如圖5所示。鉆石代表摻鉺非晶YAG，而圓圈表示摻鉺非晶鑭替代YAG。前和后熒光分別由實心和空心符號表示。在實驗誤差內(nèi)，這兩種材料都具有大體相同的性能。
通過在輸入泵浦束路徑內(nèi)放置一個80MHz的聲光調(diào)制器(acousto-optic modulator)，將泵浦強度調(diào)制成大約20毫秒長和衰減時間短(大約5毫秒)的方脈沖可以測量熒光的臨時馳豫。接著用快速光電探測器記錄在每個泵浦脈沖之后光纖輻射的熒光的臨時衰減。對于低的濃度，馳豫曲線表現(xiàn)出單指數(shù)衰減，如圖6A中對于1％摻鉺非晶YAG光纖所示的。對于較高的鉺濃度，馳豫曲線不再是單指數(shù)的，而是隨時間增加的具有時間常數(shù)的指數(shù)衰減。對于5％摻鉺非晶YAG光纖，這表示在圖6B中。該曲線隨時間常數(shù)τ1開始衰減。隨時間變化，該常數(shù)增加(衰減斜率)，直到在衰減曲線的下端時間常數(shù)達到漸進值τ2(比τ1大)。
圖6A和6B中另一個顯著的重要結(jié)果是這些光纖基本不受鉺簇影響，即使在最高濃度下。如果出現(xiàn)這些簇，那么馳豫曲線表現(xiàn)出首先由于簇離子而非常快的馳豫成分，然后由于非成簇離子的慢成分。(例如見P.F.Wysocki，et al.，Evidence and modeling of paired ions and otherloss mechanisms in erbiim-doped silica fibers，in SPIE Proceedings onFiber Laser Sources and Amplifiers IV，Vii.1789，1993，pp.66-79)。在其他材料中，快速成分通常比輻射壽命小2-3個數(shù)量極(即期望它為100微秒以下)。每個有觀察到這種成分的事實表明在這兩個新基質(zhì)中存在可忽略的鉺離子簇，其濃度達到在非晶YAG中80％，這大約比硅基玻璃中無簇濃度的高600倍。
從對所有濃度測量的衰減曲線中推導(dǎo)出的壽命τ1和τ2繪制在圖7中。方形代表快速成分(τ1)的壽命，圓圈代表慢速成分(τ2)的壽命，實心和空心符號分別代表非晶YAG基質(zhì)光纖和非晶鑭替代YAG基質(zhì)光纖。兩個壽命都隨鉺濃度的增加而單調(diào)減少，如通常在其他基質(zhì)中觀察到的那樣。慢成分τ2是輻射壽命。在5％和8％的YAG光纖內(nèi)測量的最低輻射壽命大約是4毫秒，而最短壽命是0.6-1.0毫秒(也是在這些材料內(nèi))。相比之下，在現(xiàn)在作為商業(yè)EDFA的碲玻璃內(nèi)的鉺的壽命為幾毫秒，而在硅基玻璃內(nèi)通常為8-10毫秒。
為了更好地估算兩種材料的相對性能，圖15表示了從與圖6A和6B相同的熒光衰減曲線中測量的熒光功率的1/e衰減時間常數(shù)。1/e時間常數(shù)代表快時間常數(shù)和慢時間常數(shù)的平均值，在某種意義上，它提供鉺離子激發(fā)狀態(tài)的測量平均壽命(該平均壽命尤其部分控制放大器的動力學和飽和性能)。圖15表示1/e壽命隨鉺濃度增加單調(diào)減少，鑭替代材料內(nèi)的鉺有較短的壽命，盡管這兩種材料的差異在實驗誤差內(nèi)。結(jié)論是在兩種材料內(nèi)的鉺表現(xiàn)出大致相同的帶寬和相同的壽命，比非晶YAG稍微有利。
玻璃光纖摻有一種以上的稀土離子，利用了兩種或兩種以上摻雜機物樣品材料相互作用的優(yōu)點。例如，摻鉺光纖摻有Yb3+，能夠泵浦出接近1.06微米的鉺離子。(例如，見J.E.Townsend，et al.，Yb3+sensitised Er3+doped silica optical fibre with ultrahigh transfer efficiencyand gain，Electronics Letters，Vol.10，No.21，1991，pp.1958-1959)。原因是在某些方面對泵浦出大約1.06微米的EDFA(其他摻鉺光纖裝置)，一種可以在更大功率下可以得到的低成本的激光波長，它來自商業(yè)Nd:YAG激光或覆層的摻釹光纖激光器，比現(xiàn)在用做泵浦源的980納米和1480納米的激光器二極管更有利。Er3+不能表現(xiàn)出1.06微米的吸收帶，但是Yb3+可以。在摻有Er3+和Yb3+和泵浦出的接近1.06微米的光纖中，泵浦能量由Yb3+離子吸收。由于Yb3+(2F5/2)的激發(fā)狀態(tài)具有的能量與Er3+的4I11/2能級(level)相近，該激發(fā)的Yb3+離子的能量迅速轉(zhuǎn)移到鄰近的Er3+離子的4I11/2能級。來自該4I11/2能級的下一個馳豫將鉺離子帶到潛在的激發(fā)狀態(tài)(4I13/2能級)。實際上，鐿離子通過吸收泵浦和將所需能量傳遞給鉺離子而作為中介物。該原理在光纖中的使用目的與上述表I中最后的項目中表示的摻鐿/鉺的非晶YAG光纖的相同。
在摻有鉺之外的其它稀土離子的玻璃光纖也已經(jīng)被證實具有其他光纖和波導(dǎo)裝置的潛在商業(yè)重要性。尤其是，連續(xù)波(CW)、Q開關(guān)和模式鎖定的光纖激光器，無論工作在從紫外光直到遠紅外光都已經(jīng)被證實了。(例如見Rare Earth Doped Fiber Lasers and Amplifiers，M.J.F.Digonnet，Ed.，Marcel Dekker，Inc.，New York，1993)。上述這些實驗結(jié)果，已經(jīng)用Er3+的4I13/2→4I15/2轉(zhuǎn)換收集在一起，但是他們的普遍性不應(yīng)該被忽略。
這里描述的摻鉺非晶YAG光纖的特點是能夠提供一種在比現(xiàn)有裝置和方法提供的帶寬更寬的帶寬上放大輸入信號的方法。通過用摻鉺非晶YAG光纖替代硅基摻鉺光纖，與現(xiàn)有公知放大器大約為1620納米的上限相比，同樣的放大器構(gòu)造在大約擴展到1650納米的帶寬上提供放大作用。
采用本發(fā)明的方法的第一構(gòu)造800表示在圖8中。圖8與圖1相似，但是在圖8中，傳統(tǒng)摻鉺光纖110被摻鉺非晶YAG光纖810取代。為與上述圖1相關(guān)聯(lián)，還包括一個第一光隔離器820，一個波分多路復(fù)用(WDM)耦合器822，一個第二光隔離器824，和一個光泵浦源830。
圖8中的本發(fā)明的方法的操作與圖1中的EDFA 100的操作相似。但是，與圖1中的構(gòu)造的操作方法相對照，施加于圖8中實施例的光信號包括大約1610納米-1653納米的L帶上部范圍內(nèi)的波長。由于摻鉺非晶YAG光纖810的帶寬加寬，波長為1610-1653的光信號在摻鉺非晶YAG光纖10內(nèi)得到放大。因此，與以前構(gòu)造的操作方法相比，圖8的構(gòu)造的操作方法提供了一個加寬的增益帶寬。換言之，除了泵浦朝后輸入或朝前后兩個方向輸入之外，可以采用與圖8相同的方案。
圖3表示非晶YAG材料和非晶鑭替代YAG材料的C帶都極寬，該C帶加寬到大約1481納米(3-dB點)。例如，在0.5厘米和摻鉺8％的非晶YAG光纖中，4I13/2→4I15/2轉(zhuǎn)換譜中主要也是含有更短波長部分的后熒光譜大約從1482納米擴展到1603納米(3dB點)。本發(fā)明的另一方面是一種操作采用圖8的構(gòu)造的C帶放大器來放大波長大約為1480納米或高于1480納米到1565納米或低于1565納米多個信號的方法。該范圍中較低的波長即約1480納米大體低于其它公知基質(zhì)內(nèi)相同轉(zhuǎn)換Er3+報告的值。
圖9表示使用本發(fā)明的方法的又一個構(gòu)造900。圖9的構(gòu)造900與圖2的構(gòu)造200相同，并包括一個較低C帶EDFA 910和一個較高的L帶EDFA 920。這些輸入光信號通過一個WDM耦合器930與EDFA910和920耦合。EDFA 910和920的輸出在耦合器WDM 932內(nèi)結(jié)合，這些組合輸出提供給一個輸出口。每個EDFA 910和920夠有一個或多個各自的泵浦源(未示出)。在圖9中，較高的(L帶)EDFA 920包括一個上述的摻鉺非晶YAG光纖940。較低的(C帶)EDFA 910也包括一個摻鉺的非晶YAG光纖950，但是，較低EDFA 910和較高EDFA 920還可以是一種使用傳統(tǒng)硅基或其他玻璃基光纖的傳統(tǒng)EDFA。第一光隔離器60防止從EDFA 910、920到輸入口內(nèi)的后反射。第二光隔離器962防止從輸出口到EDFA910和920內(nèi)的后反射。
通過施加波長為約1481納米或低于1481納米到大約1653納米或高于1653納米的輸入光信號，采用圖9中的構(gòu)造900操作。該WDM耦合器930分開輸入光信號，使波長小于約1565納米的輸入光信號與較低EDFA 910耦合，使波長大于約1565的輸入光信號與較高EDFA920耦合。較低EDFA 910放大范圍大約為1481納米-1565納米的信號，通過耦合器932給輸出口提供放大后的輸出信號。較高的EDFA920放大大約1565納米-1653納米范圍內(nèi)的信號，通過耦合器932給輸出口提供放大信號。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員可以理解，光輸入信號內(nèi)的靜帶可以在1565納米附近提供，排除通過EDFA 910和920在該波長下放大信號。如前所述，在較高EDFA 920或較低EDFA 920或這兩個EDFA內(nèi)使用摻鉺非晶YAG在比以前更大的帶寬上提供放大作用。
圖9中的較高(L帶)EDFA 920也可以如圖19-14中所述實施例之一那樣構(gòu)成。
圖10表示如上所述的那樣具有一個單一長度1010的摻鉺非晶YAG光纖的前L帶放大器1000。該光纖1010由一個光泵浦源1020通過一個第一WDM耦合器1022的一個輸入泵浦。輸入口1030的輸入光信號通過一個第一光隔離器1032和一個第一WDM耦合器1022的第二輸入提供給輸出口1034。光纖1010的輸出通過一個第二光隔離器1036提供給輸出口1034。圖10中的放大器1000的輸入口1030與圖9中的WDM耦合器930的上輸出口耦合，輸出口1034與圖9中的耦合器932的上述入口耦合。在圖10中，光泵浦源1020包括一個在第一光泵浦波長λp1下提供泵浦光的第一光泵浦1050和第二光泵浦波長λp2提供光泵浦波長的第二光泵浦1052。兩個泵浦1050，1052的輸出在第二WDM耦合器1054內(nèi)耦合。第二WDM耦合器1054的輸出作為復(fù)合泵浦信號提供給第一WDM耦合器1022的第一輸入。這兩個泵浦信號可以按其他公知的方法多路傳輸。在一種最佳操作方法中，第一泵浦波長λp1為980納米或1480納米(或為優(yōu)選不受到泵浦激發(fā)狀態(tài)吸收的另一Er3+泵浦波長)，該第二泵浦波長λp2大約為1555納米。這些泵浦信號可以用半導(dǎo)體激光器或用其它固態(tài)激光器產(chǎn)生。這兩個波長λp1、λp2從第一WDM耦合器1022進入光纖1010內(nèi)。第一泵浦波長λp1與C帶EDFA內(nèi)的泵浦波長的作用相同。尤其是，第一泵浦波長λp1在光纖1010內(nèi)產(chǎn)生了粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，因此提供了增益。但是，該增益譜在C帶內(nèi)最大，L帶內(nèi)較弱。結(jié)果，在C帶內(nèi)同時輻射被大大地放大了，產(chǎn)生了一個很強C帶放大的同時輻射(amplified spontaneousemission，即ASE)，其在光纖1010的整個增益帶寬上使增益衰減，包括L帶內(nèi)的增益。因此，L帶內(nèi)的增益減少，通常L帶內(nèi)的增益太低而不具有實際使用價值。為了提高L帶的增益，C帶ASE被減少。在采用圖10構(gòu)造的操作方法中，C帶ASE被波長λp2的第二泵浦減少。第二泵浦的波長選擇為大約1555納米，與C帶內(nèi)的高增益區(qū)域一致。在進入光纖1010內(nèi)的波長λP2的泵浦得到很強地放大，導(dǎo)致C帶和L帶內(nèi)增益衰減。當時波長為的λP2泵浦在C帶ASE內(nèi)也顯著地減少了功率(例如見J.F.Massicott，et al.，Low noise operation of Er3+dopedsilica fibre amplifier around 1.6μm，Electronics Letters，Vol.28，No.20，Sept.1992，pp.1924-1925)。在C帶ASE內(nèi)減小的功率導(dǎo)致兩個帶內(nèi)增益增加。在這兩個相對立的效果中，后者占優(yōu)勢的，因此L帶增益增加，甚至優(yōu)于C帶增益。這種類型L帶放大器有良好的(低)噪音特征，但是其增益效率低(它需要一個高泵浦功率來產(chǎn)生一定的增益)。
圖11表示一個與圖8的構(gòu)造類似的構(gòu)造1100。該構(gòu)造1100包括一個前泵浦的摻鉺非晶YAG光纖1110。該光纖1110可以980納米或1480納米(另一個無ESA泵浦的鉺波長)通過一個WDM耦合器1130從光泵浦源1120泵浦出。第一和第二光隔離器1140和142如上述那樣操作。
圖11中表示的構(gòu)造是前泵浦構(gòu)造。后泵浦和雙向泵浦也是可能的。鉺在C帶內(nèi)表現(xiàn)出很強的基態(tài)吸收(GSA)，但是在L帶內(nèi)很少或沒有GSA。GSA隨著L帶內(nèi)波長的增加而減少。然后，隨著光纖1110的增加，在某些點處，C帶波長的GSA變得如此大，以致于對于給定泵浦功率沒有增益，在C帶內(nèi)反而是損失。另一方面，在L帶內(nèi)只有很少的GSA，可以獲得增益。因此，一種在L帶內(nèi)具有相當大的增益的常規(guī)放大器設(shè)計方法是選擇足夠長的光纖，例如，是相同類型光纖的C帶放大器要求的兩倍。該方法破壞了C帶的增益，極大地減少了C帶內(nèi)ASE。因此，圖11的構(gòu)造變成了一個可以與圖9中構(gòu)造的上邊結(jié)合的L帶放大器。
圖12表示L帶放大器的又一個構(gòu)造，該構(gòu)造與圖11所示放大器的構(gòu)造相似。該構(gòu)造1200包括一個位于WDM耦合器1220，1222之間的摻鉺非晶YAG光纖1210。第一WDM耦合器1222通過一個第一光隔離器1232與輸出口1240耦合。第二WDM耦合器1222通過一個第二光隔離器1242與輸出口1240耦合。一個第一光泵浦源1250通過第一WDM耦合器1220與該光纖1210耦合，在光纖1210內(nèi)沿從第一WDM耦合器1220朝第二WDM耦合器1222的方向傳播泵浦光。一個第二光泵浦緣1252通過該第二WDM耦合器1222與該光纖1210耦合，在光纖1210內(nèi)沿從第二WDM耦合器1222朝第一WDM耦合器1220的方向傳播泵浦光。因此，來自這兩個源的泵浦光在該光纖1210內(nèi)雙方向傳播。使用傳統(tǒng)摻鉺光纖的一種同樣的雙方向構(gòu)造例如公開在H.Ono，et al.，Gain-flattened Er3+-doped fiber amplifier for a WDM signal inthe 1.57-1.60-m wavelength region，IEEE Photonics Technology Letters，Vol.9，No.5，May 1997，pp.596-598中，其表示了一種使用常規(guī)的摻鉺硅光纖的的類似實施例。圖12的的構(gòu)造與圖11的構(gòu)造操作方式相同。朝后向提供泵浦光第二泵浦源1252用于調(diào)節(jié)增益譜。尤其是，該增益譜可以通過適當?shù)卣{(diào)節(jié)后泵浦功率而在很大L帶帶寬上被平穩(wěn)。
圖13表示一種L帶放大器的另一種構(gòu)造1300。該構(gòu)造1300包括兩個摻鉺的非晶YAG光纖13 10，1312，它們通過一個WDM耦合器1320串聯(lián)連接。尤其是，一個輸入口1330通過一個第一光隔離器1332與第一光纖1310的一端耦合。第一光纖1310的另一端與WDM耦合器1320的一個輸入連接。一個泵浦源1340與WDM耦合器1320的第二輸入連接。WDM耦合器1320的輸出與第二光纖1312的一端連接。第二光纖1312的另一端通過一個第二光隔離器1352與輸出口1350連接。泵浦源1340提供的泵浦光的波長優(yōu)選為大約980納米或約1480納米。泵浦源1340泵浦第二光纖1312，在第二光纖1312內(nèi)產(chǎn)生增益。第二光纖1312在后向產(chǎn)生放大的同時輻射(ASE)，即朝WDM耦合器1320輻射。來自第二光纖1312的ASE通過WDM耦合器1320耦合在第一光纖1310內(nèi)。該ASE中心大約為1550納米(C帶)，該ASE被第一光纖1310吸收。該第一光纖1310因此被光泵浦出，并在L帶區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生增益。例如見J.Lee，et al.，Enhancement of the powerconversion efficiency for an L-band EDFA with a secondary pumpingeffect in the unpumped EDF section，IEEE Photonics Technology Letters，Vol.11，No.1，Jan.1999，pp.42-44，其中表示了一個使用傳統(tǒng)摻鉺硅光纖的類似實施例。
圖14表示一個與圖13的構(gòu)造類似的構(gòu)造1400。該構(gòu)造1400包括通過一個WDM多路復(fù)用器1420串聯(lián)接的一個第一摻鉺非晶YAG光纖1410和一個第二摻鉺非晶YAG光纖14112。尤其是，一個輸入口1430通過一個第一光隔離器1432與第一光纖1410的一端耦合。第一光纖1410的另一端連接到WDM耦合器1420的輸入上。泵浦源1440連接到WDM耦合器1420的第二輸入上；但是，不象圖13那樣，泵浦源1440連接WDM耦合器1420的第二輸入上，與WDM耦合器1420的第一輸出相對。WDM耦合器1420的輸出連接第二光纖1412的一端。第二光纖1412的另一端通過一個第二光隔離器1452連接到一個輸出口1450。在構(gòu)造1400中，來自泵浦源1440的泵浦光直接到第一光纖1410上，第一光纖1410在1555納米周圍的ASE為第二光纖1412提供了泵浦光。圖14中向后泵浦出的雙重EDFA比圖13中向前泵浦出的雙重EDMA效果稍微差一些。例如見J.Lee，et al.，Enhancement of thepower conversion efficiency for an L-band EDFA with a secondarypumping effect in the unpumped EDF section，IEEE Photonics TechnologyLetters，Vol.11，No.1，Jan.1999，pp.42-44，其中表示了一個使用傳統(tǒng)摻鉺硅光纖的類似實施例。
顯然，在本領(lǐng)域中，這些不同的構(gòu)造提供了一定的優(yōu)點，如效率和噪音特性，另外還有尺寸、復(fù)雜性、成本、生產(chǎn)的重復(fù)性等。此外，在一定類型的應(yīng)用中可以優(yōu)選一種特定的構(gòu)造，在另一種應(yīng)用中可以優(yōu)選另一種構(gòu)造。
與公知的使用其它光纖或波導(dǎo)如包括硅、氟鋯酸鹽、亞碲酸鹽等構(gòu)成放大器的方法相比，本發(fā)明的方法有很多優(yōu)點。例如，一個優(yōu)點是C帶的帶寬比其它公知材料中的鉺的帶寬寬。已經(jīng)觀察到在一些材料成分內(nèi)熒光小到大約1481納米(3-dB點)，表示C帶短波長尾部上帶寬加大。因此，在這些非晶YAG組分的材料內(nèi)，增益帶寬大體在C帶的短波長尾部都加寬了。
該方法的第二個特點是L帶的帶寬比其他公知寬帶材料內(nèi)鉺的帶寬更寬。已經(jīng)觀察到在一些材料組成內(nèi)，熒光達到約1653納米(3dB點)，這表明L帶長波長尾部上帶寬增加。L帶帶寬約比任何其他公知的光纖材料內(nèi)的鉺的帶寬寬60％。
該方法的第三個特點是通過結(jié)合上述L帶放大器和上述C帶放大器，使用圖9所示普通電路，或使用圖8所示的電路，得到的放大器在一個帶寬上給的C帶加L帶增益比任何公知寬帶材料內(nèi)鉺的增益更寬。例如，使用圖9的電路，能夠觀察到大約為1481納米到1653納米的熒光，或者一個大約172納米的3dB帶寬，它大約是用其他公知寬帶材料內(nèi)鉺觀察到的最寬熒光帶寬的兩倍。
該方法的第四個特點是可以使用非常短L帶和C帶光纖放大器實現(xiàn)，一個特點是有幾個好處，例如更緊湊并減少了成本。在技術(shù)上的另一個重要的好處是該方法能夠減少有害的非線性效應(yīng)，它們是公知L帶放大器關(guān)注的一個問題。在任何光纖內(nèi)，當在傳輸信號的傳輸長度上傳輸信號強度的結(jié)果太大時，開始產(chǎn)生一些非線性效應(yīng)，例如受激發(fā)的Brillouin散射(stimulated Brillouin scattered，SBS)和交相調(diào)制(cross-phase modulation，XPM)。兩種效應(yīng)都對EDFA的操作有害。SBS將向前傳輸?shù)男盘柟廪D(zhuǎn)換成向后傳輸?shù)男盘柟?，其中帶有一個相關(guān)的頻移。向后傳輸光和頻移的產(chǎn)生都是有害的。XPM效應(yīng)能夠引起編碼在一個信號上的信息部分地傳給另一個信號，導(dǎo)致不必要的串話。該SBS效應(yīng)和XPM效應(yīng)在光纖連接的通信部分內(nèi)和EDFA本身內(nèi)發(fā)生。該通信光纖非常長(幾十公里)，但是通信光纖的方式字段比較大(即對于給定泵浦功率強度低)，這就減少了通信光纖內(nèi)的XPM和SBS效應(yīng)。另一方面，一個EDFA涉及一個長度更短的光纖，但是其方式字段通常相當小(即摻鉺光纖攜帶的信號強度比通信光纖的更高)。因此，XPM效應(yīng)在一個EDFA內(nèi)可能更強，尤其是在傳統(tǒng)的L帶EDFA內(nèi)，它們涉及一個比傳統(tǒng)C帶EDFA更長的摻鉺光纖。用在本發(fā)明的方法中的摻鉺非晶YAG材料通過大體在鉺濃度比值內(nèi)減少光纖長度而避免了這些問題，它通常是100或更多個因數(shù)中的一個。因此，這些光纖內(nèi)XPM效應(yīng)和SBS效應(yīng)的效率也由于光纖長度減少而得到降低。
對于這里所述的每一個構(gòu)造，各種摻鉺光纖的長度，各種泵浦內(nèi)的功率，以及其他參數(shù)也可以使用文獻和公知技術(shù)中描述的理論模型和實驗技術(shù)，通過理論和實驗進行評估，來優(yōu)化一定的EDFA參數(shù)，例如增益，增益曲線，噪音特性，泵浦效率等。
盡管上面結(jié)合摻鉺非晶YAG光纖描述了本發(fā)明的方法，但是應(yīng)該可以理解，該方法還能夠利用平面波導(dǎo)技術(shù)實現(xiàn)。特別地，在這種波導(dǎo)使用摻鉺非晶YAG材料構(gòu)成時，該方法也可以用平面通道波導(dǎo)實現(xiàn)。
本發(fā)明的方法部分源于該發(fā)現(xiàn)，即在非晶YAG內(nèi)Er3+的4I13/2→4I15/2轉(zhuǎn)變提供了極寬的熒光帶寬，即在摻有8％的鉺時約為121納米，部分源于該發(fā)現(xiàn)，即更高濃度的Er3+(也許為其他稀土元素氧化物離子)導(dǎo)致更寬的熒光帶寬和更寬的光增益譜。
申請人已經(jīng)描述了一種L帶摻鉺光纖放大器的放大方法，其中使用了一族新材料來產(chǎn)生對于Er3+的4I13/2→4I15/2轉(zhuǎn)變來說比其他任何公知材料更寬的L帶譜。申請人已經(jīng)描述了一種C帶摻鉺光纖放大器的放大方法，其中使用了一族新材料來產(chǎn)生對于Er3+的4I13/2→4I15/2轉(zhuǎn)變來說比其他任何公知材料更寬的C帶譜。
國際公開出版物WO97/25284的描述Paul C.Nordine，et al.，in Fiber Drawing from Undercooled MoltenMaterials，WIPO International Publication No.WO97/25284公開于1997年7月17日，其中披露了一例制造光纖的方法，可以很好的用于完成本發(fā)明。其說明書在此全部引入作為參考。對于它的詳細描述下面將結(jié)合圖16-23給出，它們對應(yīng)于WO97/25284的圖1-8。
根據(jù)國際專利申請WO97/25284，Paul C.Nordine等令人驚奇地發(fā)現(xiàn)了在控制狀態(tài)下將一定的液體融化物過冷能夠形成具有足夠粘性的融化物，能夠無大量液體再結(jié)晶地拉制光纖，包括熔點粘性太低而允許如此操作的融化物。這里描述的是從幾種氧化材料的過冷融化物中拉制的幾例光纖，為此光纖能夠在熔點下或高于熔點的情況下從融化物中拉制出來。利用WO97/25284的方法，能夠在過冷溫度狀態(tài)下和低于均衡融化溫度超過20％的狀態(tài)下從這種融化物中迅速拉制光纖。還令人驚奇的是，玻璃光纖也可以從化學成分的過冷融化物中拉制出來，其含有的添加劑比現(xiàn)有技術(shù)光纖的添加劑濃度更高。此外，可以注意到根據(jù)WO97/25284的方法拉制的光纖有極高的抗張強度，假定是由于WO97/25284光纖的表面比較完美無暇。
WO97/25284的方法利用一個“插入管”開始拉制。生長光纖的能力受到插入管物理性能、使用插入管的幾個條件如材料、尺寸、表面拋光和內(nèi)插入的插入管尖的插入深度以及開始拉制之前液體內(nèi)插入管的停留時間的重要影響。這些性能和過程的控制影響表面潤濕和黏附性，允許在光纖拉制過程中進行有意義的控制。
簡單地說，WO97/25284中的方法包括步驟(1)在無容器條件下融化選出材料的樣品，產(chǎn)生懸浮液滴，或者在有容器的狀態(tài)下如在一個坩堝內(nèi)，(2)將液體冷卻到融化溫度以下，即使該液體過冷，及(3)使過冷液體與插入管探針接觸，在要求的狀態(tài)下拉出探針，從液體中拉制光纖。
在所有情況下，可以通過控制(1)液體粘度(通過改變?nèi)诨瘻囟群?或氣體環(huán)境)，及(2)光纖拉制率來達到光纖直徑的控制。下述試驗中使用的氣體包括例如氧氣、空氣和氬氣，盡管也可以使用其它氣體如氮氣、氦氣、一氧化碳、二氧化碳、氫氣和水蒸氣?？炖扑俣群?或慢拉制速度通常有利于小直徑光纖。光纖直徑上限由可以使用但是不會在大量過冷融化物中引起結(jié)晶的最小拉制速度決定。光纖直徑的下限由可以獲得的不會折斷光纖或從融化物中拉制光纖的最大拉制速度決定。
此外，根據(jù)WO97/25284的方法拉制的光纖可以通過將玻璃光纖加熱到出現(xiàn)特別的玻璃結(jié)晶的溫度而轉(zhuǎn)變?yōu)榻Y(jié)晶光纖。
在WO97/25284中描述的方法能夠從數(shù)種材料中生產(chǎn)高純度光纖，人們都知道在高溫下具有這些復(fù)合材料的組分強度高、堅硬、蠕變速度慢、耐氧化能力強、或者化學兼容性好?？梢栽试S光纖由電磁輻射吸收性能低的材料構(gòu)成，例如但是不限于遠程通信領(lǐng)域使用的材料。WO97/25284中公開的方法還能夠合成同質(zhì)玻璃光纖，包括例如使用光纖激光器和光纖激光器放大器領(lǐng)域但不限于這些領(lǐng)域的高濃度支配元件。根據(jù)WO97/25284，這些光纖可以迅速地拉制出，能夠降低生產(chǎn)成本，可以被結(jié)晶化，形成穩(wěn)定的材料，可以用在具有很高溫度結(jié)構(gòu)的領(lǐng)域的抗氧化化合材料內(nèi)，例如透平燃燒室襯墊和射流偏向器內(nèi)。WO97/25284的方法能夠允許合成聚合母體化合材料領(lǐng)域中使用的抗張強度和硬度提高的光纖。此外，WO97/25284的方法允許由有機活體領(lǐng)域使用的生物相容材料構(gòu)成。因此，WO97/25284的方法大大地拓展了能夠利用液體融化物拉制的光纖的材料范圍。
實例1-光纖拉制裝置圖16表示一種在有容器或無容器的融化條件下，利用WO97/25284中公開的原理，從過冷融化物中拉制光纖的最佳方案。應(yīng)該注意的是WO97/25284中插入管的一種新的重要特點是光纖不是通過一個模具或類似的成型裝置拉制。在該實例中，描繪了一種無容器狀態(tài)，盡管這些原理和光纖拉制方法可以使用任何融化物來拉制所需的光纖，包括有容器的融化物。
圖16所述的無容器狀態(tài)也可以利用空氣聲學插入管(AAL)插入來自拉制光纖的液滴獲得。該方法利用來自氣體噴射器的32的空氣動力，通過使用來自一個三軸聲學定位系統(tǒng)33的聲學影響進行穩(wěn)定。根據(jù)WO97/25284，插入樣品的該裝置和其他裝置是現(xiàn)有技術(shù)描述的裝置，插入過冷樣品的任何方法的使用都在WO97/25284的范圍內(nèi)。這些方法包括如電磁懸浮和靜電懸浮。這些方法涉及在高真空狀態(tài)下融化物的懸浮和保持，它能夠?qū)O97/25284的光纖拉制方法容易地應(yīng)用于金屬、合金，以及對與空氣和氣體環(huán)境中出現(xiàn)的氣體反應(yīng)敏感的材料。
一種懸浮液滴通過利用二氧化碳激光器發(fā)出的光束加熱和融化樣品來形成，盡管可以認為任何加熱方法都在WO97/25284的范圍內(nèi)，例如白熾燈或弧光燈，微波加熱，感應(yīng)加熱，爐具或懸浮在熱氣流中。此外，任何能夠給樣品提供足夠熱量的激光束都可以用于WO97/25284的方法。在該具體的實例中，二氧化碳激光光束分成兩束34，它們聚焦在懸浮樣品的相反側(cè)，使樣品融化。融化物保持在高溫下，直到全部被融化，接著通過切斷或減少提供的加熱功率使熔融液滴過冷并保持其過冷。
插入管(stinger)和光纖拉制裝置31由連接到一個桿3的直徑為0.01cm的鎢絲插入管構(gòu)成，由螺線管執(zhí)行機構(gòu)4操縱，定位成能夠在螺線管被激發(fā)時使鎢絲插入管尖端插入懸浮液滴1內(nèi)。鎢絲插入管和過冷融化物之間的接觸必須得到認真控制，以避免由于接觸插入管而在過冷融化物中出現(xiàn)異相晶核。雖然該核通常并不是通過WO97/25284的光纖拉制操作引起的，但是如果以前形成的玻璃光纖用作插入管材料，那么可以減輕異相核的問題。盡管鎢絲用做本實施例的插入管，但是預(yù)計利用各種材料和尺寸的插入管要取決于粘性和要求的光纖特性，這樣的另外一些插入管也包括在WO97/25284的范圍內(nèi)。
在該實例中，彈簧操縱的拉制機構(gòu)5為確定長度的光纖拉制提供了拉制力，盡管任何拉制光纖的方法都包括在WO97/25284的范圍內(nèi)。可以調(diào)節(jié)彈簧的拉制力，以便其力常數(shù)在k+0.1-0.25lb/in的范圍內(nèi)。光纖拉制速度受到摩擦阻尼器6的進一步控制。電子控制電路7用于初始化螺線管執(zhí)行機構(gòu)，在螺線管執(zhí)行機構(gòu)釋放而進行光纖拉制操作時的預(yù)定時間內(nèi)將插入管保持在液滴內(nèi)。高速高溫計35用于監(jiān)測懸浮樣品的溫度，該溫度可以實時顯示在計算機屏幕上，作為溫度與時間的圖象。通過增加或減少激光光束的曝光強度和時間將融化液滴的溫度保持在要求的過冷溫度。
當然，為了獲得要求尺寸的光纖，應(yīng)該根據(jù)需要調(diào)節(jié)彈簧的力常數(shù)以及光纖的拉制速度。此外，光纖拉制裝置可以是任何適當?shù)难b置，例如電機和輪組件，拉制力可以根據(jù)所需光纖的物理性能以及光纖拉制方法進行調(diào)節(jié)。
在第一次阻擋激光束加熱和檢測冷卻的液滴的溫度時啟動光纖拉制(在計算機屏幕上顯示為溫度與時間圖)。在溫度達到預(yù)選值時，螺線管執(zhí)行器通過手動啟動，預(yù)選值優(yōu)選在最佳拉制溫度范圍內(nèi)。在該具體的實施例中，螺線管設(shè)計成能夠在插入樣品之后自動切斷。接著通過拉制機構(gòu)的動作將插入器抽出，從液滴中拉制光纖。液滴溫度控制是WO97/25284中的方法的關(guān)鍵部分。在溫度高于拉制光纖的最佳溫度范圍時，可以將插入管從液滴中拉出而不拉制光纖。在溫度低于拉制光纖的最佳溫度范圍時，液體的粘性很高，以致必須將插入管施加于液滴上的力增加到超過懸浮裝置恢復(fù)力，插入管的運動用于推動或從懸浮位置拉出液滴，而不是從液滴中拉制光纖。此外，如果融化溫度太低，那么得到的光纖將比需要的短。在中間過冷溫度下，可以形成各種長度的光纖，直徑為小于1毫米到超過60毫米。
雖然在本實例中報道了一定范圍的光纖尺寸，但是也可以理解，可以生產(chǎn)尺寸范圍很寬的光纖，這取決于拉制條件。光纖的直徑在低速拉制時比較大。光纖的直徑在高速拉制時比較小。光纖的窗度受到兩個效應(yīng)的限制。首先，在較低的溫度下，液滴上的力最終將從其懸浮位牽引液滴。其次，在較高溫度下，光纖直徑隨牽引速度增加，以致張力不再能夠克服表面張力，從液體中牽引光纖被中斷。在適當?shù)睦茰囟确秶鷥?nèi)，可以拉制極長的光纖。例如，拉制10毫米直徑的光纖直到0.35厘米直徑的液滴減少到0.25厘米的直徑，可以產(chǎn)生比18000厘米還長的光纖。
圖17表示根據(jù)WO97/25284的原理的一個最佳方法，其中可以沿一個以上的方向從處于無容器條件的懸浮液滴中拉制光纖。在該方法中，懸浮液滴15開始在懸浮噴嘴16中或使用另一種懸浮融化技術(shù)形成。通過電機和輪18或其他能夠控制插入管操作和光纖拉制速度的拉制裝置，光纖17同時沿相反的方向從液滴相反側(cè)拉制。拉制力相對并能夠受到控制，使它們幾乎相等或相對，從而使液滴上產(chǎn)生的力減少，液滴不能夠從其初始位置拉制出。該圖還表示通過激光光束19或其他輻射熱源的加熱由一個透鏡20聚焦在懸浮液滴頂表面上。受熱區(qū)域內(nèi)的溫度保持高于融化點，而該溫度在液滴其他區(qū)域?qū)⑾陆?，并能夠在液滴?cè)面被足夠地過冷，允許拉制光纖。從液滴中拉出的光纖材料可以通過在輻射受熱區(qū)域增加和融化固體材料21來補充，這些材料可以以可控速度隨固體材料的粉末流和一個或一個以上的小桿增加到懸浮液體中。通過控制光纖拉制速度，在輻射受熱區(qū)域增加和融化材料，保持拉制光纖的過冷區(qū)域，可以得到一種生產(chǎn)長而連續(xù)的光纖的連續(xù)工藝，WO97/25284公開的該方法設(shè)想沿多個方向從沒有相對于懸浮位置發(fā)生顯著位移的位置拉制多個光纖。
插入管狀態(tài)和操作包括通過在從過冷融化物拉制光纖之前以高于融化點的溫度接觸融化物而啟動該插入管，及允許插入管接觸融化液滴的時間(通常為1-50毫秒)，盡管啟動時間可以根據(jù)該插入管、容融化物的成分和融化物的粘性變化。，插入管插入融化物內(nèi)的距離和插入管的插入和從融化物的拔出速度。如果溫度太高，通過插入管的成核現(xiàn)象可以通過快速插入和拔出插入管而避免，但是拔出速度不必太高而不從融化物中拉制光纖。在適當?shù)倪^冷溫度下，融化物的過冷溫度，融化物的粘性增加，光纖可以被拉制，結(jié)晶速度降低，低于接近材料融化點時觀察的速度。
實例2使用錐形噴嘴懸浮器拉制光纖圖18表示使用電機和輪組件和一個錐形噴嘴懸浮器(CNL)拉制光纖的方案，可以拉制和懸浮直徑為0.25-0.40厘米的光纖，盡管懸浮大樣品取決于他們的表面張力和密度。一種懸浮氣流8通過一個充氣室9，通過該噴嘴10和在懸浮樣品11上。該懸浮樣品用由ZnSe透鏡13將二氧化碳激光束聚焦在樣品頂表面上加熱和融化。該樣品的溫度通過利用任何信號阻擋裝置阻擋激光加熱光束和改變激光功率來控制。使用一個通過噴嘴輸入和由一個可逆步進電機和輪組件14驅(qū)動的鎢絲插入管77從過冷融化物底表面拉制光纖。該插入管包括一個連接該輪的長鎢絲，當牽引光纖時長鎢絲卷饒在輪上。當然，也可以想到使用其他激光器加熱樣品，例如連續(xù)波的Nd-釔-鋁-石榴石(Nd-YAG)激光器。當然，除了激光器外，也可以使用能夠有效融化這些材料和不干擾拉制操作的任何加熱方法。除了上述實例1的插入管方法和步進電機和輪組件之外，還可以想到利用能夠給拉制工藝提供電力的任何裝置。
可以用計算機控制電機和輪組件14的方向和加速度，操縱插入管，改變光纖牽引速度的加速度，得到恒定的光纖牽引速度。高速高溫計用于監(jiān)測樣品溫度和觀察冷卻行為。插入管和得到的光纖纏繞在連接電機14的輪上，不進行進一步的機械處理，例如通過模具拉制。在該實施例中，光纖拉制速度達到120厘米/秒，盡管光纖拉制速度取決于用于給拉制提供動力的個別裝置(這里是電機和輪)。插入管的加速度由計算機控制，使用的一個加速度等于1200厘米/秒2，盡管WO97/25284設(shè)想可以根據(jù)具體拉制材料和所需的光纖特性使用其他加速度。用該裝置可以拉制長達60厘米和同一直徑為5-20毫米的光纖，盡管使用不同的拉制條件也可以得到其他長度和直徑的光纖。插入操作和光纖拉制操作通常是在少于0.6秒的周期內(nèi)完成，盡管該時間可以根據(jù)融化物的粘性、牽引光纖的速度和結(jié)晶速度變化。必須以一定的牽引光纖速度開始牽引光纖。
用CNL裝置開始和連續(xù)拉制光纖的速度可以低于用上述實例1中AAL裝置拉制光纖的速度，因為在拉制力大時液體樣品并不由光纖拉制開。在低溫下，當融化物粘性大時，和在光纖拉制力大拉制速度較快時，拉制力足以使融化物位移，從而使融化物接觸懸浮噴嘴側(cè)面。通過于噴嘴接觸使融化物結(jié)晶，但是光纖拉制一直持續(xù)到融化物結(jié)晶達到光纖拉制點。在拉制力大的足以使融化物接觸噴嘴的溫度下，警惕生長速度通常很低，足以在一定的時間周期內(nèi)使樣品中心保持為液態(tài)，足以連續(xù)拉制長度大于60厘米的光纖。
例如，在拉制速度為120厘米秒的速度下接觸噴嘴時，在富鋁紅柱石或釔-鋁石榴石(YAG)成分的液滴成分發(fā)生位移的溫度下，晶體生長速度通常小于1厘米/秒。液體和噴嘴之間的接觸點距離光纖拉制點大約0.2厘米。因此，在與噴嘴接觸之后光纖拉制持續(xù)大于0.2秒，拉制長度為24-60厘米的光纖。作為光纖拉制力位移的結(jié)果，允許與過冷液體接觸機械限制裝置的方法因此可以用于牽引有用長度的光纖。令人吃驚的是，通過接觸機械限制裝置的晶體成核以限定的速度傳播，不干擾光纖的連續(xù)拉制，直到這些晶體達到縣委從液體中拉制的拉制點。
也可以評估拉制線的冷卻速度。例如，對于直徑為10毫米和在空氣中使用CNL裝置以100厘米/秒的速度拉制的光纖，冷卻速度可以如下面那樣計算例如，假定液體氧化物液滴的溫度是1500攝氏度。液滴熱邊界層的厚度大大小于懸浮氣流駐點處的樣品直徑，該點是與從液體中拉制光纖相同的點。對于直徑通常為0.3厘米，和100厘米/秒的拉制速度，光纖材料通過邊界層在少于.003秒的時間內(nèi)拉制出來。假定光纖材料與氣體保持熱平衡，冷卻速度的數(shù)量級為500000攝氏度/秒。如果如同根據(jù)氧化鋁熱性能和從每單位表面面積10毫米直徑光纖的焓變化速度計算的那樣，光纖表面的熱流量大約為700瓦/厘米2，那么將出現(xiàn)該冷卻速度。
現(xiàn)在假定光纖保持較熱。在冷到1500攝氏度的環(huán)境氣體溫度下，光纖的對流熱流量q”由下面的公式給出q′′=Nuhkf(Tf-Ta)d]]>其中Tf和Ta是光纖和環(huán)境溫度，kf是平均氣體“薄膜”溫度(Tf+Ta)/2下氣體導(dǎo)熱系數(shù)，d是光纖直徑，及
Nuh是傳熱的努謝爾特數(shù)(Nusselt number)。
對于假定的條件，kf大約為4*10-4瓦/(厘米攝氏度)，Nuh大約為1，q”大約為600瓦/厘米。因此，光纖沒有冷卻的假定導(dǎo)致熱流量可以與要求維持與環(huán)境氣體熱平衡的熱流量相比。因此可以推斷CNL光纖拉制方法對于10厘米直徑的光纖獲得了每秒幾十萬攝氏度的拉制光纖的冷卻速度。對于更大直徑的光纖，冷卻速度較小，大體與光纖直徑的平方成正比。因此，對于直徑50厘米的光纖將產(chǎn)生超過每秒4000攝氏度的冷卻速度。
實例3-從富鋁紅柱石融化物中拉制光纖圖19表示從富鋁紅柱石成分的過冷融化物中拉制光纖的時間和溫度條件，其中Al2O3∶SiO2的摩爾比為60∶40，使用WO97/25284的光纖拉制方法。
圖19表示光纖拉制試驗中懸浮樣品的典型溫度-時間過程，作為用光學高溫計測量的溫度與時間的函數(shù)圖。在所述時間周期之前，用二氧化碳激光光束融化樣品，同時將其懸浮在在氬氣流內(nèi)的AAL裝置內(nèi)，并保持在恒定溫度下。拉制光纖的溫度范圍通過在各種溫度下使用圖16和實例1所述的插入和拉制裝置拉制光纖來確定。溫度隨0-2.0秒的記錄時間間隔的降低表明一旦阻擋激光加熱光束液體就冷卻。在冷卻周期內(nèi)從過冷液體中成功拉制光纖的溫度范圍顯示在圖上。在大約2.0-2.2秒的時間周期內(nèi)，表明溫度上升到樣品的融化點。當過冷液體自發(fā)結(jié)晶時出現(xiàn)該溫度上升。結(jié)晶釋放的能量足以將樣品加熱到融化點，其中溫度保持恒定，同時繼續(xù)結(jié)晶。最后，在所有氣體都被消耗完之后，由于固體樣品的熱損失使溫度下降。
如圖22所示，晶體富鋁紅柱石的成分與高溫液體平衡，不包含在低溫富鋁紅柱石相域內(nèi)。因此該圖表明與最高溫時與液體平衡時形成的富鋁紅柱石在低溫下是熱動力學不穩(wěn)定的。相反，根據(jù)WO97/25284的原理形成的玻璃光纖組分可以在打算應(yīng)用的溫度下從富鋁紅柱石相域中獨立選擇。這些玻璃光纖可以被加熱，轉(zhuǎn)變成純結(jié)晶富鋁紅柱石光纖，這些光纖關(guān)于應(yīng)用溫度下第二相的沉淀是穩(wěn)定的。
在觀察到再輝(recalescence)(通過結(jié)晶釋放的熱量致使溫度上升到融化點)的很多情況下也能夠拉制玻璃光纖。例如，即使在觀察到再輝的情況下，也可以得到如該實例所述的富鋁紅柱石成分的玻璃光纖。
實例4-使用有容器系統(tǒng)從過冷融化物中拉制光纖WO97/25284中的描述還設(shè)想在有容器的系統(tǒng)中拉制光纖。圖21表示指出使用液體容器的一種方法的一個最佳實施例，它便于從過冷融化物中無再結(jié)晶地拉制光纖。該方法的一個重要特點包括在容器內(nèi)建立和維持溫度梯度，以便部分融化量得到過冷。在該方法中，所關(guān)心的材料30放置在一個開口容器2內(nèi)，如一個坩堝內(nèi)，該容器的溫度保持高于融化點的溫度。蓋子25也保持在高于融化點的溫度上，蓋子開始可被放置在容器上，在容器內(nèi)部獲得熱平衡，實現(xiàn)材料的融化。然后蓋子可以被抬起或移開，使熱量損失和冷卻融化表面。可以控制融化表面23的傳熱狀態(tài)，使曝露的融化表面中央?yún)^(qū)域得到過冷，從而從過冷液體中拉制光纖。容器28的內(nèi)壁和接近容器這些內(nèi)壁的少部分液體27可以保持在高于融化溫度的溫度下，使異相成核不能夠出現(xiàn)在這些壁上。
圖21表示加熱坩堝22和融化材料30，可以通過抬升的蓋子25內(nèi)的比光纖大的開口拉制光纖24，也可以利用如電機和輪26或其他拉制裝置的作用通過獨立導(dǎo)向器的開口拉制光纖。從融化物中取出的光纖材料可以通過在融化溫度超過融化點的區(qū)域內(nèi)增加和融化固體材料得到補充。利用實例1所述的一個或一個以上的插入管(未示出)，或者通過電機和輪組件或其他拉制裝置的作用啟動光纖拉制。
液體和坩堝頂表面的溫度圖示表示在圖21的底部內(nèi)，作為坩堝和所含液體頂表面上橫向位置的函數(shù)。平衡融化溫度由圖21該部分坐標上Tm表示?？拷釄灞诘哪遣糠忠后w和坩堝的溫度高于Tm，而遠離容器壁的液體表面溫度下降到小于Tm。曝露液體表面的中心溫度可以如下面那樣估算，假定容器的直徑遠遠大于液體深度，使熱量從底部傳遞到表面。為了估算溫度梯度的大小，還假定對流熱損失可以忽略，熱量只通過輻射從液體表面損失，輻射熱量不再反射回到液體表面上。液體內(nèi)溫度下降接近下面的方程，其中右側(cè)給出了從底表面到液體頂表面的熱流量，溫度保持在坩堝溫度下，其中左側(cè)給出了液體表面的輻射熱損失σϵTS4=kTC-TSh]]>其中σ＝5.67*10-12瓦/(cm2度K4)，對液體氧化物的斯蒂芬波爾茨曼常數(shù)ε為0.8，液體表面的發(fā)射率Ts是液體表面的溫度，To是坩堝的溫度，h是液體層的深度。
高溫下氧化物的平均導(dǎo)熱率k為0.02-0.2瓦/(厘米攝氏度)。
使用富鋁紅柱石作為一個實例，TC＝1900攝氏度(稍微高于融化點)，TS＝1670攝氏度(大約200攝氏度的過冷度)，Nordine等依據(jù)實際k值得到h＝0.045厘米。
上述計算表明估算的液體深度小于0.5厘米，足以在保持在融化點以上的在容器內(nèi)的液體表面上獲得深冷。該深度足夠小，足以迅速滿足液體深度比容器直徑小很多的假定。
實例5-氣體環(huán)境和再輝效應(yīng)人們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)過冷度、玻璃塊的形成和光纖拉制條件取決于氣體環(huán)境。在該實例中，已經(jīng)報道了在三個不同的氣體環(huán)境下拉制光纖空氣，純氧，和純氬氣。但是也可以想到利用其他氣體，如氮氣、氦氣、一氧化碳、二氧化碳、氫氣和水蒸氣。
例如，Y3Al5O12成分的玻璃塊可以在氬氣中無結(jié)晶地形成。在空氣或氧氣中，液體Y3Al5O12成分在過冷時自發(fā)結(jié)晶。第二個實例利用純氧化鋁提供，為此在自發(fā)結(jié)晶之前，液體可以冷卻到氬氣內(nèi)融化點450攝氏度以下?？梢栽谛纬纱罅坎Ａ悠返乃星闆r下拉制光纖，在融化物冷卻時結(jié)晶不會發(fā)生。通常能夠在觀察到再輝的很多情況下拉制玻璃光纖。例如，在氧氣環(huán)境下，可以得到富鋁紅柱石成分的玻璃光纖，其中也可以觀察到再輝。這些光纖可以在高于晶體成核和發(fā)生融化物自發(fā)結(jié)晶的的溫度下拉制這些光纖。
在用再輝使過冷融化物自發(fā)結(jié)晶的條件下，通常大量液體的冷卻速度為每秒100-500攝氏度。已經(jīng)知道如果冷卻溫度超過玻璃形成的臨界冷卻速度，那么將由融化物形成玻璃光纖；因此，再輝的觀察表明在大量液體中不能夠得到臨界冷卻速度。但是，在液體溫度高于自發(fā)結(jié)晶溫度時還可以通過拉制光纖獲得玻璃光纖。這些結(jié)果表明光纖拉制工藝導(dǎo)致光纖內(nèi)的冷卻速度超過液滴自由冷卻速度。
實例6-新光纖成分表II列出了一些能夠使用WO97/25284的方法獲得的一些新光纖成分。表II列出這些光纖可以使用很多種方法拉制，包括插入管，和實例1所述的拉制裝置，以及表示在圖18中和實例所述的插入管和電機輪組件。融化物可以使用任何懸浮裝置懸浮，包括上述AAL和CNL裝置，或者融化物也可以包含在如上述實例4內(nèi)。固體樣品通過激光器爐融化由基本的純氧化物形成。使用釹或鉺和其他材料作為添加劑，其中Al2O3∶SiO2為50∶50，Al2O3∶Y2O3為63∶37。
對于等于或高于融化點的溫度，在懸浮融化物內(nèi)觀察到的震蕩和流體流表明融化物粘性低，可以與液體氧化鋁的粘性相比，大大小于典型玻璃形成材料如純氧化硅或富硅融化物的粘性。這些融化物的低粘性也表明了在高于融化點的溫度下不能夠從融化物中拉制光纖的事實。但是，在這里所述的所有情況下，可以WO97/25284的方法從過冷融化物中拉制玻璃光纖。在所有情況下從這些融化物中拉制出的玻璃光纖在外觀上是均勻的。在顯微鏡下的可視檢查表明光纖內(nèi)沒有第二相沉淀的跡象。
旋光摻雜劑濃度高的玻璃光纖的合成可以通過在50∶50的Al2O3∶SiO2和63∶37的Al2O3∶Y2O3材料內(nèi)添加Nd2O3和Er2O3。使用的添加劑濃度比現(xiàn)有技術(shù)的光纖的典型濃度高1％左右。WO97/25284的方法通過首先將材料加熱到所有成分都形成完全融化液體的溫度而獲得了這些添加劑濃度高的光纖。由于過冷融化物不結(jié)晶，它保持為同質(zhì)的，能夠形成添加劑濃度高的玻璃光纖。
此外，純度很高的光纖和添加劑濃度很小的光纖的合成也是可能的。使用無容器條件保持融化物能夠使融化物純化，純化方法是(1)雜質(zhì)蒸發(fā)及(2)雜質(zhì)的反應(yīng)汽化。例如，開始含有約0.0005摩爾％鉻(百萬分之五的鉻)的氧化鋁可以通過無容器地將液體融化和加熱到2400攝氏度來進行純化。分析的鉻濃度在幾分鐘的處理時間內(nèi)減少到百萬分之一。同樣，可以通過現(xiàn)有技術(shù)中公知的裝置利用蒸發(fā)來純化很多氧化物。當在非常高的溫度下在容器內(nèi)處理材料時，融化物內(nèi)容器材料的溶解將防止液體的純化。因此，通過在無容器的條件下純化液體，可以形成含有的雜質(zhì)量少于0.0001摩爾百分數(shù)(百萬分之一)的光纖。同樣，通過首先純化該液體，可以使用添加劑來將從液體中牽引的光纖內(nèi)添加劑的濃度控制在少于0.0001摩爾百分數(shù)到50摩爾百分數(shù)的范圍內(nèi)。
具有化學成分CaAl2O4的玻璃光纖的合成方法是可以在無容器的條件下，使用WO97/25284的方法，使融化物充分過冷以便拉制光纖。光纖牽引方法描述在圖18中，懸浮是在氧氣中。這些光纖從過冷到大約低于材料的融化溫度200攝氏度的溫度的融化物中牽引。一旦進一步過冷，不會出現(xiàn)結(jié)晶，能夠得到大量的CaAl2O4玻璃光纖樣品。希望可以使用其他光纖牽引方法，例如圖16的插入管(stinger)拉制裝置，能夠牽引光纖的任何方法也包括在WO97/25284的范圍內(nèi)。
使用WO97/25284的方法，可以從CaO-Al2O3融化物中合成玻璃光纖，這些光纖可以用做生物相容的結(jié)構(gòu)材料，如果它們被吸入也不會引起矽肺病，如美國專利5552213所公開的那樣，其全部說明書在此引入作為參考。
使用WO97/25284的方法，還可以形成有化學成分礦物鎂橄欖石Mg2SiO4的玻璃光纖。該礦物是與礦物頑輝石Mg2Si2O6熱動力學相容的，這在現(xiàn)有技術(shù)中是公知的，Mg2SiO4在現(xiàn)有技術(shù)中是公知的，是相間削弱涂層(interphase weakening coating)，用于韌化復(fù)合材料。鎂橄欖石光纖是使用圖16所示的光纖插入管裝置和由懸浮和在錐形噴嘴懸浮裝置內(nèi)過冷的融化物形成的。
圖20表明鋁-硅系統(tǒng)的相平衡圖，表示純氧化硅和氧化鋁之間的全部組分。在表II中可以看到WO97/25284公開的工作，在很大范圍的成分中獲得玻璃光纖，這些成分包括低溫下穩(wěn)定的純富鋁紅柱石成分。
實例7-光纖結(jié)晶根據(jù)WO97/25284的方法獲得的光纖也可以被結(jié)晶。表III報告了在1100和1200攝氏度的溫度下富鋁紅柱石成分玻璃光纖如60∶40的Al2O3∶SiO2。這些結(jié)果表明，從過冷融化物中拉制玻璃光纖然后加熱到中間溫度的方法能夠生產(chǎn)化學成分可以控制的結(jié)晶光纖，這些成分在中間溫度下是穩(wěn)定的。
光纖拉制速度受到控制，通常超過過冷融化物的結(jié)晶速度，在光纖內(nèi)得到的冷卻速度通常大于拉制光纖的材料內(nèi)形成玻璃的臨界冷卻速度。玻璃形成的結(jié)晶速度或臨界冷卻速度不能嚴格地作為溫度的函數(shù)。對于富鋁紅柱石而言，30厘米/秒的拉制速度足以避免融化物結(jié)晶。富鋁紅柱石的結(jié)晶速度在低于融化點200K的溫度下大約是3厘米/秒。
液體氧化釔-鋁結(jié)晶速度大于液體富鋁紅柱石成分的結(jié)晶速度。使用圖18所述電機和輪組件在純氬氣流中以30厘米/秒的速度拉制長度為幾個毫米的氧化釔-鋁玻璃光纖，以100厘米/秒的速度拉制長60厘米的光纖。該液體被冷卻到低于融化點200攝氏度左右。
如實例2中所示，在光纖中的冷卻速度隨光纖直徑增加而減少。用于獲得具有給定直徑光纖的拉制速度也隨光纖直徑的增加而減少。因此，在大直徑光纖的附圖中，可能出現(xiàn)在光纖中獲得的冷卻速度小于玻璃成型臨界冷卻速度的狀態(tài)。在該狀態(tài)下獲得的光纖至少包含一些結(jié)晶材料。此外，如果在光纖拉制狀態(tài)下結(jié)晶速度超過光纖拉制速度，那么在光纖內(nèi)形成的結(jié)晶將在光纖內(nèi)傳播，引起形成光纖的過冷液體結(jié)晶，因此結(jié)束光纖拉制過程。
表III提供了從過冷融化物中拉制的玻璃光纖和通過在空氣中加熱拉制光纖形成的結(jié)晶光纖的張力實驗數(shù)據(jù)。應(yīng)該注意到如此牽引的光纖后很高的抗張強度。與根據(jù)WO97/25284的原理獲得的富鋁紅柱石成分光纖內(nèi)抗張強度值達到6.4Gpa相比，在具有相同成分的現(xiàn)有技術(shù)光纖中可以獲得的抗張強度被限制到少于3Gpa。
表II從過冷融化物中拉制玻璃光纖的化學成分化學成分，摩爾分數(shù) 添加劑氧化鋁-氧化硅材料0.50Al2O3+0.50SiO20.50Al2O3+0.50SiO2Nd2O3，1％到20％重量0.50Al2O3+0.50SiO2Er2O3，1％到20％重量
0.60Al2O3+0.40SiO20.67Al2O3+0.33SiO20.69Al2O3+0.31SiO20.70Al2O3+0.30SiO20.71Al2O3+0.29SiO2氧化鋁-氧化釔材料0.63Al2O3+0.37Y2O30.63Al2O3+0.37Y2O3Nd2O3，5mol％替代Y2O3其它材料0.50Al2O3+0.50CaO0.30Al2O3+0.70CaO0.67MgO+0.33SiO2(鎂橄欖石)0.50Al2O3+0.50La2O30.35Al2O3+0.35LiO+SiO2表III富鋁紅柱石成分光纖特性光纖狀態(tài)光纖直徑，_m拉斷強度，Gpa如拉制 32.06.45如拉制 20.54.68如拉制 32.75.21如拉制 30.56.14如拉制 33.05.55在1100℃結(jié)晶19.00.78在1200℃結(jié)晶8.0 1.00在1200℃結(jié)晶28.00.66其他基質(zhì)光纖材料的描述大多數(shù)結(jié)晶氧化物激光基質(zhì)都沒有生產(chǎn)出非晶產(chǎn)品，因此還沒有試驗過個非晶形態(tài)的光學性能。因此在目前的文獻中還沒有關(guān)于這種基質(zhì)光學性能的資料。尤其是，該文獻沒有推薦非晶形態(tài)的熒光帶寬。申請人已經(jīng)研究了報道的很多摻鉺激光晶體的熒光光譜，申請人已經(jīng)使用了給定晶體內(nèi)熒光光譜作為信息來開始推算個材料的相應(yīng)非晶熒光帶寬，希望非晶結(jié)晶材料也能夠具有寬的熒光帶寬。
例如，摻鉺結(jié)晶镥鋁石榴石(LuAG)的熒光光譜表示在圖24中，如A.A.Kaminsky，et al.，Investigation of stimulated emission fromLu3Al5O12crystals with Ho3+，Er3+and Tm3+ions，phys.stat，sol.(a)，Vol.18，K3l，1973所述。LuAG光譜表現(xiàn)出一系列的不連貫的峰。因為在任何晶體內(nèi)，每個峰都對應(yīng)Er3+的4I13/2能級和4I15/2能級的斯塔克子能級(Stark sub-level)之間的一個或一個以上的不同輻射馳豫轉(zhuǎn)變。材料內(nèi)Er3+的總熒光帶寬Δλ被確定為是熒光光譜中最長和最短熒光波長之間的距離。從圖24中可以看出，對于摻鉺LuAG，這些波長是1520納米和1670納米，帶寬是150納米。接著，推定非晶LuAG內(nèi)鉺熒光帶寬接近測量的晶體帶寬Δλ。換句話說，推定在LuAG晶體內(nèi)鉺的大約1550納米的離散熒光光譜轉(zhuǎn)變成非晶LuAG的總的連續(xù)光譜，這與將摻鉺結(jié)晶YAG的特性與摻鉺非晶YAG的特性進行比較而發(fā)現(xiàn)的轉(zhuǎn)變方式是相似的。
前述研究已經(jīng)應(yīng)用大量的摻鉺晶體來確定多種具有潛在的大熒光帶寬的材料。尤其是，這些研究用于YAG的改進，因為期望YAG基質(zhì)的小化學改進(例如用釔代替镥)基本上將不會改變摻鉺非晶YAG的有利帶寬熒光和增益性能。
表IV列出了這樣確定的最大的帶寬。表IV第一欄列出了基質(zhì)光纖材料的化學式，表IV第二欄列出了包含在基質(zhì)光纖材料內(nèi)的摻雜劑和共摻質(zhì)。表IV內(nèi)的第三欄列出了使用上述方法從公開的熒光光譜推斷的熒光帶寬Δλ。表IV第四欄表示ESA是否是在該晶體中在980納米中觀察到的。表IV列出了非晶材料，這些非晶材料在1550納米左右具有較寬的熒光帶寬。
表IV潛在寬帶氧化物


盡管表IV現(xiàn)在提供了很少有關(guān)研究的泵浦ESA性能的信息，表IV為研究EDFA寬帶非晶基質(zhì)提供起始點。
盡管這里已經(jīng)結(jié)合光纖放大器進行了描述，但是本發(fā)明的放大光信號的方法能夠使用集成光放大器實現(xiàn)，這些放大器是通過使用現(xiàn)有技術(shù)公知的幾種技術(shù)之一用非晶YAG大塊樣品制成的。
權(quán)利要求
1.一種在加寬的光帶寬上放大光輸入信號的方法，所述方法包括向包括摻有稀土的非晶SrY4(SiO4)3O材料的光波導(dǎo)內(nèi)輸入光信號，所述光信號包括至少一個具有第一波長的第一光信號和一個具有第二波長的第二光信號，其中所述第二波長大于所述第一波長約125納米；及對光波導(dǎo)施加泵浦光，使所述波導(dǎo)給光輸入信號提供光增益，以便至少放大所述第一光信號和第二光信號。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述非晶SrY4(SiO4)3O材料摻有鉺。
3.一種在加寬的光帶寬上放大光輸入信號的光放大器，所述光放大器包括一個提供光泵浦光的光泵浦源；和一個包括一種摻有稀土的非晶SrY4(SiO4)3O材料的光波導(dǎo)，所述光波導(dǎo)光耦合接收來自光泵浦源的光泵浦光，所述光波導(dǎo)接收具有多個波長的光輸入信號，所述光輸入信號包括至少一個具有第一波長的第一光信號和至少一個具有第二波長的第二光信號，所述第二波長大于所述第一波長約125納米，所述泵浦光在泵浦波長處有一個泵浦波長和強度，使光波導(dǎo)提供光增益，以便至少能夠放大所述第一光信號和第二光信號。
4.如權(quán)利要求3所述的光放大器，其中所述非晶SrY4(SiO4)3O材料摻有鉺。
全文摘要
在一個較寬的帶寬上放大光輸入信號的方法中，將光輸入信號輸入到由摻有稀土元素非晶材料(如摻鉺釔鋁氧化物材料)制成的光波導(dǎo)(810)內(nèi)。該光輸入信號包括的光信號的波長范圍為至少80納米，優(yōu)選為至少160納米。泵浦光(830)提供給光波導(dǎo)(810)，使光波導(dǎo)(810)給光輸入信號提供光增益。該光增益使光信號在波導(dǎo)(810)內(nèi)放大，在加寬的80－160納米的范圍內(nèi)提供放大的光信號，尤其包括該范圍的一端波長和該范圍的另一端波長的光信號。
文檔編號G02B6/134GK1654981SQ200510002348
公開日2005年8月17日 申請日期2000年7月28日 優(yōu)先權(quán)日2000年7月28日
發(fā)明者Y·G·費蘭斯, M·J·F·迪戈內(nèi), M·M·費耶爾 申請人:里蘭斯坦福初級大學理事會