專利名稱：適用于擴(kuò)展的波段放大的硅酸磷光纖的制作方法
背景技術(shù)：
普遍選取摻鉺鋁鍺石英(Er-Al-Ge-Si)光纖用于工作在從1565nm到1605nm的長波長波段(L-band)的EDFA’s。但是，為了使用由商用傳輸光纖提供的1565nm到1620nm的容量，需要進(jìn)一步增加EDFA的信號(hào)波段容量到1620nm或更長波長的稱作擴(kuò)展L-波段的范圍。
在1998年光學(xué)放大器及其應(yīng)用會(huì)議上的技術(shù)文摘上發(fā)表的題名為“OpticalAmplification Characteristics around 1.58μm of Silica-Based Erbium-DopedFibers Containing Phosphorous/Alumina as Codopants”的文章描述了氧化鋁硅酸磷光纖。這篇文章說明這些光纖可以用于L-波段范圍。文中表1描述了三種不同的光纖類型的纖芯成分有不同濃度的鋁和磷的A，B和C。A型光纖包含大約7.8重量百分比(wt％)的鋁并且沒有磷。B型光纖包含大約2wt％的鋁和5wt％的氧化磷。C型光纖包含的鋁濃度為0.3wt％，氧化磷濃度大約8wt％。文中圖3描繪了這些光纖的各個(gè)增益曲線。B型光纖的增益曲線比A型光纖的低，這主要是因?yàn)镋r的濃度較低。但是，雖然A型光纖和C型光纖的Er的量是一樣的，但C型光纖相對(duì)A型光纖能把L-波段擴(kuò)展到更長的波長。不過，C型光纖產(chǎn)生更小的增益量和更多的增益波動(dòng)。最終，由于C型光纖的纖芯/包層成分，C型光纖有相對(duì)低的在纖芯和包層之間的相對(duì)折射指數(shù)差(ΔN＜0.004)，它導(dǎo)致低的抽運(yùn)效率和高的彎曲靈敏度。由于高的總能量和大的盤繞直徑，會(huì)使C型光纖產(chǎn)生非常大尺寸的模數(shù)，并使得該放大器不能用于商用。
在制造諸如B型光纖和C型光纖的基于石英的Al-P-Si光纖中，高濃度的AlPO4導(dǎo)致了問題。A1PO4趨于離開石英基結(jié)構(gòu)網(wǎng)格并且聚集成團(tuán)形成微晶體(典型的顆粒尺寸小于100μm)。這些微晶體在形成的光纖中導(dǎo)致了高的散射損耗。此外，AlPO4比那些結(jié)合P2O5和Al2O3的光纖有低的折射率。對(duì)于用在EDFA應(yīng)用中的光纖，通常需要大約1％的相對(duì)高的ΔN。需要更多的鋁和磷來提高纖芯相對(duì)于包層的折射率并且得到EDFA輸出的最佳增益特性。但是，提高Al和P的程度導(dǎo)致在玻璃中形成了高濃度的AlPO1成分，這會(huì)導(dǎo)致低的ΔN，并進(jìn)一步加劇聚集成團(tuán)，引起散射問題。
在1998年11月的期刊Journal of Lightwave technology，Vol.16，No.11中題名為“Fabrication and Characterization of Yb3+Er3+Phosphosilicate Fibersfor Lasers”的文章也揭示了結(jié)合光學(xué)有源玻璃的光纖。不過這篇文章描述了工作在1.5μm的高功率光纖激光器，具體是指Yb，Er共摻雜的光纖激光器。這篇文章說為了達(dá)到高輸出功率，使用一個(gè)1064nm NdYAG激光器激發(fā)Yb元素，這樣間接地抽運(yùn)了Er離子。受激Yb元素把能量轉(zhuǎn)移給Er離子，使Er離子能夠進(jìn)行信號(hào)放大。更具體地說，這篇文章揭示了使用高功率(800mW)NdYAG激光器從光纖中得到高的輸出功率。在商業(yè)配置的放大器中，這樣的NdYAG抽運(yùn)激光器不能很大。因此，在元件最小化和節(jié)省空間十分重要的地方，NdYAG激光器就不能用于典型的光學(xué)放大器。另外，這樣的激光器也不能有效地用于直接抽運(yùn)Er離子。
發(fā)明摘要根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，當(dāng)直接抽運(yùn)激發(fā)Er離子時(shí)，光學(xué)有源硅酸磷玻璃提供在1565nm到1620nm范圍內(nèi)的增益并且包括(以重量百分比)SiO250到92％；Er2O30.01到2％；P2O5大于5％；并且Al2O30.0到0.3％。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，該玻璃包括(以重量百分比)SiO265到92％；Er2O30.01到1％；P2O5大于5％；Al2O30.0到0.3％。以及一種或多種下面元素的氧化物Ge，Yb；Y；Ga；Ta，Gd，Lu，La和Sc，含量從0.1％到20％wt％。
該發(fā)明玻璃的優(yōu)點(diǎn)是，它可以用于L-波段光學(xué)放大器的光學(xué)增益介質(zhì)光纖，把L-波段擴(kuò)展超過1605nm到1620nm或更長。
前面的一般描述和后面的詳細(xì)描述只是本發(fā)明的實(shí)例，其目的是為了提供本發(fā)明的概貌或框架來理解本發(fā)明所要求的發(fā)明的特征和性質(zhì)。本發(fā)明包含的附圖為理解本發(fā)明提供了進(jìn)一步的手段，在這里將其合并并且構(gòu)成說明書的一部分。附圖示出了本發(fā)明不同的特征和實(shí)例，并和詳細(xì)描述一起解釋本發(fā)明的原理和操作。
附圖概述

圖1是三根包含小于0.03Wt％Al2O3的摻鉺硅酸磷玻璃光纖和包含相對(duì)大量的Al2O3的硅酸磷玻璃光纖的熒光光譜圖。
圖2是這些光纖的計(jì)算增益對(duì)波長曲線圖。
圖3是示出改進(jìn)的摻鉺硅酸磷玻璃光纖的橫截面示意圖。
圖4是使用圖3中光纖的光學(xué)放大器的示意圖。
較佳實(shí)施例的詳細(xì)描述本發(fā)明的一個(gè)較佳實(shí)施例包括摻鉺、無三氧化二鋁的硅酸磷成分，適用于作為擴(kuò)展的L-波段的光纖放大器增益介質(zhì)的光纖。在長波長范圍，無三氧化二鋁的纖芯成分的光纖能比包含即使小濃度氧化鋁的光纖提供更多增益。這類光纖的優(yōu)點(diǎn)是低的無源損耗和相對(duì)高的相對(duì)折射指數(shù)差。無源損耗(也稱作背景損耗)包括，散射中心的散射帶來的損耗(例如微晶體和折射率不連續(xù))和雜散(spurious)吸收帶來的損耗(例如水或鐵、或其它金屬吸收)。相對(duì)折射指數(shù)差定義為纖芯折射率減去包層折射率再除以包層折射率，或ΔN=(ncore-ncladnclad)]]>。這些光纖的相對(duì)折射指數(shù)差ΔN宜為大于0.005。更宜為0.007≤ΔN≤0.015，甚至更可取為0.008≤ΔN≤0.013。在一些實(shí)施例中光纖需要在0.009≤ΔN≤0.011范圍內(nèi)的ΔN。這些ΔN值使光纖彎曲損耗最小并且產(chǎn)生較好的泵浦功率轉(zhuǎn)換效率。
為了進(jìn)一步改變擴(kuò)展L-band增益光譜，我們使用一個(gè)或更多個(gè)增益修改或增益展平作用劑。例如這些作用劑可以是鎵和銻。這些作用劑宜為玻璃的0.5到20wt％。這些元素克服了增益曲線在大約1575nm處的凹谷并且增加增益(見圖2)。
磷濃度的增加增加玻璃的折射率，磷濃度越低折射率越低。添加Ge，Ta，Yb，La，Y或其它諸如原子量大于15的光學(xué)惰性元素的折射率增加元素可以提高玻璃的折射率并且補(bǔ)償?shù)偷牧诐舛取９鈱W(xué)惰性元素是在800nm-1700nm波長范圍基本上沒有吸收或發(fā)射的元素。這樣，如果光纖纖芯里的磷含量小于10％，這些元素宜占纖芯玻璃成分的0.1wt％到20wt％。它們宜占玻璃成分的1到15wt％，更宜為1-10wt％，最宜為總玻璃成分的1-5％。
下面元素中的一種或多種宜用作鉺離子離散(de-clustering)作用劑Yb，Y，Sc，La，Ga，Gd和Lu。當(dāng)鉺濃度高時(shí)(例如0.1wt％)，這些離散作用劑占玻璃成分的0.5到20wt％。這組元素不會(huì)損害增益特性。據(jù)我們所知，當(dāng)這些元素合并到摻稀土石英玻璃中時(shí)，這些元素不會(huì)與P2O5形成合成物，但是會(huì)產(chǎn)生一些所需的加寬和鉺離子離散效應(yīng)。
圖1示出摻雜四個(gè)稀土元素的硅酸磷光纖的發(fā)射光譜(熒光)。圖1更具體地描繪了四個(gè)光學(xué)有源光纖纖芯玻璃成分A’，B’，C’，D’各自對(duì)應(yīng)的四條曲線。光學(xué)有源玻璃包含稀土材料并且提供從大約800到大約1700nm范圍內(nèi)的增益。例如，摻鉺光學(xué)有源玻璃提供在1500nm到1650nm范圍的增益。第一利硅酸磷合成物A’包括大約20wt％的氧化磷(例如P2O5)，大約10wt％氧化鐿(Yb2O3)和，大約0.25wt％氧化鉺(例如Er2O3)和大約4.5wt％的氧化鋁(例如Al2O3)。
第二種合成物B’包括大約23wt％氧化磷，大約2.5％wt5氧化鐿和大約0.19wt％氧化鉺。第二種玻璃合成物不包括鋁。第三種合成物C’包括大約20wt％的氧化磷，沒有氧化鐿，沒有氧化鋁，有大約0.25wt％的氧化鉺。第四種合成物D’包括大約22wt％的氧化磷，大約2wt％的氧化鐿和大約0.2wt％的氧化鉺。第四種合成物不包括氧化鋁。
考慮上述關(guān)于Al2O3合成物的情況，可使用低的氧化鋁，更適宜用無Al2O3的硅酸磷合成物來有利地解決那些問題。
圖2示出這些光纖的增益曲線并且示出擴(kuò)展到1620nm范圍或更遠(yuǎn)的增益光譜。
這樣，使用低濃度鋁的(例如，小于0.3wt％，更適宜小于0.2wt％)基于摻鉺硅酸磷的合成物(P2O5，2-45wt％)是用于擴(kuò)展的L-band放大器應(yīng)用的極有利的氧化物。氧化鋁的含量更適宜小于0.1wt％，甚至于小于0.05wt％。這些基于硅酸磷氧化物的合成物最好是基本上無鋁的。參考圖3，根據(jù)本發(fā)明的實(shí)例實(shí)施例，光纖10包括有低濃度氧化鋁(小于0.3，最好是0％)的纖芯12和包圍纖芯的至少一個(gè)包層14。更具體地說，纖芯12包括(以重量百分比)65％≤SiO2≤92％；0.01％≤RExO≤2％，其中RE是除Yb以外的稀土元素，x，y是大于0的整數(shù)(例如Er2O3)；P2O5＞8％；且0.0％≤Al2O3＜0.3％。稀土元素宜為鉺。Er2O3的含量宜為0.1到1.0wt％，更適宜是0.2到0.4wt％。該Er2O3的含量提供了好的增益特性而沒有太多的集結(jié)。如上所述，纖芯12也包括提高折射率的共摻雜元素來取得大于0.005的相對(duì)折射指數(shù)差。纖芯12可以有下面的成分(用重量百分比)50％≤SiO2≤92％；0.01％≤Er2O3≤1％；P2O5＞5％；0.0％≤Al2O3≤0.3％；和一種或多種在0.1wt％到20wt％含量的上述折射率增加元素。在這個(gè)實(shí)施例中光纖10的包層14包含Si，也包含P，F(xiàn)，和/或Ge。更具體地說，包層14包含了小于5wt％的P2O5，小于1wt％的F和大約2wt％的Ge。
表1和表2揭示了化學(xué)合成物和使用這些合成物制造的多種示范硅酸磷光纖的重要參數(shù)。更具體地說，表1提供了從一些光纖中得到的光纖成分?jǐn)?shù)據(jù)和測(cè)量數(shù)據(jù)。該測(cè)量數(shù)據(jù)包括對(duì)每根光纖的1550nm的模場(chǎng)直徑(MFD)，截止波長(nm)，和在1250nm，1300nm和1619nm測(cè)量的總背景噪聲(TBN)。
表1
表2列表說明了在光纖中用于激發(fā)鉺離子的抽運(yùn)功率，由可調(diào)激光器(TLSpwr)提供的信號(hào)功率和用于表1中光纖2和3的具體波長范圍(單位nm，列表于波長列)。表2示出這些光纖在特定波長范圍有非常低的偏振模式色散(PMD)。(注意電信系統(tǒng)的典型信號(hào)波長在大約1550nm。)表2
這些光纖可以用于擴(kuò)展的L-band放大器。圖4示出了實(shí)例放大器100的示意圖。放大器100工作于1565到1620nm波段，如圖所示包括由低鋁(最好無鋁)硅酸磷光纖10制作的兩盤光纖110，120。這些光纖盤可以有相同或不同的成分。根據(jù)本發(fā)明，工藝上的能手將認(rèn)識(shí)到放大器也可以設(shè)計(jì)為有一盤光纖或多于兩盤光纖。另外，這個(gè)放大器也可包括一個(gè)或更多個(gè)下述元件隔離器，可變光學(xué)衰減器，濾光片，或光柵。光纖盤110和120用于在擴(kuò)展的L-波段范圍為信號(hào)提供增益。
放大器100也包括光學(xué)隔離器130，140和150。這些隔離器防止在增益級(jí)(相當(dāng)于光纖盤110和120)和其它光學(xué)元件之間不必要的反射。
抽運(yùn)光源160，165和170用于直接激發(fā)鉺離子到上能級(jí)，引起受激輻射和增益。抽運(yùn)光源160，165和170既可以在1480nm抽運(yùn)也可以在980nm抽運(yùn)。當(dāng)Yb不用于共摻雜質(zhì)時(shí)(如果需要，Yb可用作離散作用劑)，980和1480nm抽運(yùn)光都可以直接激發(fā)鉺離子。而Yb存在時(shí)，只能用1480nm抽運(yùn)。因此，我們不使用1060nm抽運(yùn)源激發(fā)Yb離子，從而不通過從Yb離子到Er離子的能量轉(zhuǎn)移來間接轉(zhuǎn)移能量。
波分復(fù)用器(WDMs)175，180和185或其它的抽運(yùn)光/信號(hào)光合并器將抽運(yùn)光和信號(hào)光合并到一根光纖中，這樣使信號(hào)光和抽運(yùn)光都進(jìn)入第一增益級(jí)。增益展平濾波器(GFF)190把增益線型變平到可接受的程度?？勺児鈱W(xué)衰減器(VOA)195也可以用于控制信號(hào)水平。其它的光學(xué)元件也可以包括抽運(yùn)或信號(hào)分接頭(用于監(jiān)視)，環(huán)行器(用于信號(hào)路由選擇)，光學(xué)濾波器，光柵，信號(hào)復(fù)用器和解復(fù)用器，信號(hào)上行/下行器，或色散補(bǔ)償模塊。那些技術(shù)上的能手將清楚根據(jù)本發(fā)明的放大器可以包括其它光學(xué)元件，或以不同方式布置的可得到所需輸出特性和工作特性的選用的上述光學(xué)元件。
因此，那些工藝上的能手將清楚在不背離本發(fā)明范圍的情況下可以對(duì)本發(fā)明進(jìn)行不同的變化和修改。這意味著本發(fā)明覆蓋了發(fā)明的變化和修改范圍，該范圍由附加的權(quán)利要求和它們的等效物所限定。
權(quán)利要求
1.一種光學(xué)有源硅酸磷玻璃，其特征在于，以重量百分比包括SiO250到92％；Er2O30.01到2％；P2O5大于5％；以及Al2O3從0.0到0.3％，其中所述光學(xué)有源玻璃，當(dāng)抽運(yùn)光直接激發(fā)鉺離子時(shí)，提供在1565nm到1620nm范圍內(nèi)的增益。
2.如權(quán)利要求1所述的光學(xué)有源玻璃，其特征在于，其中P2O5大于8wt％。
3.一種光纖，其特征在于，包含權(quán)利要求1所述的光學(xué)有源玻璃。
4.一種光學(xué)放大器，其特征在于，包含權(quán)利要求3所述的光纖。
5.如權(quán)利要求1所述的光學(xué)有源玻璃，其特征在于，其中Al2O3的濃度≤0.1wt％。
6.如權(quán)利要求5所述的光學(xué)有源玻璃，其特征在于，其中Al2O3的濃度從0到0.05wt％。
7.如權(quán)利要求7所述的光學(xué)有源玻璃，其特征在于，其中P2O5的含量大于20wt％。
8.如權(quán)利要求1所述的光學(xué)有源玻璃，其特征在于，進(jìn)一步包括含量在0.1％到20％的一種或更多種增加折射率的元素，所述元素從Ge，Yb，Y，Ga，Ta中選出，或是原子量大于15的光學(xué)惰性元素。
9.一種包含了光抽運(yùn)源和包含權(quán)利要求8所述的光學(xué)有源玻璃的光纖的光學(xué)放大器，其特征在于，所述鉺離子直接被所述光抽運(yùn)源提供的能量激發(fā)。
10.如權(quán)利要求1所述的光學(xué)有源玻璃，其特征在于，進(jìn)一步包括0.5到20wt％的鉺離子離散作用劑，所述離散作用劑從Yb，Y，Sc，La，Ga，Gd和Lu中選出。
11.如權(quán)利要求1所述的光學(xué)有源玻璃，其特征在于，進(jìn)一步包括0.5到20wt％的增益展平作用劑，所述增益展平作用劑從Ga和Sb中選出。
12.一種光學(xué)有源玻璃，其特征在于，以重量百分比包括SiO250到92％；Er2O30.01到1％；P2O5大于5％；Al2O30.0到0.3％；并且一種或多種其含量從0.1到20％的下面的提高折射率的元素Ge；Yb；Y；Ga；Ta；其中所述光學(xué)有源玻璃，當(dāng)抽運(yùn)光直接激發(fā)鉺離子時(shí)，提供在1565nm到1620nm范圍內(nèi)的增益。
13.如權(quán)利要求12所述的光學(xué)有源玻璃，其特征在于，其中P2O5的含量大于15wt％。
14.如權(quán)利要求12所述的光學(xué)有源玻璃，其特征在于，其中Er2O3的含量從0.2到0.4wt％。
15.一種光纖包括一個(gè)纖芯和至少一個(gè)包圍所述纖芯的包層，其特征在于，所述纖芯包括有如權(quán)利要求1所述的光學(xué)有源玻璃，所述包層包含至少一個(gè)下列元素P，F(xiàn)和Ge。
16.如權(quán)利要求15所述的光纖，其特征在于，所述纖芯包含Ge。
17.如權(quán)利要求16所述的光纖，其特征在于，所述Ge的含量小于0.5wt％。
18.一種光纖，其特征在于，包括一個(gè)有折射率Ncore的纖芯，所述纖芯包含如權(quán)利要求1所述的光學(xué)有源玻璃；至少一個(gè)包層包圍了所述纖芯，所述包層的折射率為Nclad；其中0.007≤ΔN≤0.015，這里ΔN＝(Ncore-Nclad)/Nclad。
19.如權(quán)利要求18所述的光纖，其特征在于，其中0.008≤ΔN≤0.013。
20.一種光學(xué)放大器，其特征在于，包括如權(quán)利要求15所述的光纖，所述放大器進(jìn)一步包括至少一個(gè)提供光發(fā)射到所述光纖的光抽運(yùn)源，這樣所述鉺離子被所述抽運(yùn)源直接抽運(yùn)，以及包括至少一個(gè)其它光學(xué)元件。
全文摘要
一種光學(xué)有源硅酸磷玻璃，當(dāng)抽運(yùn)光直接激發(fā)鉺離子時(shí)，提供在1565nm到1620nm范圍內(nèi)的增益，并且以重量百分比包括SiO
文檔編號(hào)C03C4/00GK1400957SQ01804914
公開日2003年3月5日 申請(qǐng)日期2001年10月9日 優(yōu)先權(quán)日2000年11月8日
發(fā)明者D·E·哥弗爾什, J·T·科利, J·D·米內(nèi)利, M·T·穆爾塔, G·M·特魯斯戴爾, 戚剛, 王吉 申請(qǐng)人:康寧股份有限公司