专利名称：适用于扩展的波段放大的硅酸磷光纤的利记博彩app
背景技术：
普遍选取掺铒铝锗石英(Er-Al-Ge-Si)光纤用于工作在从1565nm到1605nm的长波长波段(L-band)的EDFA’s。但是，为了使用由商用传输光纤提供的1565nm到1620nm的容量，需要进一步增加EDFA的信号波段容量到1620nm或更长波长的称作扩展L-波段的范围。
在1998年光学放大器及其应用会议上的技术文摘上发表的题名为“OpticalAmplification Characteristics around 1.58μm of Silica-Based Erbium-DopedFibers Containing Phosphorous/Alumina as Codopants”的文章描述了氧化铝硅酸磷光纤。这篇文章说明这些光纤可以用于L-波段范围。文中表1描述了三种不同的光纤类型的纤芯成分有不同浓度的铝和磷的A，B和C。A型光纤包含大约7.8重量百分比(wt％)的铝并且没有磷。B型光纤包含大约2wt％的铝和5wt％的氧化磷。C型光纤包含的铝浓度为0.3wt％，氧化磷浓度大约8wt％。文中图3描绘了这些光纤的各个增益曲线。B型光纤的增益曲线比A型光纤的低，这主要是因为Er的浓度较低。但是，虽然A型光纤和C型光纤的Er的量是一样的，但C型光纤相对A型光纤能把L-波段扩展到更长的波长。不过，C型光纤产生更小的增益量和更多的增益波动。最终，由于C型光纤的纤芯/包层成分，C型光纤有相对低的在纤芯和包层之间的相对折射指数差(ΔN＜0.004)，它导致低的抽运效率和高的弯曲灵敏度。由于高的总能量和大的盘绕直径，会使C型光纤产生非常大尺寸的模数，并使得该放大器不能用于商用。
在制造诸如B型光纤和C型光纤的基于石英的Al-P-Si光纤中，高浓度的AlPO4导致了问题。A1PO4趋于离开石英基结构网格并且聚集成团形成微晶体(典型的颗粒尺寸小于100μm)。这些微晶体在形成的光纤中导致了高的散射损耗。此外，AlPO4比那些结合P2O5和Al2O3的光纤有低的折射率。对于用在EDFA应用中的光纤，通常需要大约1％的相对高的ΔN。需要更多的铝和磷来提高纤芯相对于包层的折射率并且得到EDFA输出的最佳增益特性。但是，提高Al和P的程度导致在玻璃中形成了高浓度的AlPO1成分，这会导致低的ΔN，并进一步加剧聚集成团，引起散射问题。
在1998年11月的期刊Journal of Lightwave technology，Vol.16，No.11中题名为“Fabrication and Characterization of Yb3+Er3+Phosphosilicate Fibersfor Lasers”的文章也揭示了结合光学有源玻璃的光纤。不过这篇文章描述了工作在1.5μm的高功率光纤激光器，具体是指Yb，Er共掺杂的光纤激光器。这篇文章说为了达到高输出功率，使用一个1064nm NdYAG激光器激发Yb元素，这样间接地抽运了Er离子。受激Yb元素把能量转移给Er离子，使Er离子能够进行信号放大。更具体地说，这篇文章揭示了使用高功率(800mW)NdYAG激光器从光纤中得到高的输出功率。在商业配置的放大器中，这样的NdYAG抽运激光器不能很大。因此，在元件最小化和节省空间十分重要的地方，NdYAG激光器就不能用于典型的光学放大器。另外，这样的激光器也不能有效地用于直接抽运Er离子。
发明摘要根据本发明的一个方面，当直接抽运激发Er离子时，光学有源硅酸磷玻璃提供在1565nm到1620nm范围内的增益并且包括(以重量百分比)SiO250到92％；Er2O30.01到2％；P2O5大于5％；并且Al2O30.0到0.3％。
根据本发明的一个实施例，该玻璃包括(以重量百分比)SiO265到92％；Er2O30.01到1％；P2O5大于5％；Al2O30.0到0.3％。以及一种或多种下面元素的氧化物Ge，Yb；Y；Ga；Ta，Gd，Lu，La和Sc，含量从0.1％到20％wt％。
该发明玻璃的优点是，它可以用于L-波段光学放大器的光学增益介质光纤，把L-波段扩展超过1605nm到1620nm或更长。
前面的一般描述和后面的详细描述只是本发明的实例，其目的是为了提供本发明的概貌或框架来理解本发明所要求的发明的特征和性质。本发明包含的附图为理解本发明提供了进一步的手段，在这里将其合并并且构成说明书的一部分。附图示出了本发明不同的特征和实例，并和详细描述一起解释本发明的原理和操作。
附图概述
图1是三根包含小于0.03Wt％Al2O3的掺铒硅酸磷玻璃光纤和包含相对大量的Al2O3的硅酸磷玻璃光纤的荧光光谱图。
图2是这些光纤的计算增益对波长曲线图。
图3是示出改进的掺铒硅酸磷玻璃光纤的横截面示意图。
图4是使用图3中光纤的光学放大器的示意图。
较佳实施例的详细描述本发明的一个较佳实施例包括掺铒、无三氧化二铝的硅酸磷成分，适用于作为扩展的L-波段的光纤放大器增益介质的光纤。在长波长范围，无三氧化二铝的纤芯成分的光纤能比包含即使小浓度氧化铝的光纤提供更多增益。这类光纤的优点是低的无源损耗和相对高的相对折射指数差。无源损耗(也称作背景损耗)包括，散射中心的散射带来的损耗(例如微晶体和折射率不连续)和杂散(spurious)吸收带来的损耗(例如水或铁、或其它金属吸收)。相对折射指数差定义为纤芯折射率减去包层折射率再除以包层折射率，或ΔN=(ncore-ncladnclad)]]>。这些光纤的相对折射指数差ΔN宜为大于0.005。更宜为0.007≤ΔN≤0.015，甚至更可取为0.008≤ΔN≤0.013。在一些实施例中光纤需要在0.009≤ΔN≤0.011范围内的ΔN。这些ΔN值使光纤弯曲损耗最小并且产生较好的泵浦功率转换效率。
为了进一步改变扩展L-band增益光谱，我们使用一个或更多个增益修改或增益展平作用剂。例如这些作用剂可以是镓和锑。这些作用剂宜为玻璃的0.5到20wt％。这些元素克服了增益曲线在大约1575nm处的凹谷并且增加增益(见图2)。
磷浓度的增加增加玻璃的折射率，磷浓度越低折射率越低。添加Ge，Ta，Yb，La，Y或其它诸如原子量大于15的光学惰性元素的折射率增加元素可以提高玻璃的折射率并且补偿低的磷浓度。光学惰性元素是在800nm-1700nm波长范围基本上没有吸收或发射的元素。这样，如果光纤纤芯里的磷含量小于10％，这些元素宜占纤芯玻璃成分的0.1wt％到20wt％。它们宜占玻璃成分的1到15wt％，更宜为1-10wt％，最宜为总玻璃成分的1-5％。
下面元素中的一种或多种宜用作铒离子离散(de-clustering)作用剂Yb，Y，Sc，La，Ga，Gd和Lu。当铒浓度高时(例如0.1wt％)，这些离散作用剂占玻璃成分的0.5到20wt％。这组元素不会损害增益特性。据我们所知，当这些元素合并到掺稀土石英玻璃中时，这些元素不会与P2O5形成合成物，但是会产生一些所需的加宽和铒离子离散效应。
图1示出掺杂四个稀土元素的硅酸磷光纤的发射光谱(荧光)。图1更具体地描绘了四个光学有源光纤纤芯玻璃成分A’，B’，C’，D’各自对应的四条曲线。光学有源玻璃包含稀土材料并且提供从大约800到大约1700nm范围内的增益。例如，掺铒光学有源玻璃提供在1500nm到1650nm范围的增益。第一利硅酸磷合成物A’包括大约20wt％的氧化磷(例如P2O5)，大约10wt％氧化镱(Yb2O3)和，大约0.25wt％氧化铒(例如Er2O3)和大约4.5wt％的氧化铝(例如Al2O3)。
第二种合成物B’包括大约23wt％氧化磷，大约2.5％wt5氧化镱和大约0.19wt％氧化铒。第二种玻璃合成物不包括铝。第三种合成物C’包括大约20wt％的氧化磷，没有氧化镱，没有氧化铝，有大约0.25wt％的氧化铒。第四种合成物D’包括大约22wt％的氧化磷，大约2wt％的氧化镱和大约0.2wt％的氧化铒。第四种合成物不包括氧化铝。
考虑上述关于Al2O3合成物的情况，可使用低的氧化铝，更适宜用无Al2O3的硅酸磷合成物来有利地解决那些问题。
图2示出这些光纤的增益曲线并且示出扩展到1620nm范围或更远的增益光谱。
这样，使用低浓度铝的(例如，小于0.3wt％，更适宜小于0.2wt％)基于掺铒硅酸磷的合成物(P2O5，2-45wt％)是用于扩展的L-band放大器应用的极有利的氧化物。氧化铝的含量更适宜小于0.1wt％，甚至于小于0.05wt％。这些基于硅酸磷氧化物的合成物最好是基本上无铝的。参考图3，根据本发明的实例实施例，光纤10包括有低浓度氧化铝(小于0.3，最好是0％)的纤芯12和包围纤芯的至少一个包层14。更具体地说，纤芯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的整数(例如Er2O3)；P2O5＞8％；且0.0％≤Al2O3＜0.3％。稀土元素宜为铒。Er2O3的含量宜为0.1到1.0wt％，更适宜是0.2到0.4wt％。该Er2O3的含量提供了好的增益特性而没有太多的集结。如上所述，纤芯12也包括提高折射率的共掺杂元素来取得大于0.005的相对折射指数差。纤芯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％；和一种或多种在0.1wt％到20wt％含量的上述折射率增加元素。在这个实施例中光纤10的包层14包含Si，也包含P，F，和/或Ge。更具体地说，包层14包含了小于5wt％的P2O5，小于1wt％的F和大约2wt％的Ge。
表1和表2揭示了化学合成物和使用这些合成物制造的多种示范硅酸磷光纤的重要参数。更具体地说，表1提供了从一些光纤中得到的光纤成分数据和测量数据。该测量数据包括对每根光纤的1550nm的模场直径(MFD)，截止波长(nm)，和在1250nm，1300nm和1619nm测量的总背景噪声(TBN)。
表1
表2列表说明了在光纤中用于激发铒离子的抽运功率，由可调激光器(TLSpwr)提供的信号功率和用于表1中光纤2和3的具体波长范围(单位nm，列表于波长列)。表2示出这些光纤在特定波长范围有非常低的偏振模式色散(PMD)。(注意电信系统的典型信号波长在大约1550nm。)表2
这些光纤可以用于扩展的L-band放大器。图4示出了实例放大器100的示意图。放大器100工作于1565到1620nm波段，如图所示包括由低铝(最好无铝)硅酸磷光纤10制作的两盘光纤110，120。这些光纤盘可以有相同或不同的成分。根据本发明，工艺上的能手将认识到放大器也可以设计为有一盘光纤或多于两盘光纤。另外，这个放大器也可包括一个或更多个下述元件隔离器，可变光学衰减器，滤光片，或光栅。光纤盘110和120用于在扩展的L-波段范围为信号提供增益。
放大器100也包括光学隔离器130，140和150。这些隔离器防止在增益级(相当于光纤盘110和120)和其它光学元件之间不必要的反射。
抽运光源160，165和170用于直接激发铒离子到上能级，引起受激辐射和增益。抽运光源160，165和170既可以在1480nm抽运也可以在980nm抽运。当Yb不用于共掺杂质时(如果需要，Yb可用作离散作用剂)，980和1480nm抽运光都可以直接激发铒离子。而Yb存在时，只能用1480nm抽运。因此，我们不使用1060nm抽运源激发Yb离子，从而不通过从Yb离子到Er离子的能量转移来间接转移能量。
波分复用器(WDMs)175，180和185或其它的抽运光/信号光合并器将抽运光和信号光合并到一根光纤中，这样使信号光和抽运光都进入第一增益级。增益展平滤波器(GFF)190把增益线型变平到可接受的程度。可变光学衰减器(VOA)195也可以用于控制信号水平。其它的光学元件也可以包括抽运或信号分接头(用于监视)，环行器(用于信号路由选择)，光学滤波器，光栅，信号复用器和解复用器，信号上行/下行器，或色散补偿模块。那些技术上的能手将清楚根据本发明的放大器可以包括其它光学元件，或以不同方式布置的可得到所需输出特性和工作特性的选用的上述光学元件。
因此，那些工艺上的能手将清楚在不背离本发明范围的情况下可以对本发明进行不同的变化和修改。这意味着本发明覆盖了发明的变化和修改范围，该范围由附加的权利要求和它们的等效物所限定。
权利要求
1.一种光学有源硅酸磷玻璃，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从0.0到0.3％，其中所述光学有源玻璃，当抽运光直接激发铒离子时，提供在1565nm到1620nm范围内的增益。
2.如权利要求1所述的光学有源玻璃，其特征在于，其中P2O5大于8wt％。
3.一种光纤，其特征在于，包含权利要求1所述的光学有源玻璃。
4.一种光学放大器，其特征在于，包含权利要求3所述的光纤。
5.如权利要求1所述的光学有源玻璃，其特征在于，其中Al2O3的浓度≤0.1wt％。
6.如权利要求5所述的光学有源玻璃，其特征在于，其中Al2O3的浓度从0到0.05wt％。
7.如权利要求7所述的光学有源玻璃，其特征在于，其中P2O5的含量大于20wt％。
8.如权利要求1所述的光学有源玻璃，其特征在于，进一步包括含量在0.1％到20％的一种或更多种增加折射率的元素，所述元素从Ge，Yb，Y，Ga，Ta中选出，或是原子量大于15的光学惰性元素。
9.一种包含了光抽运源和包含权利要求8所述的光学有源玻璃的光纤的光学放大器，其特征在于，所述铒离子直接被所述光抽运源提供的能量激发。
10.如权利要求1所述的光学有源玻璃，其特征在于，进一步包括0.5到20wt％的铒离子离散作用剂，所述离散作用剂从Yb，Y，Sc，La，Ga，Gd和Lu中选出。
11.如权利要求1所述的光学有源玻璃，其特征在于，进一步包括0.5到20wt％的增益展平作用剂，所述增益展平作用剂从Ga和Sb中选出。
12.一种光学有源玻璃，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％；并且一种或多种其含量从0.1到20％的下面的提高折射率的元素Ge；Yb；Y；Ga；Ta；其中所述光学有源玻璃，当抽运光直接激发铒离子时，提供在1565nm到1620nm范围内的增益。
13.如权利要求12所述的光学有源玻璃，其特征在于，其中P2O5的含量大于15wt％。
14.如权利要求12所述的光学有源玻璃，其特征在于，其中Er2O3的含量从0.2到0.4wt％。
15.一种光纤包括一个纤芯和至少一个包围所述纤芯的包层，其特征在于，所述纤芯包括有如权利要求1所述的光学有源玻璃，所述包层包含至少一个下列元素P，F和Ge。
16.如权利要求15所述的光纤，其特征在于，所述纤芯包含Ge。
17.如权利要求16所述的光纤，其特征在于，所述Ge的含量小于0.5wt％。
18.一种光纤，其特征在于，包括一个有折射率Ncore的纤芯，所述纤芯包含如权利要求1所述的光学有源玻璃；至少一个包层包围了所述纤芯，所述包层的折射率为Nclad；其中0.007≤ΔN≤0.015，这里ΔN＝(Ncore-Nclad)/Nclad。
19.如权利要求18所述的光纤，其特征在于，其中0.008≤ΔN≤0.013。
20.一种光学放大器，其特征在于，包括如权利要求15所述的光纤，所述放大器进一步包括至少一个提供光发射到所述光纤的光抽运源，这样所述铒离子被所述抽运源直接抽运，以及包括至少一个其它光学元件。
全文摘要
一种光学有源硅酸磷玻璃，当抽运光直接激发铒离子时，提供在1565nm到1620nm范围内的增益，并且以重量百分比包括SiO
文档编号C03C4/00GK1400957SQ01804914
公开日2003年3月5日 申请日期2001年10月9日 优先权日2000年11月8日
发明者D·E·哥弗尔什, J·T·科利, J·D·米内利, M·T·穆尔塔, G·M·特鲁斯戴尔, 戚刚, 王吉 申请人:康宁股份有限公司