放大光纤及其制造方法

专利名称：放大光纤及其制造方法
技术领域：
本发明涉及具有中心纤芯以及包围所述中心纤芯的光学包层的放大光纤，其中所
述中心纤芯是基于包括纳米粒子的硅石基体，所述纳米粒子包括包含至少一种稀土元素的 掺杂离子的基体材料。放大光纤例如可以用于高比特率光学传输链路的光学放大器。 此外，本发明涉及包括所述放大光纤的光学放大器以及光学激光器。另外，本发明 涉及一种用于制备纳米粒子悬浮液的方法，所述纳米粒子包括包含至少一种稀土元素的掺 杂离子的基体材料。此外，本发明涉及一种用于制造所述放大光纤的方法。另外，本发明涉 及所述光纤的使用。
背景技术：
本发明的发明人提交的US 2003/0175003涉及在中心纤芯的基体(matrix)中包 括纳米粒子(nanoparticle)的放大光纤。本公开涉及通过在基体中存在纳米粒子来改进 光学放大器的可接入增益形状，其中所描述的每种类型的纳米粒子具有特定的稀土元素/ 基体的结合。 US 2003/0087742涉及一种具有包含于无定形基体中的晶体纳米粒子簇的陶瓷增 益介质。 本发明涉及通过特定增益形状内的光纤(例如，通过降低所需泵浦功率消耗)来 改进放大效率。 光学放大器是这样的设备，其直接放大所述光学信号而无须首先将光学信号转换 为电信号。放大光纤以及特别是所谓的掺杂光纤放大器(DFA)使用掺杂光纤作为增益介 质，以便放大光学信号。待放大的光学信号和泵浦激光被多路复用至掺杂光纤，而所述信号 的放大是通过与掺杂离子的交互作用来进行的，这将在下文中更详细地解释。这些DFA涉 及各种光学应用。 将光纤掺杂稀土元素铒(Er)给出所谓的掺铒光纤放大器(EDFA)。在1550nm处，这 些EDFA在长距离和超长距离光学电信网络中使用，以便放大所传输的光学信号。在980nm 或者1480nm波长处，这些EDFA可以有效地利用泵浦激光器来进行泵浦，并且在1550nm区 域中展现增益。 增益被定义为输出信号功率除以输入信号功率。输入信号功率对应于在放大光学 光纤的输入处的光学信号的功率。输出信号功率对应于在放大光纤的输出处的光学信号功 率(B卩，已放大信号)。输出信号功率是输入信号功率以及泵浦能量(被转换为信号功率) 的总和；所述泵浦能量等于泵浦功率乘以泵浦效率。由此，增益是放大器提高光学信号功率 的能力的测量。 镱(Yb)掺杂经常在EDFA光纤中使用，以便通过在Yb和Er之间的能量转移来改 进铒泵浦信号吸收效率。此外，Yb离子还可以在高功率激光器应用中单独使用。
用于EDFA的光纤通常具有如下的中心纤芯，所述中心纤芯包括包含掺杂有铒离 子的硅基基体，其中铒离子浓度介于250卯m(0. 025wt. % )和lOOO卯m(O. lwt. % )之间。铒离子是光学增益的源，并且所述增益由电子跃迁的受激发射引起，即从先前由泵浦源填充 的较高能态到较低能态。 用于EDFA的这些光纤通常包括共掺杂的其他元素，以便改进放大，例如用于拓宽 和/或平坦化作为放大器产生可用增益的光学波长范围的放大带或者放大窗口 。 一个示例 是共掺杂有铒和铝的光纤，以便允许在1520-1570nm波分复用(WDM) C_带中进行放大。可 以通过选择正确的稀土元素(单独地或者以其两个或者更多稀土元素相结合的方式)来实 现其他应用和其他带位置。 公知的是，掺杂稀土的光纤中的光学放大是通过向光纤中引入激发稀土离子(例 如，EDFA中的Ei^+离子)的泵浦信号来获得的。当光学信号通过光纤中的该部分时，可以 从处于受激状态的离子发出类似于入射光子的光子，所述离子继而返回至基态。在图1中 进行了更详细的解释，将在下文描述。入射光学信号继而将被倍增，并且稀土离子针对下一 轮激发和去激准备就绪。所述过程称作受激发射。如果光纤的此部分结合有包括两个镜或 者布拉格光栅的共振腔，则获得激光光纤。所述激光光纤的波长和功率依赖于用作掺杂物 的稀土元素的特征和量。 在W匿系统中存在连续增强的需求，这将引起对于更好更快的系统的增强市场需 求。此类新一代系统将必须包括与高功率应用相适应的更有效的放大器和激光器。

发明内容
在开发更有效的光纤放大器时，一个关键点在于可以克服增益限制或者饱和。输 出信号功率由于有限数量的稀土离子和泵浦功率而受到限制。从而，当输入功率为低时， 可以具有高的增益，这是由于稀土离子和泵浦功率没有饱和。如果输入功率增加，通过并 发地增加泵浦功率，可以以相同方式增加输出功率，从而可以维持增益水平。当到达泵浦 功率和稀土浓度的极限时，输出功率到达其极限，从而不能维持增益。如果输入信号功率 增加超过泵浦功率极限，则增益降低。达到了增益饱和。这可以解释为何在低的输入功率 信号时，可以增加输出功率和高增益。这还可以解释为何在高的输入信号功率时，输出信 号功率最大，并且增益降低至到达最小值。通过当前使用的泵浦方案而实现此增益限制。 当前泵浦方案的功率限制于商业可获得的750mW激光泵。此外，出于成本和技术原因(诸 如，散热和功耗)，当前的泵浦方案通常限制于仅两个泵的结合，其将总泵浦功率限制至 1. 5W(2X750mW)。该双泵方案在放大器增益和输出功率中施加了限制，迄今为止，其与新一 代放大器的需求并不相符。随着输入信号功率的增加，该增益饱和的问题日益严重。
本发明目的在于，利用较低的泵浦能量来获得更高输出功率或者得到给定输出功 率。这可以通过增加放大介质(掺杂稀土的光纤)的效率来实现，其对应于本发明中有待 解决的技术问题。 在开发更为有效的放大器时，第二关键点在于可以降低用于给定输出功率和给定 放大带或者窗口的多个组件的成本。这可以通过降低所需泵浦功率来实现，这是由于在放 大器中泵浦的能量消耗表示使用预算的主要部分，并且由此泵浦功率的显著节省将导致所 期望的成本縮减。 为了实现所述两个关键点，必须改进掺杂稀土的光纤的效率，这是本发明的目的。
在B. S. Wang等人发表于SPIE(国际光学工程学会)会刊(vol咖e5623，pp. 411-417 (2005)) 中的Passive Components and Fiber-basedDevices中的"Novel erbium doped fiber for high power applications"之中，指出了高功率应用需要在光 纤波导的设计以及掺杂成分的设计两者中进行优化。这一出版物公开了 光纤的光几何参 数优化可以通过优化泵浦模场和铒离子之间的重叠来改进泵浦功率转换效率(PCE)。该优 化是通过降低数值孔径并通过增加光纤的截止波长而获得，通过降低数值孔径以及通过增 加光纤的截止波长，所述优化针对光纤的弯曲损耗不具有可察觉的影响。另外，该出版物公 开了 掺杂改进可以通过沿着光纤长度来提高铒离子浓度和铒离子均匀性来获得。后一改 进可以通过在光纤纤芯中高的铝离子浓度来实现，同时确保特定谱形特征并限定铒离子成 簇。 然而，在此出版物中所公开的方案对于超过350mW的泵浦功率而言并不充分。此 外，高的铝离子浓度并不良好地符合于期望的低数值孔径，这是由于已知铝离子强烈地提 高光纤纤芯的折射率。最后，已知的是，高的铝离子浓度将导致光纤的背景损失增高，这有 可能显著影响增益介质的效率。 在S.Tammela等人于0FC， 04， 0FC2004 Technical digest, FB5 (2004)的 "Potential of nanoparticle technologies for next generationerbium-doped fibers"的出版物中，公开了一种提高增益介质效率的方法，其通过在光纤纤芯内的高稀土
离子掺杂结合以及更为均匀的稀土离子散布而实现。这是通过使用涉及所谓直接纳米粒子 沉积(DND)工艺的光纤制造方法来实现。所述DND工艺是通常用于掺杂光纤纤芯的已知的 改进化学气相沉积(MCVD)工艺的备选技术方案。所述出版物公开了基于外气相沉积(0VD) 技术的制造工艺的使用，其中同时实现了硅基基体和掺杂。当将元素先驱反应物同时置入 专门设计的喷火器的火焰中时，形成包括掺杂稀土的硅石粉(可能共掺杂有其他元素)的 纳米粒子。继而，所生成的纳米粒子直接投射到旋转棒上，并且玻璃化或者熔结，从而提供 将要构成光纤纤芯的掺杂有硅石的层。所述出版物公开的DND工艺提供了在高的稀土离子 浓度下在光纤纤芯内稀土离子的均匀散布，这是由于在纳米粒子与硅石材料二者的玻璃化 期间两者一起熔解。 然而，此类制造工艺并不允许在放大光纤中心纤芯内保持纳米粒子的结构；这些 纳米粒子掺杂有硅石粒子(诸如，通过气相沉积工艺所获得的那些)，以及在高温时熔结， 以便形成将生成主要光学预制件的玻璃层。由此，在结果生成的光纤中不存在纳米粒子，这 是由于在制造光纤期间，纳米粒子的基体已经与中心纤芯的基体相熔合。由此，不能使用此 技术来精确地控制稀土元素掺杂离子附近的化学环境(该环境通过掺杂离子荧光属性控 制主要增益特征)，这是不利的。继而，这将会限制独立于掺杂特征的光几何参数的可能优 化。由此，特定增益形状的增益介质的效率增加将会受到限制。 已知的是，使用改进化学气相沉积(MCVD)工艺，通过结合掺杂有稀土元素的纳米 粒子来在光纤纤芯内加入稀土掺杂物。例如，文献EP-A2-1917702和W0-A2-2007/020362公 开了在放大光纤的中心纤芯中包含纳米粒子的光纤。在这些文献中所公开的纳米粒子包括 稀土元素的掺杂离子，并且还有改进信号放大的至少一个元素的其他掺杂离子(诸如铝、 镧、锑、铋等)。然而，由于设计、这些纳米粒子的化学成分、大小和/或浓度，用于在中心纤 芯中包括掺杂离子的工艺的特征或者光几何特征并不确保在高泵浦功率状态下将增益介 质效率最大化。
由此，仍然需要允许在特定增益配置下将增益介质效率最大化的掺杂有稀土元素的放大光纤，这也即本发明的一个目的。 所述目的中的一个或者多个可以通过根据导言中的放大光纤来实现，其中掺杂离子的浓度介于中心纤芯总重的大约0.01wt. %和大约lwt. X之间，优选地介于0.01wt. %至O. 5wt. %之间，更优选地介于0. Olwt. %和0. 2wt. %之间，并且其中在掺杂离子之间的平均距离应当至少是0. 4纳米。 由此，在本光纤中存在不同的纳米粒子，其可以不同于光纤中心纤芯的包围基体。稀土掺杂离子的浓度导致了最佳结果，这是由于此浓度导致了良好增益，并且由于在纳米粒子内稀土掺杂离子的散布使得稀土离子之间的最小距离高于可以同化为成对或者成簇的两个稀土掺杂离子之间的最小距离。这种同化导致了所谓的浓縮猝灭现象，并且结果导致降低放大效率。根据本发明，在两个稀土离子之间的距离应当等于或者高于0. 4nm，优选的是等于或者高于0. 6nm，更优选的是0. 8nm，这分别对应于在两个稀土掺杂离子之间的4个、6个和8个原子的最小间隔。 其中，短语"平均距离"意味着每组两个掺杂离子的距离的平均值。由此，可能是如下情况，纳米粒子中存在的多个掺杂离子比0. 4nm更靠近，即使稀土掺杂离子的距离的大多数应当等于或者大于0.4nm。在纳米粒子内存在多个掺杂离子(也即，将其称为A、B、C等)。获取每组掺杂离子(也即，A至B、A至C、B至C)之间的距离，并且确定平均距离(也即，((A至B) + (A至C) + (B至C)) /3)。平均距离应当至少为0. 4nm，优选的是在纳米粒子中稀土掺杂离子的至少80%的距离至少为0. 4nm，更优选地至少90%的距离至少为0. 4nm，更优选地全部的距离至少为0. 4nm。


在下文中，针对附图更详细地描述了本发明，在附图中 图1公开了将两种类型泵浦激光器用于铒的放大方案；图la示出了用于以1480nm激光器进行泵浦的两级激发方案，而图lb示出了用于以980nm激光器进行泵浦的三级激发方案； 图2a示出了根据本发明的光纤的示意性侧视图；图2b示出了包括稀土元素离子的一个单个纳米粒子的横截面； 图3a示出了根据本发明的制备纳米粒子的方法；图3b示出了根据本发明的制造放大光纤的方法。
具体实施例方式
图1公开了用于掺铒放大光纤的两种可行放大方案。图la公开了使用1480nm泵浦激光器的用于铒的放大方案。较低水平线绘出了铒电子的基态能级(GSL)。 一旦被泵浦激光器所泵浦，则电子通过激光能量吸收而被激发，并且沿着吸收(激发)或者A(E)的左箭头而移动至较高能级。电子转移至与放大级(AL)相同的泵浦级(PL)。光学信号由左侧的单波浪线箭头绘出， 一旦光学信号进入光纤(光学输入信号或者OIS)，则放大级中的电子回落至基态级，同时沿着右箭头而出现辐射发射或者去激(RE(D))。在此阶段，光学信号倍增，如由右侧的两个波浪线箭头所示(光学输出信号或者OUS)。
图lb公开了使用980nm泵浦激光器的用于铒的放大方案。此方案略微复杂并且具有额外的第三能级。较低水平线绘出了铒电子的基态能级(GSL)。 一旦由激光器所泵浦，则电子借助于激光能量吸收而激发，并且沿着吸收(激发)或者A(E)的左箭头而移动至较高能级。电子转移至与放大级(AL)不同并且更高的泵浦级(PL)。出现非辐射去激(NRD)的附加步骤，其中在泵浦级和放大级之间的能量差被纳米粒子的基体材料所吸收，并且电子由此从泵浦级转移至放大级。光学信号由左侧的单波浪线箭头绘出，一旦光学信号进入光纤(光学输入信号或者OIS)，则放大级中的电子回落至基态级，同时沿着右箭头而出现辐射发射或者去激(RE(D))。在此阶段，光学信号倍增，如由右侧的两个波浪线箭头所示(光学输出信号或者OUS)。 图2a示意性示出了根据本发明的光纤。中心纤芯由虚线示出，并且黑点表示包括稀土离子的纳米粒子；中心纤芯由光学包层所包围。图2b示出了单个纳米粒子的横截面，其中黑点是纳米粒子基体材料中包含的单独稀土离子。 根据本发明，有必要改进工艺的固有效率，其中每个稀土离子吸收泵浦信号并且将其转移至激发状态，接着发射光子(类似于入射光学信号)，同时回落至基态级。
根据本发明，还需要调整光纤中心纤芯的光几何参数及其掺杂特征(其作为光学引导介质的特征)，以便将每个单元光纤长度的整体增益最大化。对于给定增益值，通过将增益最大化和将泵浦功率消耗最小化来改进效率受到各种参数相互影响的限制。继而，即使已知影响效率的主要参数(例如，稀土离子浓度、稀土离子散布和稀土离子附近的化学环境)，也不一定实现每个所述参数的最大影响，这是由于所述参数是联系在一起的。本发明的方案由此可以在权利要求1的特征部分所公开的这些参数之间的最佳平衡中找到。
在纳米粒子的基体材料中结合稀土元素的掺杂离子，其中通过分别控制掺杂离子的浓度和距离，严密控制纳米粒子基体材料中的掺杂离子的溶解性和散布，由此导致所需的属性。 在本放大光纤的中心纤芯中的掺杂离子浓度等于或者高于O.Olwt. %，优选的是等于或者高于0. lwt. % ，并且等于或者低于lwt. % ，优选的是等于或者低于0. 2wt. % 。
稀土元素的掺杂离子仅位于纳米粒子中，而不是位于光纤中心纤芯的基体中。这意味着，根据应用，可以通过提高在中心纤芯内的纳米粒子的数量，提高每个纳米粒子内的掺杂离子浓度，或者提高纳米粒子的大小或者以上的结合，来调整中心纤芯中的掺杂离子浓度。 当然，可以使用各种类型的纳米粒子，其中每种纳米粒子具有单独选择的掺杂离子浓度、基体构成和大小。优选的是在纳米粒子中的掺杂离子浓度介于O. lwt. %和20wt. %之间，更优选的是介于0. 5wt. %和15wt. %之间。根据本发明，其允许在放大光纤的中心纤芯中获得所需的掺杂离子浓度。 在特定基体中可以最容易获得掺杂离子浓度和掺杂离子距离(也称作散布)的两个特性，例如根据需要，在具有特定水平的铝、磷或者钙的基体中。 另外，以如下方式选择纳米粒子基体，以便确保用于稀土掺杂离子的特定增益特征。期望的增益特征依赖于应用，每个应用将具有针对放大增益形状的特殊需求。
例如，WDM应用需要宽的放大带，同时单个信道放大或者激光应用需要强烈和锐利的带。稀土离子的增益形状特征受到光纤中心纤芯内的其附近化学环境的控制，从而控制稀土掺杂离子的相邻元素是重要的，以便适合于正确的增益形状。已知某些元素可以拓宽与特定稀土相关联的增益带，诸如氟化物、铝、锆和碲。已知其他元素可以引起窄带，诸如钠或者磷，同时保持高的稀土溶解性属性。此外，稀土附近的化学环境结构还将对带宽产生强烈影响。例如，无定形无序结构将有益于带拓宽，而晶相或者弱无序无定形结构将有益于明显强烈的带。相对于随机掺杂工艺而言，借助于特定纳米粒子使得稀土结合至光纤中将允许针对稀土环境的更好的定制。 基于期望的特征，本领域技术人员将能够选择用于纳米粒子的最佳基体。根据本发明，使用本方法来制备纳米粒子可以支持将纳米粒子构造为使得基体适合于应用，这是由于在将纳米粒子结合至光纤中心纤芯中之前合成了纳米粒子。 另外，优选的是，以如下方式选择纳米粒子的基体，从而具有有助于通过受激发射的稀土去激的声子能量。 在本发明的一个实施方式中，涉及如图la所示两级放大方案，纳米粒子的基体材料具有的声子能量低于在泵浦期间稀土元素的放大级和基态级之间的能隙的20%，更优选的是低于15%。对于掺杂离子去激的更佳效率而言，纳米粒子基体应当具有受限或者被约束至特定窗口的声子能量。在此窗口以外，效率将下降，这是由于能量从放大级传递至基体网络造成的能量损失。对于信号放大，受激电子将由此损失，并且由此降低了效率。
在本发明的另一实施方式中，涉及图lb描述的三级放大方案，纳米粒子的基体材料具有的声子能量为在泵浦期间的稀土元素的泵浦级和放大级之间能隙的至少25%，并且为在泵浦期间的稀土元素的放大级级和基态级之间能隙的至多22%，优选的是18. 5%。在此实施方式中，存在针对纳米粒子基体材料所需的最小声子能量水平。由于泵浦级和放大级不相同，对于基体材料需要特定的能量转移，从而将电子从泵浦级转移至放大级。由于在放大级中仅有电子可以导致去激和信号放大。 期望的是，除了图1绘出的过程以外，限制其他辐射和非辐射荧光消光过程的概率。 任何其他过程将显著干扰光学信号的放大。这些过程示例的非限定性列表是多声子松弛、转移至基体材料中的缺陷或者杂质、离子-离子转移(所谓的交叉松弛)、能量转移向上转换(ETU)、受激状态吸收。在放大光纤中，来自放大级的所测量的不理想荧光衰变被视为不同现象概率的总和。W_s = W^+W^+W^W^其中W_s是所测量的荧光衰变，Wrad是辐射去激的概率，W『W^和WET是非辐射去激过程，分别为多声子松弛的概率、交叉松弛的概率以及去往相邻杂质和缺陷的能量转移的概率。 放大过程效率的降级主要是由于这些类型的非辐射现象，所述现象强烈依赖于纳
米粒子的基体的振动能量，所述振动能量被量化为能量子或声子。基体声子能量越高，则这
些过程出现的概率越高。在放大框架中，由此必须找到正确的基体声子级。就此，可以定义
一个窗口 ，在所述窗口中基体声子能量应当受到限制以便有益于放大。 例如，如果考虑利用980nm泵浦的铒放大，则在稀土泵浦级和放大级之间的能隙
是大约4000cm—、而在稀土放大级和基态级之间的能隙是大约6500cm—、从而NP基体声子能
量应当包括于1000cm—1和1400cm—1之间，更优选的是介于1000cm—1和1200cm—1之间。硅酸
盐、磷酸盐、铝盐或者包括作为热力学稳定成分的Si、P和Al的氧化物的多组分基体将适合
于所需的声子能级。
此外，由于纳米粒子制造工艺及其在光纤中心纤芯内的结合工艺，涉及在受激稀土离子和纳米粒子的缺陷或者杂质(主要是0H)之间的能量转移的所有去激过程可能被避免，或者严格受到限制。 如前所述，本发明的一个重要方面在于，根据本发明，在将纳米粒子结合至放大光纤中期间维持纳米粒子的纳米结构。这意味着，纳米粒子的结构必须抵抗与塌陷(collapse)和光纤拉制工艺相关的高温。例如，纳米粒子应当能够抵抗超过180(TC乃至200(TC的温度。所述温度依赖可以通过正确选择纳米粒子的基体材料而实现。由此，纳米粒子应当具有能抵抗(不熔化或者蒸发)至少180(TC、优选的是至少200(TC的基体材料。可以适于作为纳米粒子基体材料的材料的非限定性示例是氧化铝；然而对于高温具有相同抵抗力的其他材料也是可行的。 还可以采用其他纳米粒子的设计，例如纤芯壳体结构，其中在利用纤芯基体材料制造的纤芯外建造纳米粒子，所述纤芯被由高抵抗性基体材料制成的壳体所包围。这种双重结构允许独立于纳米粒子的纤芯基体材料而获得高度抵抗性的纳米粒子。从而，可以选择纳米粒子基体来适合于正确的放大特征，即使纳米粒子的这种纤芯基体材料不能抵抗高温。纳米粒子对于高温的抵抗是由纳米粒子壳体特征所提供。 在一个优选实施方式中，纳米粒子的基体材料是氧化铝(A1203)、氧化磷(P205)或者其组合。 在一个优选实施方式中，纳米粒子的基体材料是无定形的。为了对光纤纤芯的透明度(其为一项重要参数)进行优化，应当确保由于在中心纤芯中存在纳米粒子导致的低的光散射。如果纳米粒子具有不同于中心纤芯的折射率，则将出现散射。就此，纳米粒子的结构应当优选的是无定形的，这是由于晶体纳米粒子给出较高的光散射。如果设计了晶体纳米粒子，则重要的是考虑到晶体纳米粒子的折射率以及掺杂离子浓度，来精确定义其最佳大小。 光纤中心纤芯的稀土含量还可以与以dB/m表示的吸收峰值的稀土离子的衰减相联系。所述峰值应当介于2dB/m和20dB/m之间。 在本发明的一个实施方式中，中心纤芯的基于硅石的基体掺杂有从包括以下的组中选择的至少一种元素锗、磷、氟化物、硼以及其一个或者多个的结合。这些掺杂元素可以用于将中心纤芯的折射率提高或者降低至期望的水平。 优选的是，基于中心纤芯的总重，中心纤芯中的氧化铝的总浓度等于或者低于4wt. %，优选的是等于或者低于3. 5wt. %。该限制必须针对如下事实来自纳米粒子的氧化铝可以导致与外部包层的高的折射率差。在氧化铝浓度过高的情况下，光散射将被提高，而这是不期望的。 在一个优选实施方式中，所述稀土元素是从包括以下的组中选出铒、镱、铥、以及这些元素的结合，优选的是，铒或者铒与镱的结合。 在纳米粒子的基体中还可以存在其他元素以便改进多种基体属性，诸如，稀土掺杂离子的可溶性。此类其他元素的示例为钙、铝、钠或者磷。 尤其是，如果将氧化铝用作纳米粒子基体材料的主要部分，则稀土的可溶性为佳。
由于每个纳米粒子的稀土离子的数量是可控的，所以对于给定的纳米粒子大小，在中心纤芯或者光纤内的最终稀土浓度将受到光纤纤芯中的纳米粒子的浓度(换言之，在掺杂步骤中所结合的纳米粒子的数量)的驱使。光纤中心纤芯内的总稀土浓度将由本领域技术人员根据应用来确定，并且可以通过调节中心纤芯中的纳米粒子浓度(=[NP]或者每个纳米粒子中的稀土掺杂离子浓度([RE]NP)来实现。纤芯中的总稀土浓度是常量参数，其由[NP],格X[RE]wp的乘积给出。作为示例，如果是高的输入信号功率，则可以调整[NP]纤芯和[RE]wp之间的关系，以便确保为实现给定的输出功率信号的100%的稀土反转(inversion)和最小的泵浦功率消耗。就此，利用优选的高[NP]纟格和低[RE]『或者是低[NP]纤芯和高[RE]Np，可以实现在光纤中心纤芯内的期望稀土浓度。 优选的是，在1200nm时光纤具有的背景衰减损失等于或者小于4dB/km，优选的是在1200nm时等于或者小于2dB/km。 优选的是，纳米粒子的大小等于或者小于lOOnm，优选的是等于或者小于50nm，更优选的是等于或者小于20nm。如果纳米粒子的折射率接近中心纤芯的折射率，则由于较小的光散射，纳米粒子的大小可以高至数十纳米。然而，如果纳米粒子和中心纤芯的折射率显著不同，则由于较高的光散射，纳米粒子的大小应当低于20nm。
纳米粒子的大小优选的是至少2nm，更优选的是至少5nm。 根据本发明，光学引导结构可以独立于增益性能而进行优化，这是由于纳米粒子的基体(负责增益性能)可以独立于中心纤芯的基体(负责光学引导结构)来进行调整。由此，可以调整光几何参数以便优化放大器效率，例如，通过选择中心纤芯的特定截止波长和折射率，而并不影响稀土掺杂离子的光学响应。 在应用波长窗口中的光纤中心纤芯的透明度是可以由放大介质实现的整体增益的一个重要参数。为了获得此类透明度，光纤的衰减阈值应当尽可能的低。在不使用纳米粒子的情况下，在根据现有技术的掺杂工艺中，光学性能和中心纤芯基体成分是密切联系的，这使得难以独立于稀土附近的化学环境来调整中心纤芯的光学透明度。例如，用于EDFA的W匿掺杂光纤必然是高的铝浓度，以便确保铒环境中的充分铝原子。然而，这导致损失了透明度，并且由此导致效率损失，因而是不期望的。 光纤通常包括(i)光学纤芯，其功能在于传输并且可选地放大光学信号；以及(ii)光学包层，其功能在于界定纤芯中的光学信号。出于此目的，纤芯的折射率(n。)和包层的折射率(ng)是n。〉rv如本领域所公知，单模光纤中光学信号的传播被划分为在纤芯中引导的基模(称为LPOl)以及通过纤芯包层附件中的特定半径引导的次级模式。
对于光纤，通常以在将折射率与光纤半径相关联的函数图上的两个点之间的折射率值的差来表示折射率分布。外部包层功能在于光学包层，并且具有基本恒定的折射率；所述光学包层通常包括纯净硅石，然而还可以包括一种或者多种掺杂物。对于具有阶梯、梯形或者三角形相应形状的图形而言，将光纤折射率分布称作"阶梯"分布、"梯形"分布或者"三角形"分布。这些曲线通常表示光纤的理论或者参考折射率分布(也即，设置分布)。光纤制造约束可以导致在实际光纤中略微不同的分布。根据本发明的放大光纤优选地具有阶梯折射率分布。 本发明提出了一种放大光纤，从中心向外围包括中心纤芯和外部光学包层。中心纤芯直径为r，优选的是介于3 ii m和6 ii m之间，并且与外部光学包层的正折射率差为A ，优选的是介于6X10—3和20X10—3之间。优选的是，根据本发明的光纤进一步具有的模场直径(MFD)在1550nm波长时介于4iim和7iim之间；并且优选的是，数值孔径介于0. 16和0. 20nm之间，更优选的是介于0. 17和0. 19之间，以便获得最佳泵限制。本放大光纤优选地具有低于1300nm的截止波长(、)，优选的是低于1200nm，以便获得高的泵限制。
泵限制或者泵转换效率(PCE)在980nm的泵浦波长时优选地高于90% 。
在1550nm时的信号限制应当至少是70X，并且定义为在铒发射和信号模场之间
的重叠。 优选的是，光纤设计考虑如下a)稀土掺杂离子效率，通过控制掺杂离子的化学环境以及浓度而实现；b)独立的光纤的光几何参数；c)在应用波长窗口中光纤的中心纤芯基体的透明度。 本发明还涉及在光学放大器或光学激光器中使用根据本发明的放大光纤。此外，
本发明涉及使用根据本发明的放大光纤，以便改进特定增益形状内的光纤效率。 另外，本发明涉及一种至少包括一段根据本发明的放大光纤的光学放大器或者光
学激光器。 优选的是，包括一部分根据本发明的光纤的光学放大器可以在高功率范围中使用，以便达到在低于550mW的泵浦功率时23dBm的信号输出功率，或者在低于1000mW的泵浦功率时25dBm的信号输出功率，或者在低于1500mW的泵浦功率时27dBm的信号输出功率。 本发明还涉及一种用于制备纳米粒子悬浮液的方法，所述纳米粒子包括包含至少一种稀土元素的掺杂离子的基体材料。 本发明的发明人的US 2003/0175003提及了一种借助于激光消融工艺或者改进溶胶-凝胶工艺来制备纳米粒子的方法。然而，这些工艺不能生成具有如本发明所需的掺杂离子距离的纳米粒子。由此，本发明提出了一种新颖的生成纳米粒子的方法。根据本发明的工艺使用源于无机盐先驱物的所谓的软化学。 US 2003/0111644提及了一种使用沉淀剂来基于凝胶形式的工艺，沉淀剂例如有
机酸，其与活性核素形成复合体。 根据本发明的方法包括以下步骤 a)提供包括至少一种稀土元素离子的至少一种化合物； b)提供包括至少一种离子的至少一种化合物以便形成纳米粒子的基体材料；
c)将在步骤a)和步骤b)中所获得的所述化合物在搅拌下添加至pH范围3_12的水溶液，以便获得纳米粒子的悬浮液，所述PH范围优选的是6-10。 根据本发明的方法涉及纳米粒子的pH可控沉淀；而无须与活性核素形成复合体的反应物，且无需用作配体的反应物。此外，根据本发明的反应物是无机碱(例如，NaOH(氢氧化钠)或者KOH(氢氧化钾)，优选的是NaOH)。 图3a以图形方式示出了这一过程。在步骤a)中，提供稀土盐。在步骤b)中，提供化合物，所述化合物将生成纳米粒子的基体。优选的是，a)中化合物的量与b)中化合物的量的比例是l : 10至300。 在用于制备纳米粒子悬浮液的本方法的优选实施方式中，步骤a)中的至少一种化合物是从包括铒盐的组中选择，优选的是醋酸铒、硝酸铒、乙酰丙酮铒、氯化铒以及其一个或者多个的结合。 在用于制备纳米粒子悬浮液的本方法的优选实施方式中，在步骤b)中的至少一种化合物是从包括以下的组中选择铝盐和磷酸盐或者其结合，优选的是从包括以下的组中选择硝酸铝和三氯氧磷及其结合。
在用于制备纳米粒子悬浮液的本方法的优选实施方式中，执行步骤C)的温度介
于l(TC和50。C之间，优选的是介于20。C和40。C之间。 另外，本发明涉及一种用于制造根据本发明的放大光纤的方法。 本发明的发明人的US 2003/0175003提及了一种用于制造放大光纤的方法。然
而，本发明涉及一种新颖的过程，包括加热步骤，以便在将包括纳米粒子的中空管进行熔结
和塌陷之前强化纳米粒子的结构。 根据本发明的方法包括以下步骤，并且在图3b中绘出 I)制备包括包含至少一种稀土元素的掺杂离子的基体材料的纳米粒子的悬浮液； II)提供具有通过化学气相沉积(CVD)工艺制备的内部多孔层的基于硅石的中空管； III)向步骤II)中获得的所述中空管的内部多孔层注入在步骤I)中获得的悬浮液； IV)将在步骤III)中获得的掺杂内部多孔层加热，以便去除残留的水分并且强化所述纳米粒子； V)将在步骤IV)中获得的所述中空管玻璃化并且塌陷以获得光学预制件；
VI)可选地，将步骤V)中获得的所述光学预制件进行套管或者外包层，以便获得具有中心纤芯直径与光学包层直径的改进比率的光学预制件； VII)将步骤V)或者步骤VI)中获得的所述光学预制件进行拉制，以便获得如下光纤，所述光纤具有中心纤芯以及包围所述中心纤芯的光学包层，其中所述中心纤芯基于包括纳米粒子的硅石基体，所述纳米粒子包括包含至少一种稀土元素的掺杂离子的基体材料，其中所述离子的浓度介于中心纤芯总重的大约O.Olwt. %和大约lwt. %之间，优选地介于大约0. Olwt. %和大约0. 2wt. %之间，以及其中所述离子之间的平均距离应当至少是0. 4纳米。 为了使得所设计的纳米粒子在特定光学性能中真实有效，纳米粒子基体必须在光纤纤芯内保持为纳米结构，并且由此必须保持可以抵抗在例如MCVD预制工艺和光纤拉制工艺期间经历的压力和温度条件。这可以在通过注入的结合步骤之后并且在将层熔结和预制塌陷步骤之前，通过步骤IV)的热处理而实现。此步骤可以在等于或者高于50(TC、等于或者高于例如80(TC、等于或者高于例如100(TC、或者等于或者高于例如120(TC的温度执行。此步骤允许本创造性方法应用至具有小于25纳米大小的小型纳米粒子。
US 2007/0108413涉及稀土掺杂的氟化多成分纳米粒子的制造，其不能经历本发明的热处理。 FR 2 889 876涉及一种用于制造稀土掺杂纳米粒子散布并将其结合至光纤中的方法，并且所述方法最适合于大的纳米粒子。 例如，已知的是，通过在等于或者高于IOO(TC的温度进行适当处理，可以将氧化铝转换成更为耐热的相。 仅出于解释的目的，而给出了非限定性示例，在下文中进一步解释本发明。
通过如下方法获得C带中的高效率放大的掺铒光纤。 首先，制备包括掺铒离子的纳米粒子。在水溶液中共同沉淀硝酸铝和硝酸铒，使用氢氧化钠来将所述溶液的PH值保持等于9。 铒盐浓度时3mmole/l，而在铝盐和铒盐之间的摩尔比是大约200，以便确保在纳米粒子的氧化铝基体中所需的掺铒离子的散布。这应当导致铒离子具有的化学环境能够到达期望的光谱特征。沉淀的纳米粒子的大小大约为25nm。 在沉淀和纳米粒子清洗之后，通过加入盐酸来将pH值调整至6。获得具有已知铒浓度的Al/Er共掺杂纳米粒子的稳定水悬浮液。继而，将此悬浮液用于注入经由MCVD工艺获得的中空硅石管的多孔基于硅石的中心纤芯层。出于此目的，将中空管置于竖直位置，并且将悬浮液倒入中空管。 通过在中心纤芯基体中使用锗，将中心纤芯和包层之间的折射率差调整至13X10—3。在注入之后，从中空管中去除剩余的悬浮液，并且将该管干燥，并在大约IIO(TC的温度进行1小时的热处理，以便将中心纤芯内的纳米粒子结构进行干燥和强化。其后，将得到的掺杂纤芯层进行熔结。继而，在大约220(TC的温度将已掺杂的管进行塌陷以便生成初始预制件，继而将其进行套管以便调整中心纤芯直径和光学包层直径的比例。最后，使用标准拉制工艺将最终的预制件拉制为光纤。 获得了掺铒的光纤，其中1528nm的铒衰减为6dB/m，测量为最大吸收，这大约对应于总纤芯重量的0. 036wt. %的铒。光纤具有1150nm的截止波长，与光学包层op 13X10—3的折射率差，O. 19的数值孔径，MFD在1550nm时为5. 6微米，并且中心纤芯直径为5微米。光纤在1220nm呈现1. 6dB/km的较低损耗。在980nm的泵限制等于90%并且信号限制是70%。 所述光纤在高输入信号功率时呈现出高的效率，并且可以用作W匿C带中的高功率/低增益EDFA扩展器。所述光纤允许在25dBm输出信号功率时节省高达10%的泵浦功率。所述光纤还可以用于在涉及两个750mW、980nm激光泵的双泵放大方案中实现空前的26dBm信号输出功率。 本发明进一步由所附权利要求书来限定特征。
权利要求
一种具有中心纤芯以及包围所述中心纤芯的光学包层的放大光纤，其中所述中心纤芯基于包括纳米粒子的硅石基体，所述纳米粒子包括包含至少一种稀土元素的掺杂离子的基体材料，特征在于所述掺杂离子的浓度介于中心纤芯总重的大约0.01wt.％和大约1wt.％之间，优选地介于大约0.01wt.％和0.2wt.％之间，以及其中纳米粒子中的所述掺杂离子之间的平均距离至少是0.4纳米，其中所述平均距离是纳米粒子内的每组两个掺杂离子之间的距离的平均值。
2. 根据权利要求1所述的放大光纤，其中所述纳米粒子中的掺杂离子的浓度介于纳米 粒子总重的0. lwt. %和20wt. %之间，优选的是介于0. 5wt. %和15wt. %之间。
3. 根据前述权利要求中的任一项所述的放大光纤，其中所述纳米粒子的基体材料具有 的声子能量低于在泵浦期间稀土元素的放大级和基态级之间的能隙的20%，更优选的是低 于所述能隙的l 5%。
4. 根据前述权利要求中的任一项所述的放大光纤，其中所述纳米粒子的基体材料的声 子能量为在泵浦期间稀土元素的泵浦级和放大级之间的能隙的至少25%，并且为在泵浦期 间稀土元素的放大级和基态级之间的能隙的至多22%，优选的是18. 5%。
5. 根据前述权利要求中的任一项所述的放大光纤，其中所述纳米粒子的基体材料是无 定形的。
6. 根据前述权利要求中的任一项所述的放大光纤，其中所述纳米粒子的基体材料是氧 化铝"1203)、氧化磷(P205)或者其结合。
7. 根据前述权利要求中的任一项所述的放大光纤，其中所述中心纤芯的基于硅石的基 体掺杂有从包括以下内容的组中选择的至少一种元素锗、磷、氟化物、硼以及其一个或者 多个的结合。
8. 根据前述权利要求中的任一项所述的放大光纤，其中基于所述中心纤芯的总重，中 心纤芯中的氧化铝的总浓度等于或者低于4wt. %，优选的是等于或者低于3. 5wt. %。
9. 根据前述权利要求中的任一项所述的放大光纤，其中所述稀土元素是从包括以下内 容的组中选出铒、镱、铥、以及所述元素的结合，优选的是，铒与镱。
10. 根据前述权利要求中的任一项所述的放大光纤，其中所述光纤的背景衰减损失在 1200nm时等于或者低于4dB/km，优选的是在1200nm时等于或者低于2dB/km。
11. 根据前述权利要求中的任一项所述的放大光纤，其中所述纳米粒子的大小等于或 者低于100nm，优选的是等于或者低于50nm，更优选的是等于或者低于20nm。
12. 在光学放大器或者光学激光器中根据前述权利要求中的任一项所述的放大光纤的 使用。
13. 使用根据前述权利要求中的任一项所述的放大光纤，以便改进特定增益形状内的 光纤效率。
14. 一种包括至少一段根据权利要求l-ll中的任一项所述的放大光纤的光学放大器。
15. —种包括至少一部分根据权利要求l-ll中的任一项所述的放大光纤的光学激光器。
16. —种用于制备纳米粒子的悬浮液的方法，所述纳米粒子包括包含至少一种稀土元素的掺杂离子的基体材料，所述方法包括以下步骤a)提供包括至少一种稀土元素离子的至少一种化合物；b) 提供包括至少一种离子的至少一种化合物以便形成所述纳米粒子的基体材料；c) 将在步骤a)和步骤b)中所获得的所述化合物在搅拌下添加至pH范围3-12的水溶 液，以便获得纳米粒子的悬浮液，所述PH范围优选的是6-10。
17. 根据权利要求16所述的用于制备纳米粒子的悬浮液的方法，其中在步骤a)中的所 述至少一种化合物是从包括以下内容的组中选择铒盐，优选的是醋酸铒、硝酸铒、乙酰丙酮铒、氯化铒以及其一个或者多个的结合。
18. 根据权利要求16-17中的任一项所述的用于制备纳米粒子的悬浮液的方法，其中 在步骤b)中的至少一种化合物是从包括以下内容的组中选择铝盐和磷酸盐或者其结合，优选的是从包括以下内容的组中选择硝酸铝和三氯氧磷及其结合。
19. 根据权利要求16-18中的任一项所述的用于制备纳米粒子的悬浮液的方法，其中 执行步骤c)的温度介于l(TC和5(TC之间，优选的是介于2(TC和4(TC之间。
20. —种用于制造根据权利要求l-ll中的任一项所述的放大光纤的方法，所述方法包 括以下步骤I) 制备包括包含至少一种稀土元素的掺杂离子的基体材料的纳米粒子的悬浮液；II) 提供具有通过化学气相沉积(CVD)工艺制备的内部多孔层的基于硅石的中空管；III) 向步骤II)中获得的所述中空管的内部多孔层注入在步骤I)中获得的悬浮液；IV) 将在步骤III)中获得的掺杂内部多孔层加热，以便去除残留的水分并且强化所述 纳米粒子；V) 将在步骤IV)中获得的所述中空管玻璃化并且塌陷以获得光学预制件；VI) 可选地，将步骤V)中获得的所述光学预制件进行套管或者外包层，以便获得具有 中心纤芯直径与光学包层直径的改进比率的光学预制件；VII) 将步骤V)或者步骤VI)中获得的所述光学预制件进行拉制，以便获得如下光纤， 所述光纤具有中心纤芯以及包围所述中心纤芯的光学包层，其中所述中心纤芯基于包括纳 米粒子的硅石基体，所述纳米粒子包括包含至少一种稀土元素的掺杂离子的基体材料，其 中所述离子的浓度介于中心纤芯总重的大约0.01wt. %和大约lwt. %之间，优选地介于大 约0. Olwt. %和大约0. 2wt. %之间，以及其中所述离子之间的平均距离至少是0. 4纳米。
全文摘要
本发明涉及一种具有中心纤芯以及包围所述中心纤芯的光学包层的放大光纤，其中所述中心纤芯是基于包括纳米粒子的硅石基体，所述纳米粒子包括包含至少一种稀土元素的掺杂离子的基体材料。选择所述纳米粒子的基体以便有助于稀土溶解性和散布，并且有助于放大过程。另外，本发明涉及包括本光纤的光学放大器以及光学激光器。另外，本发明涉及一种用于制备纳米粒子的方法以及一种用于制造本光纤的方法以及所述光纤的使用。
文档编号G02B6/02GK101782667SQ200910208378
公开日2010年7月21日 申请日期2009年11月12日 优先权日2008年11月12日
发明者A·帕斯图雷特, C·科莱, D·布瓦万, E·比罗维, O·卡瓦尼 申请人:德雷卡通信技术公司