[发明专利]光放大光纤和使用该光纤的光放大器

说明书

技术领域

本发明涉及主要用于光通信系统的光放大光纤；和采用该光纤的光放大器。

背景技术

近年来，因特网通信等方面的需求正在迅猛地增加，提高光传输线路的传输容量正在受到积极的关注。基于这些事实，波分复用(WDM)光传输系统容量正在增大，即通道数量越来越多且传输带宽不断扩展。为了扩大WDM光传输系统的容量，增加光放大器所放大信号光的输出值和扩展传输带宽是必不可少的，而且，作为重要关键器件的光放大器越来越引起技术人员的注意。

随着WDM信号通道数量的增加，整个信号光输入功率将随之提高，而那种适于既增加通道数又提高信号光输入功率的光放大器则需要更高的饱和功率。在这种情况下，光放大器的输出是通过提高光放大光纤和泵浦源输出的效率而增大的。

而且，为了提高传输带宽，人们还展开了有关光放大器增益带宽扩展的讨论，通过采用更长的光放大光纤，使具有比相关技术光放大器的增益带宽波长更大的增益带宽的光放大器付诸实施。

但是，上述光放大光纤在长度和输出方面的增加引出了新的问题，即出现了相关技术的光放大光纤中不曾显现出来的非线性现象。主要的非线性现象包括四波混合和交叉相位调制。由于这些非线性效应导致了信号光传输质量降低，所以需要且必须消除这种非线性现象。

因非线性现象引起的波形失真可以用下述公式(1)推算。

Φ_NL＝(2π/λ)·(n₂/A_eff)L_effP………………………(1)

在公式(1)中，L_eff代表放大光纤的有效波长，A_eff为有效芯面积，n₂为非线性折射率，λ为信号光波长，和P为输入光强度。

从公式(1)知道，为了减少波形失真Φ_NL的出现，适宜(1)缩短光纤的有效长度，(2)减小非线性常数n₂/A_eff。

为了缩短所用的光纤长度，需要通过提高稀土元素的添加量来提高单位长度上的增益系数。但是，当提高1.55μm带宽光放大器中实际采用的掺铒光纤中铒浓度时，由于浓度抑制，放大效率将会减小。

一般地，在纯石英(SiO₂)基质情况下，浓度抑制开始出现时的铒浓度是几百wtppm，而且即使在具有消除浓度抑制的铝被共掺到其中的Al₂O₃-SiO₂基质的情况下，也是1000wtppm左右(例如，参见R.I.LAMING，D.N.PAYNE，F.MELI，G.GRASSO，E.J.TARBOX，“SATURATED ERBIUM-DOPEDFIBRE AMPLIFIERS”，OAA’90.Tech.Digest)。所以，对掺铒光纤长度的缩短有一个限制。

增大有效芯区面积A_eff可以看成是另一种抑制非线性效应的方法。一般地，掺铒光纤的有效面积比常规单模光纤(SMF)有效面积的数值要小。所述方法的理由是，通过增加芯部相对于包层部分的相对折射率差Δ可以在整个芯部形成极好的粒子数反转，由此加强泵浦光强，进而高效率地改进掺铒光纤增益特性。

此外，与常规传输光纤比较，光放大光纤在其芯部含有各种大剂量的掺杂物质，这使得控制有效芯区面积更为困难。

光放大光纤包含许多元素，除了构成活性物质的稀土元素之外，例如改善熔融稀土元素在基质玻璃中稀土元素溶解度的元素，改善基质玻璃折射率的元素，改变其增益波长特性的元素，改进放大特性的元素，用于调节粘度而掺杂的元素等等。这些掺杂到芯部的非稀土元素称为共掺杂物。

从优化光放大器放大特性的角度出发，确定这些共掺杂物的添加浓度。联系到共掺杂物的差异，上述物质使控制折射率变得很难。

此前，锗已经被用来作为改进芯部折射率的共掺杂物了。

锗不仅有效地提高了折射率，而且还有效地调整了芯部的粘度。与锗相同，上述掺杂到光放大光纤芯部的这些共掺杂物都是改善折射率的物质。

但是，由于添加共掺杂物使相对折射率差Δ变高，故难以抑制光放大光纤的非线性效应。如前所述，为了抑制它的非线性效应，必须缩短光放大光纤的使用长度，即有效长度。但是为了满足这个要求，必须提高单位长度的增益系数。而且，稀土元素和共掺杂物的添加量必须提高，而且这会引起相对折射率差的进一步提高。