專利名稱：利用微結(jié)構(gòu)光纖的喇曼放大的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及利用微結(jié)構(gòu)光纖的光纖喇曼放大器和適合于喇曼放大的微結(jié)構(gòu)光纖。具體地說，本發(fā)明涉及集總光纖喇曼放大器和適合于集總光纖喇曼放大器的微結(jié)構(gòu)光纖。
背景技術(shù)：
光纖喇曼放大器一直以來吸引著人們很大的注意，因?yàn)樗鼈兡茉龃髠鬏斎萘?。喇曼放大器具有這樣一些優(yōu)點(diǎn)，例如，低噪聲，選取信號(hào)波長(zhǎng)的較大靈活性，以及平坦和寬廣的增益帶寬。選取信號(hào)波長(zhǎng)的較大靈活性主要取決于這樣的事實(shí)，信號(hào)放大所用材料的喇曼峰值實(shí)際上僅與泵激波長(zhǎng)有關(guān)，它不同于摻鉺光纖放大器中發(fā)生的情況，其中信號(hào)波長(zhǎng)的選取是受鉺受激發(fā)射截面的限制。例如，利用多個(gè)泵浦源，可以大大擴(kuò)展喇曼放大器的寬增益帶寬。這種寬的增益帶寬可以代表把可用光帶寬擴(kuò)展到摻鉺光纖放大器的常規(guī)C波段和擴(kuò)展L波段之外的一種方法。集總喇曼放大器還可以在補(bǔ)償光纖的衰減和諸如連接器，開關(guān)，分束器等其他光學(xué)元件的損耗方面發(fā)揮重要的作用。
至今，人們一直建議采用色散補(bǔ)償光纖(DCF)或，更一般地說，高度非線性光纖以實(shí)現(xiàn)光纖喇曼放大器。例如，T.Tsuzaki et al.在“Broadband Discrete Fiber Raman Amplifier with High DifferentialGain Operating Over 1.65μm-band”，OFC2001 MA3-1中描述工作在1.65μm波段內(nèi)高微分增益(0.08dB/mW)，低噪聲(＜5.0dB)，寬帶(30nm)和平坦增益(＜±1dB)光纖喇曼放大器，它采用低損耗高度非線性光纖(HNLF)和擴(kuò)展泵浦激光源。該光纖的傳輸損耗在1.55μm下為0.49dB/mW和在1.65μm下為0.47dB/mW，1.55μm下的有效面積Aeff為10.10μm2，1.55μm下的色散為1.79ps/nm/km，Δn為3.10％和比率gR/Aeff為6.50×1031/Wm。圖1的文章說明衰減在波長(zhǎng)1450nm下約為0.7dB/km。
為了估算不受光纖長(zhǎng)度影響的喇曼放大特性，該文的作者采用以下的品質(zhì)因數(shù)FOM＝(gR/Aeff)/αp[1]其中(gR/Aeff)和αp分別是泵激波長(zhǎng)下的喇曼增益系數(shù)和光纖衰減。在1450nm泵激下，F(xiàn)OM的估算值為9.3 1/W/dB。若泵激波長(zhǎng)設(shè)定在1550nm，則FOM高達(dá)13.2 1/W/dB。
最近以來，人們對(duì)光纖結(jié)構(gòu)產(chǎn)生很大的興趣，這種結(jié)構(gòu)包含圍繞固態(tài)硅芯的多個(gè)氣眼。這些空氣-硅微結(jié)構(gòu)光纖，類似于早期的單材料光纖，由于硅芯與空氣-硅包層之間的折射率差，引導(dǎo)纖芯內(nèi)的光。在本領(lǐng)域中，微結(jié)構(gòu)光纖也稱之為“光子晶體光纖”或“多孔光纖”。
例如，J.A.West et al.在“Photonic Crystal Fibers”，ECOC 2001，Th A 2.2中綜述各種類型空氣-硅微結(jié)構(gòu)光纖，例如，有效折射率光子晶體光纖(EI-PCF)，空氣-包層纖芯光纖，和光子帶隙光纖(PBGF)。EI-PCF通常是由圓形空氣柱的六邊形格子制成，其中周期性是相對(duì)地均勻。該作者報(bào)告這種類型光纖的損耗低至2.6dB/km?？諝?包層纖芯光纖僅包含單個(gè)氣眼環(huán)。去除外層氣眼的證明是，在波長(zhǎng)大于氣眼之間距離Λ的限制下，光纖的性能非常類似于相當(dāng)?shù)碾A躍折射率光纖。當(dāng)氣眼非常大時(shí)，這種光纖基本上變成空氣中的硅棒和細(xì)硅柱，其目的僅僅是支承纖芯，硅棒和硅柱可以代替氣眼的周期性格子。該作者報(bào)告這種類型光纖的典型損耗是5-10dB/km。PBGF完全依靠波導(dǎo)作用的光子帶隙物理結(jié)構(gòu)并可以實(shí)現(xiàn)低折射率纖芯中的真正引導(dǎo)。
微結(jié)構(gòu)光纖與常規(guī)的光纖可以有很大的不同，它可以具有標(biāo)準(zhǔn)光纖中不能實(shí)現(xiàn)的性質(zhì)。
例如，J.K.Ranka et al.在“Visible continuum generation inair-silica microstructure optical fibers with anomalous dispersion at800nm”，Optics Letters，Vol.25，No.1，p.25-27(2000)中公布，空氣-硅微結(jié)構(gòu)光纖在可見波長(zhǎng)下可以展示反常色散。將100-fs持續(xù)時(shí)間和千瓦峰值功率的脈沖傳播通過零色散波長(zhǎng)附近的微結(jié)構(gòu)光纖，他們利用這個(gè)特征產(chǎn)生從紫色到紅外延伸的帶寬為550THz的光連續(xù)體。
人們建議采用摻雜纖芯的微結(jié)構(gòu)光纖。例如，LucentTechnologies Inc.的專利US 5,802,236公開一種有固態(tài)硅芯區(qū)的光纖，固態(tài)硅芯區(qū)被內(nèi)包層區(qū)和外包層區(qū)包圍。包層區(qū)有沿光纖軸向延伸的毛細(xì)孔隙，其中內(nèi)包層區(qū)中的孔隙直徑大于外包層區(qū)中的孔隙直徑。微結(jié)構(gòu)光纖的′236專利中公開的申請(qǐng)包括在有光敏纖芯的光纖中，利用Bragg或長(zhǎng)周期光柵，形成全光非線性Kerr交換。這種光纖通常有Ge，B，或摻Sn的纖芯。
在另一個(gè)例子中，C.E.Kerbage et al.在“Experimental and scalarbeam propagation analysis of an air-silica microstructure fiber”，Optics Express，Vol.7，No.3，p.113-121(2000)中研究空氣-硅微結(jié)構(gòu)光纖中的高級(jí)導(dǎo)模，該光纖包含圍繞摻鍺纖芯的六個(gè)大氣眼的環(huán)。他們從實(shí)驗(yàn)上利用纖芯內(nèi)Bragg光柵描述各種模式的特征。
微結(jié)構(gòu)光纖可以達(dá)到高度的光非線性。硅與空氣之間的很大折射率差意味著，可以把光局限于尺寸為光波長(zhǎng)數(shù)量級(jí)的橫模中，這種光纖每單位長(zhǎng)度的有效非線性比常規(guī)硅光纖的非線性高10-100倍。利用這種特性可以減小基于非線性效應(yīng)裝置所需的長(zhǎng)度/功率電平。
J.H.Lee et al.在“A holey fiber Raman amplifier and all-opticalmodulator”，EOCO 2001，Th A 4.1中提出微結(jié)構(gòu)光纖中的喇曼放大，他們展示利用短長(zhǎng)度的高度非線性多孔光纖以得到強(qiáng)的L波段喇曼放大。利用有效面積為2.85μm2的75m長(zhǎng)多孔光纖，他們得到1640nm下的內(nèi)部增益超過42dB和噪聲指數(shù)約為6dB。該光纖的損耗是40dB/km。得到的增益效率是6dB/W。此外，該作者估算的喇曼增益系數(shù)gR值為7.6×10-14m/W。
本申請(qǐng)人觀察到，6dB/W的增益效率意味著，為了實(shí)現(xiàn)有內(nèi)部增益20-25dB的放大器，應(yīng)當(dāng)使用大于3-4W的泵浦功率。這使得Lee et al.文章中描述的光纖在實(shí)際安裝到電信系統(tǒng)中時(shí)是相當(dāng)不現(xiàn)實(shí)的。
本申請(qǐng)人面臨的問題是利用微結(jié)構(gòu)光纖獲得喇曼放大器，它能夠利用低的泵浦功率要求實(shí)現(xiàn)高增益。最好是，該放大器應(yīng)當(dāng)有低的噪聲指數(shù)。本申請(qǐng)人察覺到，為了實(shí)現(xiàn)高的喇曼增益效率，即，利用低泵浦功率的高增益，根據(jù)公式[1]，微結(jié)構(gòu)光纖應(yīng)當(dāng)有高的喇曼放大品質(zhì)因數(shù)。
本申請(qǐng)人觀察到，利用以上給出的公式[1]計(jì)算Lee et al.文章中描述光纖喇曼放大的FOM，得到的數(shù)值是0.67 1/W/dB，這是非常低的數(shù)值。按照本申請(qǐng)人的觀點(diǎn)，這主要是由于微結(jié)構(gòu)光纖的高衰減(40dB)。然而，本申請(qǐng)人確認(rèn)，即使空氣-硅微結(jié)構(gòu)光纖的衰減較低，空氣-硅光纖的喇曼放大品質(zhì)因數(shù)至多可以與普通色散補(bǔ)償光纖或普通高度非線性光纖的喇曼放大品質(zhì)因數(shù)相當(dāng)。應(yīng)用以上給出的公式[1]，考慮到gR為7.6×10-14m/W，微結(jié)構(gòu)光纖在泵激波長(zhǎng)下的非常低衰減為2.6dB/km和有效面積為2.85μm2，可以得到的“最佳”值約為101/W/dB。就是說，即使考慮空氣-硅微結(jié)構(gòu)光纖有非常低的衰減，這種光纖的喇曼放大品質(zhì)因數(shù)至多與利用普通色散補(bǔ)償光纖或高度非線性光纖得到的品質(zhì)因數(shù)相同。按照本申請(qǐng)人的觀點(diǎn)，這是由于微結(jié)構(gòu)光纖的較高衰減，在至今最佳的情況下，可以達(dá)到的值約為2.6dB/km，它比普通光纖低0.5dB/km。不能認(rèn)為以上給出的空氣-硅微結(jié)構(gòu)光纖的“最佳”品質(zhì)因數(shù)是非常滿意的，因?yàn)橹圃煊蟹浅５退p的空氣-硅光纖與制造普通光纖比較是相當(dāng)復(fù)雜的。此外，利用有非常小有效面積(例如，Lee et al.文章報(bào)告的例子中是2.85μm2)的微結(jié)構(gòu)光纖可以得到這種結(jié)果，它產(chǎn)生的問題是放大時(shí)微結(jié)構(gòu)光纖中泵激輻射與光信號(hào)的耦合。
本申請(qǐng)人發(fā)現(xiàn)，為了得到具有高喇曼放大品質(zhì)因數(shù)的微結(jié)構(gòu)光纖，而不需要極低的衰減或極小的有效面積，應(yīng)當(dāng)把能夠增強(qiáng)喇曼效應(yīng)的摻雜劑加入到微結(jié)構(gòu)光纖纖芯的硅中，為的是使該光纖適合于喇曼放大器。能夠增強(qiáng)喇曼效應(yīng)的摻雜劑是相對(duì)于純硅喇曼增益系數(shù)可以提高喇曼增益系數(shù)gR值的摻雜劑。一種優(yōu)選的合適摻雜劑是鍺。

發(fā)明內(nèi)容
在第一方面，本發(fā)明涉及喇曼放大器，包括至少一個(gè)微結(jié)構(gòu)光纖和光線路連接到所述微結(jié)構(gòu)光纖一端的至少一個(gè)泵浦激光器，所述泵浦激光器適合于發(fā)射波長(zhǎng)λp的泵激輻射，所述微結(jié)構(gòu)光纖包括沿光纖軸向延伸的多個(gè)毛細(xì)孔隙包圍的硅基纖芯。微結(jié)構(gòu)光纖的纖芯至少包含一種添加到硅的摻雜劑，所述摻雜劑適合于增強(qiáng)喇曼效應(yīng)。
最好是，所述微結(jié)構(gòu)光纖在1460nm與1650nm之間波長(zhǎng)區(qū)可以有最大喇曼增益系數(shù)gR，所述波長(zhǎng)λp下的衰減αp和所述波長(zhǎng)λp下的有效面積Aeff，其中(gR/Aeff)/αp大于或等于5 1/W/dB，更好的是大于或等于10 1/W/dB。
一種適合于增強(qiáng)喇曼效應(yīng)的優(yōu)選摻雜劑是鍺。
最好是，微結(jié)構(gòu)光纖的纖芯中鍺濃度可以大于或等于8％mol，較好的是大于或等于10％mol，更好的是大于或等于20％mol。
最好是，所述微結(jié)構(gòu)光纖的有效面積Aeff在所述波長(zhǎng)λp下小于或等于10μm2，更好的是小于或等于所述波長(zhǎng)λp下的7μm2。
為了促進(jìn)耦合，所述微結(jié)構(gòu)光纖的有效面積Aeff在所述波長(zhǎng)λp下可以大于或等于3μm2。
最好是，微結(jié)構(gòu)光纖的衰減αp在所述波長(zhǎng)λp下小于或等于10dB/km，更好的是小于或等于所述波長(zhǎng)λp下5dB/km。
為了降低WDM系統(tǒng)中四波混頻的起動(dòng)，最好是，所述微結(jié)構(gòu)光纖的色散在波長(zhǎng)1550nm下大于或等于40ps/nm/km絕對(duì)值，更好的是，在波長(zhǎng)1550nm下大于或等于70ps/nm/km。
最好是，所述微結(jié)構(gòu)光纖在波長(zhǎng)大于或等于1430nm下可以是單模光纖。
在優(yōu)選的實(shí)施例中，孔隙的直徑是在0.3μm與4.0μm之間。此外，所述孔隙之間的距離最好小于4.0μm。最好是，所述孔隙的直徑d與所述孔隙之間距離Λ的比率大于0.35。
有利的是，所述微結(jié)構(gòu)光纖的長(zhǎng)度可以小于或等于2000m，最好是小于1000m。
在第二方面，本發(fā)明涉及適合于引導(dǎo)波長(zhǎng)1460nm與1650nm之間波段內(nèi)光信號(hào)的微結(jié)構(gòu)光纖，包括沿光纖軸向延伸的多個(gè)毛細(xì)孔隙包圍的纖芯。該纖芯包含硅和適合于增強(qiáng)喇曼效應(yīng)的摻雜劑。該光纖還適合于按照所述纖芯的喇曼位移引導(dǎo)相對(duì)于較低波長(zhǎng)區(qū)中所述波段內(nèi)至少一個(gè)波長(zhǎng)位移的波長(zhǎng)λp泵激輻射。該光纖在所述波段內(nèi)有最大喇曼增益系數(shù)gR，以及所述波長(zhǎng)λp下的衰減αp和有效面積Aeff，其中(gR/Aeff)/αp大于或等于5 1/W/dB，最好是大于或等于10 1/W/dB。
在第三方面，本發(fā)明涉及微結(jié)構(gòu)光纖，包括沿光纖軸向延伸的多個(gè)毛細(xì)孔隙包圍的纖芯，所述纖芯包含硅和鍺，其特征是，所述纖芯中鍺的濃度大于或等于8％mol。


參照附圖并通過以下詳細(xì)的描述，可以更好地理解本發(fā)明的其他特征和優(yōu)點(diǎn)，其中圖1表示按照本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的喇曼放大器示意圖；圖2表示用于測(cè)量適合于喇曼放大的光纖喇曼增益系數(shù)的實(shí)驗(yàn)裝置示意圖；圖3表示按照公式[1]的喇曼放大品質(zhì)因數(shù)與泵激波長(zhǎng)1450nm下衰減之間關(guān)系的幾條曲線，利用按照本發(fā)明的微結(jié)構(gòu)光纖可以得到這些曲線；圖4是利用按照本發(fā)明微結(jié)構(gòu)光纖(40a)可以得到的on-off增益與喇曼放大光纖長(zhǎng)度關(guān)系的曲線，并與利用有純硅纖芯的微結(jié)構(gòu)光纖(40b)和利用按照現(xiàn)有技術(shù)的高度非線性光纖(40c)得到的曲線進(jìn)行比較；圖5表示利用按照本發(fā)明微結(jié)構(gòu)光纖可以得到的幾條增益等值曲線，增益作為摻雜劑濃度和泵浦功率的函數(shù)；圖6表示理想微結(jié)構(gòu)光纖的部分橫斷面，該光纖有按照六邊形格子配置的孔隙；圖7至10表示按照本發(fā)明微結(jié)構(gòu)光纖的幾條色散曲線；圖11表示色散和有效面積作為按照本發(fā)明微結(jié)構(gòu)光纖中孔隙之間距離和孔隙直徑與孔隙之間距離比率的函數(shù)的幾條等值曲線，其中強(qiáng)調(diào)優(yōu)選的區(qū)域；圖12表示微結(jié)構(gòu)光纖的一般色散曲線，其中波導(dǎo)色散超過材料色散。
具體實(shí)施例方式
圖1表示按照本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的喇曼放大器1。喇曼放大器1包括微結(jié)構(gòu)光纖2和光線路連接到微結(jié)構(gòu)光纖2一端的至少一個(gè)泵浦激光器3a。例如，通過WDM耦合器4。
在圖1所示的典型優(yōu)選實(shí)施例中，設(shè)置兩個(gè)泵浦激光器3a，3b，它們適合于發(fā)射波長(zhǎng)λp并有基本相同功率發(fā)射的偏振泵激輻射。兩個(gè)泵激輻射通過偏振光分束器5耦合在一起，使兩個(gè)正交偏振態(tài)沿偏振光分束器5的下行方向發(fā)送。偏振光分束器5連接到WDM耦合器4的一端。WDM耦合器4的另一端適合于接收波長(zhǎng)λS的光信號(hào)進(jìn)行放大。WDM耦合器4的第三端連接到微結(jié)構(gòu)光纖2。WDM耦合器4與微結(jié)構(gòu)光纖2的光線路連接可以包括聚焦透鏡，或更一般地說，校正光學(xué)元件，為了優(yōu)化光輻射在光纖2中的耦合。在圖1所示的配置中，光信號(hào)和泵激輻射在微結(jié)構(gòu)光纖2中是同向傳播的。另一個(gè)實(shí)施例可以提供光信號(hào)與泵激輻射的反向傳播。另一個(gè)實(shí)施例可以同時(shí)提供光信號(hào)與泵激輻射的同向傳播和反向傳播。在未畫出的其他的實(shí)施例中，可以設(shè)置有不同發(fā)射波長(zhǎng)的多個(gè)泵浦源。按照本發(fā)明的喇曼放大器可以是單級(jí)放大器，或多級(jí)放大器，或可以是部分的多級(jí)放大器。此外，按照本發(fā)明的喇曼放大器可以與其他類型的放大器進(jìn)行組合，例如，摻鉺光纖放大器或半導(dǎo)體放大器。
光信號(hào)的波長(zhǎng)可以在約1460nm與1650nm之間，最好是在約1525nm與1625nm之間。泵浦激光器3a，3b發(fā)射的輻射與信號(hào)輻射波長(zhǎng)有關(guān)為了產(chǎn)生喇曼放大，泵浦激光器的波長(zhǎng)應(yīng)當(dāng)相對(duì)于頻譜中較低波長(zhǎng)區(qū)內(nèi)的信號(hào)輻射波長(zhǎng)發(fā)生位移，這個(gè)位移等于微結(jié)構(gòu)光纖2的纖芯中至少一個(gè)信號(hào)輻射波長(zhǎng)材料的喇曼位移(見G.P.Agrawal，“Nonlinear Fiber Optics”，Academic Press Inc.(1995)，page317-319)。
按照本發(fā)明的喇曼放大器可以是部分的光傳輸系統(tǒng)，最好是WDM傳輸系統(tǒng)，包括發(fā)射站，接收站和連接所述發(fā)射站和所述接收站的光線路。發(fā)射站包括至少一個(gè)發(fā)射器，它適合于發(fā)射攜帶信息的光信號(hào)。在WDM傳輸中，發(fā)射站包括多個(gè)發(fā)射器，它們適合于發(fā)射多個(gè)光信道，每個(gè)光信道有各自的波長(zhǎng)。在這種情況下，光信號(hào)是包含不同光信道的WDM光信號(hào)。接收站包括至少一個(gè)接收器，它適合于接收所述光信號(hào)和鑒別所述信息。在WDM傳輸中，接收站包括多個(gè)接收器，它們適合于接收WDM光信號(hào)和鑒別每個(gè)接收光信道所攜帶的信息。光線路包括至少一個(gè)傳輸光纖。至少包括一個(gè)按照本發(fā)明喇曼放大器的至少一個(gè)放大器是沿光線路設(shè)置，為的是抵消至少部分的所述傳輸光纖引入到光信號(hào)的衰減。其他衰減源可以是沿光線路設(shè)置的連接器，耦合器/分束器和其他各種裝置，例如，調(diào)制器，開關(guān)，分插復(fù)用器，等等。至少包括一個(gè)按照本發(fā)明喇曼放大器的光傳輸系統(tǒng)可以是任何類型的的光傳輸系統(tǒng)，例如，地面?zhèn)鬏斚到y(tǒng)或水下傳輸系統(tǒng)。傳輸系統(tǒng)還可以包含其他類型的放大器，例如，摻鉺光纖放大器或半導(dǎo)體放大器，它與至少一個(gè)按照本發(fā)明喇曼放大器進(jìn)行組合。
回到圖1，包含在喇曼放大器1中的微結(jié)構(gòu)光纖2包括沿光纖軸向延伸的多個(gè)毛細(xì)孔隙包圍的硅基纖芯。
最好是，包圍微結(jié)構(gòu)光纖2纖芯的孔隙是這樣配置的，使有效面積Aeff小于或等于10μm2，更好的是小于或等于7μm2，有效面積Aeff是在泵激波長(zhǎng)λp下估算的。若利用有多個(gè)波長(zhǎng)發(fā)射的多個(gè)泵浦源，為了估算有效面積Aeff，可以利用多個(gè)泵激波長(zhǎng)的平均值。小的有效面積可以有利地增強(qiáng)非線性，具體地說，增強(qiáng)喇曼效應(yīng)。在本發(fā)明中，有效面積Aeff是可以利用以下公式計(jì)算的系數(shù)Aeff=[∫-∞∞∫-∞∞|E(x,y)|2dxdy]2/∫-∞∞∫-∞∞|E(x,y)|4dxdy----[2]]]>其中E(x，y)是輻射波長(zhǎng)為λp的電場(chǎng)，它是在x-y平面上沿橫跨z傳播方向的微結(jié)構(gòu)光纖中傳播。
最好是，微結(jié)構(gòu)光纖2泵激波長(zhǎng)下的衰減αp小于或等于10dB/km，更好的是小于或等于5dB/km。在估算衰減αp時(shí)，若利用有多個(gè)波長(zhǎng)發(fā)射的多個(gè)泵浦源，則可以利用多個(gè)泵激波長(zhǎng)的平均值。
由于微結(jié)構(gòu)光纖2小的有效面積，為了抵消WDM傳輸中可能出現(xiàn)四波混頻，最好是，包圍微結(jié)構(gòu)光纖纖芯的孔隙可以設(shè)置成這樣，使波長(zhǎng)1550nm下的色散大于或等于40ps/nm/km絕對(duì)值，更好的是大于或等于70ps/nm/km?？梢岳帽绢I(lǐng)域中容易實(shí)現(xiàn)的方法以得到這些色散值。這種方法包括例如，合適地選取孔隙之間的距離Λ，或孔隙的直徑d，或有關(guān)的比率d/Λ，或這些參數(shù)的任意組合。在上述West et al.的文章中，它說明通過比率d/Λ的值從0.40改變到0.90，其中Λ值＝1000nm，有效折射率光子晶體光纖的色散曲線是如何變化的。以下的描述中給出幾個(gè)優(yōu)選的例子。
最好是，孔隙大致是按照六邊形格子設(shè)置的，它可以得到幾乎最佳的導(dǎo)模對(duì)稱性和微結(jié)構(gòu)光纖的低雙折射。
最好是，微結(jié)構(gòu)光纖2至少在被放大光信號(hào)的波段內(nèi)是單模光纖。在評(píng)價(jià)光纖的單模性時(shí)，可以利用2m截止波長(zhǎng)。在波長(zhǎng)等于或大于1550nm的傳輸中，微結(jié)構(gòu)光纖2最好是在波長(zhǎng)大于或等于1430nm下的單模光纖。
為了滿足以上所設(shè)置的光纖有效面積，和/或色散和/或單模性的優(yōu)選技術(shù)要求，利用本領(lǐng)域中容易實(shí)現(xiàn)的方法，可以找到纖芯周圍孔隙的幾何特性和配置。通常，這種方法涉及利用模擬軟件工具?？紫犊梢杂写笾孪嗤虿煌闹睆嚼?，它們可以設(shè)置在纖芯的周圍，因此，可以確定內(nèi)包層區(qū)包含的孔隙直徑大于外包層區(qū)包含的孔隙直徑，如在上述美國專利5,802,236中所指出的。
最好是，微結(jié)構(gòu)光纖2的雙折射可以很低，為的是減小喇曼放大器中與DGD相關(guān)的起動(dòng)問題。最好是，喇曼放大器1的DGD可以小于系統(tǒng)比特率所設(shè)定時(shí)隙的1/6。例如，比特率2.5Gbit/s下最大DGD的合適值約為70ps。作為另一個(gè)例子，比特率10Gbit/s下最大DGD的合適值約為20ps。
為了保持喇曼放大器1有低的噪聲指數(shù)，微結(jié)構(gòu)光纖2的長(zhǎng)度最好小于或等于2000m，更好的是小于或等于1000m，甚至更好的是小于或等于500m。
最好是，喇曼放大器1的低噪聲指數(shù)可以小于或等于約10dB，更好的是小于或等于約6dB。
硅基纖芯包含硅和至少一種摻雜劑，相對(duì)于有全硅纖芯的微結(jié)構(gòu)光纖，該摻雜劑適合于增強(qiáng)微結(jié)構(gòu)光纖的纖芯內(nèi)喇曼效應(yīng)。一種優(yōu)選的合適摻雜劑是鍺，通常是它的氧化物GeO2。其他合適的摻雜劑可以是磷或硼，通常分別是它們的氧化物P2O5和B2O3。在以下的描述中，具體參照鍺的摻雜若利用另一種摻雜劑，則專業(yè)人員可以采用以下描述中所給出的指導(dǎo)。
所謂“適合于增強(qiáng)喇曼效應(yīng)的摻雜劑”，是指相對(duì)于純硅的喇曼增益系數(shù)值，它可以增強(qiáng)微結(jié)構(gòu)光纖的纖芯中所含材料的喇曼增益系數(shù)gR值。在本發(fā)明中，為了明白一種摻雜劑是否適合于增強(qiáng)喇曼效應(yīng)，應(yīng)當(dāng)參照微結(jié)構(gòu)光纖的纖芯中包含材料喇曼增益系數(shù)的塊狀值相對(duì)于純硅喇曼系數(shù)的塊狀值。
應(yīng)當(dāng)注意，在與光纖有關(guān)的文獻(xiàn)中，“喇曼增益系數(shù)”是指gR系數(shù)或比率gR/Aeff。在此處描述的喇曼增益系數(shù)中，它是指gR系數(shù)。
按照以下的近似公式[3]，利用纖芯中的鍺濃度C，可以得到微結(jié)構(gòu)光纖的喇曼增益系數(shù)gR估算值，該微結(jié)構(gòu)光纖有包含鍺的硅基纖芯gR＝gRSiO2·(1-C)+gRGeO2·C [3]其中g(shù)RSiO2是純塊狀硅的喇曼增益系數(shù)，而gRGeO2是純塊狀鍺的喇曼增益系數(shù)。文獻(xiàn)中報(bào)告的gRSiO2值在波長(zhǎng)1.55μm下約為7.74×10-14m/W；文獻(xiàn)中報(bào)告的gRGeO2值在波長(zhǎng)1.55μm下約為59.35×10-14m/W(例如，見Lines，“Raman-gain estimates for high-gainoptical fibers”，J.Appl.Phys.62(11)，p.4363-4370(1987))。公式[3]給出喇曼增益系數(shù)gR的理論塊狀值。為了更精確地估算光纖的纖芯中喇曼增益系數(shù)gR的實(shí)際值，由于光纖包層中信號(hào)輻射的部分損耗，考慮小于光纖中傳播的信號(hào)與泵激輻射之間完全的喇曼耦合，可以減小公式[3]估算的值。把公式[3]估算的gR值乘以校正因子(Rcore/Rmode)，就可以考慮到這個(gè)效應(yīng)，其中Rcore是光纖的纖芯半徑，而Rmode是傳播進(jìn)入光纖的信號(hào)輻射模半徑。在這方面，本申請(qǐng)人相信，對(duì)于微結(jié)構(gòu)光纖，可以忽略這個(gè)校正因子，因?yàn)槲⒔Y(jié)構(gòu)光纖的纖芯中模限制是非常有效的，這是由于存在軸向延伸孔隙使纖芯與包層之間有高的折射率差。另一個(gè)可以加到公式[3]估算值的校正因子以使gR有良好估算值是由于在傳播進(jìn)入到光纖中時(shí)，信號(hào)輻射的偏振態(tài)與泵激輻射的偏振態(tài)之間缺少完全的對(duì)準(zhǔn)。這就降低光纖中喇曼放大的有效性。然而，兩個(gè)泵浦源通過圖1所述的偏振光分束器進(jìn)行耦合，可以獲得偏振光的基本獨(dú)立性。
作為一個(gè)例子，若微結(jié)構(gòu)光纖的纖芯中鍺的濃度為20％mol，則公式[3]給出的gR值約為18.06×10-14m/W。
為了更精確地估算光纖喇曼增強(qiáng)系數(shù)gR的實(shí)際值，可以利用圖2所示的實(shí)驗(yàn)裝置。在圖2中，波長(zhǎng)和發(fā)射功率可調(diào)的激光源20連接到第一個(gè)1×2功率分配器21。激光源20可以包括例如，波長(zhǎng)可調(diào)激光器20a，摻鉺光纖放大器20b和可變衰減器20c。第一功率計(jì)22連接到功率分配器21的兩個(gè)輸出端口中的一個(gè)端口。泵浦系統(tǒng)23連接到WDM耦合器24的一個(gè)輸入端口。泵浦系統(tǒng)23包括兩個(gè)泵浦激光器23a，23b，有基本相同的波長(zhǎng)發(fā)射和基本相同的功率發(fā)射，它們與偏振光分束器23c的耦合是這樣的，兩個(gè)正交偏振態(tài)被引向WDM耦合器24。功率分配器21的第二輸出端口連接到WDM耦合器24的第二輸入端口。WDM耦合器24的輸出端口連接到第二功率分配器25的輸入端口。第二功率計(jì)26連接到功率分配器25的一個(gè)輸出端口。與第一連接器27終接的一段光纖連接到率分配器25的第二輸出端口。例如，第一功率分配器21和第二功率分配器25可以是90/10功率分配器。功率分配器的“10％”輸出端口應(yīng)當(dāng)連接到功率計(jì)22，26。圖2中參考數(shù)字28標(biāo)記的被測(cè)試光纖在測(cè)量期間光線路連接到第一連接器27與第二連接器29之間。被測(cè)試光纖28與連接器27，29的光線路連接可以包括聚焦透鏡，或更一般地說，校正光學(xué)元件，為的是優(yōu)化光輻射在光纖28中的耦合。最后，光譜分析儀30連接到第二連接器29。
利用圖2的實(shí)驗(yàn)裝置，可以確定光纖28的gR與信號(hào)輻射波長(zhǎng)的關(guān)系曲線。激光源20模擬信號(hào)輻射的發(fā)射，它應(yīng)當(dāng)適合于發(fā)射感興趣波長(zhǎng)范圍內(nèi)波長(zhǎng)輻射。優(yōu)選的波長(zhǎng)范圍是在1460nm與1650nm之間。泵浦激光器23a和23b有這樣的發(fā)射波長(zhǎng)，它與用于測(cè)量預(yù)期喇曼位移的激光源20波長(zhǎng)范圍有關(guān)。利用硅-鍺光纖，泵浦激光器23a和23b發(fā)射的輻射頻率應(yīng)當(dāng)是低于激光源20發(fā)射輻射頻率的13.2THz。例如，感興趣的波長(zhǎng)范圍可能在1525nm與1575nm之間在這個(gè)波長(zhǎng)范圍內(nèi)，合適泵浦激光器的波長(zhǎng)應(yīng)當(dāng)在約1425nm與1475nm之間。因此，在選取的泵激波長(zhǎng)下，可以畫出gR與所感興趣波長(zhǎng)范圍的關(guān)系曲線(在整個(gè)所感興趣波長(zhǎng)范圍內(nèi)有相同的泵激波長(zhǎng))。為了估算gR，利用感興趣波長(zhǎng)范圍內(nèi)的最大gR值。對(duì)于有用泵激波長(zhǎng)范圍的每個(gè)泵激波長(zhǎng)，可以確定不同的曲線。在這種情況下，利用最大gR中的最佳值。
應(yīng)當(dāng)按照以下的方式進(jìn)行測(cè)試。在連接器27與29之間沒有測(cè)試光纖28的情況下，完成激光源20和泵浦系統(tǒng)23的發(fā)射功率定標(biāo)。為了定標(biāo)功率計(jì)22，關(guān)斷泵浦激光器23a，23b，僅使來自激光源20的輻射射向功率計(jì)22和連接到第一連接器27的另一個(gè)功率計(jì)。通過均衡從第一功率計(jì)22讀出的功率和從連接到第一連接器27的另一個(gè)功率計(jì)讀出的功率完成定標(biāo)。通過關(guān)斷激光源20和利用泵浦系統(tǒng)23，對(duì)功率計(jì)26完成類似的定標(biāo)。在測(cè)量時(shí)，被測(cè)試光纖28連接在連接器27與29之間，并接通激光源20和泵浦系統(tǒng)23，使二者發(fā)射連續(xù)波輻射。摻鉺光纖放大器20b和可變衰減器20c可用于改變信號(hào)輻射的發(fā)射功率。在感興趣范圍內(nèi)的每個(gè)信號(hào)波長(zhǎng)上，光譜分析儀30給出被測(cè)試光纖28輸出的功率Pout。一旦完成按照上述方法的定標(biāo)，第一功率計(jì)22可以依此估算輸入到光纖28的信號(hào)輻射功率Pin。比率Pout/Pin給出增益G。為了正確地計(jì)算增益G，被測(cè)試光纖28與連接器27，29光連接可能產(chǎn)生的光損耗應(yīng)當(dāng)添加到光譜分析儀30上讀出的輸出功率值Pout上。
如此確定的增益G通過以下的公式[4]與喇曼增益系數(shù)gR有關(guān)G＝exp(gRPpumpLeff/Aeff) [4]其中Ppump是泵浦激光器23a，23b中僅僅一個(gè)的泵浦功率，Aeff是光纖28在泵激波長(zhǎng)下光纖28的有效面積，而Leff是有效長(zhǎng)度，它按照以下的公式[5]與光纖的28長(zhǎng)度和泵激波長(zhǎng)下的光纖衰減αp有關(guān)Leff=1αp[1-exp(-αpL)]----[5]]]>公式[4]給出稱之為“on-off增益”的增益。若光纖28的衰減特性和有效面積是已知的，則可以確定任何信號(hào)波長(zhǎng)的gR值。若不是高精確地知道光纖28在泵激波長(zhǎng)下的有效面積，則可以確定比率gR/Aeff的值。為了利用公式[4]，應(yīng)當(dāng)在所謂的“小信號(hào)狀態(tài)”下進(jìn)行測(cè)量，就是說，保證信號(hào)輻射功率和泵激輻射功率在光纖28中不引起飽和。為了驗(yàn)證這種情況，輸入信號(hào)功率的微小增加(例如，1dB)應(yīng)當(dāng)對(duì)應(yīng)于被測(cè)試光纖28輸出功率的相同微小增加。另一方面，相對(duì)于輸入功率增加的輸出功率較小增加指出該光纖是在飽和狀態(tài)。
微結(jié)構(gòu)光纖纖芯中鍺的濃度C，以及微結(jié)構(gòu)光纖中泵激波長(zhǎng)下的衰減αp和泵激波長(zhǎng)下的有效面積Aeff最好選取成這樣，使以上公式[1]給出的喇曼放大品質(zhì)因數(shù)值至少為5 1/W/dB，最好是至少為101/W/dB。至少為5 1/W/dB的品質(zhì)因數(shù)值可以使喇曼放大器1有高的增益效率，即，利用低的泵浦功率要求，可以得到高的喇曼放大器增益。具有這些品質(zhì)因數(shù)值，按照本發(fā)明的單級(jí)喇曼放大器可以得到15dB增益，其中每個(gè)泵浦激光器的泵激輻射功率小于200mW，且微結(jié)構(gòu)光纖的長(zhǎng)度約在500-2000m的范圍內(nèi)。利用按照本發(fā)明的微結(jié)構(gòu)光纖，可以得到較高的喇曼放大品質(zhì)因數(shù)值，例如，15 1/W/dB，因此，我們獲得較高的喇曼效率。
應(yīng)當(dāng)注意，在微結(jié)構(gòu)光纖中，光纖的包層中形成孔隙的作用是把有效折射率降低到纖芯的折射率之下。光限制的性質(zhì)，例如，光纖的有效面積，實(shí)際上僅取決于纖芯周圍的孔隙排列，而與纖芯的實(shí)際折射率與包層的實(shí)際折射率之差無關(guān)。這意味著，在纖芯中含鍺或適合于增強(qiáng)喇曼效應(yīng)的另一種摻雜劑的微結(jié)構(gòu)光纖2中，光限制的特性實(shí)際上與鍺的濃度無關(guān)。甚至可以利用微結(jié)構(gòu)光纖2纖芯中非常高的鍺濃度以達(dá)到非常高的gR值。實(shí)際上，限制微結(jié)構(gòu)光纖2纖芯中鍺濃度的唯一約束可能是制造鍺-硅纖芯中的技術(shù)限制。通常，高于30％的鍺濃度在實(shí)施上可能有問題。最好是，微結(jié)構(gòu)光纖2纖芯中的鍺濃度可以大于或等于8％mol，更好的是大于或等于10％mol，甚至可以大于或等于20％mol。
與此相反，在有鍺-硅纖芯和硅包層的常規(guī)鍺-硅光纖中，光的限制取決于纖芯中存在鍺所導(dǎo)致的纖芯與包層之間折射率差。在這種情況下，不能無約束地提高鍺的濃度，因?yàn)槔w芯的折射率取決于這種濃度，在纖芯中無控制地提高鍺的濃度會(huì)影響光纖的基本特性，例如，光纖的單模性，有效面積，衰減等等。具體地說，有效面積與形成的鍺濃度是相關(guān)的。另一方面，利用微結(jié)構(gòu)光纖可以避免這種相關(guān)。
以上的特征是非常重要的，喇曼放大光纖的纖芯中有效面積與鍺濃度之間的不相關(guān)可以分別控制兩個(gè)參數(shù)gR和Aeff。如上所述，在纖芯中形成高的鍺濃度可以增強(qiáng)gR。這又可以使微結(jié)構(gòu)光纖的有效面積維持較高值(受孔隙排列的控制)，而仍然保持喇曼放大有可接受的品質(zhì)因數(shù)值。最好是，微結(jié)構(gòu)光纖的有效面積可以大于或等于3μm2。更好的是，可以利用的有效面積值是在4μm2與6μm2之間的范圍內(nèi)。這一點(diǎn)是重要的，為了促進(jìn)微結(jié)構(gòu)光纖2中光信號(hào)與泵激輻射的耦合。在這方面，必須注意，在常規(guī)的光纖中，在不影響光纖基本性質(zhì)的情況下，達(dá)到10-15μm2之間范圍內(nèi)的有效面積最小值，即，相對(duì)于微結(jié)構(gòu)光纖可以達(dá)到的較高值。
此外，微結(jié)構(gòu)光纖的衰減至今仍然遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于常規(guī)光纖的衰減(前者在最佳情況下是2.6dB/km，比后者小0.5dB/km)，即使在相對(duì)高的衰減情況下，較高的喇曼增益系數(shù)gR值可以保持喇曼放大有高的品質(zhì)因數(shù)。在這方面，必須注意，與制造方法引入的衰減比較，更高的鍺濃度不會(huì)在微結(jié)構(gòu)光纖中引入大的衰減量。這在有非常低衰減的常規(guī)光纖中是不正確的在這種情況下，為了按照公式[1]達(dá)到可接受的品質(zhì)因數(shù)值，常規(guī)光纖中甚至小的衰減增強(qiáng)(例如，0.2dB)加權(quán)相對(duì)于微結(jié)構(gòu)光纖中所經(jīng)受相同衰減增強(qiáng)有更大的問題。
因此，按照本發(fā)明，在包含適合于增強(qiáng)喇曼效應(yīng)的摻雜劑的微結(jié)構(gòu)光纖中，可以分別控制三個(gè)參數(shù)gR，Aeff和αp以實(shí)現(xiàn)喇曼放大有可接受的品質(zhì)因數(shù)值。有利的是，可以提高喇曼增益系數(shù)，而實(shí)際上不影響有效面積或基本不影響光纖的衰減。有利的是，通過減小有效面積和/或提高喇曼增益系數(shù)，可以補(bǔ)償微結(jié)構(gòu)光纖相對(duì)于常規(guī)光纖的較高衰減。有利的是，實(shí)際上只需考慮喇曼放大器中微結(jié)構(gòu)光纖與其他元件的耦合，就可以選取光纖有效面積的實(shí)際值。
另一方面，相對(duì)于纖芯中有純硅的微結(jié)構(gòu)光纖，按照本發(fā)明的微結(jié)構(gòu)光纖可以有較高的喇曼增益系數(shù)gR值。即使是相對(duì)大的有效面積值，它可以保持喇曼放大有高的品質(zhì)因數(shù)值。這可以促進(jìn)微結(jié)構(gòu)光纖與喇曼放大器中其他元件的耦合。
以下是按照本發(fā)明微結(jié)構(gòu)光纖的優(yōu)選技術(shù)要求綜述，它適合于1550nm附近波長(zhǎng)范圍內(nèi)放大的喇曼放大器喇曼增強(qiáng)的摻雜劑GeO2；GeO2的濃度20-25％mol；1450nm(泵激波長(zhǎng))下的衰減小于5dB/km；1550nm(信號(hào)波長(zhǎng))下的衰減小于5dB/km；1450nm下的有效面積4-6μm2；光纖長(zhǎng)度400-2000m；1550nm下的色散大于或等于40ps/nm/km絕對(duì)值；截止波長(zhǎng)小于1430nm；孔隙直徑(d)0.3-4.0μm；孔隙之間距離(Λ)小于4μm；比率d/Λ大于0.35；包層直徑大于100μm，通常是125μm(與標(biāo)準(zhǔn)光纖兼容)。
例1圖3表示按照公式[1]的喇曼放大品質(zhì)因數(shù)與微結(jié)構(gòu)光纖的泵激波長(zhǎng)下衰減之間關(guān)系的曲線，該光纖有摻20％mol鍺的硅纖芯。為了畫出這些曲線，假設(shè)微結(jié)構(gòu)光纖在1550nm下的gR值為18×10-14m/W。按照?qǐng)D3中加入的插圖說明，不同的曲線對(duì)應(yīng)于光纖的不同有效面積值。
可以看出，利用相對(duì)高的衰減(3-4dB/km)和有效面積(4-6μm2)值，可以得到約10 1/dB/W的品質(zhì)因數(shù)值。這一點(diǎn)是有利的，因?yàn)橄鄬?duì)高的衰減值可以利用較容易的制造過程，而相對(duì)高的有效面積值可以促進(jìn)耦合。
利用低的衰減和/或有效面積值，可以得到極高的品質(zhì)因數(shù)值(＞15 1/dB/W)。從微結(jié)構(gòu)光纖制造過程中可能的未來改進(jìn)觀點(diǎn)考慮是很重要的，為的是把衰減減小到2dB/km值以下。
例2本申請(qǐng)人按照?qǐng)D1已做了喇曼放大器配置的一系列模擬實(shí)驗(yàn)?？紤]波長(zhǎng)為1550nm的信號(hào)和泵激輻射的波長(zhǎng)為1450nm。假設(shè)每個(gè)泵浦激光器發(fā)射的功率為200mW。圖4展示代表on-off增益與光纖長(zhǎng)度關(guān)系的三條曲線，它們是利用按照本發(fā)明的微結(jié)構(gòu)光纖(40a)，有純硅纖芯的微結(jié)構(gòu)光纖(40b)，和按照Tsuzaki et al.文章的高度非線性光纖(40c)的喇曼放大器可以得到。利用公式[4]，[5]計(jì)算on-off增益。在畫出曲線40a時(shí)，假設(shè)1550 nm下的喇曼增益系數(shù)為18×10-14m/W，有效面積為5μm2和1450nm泵激波長(zhǎng)下的衰減為4dB/km。在畫出曲線40b時(shí)，假設(shè)1550nm下的喇曼增益系數(shù)為7.74×10-14m/W，有效面積為5μm2和1450nm泵激波長(zhǎng)下的衰減為4dB/km。按照Tsuzaki et al.的文章，在畫出曲線40c時(shí)，假設(shè)比率gR/Aeff值為6.50×103，和1450nm泵激波長(zhǎng)下的衰減為0.7dB/km。從圖4中可以看出，曲線40a是最高的，并允許光纖在500-1000m相對(duì)短的光纖長(zhǎng)度內(nèi)達(dá)到高的on-off增益(15-20dB)。有利的是，這種短長(zhǎng)度光纖可以得到喇曼放大器的低噪聲指數(shù)并可以使集總放大器有非常緊致的封裝。不同的是，曲線40b代表利用有純硅纖芯的微結(jié)構(gòu)光纖可以得到的on-off增益，其增益低于曲線40a的增益；在這種光纖中，為了提高可得到的最大增益，應(yīng)當(dāng)減小有效面積，但隨之出現(xiàn)耦合的問題。曲線40c在較長(zhǎng)的光纖長(zhǎng)度內(nèi)(約2.5km)達(dá)到甚至更低的on-off增益。
例3圖5表示按照本發(fā)明微結(jié)構(gòu)光纖可以達(dá)到的一系列喇曼增益峰值的等值曲線。喇曼增益峰值是按照G＝Gon-offe-αL估算的，其中Gon-off是利用公式[4]計(jì)算的，α是信號(hào)波長(zhǎng)下的光纖衰減，而L是光纖長(zhǎng)度。為了畫出圖5的中等值曲線，考慮G的最大值與長(zhǎng)度L的關(guān)系。我們假設(shè)有效面積為5μm2，泵激波長(zhǎng)下的衰減為4.0dB/km，和信號(hào)波長(zhǎng)下的衰減為4.0dB/km。在有兩個(gè)泵浦激光器通過偏振光分束器耦合的喇曼放大器配置中，等值曲線圖中的x軸是每個(gè)激光源的泵浦功率，而y軸是鍺的濃度。按照公式[3]估算每種鍺濃度下的喇曼增益系數(shù)gR。把計(jì)算的喇曼增益峰值表示成對(duì)應(yīng)的等值曲線。還可以看出，利用小于300mW的泵浦功率和大于10％的鍺濃度，可以得到大于20dB的喇曼增益峰值。
例4為了設(shè)計(jì)有以上給出技術(shù)要求的微結(jié)構(gòu)光纖，本申請(qǐng)人利用R-Soft，Ossining(美國紐約)出售的商用軟件Beam Prop做了一系列模擬實(shí)驗(yàn)，給出Maxwell方程的全矢量傳播解。用于微結(jié)構(gòu)光纖估算的典型參數(shù)是孔隙直徑d和孔隙之間的距離Λ。理想地假設(shè)孔隙有相同的直徑并按照理想的規(guī)則六邊形格子排列在纖芯的周圍。圖6表示這種理想微結(jié)構(gòu)光纖的部分橫斷面，包括纖芯60和纖芯60周圍排列的多個(gè)孔隙61。
假設(shè)纖芯包含硅和20％mol的鍺。纖芯的折射率和材料色散是由Sellmaier方程給出。我們還假設(shè)，纖芯的直徑D等于0.9Λ。這種數(shù)值可以避免鍺摻雜劑在孔隙中的擴(kuò)散，以及隨之發(fā)生鍺摻雜劑的損耗。
圖7表示在孔隙之間距離Λ為2.3μm的條件下得到的幾條色散(GVD)曲線與波長(zhǎng)的關(guān)系。按照?qǐng)D7中的插圖說明，不同的曲線對(duì)應(yīng)于不同比率d/Λ的值?？梢钥闯觯龃蟊嚷蔰/Λ導(dǎo)致色散曲線的振蕩和色散曲線向較高波長(zhǎng)位移。這種振蕩是由于這樣的事實(shí)，在d/Λ大的情況下，盡管有材料色散，但總的色散主要是波導(dǎo)色散。
圖8表示在比率d/Λ等于0.8的條件下得到的幾條色散曲線與波長(zhǎng)的關(guān)系。按照?qǐng)D8中的插圖說明，不同的曲線對(duì)應(yīng)于不同的孔隙之間距離Λ。可以看出，增大格子間距Λ給出色散曲線向較高的波長(zhǎng)位移和振蕩幅度的微弱下降。
圖9表示在比率d/Λ等于0.5的條件下得到的三條色散曲線與波長(zhǎng)的關(guān)系。按照?qǐng)D9中的插圖說明，不同的曲線對(duì)應(yīng)于不同的孔隙之間距離Λ。垂直的虛線強(qiáng)調(diào)波長(zhǎng)為1550nm。增大格子間距Λ導(dǎo)致色散的微小下降和有效面積的增大，它們分別是5.00μm2，5.50μm2，6.20μm2。
圖10表示在比率d/Λ等于0.5的條件下得到的幾條色散曲線與波長(zhǎng)的關(guān)系。按照?qǐng)D10中的插圖說明，不同的曲線對(duì)應(yīng)于不同的孔隙之間距離Λ。垂直的虛線強(qiáng)調(diào)波長(zhǎng)為1550nm。增大格子間距Λ導(dǎo)致色散的微小下降和有效面積的增大，它們分別是2.90μm2，4.00μm2，5.40μm2?？梢钥闯觯鄬?duì)于圖9中所示的情況，隨著比率d/Λ的增大(在相同的Λ值下)，可以得到較小的有效面積值，以及色散在1550nm下的增強(qiáng)。
表1總結(jié)一組優(yōu)選實(shí)施例的微結(jié)構(gòu)光纖，它至少滿足以上給出的一些技術(shù)要求
表1

圖11表示色散和有效面積在沿x軸的格子間距Λ(μm單位)和沿y軸的比率d/Λ的坐標(biāo)圖中幾條等值曲線示意圖。標(biāo)記為110的直線大致分隔開光纖在1430nm下為單模光纖區(qū)(直線110以下)和光纖在1430nm下為多模光纖區(qū)(直線110以上)。圖11中可以確定微結(jié)構(gòu)光纖是單模光纖的優(yōu)選區(qū)，它的有效面積是在4.3μm2與5.5μm2之間，和色散約大于60ps/nm/km，其中比率d/Λ約在0.4與0.6之間，和格子間距Λ約在1.85μm與2.15μm之間。強(qiáng)調(diào)的更優(yōu)選區(qū)域是d/Λ約在0.5與0.55之間，和格子間距Λ約在1.95μm與2.10μm之間。
例5圖12表示微結(jié)構(gòu)光纖的一般振蕩色散曲線示意圖，其中波導(dǎo)色散高于材料色散。從圖12中可以推論，在標(biāo)記為A，B，C，D的區(qū)域可以得到高的色散絕對(duì)值。因此，應(yīng)當(dāng)改變格子間距Λ和比率d/Λ，為了使1550nm附近的波長(zhǎng)區(qū)對(duì)應(yīng)于A，B，C，D區(qū)域中的一個(gè)區(qū)域。在以上的例子4中，對(duì)于區(qū)域B已利用這種方法。然而，本申請(qǐng)人已證實(shí)，實(shí)際上，移位色散曲線而使區(qū)域A或區(qū)域D對(duì)應(yīng)于1550nm附近的波長(zhǎng)區(qū)是很難的。另一方面，對(duì)于區(qū)域C得到成功的移位。使比率d/Λ大于或等于0.7和格子間距小于2.0μm，可以制成這樣的微結(jié)構(gòu)光纖，它在1550nm附近的波長(zhǎng)區(qū)有高的負(fù)色散值。還可以制成1430nm下的單模光纖。這種光纖的有效面積約為2μm2。
根據(jù)以上的敘述，在以下的表2中概括典型微結(jié)構(gòu)光纖的一組特性。
表2

權(quán)利要求
1.一種喇曼放大器，包括至少一個(gè)微結(jié)構(gòu)光纖和光線路連接到所述微結(jié)構(gòu)光纖一端的至少一個(gè)泵浦激光器，所述泵浦激光器適合于發(fā)射波長(zhǎng)為λp的泵激輻射，所述微結(jié)構(gòu)光纖包含沿光纖軸向延伸的多個(gè)毛細(xì)孔隙包圍的硅基纖芯，其特征是，所述纖芯至少包含一種添加到硅的摻雜劑，所述摻雜劑適合于增強(qiáng)喇曼效應(yīng)。
2.按照權(quán)利要求1的喇曼放大器，所述微結(jié)構(gòu)光纖在1460nm與1650nm之間的波長(zhǎng)區(qū)有最大喇曼增益系數(shù)gR，所述波長(zhǎng)λp下的衰減αp，和所述波長(zhǎng)λp下的有效面積Aeff，其特征是，所述最大喇曼增益系數(shù)gR，所述衰減αp和所述有效面積Aeff是這樣的，(gR/Aeff)/αp大于或等于51/W/dB。
3.按照權(quán)利要求2的喇曼放大器，其特征是，所述最大喇曼增益系數(shù)gR，所述衰減αp和所述有效面積Aeff是這樣的，(gR/Aeff)/αp大于或等于101/W/dB。
4.按照權(quán)利要求1至3中任何一個(gè)的喇曼放大器，其特征是，所述摻雜劑選自鍺，磷和硼構(gòu)成的一組。
5.按照權(quán)利要求4的喇曼放大器，其特征是，所述摻雜劑是鍺。
6.按照權(quán)利要求5的喇曼放大器，其特征是，鍺的濃度大于或等于8％mol。
7.按照權(quán)利要求6的喇曼放大器，其特征是，所述濃度大于或等于20％mol。
8.按照以上權(quán)利要求中任何一個(gè)的喇曼放大器，其特征是，所述微結(jié)構(gòu)光纖的有效面積Aeff在所述波長(zhǎng)λp下小于或等于10μm2。
9.按照權(quán)利要求8的喇曼放大器，其特征是，所述有效面積在所述波長(zhǎng)λp下小于或等于7μm2。
10.按照以上權(quán)利要求中任何一個(gè)的喇曼放大器，其特征是，所述微結(jié)構(gòu)光纖的有效面積Aeff在所述波長(zhǎng)λp下大于或等于3μm2。
11.按照以上權(quán)利要求中任何一個(gè)的喇曼放大器，其特征是，所述微結(jié)構(gòu)光纖的衰減αp在所述波長(zhǎng)λp下小于或等于10dB/km。
12.按照權(quán)利要求11的喇曼放大器，其特征是，所述衰減αp在所述波長(zhǎng)λp下小于或等于5dB/km。
13.按照以上權(quán)利要求中任何一個(gè)的喇曼放大器，其特征是，所述微結(jié)構(gòu)光纖的色散在波長(zhǎng)1550nm下大于或等于40ps/nm/km絕對(duì)值。
14.按照權(quán)利要求13的喇曼放大器，其特征是，所述色散在波長(zhǎng)1550nm下大于或等于70ps/nm/km絕對(duì)值。
15.按照以上權(quán)利要求中任何一個(gè)的喇曼放大器，其特征是，所述微結(jié)構(gòu)光纖在波長(zhǎng)大于或等于1430nm下是單模光纖。
16.按照以上權(quán)利要求中任何一個(gè)的喇曼放大器，其特征是，所述孔隙的直徑是在0.3μm與4.0μm之間。
17.按照以上權(quán)利要求中任何一個(gè)的喇曼放大器，其特征是，所述孔隙之間的距離小于4.0μm。
18.按照以上權(quán)利要求中任何一個(gè)的喇曼放大器，其特征是，所述孔隙的直徑d與所述孔隙之間距離Λ的比率大于0.35。
19.按照以上權(quán)利要求中任何一個(gè)的喇曼放大器，其特征是，所述孔隙之間的距離Λ是在1.85μm與2.15μm之間，而所述孔隙的直徑d與所述距離Λ的比率d/Λ是在0.4與0.6之間。
20.按照權(quán)利要求1至18中任何一個(gè)的喇曼放大器，其特征是，所述孔隙之間的距離Λ小于2.0μm，而所述孔隙的直徑d與所述距離Λ的比率d/Λ大于0.7。
21.按照以上權(quán)利要求中任何一個(gè)的喇曼放大器，其特征是，所述微結(jié)構(gòu)光纖的長(zhǎng)度小于或等于2000m。
22.按照權(quán)利要求19的喇曼放大器，其特征是，所述微結(jié)構(gòu)光纖的長(zhǎng)度小于或等于1000m。
23.按照權(quán)利要求19的喇曼放大器，其特征是，所述微結(jié)構(gòu)光纖的長(zhǎng)度小于或等于500m。
24.一種適合于引導(dǎo)光信號(hào)的微結(jié)構(gòu)光纖，光信號(hào)的波長(zhǎng)是在1460nm與1650nm之間的波段內(nèi)，包括沿光纖軸向延伸的多個(gè)毛細(xì)孔隙包圍的纖芯，所述纖芯包含硅和適合于增強(qiáng)喇曼效應(yīng)的摻雜劑，所述光纖還適合于按照所述纖芯的喇曼位移引導(dǎo)相對(duì)于較低波長(zhǎng)區(qū)中所述波段內(nèi)至少一個(gè)波長(zhǎng)位移的波長(zhǎng)λp泵激輻射，所述光纖在所述波段內(nèi)有最大喇曼增益系數(shù)gR，以及所述波長(zhǎng)λp下的衰減αp和有效面積Aeff，其特征是，所述最大喇曼增益系數(shù)gR，所述衰減αp和所述有效面積Aeff是這樣的，(gR/Aeff)/αp大于或等于51/W/dB。
25.按照權(quán)利要求24的微結(jié)構(gòu)光纖，其特征是，所述最大喇曼增益系數(shù)gR，所述衰減αp和所述有效面積Aeff是這樣的，(gR/Aeff)/αp大于或等于10 1/W/dB。
26.按照權(quán)利要求24或25的微結(jié)構(gòu)光纖，其特征是，所述摻雜劑選自鍺，磷和硼構(gòu)成的一組。
27.一種微結(jié)構(gòu)光纖，包括沿光纖軸向延伸的多個(gè)毛細(xì)孔隙包圍的纖芯，所述纖芯包含硅和鍺，其特征是，所述纖芯中鍺的濃度大于或等于8％mol。
28.按照權(quán)利要求27的微結(jié)構(gòu)光纖，其特征是，鍺的所述濃度大于或等于20％mol。
29.按照權(quán)利要求24至28中任何一個(gè)的微結(jié)構(gòu)光纖，其特征是，所述微結(jié)構(gòu)光纖的有效面積Aeff在所述波長(zhǎng)λp下小于或等于10μm2。
30.按照權(quán)利要求29的微結(jié)構(gòu)光纖，其特征是，所述有效面積在所述波長(zhǎng)λp下小于或等于7μm2。
31.按照權(quán)利要求24至30中任何一個(gè)的微結(jié)構(gòu)光纖，其特征是，所述微結(jié)構(gòu)光纖的有效面積Aeff在所述波長(zhǎng)λp下大于或等于3μm2。
32.按照權(quán)利要求24至31中任何一個(gè)的微結(jié)構(gòu)光纖，其特征是，所述微結(jié)構(gòu)光纖的衰減αp在所述波長(zhǎng)λp下小于或等于10dB/km。
33.按照權(quán)利要求32的微結(jié)構(gòu)光纖，其特征是，所述衰減αp在所述波長(zhǎng)λp下小于或等于5dB/km。
34.按照權(quán)利要求24至33中任何一個(gè)的微結(jié)構(gòu)光纖，其特征是，所述微結(jié)構(gòu)光纖的色散在波長(zhǎng)1550nm下大于或等于40ps/nm/km絕對(duì)值。
35.按照權(quán)利要求35的微結(jié)構(gòu)光纖，其特征是，所述色散在波長(zhǎng)1550nm下大于或等于70ps/nm/km絕對(duì)值。
36.按照權(quán)利要求24至35中任何一個(gè)的微結(jié)構(gòu)光纖，其特征是，所述微結(jié)構(gòu)光纖在波長(zhǎng)大于或等于1430nm下是單模光纖。
37.按照權(quán)利要求24至36中任何一個(gè)的微結(jié)構(gòu)光纖，其特征是，所述孔隙的直徑是在0.3μm與4.0μm之間。
38.按照權(quán)利要求24至37中任何一個(gè)的微結(jié)構(gòu)光纖，其特征是，所述孔隙之間的距離小于4.0μm。
39.按照權(quán)利要求24至38中任何一個(gè)的微結(jié)構(gòu)光纖，其特征是，所述孔隙的直徑d與所述孔隙之間距離Λ的比率大于0.35。
40.按照權(quán)利要求24至39中任何一個(gè)的微結(jié)構(gòu)光纖，其特征是，所述孔隙之間的距離Λ是在1.85μm與2.15μm之間，而所述孔隙的直徑d與所述距離Λ的比率d/Λ是在0.4與0.6之間。
41.按照權(quán)利要求24至39中任何一個(gè)的微結(jié)構(gòu)光纖，其特征是，所述孔隙之間的距離Λ小于2.0μm，而所述孔隙的直徑d與所述距離Λ的比率d/Λ大于0.7。
42.一種光傳輸系統(tǒng)，包括發(fā)射站，接收站，和所述發(fā)射站與所述接收站之間的光線路，其特征是，所述光線路至少包含一個(gè)按照權(quán)利要求1至23中任何一個(gè)的喇曼放大器。
全文摘要
一種喇曼放大器，包括微結(jié)構(gòu)光纖和光線路連接到微結(jié)構(gòu)光纖一端的至少一個(gè)泵浦激光器。泵浦激光器適合于發(fā)射波長(zhǎng)λp的泵激輻射，而微結(jié)構(gòu)光纖包含沿光纖軸向延伸的多個(gè)毛細(xì)孔隙包圍的硅基纖芯。微結(jié)構(gòu)光纖的纖芯還至少包含一種添加到硅的摻雜劑，所述摻雜劑適合于增強(qiáng)喇曼效應(yīng)。
文檔編號(hào)G02F1/35GK1582519SQ01823901
公開日2005年2月16日 申請(qǐng)日期2001年12月21日 優(yōu)先權(quán)日2001年12月21日
發(fā)明者阿蒂利奧·布瑞格赫瑞, 臼利亞·皮爾卓, 吉亞庫摩·幗尼, 瑪庫·羅馬格諾利 申請(qǐng)人:皮雷利&C.有限公司