1. 发明领域

本发明一般涉及放大器。尤其是，本发明涉及使用双波长泵激的光放大器， 它通过重新增加亚稳态能级的粒子数来减少中间终态能级上的稳态粒子数。可调节 第二泵激的功率和/或波长来改变放大器增益谱的形状。

2. 技术背景

光放大器通过一种称为受激发射的过程来增加光波的振幅，在这个过程中， 作为输入信号提供的光子诱发光学材料中高能级的电子，向低能级跃迁。在这过程 中，材料发射具有与初始光子相同频率、方向和极化的光子。此两光子再激发另外 两个光子的发射，以此类推。这结果是相干光的放大。当光子能量几乎等于原子跃 迁的能量差时，受激发射就发生了。是故，这过程在由原子谱线宽度决定的一个或 几个频带中产生放大。

尽管目前使用许多不同的光放大器结构，但光纤结构是十分普遍的，尤其是 在光通信的应用中。光纤放大器一般由诸如玻璃等光学材料与稀土掺杂剂结合而构 成，并构造成光波导。目前流行的是掺稀土的石英光纤，部分是因为它们对单模导 波光学提供好处。可把光纤放大器做得能在波长的一个广大的范围内工作，这是由 基质和稀土掺杂剂的原子性质所决定。

通信技术和信息技术的惊人发展对寻找新的光纤材料引起浓厚的兴趣，所述 新材料将增加信号信道带宽，并使工程师们能开发出新的频带。

稀土材料遭遇到的一个困难与材料固有的多声子低衰减率有关。希望在亚稳 态能级中有长的寿命，因为它有助于受激发射。然而，如果该特殊材料在中间的终 能级上显示出类似的长寿命，则是不希望的。

作为例子，掺镨的硫属化物玻璃一般具有1G4(亚稳态能级)的寿命约为 300μs，辐射的量子效率大于50％。但是，此多声子低衰减度的结果是，3H5能 级(1.3μm跃迁的中间终能级)具有相对较长的寿命。在硫属化物玻璃中，3H5 能级的典型寿命值是在100μs的范围以内。

在用这种材料制造的光放大器中，以1020nm供给的泵能量可把该材料中 的原子从3H4基能态激发到1G4亚稳态。输入的光信号在这个激发态上与该材 料相互作用，通过受激发射产生光子，从而使亚稳态的下迁到3H5中间终能级 上。尽管电子处在中间的3H5能级上，但它们不能再利用。只有在它们衰减回 到基能态3H4之后，它们才能重新泵激到亚稳能级1G4，再在此能级上进一步加 入受激发射过程。

因此，当此材料用作光纤放大器时，3H5能级的长寿命具有不利的影响。3H5 的粒子数降低了放大器的效率，并倾向于使峰值工作波长从所要的波长上移 开。

上面所提到的困难不是掺镨(Pr3r)的硫属化物玻璃所独有；相反，它也 存在于其它低、中的声子能量玻璃中，包括掺铥(Tm3+)或钬(Ho3+)的硫属 化物、卤化物、亚碲酸盐、锗酸盐、铅酸盐和镓酸盐玻璃光纤中的任何一种。

                          发明概述

本发明的一个优点是提供一种放大器和泵激技术，它能克服与某些掺稀土 诸材料所显示出中间中止能级的长寿命相关的困难。

本发明的光放大器的各种实施例在所附的权利要求书中予以陈述。更准确 地说，根据本发明的一个实施例，光放大器包括一含有稀土掺杂剂的光基质的 光波导。基质和掺杂剂限定了基能态。放大器还包括耦合到这波导的第一泵。 这第一泵以第一波长把先能提供给波导。这第一泵在基能态之上建立起亚稳能 态。耦合到光波导的输入引入待要放大的光信号，此此放大由来自亚稳能态的 光子的受激发射加以产生。这就在第一亚稳能态之下和在基能态之上建立起一 个终能态。光放大器还包括光耦合到波导的第二泵，它以第二波长把光能提供 给波导。这第二泵通过减少终能态的粒子数来重新增加第一亚稳能态的粒子 数。最后所得到的光放大器结构适合用于许多不同的光纤材料，包括掺镨的硫 属化物玻璃光纤，尤其是硫属化物玻璃，玻璃诸如诸如硫属化物，卤化物，亚 亚碲酸盐，锗酸盐，铅酸盐和镓酸盐的一类玻璃。

为了对本发明及其目标和优点有一个较为完整的理解，参阅下面的详细说 明和附图。本发明另外的特性和优点在随后的详细描述中陈述。

应该知道，前面的一般描述和下面的详细描述这都仅仅是本发明的示范性 内容，并且打算如权利要求所提出的那样提供用以了解本发明本质和特性的全 貌或框架。附图被包括在内以提供对本发明的进一步了解且在此引入，并构成 本说明书的一个部分。这些图说明了本发明的各种特性和各种实施例，并与描 述一起起到说明本发明的原理与操作的作用。

                           附图描述

图1是说明双波长泵激光放大器的示意图；

图2是本发明使用掺镨的硫属化物玻璃的示范性实施例的能量状态图；

图3是1G4-3H5的发射截面与来自3H5终能量态的受激态吸收(ESA)截 面的比较图；

图4是放大器效率作为信号波长函数的曲线族图，说明改变3H5能级粒子 数对放大器增益曲线和效率产生的作用。

图5是最大1G4-3H5反转与泵激波长的关系曲线图，它在决定掺镨硫属化 物玻璃光纤例子的第二泵激波长是有用的；

图6是放大器增益作为信号波长函数的曲线族图，它在了解变换泵激功率 来改变放大器工作带宽的作用是有用的；

图7是使用掺铥玻璃的第二示范实施例的能级图；

图8是对各种低声子能量玻璃，以强度作为波长函数的一系列波形的比较 图；

图9是对一多组分锗酸盐玻璃，从3H4-3F9的发射截面与从3F4-3H4的激 发态吸收(ESA)过程的比较图；

图10是说明在多组分锗酸盐玻璃中通过改变第二泵激功率或第二泵激波 长来变换3H4到3F4粒子数反转之作用的曲线族图；

图11是说明最大3H4-3F4反转作为泵激波长函数的图，它在决定图10中 所说明多组分锗酸盐玻璃的最佳第二泵激波长是有用的。

                   较佳实施例的详细描述

我们已经发现双泵技术(详述于下)克服了与由某种掺稀土材料所显示中 间能级的长寿命相关联的困难。根据本发明的一个实施例，本技术采用工作于 初级工作波长下的第一泵，以及在以下所设计的波长下工作的第二泵，所设计 的波长使中间终能级上的稳态粒子数减少，而同时使亚稳能级的粒子数重新增 加。我们也已经发现，两个泵相对的功率和/或波长经控制，可增强放大器的特 性，赋与该技术一个重要的附加好处。

参考图1，它示出了光放大器的一个示范性的实施例。这较佳实施例使用 一光波导10，例如它可以具有内纤芯和外包层的光缆，其中内纤芯为第一光学 材料，而外包层的材料不同。用作内纤芯和外包层的材料具有不同的折射率， 致使光能量在内纤芯与外包层的界面上反射，使能量通过波导传播。

正如将在下面较全面地说明那样，光波导包括含有稀土掺杂剂的基质材 料，最好是玻璃。为此目的，可以采用各种不同的光学材料和稀土掺杂剂。在 下面讨论了几个例子，而另一些例子和材料对本技术领域中的科技人员将是显 而易见的。

光放大器具有起初级泵作用的第一泵P1，用于在光学材料内激发稀土离子 的粒子数，把它们从基能态提升到亚稳能态。亚稳能态的特征是比较长的荧光 寿命，通常大于50μs。换言之，提升到亚稳能态的离子有足够的时间保留在那 个状态，使得受激发射成为可能。放大器包括可以引入光输入信号的输入口12。 输入口12把输入光信号耦合到光波导10，从而通过来自亚稳能态的光子受激 发射而产生放大。

正如在下面提出的例子中将作较全面地说明的那样，作为在放大过程中使 用的结果，用作光波导的光学材料显示出激发离子从亚稳态下迁到终能态的性 质。终能态在亚稳能态之下，但在基能态之上，通常称作4级跃迁。处于终能 态的离子经过一些衰减时间后最终衰减到基能态，其中所述衰减时间由光学材 料的组分决定，并强烈依赖于基质材料的声子能量。

虽然激活离子最终将从终能态衰减到基能态，但是，它们占据终能态的有 限时间会显著地影响放大器的性能。由于当前处于终能级的离子会在信号波长 上产生损耗，所以它们可能会降低总的放大器效率。此损耗又可能大大地移动 放大器的工作波长(例如，见图6和10)，且会不利地影响放大器的噪声系数。 在大多数情况下，在中间终能级上激活离子数不受泵P1之波长的影响。中间终 能级的寿命由相关基质玻璃中激活离子的荧光寿命所支配。

为解决这个问题，光放大器包括第二泵P2。第二泵P2经特殊选择，工作 在对中间终能级上的电子起作用的波长上，以把它们提升到(也许通过上面的 能级)能再一次对放大过程有贡献的亚稳能态。

因此，光放大器使用一双波长泵结构，在这个结构中，每个泵单元的工作 波长和功率被设计成能够控制亚稳能级和终能级上激活离子的相对粒子数。初 级泵P1影响基能态的粒子数；而第二泵P2则影响中间终能态的粒子数。

正如前面所述，本发明可利用各种不同的光学材料来完成。一般来说，双 泵光放大器对以下光学材料最为有效，即它们具有在基能态之上的终能态(所 谓的4能级系统)，具有相当长的寿命(例如，约为亚稳能态寿命的同一数量 级)。

双波长泵结构在控制放大器的工作波长和带宽方面提供了许多的灵活性。 通过控制各泵的相对功率和/或波长，就能控制亚稳能态和终能态下的粒子数， 从而改变放大器的工作参数。最重要的是，在构造好放大器单元之后，放大器 工作特性的灵活性程度大多了。这在波分复用(WDM)应用中很重要，在波 分复用应用中，通过控制泵P1和P2可以补偿添、卸信道对放大器的影响。

下面将提出使用中双波长泵激放大器的几个例子。

例1：双波长泵激的掺镨硫属化物玻璃光纤放大器

这例子是采用掺镨硫属化物玻璃光纤制成光波导10来完成的。图2示出 这光学材料的能级系统。基能态3H4表示为能级1。亚稳态1G4表示为能级5， 而终能态3H5表示为能级2。

在本实施例中，泵P1是在约1020nm波长下工作的，它起到把电子从基态 泵激发到亚稳态1G4的作用。光纤放大器利用了1G4-3H5的跃迁，它对应于中 心约为1300nm电信窗，该电信窗存在于目前安装的电信光纤基础中。因此本 实施例很容易应用于目前的光纤系统。

在低声子能量玻璃中，诸如硫属化物，特别在硫化物玻璃中，1G4的寿命 约为300μs，量子辐射效率一般大于50％。量子效率定义为光输出(按光子数 测量)对光输入的比。例如，在本例中，我们测量了被泵激光子与激发光子之 比。这些玻璃系统中的多声子低衰减率使3H5能级寿命相对较长。在硫化物玻 璃中，3H5能级的寿命一般在100μs的范围内。

当这些玻璃用作光纤放大器时，3H5的长寿命具有不利的影响。1G4-3H5 发射截面，与3H5-1G4的激发态吸收(ESA)的截面一起示于图3。改变3H5 能级粒子数对放大器增益曲线及效率的结果影响示于图4(要指出的是，反转 是1G4能级离子数与3H5能级离子数的比)。确切的3H5能级离子数将强烈地依 赖于放大器的工作条件，但是增加3H5离子数的净效应是较低的增益效率 (dB/mW)，同时还把峰值工作波长移向较长的波长。

由于峰值工作波长(即，信号)理论上应尽可能接近1300nm，所以这两 个效应对放大器的实用都是不利的。

增加第二泵P2，把3H5的粒子数泵回到1G4亚稳态，可以纠正上面的问题。 最佳第二泵激波长示于图5。在图中我们给出了1G4到3H5最大反转与第二泵激 波长的关系图。为了获得较大的1G4到3H5的粒子数反转(即，大于80％)， 泵激波长应在约1280nm或稍小一点。对于使用半导体激光器的直接泵激，这 是一个方便的波长。

对于在不同的条件下工作的放大器的期望增益曲线的几个例子示于图6。 通过简单地改变第二泵激光器的功率或波长，从而改变3H5能级的粒子数，我 们可以很容易改变放大器的增益谱。

因此，图6说明了我们可以用第二泵P2来控制放大器增益谱的形状。通过 只是利用具有不同1280nm泵激率的光纤段，还可用其扩大光放大器的有用工 作波长。再者，双泵结构通过改变第一和第二泵的功率比，提供了改变放大器 增益曲线之幅值的能力，而增益形状固定。因此，双泵光放大器是完全适于实 现无倾斜放大器功能(即，在整个放大器的波长范围，有基本上相同的增益)， 例如象在波分复用(WDM)系统中那样。即，由添或卸信道造成的放大器增 益形状的变化(以至信号波长数的变化)，可以通过简单地改变泵单元P1和P2 的相对功率或波长来补偿。

例2：约在1500nm工作的宽带掺铥放大器

本实施例利用掺铥的光纤放大器。初级泵源波长可约为800nm，也可用别 的泵激波长。此泵源泵激离子，并从基态(3H6)使3H4亚稳态能级的粒子数增 加。基于3H4到3F4能级的跃迁，在波长约1500nm处获得放大(见图10)。由 于3F4能级有长的荧光寿命，所以在该激发态上将存在有效百分数的铥离子。 约在1440nm工作的第二泵用来控制3H4到3F4的相对电子数。通过适当选择相 对泵激功率和波长，并由此选择相对粒子数，可以用该放大器获得宽而平坦的 增益谱。

在此描述的具体例子中，实现了中心在1500nm、具有40nm宽增益谱的多 组分锗酸盐玻璃光纤放大器。然而，本发明可被应用到一些低/中声子能量的玻 璃。通过仔细选择泵激率，可以获得对于30dB峰值增益具有约2dB波动的平 坦增益谱。本实施例也可应用于WDM系统。

掺铥玻璃的能级系统示于图7、在文献中大量的著作研究了制作在3H4-3F4 跃迁的铥光纤放大器的可能性。大多数研究集中ZBLAN玻璃系统上。依靠此 跃迁的有效放大受阻于终能级(3F4)相对于亚稳能级(3H4)有较长的寿命。 表1例示了一些掺铥玻璃的荧光寿命，图8示出了荧光光谱的例子。在所有情 况下，3H4能级的寿命均小于3F4能级的寿命，而用这些玻璃中的任何一种制作 的光纤放大器都将遭受到同样问题。

                          表1     玻璃  最大声子能量(cm-1)  3H4寿命(ms)  3F4寿命(ms)     锗酸盐     900      0.30      3.0     亚碲酸盐     800      0.25      2.2     氟化物     600      1.0      6.0     铝酸盐     800      0.3      4.0     硫化物     450      0.10      1.0

当作为光纤放大器工作时，这些寿命使得当在800nm被泵激时，3H4稳态 能级粒子数将小于3F4能级粒子数。针对解决此问题的先前偿试是通过在 1064nm处增频泵激(即，把离子从一激发态泵激到高更能级，即，更高能) 或与其它稀土离子共掺来降低3F4稳态能级的粒子数。这两种方案都有明显的 弊端。

然而，不要降低3H4能级的粒子数，我们建议利用由此激发离子粒子数引 起的激发态吸收(ESA)过程来获得在1480-1520nm波长范围内的宽而平坦的 增益谱。图9示出了对多组分锗酸盐玻璃测得的从3H4到3F4的发射截面，以及 从3F4到3H4的激发态吸收过程(ESA)。

我们使用这基质玻璃仅作为一个例子，特别是，因为它具有宽的荧光谱。 然而，我们的双泵方案将与任何低或中的声子能量玻璃一起工作。低或中的声 子能量玻璃是最大声子能量小于1000cm-1的玻璃，而最大声子能量是由铕声子 侧带分光仪测量得到的。

图10示出了用多组分锗酸盐制成的光纤放大器的增益谱计算结果，示出 了对应于不同泵激率，3H4到3F4粒子数反转变化。如图所示，约为50％的相 对粒子数反转提供了从1480延伸到1520nm的宽范围平坦增益谱。对未来的 WDM系统，这是一个潜在有用的工作波长，它是未被掺铒光纤放大器所覆盖 的波长范围。而且这个40nm波长范围对应于目前安装的远距离光纤基础中低 损耗传输窗口的短波长极限。

3H4到3F4的最大粒子数反转作为第二泵激波长的函数示于图11。这曲线指 出要获得50％反转的合适泵激波长约为1440nm，这是目前的半导体激光技术 很容易获得的泵激波长。另一可供选择的是，将喇曼位移光纤激光器用作源。 在我们的例子中，初级泵源是800nm，但是可以使用其它波长，包括波长约为 700nm(3F3能级)，1200nm(3H5能级)以及1600nm(3F4能级)。尽管没有 直接增加3H4的粒子数，但后两种波长可以使3F4终能级的粒子数增加，第二泵 激光器可以从3F4能级使4H4亚稳能级的粒子数增加。

通过改变1440nm和800nm的相对泵激功率，要制作具有无倾斜放大器功 能的放大器是可能的。(由800nm的初级泵激率控制的)增益的大小现在可以 独立于放大器增益形状而得以控制(通过调节1440mm泵激率)。这种器件在 WDM系统中具有许多潜在的应用，在这个器件中，(例如由添、卸信道带来 的)放大器增益形状的变化可以通过简单地改变两个泵激光器的相对泵激率加 以补偿。在本例中考虑了另一种掺铥放大器的双波长泵激方案。前面的例子使 用了一个初级泵激波长，它利用例如约为800nm或700nm(其中，Δλ是±50nm 而较佳的是±25nm)的泵激波长，直接把铥离子激发到亚稳态(3H4)能级。但 是，也可以考虑用一初级泵激波长把铥离子激发到终能级(3F4)的另一个方案。 用此泵单元(波长和/或功率)通过控制激发铥离子的总数，控制了在放大器内 增益的总量。然后利用第二泵激波长(例如象前例那样使用1460nm)，控制 亚稳态能级和终能级的相对粒子数，从而获得放大器的最佳增益形状和峰值波 长。就是说，改变第二泵的波长可以改变在亚稳态能级与中间能级上的离子相 对比例，从而导致增益谱的变化(即，在增益曲线和位置的变化)。例如，这 个示于图10。对于掺铥放大器的例子，其初级泵激波长可以大约为1200nm， 进入3H5能级，再从这个能级发生快速的多声子衰退，使铥离子到达3F4终能级。 也可用直接激发3F4能级的第二方案，在该情况下，初级泵的波长可能在1500nm 到1700nm的范围。在这两种情形下，都可改变初级泵激波长和/或功率，来控 制终能级的粒子数，而第二泵单元则控制亚稳态能级和终能级之间的相对粒子 数。

例3：掺钬的硫属化物放大器

关于钬的能级图示于图12，而对于掺钬硫属化物玻璃基质，从5I5能级到 终能级5I7的荧光谱则示于图13。波长约为1650nm的荧光波长可能会在未来的 远距离电信系统中具有应用。亚稳态能级和终能级的一般荧光寿命分别为 1.5ms和3ms。因此，跃迁是自终止的，而在例如900nm单一波长泵激下，5I7 能级存在大量离子数将对光纤放大器性能产生不利影响。引入例如约为1600nm 的第二泵激波长，重新增加亚稳能级5I5的粒子数并控制终能级5I7，可以明显 改善放大器的性能。可以改变第二泵激波长和/或功率，以控制和优化放大器的 增益。

有鉴于前面所述，将会了解，可用本发明的双波长泵激技术来控制在各种 不同光学材料中中止能级的粒子数。因此，本技术在实现种种不同的光放大器 方面是有用的。说明书的企图是本发明如在所附权利要求及它们的相等内容所 规定的那样覆盖了这发明的修改内容和改制物。

                           发明背景