具有光放大功能的传输光纤及其制造方法

摘要

一种具有光放大功能的传输光纤(1，5)，包括纤芯(2)和包层(3)。纤芯材料掺杂有第一掺杂物(A)和第二掺杂物(B)，第一掺杂物(A)是折射率大于包层(3)材料的材料，第二掺杂物(B)是能将具有第一波长的光形式的泵浦能转化为具有第二波长的光的材料。纤芯(2)中的第二掺杂物(B)的浓度在径向上与到纤芯(2)的中心的距离(r)成比例地增大。纤芯材料优选掺杂有用于补偿由第二掺杂物(B)引起的折射率变化的第三掺杂物(C)。包层(3)可以包括环绕纤芯(2)的包覆层(4)，包覆层(4)具有在其中分别用于信号放大和折射率补偿的第四(D)和第五(E)掺杂物。应用拉曼效应或受激发射，选择掺杂物(A，B，C，D，E)以实现放大。

权利要求

1.一种具有光放大功能的传输光纤，包括纤芯和包层，其中纤芯材料 掺杂有第一掺杂物、第二掺杂物和第三掺杂物，第一掺杂物是折射率大于 包层材料的材料，第二掺杂物是能将具有第一波长的光形式的泵浦能转化 为具有第二波长的光的材料，该第二波长不同于用于放大由传输光纤传输 的光信号束的第一波长，其中第二掺杂物由一种材料构成，该材料具有通 过要被供给的具有第一波长泵浦能的光使电子布居数相对于低能级反转的 能级，以便提供具有第二波长的发射光，该第二波长不同于由信号光束激 发而放大信号光束的第一波长，其中纤芯中的第二掺杂物的浓度在径向上 与到纤芯中心的距离成比例地增大，并且其中选择纤芯中第三掺杂物的材 料以及第三掺杂物的浓度变化，以使得由第二掺杂物所引起的折射率变化 得到补偿，其中纤芯材料掺杂有作为第一掺杂物的锗，掺杂有作为第二掺 杂物的铒，以及掺杂有作为第三掺杂物的包含氟、硼及氟和硼的组合物的 一个组中的一个，且其中选择作为第一掺杂物的锗的平均浓度，作为第二 掺杂物的铒的平均浓度，以及作为第三掺杂物的包含氟、硼及氟和硼的组 合物的一个组中的一个的平均浓度以使得放大曲线峰值处的放大系数在 0.001至0.01dB/km范围内，以及在不使用泵浦能的情况下，对于1550nm 波长的衰减小于0.25dB/km。

2.如权利要求1所述的传输光纤，其中纤芯中作为第二掺杂物的铒的 浓度在切线方向是均匀的。

3.如权利要求1所述的传输光纤，其中包层包括围绕纤芯的包覆层， 纤芯和包覆层具有共同的分界面，包覆层的材料掺杂有第四掺杂物材料， 该第四掺杂物材料具有通过要被提供的具有第一波长泵浦能的光使电子布 居数相对于低能级反转的能级，以便提供具有第二波长的发射光，该第二 波长不同于由要被传输的信号光束激发用以放大信号光束的第一波长，其 中铒被用作第四掺杂物。

4.如权利要求3所述的传输光纤，其中包覆层中的作为第四掺杂物的 铒的浓度在径向与距分界面的距离成比例地增大。

5.如权利要求4所述的传输光纤，其中在分界面处的纤芯中的作为第 二掺杂物的铒的浓度与在分界面处包覆层中的作为第四掺杂物的铒的浓度 相同。

6.如权利要求5所述的传输光纤，其中包层中作为第四掺杂物的铒的 浓度在切线方向是均匀的。

7.如权利要求6所述的传输光纤，其中包覆层材料掺杂有第五掺杂物， 其中选择第五掺杂物的材料以及第五掺杂物在包覆层中的浓度变化，以使 得由作为第四掺杂物的铒的引起的包覆层中折射率的变化得到补偿，其中 包括氟、硼及氟和硼的组合物的一个组中的一个用作第五掺杂物。

8.如权利要求7所述的传输光纤，其中选择作为第一掺杂物的锗的平 均浓度，作为第二掺杂物的铒的平均浓度，作为第三掺杂物的包含氟、硼 及氟和硼的组合物的一个组中一个的平均浓度，作为第四掺杂物的铒的平 均浓度以及作为第五掺杂物的氟、硼及氟和硼的组合物的一个组中的一个 的平均浓度，以使得放大曲线峰值处的放大系数在0.001至0.01dB/km范围 内，以及在不使用泵浦能的情况下，对于1550nm波长的衰减小于 0.25dB/km。

9.一种具有光放大功能的传输光纤，包括纤芯和包层，其中纤芯材料 掺杂有第一掺杂物、第二掺杂物和第三掺杂物，第一掺杂物是折射率大于 包层材料的材料，第二掺杂物是能将具有第一波长的光形式的泵浦能转化 为具有第二波长的光的材料，该第二波长不同于用于放大由传输光纤传输 的光信号束的所述第一波长，其中第二掺杂物由一种材料构成，该材料由 于拉曼效应，能将具有第一波长光泵浦能的光转化为具有第二波长的光， 该第二波长相对于用于放大信号光束的第一波长改变，其中纤芯中的第二 掺杂物的浓度在径向上与到纤芯中心的距离成比例地增大，其中选择纤芯 中第三掺杂物的材料以及第三掺杂物的浓度变化，以使得由第二掺杂物所 引起的折射率变化得到补偿，其中纤芯材料掺杂有作为第一掺杂物的锗， 掺杂有作为第二掺杂物的包括磷和碲的一个组中的一个，以及掺杂有作为 第三掺杂物的包含氟、硼及氟和硼的组合物的一个组中的一个，且其中选 择所述作为第二掺杂物的包括磷和碲的一个组中的一个的平均浓度，以使 得放大曲线峰值处的放大系数大于1W-1·km-1，以及在不使用泵浦能的情 况下，对于1550nm波长的衰减小于0.25dB/km。

10.如权利要求9所述的传输光纤，其中纤芯中作为第二掺杂物的包括 磷和碲的一个组中的一个的浓度在切线方向是均匀的。

11.根据权利要求9所述的传输光纤，其中包层包括围绕纤芯的包覆层， 纤芯和包覆层具有共同的分界面，包覆层的材料掺杂有第四掺杂物材料， 由于拉曼效应，该第四掺杂物材料能将具有第一波长的光泵浦能的光转化 为具有第二波长的光，该第二波长相对于用于放大信号光束的第一波长改 变，其中包覆层的材料掺杂有作为第四掺杂物的包括磷和碲的一个组中的 一个。

12.如权利要求11所述的传输光纤，其中包覆层中的作为第四掺杂物 的包括磷和碲的一个组中的一个的浓度在径向与距分界面的距离成比例地 增大。

13.如权利要求12所述的传输光纤，其中在分界面处纤芯中的作为第 二掺杂物的包括磷和碲的一个组中的一个的浓度与在分界面处包覆层中的 作为第四掺杂物的包括磷和碲的一个组中的一个的浓度相同，并且其中包 括磷和碲的一个组中的相同一个用作第二和第四掺杂物。

14.如权利要求13所述的传输光纤，其中包覆层中作为第四掺杂物的 包括磷或碲的一个组中的一个的浓度在切线方向是均匀的。

15.如权利要求14所述的传输光纤，其中包覆层的材料掺杂有第五掺 杂物，其中选择第五掺杂物的材料以及第五掺杂物在包覆层中的浓度变化， 以使得包覆层中由作为第四掺杂物的包括磷和碲的一个组中的一个引起的 折射率的变化得到补偿，其中包括硼、氟及硼和氟的组合物的一个组中的 一个作为第五掺杂物。

16.如权利要求15所述的传输光纤，其中选择作为第二掺杂物的包括 磷和碲的一个组中的一个的平均浓度，以及作为第四掺杂物包括磷和碲的 一个组中相同的一个的平均浓度，以使得放大曲线峰值处的放大系数大于 1W-1·km-1，以及在不使用泵浦能的情况下，对于1550nm波长的衰减小于 0.25dB/km。

17.一种制造具有光放大功能的传输光纤的方法，该传输光纤包括纤芯 和包层，其中石英玻璃的纤芯材料由等离子体化学汽相沉积PCVD法形成， 其中等离子体用于纤芯材料的层叠沉积及用于将掺杂物引入纤芯材料，以 使得纤芯材料掺杂有第一掺杂物、第二掺杂物和第三掺杂物，第一掺杂物 是折射率大于包层材料的材料，其中第二掺杂物由一种材料构成，该材料 具有通过要被供给的具有第一波长泵浦能的光使电子布居数相对于低能级 反转的能级，以便提供具有第二波长的发射光，该第二波长不同于由信号 光束激发用以放大信号光束的第一波长，其中纤芯中的第二掺杂物的浓度 在径向上与离开纤芯中心的距离成比例地增大，以及选择纤芯中第三掺杂 物的材料以及第三掺杂物的浓度变化，以使得由第二掺杂物所引起的折射 率变化得到补偿，其中纤芯材料掺杂有作为第一掺杂物的锗，掺杂有作为 第二掺杂物的铒，以及掺杂有作为第三掺杂物的包含氟、硼及氟和硼的组 合物的一个组中的一个，且选择作为第一掺杂物的锗的平均浓度，作为第 二掺杂物的铒的平均浓度，以及作为第三掺杂物的包含氟、硼及氟和硼的 组合物的一个组中的一个的平均浓度，使得传输光纤在放大曲线峰值处的 放大系数在0.001至0.01dB/km范围内，以及在不使用泵浦能的情况下，对 于1550nm波长的衰减小于0.25dB/km。

18.如权利要求17所述的方法，其中包层设置了围绕纤芯的包覆层，纤 芯和包覆层具有公共分界面，以及包覆层材料由等离子体化学汽相沉积 PCVD法形成，其中等离子体用于包覆层材料的层叠沉积及用于将掺杂物 引入包覆层材料，该包覆层的材料掺杂有作为第四掺杂物的铒，以使得包 覆层中作为第四掺杂物的铒的浓度在径向与距分界面的距离成比例地增 大。

19.如权利要求18所述的方法，其中包覆层掺杂有第五掺杂物，其中选 择第五掺杂物的材料以及第五掺杂物在包覆层中的浓度变化，以使得包覆 层材料中由作为第四掺杂物的铒引起的折射率的变化得到补偿，包括硼、 氟及硼和氟的组合物的一个组中的一个作为第五掺杂物。

20.如权利要求19所述的方法，其中选择作为第一掺杂物的锗的平均浓 度，作为第二掺杂物的铒的平均浓度，作为第三掺杂物的包括氟、硼及氟 和硼的组合物的一个组中的一个的平均浓度，作为第四掺杂物的铒的平均 浓度，以及作为第五掺杂物的包括氟、硼及氟和硼的组合物的一个组中的 一个的平均浓度，以使得放大曲线峰值处的放大系数在0.001至0.01dB/km 范围内，以及在不使用泵浦能的情况下，对于1550nm波长的衰减小于 0.25dB/km。

21.一种制造具有光放大功能的传输光纤的方法，该传输光纤包括纤芯 和包层，其中石英玻璃的纤芯材料由等离子体化学汽相沉积PCVD法形成， 其中等离子体用于纤芯材料的层叠沉积及用于将掺杂物引入纤芯材料，以 使得纤芯材料掺杂有第一掺杂物、第二掺杂物和第三掺杂物，第一掺杂物 是折射率大于包层材料的材料，第二掺杂物由一种材料构成，该材料由于 拉曼效应，能将具有第一波长光泵浦能的光转化为具有第二波长的光，为 了放大信号光束的目的该第二波长相对于第一波长改变，其中纤芯中的第 二掺杂物的浓度在径向上与离开纤芯中心的距离成比例地增大，其中选择 纤芯中第三掺杂物的材料以及第三掺杂物的浓度变化，使得由第二掺杂物 所引起的折射率变化得到补偿，其中纤芯材料掺杂有作为第一掺杂物的锗， 掺杂有作为第二掺杂物的包括磷和碲的一个组中的一个，以及掺杂有作为 第三掺杂物的包括氟、硼及氟和硼的组合物的一个组中的一个，并且其中 选择作为第二掺杂物的包括磷和碲的一个组中的一个的平均浓度，使得传 输光纤在放大曲线峰值处的放大系数大于1W-1·km-1，以及在不使用泵浦 能的情况下，对于1550nm波长的衰减小于0.25dB/km。

22.如权利要求21所述的方法，其中包层设置了围绕纤芯的包覆层，纤 芯和包覆层具有公共分界面，以及包覆层材料由等离子体化学汽相沉积 PCVD法形成，其中等离子体用于包覆层材料的层叠沉积及用于将掺杂物 引入包覆层材料，其中包覆层的材料掺杂有作为第四掺杂物的包括磷和碲 的一个组中的一个，以使得包覆层中作为第四掺杂物的包括磷的一个组中 的一个的浓度在径向与离开公共分界面的距离成比例地增大。

23.如权利要求22所述的方法，其中包覆层掺杂有第五掺杂物，其中选 择第五掺杂物以及第五掺杂物在包覆层中的浓度变化，以使得包覆层材料 中由作为第四掺杂物的包括磷和碲的一个组中的一个引起的折射率的变化 得到补偿，其中包括硼、氟及硼和氟的组合物的一个组中的一个作为第五 掺杂物。

24.如权利要求23所述的方法，其中选择作为第二掺杂物的包括磷和碲 的一个组中的一个的平均浓度，以及作为第四掺杂物的包括磷和碲的一个 组中相同的一个的平均浓度，以使得传输光纤在放大曲线峰值处的放大系 数大于1W-1·km-1，以及在不使用泵浦能的情况下，对于1550nm波长的衰 减小于0.25dB/km。

说明书

技术领域

本发明涉及一种具有光放大功能的传输光纤，其包括纤芯和包层，其 中纤芯材料掺杂有第一掺杂物和第二掺杂物，第一掺杂物为折射率大于包 层材料的材料，第二掺杂物是能将具有第一波长的光形式的泵浦能转化为 具有第二波长的光的材料，该第二波长与用于放大由传输光纤传输的信号 光束的第一波长不同。

背景技术

注意到Quan Xian等人的文件“具有任意复合率分布的单模光纤的传 播特性”(“Propagation characteristics of single-mode optical fibers with arbitrary complexindex profiles”)，IEEE，量子电子学期刊，第40卷，第6号，2004 年6月，第771-777页，其中公开了一种用于光放大的阶跃率(step-index) 光纤，包括纤芯和包层，其中纤芯材料掺杂有折射率大于包层材料折射率 的掺杂物，并带有铒作为有源材料将具有泵浦波长为980nm的光的形式的 泵浦能转化为1.53μm范围的不同波长的光，用于放大信号光束。
在这种分级率纤维的一个实施例中，铒浓度反比于径向场功率乘以纤 芯处的铒浓度而改变，使得铒浓度在径向上随着到纤芯中心的距离成比例 地增大。
美国专利说明书US6,467,313公开了一种用于光纤放大器应用的光纤， 包括由氧化硅预制的光学玻璃制成的纤芯和包层，其中包括均匀地掺杂有 锗和铝的氧化物的芯预制部分，并且带有氧化铒作为有源材料，将具有第 一波长形式的光转化为具有与第一波长不同的第二波长的光，用于放大信 号光束。这种光纤的芯由这种预制玻璃制成，其掺杂材料表现出径向均匀 的浓度分布。
在设计和构建新的光纤网络时必须高度重视光通信领域的技术发展和 将来的需求。新的光纤线路必须适于将来用于若干波长范围，以便能够使 用波长复用系统并实现高传输率。因此，对衰减、非线性特性的灵敏度和 色散的需求比满足短期的传输需求更加迫切。
为了满足长远的需求，不仅仅需要满足传输光纤传输信号光束的无源 性能，而且需要满足传输光纤能够通过自身放大传输的信号光束的性能。
光纤中信号光束的光放大尤其可受到所谓的拉曼效应的影响，或者是 受到受激发射的影响。
当应用拉曼效应时，采用具有不同于信号光束波长的光泵浦信号形式 的能量与要放大的信号光束一起施加到光纤的纤芯。通过选择泵浦信号的 波长以使相对于泵浦信号波长偏移产生的波长与要放大的信号光束的波长 相同，由拉曼效应产生的放大在该波长达到峰值，使得具有大约20-30nm 波长范围的信号光束被放大。通过使用多个彼此相关具有适当的选定波长 的泵浦信号，使得具有大波长范围内的波长的信号光束以这种方式被放大。
拉曼放大应用于尤其是光放大器中，在光放大器中使用用于光放大的 放大光纤。这种放大光纤缠绕在小线圈上，这与用于将光耦合到光纤和泵 浦激光器和将光从其中输出的元件一起形成一个组件。这种放大器作为发 射器的功率放大器、接收器的前置放大器和在例如越洋连接的长距离线路 中的中继器在通信系统中使用。
拉曼效应能够以泵浦信号在信号光束的方向(“同向泵浦”)以及相反方 向(“反向泵浦”)传输的方式实现。
在拉曼效应的另一应用中，通过从发射器朝接收器的方向传输泵浦信 号和从接收器朝发射器的方向传输泵浦信号来放大信号光束，将这两个泵 浦信号都提供给传输光纤的纤芯以便放大分布在传输光纤长度上的信号光 束。
光纤中产生拉曼放大的程度由拉曼放大因子表示。该因子依赖于纤芯 的材料特性和折射率分布，其决定了信号光束和泵浦信号二者沿传播方向 的横断方向上的能量分布。标准单模光纤的拉曼放大因子大约为 0.3W-1·km-1，对于色散位移光纤大约为0.8W-1·km-1。
当使用受激发射时，将光形式的泵浦信号与要放大的信号光束一起施 加到光纤的纤芯。纤芯材料掺杂有一种材料，该材料具有通过泵浦信号使 电子布居数相对于低能级反转的能级，从而为放大信号光束提供由信号光 束激发的光发射。
光放大器光纤用于通过受激发射放大，其中纤芯材料包含高浓度的掺 杂物，该掺杂物在转化泵浦信号光时起作用。由于标准传输光纤本身不用 于通过受激发射放大信号光束，因此这些传输光纤的纤芯材料没有掺杂在 转化泵浦信号光时起作用的材料和与信号光束放大相关的材料，因此在常 规传输光纤中几乎观察不到任何由受激发射产生的放大效果。
另一方面，在没有泵浦信号的情况下，放大光纤不适于用作传输信号 光束的传输光纤，因为这些光纤纤芯材料中的高浓度掺杂物在转化泵浦信 号光时起作用，并且相关放大与信号光束光的高吸收以及伴随的信号光束 的强衰减密切相关。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有光放大功能的传输光纤，它适用于作 为传输光纤来传输信号光束，而无需泵浦信号的出现。
根据本发明，该传输光纤的特征在于，纤芯材料掺杂有第三掺杂物， 并且选择所述纤芯中第三掺杂物的材料以及所述第三掺杂物的浓度变化以 使得由所述第二掺杂物所引起的折射率变化得到补偿。
换言之，由第二掺杂物引起的、直接或间接产生的传输光纤径向理想 折射率分布的偏差能够通过使用这样的第三掺杂物而被有效地补偿，使得 在不出现泵浦信号的情况下减少信号光束的传输中的损失。
以这种方式提供纤芯材料的第二掺杂物，即该掺杂物在纤芯中心附近 的浓度低于与纤芯中心有一定距离的纤芯部分的浓度，在纤芯中没有泵浦 信号的情况下，则信号光束的衰减大部分由在围绕纤芯中心的纵轴区域传 播的部分信号光束确定。由于纤芯轴周围的第二掺杂物的较低浓度，使大 部分信号光束具有相对较小的衰减。相反，由于第二掺杂物的高浓度，在 与纤芯中心有一定距离的区域传播的较小部分信号光束的衰减高于邻近纤 芯中心的区域。
在向信号光束提供泵浦信号的情况下，与利用纤芯中心附近的第二掺 杂物的浓度所获得的效率级相比，在与中心有一定距离的传输光纤部分， 由于第二掺杂物具有高浓度，使得以较高效率级转化泵浦信号的光，所以 信号光束的放大在该部分被激发。在本发明一个实施例中，纤芯中第二掺 杂物的浓度在切线方向是均匀的。
特别是在应用拉曼效应的情况下，本发明提供了一种传输光纤，其中 第二掺杂物由一种材料构成，该材料由于拉曼效应，能将具有第一波长光 泵浦能的光转化为具有相对于用于放大信号光束的第一波长偏转的第二波 长的光，其中选择第二掺杂物的平均浓度，以使得放大曲线峰值处的放大 因子大于1W-1·km-1，以及在不使用泵浦能的情况下对于1550nm波长的衰 减小于0.25dB/km。
根据本发明，特别是可使用锗(germanium)作为第一掺杂物，磷 (phosphorous)或碲(tellurium)作为第二掺杂物，氟(fluorine)、硼(boron)或氟和 硼的组合物作为第三掺杂物。
特别是在使用受激发射的情况下，本发明提供了一种传输光纤，其中 第二掺杂物由一种材料构成，该材料具有这样的能级，其中通过具有第一 波长的要提供的泵浦能的光使电子布居数相对于低能级反转，以便提供具 有第二波长的发射光，该第二波长不同于由信号光束激发而放大信号光束 的第一波长。其中选择第一、第二和第三掺杂物的平均浓度以使得放大曲 线峰值处的放大因子在0.001至0.01dB/km范围内，以及在不使用泵浦能的 情况下对于1550nm波长的衰减小于0.25dB/km。
根据本发明，对于通过受激发射的放大，尤其可使用锗作为第一掺杂 物，铒(erbium)作为第二掺杂物，氟、硼或氟和硼的组合物作为第三掺杂物。
在根据本发明的传输光纤的另一实施例中，包层包括围绕纤芯的包覆 层，纤芯和包覆层具有共同的分界面，包覆层的材料掺杂有第四掺杂材料， 该材料能将具有第一波长光的泵浦能转化具有第二波长的光，该第二波长 与用于放大由传输光纤传输的信号光束的第一波长不同。
沿分界面的泵浦能的损耗因此可通过适当地选择第四掺杂物以及该掺 杂物的浓度变化而被有效地减小。
在根据本发明的传输光纤的一个实施例中，包覆层中的第四掺杂物的 浓度随着与纤芯和包覆层的分界面的距离成比例地增大。
在本发明的一个优选实施例中，包覆层中第四掺杂物的浓度在切线方 向是均匀的。
在根据本发明的传输光纤的又一个实施例中，第二和第四掺杂物由相 同的材料构成，包覆层中第四掺杂物在与纤芯交界的区域处的浓度与纤芯 中第二掺杂物在与包覆层交界的区域处的浓度相同。
在包括根据本发明的包层的传输光纤的又一优选实施例中，包层材料 掺杂有第五掺杂物，其中选择包覆层中第五掺杂物的材料以及第五掺杂物 的浓度变化，以使得由第四掺杂物引起的包覆层中折射率的变化得到补偿。
根据本发明，第五掺杂物可以由两种或两种以上掺杂材料组成。
根据本发明的一个实施例，特别是如果在纤芯和包覆层中应用拉曼效 应，第二和第四掺杂物由一种材料构成，该材料由于拉曼效应，能将具有 第一波长光泵浦能的光转化为具有相对于用于放大信号光束的第一波长偏 转的第二波长的光，其中选择第二和第四掺杂物的平均浓度，以使得在不 使用泵浦能的情况下，放大曲线的峰值处的放大因子大于1W-1·km-1，以及 对于1550nm波长的衰减小于0.25dB/km。
根据本发明，特别在应用拉曼效应进行放大的情况下，可使用锗作为 第一掺杂物，磷或碲作为第二和第四掺杂物，氟、硼或氟和硼的组合物作 为第三掺杂物用于包括包覆层的传输光纤。
根据本发明的一个实施例，特别是在使用受激发射的情况下，第二和 第四掺杂物由一种材料构成，该材料具有这样的能级，其中通过具有第一 波长的要提供的泵浦能的光使电子布居数相对于低能级反转，以便提供具 有第二波长的发射光，该第二波长不同于由信号光束激发而放大信号光束 的第一波长。其中选择第一、第二、第三、第四和第五掺杂物的平均浓度 以使得放大曲线峰值处的放大系数在0.001至0.01dB/km范围内，以及在不 使用泵浦能的情况下，对于1550nm波长的衰减小于0.25dB/km。
根据本发明，特别是利用受激发射进行放大的情况下，可使用锗作为 第一掺杂物，铒作为第二和第四掺杂物，氟、硼或氟和硼的组合物作为第 三和第五掺杂物用于包括包覆层的传输光纤。
本发明也涉及一种制造如前述的具有光放大功能的传输光纤的方法， 特别是石英玻璃的包覆层和纤芯中的掺杂物由PCVD(等离子化学气相沉积) 工艺形成的光纤，特别是以锗作为第一掺杂物，磷、碲或铒作为第二和/或 第四掺杂物，氟、硼或氟和硼的组合物作为第三和/或第五掺杂物。
按照本发明第一方面的一种具有光放大功能的传输光纤，包括纤芯和 包层，其中纤芯材料掺杂有第一掺杂物、第二掺杂物和第三掺杂物，第一 掺杂物是射率大于包层材料的材料构，第二掺杂物是能将具有第一波长的 光形式的泵浦能转化为具有第二波长的光的材料，该第二波长不同于用于 放大由传输光纤传输的光信号束的第一波长，其中第二掺杂物由一种材料 构成，该材料具有通过具有第一波长泵浦能的光使电子布居数相对于低能 级反转的能级，以便提供具有第二波长的发射光，该第二波长不同于由信 号光束激发而放大信号光束的第一波长，其中纤芯中的第二掺杂物的浓度 在径向上随着到纤芯中心的距离成比例地增大，并且其中选择纤芯中第三 掺杂物的材料以及第三掺杂物的浓度变化，以使得由第二掺杂物所引起的 折射率变化得到补偿，其中纤芯材料掺杂有作为第一掺杂物的锗，掺杂有 作为第二掺杂物的铒，以及掺杂有作为第三掺杂物的包含氟、硼及氟和硼 的组合物的一个组中之一，且其中选择作为第一掺杂物的锗，作为第二掺 杂物的铒，以及作为第三掺杂物的包含氟、硼及氟和硼的组合物的一个组 中之一的平均浓度，以使得放大曲线峰值处的放大系数在0.001至 0.01dB/km范围内，以及在不使用泵浦能的情况下，对于1550nm波长的衰 减小于0.25dB/km。
按照本发明第二方面的一种具有光放大功能的传输光纤，包括纤芯和 包层，其中纤芯材料掺杂有第一掺杂物、第二掺杂物和第三掺杂物，第一 掺杂物是折射率大于包层材料的材料，第二掺杂物是能将具有第一波长的 光形式的泵浦能转化为具有第二波长的光的材料，该第二波长不同于用于 放大由传输光纤传输的光信号束的第一波长，其中第二掺杂物由一种材料 构成，该材料由于拉曼效应，能将具有第一波长光泵浦能的光转化为具有 第二波长的光，该第二波长相对于用于放大信号光束的第一波长改变，其 中纤芯中的第二掺杂物的浓度在径向上与离纤芯中心的距离成比例地增 大，其中选择纤芯中第三掺杂物的材料以及第三掺杂物的浓度变化，以使 得由第二掺杂物所引起的折射率变化得到补偿，其中纤芯材料掺杂有作为 第一掺杂物的锗，掺杂有作为第二掺杂物的包括磷和碲的一个组中之一， 以及掺杂有作为第三掺杂物的包含氟、硼及氟和硼的组合物的一个组中之 一，且其中选择所述作为第二掺杂物的包括磷和碲的一个组中所述之一的 平均浓度，以使得放大曲线峰值处的放大系数大于1W-1·km-1，以及在不使 用泵浦能的情况下，对于1550nm波长的衰减小于0.25dB/km。
按照本发明第一方面的一种制造具有光放大功能的传输光纤的方法， 该传输光纤包括纤芯和包层，其中石英玻璃的纤芯由等离子化学汽相沉积 PCVD法形成，其中等离子体用于纤芯材料的层叠沉积及用于将掺杂物引 入纤芯材料，以使得纤芯材料掺杂有第一掺杂物、第二掺杂物和第三掺杂 物，第一掺杂物由折射率大于包层材料的材料构成，其中第二掺杂物由一 种材料构成，该材料具有通过具有要被供应的第一波长泵浦能的光使电子 布居数相对于低能级反转的能级，以便提供具有第二波长的发射光，该第 二波长不同于由信号光束激发而放大信号光束的第一波长，其中纤芯中的 第二掺杂物的浓度在径向上与离纤芯中心的距离成比例地增大，并且选择 纤芯中第三掺杂物的材料以及第三掺杂物的浓度变化，以使得由第二掺杂 物所引起的折射率变化得到补偿，其中纤芯材料掺杂有作为第一掺杂物的 锗，掺杂有作为第二掺杂物的铒，以及掺杂有作为第三掺杂物的包含氟、 硼及氟和硼的组合物的一个组中之一，且选择作为第一掺杂物的锗，作为 第二掺杂物的铒，以及作为第三掺杂物的包含氟、硼及氟和硼的组合物的 一个组中之一的平均浓度，以使得传输光纤呈现放大曲线峰值处的放大系 数在0.001至0.01dB/km范围内，以及在不使用泵浦能的情况下，对于 1550nm波长的衰减小于0.25dB/km。
按照本发明第二方面的一种制造具有光放大功能的传输光纤的方法， 该传输光纤包括纤芯和包层，其中石英玻璃的纤芯由等离子化学汽相沉积 PCVD法形成，其中等离子体用于纤芯材料的层叠沉积及用于将掺杂物引 入纤芯材料，以使得纤芯材料掺杂有第一掺杂物、第二掺杂物和第三掺杂 物，第一掺杂物由折射率大于包层材料的材料构成，第二掺杂物由一种材 料构成，该材料由于拉曼效应，能将具有第一波长光泵浦能的光转化为具 有第二波长的光，为了放大信号光束的目的，该第二波长相对于第一波长 改变，其中纤芯中的第二掺杂物的浓度在径向上与离纤芯中心的距离成比 例地增大，选择纤芯中第三掺杂物的材料以及第三掺杂物的浓度变化，以 使得由第二掺杂物所引起的折射率变化得到补偿，并且选择第二掺杂物的 平均浓度，以使得传输光纤呈现放大曲线峰值处的放大系数大于1W-1·km-1， 以及在不使用泵浦能的情况下，对于1550nm波长的衰减小于0.25dB/km。

附图说明

以下将参照附图对本发明进行更详细的描述。
图1是根据本发明的具有光放大功能的传输光纤的第一实施例的截面 图；
图2是用于光放大的现有技术光纤的第一和第二掺杂物的浓度与纤芯 中心的距离的关系的示意图；
图3是图1中的传输光纤的第一、第二和第三掺杂物的浓度与纤芯中 心的距离的关系的示意图；
图4是根据本发明的具有光放大功能的传输光纤的第二实施例的截面 图；
图5是图4中的传输光纤的掺杂物的浓度与纤芯中心的距离的关系的 示意图。

具体实施方式

图1所示为传输光纤1的一个实施例的截面图，其包括半径为r1添加 有石英玻璃(二氧化硅玻璃)的纤芯2和半径为r2没有添加石英玻璃的包层 3，包层3同轴环绕纤芯2。
可通过PCVD(等离子化学气相沉积)工艺引入掺杂物，例如，通过等离 子体将活性原料引入石英玻璃。PCVD工艺对于本领域技术人员是公知的， 在此不作进一步说明。
通过将等离子体应用于纤芯材料的分层沉积，所获得的材料结构几乎 不会产生任何“团簇形成(cluster formation)”。团簇形成通常出现在光纤的 其它制造过程中，其涉及在存在掺杂材料分子的硅格中的点周围，有大量 的其它掺杂材料分子沉积。这种形成导致尤其是传输光纤无源使用时信号 衰减的显著增大。
通常，出于光传导的需要，锗(Ge)被用作纤芯2的掺杂物，用于提供 与包层3大不相同的折射率。
为了实现基于拉曼效应的放大，第二掺杂物在光纤制造中混合到纤芯 中，第二掺杂物由一种材料构成，该材料在光泵浦能存在的情况下通过拉 曼效应对弱传输信号起到增强放大的作用。在其它物质中，磷或碲可用于 基于拉曼效应的放大。
为了获得通过受激发射实现放大的传输光纤，将第二掺杂物提供到纤 芯2中，用于实现受激发射从而实现放大，第二掺杂物由一种材料构成， 该材料在光泵浦能存在的情况下进入称为所谓的“反转”能量状态。在通 过受激发射方式实现放大的情况下，其它物质中，铒可作为第二掺杂物。
图2所示为纤芯2中掺杂物的浓度Q与到纤芯2的中心M的径向距离 r的关系的示意图。
如图2所示，用于实现所需折射率反差的第一掺杂物A，其浓度在纤 芯2截面的径向上均匀分布。根据本发明，用于在传输光纤中实现放大效 应的第二掺杂物B的浓度在径向增大，在这种方式中第二掺杂物B的最大 浓度在接近纤芯2和包层3之间的分界面处。即，距离等于传输光纤1的纤 芯2的半径。
由于第二掺杂物B的浓度沿纤芯2的径向增大，有效地补偿了泵浦能 沿纤芯2的径向的减小，使得由传输光纤自身实现了理想的放大效应。为 了实现总放大率不依赖于纤芯2的径向距离，就得使第二掺杂物B的浓度 沿径向增大。两种掺杂物A和B的浓度在切线方向或角向(angular direction) 是均匀的。
在根据本发明的传输光纤1的无源使用情况下，由于纤芯2中心M附 近第二掺杂物B的浓度相对较低，因此在纤芯2中传播的光信号所遭受的 衰减是可忽略或可接受的，因为通过纤芯2传播的大部分信号光束在纤芯2 的中心M周围。的确，在纤芯2的边缘或在纤芯2和包层3之间的分界面 处第二掺杂物B的较高浓度引起了较高衰减，但这仅仅对通过传输光纤1 传输的全程传输信号功率的相对较小部分产生影响。
第二掺杂物B的浓度相对于到纤芯2的中心M的距离成比例地线性增 大。取决于例如提供泵浦能的激光器的特征，第二掺杂物B的浓度也可以 沿纤芯2的径向曲线式或阶跃式增大。
根据本发明，第三掺杂物C被用于补偿第二掺杂物B对纤芯2的折射 率的影响，如图3所示。
选择第三掺杂物C的浓度使其具有径向变化，以便补偿第二掺杂物B 对纤芯2的折射率的影响，所有这些方式的最终目的是使传输光纤的折射 率分布尽可能地与第一掺杂物A预期的折射率分布一致。例如，氟、硼或 它们的组合物可用作第三掺杂物。纤芯2中第三掺杂物C的浓度变化取决 于纤芯2中第二掺杂物B的浓度变化，当然也取决于所使用的掺杂物。
在图2和图3中没有标记掺杂物的具体浓度值Q，因为这对于正确理 解本发明来说没有必要。必须选择分别表示为A、B和C的第一、第二和 第三掺杂物的浓度的绝对值，以获得与理想类型传输光纤相关联的适当的 折射率差反差。由此也确保了由掺杂物的总浓度引起的瑞利散射保持得如 此低，从而保持光纤的传输函数。
特别是在没有光泵浦能而使用传输光纤的时候，即在传输光纤的无源 使用情况下，与可比较的标准传输光纤的情况相比，衰减几乎不会增大。 当使用具有适当波长的光泵浦能时，将获得足够的放大率。
在基于拉曼效应放大的情况下，如果使用适当的光泵浦能，必须选择 第二掺杂物B的平均浓度，以便获得至少为1(1W-1·km-1)的最高拉曼效率 因子。为2至3的该因子是高于利用当前标准传输光纤所获得的放大因子 的。对于标准单模光纤，该因子约为0.3，对于色散位移光纤该因子为0.8。
拉曼效率因子定义为：
CR＝gR/(b·Aeff)
其中gR＝拉曼放大因子；
Aeff＝传输光纤的有效截面积；以及
b＝信号光束的偏振态(b＝1-2，1＝线偏振；2＝非偏振)。
测量显示，根据本发明掺杂有第一、第二和第三掺杂物的传输光纤1 的衰减对于1550nm的波长为0.25dB/km或更少，这不大于电缆光纤的最高 规格。
在传输光纤1的放大是通过受激发射在所谓的C波段(1530至1565nm 的波长范围)和邻近L波段(1565至1625nm的波长范围)发生的情况下，使用 铒和具有1480nm波长的光泵浦能，可获得0.001dB/km-0.01dB/km的放大 率。
图4所示为根据本发明的传输光纤5的另一实施例，其中具有半径r3 的石英玻璃的掺杂包覆层4存在于纤芯2和包层3之间。
图5所示为纤芯2和包覆层4的掺杂物的浓度Q关于到传输光纤5的 中心M的径向距离r的斜率。
如图5所示，包覆层4包括第四掺杂物，其具有前面讨论的关于第二 掺杂物B的属性，如果需要，包覆层4还可包括第五掺杂物E。第一掺杂 物A、如锗只存在于纤芯2中。
在图5所示的实施例中，包覆层4内第四掺杂物D的浓度随着到纤芯 2和包覆层4之间的分界面的距离在径向上成比例增大。在包覆层内第四掺 杂物D的浓度在切线方向是均匀的。
由在包层中传播的泵浦能或在邻近纤芯2边缘(即邻近纤芯2和包覆层 4之间的分界面)传播的光泵浦能所引起的任何放大损失，可由包覆层4中 存在的第四掺杂物D减小。由于第四掺杂物D的存在引起的传输光纤5的 预期折射率分布的变化，可以通过使用第五掺杂物E再次补偿，如同前述 的关于第三掺杂物C一样。
如图4所示，在包括包覆层4的传输光纤5的实施例中，最好是，尽 可能防止径向方向从纤芯2到包覆层4的过渡区域处预期折射率分布的可 能中断。这是为了在信号传输通过传输纤维5时防止不希望的干扰。
必须选择第五掺杂物E的类型、径向梯度(gradient)和浓度，使得在折 射率分布中不会产生不必要的阶跃状态等。
应注意，用于传输光纤5的纤芯2的掺杂物或掺杂物的组合也可以用 于包覆层4。最好是，如图5所示，用作第四掺杂物D的掺杂物材料与用 作第二掺杂物B的材料相同，且它们在纤芯2和包覆层4之间的分界面处 具有相同的浓度。
在传输光纤5基于拉曼效应放大的情况下，如果使用适当的光泵浦能， 可再次选择第二掺杂物B和第四掺杂物D的平均浓度，以便获得至少为1 的最高拉曼效率因子。
在传输光纤5通过受激发射放大的情况下，优选再次选择第一、第二、 第三、第四和第五掺杂物的平均浓度，以便放大曲线峰值处的放大因子在 0.001至0.01dB/km范围内并且在不使用泵浦能的情况下衰减对于1550nm 波长小于0.25dB/km。
图5也没有标示任何具体的掺杂物的浓度值Q，因为这对于正确理解 发明没有必要。
本发明的范围限定在所附权利要求中，对附图所示和前述具有光放大 功能的传输光纤进行本领域技术人员切实可行的增加和改进都应看作落入 前述的范围内。如与在纤芯和包层中使用更多的掺杂物、以及它们的分布 有关的想法，等等。