DE69318523T2

DE69318523T2 - Mit seltenen Erden dotierte faseroptische Verstärker

Info

Publication number: DE69318523T2
Application number: DE69318523T
Authority: DE
Inventors: Giacomo Stefano Roba
Original assignee: Pirelli Cavi e Sistemi SpA
Current assignee: Pirelli and C SpA
Priority date: 1992-12-14
Filing date: 1993-12-02
Publication date: 1998-12-17
Anticipated expiration: 2013-12-03
Also published as: JPH06250243A; NZ250346A; NZ299758A; BR9305307A; DE69318523D1; AU5209193A; EP0602467B1; GB2273389A; CA2110930C; GB2273389B; DK0602467T3; CA2110930A1; ES2119853T3; GB9226024D0; EP0602467A1; US5491581A; AU666983B2

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Verstärker aus mit seltenen Erden datierten optischen Fasern.
Optische Verstärker sind optische Vorrichtungen, bei denen ein Stück einer mit seltenen Erden dotierten optischen Faser mit einer Pumpwellenlänge der Dotiersubstanz aus seltenen Erden gepumpt wird, wodurch eine Populationsinversion der Dotiersubstanz verursacht wird, was ein Signal mit einer Signalwellenlänge hervorruft, das zur Verstärkung in der Faser weitergeleitet wird.
Ein Verstärker hat einen Verstärkungswirkungsgrad, der als das Verhältnis zwischen der Verstärkung des signals und der entsprechenden Pumpleistung definiert ist.
Bei vielen Verwendungsgebieten der optischen Verstärker besteht ein Interesse an einem hohen Verstärkungswirkungsgrad.
Bei am Meeresboden stationierten optischen Verstärkern besteht zum Beispiel ein großes Interesse daran, Pumplaserdioden verringerter Leistung (zum Beispiel 25 mW statt 40 mW) zum Erzielen der erwünschten Verstärkung einzusetzen. Die Lebensdauer der Pumplaserdiode und daher auch die zuverlässigkeit des Verstärkers und des ganzen Verstärkungssystems wird nämlich beträchtlich erhöht, wenn die Laserdiode eine niedrigere Ausgangsleistung hat. Dies ist wichtig, da bei am Meeresboden installierten optischen Telekommunikationssystemen, aufgrund der schwierigkeiten und der Kosten, die mit dem Verlegen von Kabeln und damit verbundenen Verstärkern verbunden sind, von einem Verstärker erwartet wird, daß er über die gesamte Lebensdauer des Kabels (d.h. über einen Zeitraum von 20 Jahren oder mehr) ohne Fehler funktioniert.
Zum Erzielen einer großen Verstärkung bei einem solchen Verstärker ist eine große numerische Apertur (NA) nötig, vorzugsweise größer als 0,2.
Die numerische Apertur der Faser ist definiert durch:
NA = (n&sub1;² - n&sub2;²)1/2,
wobei n&sub1; und n&sub2; die Brechungsindizes des Kerns bzw. der Ummantelung sind.
In diesem Zusammenhang wurde von Zervas et al. in Optical Fibre Communications Conference, San Jose, California, 2.-7. Februar 1992, WK7 beschrieben, daß bei mit Erbium dotierten Faserverstärkern der optimale Verstärkungswirkungsgrad mit der NA der Faser steigt und daß diese Steigerung für NAS zwischen 0,1 und 0,4 quasi-quadratisch ist. Die Theorie wurde dann durch Laborversuche untermauert.
Die Verwendung mit Erbium dotierter optischer Fasern mit einer NA von 0,3 in einem optischen Verstärker ist bekannt aus Whitley et al. EC0C88, Conference Publication Nr. 292, Part 2, S. 58-61 und Whitely, Electronics Letters, 8. Dezember 1988, Vol 24, Nr. 25, 5. 1537-1539. In ähnlicher Weise beschreibt das US-Patent Nr. 5,005,175 die Verwendung mit Erbium dotierter optischer Fasern mit einer NA im Bereich von 0,2 bis 0,35. Im US-Patent Nr. 5,027,079 mit dem gleichen Anmelder wie das oben genannte US Patent Nr. 5,005,175 ist, nicht anders als in den oben genannten Artikeln, beschrieben, daß eine verbesserte Leistung eines mit Erbium dotierten Faserverstärkers durch Erhöhen der Differenz zwischen den Brechungsindizes des Kerns und der Ummantelung erreicht werden kann, und als Beispiel wird eine mit Erbium dotiere Faser mit einer NA von 0,29 und einer Brechungsindexdifferenz von 0,03 genannt.
Wir haben festgestellt&sub1; daß in der Praxis der Verstär kungswirkungsgrad eines Verstärkers unter Verwendung einer im Handel erhältlichen mit Erbium dotierten Faser (125um-Durchmesser) mit einer Ummantelung aus reinem Siliziumoxid, die zum Spleißen mit herkömmlichen optischen Fasern geeignet ist, nicht wie erwartet einfach durch das Erhöhen der NA der Faser erhöht werden kann.
Insbesondere kann zwar das von Zervas beschriebene Verhältnis leicht bei im Handel erhältichen Fasern mit einer NA von weniger als 0,2 überprüft werden, doch haben wir festgestellt, daß bei einer NA von mehr als 0,2 die Erhöhung der NA ohne eine erhöhte Konzentration von Erbium im Kern keine entsprechende Erhöhung des Verstärkungswirkungsgrads nach sich zieht.
Das Erhöhen der NA einer optischen Faser einfach durch Erhöhen des Gehalts der den Brechungsindex modifizierenden Dotiersubstanz in der Faser, wie zum Beispiel einer den Brechungsindex erhöhenden Dotiersubstanz wie GeO&sub2;, die typischerweise in einem Kern aus SiO&sub2; mit einer Ummantelung aus SiO&sub2; verwendet wird, führt zu einer Vergrößerung der Differenz zwischen den Wärmeausdehnungskoeffizienten des Kerns und der Ummantelung.
Dies kann zu Problemen bei der Herstellung führen, wie in der US 4,339,173 erörtert, die sich auf Fasern zur Übertragung von Lichtsignalen bezieht und den Zusatz von B&sub2;O&sub3; in die Ummantelung einer solchen Faser zum Verringern der Wärmeausdehnungskoeffizienten des Kerns und der Ummantelung zum Verhindern des Brechens der Vorform während des Kühlens und das Ersetzung eines Teils des GeO&sub2;-Dotiermittels im Kern durch P&sub2;O&sub5; um die Weichpunkttemperatur des Kerns mit derjenigen der Ummantelung kompatibel zu machen, offenbart.
Außerdem kann im Fall von mit GeO&sub2; dotierten SiO&sub2;-Kernen das Entstehen von UV-Farbzentren, was in der Faser zu einer erheblich erhöhten Dämpfung von Signalen bis zum 1200 nm führen kann und großen Spannungsgradienten, die an der Schnittstelle zwischen Kern und Ummantelung entstehten und auf thermoelastische Spannungen zurückzuführen sind, die beim Kühlen bei der Herstellung entstehen, durch ein Kodotieren mit Phosphor verringert werden (siehe zum Beispiel G.R. Atkins et al.: "Control of the Radial Defect Distribution in Optical Fibres Through Electron Trapping" ("Steuerung der radialen Defektverteilung bei optischen Fasern durch das Gefangenhalten von Elektronen"), 5. 262-265, 16th ACOFT, Adelaide, Australien, 1991, und "The influence of Codopants and Fabrication Conditions on Germanium Defects in Optical Fibre Preforms" ("Der Einfluß von Kodotiermitteln und Herstellungsbedingungen auf Germaniumdefekte in Vorformen optischer Fasern"), IEEE Photonics Technology Letters, Bd. 4, Nr. 1, Januar 1992).
Wir haben festgestellt, daß außer den oben erwähnten Herstellungsproblemen, die während der Herstellung aufgrund der Differenz der Wärmeausdehnungskoeffizienten des Kerns und der Ummantelung auftreten, im Fall von mit seltenen Erden dotierten optischen Fasern mit einer NA, die höher als 0,2 ist, noch aufgrund dieser Differenz an der Kern-Ummantelungs- Schnittstelle verbleibende mechnische Belastungen zu einer unerwünschten Erhöhung des Hintergrundverlusts der Faser führen. Dies ist wahrscheinlich wenigstens zum Teil auf Mikrorisse oder Mikroverkrümmungen an der Schnittstelle zurückzuführen, die durch die verbleibende Belastung entstehen und zu Dämpfung aufgrund von Streuung und im Fall eines mit GeO&sub2; dotierten Kerns zur Aktivierung von während der Herstellung gebildeter UV-Farbzentren führen, die eine Dämpfung bei gewissen Wellenlängen verursachen; zum Beispiel entsteht bei einer mit Erbium dotierten Faser eine Dämpfung aufgrund der Aktivierung von UV-Farbzentren bei einer Pumpwellenlänge von 980 nm, jedoch nicht wesentlich bei einer Signalwellenlänge von 1536 nm.
Es hat sich herausgestellt, daß die Erhöhung des Hintergrundverlusts der Faser bei der Pumpwellenlänge aufgrund des Grads der verbleibenden Spannungen an der Kern-Ummantelungs- Schnittstelle, die vom beträchtlichen Unterschied der Wärmeausdehnungskoeffizienten des Kerns und der Ummantelung verursacht wird&sub1; dafür verantwortlich ist, daß der optimale Verstärkungswirkungsgrad eines Verstärkers wesentlich geringer ist als der theoretische Wert, wenn die mit Erbium dotierte Faser des Verstärkers eine NA hat, die höher als 0,2 ist, und keine erhöhte Konzentration von Erbium im Kern aufweist.
In der DE 40 41 151 A wird eine Vorform einer Faser mit einem mit GeO&sub2; dotierten SiO&sub2;-Kern und einer mit P&sub2;O&sub5; und F&sub2; dotierten Siliziumoxidummantelung, bei der der Anteil des P&sub2;O&sub5; in der Ummantelung von deren äußeren Oberfläche zu deren inneren Oberfläche hin zunimmt, beschrieben. Dies soll für eine Ziehgeschwindigkeit von 120 m/min und eine Dämpfung von 0,3 dB/km bei 1300 nm gunstig sein.
In der DE 40 41 151 A wird weder ein Hinweis auf eine mögliche Verwendung der Faser in mit seltenen Erden dotierten Faserverstärkern gegeben, noch auf eine mögliche Auswirkung der numerischen Apertur auf die Leistung der Faser.
Tateda et al., IEEE Photonics Technology Letters, Bd. 4, Nr. 9, September 1992, worin auch nicht auf mit seltenen Erden dotierte Fasern oder Fasern mit einer NA, die höher als 0,2 ist, eingegangen wird, meint&sub1; daß die restlichem Spannungen in einer Faser, die durch die Ziehspannung während der Faserherstellung entsteht, drastisch dadurch verringert werden können, wenn die Viskositäten des Kern- und des Ummantelungsmaterials die gleichen wären, und schlägt den Zusatz von Dotiersubstanzen vor, um dies zu erreichen.
Erfindungsgemäß hat sich herausgestellt, daß der Unterschied bei den Wärmeausdehnungskoeffizienten die Ursache für Spannungen an der Kern-Ummantelungs-Schnittstelle und eines mit den Spannungen zusammenhängenden Hintergrundverlusts bzw. einer Dämpfung, insbesondere bestimmter Wellenlängen, und noch spezieller der Pumpwellenlänge bei mit seltenen Erden dotierten Faserverstärkern war. Die mit den Spannungen zusammenhängende Faserdämpfung ware jedoch für vernachlässigbar gehalten worden, vor allem bei einer Faserverstärker, der eine Aktivfaser von nur wenigen Metern Länge hat und mit einer Dotiersubstanz dotiert ist, die wesentlich stärkere Lichtdämpfungseigenschaften bei der Signalwellenlänge aufweist. Trotz dieses anscheinend vernachlässigbaren Werts hat sich herausgestellt, daß ein solcher Hintergrundverlust eine wichtige Ursache für den festgestellten niedrigen Wirkungsgrad von Verstärkern mit Fasern mit hoher NA ist und daß ein solcher Verlust unter einen vorgewählten Wert verringert werden kann, indem die Wärmeausdehnungskoeffizientenstufen in der Faser oder zumindest im lichtleitenden Teil davon begrenzt werden.
Erfindungsgemäß ist ein Verstärker mit einer mit Erbium dotierten Faser ohne erhöhte Konzentration von Erbium im Kern vorgesehen, deren NA größer als 0,2 ist, wobei der Hintergrundverlust der Faser bei der Pumpwellenlänge auf einem Niveau ist, das den optimalen Verstärkungswirkungsgrad des Verstärkers nicht wesentlich unter seinen theoretischen Wert verringert. Zusammengefaßt wird dies dadurch erreicht, daß die Differenz der Wärmeausdehnungskoeffizienten des Kerns und der Ummantelung an der Kern-Ummantelungs-Schnittstelle einen Wert hat, der geringer ist als ein vorbestimmter Wert, der einem Verhältnis von Erbiumverlust zu Hintergrundverlust entspricht, das größer als ein vorbestimmtes Verhältnis ist.
Zu diesem Zweck wird ein optischer Verstärker zum Verstärken eines optischen Signals mit einer Signalwellenlänge vorgesehen, mit einer optischen Faser mit einem mit Erbium dotierten Kern, der von einer Ummantelung mit einer äußeren Schicht umgeben ist, einer Pumpe zum Pumpen der Faser mit Pumplicht einer Wellenlänge von 980 nm, die mit der Faser gekoppelt ist, einer Eingangseinrichtung zum Einspeisen eines durch den Verstärker zu verstärkenden Signals und einer Ausgangseinrichtung zum Ausgeben eines verstärkten Signals aus dem Verstärker, wobei die Faser eine numerische Apertur hat, die größer als 0,2 ist, und der Wärmeausdehnungskoeffizient des Kerns an der Stelle der Kern-Ummantelungs-Schnittstelle einen ersten Wert hat, der vom Wärmeausdehnungskoeffizientenwert der äußeren Schicht der Ummantelung abweicht, wobei die Ummantelung eine Spannungsverringerungsschicht aufweist, die mit einem Wärmeausdehnungsmodifi z ierungsdot iermittel dot iert und neben der Kern-Ummantelungs-Schnittstelle angeordnet ist, wobei die Spannungsverringerungsschicht so angeordnet ist, daß die Differenz zwischen dem ersten Wert und dem Wärmeausdehnungskoeffizient der Ummantelung in einem ringförmigen Bereich, der sich radial um weniger als 2 um von der Schnitt e stelle erstreckt, niedriger ist als ein vorbestimmter Wert, so daß ein Verhältnis von Erbiumverlust zu Hintergrundverlust bei der Pumpwellenlänge entsteht, das größer als ein Mindestverhältnis ist, wie es aufgrund des Faser-Erbiumverlusts und einer im wesentlichen linear ansteigenden Funktion des Verhältnisses Erbiumverlust/Hintergrundverlust zu Erbiumverlust berechnet wird, wobei in dieser Funktion das Minimalverhältnis ungefähr 20 ist, wenn der Erbiumverlust 0,15 dB/m ist, und 120, wenn der Erbiumverlust 3,5 dB/m ist.
Vorzugsweise entspricht der Erbiumverlust in der Faser einem Erbiumgehalt, der niedriger als ein Wert ist, bei dem im Glas eine beträchtliche Erbiumclusterung stattfindet.
Der Erbiumgehalt kann niedriger als ein Wert sein, der einem Erbiumverlust von 3,3 dB/m entspricht, oder noch besser, einem Erbiumverlust von 2,5 dB/m.
Die Differenz zwischen dem ersten Wert und dem Wärmeausdehnungskoeffizient der Ummantelung kann in einem ringförmigen Bereich, der sich radial um weniger als 2 um von der Schnittstelle erstreckt, weniger als 50% des Werts, vorzugsweise weniger als 20% des ersten Werts und noch besser weniger als 10% des ersten Werts betragen.
Die Ummantelung kann eine äußere ringförmige Schicht mit einem im wesentlichen konstanten Wärmeausdehnungskoeffizienten über ihre Dicke aufweisen und die Differenz zwischen dem im wesentlichen konstanten Wärmeausdehnungskoeffizienten und dem Wärmeausdehnungskoeffizienten der Ummantelung radial nach innen von der äußeren Schicht, jedoch anliegend an die äußere Schicht, weniger als 50%, vorzugsweise weniger als 20% und noch besser weniger als 10% des im wesentlichen konstanten Wärmeausdehnungskoeffizienten betragen.
Bei bevorzugten Ausführungsformen ändert sich der Wärmeausdehnungskoeffizient der Ummantelung zwischen der anliegenden äußeren Schicht und dem ringförmigen Bereich, der sich radial um weniger als 2 um von der Schnittstelle erstreckt, graduell.
Zu diesem Zweck kann die Spannungsverringerungsschicht ein Wärrneausdehungsrnodifizierungsdotierrnittel enthalten, wie zum Beispiel mindestens eine der folgenden Substanzen: P&sub2;O&sub5;, GeO&sub2; und B&sub2;O&sub3;, das in einer Menge vorhanden ist, die vom radial äußeren Bereich zum radial inneren Bereich zunimmt.
Das Wärmeausdehnungsmodifizierungsdotiermittel kann auch den Brechungsindex der Spannungsverringerungsschicht verändem, wobei in dieser Schicht vorzugsweise ein Wärmeausdehnungsmodifizierungsdotiermittel (wie zum Beispiel F&sub2;, wenn das Wärmeausdehnungsmodifizierungsdotiermittel den Brechungsindex erhöhen soll) in einer Konzentration vorhanden ist, die vorn radial äußeren Bereich zum radial inneren Bereich zunimmt und so den Brechungsindexmodifizierungseffekt des Wärmeausdehnungsmodifizierungsdotiermittels ausgleicht, wodurch der Brechungsindex der Spannungsverringerungsschicht im wesentlichen über ihre Dicke hinweg konstant ist.
Vorzugsweise verändert sich der Brechungsindex der Spannungsverringerungsschicht um weniger als 0,4% über ihre Dicke hin, und vorzugsweise ist er der gleiche wie der der äußeren Schicht.
Die Ummantelung kann eine unmittelbar an den Kern anliegende ringförmige Sperrschicht zum Bilden einer Sperre gegen eine Diffusion von Dotiermitteln zwischen dem Kern und der restlichen Ummantelung radial außerhalb der Sperrschicht aufweisen.
Die Ummantelung kann auch so definiert sein, daß eine äußere Schicht&sub1; die einen ersten Wärmeausdehnungskoeffizienten hat, wobei der Kern einen zweiten Wärmeausdehnungskoeffizienten hat und der Wärmeausdehnungskoeffizient der Spannungsverringerungsschicht sich nach innen von einem dritten hin zu einem vierten Wert verändert, wobei der dritte Wert dem ersten Wert näher liegt als dem zweiten Wert und der vierte Wert dem zweiten Wert näher liegt als dem ersten Wert.
Vorzugsweise ist der erste und der dritte Wert im wesentlichen der gleiche und der zweite und der vierte Wert im wesentlichen der gleiche, und eine ringförmige Sperrschicht kann zwischen dem Kern und der Spannungsverringerungsschicht zum Vorsehen einer Sperre gegen eine Diffusion von Dotiermitteln zwischen dem Kern und der Spannungsverringerungsschicht vorgesehen sein.
Wenn vorhanden, sollte die Sperrschicht, die einen Wärmeausdehnungskoeffizienten hat, der sich von dem des anliegenden Kerns oder der anliegenden Ummantelung wesentlich unterscheidet, eine kleine radiale Dicke haben, so daß die verbleibende Spannung klein ist. Zum Beispiel kann die Sperrschicht eine radiale Dicke zwischen 0,5 und 1,5 um haben. Die maximale radial Dicke der Sperrschicht kann kleiner oder gleich 0,22 (αc.rc)/αb sein, wobei αc der Wärmeausdehnungskoeffizient des Kerns, αb der Wärmeausdehnungskoeffizient der Sperrschicht und rc der Radius des Kerns ist.
Die Erfindung weist auch ein Telekommunikationssystem auf, mit einer Signalquelle zum Erzeugen von Signalen mit einer Signalwellenlänge, einem Signalempfänger zum Empfangen von Signalen mit der Signalwellenlänge und einer Signalübertragungsfaserleitung zwischen der Quelle und dem Empfänger zum Übertragen der Signale, wobei die Leitung einen wie oben definierten optischen Verstärker enthält.
Es ist vorgesehen, daß Aspekte der Erfindung vorteilhaft sind, wenn sie auf Verstärker angewendet werden, deren optische Fasern mit einer anderen Dotiersubstanz als Erbium dotiert sind, demnach umfaßt die Erfindung eine optische Faser mit einer NA, die höher als 0,2 ist, mit einem mit seltenen Erden dotierten Kern und einer Ummantelung, die eine äußere Schicht aufweist und den Kern umgibt, wobei der Wärmeausdehnungskoeffizient des Kerns anliegend an die Kern-Ummantelungsschnittstelle einen ersten Wert hat und der Wärmeausdehungskoeffizient der äußeren Schicht vom ersten Wert abweicht, wobei die Ummantelung eine mit einem Wärmeausdehungsmodifizierungsdotiermittel dotierte und zwischen der äußeren Schicht und dem Kern liegende Spannungsverringerungsschicht aufweist, wobei die Differenz zwischen dem ersten Wert und dem Wärmeausdehnungskoeffizient der Spannungsverringerungsschicht in einem ringförmigen Bereich, der sich um weniger als 2 um von der Schnittstelle erstreckt, weniger als 50% des ersten Werts ist, wodurch der Hintergrundverlust der Faser verringert wird.
Zum besseren Verständnis der Erfindung werden nun einige Ausführungsformen, die lediglich als Beispiele angeführt werden, anhand der Zeichnungen beschrieben. Es zeigt:
Fig. 1 ein Blockdiagrarnm eines Telekommunikationssystems mit mehreren Verstärkern,
Fig. 2 ein Blockdiagramm eines der Verstärker des Telekommunikationssystems von Fig. 1,
Fig. 3 eine (nicht maßstabsgetreue) Teil-Schnittansicht einer mit Erbium dotierten Faser des Verstärkers von Fig. 2,
Fig. 4 theoretische Profile der Wärmeausdehnungskoeffizienten und des Brechungsindex der Faser von Fig. 3,
Fig. 5 schematisch eine Testvorrichtung zum Messen des Verstärkungswirkungsgrads von Verstärkern mit mit Erbium dotierten Fasern unterschiedlicher NA's,
Fig. 6 eine Kurvendarstellung, bei der der optimale Verstärkungswirkungsgrad unter Verwendung der Testvorrichtung von Fig. 5 bei mit Erbium dotierten Fasern unterschiedlicher NA's gemessen wurde, und
Fig. 7 eine Kurvendarstellung, bei der das Verhältnis zwischen dem Erbiumverlust/Hintergrundverlust und dem Erbiumverlust für die getesteten Fasern dargestellt ist.
In Fig. 1 ist ein Telekommunikationssystem 10 dargestellt mit einer Signalquelle 12 zum Erzeugen von Signalen mit einer Signalwellenlänge λs, einem Signalempfänger 14 zum Empfangen von Signalen mit der Signalwellenlänge λs und einer Signalübertragungsfaserleitung 16 zwischen der Quelle und dem Empfänger zum Übertragen der Signale.
Die Leitung weist mehrere optische Verstärker 18 auf zum Verstärken des Signals von einem vorgeschalteten Leitungsteil 16, wobei dieses Signal während der Übertragung entlang der Leitung gedämpft wurde, zur Weiterleitung entlang eines nachgeschalteten Leitungsteils 16.
Zum Beispiel kann das System 10 ein am Meeresboden verlegtes Telekommunikationssystem sein, bei dem die Leitung 16 optische Kabel 16&sub1;, 16&sub2;, 16&sub3; ... 16n aufweist, die die Quelle 12 mit dem ersten Verstärker 18, diesen Verstärker mit dem nächsten und den letzten Verstärker mit dem Empfänger 14 verbinden.
Jedes optische Kabel 16&sub1;, 16&sub2; ... 16n weist mindestens eine optische Faser auf und hat eine Länge, die ein paar Dutzend Kilometer oder auch eine paar Hundert Kilometer betragen kann. Jeder optische Verstärker 18 kann das Signal mit einer Verstärkung verstärken, die in der Größenordnung von ungefähr 20-30 dB oder größer ist.
Wie in Fig. 2 gezeigt, weist jeder optische Verstärker 18 ein Stück einer mit Erbium dotierten Faser 20, einen Pumplaser 22 zum Pumpen der Faser 20 mit einer Pumpwellenlänge, der an ein Ende davon angeschlossen ist, und eine Einrichtung zum Verbindung des jeweiligen Endes der Faser 20 mit einer entsprechenden Übertragungsfaser 24, 26 der Leitung 16 in vorgeschalteter und in nachgeschalteter Richtung des Verstärkers zum Eingeben eines zu verstärkenden Signals in den Verstärker und zum Ausgeben eines verstärkten Signals aus dem Verstärker auf. Wie gezeigt, sind die Pumpe 22 und die Faser 24 vor dem Verstärker über einen dichroitischen Koppler 28 mit einem vorgeschalteten Ende der mit Erbium dotierten Faser 20 verbunden, so daß das Pump- und das Signallicht zusammen durch die Faser 20 propagieren. Je nach den Anforderungen des Systems kann der Pumplaser jedoch auch an das hintere Ende der mit Erbium dotierten Faser 20 angeschlossen sein, wie das durch die gestrichelte Linie bei 23 angedeutet ist, so daß das Pump- und das Signallicht in entgegengesetzter Richtung durch die Faser geschickt werden kann, oder ein entsprechender Laser kann an jedes Ende der Faser 20 angeschlossen sein.
Vorzugsweise ist die Wellenlänge der Pumpe 980 nm.
Eine mit Erbium dotierte Faser, die zur Verwendung mit diesen Fasern geeignet ist, ist eine Einfachmodenfaser, sowohl bei der Signal- als auch bei der Purnpwellenlänge, aus SiO&sub2;- Glas mit einem mit GeO&sub2; oder Al&sub2;O&sub3; oder beidem dotierten Kern, die einen Bereich mit einem höheren Brechungsindex definiert. Eine Ummantelung umgibt den Kern, die einen konstanten Brechungsindex hat, der niedriger ist als der des Kerns, wodurch 9 ein sogenanntes "Stufenindex"-Profil der Faser entsteht. Vorzugsweise weist die Ummantelung eine innere, oder synthetische, Ummantelung und eine äußere Ummantelung aus reinem Siliziumoxid mit den gleichen Brechungsindizes auf.
Die Faserstruktur, und insbesondere die Zusammensetzung der Ummantelung, ermöglichen günstigerweise eine mit niedrigem Verlust verbundene Faser-zu-Faser-Schweißungs-Spleißung bei den normalen optischen Übertragungsfasern.
Günstigerweise wird die mit Erbium dotierte Faser durch das sogenannte MCVD-Verfahren hergestellt, das wohlbekannt ist, bei dem ein besonders scharfes Stufenindex-Profil entsteht, mit einer Indexveränderung an der Kern-Ummantelungs- Schnittstelle, die kleiner als 0,5 um ist.
Das MCVD-Verfahren wird zum Herstellen des Kerns und der synthetischen Ummantelung der Faser verwendet, das heißt für den Bereich, in dem das Licht weitergeleitet wird. Das Zusetzen von Dotiersubstanzen, wie zum Beispiel Erbium oder Aluminiumoxid wird günstigerweise durch das auf diesem Gebiet bekannte "Lösungs-Dotierungs" -Verfahren bewerkstelligt.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform, die zum Betrieb mit einem Signal mit einer Wellenlänge im Bereich von 1530- 1560 nm geeignet ist, ist der Kern der Faser 20 mit GeO&sub2; (oder auch Al&sub2;O&sub3;) dotiertes SiO&sub2; als eine den Index erhöhende Substanz zusätzlich zu Erbium.
Bei einer anderen Ausführungsform, die zum Beispiel für Verstärker am Meeresboden und andere Anwendungsbereiche&sub1; bei denen ein enges Verstärkungsband angenommen wird und besonders große Verstärkungen erforderlich sind, geeignet sind, hat das Signal eine Wellenlänge im Bereich zwischen 1531 und 1536 nm, und die mit Erbium dotierte Faser ist mit GeO&sub2; lediglich zum Erhöhen des Brechungsindex dotiert, wobei der hohe Verstärkungspeak von Erbium in einem SiO&sub2;/GeO&sub2;-System in diesem Wellenlängenbereich ausgenützt wird.
Bei einem Verstärker, wie er in dem Beispiel gezeigt ist, wurde eine Faser mit einer NA von 0,18 getestet, und ein Verstärkungswirkungsgrad von 4 dB/mW wurde beobachtet; dieser Wirkungsgrad ist nahe dem theoretischen optimalen Verstärkungswirkungsgrad.
Zum Erhöhen des Wirkungsgrads des Verstärkers, ohne daß das Erbium im zentralen Bereich des Faserkerns erhöht konzentriert wird, muß theoretisch eine größere NA verwendet werden.
Jedoch wurde bei (noch zu beschreibenden) Tests unter Verwendung von Fasern mit NA im Bereich von 0,245 bis 0,3 zwar eine Steigerung des Verstärkungswirkungsgrads erreicht, doch war der optimale Verstärkungswirkungsgrad beträchtlich geringer als der theoretische Wert. Die NA der in den Tests verwendeten Fasern würde dazu führen, daß der Wärmeausdehnungskoeffizient des Kerns wesentlich größer wäre als derjenige der Ummantelung, wenn die Ummantelung undotiertes SiO&sub2; wäre. Bei einer NA von 0,3 wären zum Beispiel diese Koeffizienten 3,1 x 10-600-1 beim Kern und 0,5 x 10-600-1 bei der Ummantelung aufgrund des GeO&sub2;-Gehalts (ungefähr 24 mol%) des Kerns, der zum Erzeugen einer NA von 0,3 erforderlich ist.
Die Differenz der Wärmeausdehnungskoeffizienten des Kerns und der Ummantelung bei einer solchen mit Erbium dotierten Faser würden einen Restspannungsgrad an der Schnittstelle zwischen dem Kern und der Ummantelung schaffen, der einen hohen Hintergrundverlust in der Faser erzeugen würde, der unserer Meinung nach auf Mikrorisse oder Mikrobiegungen an der Schnittstelle und der Aktivierung von UV-Farbzentren zurückzuführen ist. Der hohe Hintergrundverlust der Fasern, besonders bei der Pumpwellenlänge von 980 nm, wird als der Grund für den niedrigen zu beobachtenden Wirkungsgrad bei den oben erwähnten Fasern angesehen&sub1; was wahrscheinlich auf die erhöhte Dämpfung zurückzuführen ist, die dadurch verursacht wird, daß die Pumpwellenlänge über die Länge der aktiven Faser weitergeleitet wird.
Zum Verringern dieses Hintergrundverlusts und wie in Fig. 3 gezeigt, weist die Ummantelung zwischen einer äußeren SiO&sub2;- Schicht 32 der Ummantelung und dem mit Erbium dotierten GeO&sub2;SiO&sub2;-Kern, der mit 34 bezeichnet ist, eine ringförmige Spannungsverringerungsschicht 30 auf.
Bei der ringförmigen Spannungsverringerungsschicht 30 verändert sich der Wärmeausdehnungskoeffizient radial nach innen von dem Wert des Wärmeausdehnungskoeffizienten der äußeren Schicht 32 und dem Wert des Wärmeausdehnungskoeffizienten des Kerns, wie durch die strichpunktierte Linie 36 in Fig. 4 angedeutet, die die Differenz Δα dieses Koeffizienten gegenüber dem der äußeren Ummantelungsschicht in der Faser zeigt, wenn die NA 0,3 ist.
Wie angegeben, ist der Wert des Wärmeausdehnungskoeffizienten der äußeren Schicht über ihre Dicke im wesentlichen konstant und der Wert des Wärmeausdehnungskoeffizienten des Kerns über seine Dicke im wesentlichen konstant. Die Änderung des Wärmeausdehnungskoeffizienten über die Dicke der Spannungsverringerungsschicht 30 wird durch Dotieren der Schicht mit P205 erreicht, was ein Wärmeausdehnungs-Erhöhungsdotiermittel ist, so daß die Schicht 30 P&sub2;O&sub5; in einer Menge enthält, die vorn radial äußeren Bereich der Schicht 30 zum radial inneren Bereich der Schicht 30 hin zunimmt. Zusätzlich zur Erhöhung des Wärmeausdehnungskoeffizienten wirkt P&sub2;O&sub5; auch noch als Substanz, die den Brechungsindex erhöht.
Um also den Brechungsindexerhöhungseffekt des P&sub2;O&sub5; auszugleichen, wie durch die gestrichelten Linien 38 in Fig. 4 angedeutet, ist die Schicht 30 mit F&sub2; dotiert, das ein den Brechungsindex verringerndes Dotiermittel ist, so daß die Schicht 30 F&sub2; in einer Menge enthält, die vorn radial äußeren Bereich der Schicht 30 zum radial inneren Bereich der Schicht 30 zunimmt, konsequenterweise mit Auswirkungen auf den Brechungsindex, wie durch die gestrichelten Linien 40 von Fig. 4 angedeutet, wodurch der Brechungsindex der Schicht 30 über ihre Dicke im wesentlichen konstant und an den Brechungsindex der äußeren Ummantelungsschicht 32 angeglichen ist, wie in Fig. 4 gezeigt, wo die durchgezogene Linie die Differenz An des Brechungsindex vorn Brechungsindex der äußeren Ummantelung über die Faser hinweg anzeigt. Der Brechungsindex der Schicht 30 ist gleich dem der äußeren Schicht 32, um das Stufen-Index- Profil der Faser beizubehalten.
Zum Erhöhen des Wärmeausdehnungskoeffizienten (0,5 x 10&supmin;&sup6;ºC&supmin;¹) undotierten SiO&sub2; auf den Wärmeausdehnungskoeffizienten (3,1 x 10&supmin;&sup6;ºC&supmin;¹) des GeO&sub2;-SiO&sub2;-Kerns, wenn der Kern 24 mol% GeO&sub2; enthält, ist es erforderlich, das SiO&sub2; mit ungefähr 15 mol% P&sub2;O&sub5; zu dotieren. Beim Ausführungsbeispiel erhöht sich also der P&sub2;O&sub5;-Gehalt in der Spannungsverringerungsschicht von ungefähr rnol% an ihrem radial äußeren Bereich auf ungefähr 15% an ihrem radial inneren Bereich. Der Gehalt von 15% P&sub2;O&sub5; erhöht den Brechungsindex um ungefähr 0,01, und ungefähr 3 mol% F&sub2; ist erforderlich, um den Brechungsindex wieder entsprechend zu verringern.
Der Gehalt an F&sub2; in der Spannungsverringerungsschicht erhöht sich also von ungefähr 0 mol% an ihrem radial äußeren Bereich auf ungefähr 3 mol% an ihrem radial inneren Bereich.
Herstellungstoleranzen können eine Veränderung des Gehalts an P&sub2;O&sub5; und F&sub2; um zum Beispiel bis zu 0,4 mol% vom theoretischen Gehalt an einem bestimmten Radius erlauben, wodurch sich der Brechungsindex der Schicht 30 über ihre Dicke hinweg verändern kann. Diese Veränderung beträgt jedoch vorzugsweise weniger als 0,4%.
Die Ummantelung der Faser weist auch eine ringförmige Sperrschicht 42 auf, die unmittelbar an den Kern 34 anliegt und eine Barriere gegen die Diffusion von radial innerhalb der Sperrschicht 42 befindlichen Dotiersubstanzen zwischen dem Kern und der restlichen Ummantelung bildet. Beim Ausführungsbeispiel ist die Sperrschicht deshalb vorgesehen, weil eine Diffusion von P&sub2;O&sub5; von der Spannungsverringerungsschicht 30 in den Kern unerwünscht ist. Die Sperrschicht ist undotiertes SiO&sub2; und verändert daher nicht das Stufen-Index-Profil der Faser. Natürlich unterscheidet sich der Wärrneausdehnungskoeffizient der Sperrschicht beträchtlich von dem des Kerns und dem radial inneren Bereich der Spannungsverringerungsschicht 30. Die radiale Dicke der Sperrschicht ist jedoch so klein, daß die durch diese Differenz verursachten Restspannungen klein sind und minimale Auswirkungen auf die Ummantelungs- Kern-Schnittstelle haben.
Die in Fig. 3 und 4 gezeigte Faser wird unter Verwendung des MCVD-Verfahrens und Lösungsdotierens aus einer Vorforrn gezogen. Fließgeschwindigkeiten (in SCC/MIN) und die Anzahl der Durchgänge der Reagenzien zum Bilden der Vorformschichten in einer SiO&sub2;-Substrat-Röhre, die der Spannungsverringerungsschicht, der Sperrschicht und dem Kern entspricht, sind in der folgenden Tabelle aufgeführt:
Erbium wird in die Kernschicht der Vorform ohne erhöhte Konzentration im Kern durch Lösungsdotieren eingeführt.
In der gezogenen Faser hat der Kern 34 einen Durchmesser von 2,3 um, die Sperrschicht eine radiale Dicke von 1 um (wodurch ein Außendurchmesser von 4,3 um zustandekommt), die Spannungsverringerungsschicht 30 hat eine radiale Dicke von 5,35 um (wodurch ein Außendurchmesser von 15 ijrn zustandekommt) und die äußere Ummantelungsschicht hat eine radiale Dicke von ungefähr 55 um. Die Faser hat, wie schon erwähnt, eine NA von 0,3, eine Grenzwellenlänge von 900 nm, einen Modenfelddurchmesser bei 980 nm von 2,6 um und einen Modenfelddurchmesser bei 1536 nm von 4,2 um. Beide Modenfelddurchrnesser sind also innerhalb der SiO&sub2;-Sperrschicht 42, und es findet keine Feldausdehnung in die Spannungsverringerungsschicht 30 statt, wenn die Dicke der Sperrschicht 1 um ist. Außerdem ist bei einer Dicke von ungefähr 5 um die Veränderung der Wärrneausdehnungskoeffizienten über die Spannungsverringerungsschicht ungefähr 0,5 x 10&supmin;&sup6;ºC&supmin;¹um&supmin;¹, was sich experimentell als zum Verhindern unerwünschter Restspannungen an der Kern-Ummantelungs-Schnittstelle günstig herausgestellt.
Auch wenn die radiale Dicke der Sperrschicht und der Spannungsverringerungsschicht 1 um und ungefähr 5 um sind, versteht es sich, daß die Sperrschicht eine radiale Dicke von zwischen 0,5 und 1,5 um und die Spannungsverringerungsschicht eine radiale Dicke von zwischen 2,5 und 7,5 um haben kann.
Unter der Untergrenze von 0,5 um ist die Sperrschicht zum Verhindern einer Diffusion von P&sub2;O&sub5; in den Kern nicht dick genug. Über der Obergrenze von 1,5 um verringern aufgrund des Vorhandenseins der Sperrschicht entstehende Spannungen beträchtlich die Wirksamkeit der Spannungsverringerungsschicht. In dieser Hinsicht hat sich experimentell herausgestellt, daß das Verhältnis des Produkts des Wärmeausdehnungskoeffizienten der Sperrschicht o&b und ihres Radius rb zum Produkt des Wärmeausdehnungskoeffizienten des Kerns αc und seines Radius rc kleiner oder gleich 0,22 sein sollte. Anders ausgedrückt: rb ≤ 0,22 (αcrc/αb), und im vorliegenden Fall rb ≤ 0,22 (3x 10&supmin;&sup6; x 1,15)/(0,5 x 10&supmin;&sup6;) d.h. rb ≤ 1,51.
Die Untergrenze von 2,5 um für die Dicke der Spannungsverringerungsschicht 30 ergibt sich daraus, daß der Übergang des Wärrneausdehnungskoeffizienten in der Ummantelung zu dem der äußeren SiO&sub2;-Schicht in einem Abstand von der Kern-Ummantelungs-Schnittstelle lokalisiert ist, der so groß ist, daß keine nachteiligen Auswirkungen auf die optische Leistung der geleiteten Mode verursacht werden. In dieser Hinsicht hat sich experimentell herausgestellt, daß das Verhältnis vorn Außendurchmesser der Schicht 30 zum Durchmesser des Kerns nicht geringer als 4 sein sollte. Im vorliegenden Fall, wo der Kerndurchmesser 2,3 um ist und der Außendurchmesser der Sperrschicht 4,3 um, wäre bei einer Dicke der Schicht 30 von 2,5 um der Außendurchmesser 913 lim, was mehr als viermal so viel wie der Kerndurchmesser ist.
Die Obergrenze von 7,5 j£m ergibt sich dadurch, daß das Vorhandensein der Spannungsverringerungsschicht die Funktion der äußeren Schicht der Ummantelung als Versteifung nicht nachteilig beeinflussen sollte. In dieser Hinsicht ist es wünschenswert, die folgende Bedingung der Temperaturbalance der radialen Ausdehnung zu erfüllen:
wobei R der Außendurchmesser der Faser und M der Außendurchmesser der Spannungsverringerungsschicht 30 ist.
Fig. 5 zeigt eine Testvorrichtung 50 zum Messen des Verstärkungswirkungsgrads eines Verstärkers unter Verwendung alternativer mit Erbium dotierter Fasern. Die Vorrichtung simuliert den Verstärker von Fig. 2, hat aber zu Testzwecken noch zusätzliche Komponenten. Die Vorrichtung weist eine mit Erbium dotierte Faser 52 auf, die zum Pumpen durch einen Pumplaser 54 über einen optischen Dämpfer 56 angeordnet ist und an die durch einen Funktionsgenerator 58 und einen verstellbaren Laser ein zu verstärkendes Signal gesendet wird. Das Pump- und das Signallicht kopropagieren durch die Faser 52, die an einem Ende über einen Wellenlängenteilungsmultiplexer zum Koppeln von Wellenlängen mit 980 nm vorn Pumplaser und 1536 nm vom verstellbaren Laser 60 über einen optischen Isolator 64 an das Eingangsende der Faser 52 angeschlossen ist. Ein optischer Isolator 66 ist auch am Ausgangsende der Faser 52 vorgesehen, und ein optisches Fabry-Perot-Filter 68 ist dem Isolator 66 nachgeschaltet, so daß nur das interessierende Signal von einem daran angeschlossenen Leistungsmesser 70 gemessen wird. Ein Leistungsmesser 72 ist mit dem Wellenlängenteilungsmultiplexer zum Messen der Leistung des Pumplichts verbunden. Verbindungsstücke 74 und 76 sind günstigerweise vor und nach den Isolatoren 64 und 66 angebracht.
Der theoretische maximale Wirkungsgrad wird unter Berücksichtigung einer Anzahl von Eigenschaften der Faser berechnet, wie unter anderem NA, Grenzwellenlänge λc, Er-Einschlußfaktor, Faserlänge und Pumpleistung.
Bei einem Einschlußfaktor von 1 (d.h. kein Einschluß) und wenn die restlichen Parameter auf ihren optimalen Wert gesetzt werden, hängt der optimale Verstärkungswirkungsgrad anscheinend von der NA ab, nach dem folgenden Verhältnis: E = 88 x NA1,8, d.h. es handelt sich um ein "quasi-quadratisches Verhältnis", wie von Zervas et al. beschrieben.
Die in Fig. 6 angetragene Linie ist das Ergebnis dieser Berechungen. Die tatsächlichen Ergebnisse für die jeweilige getestete Faser wurden in Fig. 6 mit Referenzbuchstaben gekennzeichnet, die denjenigen entsprechen, die in der folgenden Tabelle zum Identifizieren der Fasern verwendet wurden, und die nicht nur den Gesarntverstärkungswirkungsgrad aufführt, sondern auch die NA, den Erbiumverlust und das Verhältnis von Erbiumverlust zum Hintergrundverlust bei der Purnpwellenlänge (980 nm). Die letzteren beiden Werte sind in Fig. 7 angetragen.
In der obigen Tabelle ist die Faser C die anhand von Fig. 3 und 4 offenbarte Faser und sind die Fasern A, B, D, I und L auf die gleiche Art und Weise hergestellte Fasern, d.h. Fasern, bei denen die Ummantelung mit einer ringförmigen Spannungsverringerungsschicht 30, wie sie oben beschrieben ist, versehen ist, und kann als mit abgestimmtem Index und abgestimmter Spannung (matched index - matched stress / MI-MS) bezeichnet werden. Die Fasern E bis H, J, K und N andererseits haben eine Ummantelung, die nicht mit einer ringformigen Spannungsverringerungsschicht versehen ist, sondern haben über ihre ganze Dicke einen im wesentlichen konstanten Brechungsindex und können daher als mit abgestimmtem Index (matched index / MI) bezeichnet werden.
Aus Fig. 6 ist ersichtlich, daß die Fasern A bis D, I und L, die mit einer MI-MS-Ummantelung versehen sind, einen optimalen Verstärkungswirkungsgrad erzeugen, der nahe dem theoretischen Maximum ist, während die Fasern E bis H, J und K, die NAS der gleichen Größenordnung haben, optimale Verstärkungswirkungsgrade erzeugen, die wesentlich niedriger sind als die theoretischen maximalen Werte.
Gemäß Fig. 7 ist ersichtlich, daß die Fasern A bis D, I und L, die optimalen Verstärkungswirkungsgrade nahe des theoretischen Maximums erzeugen, bei der Pumpwellenlänge ein Verhältnis zwischen dem Erbiumverlust und dem Hintergrundverlust aufweisen, die so ist, daß das Verhältnis von Erbiumverlust zum Hintergrundverlust größer ist als ein Minimalverhältnis, das durch eine vorgegebene ansteigende Funktion des Verhältnisses von Erbiumverlust/Hintergrundverlust gegenüber Erbiumverlust berechnet wird, wobei das Minirnalverhältnis ungefähr 20 ist, wenn der Erbiumverlust 0,15 dB/m ist, und ungefähr 120, wenn der Erbiumverlust ungefähr 3,5 dB/m ist. Diese vorgegebene Funktion kann im Bereich des Erbiumverlusts zwischen 0,15 und 3,5 dB/m als im wesentlichen linear ansteigend angenommen werden und ist in Fig. 7 zum Beispiel als eine gerade Linie mit der folgenden Gleichung dargestellt:
Verhältnis = 15,8 + 0,03 x Erbiumverlust (gern. in dB/km)
Die Linie ist unterbrochen, bevor der Erbiumverlust null erreicht, da ein minimaler theoretischer Hintergrundverlust in der Faser nicht verhindert werden kann, und nach einem Erbiumverlust von größer als ungefähr 3 als gestrichelte Linie dargestellt, weil mit einem zunehmenden Erbiumgehalt in der Faser (und entsprechendem Erbiumverlust) die Gefahr einer alusterbildung je nach den Fasereigenschaften und der Konstruktion relevant wird, wodurch die Ergebnisse verändert werden können. In dieser Hinsicht wird vorgezogen, daß der Erbiumverlust in der Faser einem Erbiumgehalt entspricht, der 9 geringer als ein Wert ist, bei dem ein bedeutendes Erbiumclustern vorkommt. Gemäß Fig. 7 sollte der Erbiumgehalt niedriger sein als ein Wert, der einem Erbiumverlust von 3,3 dB/m, oder besser noch 2,5 dB/m, entspricht.
Während die eingetragenen Werte für die Fasern A bis D, I und L auf oder über der Linie in Fig. 7 liegen, sind die eingetragenen Werte für die Fasern E bis H, J und K, die optimale Verstärkungswirkungsgrade erzeugen, die wesentlich geringer sind als die theoretischen Maximalwerte, unter der Linie.
Eine Erklärung für diese Ergebnisse ist wohl, daß das Vorhandensein von Spannungen aufgrund der Wärmeausdehnungskoeffizienten-Differenz wegen der oben erläuterten Mechnismen eine erhöhte Dämpfung der Pumpwellenlänge und daher eine Verringerung des Hintergrundverlusts, der durch ein Abstimmen der Wärmeausdehnungskoeffizienten des Kerns und der Ummantelung erreicht wurde, gute Ergebnisse bezüglich des zu erreichenden Wirkungsgrads ermöglicht.
Außerdem hat sich herausgestellt, daß ein relativ hoher Wert des Hintergrundverlusts akzeptiert werden kann, wenn die Faser im Verstärker eine kurze optimale Länge (zum Beispiel 10-30 m) hat, das heißt, der Erbiumgehalt (als Erbiumverlust gemessen) ist hoch, während im Fall von niedrigem Erbiumgehalt (d.h. niedrigen Erbiumverlusten), was eine aktive Faser mit einer relativ langen optimalen Länge erforderlich macht (zum Beispiel bis 100 m lang), der akzeptable Hintergrundverlust beträchtlich geringer ist.
Es ist festzustellen, daß obwohl die Faser N keine MI-MS- Ummantelung wie die Fasern A bis D, I und L aufweist, sie dennoch einen optimalen Verstärkungswirkungsgrad erzeugt, der nahe dem theoretischen Maximum liegt. Das läßt sich jedoch auch anhand unserer Ergebnisse erklären, nämlich dadurch, daß ihre NA (0,2) im Vergleich mit den anderen Fasern relativ niedrig ist, und folglich die Differenz der Wärrneausdehnungskoeffizienten des Kerns und der Ummantelung geringer ist und folglich auch die Restspannungen an der Kern-Ummantelungs- Schnittstelle geringer sind.
9 Es ist zwar wünschenswert, es so einzurichten, daß der Wärrneausdehnungskoeffizient der Spannungsverringerungsschicht 30 in ihrem radial inneren Bereich der gleiche ist wie der des Kerns, doch ist das für eine vorteilhafte Verringerung der Restspannungen an der Kern-Ummantelungs-Schnittstelle natürlich nicht unabdingbar. Es kann nämlich auch eine vorteilhafte Verringerung erreicht werden, wenn die Differenz weniger als zum Beispiel 50%, vorzugsweise weniger als 20% und noch besser weniger als 10% beträgt. In diesem Zusammenhang ist zu beachten, daß eine Differenz von 50% zwischen den Wärmeausdehnungskoeffizienten des Kerns und der Spannungsverringerungsschicht an ihrem radial inneren Bereich bei einer Faser mit einer NA von 0,3 eine Verlustleistung verursacht, die im wesentlichen die gleiche ist, wie die einer Faser mit einer NA von 0,2, bei der keine Spannungsverringerungsschicht vorgesehen ist. Also sollte unter Berücksichtigung der Sperrschicht, die bis zu 1,5 um dick sein kann, und der Meßgenauigkeit die Differenz der Wärmeausdehnungskoeffizienten des Kerns und der Ummantelung bei mindestens einem Radius, der weniger als 2 um von der Kern-Ummantelungs-Schnittstelle entfernt ist, weniger als 50%, vorzugsweise weniger als 20% und noch besser weniger als 10% sein.
Aus analogen Gründen ist es zwar vorzuziehen, wenn der Wärmeausdehnungskoeffizient der Spannungsverringerungsschicht 30 an seinem radial äußeren Bereich der gleiche ist wie der der äußeren Ummantelungsschicht 32, um die Restspannungen an der Schnittstelle zwischen diesen beiden Schichten zu verringern, doch können schon akzeptable Ergebnisse erzielt werden, wenn die Differenz zwischen diesen Koeffizienten weniger als 50%, vorzugsweise weniger als 20% und noch besser weniger als 10% ist.
Der Wärmeausdehnungskoeffizient bei einem bestimmten Radius wird durch eine Analyse der Konzentration der Bestandteile der Faser an diesem Radius und durch Vergleich mit bekannten Tabellen bestimmt.
Außerdem wird bevorzugt, daß sich der Wärmeausdehnungskoeffizient der Ummantelung in der Spannungsverringerungs 9 schicht 30 allmählich zwischen dem der äußeren Schicht 30 anliegenden und dem oben genannten Radius weniger als 2 um von der Kern-Ummantelungs-Schnittstelle verändert, und, wie durch die strichpunktierte Linie in Fig. 4 gezeigt, sollte die Veränderung kontinuierlich und noch besser gleichmäßig sein.
Auf jeden Fall wird anerkannt werden, daß die Spannungsverringerungsschicht 30 einen Wärmeausdehnungskoeffizient hat, der sich radial nach innen von einem Wert, der näher dem Wert des Wärmeausdehnungskoeffizienten der äußeren Ummantelungs -schicht 32 als dem Wert des Wärmeausdehnungskoeffizienten des Kerns 34 ist, zu einem anderen Wert hin verändert, der dem Wert des Wärmeausdehnungskoeffizienten des Kerns näher ist als dem Wert des Wärmeausdehnungskoeffizienten der äußeren Ummantelungsschicht. Außerdem, wie in Fig. 4 angezeigt, sind diese beiden Werte des Wärmeausdehnungskoeffizienten der Schicht 30 im wesentlichen die gleichen wie die Werte des Wärmeausdehnungskoeffizienten der äußeren Ummantelungsschicht bzw. des Kerns.
Aufgrund der Diffusion von Dotiersubstanzen unterscheiden sich natürlich die theoretischen Werte des Wärrneausdehnungskoeffizienten und des Brechungsindex bei bestimmten Radii von denjenigen, die in der Praxis erzielt werden. Außerdem ist in diesem Zusammenhang zwar die Sperrschicht 42 als aus undotiertem SiO&sub2; angegeben, doch wird etwas von der Dotiersubstanz vom Kern und von der Spannungsverringerungsschicht in sie hinein diffundieren. Bei diesem Ausführungsbeispiel kann die Sperrschicht aufgrund von Diffusion zum Beispiel bis zu 0,1 mol% P&sub2;O&sub5; 0,3 mol% F&sub2;, 0,4 mol% GeO&sub2;, 0,4 mol% Al&sub2;O&sub3;, 0,1 mol% B&sub2;O&sub3; enthalten.
Außerdem kann die Sperrschicht absichtlich mit GeO&sub2; (zum Beispiel mit 1,4 mol%) und F&sub2; (zum Beispiel mit 0,6 mol%) dotiert sein (in einem Indexabstimrnungsverhältnis), auch wenn das den Sperreffekt weniger wirksam macht und möglicherweise eine etwas größere Sperrschicht erforderlich macht.
Das Vorhandensein kleiner Mengen Dotiersubstanz im SiO&sub2;- Glas der Sperrschicht bewirkt eine Erhöhung der Diffusion von Dotiersubstanzen vom Kern und von der Spannungsverringerungs 9 schicht: Wenn also Dotiersubstanzen in die Sperrschicht aus irgendeinem Grund eingeführt werden, ist eine entsprechend dickere Sperrschicht nötig, um das erwünschte Konzentrationsprofil im Kern und in der Spannungsverringerungsschicht zu erhalten. Diese Verdickung der Sperrschicht sollte jedoch einen Wert nich übersteigen, der einen beträchtlichen Effekt auf den Hintergrundverlust hat.
Andere Dotiermittel können natürlich auch in der Spannungsverringerungsschicht verwendet werden. Zum Beispiel kann eine Kombination von GeO&sub2; und B&sub2;O&sub3; als Wärrneausdehnungserhöhungsdotiersubstanz verwendet werden, wobei F&sub2; wie zuvor als Brechungsindexverringerer verwendet wird, um mit B&sub2;O&sub3; den Brechungsindexerhöhungseffekt von GeO&sub2; auszugleichen. Bei diesem Beispiel wäre zum Erhöhen des Wärmeausdehnungskoeffizienten der Spannungsverringerungsschicht auf den eines SiO&sub2;- Kerns mit einem GeO&sub2;-Gehalt von ungefähr 24 mol%, der zum Erreichen einer NA von 0,3 nötig wäre, eine Kombination von 20 (± 0,4) mol% GeO&sub2; und 10 (± 0,4) mol% B&sub2;0&sub3; notig, und 4,0 (± 0,1) mol% F&sub2; wären nötig, um den Brechungsindexerhöhungseffekt des GeO&sub2; vollständig auszugleichen.
In der Spannungsverringerungsschicht, die wieder zwischen 2,5 und 7,5 um und vorzugsweise 5 um dick ist, erhöht sich der Gehalt von GeO&sub2;, B&sub2;O&sub3; und F&sub2; von ungefähr 0 mol% am radial äußeren Bereich der Schicht auf ungefähr 20, 10 bzw. 4 mol% an deren radial inneren Bereich.
Bei dieser Ausführungsform wird keine Sperrschicht notig, da kleine Dotiersubstanzdiffusionen zwischen dem Kern und der Spannungsverringerungsschicht nicht stören.
Eine weitere Kombination von Dotiersubstanzen in der Spannungsverringerungsschicht ist Al&sub2;O&sub3;/B&sub2;O&sub3;/F&sub2;. Wenn auch die Verwendung von GeO&sub2; als Brechungsindexerhöhungsdotiersubstanz im Kern bevorzugt wird, so können doch auch P&sub2;O&sub5; oder Al&sub2;O&sub3; verwendet werden.
Die Sperrschicht zwischen dem Kern und der Spannungsverringerungsschicht braucht nur dann vorhanden zu sein, wenn größere Dotiersubstanzdiffusionen unerwünscht sind. Die folgende Tabelle zeigt an, ob eine SiO&sub2;-Sperrschicht für ver 9 schiedene Kombinationen von Kern- und Spannungsverringerungsschicht-Dotierungen vorgesehen werden sollte oder nicht.
Zusätzlich zum oben erwähnten erlaubten Gehalt an P&sub2;O&sub5;, GeO&sub2; und F kann bei einem Vorhandensein von Al&sub2;O. und B&sub2;O&sub3; in der Faser die Sperrschicht bis zu 1,4 mol% Al&sub2;O&sub3; und bis zu 0,1 mol% B&sub2;O&sub3; enthalten.
Die Erfindung wurde zwar anhand einer bestimmten Konstruktion des Verstärkers beschrieben, doch kann sie natürlich auch an anderen Verstärkerkonstruktionen Anwendung finden, die gepumpte mit seltenen Erden dotierte Fasern verwenden, zum Beispiel Verstärker, wie sie in den folgenden Druckschriften beschrieben sind: EP-A-0425014, EP-A-0426221, EP-A-0439867, EP-A-0458256 und EP-A-0509577.

Claims

1. Optischer Verstärker zum Verstärken eines optischen Signals mit einer Signalwellenlänge λs mit einer optischen Faser (20) mit einem mit Erbium dotierten Kern (34), der von einer Ummantelung (42, 32, 30) mit einer äußeren Schicht (32) umgeben ist, einer Pumpe (22) zum Pumpen der Faser mit Pumplicht einer wellenlänge von 980 nrn, die mit der Faser gekoppelt ist, einer Eingangseinrichtung zum Einspeisen eines durch den Verstärker zu verstärkenden Signals und einer Ausgangseinrichtung zum Ausgeben eines verstärkten Signals aus dem Verstärker, wobei die Faser eine numerische Apertur (NA) hat, die größer als 0,2 ist, und der Wärmeausdehnungskoeffizient des Kerns an der Stelle der Kern-Ummantelungs-Schnittstelle einen ersten Wert hat, der vorn Wärmeausdehnungskoeffizientenwert der äußeren Schicht der Ummantelung abweicht, dadurch gekennzeichnet, daß die Ummantelung eine Belastungsverringerungsschicht (30) aufweist, die mit einem Wärmeausdehnungsmodifizierungsdotiermittel dotiert und neben der Kern-Ummantelungs-Schnittstelle angeordnet ist, wobei die Belastungsverringerungsschicht so angeordnet ist, daß die Differenz zwischen dem ersten Wert und dem Wärmeausdehnungskoeffizient der Ummantelung in einem ringförmigen Bereich, der sich radial um weniger als 2 um von der Schnittstelle erstreckt, niedriger ist als ein vorbestimmter Wert, so daß ein Verhältnis von Erbiumverlust zu Hinter grundverlust bei der Pumpwellenlänge entsteht, das größer als ein Mindestverhältnis ist, wie es aufgrund des Faser-Erbiumverlusts und einer im wesentlichen linear ansteigenden Funktion des Verhältnisses Erbiumverlust/Hintergrundverlust zu Erbiumverlust berechnet wird, wobei in dieser Funktion das Minimalverhältnis ungefähr 20 ist, wenn der Erbiumverlust 0,15 dB/m ist, und 120, wenn der Erbiumverlust 3,5 dB/m ist.

2. Verstärker nach Anspruch 1, bei dem der Erbiumverlust in der Faser einem Erbiumgehalt entspricht, der niedriger als ein Wert ist, bei dem im Glas eine beträchtliche Erbiumclusterung stattfindet.

3. Verstärker nach Anspruch 2, bei dem der Erbiumgehalt niedriger ist als ein Wert, der einem Erbiumverlust von 3,3 dB/m entspricht.

4. Verstärker nach Anspruch 3, bei dem der Erbiumgehalt niedriger ist als ein Wert, der einem Erbiumverlust von 2,5 dB/m entspricht.

5. Verstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem die Differenz zwischen dem ersten Wert und dem Wärrneausdehnungskoeffizient der Ummantelung in einem ringformigen Bereich, der sich radial um weniger als 2 um von der Schnittstelle erstreckt, weniger als 50% des Werts beträgt.

6. Verstärker nach Anspruch 5, bei dem die Differenz weniger als 20% des ersten Werts beträgt.

7. Verstärker nach Anspruch 6, bei dem die Differenz weniger als 10% des ersten Werts beträgt.

8. Verstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem die Ummantelung eine äußere ringformige Schicht (32) mit einem im wesentlichen konstanten Wärmeausdehnungskoeffizienten über ihre Dicke aufweist und die Differenz zwischen dem im wesentlichen konstanten Wärmeausdehnungskoeffizienten und dem Wärmeausdehnungskoeffizienten der Ummantelung radial nach innen von der äußeren Schicht, jedoch anliegend an die äußere Schicht, weniger als 50% des im wesentlichen konstanten Wärmeausdehnungskoeffizienten beträgt.

9. Verstärker nach Anspruch 8, beim dem die Differenz zwischen dem im wesentlichen konstanten Wärmeausdehnungskoeffizienten und dem Wärmeausdehnungskoeffizienten der Ummantelung radial nach innen von der äußeren Schicht, jedoch anliegend an die äußere Schicht, weniger als 20% des im wesentlichen konstanten Wärmeausdehnungskoeffizienten beträgt.

10. Verstärker nach Anspruch 9, beim dem die Differenz zwischen dem im wesentlichen konstanten Wärmeausdehnungskoeffizienten und dem Wärmeausdehnungskoeffizienten der Ummantelung radial nach innen von der äußeren Schicht, jedoch anliegend an die äußere Schicht, weniger als 10% des im wesentlichen konstanten Wärmeausdehnungskoeffizienten beträgt.

11. Verstärker nach Anspruch 8, 9 oder 10, bei dem der Wärmeausdehnungskoeffizient der Ummantelung sich zwischen der anliegenden äußeren Schicht (32) und dem ringförmigen Bereich, der sich radial um weniger als 2 um von der Schnittstelle erstreckt, graduell ändert.

12. Verstärker nach Anspruch 11, bei dem die Belastungsverringerungsschicht (30) ein Wärrneausdehungsmodifizierungsdotiermittel enthält, das in einer Konzentration vorhanden ist, die von dem radial äußeren zum radial inneren Bereich der Belastungsverringerungsschicht (30) hin zunimmt.

13. Verstärker nach Anspruch 12, bei dem das Wärmeausdehungsmodifizierungsdotierrnittel mindestens eine der folgenden Substanzen enthält: P&sub2;O&sub5;, GeO&sub2; und B&sub2;O&sub3;.

14. Verstärker nach Anspruch 13, bei dem das Wärmeausdehungs-. modifizierungsdotiermittel P&sub2;O&sub5; ist, dessen Konzentration von ungefähr 0 Mol-% im radial äußeren Bereich auf ungefähr 15 Mol-% im radial inneren Bereich zunimmt.

15. Verstärker nach Anspruch 13, bei dem das Wärmeausdehungsmodifizierungsdotierrnittel GeO&sub2; und B&sub2;O&sub3; enthält, wobei die Konzentration des GeO&sub2; von ungefähr 0 Mol-% im radial äußeren Bereich auf ungefähr 20 Mol-% im radial inneren Bereich und die Konzentration des B&sub2;O&sub3; von ungefähr 0 Mol-% im radial äußeren Bereich auf ungefähr 10 Mol-% im radial inneren Bereich zunimmt.

16. Verstärker nach einem der Ansprüche 12 bis 15, bei dem die Belastungsverringerungsschicht (30) ein Brechungsindexmodifizierungsdotiermittel enthält&sub1; das in einer Konzentration vorhanden ist, die vom radial äußeren Bereich zum radial inneren Bereich der Belastungsverringerungsschicht (30) zunimmt und den Brechungsindexmodifizierungseffekt des Wärmeausdehnungsmodifizierungsdotiermittels ausgleicht, wodurch der Brechungsindex der Belastungsverringerungsschicht (30) über ihre gesamte Dicke hinweg im wesentlichen konstant ist.

17. Verstärker nach Anspruch 16, bei dem das Brechungsindexmodifizierungsdotiermittel F&sub2; enthält.

18. Verstärker nach Anspruch 17, wenn Anspruch 16 auf Anspruch 14 rückbezogen ist, bei dem die Konzentration von F&sub2; von ungefähr 0 Mol-% im radial äußeren Bereich auf ungefähr 3,5 Mol-% im radial inneren Bereich zunimmt.

19. Verstärker nach Anspruch 17, wenn Anspruch 16 auf Anspruch 14 rückbezogen ist, bei dem die Konzentration von F&sub2; von ungefähr 0 Mol-% im radial äußeren Bereich auf ungefähr 4 Mol-% im radial inneren Bereich zunimmt.

20. Verstärker nach Anspruch 16 oder 17, bei dem der Brechungsindex der Belastungsverringerungsschicht (30) sich um weniger als 0,4% über ihre Dicke hin verändert.

21. Verstärker nach einem der Ansprüche 16 bis 20, bei dem der Brechungsindex der Belastungsverringerungsschicht (30) im wesentlichen der gleiche ist wie der der äußeren Schicht.

22. Verstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 21, bei dem die Belastungsverringerungsschicht (30) eine radiale Dicke zwischen 2,5 und 7,5 um hat.

23. Verstärker nach Anspruch 22, bei dem die Belastungsverringerungsschicht (30) eine radiale Dicke von ungefähr 5 um hat.

24. Verstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 23, bei dem die Ummantelung eine unmittelbar an den Kern anliegende ringförmige Sperrschicht (42) zum Bilden einer Sperre gegen eine Diffusion von Dotiermitteln zwischen dem Kern und der restlichen Ummantelung außerhalb der Sperrschicht aufweist.

25. Verstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem die äußere Schicht (32) einen ersten Wärmeausdehnungskoeffizienten und der Kern einen zweiten Wärmeausdehnungskoeffizienten hat und der Wärmeausdehnungskoeffizient der Belastungsverringerungsschicht (30) sich nach innen von einem dritten hin zu einem vierten Wert verändert, wobei der dritte Wert dem ersten Wert näher liegt als dem zweiten Wert und der vierte Wert dem zweiten Wert näher liegt als dem ersten Wert.

26. Verstärker nach Anspruch 25, bei dem der erste und der dritte Wert im wesentlichen der gleiche und der zweite und der vierte Wert im wesentlichen der gleiche ist.

27. Verstärker nach Anspruch 25 oder 26, mit einer ringförmigen Sperrschicht (42) zwischen dem Kern (34) und der Belastungsverringerungsschicht (30) zum Vorsehen einer Sperre gegen eine Diffusion von Dotiermitteln zwischen dem Kern und der Belastungsverringerungsschicht.

28. Verstärker nach Anspruch 24 oder 27, bei dem die Sperrschicht (42) weniger als 0,2 Mol-% P&sub2;O&sub5;, 1,4 Mol-% GeO&sub2;, 1,4 Mol-% Al&sub2;O&sub3;, 0,1 Mol-% B&sub2;O&sub3; und 0,6 Mol-% F&sub2; enthält.

29. Verstärker nach Anspruch 24, 27 oder 28, bei dem die Sperrschicht (42) eine radiale Dicke zwischen 0,5 und 1,5 um hat.

30. Verstärker nach Anspruch 24, 27, 28 oder 29, bei dem die maximale radial Dicke der Sperrschicht (42) kleiner oder gleich 0,22 (αc.rc)/αb ist, wobei αc der Wärmeausdehnungskoeffizient des Kerns, αb der Wärmeausdehnungskoeffizient der Sperrschicht und rc der Radius des Kerns ist.

31. Verstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 30, zum Verstärken von Signalen mit einer Wellenlänge von 1536 nm.

32. Telekommunikationssystern mit einer Signalquelle (12) zum Erzeugen von Signalen mit einer Signalwellenlänge λs, einem Signalempfänger (14) zum Empfangen von Signalen mit der Signalwellenlänge und einer Signalübertragungsfaserleitung (16) zwischen der Quelle und dem Empfänger zum Übertragen der Signale, wobei die Leitung einen optischen Verstärker (18) nach einem der Ansprüche 1 bis 31 enthält.

33. Optische Faser mit einer numerischen Apertur (NA), die größer als 0,2 ist, mit einem mit seltenen Erden dotierten Kern (34) und einer Ummantelung (42, 30, 32), die eine äußere Schicht (32) aufweist und den Kern umgibt, wobei der Wärmeausdehnungskoeffizient des Kerns (34) anliegend an die Kern- Ummantelungsschnittstelle einen ersten Wert hat und der Wärmeausdehungskoeffizient der äußeren Schicht (32) vom ersten Wert abweicht, dadurch gekennzeichnet, daß die Ummantelung eine mit einem Wärmeausdehungsrnodifizierungsdotiermittel dotierte und zwischen der äußeren Schicht (32) und dem Kern (34) liegende Belastungsverringerungsschicht (30) aufweist, wobei die Differenz zwischen dem ersten Wert und dem Wärmeausdehnungskoeffizient der Belastungsverringerungsschicht (30) in einem ringförmigen Bereich, der sich um weniger als 2 um von der

Schnittstelle erstreckt, weniger als 50% des ersten Werts ist, wodurch der Hintergrundverlust der Faser verringert wird.

34. Optische Faser nach Anspruch 33, wobei der Wärmeausdehnungskoeffizient der äußeren Schicht (32) einen im wesentlichen konstanten Wert über ihre Dicke hat und die Differenz zwischen dem zweiten Wert und dem Wärmeausdehnungskoeffizient der Ummantelung radial nach innen von der äußeren Schicht (32), jedoch an die äußere Schicht anliegend, weniger als 50% des zweiten Werts beträgt.

35. Optische Faser nach Anspruch 33, bei der der Wärmeausdehnungkoeffizient der Ummantelung sich zwischen der äußeren Schicht (32) und dem ringförmigen Bereich, der sich um weniger als 2 um radial von der Schnittstelle erstreckt, graduell verändert.

36. Optische Faser nach Anspruch 33, bei dem die Belastungsverringerungsschicht (30) ein Wärmeausdehungsmodifizierungsdotiermittel enthält, das in einer Konzentration vorhanden ist, die sich vom radial äußeren zum radial inneren Bereich der Belastungsverringerungsschicht (30) erhöht.

37. Optische Faser nach Anspruch 36, bei der die Belastungsverringerungsschicht (30) ein Brechungsindexmodifizierungsdotiermittel enthält, das in einer Konzentration vorhanden ist, die sich vorn radial äußeren zum radial inneren Bereich der Belastungsverringerungsschicht (30) erhöht und den Brechungsindexmodifizierungseffekt des Wärmeausdehungsmodifizierungsdotiermittels ausgleicht, wodurch der Brechungsindex der Belastungsverringerungsschicht (30) über ihre gesamte Dicke im wesentlichen konstant ist.

38. Optische Faser nach einem der Ansprüche 33 bis 37, bei dem die Ummantelung eine ringförmige Sperrschicht (42) aufweist, die unmittelbar an den Kern (42) anliegt und eine Sperre gegen eine Diffusion von Dotiermitteln zwischen dem Kern und der restlichen Ummantelung radial von der Sperrschicht nach außen bildet.

39. Optische Faser nach Anspruch 38, bei der die maximale radiale Dicke der Sperrschicht (42) kleiner oder gleich 0,22 (αc.rc)/αb ist, wobei wobei αc der Wärmeausdehnungskoeffizient des Kerns, αb der Wärmeausdehnungskoeffizient der Sperrschicht und rc der Radius des Kerns ist.

40. Optische Faser zum Verstärken eines optischen Signals mit einer Wellenlänge λs mit einer optischen Faser (20) nach einem der Ansprüche 33 bis 39, einer mit der Faser gekoppelten Pumpe (22) zum Pumpen der Faser mit Pumplicht einer Pumpwellenlänge λp, einer Einspeisungseinrichtung zum Einspeisen eines zu verstärkenden Signals in den Verstärker und einer Ausgabeeinrichtung zum Ausgeben eines verstärkten Signals aus dem Verstärker.

41. Telekommunikationssystem mit einer Signalquelle (12) zum Erzeugen von Signalen mit einer Signalwellenlänge λs, einem Signalempfänger (14) zum Empfangen von Signalen mit der Signalwellenlänge und einer Übertragungsfaserleitung (16) zwischen der Quelle und dem Empfänger zum Übertragen der Signale, wobei die Leitung einen optischen Verstärker (18) nach Anspruch 40 aufweist.