此项发明涉及一种含有荧光掺入物质的光纤，用以对送入其中的光传输信号进行放大，并消除自由发发射在其内部产生的具有无用波长的辐射。 已知含有掺稀土材料芯的光纤可用在光放大器中，例如，用适当波长的泵浦源（例如532、670、807、980或1490毫微米）泵浦的掺铒芯线可以用作1550毫微米通讯波段内光信号的行波放大器。
这种光纤实际上可以由具有能将掺入物质原子提升到激发能态或泵浦带的特定波长的光源来提供光能，由此处这些原子在很短的时间内衰变到激光发射态，它们可在此态停留相对较长的时间。
当含有大量处于发射能级的激发态原子的光纤中有一波长与该激光发射态相应的光照信号穿过时，该信号导致受激原子跃迁到较低能级，并伴着波长与该信号相同的光发射;因此，这种光纤可用来实现光信号地放火。
从激发态开始，原子衰变也可以自发地发生，这就加强了构成叠加在相应于已放大信号的受激发射上的“背景噪声”的随机发射。
因光照泵浦能量输入“掺杂的”或有源的光纤中而产生的光发射可出现在掺入物质所特有的若干波长处，从而给出了光纤荧光光谱的基线。
为了利用上面这种光纤达到最大的信号放大倍数，同时又有高的信噪比，在光通讯中通常采用由激光发射器产生的波长与含有所用掺入物质的光纤的荧光光谱曲线的最大值相对应的信号。
具体地说，当考虑到光通讯信号的放大时，采用掺有铒离子（Er3 +）的芯的“有源”光纤是适宜的。
但是，上面所述这种放大器中的掺铒芯线的光谱增益曲线有两个特有的增益带。一个窄增益带中心大约在1530毫微米，而第二个较宽，但又较低的增益带中心大约在1550毫微米。
增益带的峰值波长和它们的光谱宽度取决于芯线基质玻璃的成分。例如掺有饵和氧化锗的石英芯线其较高增益带的峰值波长在1536毫微米处，而掺有饵和氧化铝的石英芯线其较高增益带的峰值波长在1532毫微米处。
在这两种情况下，较高增益带具有大约3至4毫微米的“3分贝线宽”，而由基质玻璃成分决定的较低增益带比较宽，具有大约30毫微米的“3分贝线宽”。前一增益带具有比后者更大的增益，但要求被放大的信号具有非常稳定而严格专一的中心波长。
这就要求采用工作在具有有限容差的固定波长的激光发射器作为传输信号源，因为超出这种容差极限的信号不会得到适当的放大，而同时在该峰值波长处会出现强自发发射，这会增强能够严重损害传输质量的背景噪声。
但是具有以上性能并工作于铒发射峰处的激光器生产起来既困难又昂贵，尽管普通的工业生产可提供诸如半导体激光器（In、Ga、As）之类的激光器，具有可使它们用于通讯的若干性能，但又具有相当大的有关发射波长的容差，因而这种激光发射器只有少数能以以上的峰值波长发射。
尽管在某些应用方面诸如海底通讯之类，可以进行选择而使用工作于固定波长值的传输信号发射器，例如通过严格的挑选从商品质量的激光器中找出，从而只用那些可进行极其接近于光纤放大器的激光发射峰的激光器，而当考虑到其它种类的线路诸如城市通讯线路时，限制安装成本是非常重要的，这种方法从经济观点来看是不可取的。
例如，用来实现激光发射的掺铒光纤在大约1536毫微米处有一发射峰，并在从所述发射峰值算起±5毫微米范围内具有高强度，可以用来放大在同一波长范围内的信号;但是，用于传输的商品半导体激光器通常制造的发射波长值在1520至1570毫微米范围内。
结果，大量商品激光器在适合于含铒放大的范围之外，因而不能用来在装有以上这种含铒放大器的线路中产生通讯信号。
另一方面，已知掺铒光纤在发射光谱中有上面所讨论的第二增益带，在邻近上面所述的窄增益峰的波长区域内具有相对较高而又基本上恒定的强度，并且宽得足以将上面提到的商品激光器的发射范围包括在其中。
但是，在这种光纤中波长在第二增益带内的信号以较低的倍数被放大，而从光纤的激光发射态开始的自发跃迁主要是伴随窄增益带波长1536毫微米处的发射而发生的，从而产生出通过有源光纤长度时将被进一步放大并且将遮盖掉有用信号的“背景噪声”。
可以设想，在放大器的端头对构成该“噪声”的光发射进行滤除，将波长唯一的传输信号送入线路，为此目的在有源光纤的端头装上适当的滤光片。
但是由于光纤中存在大部分在光纤最大放大倍数的波长处的自发发射，会减少用于不同波长传输信号放大的泵浦能量，从而使光纤就该信号本身的放大而言变成基本上无源的。
因此，将有源光纤用于光放大器，并和用于发射传输信号的商品激光发射器一起使用，而又不对所述激光发射器施行重大的质量限制措施，就成了问题。
此项发明旨在制成一种能在足够宽的波长范围内实现令人满意的放大的掺杂光纤，从而可以采用商品激光发射器，而又能避免材料的无用波长自发发射损害光纤的放大性能和形成相对于传输信号而言高强度的背景噪声。
这些结果是用附带的权利要求所述的光放大器达到的。
更多的细节从下面参照附带的图形所作的说明中可明显看出，其中
图1为采用有源光纤的光放大器示意图;
图2为用于图1示意图所示放大器的那种光纤中的荧光掺入物质的能量跃迁的示意图，该跃迁适合于产生传输信号的受激（激光）发射;
图3为掺Er3 +的石英基质光纤的受激发射曲线的示意图;
图4为基于此发明的光放大器的放大示意图;
图5为放大器的有源光纤沿图4中V-V线所取的截面;
图6为在本发明所述的有源光纤芯线中随波长而变的光传播系数曲线图;
图7为基于此发明的光纤部分的示意图，表示两芯线之间光能的周期变化曲线;
图8为另一个实施例中在共同包覆层内装有直径不同的放大芯线和衰减芯线的光纤构造的截面;
图9概略地表示图8光纤的两芯线的折射率曲线;
图10表示图8光纤的放大芯线的光谱增益曲线;
图11表示图8光纤的衰减芯线的衰减曲线;
图12为两芯线的耦合曲线
图13为能量传输曲线;
为了放大光通讯信号，适合采用由光纤制成的放大器;这些放大器的构造由图1作示意性的表示，其中标号1指示有波长为λs并由信号发射激光器2所产生的传输信号送入的光通讯光纤。
在经过一定线路长度之后会衰减的所述信号被送入双色耦合器3，在此它在唯一的引出光纤4上混入波长为λp并由泵浦激光发射器5所产生的泵浦信号。
与从耦合器引出的光纤4相连接的有源光纤6构成信号放大元件，而后被引至线路光纤7以求延伸到其目的地。
为了制成构成该装置中放大元件的有源光纤6，根据此发明的一个实施例，采用掺有Er2O3的石英基质光纤是适宜的，可以利用铒的激光跃迁来实现对传输信号的有效的放大。
所需的光纤折射率曲线可通过掺入氧化锗或氧化铝来方便地获得。
如与这种特殊光纤有关并象征性地表示分散于光纤石英基质内的铒离子的可供利用的能态的图2示意图所示，将具有短于传输信号波长λs的泵浦波长λp的光照能量引入有源光纤，可以使作为掺入物质存在于光纤玻璃基质内的一定数量的Er3 +离子到达“受激”高能态8，以下称为“泵浦”态，由此态离子自发衰变到作为激光发射能级的能级9。
在经过自发跃迁到达基态10之前Er3 +离子可以在该激光发射态9停留相对较长的时间。
已知从带8至能级9的跃迁伴随着散发到光纤之外的热发射（声子辐射），而从能级9到基态能级10的跃迁则产生波长相应于激光发射能级9的能量值的光发射。
如果含有大量处于激光发射能级的离子的光纤有波长与该发射能级相应的信号通过，该信号使得所述离子在自发衰变之前通过雪崩现象发生从发射态至基态的受激跃迁，在有源光纤的输出端产生大大放大了的传输信号发射。
在没有传输信号的情况下，反映每种物质不连续性质的从激光发射态的自发衰变，增强了峰值在相应于适用能级的不同频率处的荧光强度。
具体地说，如图3或图10所示，用于光放放大器的掺有Er3 +的Si/Al或Si/Ge型光纤，在1536毫微米波长处有一高强度的窄发射峰，而在更长波长长达大约1560毫微米处有一个区域，其中的发射尽管低于峰值区域的强度，仍具有高强度，形成一宽发射峰。
在有波长相应于1536毫微米处Er3 +发射峰的光信号引入光纤的情况下，会出现很强的信号放大作用，而由自的铒发发射所产生的背景噪声被抑制，使得光纤适用于供该波长信号用的光放大器中。
为了产生信号，可以购买并方便地采用具有典型的在1.52至1.57微米范围内的发射带的半导体类（In、Ga、As）激光器：前面已指出它们的生产方法不能保证所有成品都可进行具有相应于用作放大器的掺铒光纤的窄发射峰的准确频率值的传输信号发射，相反却可提供占很大百分比的信号处于与上面所述较低且较宽的发射峰相应的邻近所述窄发射峰的光纤发射曲线区域内的成品。
由所述激光发射器所产生的信号在上面所述那种掺Er3+光纤放大器中不能被放大到足够的增益，因为进入有源光纤中的泵浦能量大部分被用来放大在放大器有源光纤内部产生的与铒在1536毫微米波长处的自发发射有关的背景噪声。
因此，鉴于与掺铒光纤放大器配合采用上面那种激光发射器并且在整个生产容差范围内都予接受，也就是说，总体而言，鉴于允许将特定类型的激光信号发射器与具有由从激光态自发跃迁所产生的强背景噪声的荧光掺杂物配合使用，根据此项发明采取了措施来使用图4和5截面图所示的那种有源光纤，其中有两根芯线，分别为11和12，包在同一包覆层13内。
如图4所示意性地表示的，有源光纤芯线11一端连接到由双色耦合器引出的光纤4，另一端连接到线路光纤7，而光纤芯线12在有源光纤6的两端处被截断且不作其它连接。
光纤6两芯线11和12制作得可使当芯线11的掺杂物发射峰波长对应一最大值（在饵的情况下在1536毫微米处）而其幅值由光纤内相应光传播系数β1和β2如图6所象征性地表示的依赖于波长的变化曲线的走向在λ1和λ2之间所包括的范围内确定并且如图3所示基本上对应于产生噪声的窄发射峰本身的幅值时，β1和β2可实现两芯线11和12之间的光耦合。
通过对芯线的数值孔径、直径和间距作相应的选择，可选定适用于所需耦合的系数β1和β2。
作为说明，在同一包覆层中两不同芯线1和2之间的光能耦合P1和P2由下式表示：
P1（Z）＝1-Fsin2CZ 1）
P2（Z）＝Fsin2CZ 2）
其中F＝1/〔1-（Bd/C）2〕 3）
C = 〔B2d+ N2〕 1/2 4）
Bd＝（β1-β2）/2 5）
N=S1S24a1a24·U1U2[V1V2]3/2·K0[W1d/a1]K1[W1]K1[W2]6]]>
Si＝1-（ncl/nci）27）
其中下标1和2分别指示芯线1和2，C是耦合系数，ai是芯线i的芯线半径，Si是芯线i的数值孔径，βi是芯线i的传播系数，nci和ncl分别是芯线i和光纤包覆层的折射率，d是芯线中心之间的间距，Vi、Ui和Wi为表征芯线i的参数。
通过认真考虑以上参数的数值，有可能设计并制造出光耦合发生在以预定波长为中心的狭窄的预定带宽内的双芯光纤。
比如说在用铒作为芯线11的掺入物质的情况下，两芯线11和12的最佳耦合带宽可以在λ1＝1530毫微米和λ2＝1540毫微米的范围内。以上内容意味着在有源芯线11内传播并大体上构成由铒的自发发射所产生的“背景噪声”的波长接近1536毫微米的光，根据如1985年1月《美国光学学会学报》A第2卷第1期第84和90页上所述的已知的耦合定律，是周期性地从芯线11传向芯线12的。
在其中可出现如图7所示的在耦合波长处的从一芯线向另一芯线的完全的光能传输的光纤长度LB被称为拍长度并且取决于两芯线的特性，具体地说取决于其直径、折射率、数值孔径和相对间距。
而存在于芯线11中的传输信号其波长λs却不同于发生两芯线11和12之间耦合的波长，比如说等于1550毫微米，因而所述信号被限定在芯线11之内而不能被传输到芯线12;以同样的方式波长为λp比如说980毫微米或540毫微米的由耦合器3送入芯线11的泵浦光在芯线11中的传播特性阻止了它传送到芯线12，从而确保在后者之中没有泵浦能量。
芯线11和12都含有掺入物质;具体地说，此后也称作“有源”或“放大”芯线的芯线11掺有铒，而此后也称作“无源”芯线的芯线12掺有某种在整个光谱或至少在如前面所述作为“噪声”源的芯线11的掺杂物发射峰处具有高光吸收性能的，具体来说当饵被用作激光掺杂物时在大约1536毫微米处有峰值的物质。
用于此目的的在光谱范围内具有高光吸收性能的物质如在88304182.1号欧洲专利申请中所述，并且通常包括不同价的元素诸如Ti、V、Cr、Fe，处于其最低价态（TiⅢ、VⅢ、CrⅢ、FeⅡ）。
在特定波长即在人们希望消除的“有源”芯线11的掺杂物发射峰的波长处具有高光吸收性能的物质当中，采用与所述有源光纤相同的掺杂物是特别方便的;事实上加有充足的泵浦能量的荧光物质在特定波长处表现出一定的发射能力，而同一种物质当未加泵浦能量时会吸收波长与有泵浦的发射相同的光。
具体地说，在装有掺铒“有源”芯线11的情况下，第二芯线也可以方便地掺以铒。
以这种方式，因为铒吸收曲线出现与其荧光或激光发射曲线相应的增强，如图3所示，结果在1536毫微米的受激发射峰处有一个波长相同的相似的吸收峰。
结果，在有泵浦光的情况下由活性掺杂物（铒）从较高激光能级9自发衰变所产生的在芯线间耦合波长即1536毫微米处的荧光，当产生出来时就被自动传输到芯线12;但它不会被从芯线12再传输到其中有传输信号传导的芯线11，因为在所述芯线12内发生了输入光的基本上是完全的衰减，这种光是被存在于其中的掺杂物吸收掉了。
因此无用波长的发射被不断地从芯线11中去除并散布于芯线12之中，以至它无法再回到芯线11而且无法在光纤11中通过抽取用于传输信号放大的泵浦能量并叠加于其上而得以放大。
因此根据此发明制成的光纤可在整个有源光纤长度上进行对出现在芯线11中的光的连续滤除、当在1536毫微米处发射出的光子刚由E3 +r离子从激光发射能级的自发衰变产生出来时立即将它们吸收掉，从而阻它们在光纤中前进，那将导致在那个波长处的进一步衰变;因而所述光纤可以有基本上遍及芯线11的唯一的传输波长和泵浦波长。
从而传输波长λs可以从在其中铒具有一重要的激光发射值的整个范围内选出，比如说在图3所示的值λ2和λ3之间（象征性地对应于大约1540-1570毫微米），这使得用于传输信号发射的激光发射器可以自由选择，而不会导致有关采用具有包括在宽得足以接受大多数商品半导体激光器（In、Ga、As）的容差范围之内的不同波长的信号发射器的放大的性能差异。
可使两芯线的耦合在所需波长范围内得以实现的双芯光纤的特性可以从前面提到的文章中得出。
存在于光纤有源芯线11中的饵的量根据所用放大光纤长度上所需的增益来选定;换句话说，有源光纤长度选择得可在现有铒量的基础上获得既定的增益;作为光纤有源芯线11中的氧化物（Er2O3）的铒的总含量按重量计可在10和1000ppm之间变化。
在“无源”或“衰减”芯线12中具有高光吸收性能的掺杂物的含量必须顾及拍波长LB，使得芯线12中定义为在该长度之后光纤能量被降低因数l/e的消光长度L根据有关光能在衰减介质中传播的已知定律
P＝Poe-αL〕
至少比拍波长LB（与如图7所示的在耦合波长处从一芯线到另一芯线光能量的完全传输对应）低一个数量级：
L＜1/10LB;
芯线12的特性和光吸收掺杂物最好选择得可以确定出比拍长度低两个数量级（百分之一）的消光长度。
无源或衰减芯线12中的掺杂物含量可以等于或者高于放大芯线11中的含量，并可以高达10，000ppm或者更高，以至达到上面规定的限制。
掺入物质可通过比如说目前熟知的能确保满意的质量效果的所谓“固溶掺杂”方法或根据特殊要求通过其它也是熟知的方法混入光纤之中。
如图5所示，光纤6最好具有为传导光信号并接收泵浦光而设计的同轴装设在光纤包覆层13内的芯线11，而第二芯线12装设在偏心位置。
以这种方式，根据图4所示的示意图，有源光纤6与光纤4和7之间的连接可以以传统方式实现，而无需采用特殊方法，只需将光纤端头面对面放置并使用传统的连接设备通过控制它们的外表面使置于轴向位置的芯线11相应地与光纤4和7的芯线对准来完成光纤的校准而没有任何严重的连接损耗;处于偏心位置的芯线12不必与其它芯线连接，因而在双芯光纤6的端头处被截断而无需进一步的加工。
为了获得最高的放大效率，最好芯线11为用于信号波长和泵浦波长的两处的单模芯线，而芯线12也是至少用于λS处的单模芯线。
作为实例，已按图1所示的示意图制成了一个放大器，由一掺有Er3+的Si/Al型双芯有源光纤6构成，按重量计Er2O3的总含量为80ppm，以同等比例分布于两芯线11和12中。
芯线11和12都具有下列数值：
a＝3.1微米 （半径）
S＝0.105 （数值孔径）
n1＝1.462 （折射率）
d/a＝3.5 （两芯线11和12的间距d与芯线半径a之间比值，图5）
芯线11与光纤的外径同轴，有源光纤长30米。
采用一台工作于528毫微米处功率为150毫瓦的氩离子激光器作为泵浦激光发射器5，而采用一个功率为1毫瓦发射波长测定为1560毫微米的商品半导体激光器（In、Ga、As）作为信号激光发射器。
采用所述实验方案，在一被衰减到量值为0.5微瓦的输入信号基础上在放大器末端获得了27分贝的增益。
在放大器输入端用以模拟实用条件的信号衰减是用一可变衰减器来实现的。
在没有信号的情况下在放大器末端测得量级为10微瓦的自发发射。这种构成了由放大器产生的背景噪声的发射对于被放大到高得多的量级（大约250微瓦）的信号来说不算是严重的噪声。
为作比较，使用同样的传输信号发射器2，配以结构与前面例子相同但采用掺有Er3+的Si/Al“阶梯折射率”型的装有单芯且芯线内按重量计含有40ppm的Er3 +的有源光纤6;有源光纤长30米。
加有波长1560毫微米的传输信号的所述放大器表现出低于15分贝的增益，自发发射具有与输出信号可比的量值。
在如图8至13所示的另一个实施例中，光纤的构造如下：
a1＝2微米
S1＝0.196
a2＝4.45微米
S2＝0.135
d/a1＝9
其中芯线101为放大芯线，含有150ppm的Er2O3，而芯线102为衰减芯线，含有10，000ppm的Er2O3，埋设在共用的包覆层103内。
芯线最好也掺有氧化锗。
制成的光纤拉成125微米的标准外径。芯纤101的参数可确保其第二模截止处低于980毫微米，使其在选定的泵浦波长980毫微米处成为单模的。
图10表示该光纤放大芯线的光谱增益曲线，具有一个比图3中的峰更窄的主峰，而图11表示衰减芯线的衰减曲线。
图12表示方程5所用的随波长而变的芯线传播系数基（即β1～β2），表明传播素数相等处的同步波长出现在1536毫微米处，亦即窄带的峰值波长处。
图13表示芯线之间的能量传输效率（即方程3中的F），并且还表示在1536毫微米处的峰值耦合而在以1550毫微米为中心的较宽增益带内各波长处有明显较弱的耦合。
图8中的光纤的构造（即含有不同直径芯线的光纤）可以以窄带来进行滤光。
这是由于从芯线101向芯线102传输的波长带非常窄，并且通过带（未衰减）和截止带（衰减）的宽度之间的比值可以根据需要通过选择两芯线的相对直径来设定。
这使得可以设计出其中截止带宽度与放大芯线的饵增益峰宽度相符的芯线，以致噪声源可以被完全消除，而不会使对放大有用的频带变窄。
在用掺有氧化锗的光纤的情况下这种光纤为最佳，因为这种光纤具有可被消除而又不致降低传输信号带内增益的非常窄的增益峰。
图5中的构造（装有相同直径芯线的光纤）可以以宽带来进行滤光，具有宽度相近的通过带（未衰减）和截止带（衰减）。
具有图5中那种构造的光纤制造起来可以比装有不同直径芯线的光纤更容易;这种光纤最好能与装有着掺有氧化铝的芯线并且具有如图3所示比掺有氧化锗的光纤更宽的饵的主增益峰的光纤一起使用。
在这些光纤中衰减芯线的截止带宽度接近饵的主峰宽度，将引起噪声。
此发明的光纤构造可以通过将芯线线材插入用超声方法在高纯度石英或其它软玻璃的包覆线材上钻出的通孔中来制成。
用于放大芯线线材的钻孔是与包覆线材外圆同心的，而用于衰减芯线线材的钻孔平行于用于放大芯线的钻孔但偏离包覆线材轴线一预定距离。
芯线线材可以用固溶掺杂方法或用从适当的掺杂软玻璃的熔料中“抽”出的软玻璃线材来制成。当采用固溶掺杂方法来制造芯线线材时，芯线线材的直径可以用浸蚀或机械加土来控制。
用另外一种方法可以制成由包着放大芯线的包覆玻璃构成的预制材，并将衰减芯线插入在预制材包覆玻璃上用超声方法钻出的通孔内。
如从以上例子可以看出的，由于在有波长为1560毫微米的信号的情况下采用单芯光纤的放大器表现出较低的增益，还会引起使信号接收发生困难的噪声，以至所述放大器实际上是无用的，根据此发明采用有源光纤的放大器，正如从最初提到的例子中明显可见的，业已证明它有在同样1560毫微米波长的信号的情况下提供高放大增益的能力，而引起的背景噪声可忽略不计。
因此在通讯线路中采用根据此发明制成的放大器使得所述线路能够传输由商品激光发射器产生的传输信号，对这些发射器可采用宽的生产容差并且同时可确保基本上恒定的放大性能而不依赖于所用信号发射器的实际发射值。
可以作出许多改动而并不偏离此项发明由其总体特性所决定的范围。