CS529490A3 - Wide-band optical amplifier - Google Patents

Description

Vynález se týká optického vlákna obsahujícího dopovací látkylaserové emise, zejména pro použití ve vláknových optických zesi-lovačích pro optické telekomunikační linky, dopovaného erbiem jakodopovací látkou laserové emise, a uzpůsobeného pro příjem telekomu-nikačního signálu z laserového vysílače v předem určeném rozsahuvlnových délek.

Je známo, že optická vlákna, ve kterých je jádro dopovánozvláštními látkami, například ionty vzácných zemin, mají charakte-ristiky stimulované emise vhodné pro použití jako laserové zdrojea optické zesilovače.

Tato vlákna mohou být napájena zdrojem světla o zvláštní vl-nové délce, které je schopno přivést atomy dopovací látky do vybu-zeného energetického stavu nebo čerpacího pásma, ze kterého atomyspontánně přecházejí ve velmi krátkém Čase do stavu laserové emise,ve kterém zůstávají po poměrně dlouhý Čas.

Když vlákno mající vysoký počet atomů vybuzených na úroveňemise je zatíženo světelným signálem o vlnové délce odpovídajícístavu laserové emise, způsobí světelný signál přechod vybuzenýchatomů na nižší úroveň a světelná emise má stejnou vlnovou délkujako signál; vlákno tohoto druhu může být tedy užito k získánízesílení optického signálu.

«ř-i-W* * *> * «íg í Mí«4*<c»\>i>^«á»řuO&amp;V7.4 ťVbr ?”V>AJ*ř ’í( -2- Z vybuzeného stavu může přechod atomu proběhnout také spontánně,což dává vzniknout náhodné emisi tvořící "šum pozadí" překrývajícístimulovanou emisi odpovídající zesilovanému signálu.

Tyto jevy probíhají na více vlnových délek v závislosti na do- povací látce a dávají vzniknout fluorescenčnímu spektru. Za účelem získání maximálního zesílení signálu pomocí vlákna výše popsaného typu současně s vysokým poměrem signál/šum se normálně používá signál o vlnové délce odpovídající maximu křivky fluorescenčního spektra vlákna obsahujícího použitou dopovací látku; tento signál je generován laserovým vysílačem.

Například může být jako zesilovací vlákno použito vlákno, je-34- 34- hož jádro je dopováno ionty hliníku (AI ) a ionty erbia (Er^ ),jak je uvedeno v britské přihlášce vynálezu č.£813769. Nicméněfluorescenční spektrum erbia mé v rozsahu požadovaných vlnovýchdélek zvláště úzký emisní vrchol, který vyžaduje použít jako zdrojvysílacího signálu laserový vysílač pracující na velmi přesně de-finované vlnové délce při omezené odchylce, nebol sýgnály přestu=pující tuto odchylku by nebyly správně zesíleny, protože by současnědocházelo na příslušné vlnové délce k silnému zesílení šumu pozadí.

Laserové vysílače mající výše uvedené vlastnosti se nesnadněa nákladně vyrábějí, přičemž obecná průmyslová výroba těchto pří-strojů má v emisní vlnové délce spíše větší odchylky.

Zatímco v některých aplikacích, například v podmořských komu-nikačních linkách, by měly být použity vysílače přenosového signálupracující na přesné vlnové délce, získané například pečlivým výbě-rem mezi komerčně dostupnými lasery, takže by se použily pouze ty,které mají emisi těsně u vrcholu laserové emise zesilovacího vlákna,není tento postup přijatelný z ekonomického hlediska pro jiné druhy MM»-. «> ,#^ιΛΚ>νυυ,·,Μ^ ίμ5Ρ*ή»<- -’«>« „-Λ^- ,««.-. tV; ii -3- linek; například pro městské komunikační linky, když je třeba důle-žité omezit zřizovací náklady*

Například vlákno podle výše uvedeného patentového spisu, ktei^šbylo dopováno ionty hliníkuJ^ro změnu incexu lomu a ionty erbiafprč?umožnění laserové emise, má emisní vrchol na 1531 nm, který v roz-sahu +5 nm od této hodnoty ukazuje vysokou intenzitu a mohl by být « použit pro zesílení; tudíž pro práci s tímto optickým vláknem jelepší použít signál ve stejném rozsahu vlnových délek. Nicméněkomerčně dostupný polovodičový laser, který by byl vhodný k použití,je obvykle vyráběn s hodnotami emisní vlnové délky v rozmezí od1520 do 1570 nm.

zesílení. druhé straně je známo, že vlákna dopovanáoblast s vvsokou a v podstatě stálou intenzitou rozmezí vlno- erbiemfmají v emisním Výsledek je ten, že velký počet komerčně dostupných laserů jemimo požadovaný rozsah a tedy nemůže vysílat signál uzpůsobený prosprávné

Na spektru vých délek přilehlou k výše popsanému vrcholu a mají rozsah signáluvýše uvedených komerčně dostupných laserů. Nicméně v tomto optickémvláknu signál přiváděný na vlnové délce odlehlé od maxima vrcholuemise by tyl zesílen v omezené míře, nebot spontánní přechody ze sta-vu laserové emise ve vláknu hlavně nastávají při emisi na vlnovédélce vrcholu spektra, na 1531 nm, takže vyvíjejí "šum pozadí",který by byl dále zesílen v délce vlákna a překrýval by užitečnýsignál. '1- <'·4^.'.· . . >.» , , -4-

Je možno uvažovat o provedení filtrace světelné emise tvořící"Šum" na konci zesilovače přijetím pouze vlnové délky signálu proúčel zajištění vhodného filtru na konci aktivního vlákna. Nicméněpřítomnost nežádoucí emise ve vláknu v rozsahu maximálního zesílenívlákna by odebírala čerpací energii, tudíž by činila vlákno v pod-statě neúčinným s ohledem na zesílení signálu.

Jsou rovněž známy interferenční foltry, které mohou být umís-těny na rozličných místech podél zesilovacího vlákna, leč známéfiltry tohoto druhu jsou vytvořeny z diskrétních součástek, kterénejsou vyrobeny z vlákna &amp; tedy vyžadují ve vzduchu svazky světla,což je činí nevhodnými pro průmyslové využití.

Problém tedy spočívá ve vytvoření aktivního optického vláknapoužitelného v optických zesilovačích a vhodného k použití současněs komerčně dostupnými lasery pro emisi přenosového signálu bezdalších omezení. Úkolem předloženého vynálezu je tedy vytvoření dopovanéhooptického vlákna schopného dát uspokojivé zesílení v dostatečněširokém rozsahu vlnových délek, aby bylo umožněno použít komerčnědostupné lasery při zamezení spontánních emisí materiálu na nežá-doucích vlnových délkách, které by vedly ke snížení zesilovacíschopnosti vlákna a působily sum pozadí vysoké intenzity vzhledemk přenášenému signálu.

Vynález tudíž vytváří optické vlákno obsahující dopovací látkylaserové emise, zejména pro použití ve vláknových optických zesilo-vačích pro optické telekomunikační linky,· dopované erbiem jako dopo-vací látkou laserové emise, a uzpůsobené pro příjem telekomunikačního

*&amp; ř *£~k« -5- signálu z laserového vysílače v předem určeném rozsahu vlnovýchdélek, jehož podstata spočívá v tom, že obsahuje další dopovacílátku rozptýlenou podél vlákna, kterážto dopovací látka má absorpcipro světlo vlnové délky nižší než 1540 nm podstatně vyšší, než jeabsorpce, kterou dává další dopovací látka pro světlo mající vlno-vou délku měnící se od 1540 nm k horní mezi předem určeného rozsahuvlnových délek vysílacího signálu®

Ve zvláště výhodném provedení předloženého vynálezu další do-povací látkou je samarium ve formě trojmocného kationtu^SM^J, . Koncentrace samaria ve vláknu s ohledem na koncentraci erbiapřítomného ve vláknu, vyjádřená jako, procentní podíl hmotnostiobsažených oxidů je: rsm2°3]

Vynález dále vytváří optický zesilovač, zejména pro optickételekomunikační linky pracující s vysílacím signálem v předemurčeném rozsahu vlnových délek, obsahující aktivní optické vláknos laserovou emisí dopované erbiem, jehož podstata spočívá v tom,že aktivní optické vlákno obsahuje další dopovací látku rozptýle-nou podél vlákna a mající absorpci pro světlo vlnové délky nižšínež 1540 nm podstatně vyšší než má další dopovací látka pro světloo vlnové délce měnící se z 1540 nm k horní mezi předem určenéhorozsahu vlnových délek vysílacího signálu»

íSMSKtXWtWíieLlíŮAXttW

-6-

Vynález je znázorněn na výkrese, kde obr.l je schéma optického zesilovače s aktivním vláknem, obr.2 je diagram energetických pře- chdů vlákna vhodného pro zesilovač podle: obr.1, kteréžto přechody jsou uzpůsobeny k vyvíjení stimulované (laserové) emise, obr.3 je diagram křiyky stimulované emise křemíkového optického vlákna do-{foa:£k>,Y/y £. 3+\ ‘ povanéhoV/Al^ ) aolEr 1 obr.4 je diagram křivky stimulované emise m' fa obr.p.jefícini dj agram absorpce světla optického křemíkového vlákna dopovaného/· K zesilování telekomunikačních signálů v optickém vláknu můžebýt výhodně použit zesilovač vytvořený z vlákna. Struktura takovéhozesilovače je schematicky znázorněna v obr.l, kde je optické tele-komunikační vlákno 1, do kterého se vysílá přenosový signál vlnovédélky Λ generovaný laserem 2 emitujícím signál. Tento signál,který se po projití určitou délkou vlákna zeslabí, se vede do di-chroického vazebního členu 2, kde je na jediném výstupním vláknu £spojen s čerpacím signálem vlnové délky Λ vyvíjeným čerpacím la-sérovým vysílačem 2· Aktivní vlákno 6 připojené k výstupnímu vlák-nu £ dichroického vazebního členu 2 tvoří prvek zesilující signál,který je potom zaveden do vlákna 2 linky, aby byl veden k místuurčení.

Pro vytvoření aktivního vlákna 6 tvořícího zesilovací prvekv jednotce je výhodné použít optické vlákno na bázi oxidu křemiči-tého v dopovaném roztoku obs^u jícím cp^oAs^r^ CM druhu popsanéhonapříklad ve výše uvedené britské přihlášce vynálezu č.8813769,které umožňuje výhodné zesílení přenášeného signálu dosažené vy-užitím laserových přechodů erbia.

p U&amp;Vťíf r“/ -7-

Jak je patrno z diagramů v obr,2 týkajícího se vlákna zmíně-ného typu a znázorňujícího možné energetické stavy pro lont erbia Υ&amp;ζΰζΥ v roztoku ve vláknu s matricí na bázi oxidu křemi zavedení světelné energie na čerpací vlnové délce λ nižší než je vlnové sr délkjJ Xg přenášeného signálu do aktivního vlákna uvede určitý po-čet iontů^Ér^+^ přítomných v matrici skla vlákna jako dopovací lát-ka do "vybuzeného" energetického stavu 8, dále uváděného jako "čer-pací" pásmo, ze kterého ionty spontánně přecházejí na energetickou úroveň 2 tvořící úroveň laserové emise. v 3 a

Na úrovni laserové emise £ mohou iontyj/kar /setrvat poměrnědlouho než podstoupí spontánní přechod na základní úroveň IQ.

Je známo, že zatímco přechod z pásma 8 na úroveň 2 je spojens emisí termálního typu, která je rozptýlena do okolí vlékna (fono-nové záření), přechod z úrovně £ na základní úroveň 10 vyvíjísvětelnou emisi na vlnové délce odpovídající energetickým hodno-tám úrovně 2 laserové emise. Když vlákno obsahující velké množstvíiontů na úrovni laserové emise je zatíženo signálem vlnové délkyodpovídající této úrovní emise, tento signál způsobí stimulovanýpřechod těchto iontů ze stavu emise do základního stavu před jejichspontánním přechodem kaskádním jevem vyvíjejícím emisi vysoce zesí-leného signálu na výstupu aktivního vlákna.

Za nepřítomnosti přenášeného signálu způsobuje spontánní pře-chod ze stavu laserové emise, což je diskrétní číslo typické prokaždou látku, luminiscenci mající vrcholy na rozličných frekven-cích odpovídajících možným úrovním. Tak například, jak je patrno 'k. .V Λ '.( Λ,/Οί^·.> )'',í , ',* 'f,1 a U^liííVtW/íVí· ΛΡ •ÍJ^X.ívV·!· -Jx'í J ,/υ.Λ;.'.- Ji ‘.«víj-/. . i> i >. wts i > s.“ i 4>j »· i ’ 'j ·- ΐϊ'·

-IBS -8- icwt

•U <’x- z obr»3, vlákno na bázi Si/Al doi&amp;vánéřQSr^j a vhodné pro použitív optických zesilovačích má na vlnové délce 1531 nm emisní vrcholvysoké intenzity, zatímco při větší vlnové délce, přibližně 1560 nmmáíoblast, ve které je emise také silná, avšak intenzii^trmnohemnižší. V přítomnosti světelného signálu zavedeného do vlákna na vlnové// 3 λ délce odpovídající vrcholu emise/ffir^ /při 1531 nm nastává velmi sil-né zesílení signálu, zatímco šum pozadí způsobený spontánní emisíerbia je omezený, což činí vlákno vhodným pro použití v optickémzesilovači pro signál této vlnové délky.

Komerčně dostupné a obvykle používané lasery generující signálpolovodičového typu (In,Gá,As) mají typické emisní pásmo v rozsahuod 1^52 do 1,57 mm/ To znamená, že jejich výrobní technika neníschopna zajistit emisi přenášeného signálu na přesné hodnotě kmi-točtu odpovídající emisnímu vrcholu vlákna dopovaného erbiem použí-vaného jako zesilovač, ale naopak dává vysoké procento vyrobenýchkusů, ve kterých je signál lokalizován v oblastech emisní křivkyvlákna přilehlých ke zmíněnému emisnímu vrcholu.

Signál vyvíjený zmíněnými laserovými vysílači by nemohl být

zesílen k dosažení dostatečného zisku v zesilovači s optickým(ik/Tf/y g/vW vláknem hh dopovaným^Er^výše popsaného typu, protože čerpací ener-gie zavedená do aktivního vlákna by byla z největší části použita k zesílení šumu pozadí vyvíjeného uvnitř aktivníhp vlákna samotnéhozesilovače v souvislosti se spontánní emisí erbia/íía vlnové délce 1,531 nm.

Nicméně bylo pozorováno, že vlákno obsahující určité množstvr o λ 3+\ samaria [Snf /jako další dopovací látky spolu s/ffir”2 Imá křivku sti-mulované emise v rozsahu vlnových délek typu znázorněného v obr.4,

«eígs#?*“' \ -9- prostou vrcholu lokalizovaného u 1,531 nm o vysoké intenzitě, a mána druhé straně vysokou a téměř stélou hodnotu v širokém rozsahu mezi 1,530 a 1,560 nm·

Toto vlákno by také mohlo být použito v optickém zesilovačipracujícím se signály vyvíjenými komerčně dosažitelnými laserovýmivysílači, nebo£ má schopnost vyvíjet zesilovací účinek s uspokojivýmziskem na přenášeném signálu ve zmíněném rozsahu vlnových délek bezpřidávání nepřijatelného množství "Šumu".

Jako příklad byl sestrojen zesilovač podle schématu znázorně- při obsahu 40 ppm hmotnostilffirgO^ a 60 ppm

ného v obr.l, obsahující, aktivní vlákno 6 typu "step index" Si/Aldbpované/fEr' j amin? J přihmot no s t if/Sm^ OA Délka aktivního vlákna je 30 m.

Byl použit čerpací laserový vysílač £, laser s ionty argonu,pracující na 528 nm s výkonem 150 mW, zatímco jako laserový vysí-lač 2 signálu byl použit komerčně dostupný laser polovodičovéhotypu (In;Ga,As), který měl výkon 1 mVÍ a změřenou emisní vlnovou délku1,560 nm. S tímto pokusným uspořádáním byl za zesilovačem ve směru pře-nosu dosažen zisk 27 dB při vstupním signálu 1 mW. V nepřítomnosti signálu byla změřena úroveň spontánní emise10 /Ul za zesilovačem ve směru přenosu.

Takováto emise tvořící šum pozadí vytvářená zesilovačem ne-představuje významný šum v poměru k signálu, který je zesilován namnohem vyšší úroveň (asi 250 yuW ).

Pro srovnání byl použit stejný laserový vysílač 2 přenášenéhosignálu se zesilovačem majícím stejné uspořádání jako v předešlémpřípedě, avšak při použiti aktivního vlákna 6 typu "step index"

i -10- \er&amp;ižZJ, 3+<

Si/Al dopovanéhc^Er·3 ^obsahujícího 40 ppm hmotnosti/(Er*' y, přičemžaktivní vlákno mělo délku 30 m.

Tento zesilovač dával při přenášeném signálu na vlnové délce1,560 nm zisk nižší než 15 dB, přičemž spontánní emise byla na úrovnisrovnatelné s úrovní výstupního signálu·

Jak plyne z výše popsaných příkladů, zatímco zesilovač podledruhého příkladu dával snížený zisk a způsoboval takový sum, že příjempřenášeného signálu byl obtížný, takže zmíněný zesilovač byl prak-ticky nepoužitelný, zesilovač používající aktivní vlákno podlepředloženého vynálezu, jak je zřejmé z prvního příkladu, dokázalschopnost vysokého zesilovacího zisku současně se zanedbatelnýmzavedeným šumem. Získaný výsledek je způsoben přítomností samaria jako dalšídopovací látky v aktivním vláknu, ve skutečnosti se samarium chovájako absorbér emise na vlnové délce erbia na 1,531 nm a současněneabsorbuje v podstatné míře světelnou energii na vyšší vlnovédélce, takže '‘srovnává” touto cestou emisní spektrum aktivníhovlákna, takže toto může účinně působit na přenášené signály v roz-sahu dostatečně širokém pro využití většiny komerčně dostupnýchpolovodičových laserů (In,Ga,As).

Jak je znázorněno v obr.5, který znázorňuje 'atteórpční křivkupro jednotku délky vlákna typu Si/Al dopovaného samariemj^Xpůsobujepřítomnost samaria ve vláknu pro vlnovou délku podstatně nižšínež 1,540 nm značně vyšší absorpci^než je absorpce znázorněná mezi1,540 nm a 1,560 nm. To znamená, že samarium zavedené do vlákna

-11- podle předloženého vynálezu se chová jako "filtr" rozptýlený podélaktivního vlákna absorbující fotony vyslané na 1,531 nm, pokudjsou fotony vyvíjeny pro spontánní přechod úrovně laserové emise takže se takto zamezí jejich dopředný pohyb v aktivnímvláknu způsobující další přechody pro tuto vlnovou délku, tedy sni- žující čerpací energii v rozsahu vlnových délek blízkém hodnotě, na které je vysílán užitečný signál a vyvíjející zesíle‘ný sum pozadí.

Množství erbia obsažené v aktivním vláknu se volí podle žáda-ného zisku'pro použitou délku vlákna, to znamená, že délka vláknase volí podle množství erbia obsaženého ve vláknu v závislosti napožadovaném zisku. Obvykle se erbium obsažené ve vláknu ve forměoxidu^Er^OJ mění od 10 do 100 ppm hmotnosti vlákna. V souvislosti s těmito hodnotami koncentrace erbia ve vláknuje koncentrace samaria podle hmotnosti ve formF oxidu^Sm^O^ stejnánebo s výhodou vyšší než koncentrace erbia a její rozsah je dán vztahem ts®2°33 CEr~G~ j

Dopovací látky mohou být do vlákna zavedeny například techni-kou "dopování roztokem", která je dobře známa a dává uspokojivékvalitativní výsledky, nebo jinými známými technikami podle speci-fických okolností. Nehledíc na skutečnost, že vynález byl popsánve vztahu k použití samaria jako dopovací látky v aktivním vláknu,mohou být pro stejný účel použity i jiné dopovací látky za předpo-kladu, že mají vysokou absorpci světla odpovídající vlnové délce í

1 maxima spontánní emise erbia, zejména na 1,531 nm a mající současněabsorpci světla podstatně nižší pro vlnové délky vyšší než tatovlnová délka^ přednostně vyšší než 1,540 nm pro celý rozsahvlnových délek odchylky komerčně dostupných laserových vysílačů signálu.

Aby’ nebyl ovlivněn čerpací výkon zesilovače požadovaný proprovádění populační inverze způsobující laserovou emisi v optickémvláknu, kterýžto čerpací výkon se přivádí do vlákna ve formě svě-telného záření na vlnové délce nižší než Je vlnová délka přenáše-ného signálu, dopovecí látka přidávaná k erbiu ve vláknu nemůžemít, Jako samarium, podstanou absorpci světla n&amp; čerpací vlnovédélce, to Je především na 528 nm nebo 960 nm.

Je zřejmé, že lze provést řadu obměn, aniž by se vybočilo z rámce gaišlenky- vynálezu

Claims (2)

1. P ATS T o v f Úroky X. 1· Optické vlákno obsahující dopovací látky laserové emise,zejména pro optické zesilovače pro optické telekomunikační lin-ky, přičemž zmíněné optické vláknoobsahujeerbium jakodopova-cí látku laserové emise a je uzpůsobeno pro příjem telekomuni-kačního signálu z laserového vysílače v předem určeném rozsahu vlnových délek, vyznačující se tím, že^obsahuje samarium (Srn)_ ve formě trojmocného kationtu (Sm^Xy/jakodalši dopovací létku"^ frozptýlenou podél zmíněného optického vlákna/
2. ’ 2· Optické vlákno podle bodu 1, vyznačující se tím, že obsaherbia (Er) v optickém vláknu je od 10 do 100 ppm hmotnostních,»3» Optické vlákno podle bodu 2, vyznačující se tím, že koncen-trace samaria (Srn) ve vztahu ke koncentraci erbia (Er) ve zmí-něném optickém vláknu vyjádřená jako procentní podíl hmotnostíobsažených oxidů je CSm2°3 J [Er2O3]