CZ2005227A3 - Spojovací prvek a zpusob výroby spojovacího prvkupro navázání signálu a cerpání do dvouplástového optického vlákna - Google Patents

Abstract

Spojovací prvek a zpusob výroby spojovacího prvkupro navázání signálu a cerpání do dvouplástového optického vlákna (7) podle vynálezu spocívá v tom,ze signálové vlákno (3) a cerpací vlákno (9) jsouprímo napojena na celo DC-vlákna (7) se specifickým tvarem prurezu, pricemz napojení je realizováno ve svárecce optických vláken po dobu 1 az 2 sekundy za pouzití svárecího proudu o hodnote 10 az 18mA, pricemz presah vláken pri sváru je v rozmezí 5 az 20 mikrometru a spojovaná vlákna jsou s výhodou ulozena v drázce s lichobezníkovým profilem. Výhodou tohoto resení je jednodussí a dostupnejsí technologie, ve které není zapotrebí zarízení pro výrobu bikonických svarovaných vazebních clenu jako u jiných metod celního navazování zárení, ani zavádení difrakcního elementu jako u metod bocního cerpání. K napojení cerpacího a signálového vlákna (3, 9) na DC vlákno (7) stací svárecka optických vláken. Dalsí výhoda naseho usporádání vyplývá z tvaru DC vlákna, který je co nejfíce prizpusoben napojovaným optickýckým vláknum, viz obrázek, rez B-B. Jak asymetricky umístené jádro (6), tak nekruhový tvar prispívají k úcinné absorpci cerpání podél vlákna.

Description

Spojovací prvek a způsob výroby spojovacího prvku pro navázání signálu a čerpání do dvouplášťového optického vlákna

Oblast techniky

Vynález se týká nového řešení navázání signálu a čerpání do dvouplášťového optického vlákna pro optické zesilovače a zdroje záření, zvláště pro jedno- nebo málomodové vlnovodné lasery, širokopásmové zdroje, optické zesilovače, zařízení s čerpáním přes plášť, ramanovská vláknová zařízení.

Dosavadní stav techniky

Lasery si za více než čtyři desetiletí od svého objevu našly místo v mnoha oblastech lidské činnosti. Generace záření v laseru je založena na jevu stimulované emise záření (LASER, Light Amplification by Stímulated Emission of Radiation) v aktivním prostředí. Aktivním prostředím může být skleněné optické vlákno dopované prvky vzácných zemin, hovoří se pak o vláknových laserech, resp. vláknových zesilovačích. První vláknový laser experimentálně demonstrovali J. Koester a E. Snitzer již začátkem šedesátých let (C. J. Koester and E. Snitzer. „Amplification in a fiber laser”. Applied Oplics, 3(9):1182, 1964.)

Dlouhou dobu se pohlíželo na vláknové lasery jako na laboratorní kuriozitu, která poskytuje zajímavé provozní vlastnosti ovšem s nízkým výstupním výkonem a jen málo aplikacemi. Obnovení zájmu o vláknové lasery a zesilovače nastalo v polovině osmdesátých let, kdy výzkumný tým na University of Southampton v Anglii, vedený Davidem N. Paynem, ukázal, že ionty prvku vzácné zeminy erbia mohou ve vláknech vyvolat optické zesílení na vlnové délce kolem 1550 nm, využívané v komunikačních systémech (R. J. Mears, L. Reekie, I. M. Jauncey, D. N. Payne, „Low-noise erbium-doped fibre amplifier operating at 1.54 m, El. Lett., 23(19):1026-1028, 1987.)

Nasazení a rozvoj erbiem dopovaných vláknových zesilovačů (erbium doped fiber amplifier, EDFA) začátkem devadesátých let znamenalo v optických komunikacích podobně převratné změny jako masový vstup optických vláken do telekomunikací zhruba o desetiletí dříve. Vedle typických aplikací EDFA v páteřních optických sítích jsou v současnosti intenzivně studovány i další aplikace vláknových zesilovačů a laserů v telekomunikacích i mimo ně. Vláknové zesilovače se začínají nasazovat v přístupových sítích a sítích kabelové televize CATV. Atraktivním zdrojem optických pulsů pro budoucí komunikační systémy s vysokou přenosovou rychlostí mohou být vláknové lasery založené na modulační nestabilitě. Vláknové lasery s pasivní • · modovou synchronizací generující pulsy řádu stovek femtosekund mohou najít využití v ramanovské spektroskopii a Q-klíčované vláknové lasery s velkou energií v pulsu jsou součástmi detekčních systémů LID AR (LIght Detection And Ranging). Slibné aplikace jsou také v medicíně, v oční chirurgii a zubním lékařství.

Důležitým pokrokem ve vývoji vláknových zesilovačů a laserů byl objev metody mnohomodového čerpání aktivního prostředí v dvouplášťových (double-clad, DC) vláknech (E. Snitzer, H. Po, R. Tumminelli and B. C. McCollum, Double-clad, offset core Nd fíbre laser, In Digcst of Conf. on Optical Fibre Sensors, páper PD5, New Orleans, USA, 1988. publisher: IEEE, New York. E. Snitzer, H. Po, R. P. Tuminelli and F. Hakimi, “Optical fíber lasers and amplifíers”, U.S. patent 4 815 079, March 21,1989.)

Protože čerpání je navazováno do oblasti mnohomodového vnitřního pláště s relativně velkým průměrem a nikoliv jen do oblasti jednoniodového jádra, je možné k čerpání použít výkonové laserové diody s velkou vyzařovací plochou a nízkou zářivostí. Objev metody čerpání pláštěm tak umožnil mnohonásobné zvýšení průměrného výstupního výkonu optického signálu vláknových laserů až do řádu stovek wattů (V. Dominie, S. MacCormack, R. Waarts, S. Sanders, S. Bicknese, R. Dohle, E. Wolak, P. S. Yeh, E. Zucker, 110W fibre laser, Electronics Lett., 35(14):11581160, 1999.)

Mnohowattové široce přeladitelné vláknové lasery s technologií čerpání pláštěm jsou vhodné zdroje signálu pro výkonové testování optických komponent pro sítě vlnového multiplexu WDM (wavelength division multíplexing). V sítích WDM je přenášeno i několik desítek signálů v jednom optickém vlákně najednou, celkový přenášený výkon dosahuje až stovek mW a testování spolehlivosti komponent při vysokých optických výkonech se tedy stává nezbytné. Yterbiové vláknové lasery jsou používány jako čerpací zdroje ramanovských laserů.

Pro využití dvouplášťových optických vláken ve vláknovém zesilovači je třeba vyřešit současné navázání čerpání do vnitřního mnohomodového pláště a signál do jednoniodového jádra. Ačkoliv bylo vyvinuto několik metod pro navázání záření do DC-vláken, čerpání DC-vláken zůstává pro řadu aplikací závažným problémem. Dosud popsané metody lze rozdělit do dvou skupin podle směru navazování čerpání. V prvním případě je čerpání navazováno ve směru osy dvouplášťového vlákna na jeho čelo. Nejprve bylo realizováno kombinování signálu a čerpání na vstupu aktivního vlákna pomocí objemových optických prvků a čoček a tento způsob byl stále zdokonalován,( Η. M. Pask, J. L. Archambault, D. C. Hanna, L. Reekie, P. S. Russell, J. E. Townsend and A. C. Tropper, Operation of cladding-pumped Yb-doped silica fíber lasers in 1□m region, Electronics Lett., 30(11): 863-865, 1994.) • · · · · · • · · · · · · ···· • · ·· ······· · · • · ··· ·· · ··· ···· ·· · ·« ···

W. A. Clarkson and D. C. Hanna, Two-mirror beam-shaping technique for high-power diodě bars, Optics Letí., 21(6): 375-377, 1996.

V tomto případě jc ovšem ztracena výhoda šíření signálu optickým vláknem a proto je výzvou nalézt jiný vhodný způsob, který zachovává přednosti vláknové optiky. Byly patentovány způsoby s použitím směrového vláknového vazebního členu buď vytvořeného z jednomodového a jednoho mnohomodového vlákna (V. P. Gapontsev and I. Samartsev, “Coupling arrangement between a multi-mode light source and an optical fiber through an intermediate optical fíber length” U.S. patent 5 999 673, December 7, 1999.) anebo několika mnohomodových čerpacích vláken, soustředěných okolo jednomodového signálového vlákna (D. J. DiGiovanni and A. J. Stentz, “Tapered fíber bundles for coupling light into and out of cladding-pumped fiber devices,” U.S. Patent 5 864 644, January 26, 1999.)

Druhým způsobem je příčné navázání čerpání z boku aktivního vlákna buďto nějakým difrakěním prvkem, např. hranolem (T. Weber, W. Luthy, H.P. Weber, V. Neuman, H Berthou, G. Kotrotsios, A longitudinal and side-pumped single transverse-mode double-clad fiber laser with a speciál silicone coating, Optics Communications, 115(1-2): 99-104, 1995. prostřednictvím Vdrážky lRipin95, D. J. Ripin and L. Goldberg, High efficiency side coupling of light into optical fibres using imbedded V-grooves, Electronics Lett., 31(25):2204-2205, 1995.) ,(L. Goldberg, “Method and apparatus for side pumping an optical fiber”, U.S.Patent 5 854 865, December 29, 1998), přiložením šikmo zbroušeného čerpacího vlákna k částečně zbroušenému plášti DC-vlákna (J. J. Larsen and G. Vienne, “Side pumping of double-clad photonic crystal fibers”, Opt. Lett. 29(5):436-438, 2004.) nebo zapuštěním zrcadla do pláště DC-vlákna (J. P. Koplow, S. W. Moore and D. A. Kliner, “A new method for side pumping of double-clad fiber sources”, IEEE J. Quantum Electronics 39(4):529-540, 2003 )

Chytrý způsob je prosté smotání několika holých vláken, jak čerpacích mnohamodových tak jednomodového vlákna dopovaného prvky vzácných zemin; a obklopení takového vláknového copánku prostředím s nižším indexem lomu, které tvoří vnější plášť vláknového vlnovodu (A. B. Grudinin, D. Payne, P. W. Turner, Μ. N. Zervas, M. Ibsen and Μ. K. Durkin, Int. patent WO 00/67350 (Priority data 30.4.1999)

S. U. Alam, J. Nilsson, P. W. Turner, M. Ibsen, A. B. Grudinin and A. Chin, „Low cost multiport reconfígurable erbium doped cladding pumped fiber amplifier“, European Conference on Optical Communication, ECOC'2000, Můnchen, Germany, páper 5.4.3, 2000, patentováno pod názvem GTWave technology, využíváno ve výrobcích firmy Southampton Photonics, Velká Británie • 9 · » · ·· · ♦ · • ···

Dalším problémem specifickým pro čerpání pláštěm je zajistit účinnou absorpci čerpání podél DC-EYDF. Např. v případě kruhového průřezu vlákna je selektivně absorbována část čerpání šířící se středem vlákna, tzv. meridiální paprsky, zatímco kosé (mimoosové) paprsky jádro míjejí a tlumeny nejsou. Útlum, absorpce čerpání není homogenní podél celého vlákna, ale po absorpci meridiálních paprsků na počátku vlákna se již čerpání šíří téměř beze ztrát. Vlákno se standardním, kruhovým průřezem je proto pro čerpání přes plášť nejméně vhodné. Podobná situace nastává v případě obdélníkového průřezu vlákna a jiných průřezů. Optimální pro aplikace dvouplášťových aktivních vláken je zajistit maximální absorpci čerpání ve vláknu, tj. zajistit homogenní útlum podél celého vlákna. Toho lze dosáhnout vhodným návrhem tvaru vnitřního pláště, který zajistí tzv. chaotickou dynamiku šíření paprsků V. Doya, O. Legrand and F. Mortessagne, Optimized absorption in a chaotic double-clad fiber amplifíer, Opt. Lett., 26(12):872-874, 2001. ( P. Leproux, S. Février, V. Doya, P. Roy and D. Pagnoux, Modeling and Optimization of Double-Clad Fiber Amplifiers Using Chaotic Propagation of the Pump, Optical Fiber Technology, 7(4):324-339, 2001.), (P. Peterka, V. Matějec a I. Kašík, „Optimální tvar průřezu vlákna pro pláštěm čerpané vláknové lasery a zesilovače“, vyšlo ve sborníku konference Optické komunikace 2003, Praha, 21-22. října, str. 125-130). V takovém chaotickém dvouplášťovém vlákně se při libovolném způsobu buzení dosáhne po jisté délce vlákna statisticky rovnoměrného rozložení intenzity záření po průřezu.

Podstata vynálezu

Předmětem vynálezu je zařízení -spojovací prvek a způsob navázání signálu a čerpání do dvouplášťového optického vlákna, jehož podstata spočívá vtom, že signálové vlákno a čerpací vlákno (resp. vlákna) jsou přímo napojena na čelo DC-vlákna se specifickým tvarem průřezu, přičemž napojení je realizováno ve svářečce optických vláken.

Toto řešení navázání je tak principiálně odlišné od existujících metod současného navazování čerpání a signálu ve směru osy DC-vlákna ,které využívají jako mezistupeň pro kombinaci signálového a čerpacích vláken speciální vazební člen.

Výhodou zde navrhovaného řešení je jednodušší a dostupnější technologie, ve které není zapotřebí zařízení pro výrobu bikonických svařovaných vazebních členů jako u jiných metod ani zavádění difrakčního elementu jako u metod bočního čerpání .K napojení čerpacího a signálového vlákna na DC vlákno stačí svářečka optických vláken. Další výhoda našeho uspořádání vyplývá z tvaru DC vlákna, který je co nejvíce přizpůsoben napojovaným optickým vláknům, viz obrázek 1., řez B-B. Jak asymetricky umístěné jádro, tak nekruhový tvar přispívají k

·· 9 ······ • 9 9 · ♦ 9 • · · · 9 · 9 99 · 9999999 9 9

9 9 9 9 9 ·· 9 99999 účinné absorpci čerpání podél vlákna. Preforma DC vlákna je vytvořena technologií MCVD (Modified Chemical Vapour Deposition) a dopováním jádra prvky vzácných zemin, např. prvky erbia a yterbia z roztoku (solution doping technique .

Specifického průřezu a asymetrické polohy jádra jez výchozích válcových preforem dosaženo broušením. Tažení vlákna z preformy probíhá za nižších teplot než je obvyklé u standardních vláken, aby byl co nejvíce zachován nekruhový tvar průřezu preformy. Při tažení je na vlákno nanášen pokryv např. z polysiloxanového polymeru nebo fluorovaného akrylátu. Tento pokryv musí mít nižší index lomu než má křemenný materiál vlákna, takže vnitřní, křemenný plášť vlákna tvoří mnohamodový vlnovod pro šíření čerpání.

Přehled obrázků na výkresech

Vynález bude blíže vysvětlen pomocí výkresů a obrázků.

Obr. 1. znázorňuje spojovací prvek pro navázání záření jak čerpání i (vedeného v mnohamodovém vlákně 9) tak signálu 2 (vedeného v jedno- nebo málomodovém vlákně 3) do jednoho, dvouplášťového vlákna 7. Signálové a čerpací optická vlákna jsou kčelu dvouplášťového vlákna připojeny svárem 8. Oblast sváru je stejně jako dvouplášťové vlákno pokryta materiálem 4, např. polymerem s nižším indexem lomu než je křemenné optické vlákno. Díky specifickému návrhu průřezu dvouplášťového optického vlákna, který zajišťuje chaotické šíření paprskuje čerpací záření rozloženo rovnoměrně po průřezu mnohamodového vláknového vlnovodu 5. Signál se šíří v jedno- nebo málomodovém jádře 6.

Obr. 2. je snímek sváru dvou optických vláken standardního průměru 125 Qm na DC-vlákno. Jedná se o pohled shora, nalevo jsou dvě optická vlákna, která odpovídají signálovému vláknu 3 a čerpacímu vláknu 9, a napravo jedno, DC-vlákno 7.

Na Obr. 3 je mikroskopová fotografie zalomeného konce vlákna, ze které je patrný průřez DCvlákna 7.

Obr. 4 znázorňuje řez drážkou pro uchycení vláken ve svářečce pro snadnou orientaci vláken vůči sobě.

Pro srovnání je na Obr. 5 znázorněna standardní V-drážka.

Příklady provedení

Příklad í

Obr. 6 znázorňuje provedení spojovacího prvku pro navázání signálu a čerpání do dvouplášťového vlákna jehož preforma je vybroušena z jedné, kruhové preformy. Průřez odpovídající výchozí kruhové preformě je naznačen čárkovaně. Čerpání je přivedeno do • ·

9

99 ·· · · · • · · 9 9 • · · · 9 • ·· · · · · · • · · · • ···· ·· 9 dvouplášťového vlákna jedním optickým vláknem a signál je také přiveden do dvouplášťového vlákna jedním optickým vláknem.

Příklad 2

Obr. 7 znázorňuje provedení spojovacího prvku pro navázání signálu a čerpání do dvouplášťového vlákna jehož preforma je vybroušena z jedné, kruhové preformy. Průřez odpovídající výchozí kruhové preformě je naznačen čárkovaně. Čerpání je přivedeno do dvouplášťového vlákna dvěma optickými vlákny a signál je přiveden do dvouplášťového vlákna jedním optickým vláknem.

Příklad 3

Obr. 8 znázorňuje provedení spojovacího prvku pro navázání signálu a čerpání do dvouplášťového vlákna jehož preforma je složena ze dvou zbroušených preforem. Průřez odpovídající výchozím kruhovým preformám je naznačen čárkovaně. Čerpání je přivedeno do dvouplášťového vlákna jedním optickým vláknem a signál je také přiveden do dvouplášťového vlákna jedním optickým vláknem

Příklad 4

Obr. 9 znázorňuje provedení spojovacího prvku pro navázání signálu a čerpání do dvouplášťového vlákna jehož preforma je složena ze tří zbroušených preforem. Průřez odpovídající výchozím kruhovým preformám je naznačen čárkovaně. Čerpání je přivedeno do dvouplášťového vlákna dvěma optickými vlákny a signál je přiveden do dvouplášťového vlákna jedním optickým vláknem.

Průmyslová využitelnost

Navrhované řešení může být využito jak ve vláknových zesilovačích pro optické komunikace, tak ve výkonových vláknových laserech, které mají mnoho jiných oblastí využití, kromě optických komunikací např. ve strojírenství (zpracování materiálu, mikrosváření) letecká doprava (systémy LID AR), ochrana životního prostředí (monitorování znečištění ovzduší). Způsob napojení dvou vláken najedno se specifickým průřezem zajišťujícím chaotické šíření paprsků může být využít pro konstrukci Y- a X- ninohamodových vazebních členů pro optovláknové senzory.

« 44

4 4 4

4

4

4

444 4444

4 4

4 4

4 4 4

4 4444

4 4

4

4 4444

4 4

4 4 4 4

4 4

4 4

4 4 44

0Γ-&4

PATENTOVÉ NÁROKY

Claims (5)

1. PATENTOVÉ NÁROKY

   1. Spojovací prvek pro navázání signálu a čerpání do dvouplášťového optického vlákna pro vláknové zesilovače a lasery vyznačující se tím, že signálové a čerpací optická vlákna jsou k čelu dvouplášťového vlákna připojeny svárem.
2. 2. Spojovací prvek podle nároku 1. vyznačující se tím, že průřez dvouplášťového vlákna má tvar zkoseného obdélníku ajeho vnější rozměry jsou stejné jako společný průřez vstupních vláken.
3. 3. Způsob výroby spojovacího prvku podle nároku 1. a 2. vyznačující se tím, že signálové optické vlákno a čerpací optické vlákno se k čelu dvouplášťového vlákna připojí svařením, s výhodou ve svářečce optických vláken, po dobu 1 až 2 sekundy za použití svářecího proudu o hodnotě 10 až 18 mA, přičemž přesah vláken při sváru je v rozmezí 5 až 20 mikrometrů.
4. 4. Způsob výroby spojovacího prvku podle nároku 3. vyznačující se tím, že spojovaná vlákna jsou uložena v drážce s lichoběžníkovým profilem.
5. 5. Způsob výroby spojovacího prvku podle nároku 3. a 4. vyznačující se tím, že při polohování dvou vláken kruhového průřezu do drážky svářečky se jedno z vláken uchytí ke svářečce optických vláken pevně a další vlákno nebo vlákna se v drážce svářečky nastaví 'pomocí mikroposuvu tak, aby čela vláken ležela v jedné rovině, načež se vlákna v drážce pevně uchytí přítlačnou západkou.