CZ280356B6

CZ280356B6 - Optický zesilovač

Info

Publication number: CZ280356B6
Application number: CS91300A
Authority: CZ
Inventors: Giorgio Grasso; Aldo Righetti
Original assignee: Pirelli Cavi S.P.A.
Priority date: 1990-02-12
Filing date: 1991-02-07
Publication date: 1995-12-13
Also published as: PL164373B1; IT9019341A1; KR910015871A; IT9019341A0; AU642698B2; HK2596A; IE910440A1; IT1237980B; DE69107872D1; JPH04298724A; ATE119690T1; NO910530D0; FI910649A0; MY105414A; FI910649L; HU910420D0; FI104294B; AR247795A1; HU216235B; ES2072523T3

Abstract

Optický zasilovač, zejména pro telekomunikační linky s optickým vláknem (1), zahrnující aktivní vlákno (7) obsahující fluorescenční dopovací látku v příslušném optickém jádru (12) mající emisi na vlnové délce přenášeného signálu, kte- rý má být zesílen, přičemž se do optického vlákna (1) přivádí světelný čerpací signál, kde op- tické aktivní vlákno (7) je vlákno, které v podstatě v přímé části (16) umožňuje monomodální přenos světla na čerpací vlnové délce a je uspořádáno alespoň v 70 % své délky v zakřivené části (11) s poloměrem ohybu (Rc) odpovídajícím přenosu pouze základního modu ve vláknu samém na čerpací vlnové délce, čímž se sníží průměr modu na přenosové vlnové délce bez přenášení vyšších modů pro čerpací signál.ŕ

Description

Oblast techniky

Vynález se týká optického zesilovače, zejména pro komunikační vedení s optickým vláknem, zapojitelného sériově do optického vlákna vedení, obsahujícího laserový zdroj čerpacího výkonu, dichroický vazební člen mající dva vstupy připojené jeden k optickému vláknu vedení nesoucímu přenášený signál a druhý k čerpacímu zdroji, a výstup připojený k jednomu konci aktivního vlákna, obsahujícího fluorescenční dotující látku v jeho optickém jádru, s laserovou emisí v pásmu vlnových délek odpovídajícím vlnové délce, na níž se po optickém vláknu vedení přenáší signál, přičemž dotující látka aktivního vlákna je uvedeným čerpacím výkonem vybuditelná do excitovaných stavů.

Dosavadní stav techniky

Je známo, že optická vlákna mající dotované (dopované) jádro získané použitím zvláštních látek, jako jsou ionty vzácných zemin, mají vlastnosti stimulované emise vhodné k použití jako laserové zdroje a optické zesilovače.

Tato vlákna mohou být napájena ze zdroje světla určité vlnové délky, označené jako čerpací vlnová délka, která je schopná uvést dotované atomy do vybuzeného (excitovaného) energetického stavu nebo do čerpacího pásma, ze kterého atomy přecházejí spontánně za velmi krátkou dobu do stavu laserové emise, ve kterém zůstávají poměrně dlouhou dobu.

Když vláknem majícím vysoký počet atomů ve vybuzeném stavu na úrovni laserové emise prochází světelný signál mající vlnovou délku odpovídající takovému stavu laserové emise, signál způsobí přechod vybuzených atomů na nižší úroveň, přičemž emise světla má stejnou vlnovou délku jako signál. Vlákno shora popsaného typu může být proto využito k dosažení zesílení signálu, a zvláště, například k vytvoření linkových zesilovačů pro optická vedení, schopných uvést utlumený přenášený optický signál na vysokou úroveň po dlouhé cestě vláknem v telekomunikačním vedení s optickým vláknem.

Optické zesilovače shora popsaného typu jsou například známé z italské přihlášky vynálezu č. 22120 A/89 téhož přihlašovatale, ve které je použito aktivní vlákno jednovidového typu jak na přenášecí vlnové délce (vlnové délce přenosu), tak na čerpací vlnové délce.

Tato vlákna, která jsou jednovidová při vlnové délce přenosu i na čerpací vlnové délce, mají rozdílné rozdělení světelného výkonu v průřezu vlákna a zejména je světelný výkon přenášeného signálu je rozdělen po větší ploše průřezu vlákna než ve které je přítomen čerpací výkon.

Fluorescenční dotující látka, která působí zesílení přenášeného signálu, je soustředěna v jádru vlákna a vlákno ve známých zesilovačích je navrženo tak, aby čerpací výkon byl také obsažen v této oblasti, takže může být úplně využit k vybuzení fluores

-1CZ 280356 B6 cenění dotující látky na úrovni laserové emise. Protože se však část výkonu přenášeného signálu přenáší do vlákna vně oblasti, ve které jsou přítomny fluorescenční dotující látka a čerpací výkon, plyne z toho, že pouze část zmíněného signálu je k dispozici v oblasti vlákna, ve které může být zesílena.

Shora popsaný jev způsobuje omezení účinnosti zesílení zesilovače, uvažované jako zisk přenášeného signálu na jednotku čerpacího výkonu.

Podstata vynálezu komunikační optického vlákna výkonu při dva vstupy přenášený signál k jednomu konci dotující látku v

Uvedené nedostatky odstraňuje optický zesilovač, zejména pro vedení s optickým vláknem, zapojitelný sériově do vedení, obsahující laserový zdroj čerpacího čerpací vlnové délce, dichroický vazební člen mající připojené jeden k optickému vláknu vedení, nesoucímu a druhý k čerpacímu zdroji, a výstup připojený aktivního vlákna, obsahujícího fluorescenční jeho optickém jádru, s laserovou emisí v pásmu vlnových délek odpovídajícím vlnové délce, na níž se po optickém vláknu vedení přenáší signál, přičemž dotující látka je uvedeným čerpacím výkonem vybuditelná do excitovaných energetických stavů, jehož podstatou je, že aktivní optické vlákno je v jeho v podstatě přímočarém uspořádání jednovidové v pásmu vlnových délek obsahujícím vlnovou délku přenášeného signálu a mnohovidové při čerpací vlnové délce čerpacího zdroje, přičemž aktivní vlákno je uspořádáno v optickém zesilovači v zakřiveném tvaru v alespoň 70 % své celkové délky, s poloměrem zakřivení odpovídajícím jednovidovému šíření při čerpací vlnové délce čerpacího zdroje.

S výhodou je aktivní vlákno zakřiveno s poloměrem zakřivení od 20 do 140 mm, nejvýhodněji od 35 do 100 mm.

Podle výhodného provedení vynálezu je aktivní optické vlákno v jeho zakřiveném uspořádání jednovidové v pásmu vlnových délek 1 520 do 1 570 nm a je nabuditelné do excitovaného energetického stavu uvedeným čerpacím výkonem při vlnové délce 980 nm (±10 nm) a fluorescenční dotující látka v aktivním vláknu je erbium.

S výhodou má aktivní vlákno nejméně jednu zakřivenou část mající poloměr zakřivení odpovídajícím jednovidovému šíření při čerpací vlnové délce čerpacího zdroje, přičemž tato část navazuje na nejméně jednu přímočarou část, přičemž délka zakřivené části nebo součet délek zakřivených částí je větší než 70 % celkové délky aktivního vlákna.

Podle obzvláště účelného provedení vynálezu má aktivní vlákno jedinou zakřivenou část, mající poloměr zakřivení odpovídajícím jednovidovému šíření při čerpací vlnové délce čerpacího zdroje, přičemž přímočará část nebo části aktivního vlákna v počtu nejméně jedné leží na nejméně jednom z obou konců aktivního vlákna. S výhodou je v tomto případě aktivní vlákno zakřiveno s poloměrem zakřivení odpovídajícím jednovidovému šíření při čerpací vlnové délce čerpacího zdroje po jeho celé délce s výjimkou koncových přímočarých částí, mající každá délku menší než 400 mm. Koncové přímočaré části aktivního vlákna mají s výhodou délku menší než 200 mm.

-2CZ 280356 B6

Vynález umožňuje zvýšit účinnost vzhledem ke známým optickým zesilovačům. V optickém zesilovači podle vynálezu mají výkon přenášeného signálu a výkon čerpacího signálu v podstatě shodné rozdělení v průřezu aktivního vlákna a jsou také soustředěny v oblasti vlákna, ve které je přítomná fluorescenční dotující (dopující) látka.

Přehled obrázků na výkresech

Vynález je blíže vysvětlen v následujícím popisu na příkladech provedení s odvoláním na připojené výkresy, kde na obr. 1 je schéma optického zesilovače používajícího aktivní vlákno, na obr. 2 je schéma energetických přechodů vlákny typu použitého v zesilovači z obr. 1, uzpůsobených pro vyvíjení stimulované laserové emise, na obr. 3 je schéma vzájemných vztahů čerpací, přenášené a mezní vlnové délky, na obr. 4 je grafické znázornění radiálního rozdělení intenzity světla v optickém vláknu, na obr. 5 je schéma uspořádání aktivního vlákna v optickém zesilovači podle vynálezu, na obr. 6 je půdorys optického vlákna z obr. 5, na obr. 7 je schéma ukazující změny průměru vidu v optickém vláknu v závislosti na vlnové délce a na obr. 8 je grafické vyjádření zisku v optickém zesilovači v závislosti na délce použitého aktivního vlákna.

Příklady provedení vynálezu

Pro účel zesílení signálů v telekomunikačních vedeních s optickými vlákny se obvykle užívají zesilovače s optickými vlákny. Struktura takových zesilovačů je schematicky znázorněna v obr. 1, kde zesilovač obsahuje telekomunikační optické vlákno 1, do kterého se přivádí přenášený signál o vlnové délce Z_svyvíjený laserovým emitorem 2. Signál utlumený potom, co prošel určitou délkou telekomunikačního vedení, se zavádí do optického zesilovače 2, který v podstatě sestává z dichroického vazebního členu 4, kde je připojen na jediném výstupním vláknu 5 k čerpacímu signálu vlnové délky λρ, vyvíjenému čerpacím laserovým emitorem 6. Aktivní vlákno 7, připojené k výstupnímu vláknu 5 dichroického vazebního členu 4, tvoří zesilovací prvek signálu, který je potom opět zaveden do telekomunikačního optického vlákna i a postupuje do místa určení.

K vytvoření aktivního vlákna 1_ zesilujícího světelný signál se použije optické vlákno z oxidu křemičitého, které je dotováno fluorescenční látkou uzpůsobenou k vyvíjení světelné emise, která je stimulována za přítomnosti světelného signálu, který jí je tak zesilován.

Jako fluorescenční látka se obvykle používá oxid erbitý Er₂O3, který může mít stimulované přechody, označené také jako laserové přechody na vlnových délkách vhodných pro přenos telekomunikačních signálů na velké vzdálenosti.

Jak je znázorněno v diagramu v obr. 2 pro vlákno shora uvedeného typu představujícím možné energetické stavy pro roztok erbiových iontů v základní hmotě vlákna na bázi oxidu křemičitého, uvede zavedení světelného výkonu do aktivního vlákna na čer

-3CZ 280356 B6 pací vlnové délce A_p nižší než je vlnová délka A_s přenášeného signálu určitý počet iontů erbia Er³⁺, přítomných jako dotující látka ve skleněné základní hmotě vlákna do excitovaného energetického stavu 8, označeného jako čerpací pásmo, ze kterého ionty spontánně přecházej í na energetickou úroveň 9 tvořící úroveň laserové emise.

Je známo, že zatímco přechod z pásma 8 na úroveň 9 je spojen s emisí tepelného typu, která je rozptýlena mimo vlákno (fononová radiace), přechod z úrovně 9. na základní úroveň 10 vyvíjí světelnou emisi vlnové délky odpovídající energetické hodnotě úrovně 9 laserové emise. Když vláknem obsahujícím velké množství iontů na úrovni laserové emise prochází signál vlnové délky odpovídající takové úrovni emise, signál způsobí stimulovaný přechod těchto iontů ze stavu emise do základního stavu před jejich spontánním přechodem, s kaskádním jevem způsobujícím emisi velmi zesíleného přenášeného signálu u výstupu aktivního vlákna.

Na obr. 4 je schematicky znázorněn konec aktivního vlákna 7 v axiálním řezu, přičemž jádro 12 a plášť 13 takového vlákna mají různé indexy lomu. Pro využití jako aktivního vlákna v zesilovači ' ' ' ^4je dotující latka erbium ER přítomna v jádru 12.

K získání vysokého zisku zesílení je vhodné, aby aktivní vlákno 7. bylo jednovidového typu pro vlnovou délku přenášeného signálu i pro čerpací vlnovou délku, jak je uvedeno v italské přihlášce vynálezu č. 22120 A/89 stejného přihlašovatele.

Jak je podrobně vysvětleno ve zmíněné přihlášce vynálezu, je aktivní vlákno dimenzováno tak, že mezní vlnová délka Λ _cj (nazývaná také cut-off length), nad kterou se ve vláknu šíří pouze základní vid, je nižší než vlnová délka přenášeného signálu A_si nižší než vlnová délka Ap čerpacího záření.

Důležité veličiny pro účel volby mezní vlnové délky jsou v podstatě číselná apertura NA vlákna a průměr jádra vlákna.

Číselná apertura NA vlákna, s profilem indexu lomu v podstatě typu s jeho skokovou změnou, je definována vztahem:

Na = (nj² - n₂ ²)^1//2 kde ny je index lomu jádra vlákna a n₂ je index lomu pláště vlákna .

Jak je známo, mohou být požadované indexy lomu jádra a pláště dosaženy volbou koncentrace primární dotující látky v jádru a v plášti nebo volbou koncentrace dotující látky měnící index lomu, přidané do předvýrobku, z něhož se vlákno vyrábí způsoby, dobře známými v oboru.

Dotující látky používané pro tyto účely jsou obvykle oxid germaničitý GeO₂ a oxid hlinitý A1₂O₃.

Světelné záření uvnitř vlákna, mající vlnovou délku pro kterou je šíření ve vláknu jednovidové, to znamená vyšší než mezní

-4CZ 280356 B6 vlnová délka vlákna, způsobuje radiální rozdělení intensity světla typu znázorněného na obr. 4, s křivkami 1-^ a I₂, jejichž průběh v podstatě odpovídá Gaussovu typu s maximální intensitou I_maxpodél osy vlákna a se zmenšujícími se hodnotami až do nuly směrem k obvodu vlákna.

Na základě shora uvedeného rozdělení je definován průměr vidu jako průměr, u kterého je intensita světla ve vláknu:

1	^max *

e²

^{kde I}max

CCITT G.652 Telephone).

maximální intensita světla ve vláknu podle normy (Consultative Comittee International Telegram and

Jak je patrno z výkresu, největší část přenášeného světelného výkonu je v podstatě obsažena uvnitř průměru vidu.

Pro účinné zesílení je důležité mít vysokou hustotu čerpacího výkonu v jádru 12 vlákna, kde je přítomná fluorescenční dotující látka, takže může být udržena vysoká populační inverze v dotující látce, tj. vysoký podíl atomů dotující látky dostupných pro zesílení na vyšší laserové úrovni 9 ve srovnání s jejich podílem v základním stavu 10. Čerpací výkon přenášený vně jádra, kde není přítomna dotující látka, je v podstatě neúčinný pro účely inverze dotující látky na vyšší laserové úrovni.

Přenášený signál samotný by měl mít intenzitu s radiálním rozdělením ve vláknu podobným rozdělením čerpacího signálu, aby mohl být přenášen v oblasti vlákna, ve které je přítomno nejvíce světelného čerpacího výkonu, takže signál může být účinně zesílen .

Za tím účelem je třeba, aby průměry vidu čerpacího signálu a přenášeného signálu si byly co možná nejvíce podobné.

V optickém vláknu typu majícího jádro 12 a plášt 12, jak je znázorněno na obr. 4 v souvislosti s diagramy rozdělení intenzity světla v radiálním směru pro čerpací signály i přenášené signály, je průměr vidu φ₃ na přenášené vlnové délce \_s, kde křivka radiálního rozdělení světelné intenzity je dána křivkou S na výkrese, podstatně větší než průměr vidu φ& na čerpací vlnové délce s křivkou intenzity P, a v podstatě odpovídá průměru jádra 12. Shora uvedené skutečnosti znamenají, že významná část světelného signálu se nešíří do oblasti aktivního vlákna, do které se přivádí látka.

čerpací energie a ve které je přítomna dotující

Je totiž hodnoty vlnové třeba vzít v úvahu, že průměr vidu, který je pro délky velmi blízké k mezní vlnové délce X_c vlákna

-5CZ 280356 B6 průměru jádra vlákna, pro jak je znázorněno v obr. je jednovidové na čerpací v podstatě stálý a nepříliš odlišný od větší vlnové délky Λ značně vzrůstá, 7. Aby se tedy zajistilo, že vlákno vlnové délce \ _p, například v případě zesilovačů majících aktivní vlákno dotované erbiem, na 980 nm (± 10 %), musí být užito vlákno mající mezní vlnovou délku A_c nižší než 980 nm a dosáhne se velmi vysoký průměr vidu na přenosové vlnové délce A který je značně větší než průměr vidu na čerpací vlnové délce Λ Velká část přenášeného signálu se tak nešíří do oblasti vlákna, ve které může být zesílena.

Shora popsané chování nastává, když aktivní vlákno má přímočarý nebo v podstatě přímočarý tvar, kde výraz v podstatě přímočarý tvar znamená, že vlákno není podrobeno geometrickým deformacím schopným značné přetvořit jeho optické chování. Z tohoto důvodu norma (CCIT, Instruction G.652) stanovuje hodnocení teoretické mezní vlnové délky na základě profilu indexu lomu ve vláknu a mezních vlnových délek za provozních podmínek.

Zmíněná norma zvláště bere v úvahu možnost měření mezní vlnové délky vinutého vlákna, přičemž měření se provádí na jednom závitu vlákna o poloměru 140 mm. Zjištěná změna mezní vlnové délky za těchto podmínek ve srovnání s teoretickou hodnotou je spíše malá, přičemž se očekává rozdíl nižší než 5 % vzhledem k teoretické mezní vlnové délce.

Podle vynálezu se volí aktivní vlákno zesilovače jednovidového typu pouze na přenášené vlnové délce A_s, tj. mající hodnotu mezní vlnové délky A_c2 nižší než A_s, avšak podstatně vyšší než Λ_ρ, jak je znázorněno v obr. 3.

S tímto vláknem je průměr vidu na přenášené vlnové délce, zvláště v rozsahu od 1 520 do 1 570 nm, vhodném pro použití zesilovačů majících aktivní vlákno dotované erbiem, při přenášené vlnové délce (tj. vlnové délce, na níž se přenáší signál) velmi blízké k mezní vlnové délce, je dostatečně malý, v podstatě velmi blízký k průměru jádra vlákna. Základní vid čerpacího signálu má naopak průměr velmi blízký k průměru jádra vlákna a výkon přenášeného signálu je tedy udržován v podstatě v té oblasti vlákna, kde je přítomen čerpací signál a aktivní dotující látka.

Aktivní vlákno je uspořádáno v jeho zakřivené části 11 v přilehlých závitech, tvořících zesilovač, jak je znázorněno v obr. 5 a 6, například navinutých na válcovém nosiči a podobně. Zakřivení vlákna je zvoleno podle vynálezu s poloměrem R_c podstatně menším než 140 mm, aby se umožnil přenosu pouze základního vidu ve vláknu právě pro vlnové délky nižší než shora uvedená vlnová délka A_C2 ^a zejména právě pro čerpací vlnovou délku A_p·

Zakřivení vlákna způsobí přenos pouze základního vidu pro vlnové délky, které se zmenšují, jak roste zakřivení vlákna, to je jak se zmenšuje poloměr R_c. Je tedy možné určit poloměr zakřivení Rp pro který pro danou vlnovou délku a zejména pro čerpací

-6CZ 280356 B6 vlnovou délku je možný ve vlákně pouze přenos základního vidu.

Poloměr zakřivení R_c zvolený pro aktivní vlákno má být tedy menší nebo rovný shora uvedenému poloměru Rp. Protože však zakřivení může být způsobeno mechanickým zeslabením struktury vlákna, způsobením jeho náchylnosti k lomům nebo popraskání, použije se však v praxi přednostně poloměr zakřivení rovný Rp nebo mu blízký.

Volba vhodné hodnoty zmíněného zakřivení umožňuje vyloučit z aktivního vlákna vidy vyšší než čerpací vlnová délka, takže ve vláknu je veden pouze základní vid čerpacího signálu, při udržování mezní vlnové délky působící malý poloměr vidu ve vláknu na přenosové vlnové délce.

Tímto způsobem je možné dosáhnout zvláště vysoké účinnosti zesílení, to je vysokého zisku zesílení na jednotku čerpacího výkonu, takže k dosažení žádaného zesílení může být použito kratší vlákno, jak je znázorněno v obr. 8, kde je zřejmé, že může být dosažen zisk G_Q s aktivním vláknem délky použitím vlákna o mezní délce A_C2 > ^{980 nm} podstatně nižší než je délka L₂potřebná k dosažení stejného zisku s vláknem majícím mezní vlnovou délku < 980 nm.

V dichroickém vazebním členu 4 vytvořeném na základě zásad uvedených ve zmíněné přihlášce vynálezu č. 22120 A/89 je dopravní vlákno 5 přenášených signálů připojených k čerpacímu signálu jednovidového typu na obou vlnových délkách. Toto vlákno tedy má průměr vidu na přenosové vlnové délce A_s vyšší než průměr modu v aktivním vláknu podle vynálezu. Svar mezi vlákny 5 a 7 způsobuje útlum přenášené vlnové délky vlivem takového rozdílu průměrů.

Další útlum světla nastává ve svaru mezi aktivním vláknem a optickým vláknem 1 telekomunikačního vedení. Ačkoliv komerčně dostupná vlákna, používaná jako linková vlákna, jsou jednovidového typu pouze na přenášené vlnové délce, v uvedeném rozsahu od 1 520 do 1 570 nm, mají spíše vysoký průměr vidu pro účely snadnosti vytvoření spojů a podobně rovný nebo větší než průměr vidu vlákna 5 vazebního členu.

Celkový zisk G_ex v zesilovači je dán vnitřním ziskem aktivního vlákna G£_n, zmenšeným o ztráty útlumem A_s vlivem svarů mezi různými vlákny. K dosažení tohoto výsledku se tedy od aktivního vlákna vyžaduje zisk G^_n = G_ex + A_g.

Použití vlákna podle vynálezu, majícího vidu, způsobí větší ztráty vlivem svarů ve srovnání aktivními vlákny, která jsou jednovidová také na avšak tyto přídavné ztráty velmi malý průměr se známými vlnové délce avšak tyto přídavné ztráty se obecně jeví jako zanedbatelné ve srovnání se získaným zvýšením účinnosti.

Minimální poloměr ohybu R_c vhodného aktivního vlákna je větší než asi 20 mm a pod touto hodnotou se mechanické napětí zakřiveného vlákna stává kritické a navíc ztráty svary v místech spo-7CZ 280356 B6 jení dosahují významných hodnot, vyplývajících z velkého rozdílu mezi průměry modu aktivního vlákna a linkového vlákna nebo vlákna vystupujícího z vazebního členu, zatímco poloměry ohybu větší než 140 mm jsou málo použitelné pro dosažení významného posunutí mezní vlnové délky. Výhodný je R_c > 35 mm a ještě výhodnější je 50 mm R_c < mm.

V souvislosti s uvedenými poloměry ohybu je maximální hodnomezní vlnové délky za podmínek přímočarého tvaru, umožňujících 980 nm, když je vlákno ta jednovidový přenos čerpacího signálu na zakřiveno v odpovídajícím poloměru ohybu, bez dosažení zmíněných kritických hodnot s ohledem Á_c = okolo 1 280 nm, což poloměru ohybu R_c = 50 mm = asi 1 100 nm a průměr vid čerpacího signálu má průměr na mechanickou pevnost vlákna, rovna odpovídá průměru vidu asi 4 μη. Při je hodnota mezní vlnové délky rovna vidu je asi 5,3 μη, zatímco základní asi 3,8 až 4 μη.

Pro jednovidové vlákno při přímočarém uspořádání na čerpací vlnové délce je průměr vidu na vlnové délce přenášeného signálu vyšší než 6 μη.

Pro nej lepší využití vlastností aktivního vlákna v zesilovači podle vynálezu je výhodné, aby celková délka aktivního vlákna 7 byla tvarována s daným poloměrem zakřivení, což znamená, že aktivní vlákno je uspořádáno do zakřiveného útvaru, například ve formě vinutí na odpovídajícím nosiči, jak je schematicky znázorněno na obr. 5, a to bezprostředně za spojovacím svarem 15 s vláknem 5 vazebního členu 4.

V případě, kdy toto není možné nebo žádoucí, například za účelem vyloučení ohybových namáhání způsobených zakřivením aktivního vlákna a přenášených do svaru 15, který obvykle tvoří mechanicky slabý bod ve vláknu, jak je patrno z obr. 6, může být připuštěna nezakřivená přímočará část 16 aktivního vlákna, aniž by toto způsobilo podstatné snížení výhod způsobených ohybem aktivního vlákna.

S výhodou je délka přímočaré nebo v podstatě přímočaré části 16 aktivního vlákna, tj. je částí mající větší poloměr ohybu než poloměr R_c definovaný shora bezprostředně za vazebním členem, menší než 400 mm, výhodněji L_r < 200 mm. Taková délka v podstatě přímočarého vlákna může být také uspořádána na druhém konci aktivního vlákna v blízkosti jeho spojení s linkovým vláknem, aniž by byla význačně snížena účinnost zesílení.

Vazba vyšších vidů totiž nastává úměrně k délce dráhy signálu ve vláknu samotném a tedy po určité části uvedené délky nenastává již žádný významný přenos čerpací energie v aktivním vláknu ze základního vidu do vyšších vidů.

Na druhé straně mohou být podle vynálezu dosaženy užitečné výsledky, tj. zvýšení účinnosti zesílení vzhledem k zesilovačům s aktivním jednovidovým aktivním vláknem také na čerpací vlnové délce, také s aktivním vláknem, které je ohnuto pouze v části své délky, kdyby to bylo požadováno pro splnění různých požadavků,

-8CZ 280356 B6 avšak za předpokladu, že část ohnutého vlákna s poloměrem zakřivení odpovídajícím přenosu pouze základního vidu čerpacího signálu je větší než 70 % celkové délky vlákna.

Z konstrukčních důvodů, zejména pro udržení objemu konstrukce zesilovače v omezených mezích, tvoří zakřivená část vlákna střední část aktivního vlákna, zatímco přední a zadní část, které jsou přilehlé ke koncovým svarům vlákna, mohou být přímočaré. Je však také možné, aby na základě zvláštních požadavků mělo aktivní vlákno také mít větší počet zakřivených částí, prostřídaných s přímočarými částmi.

Jako příklad bylo vyrobeno aktivní vlákno dotované erbiem a mající tyto charakteristiky:

Průměr jádra

Číselná apertura (n^² - n^)¹/²

A_c (teoretická mezní vlnová délka)

Průměr modu signálu

Obsah erbia (hmotnost Er₂O₃)

3,6 μπι

0,23

100 nm

5,3 μπι

350 ppm

S použitím výše uvedeného vlákna byl vytvořen zesilovač podle vynálezu podle schéma znázorněného v obr. 1, ve kterém vlákno bylo ohnuto do souvislých ovinů o poloměru zakřivení R = 50 mm v celé jeho délce. Za těchto podmínek byla změřena hodnota mezní vlnové délky A_c (R) (mezní vlnová délka na poloměru R) = 980 nm.

Zesilovač používající vlákno měl tyto parametry:

Čerpací výkon

Délka aktivního vlákna mW

8,4 m

Zesilovač byl připojen k linkovému vláknu, které mělo mezní vlnovou délku 4_C (F) = 1 100 nm, poskytující přenášený signál k zesílení o výkonu:

Výkon vstupního signálu -45 dBm

Optický vazební člen zesilovače měl vlákno nesoucí přenášený signál a čerpací signál s mezní vlnovou délkou ^_C(A) = 980 nm.

S popsaným tvarováním bylo dosaženo tohoto zisku zesílení:

G_T 30 dB.

Pro srovnání byl vytvořen zesilovač mající stejné konstrukční uspořádání při použití aktivního vlákna s těmito parametry:

Průměr jádra

Číselná apertura (n^² - n^)¹/²

X_c (teoretická mezní vlnová délka) Průměr modu signálu

Obsah erbia (hmotnost Er₂O₃)

f

980

350

-9CZ 280356 B6

Vlákno bylo v zesilovači použito za v podstatě v přímočarém tvaru, ve smyslu shora uvedené definice, aby se nevyvolaly významné změny jeho mezní vlnové délky.

Zesilovač měl tyto parametry:

Čerpací výkon Délka aktivního vlákna

20 mW 10 m

Signál, který měl být zesílen, nesený aktivním vláknem podobným vláknu z předešlého příkladu měl tento výkon:

Výkon vstupního signálu

-45 dBm

Bylo dosaženo tohoto zisku zesílení:

G₂ 30 dB.

Jak je zřejmé, zesilovač podle vynálezu byl schopen dávat stejný zisk zesílení jako srovnatelný zesilovač používající v podstatě přímočarého vlákna, ačkoliv bylo použito části aktivního vlákna menší délky a byl použit nižší čerpací výkon, takže bylo dosaženo významně vyšší účinnosti.

Nosná konstrukce pro závity vlákna, vhodná pro jejich udržování při daném poloměru ohybu, může být jakéhokoli druhu, také v závislosti na konstrukci pouzdra zesilovače a není proto podrobněji popisována.

Je zřejmé, že řešení může být podrobeno řade obměn, aniž by se opustil rámec myšlenky vynálezu.

Claims

PATENTOVÉ NÁROKY

1. Optický zesilovač, zejména pro komunikační vedení s optickým vláknem, zapojitelný sériově do optického vlákna vedení, obsahující laserový zdroj čerpacího výkonu s čerpací vlnovou délkou, dichroický vazební člen (4) mající dva vstupy připojené jeden k optickému vláknu vedení nesoucímu přenášený signál a druhý k čerpacímu zdroji (6), a výstup (5) připojený k jednomu konci aktivního vlákna (7), obsahujícího fluorescenční dotující látku v jeho optickém jádru, s laserovou emisí v pásmu vlnových délek odpovídajícím vlnové délce, na níž se po optickém vláknu vedení přenáší signál, přičemž dotující látka aktivního vlákna (7) je uvedeným čerpacím výkonem vybudítelná do excitovaných energetických stavů (8, 9), vyznačený tím, že optické aktivní vlákno (7) je v jeho v podstatě přímočarém uspořádání jednovidové v pásmu vlnových délek obsahujícím vlnovou délku přenášeného signálu a mnohovidové při čerpací vlnové délce čerpacího zdroje (6), přičemž aktivní vlákno (7) je uspořádáno v optickém zesilovači v zakřiveném tvaru v alespoň 70 % své celkové délky, s poloměrem zakřivení odpovídajícím jednovidovému šíření při čerpací vlnové délce čerpacího zdroje (6).

-10CZ 280356 B6
2. Optický zesilovač podle nároku 1, vyznačený tím, že aktivní vlákno (7) je zakřiveno s poloměrem zakřivení od 20 do 140 mm.
3. Optický zesilovač podle nároku 2, vyznačený tím, že aktivní vlákno (7) je zakřiveno s poloměrem zakřivení od 35 do 100 mm.
4. Optický zesilovač podle nároku 1, vyznačený tím, že optické aktivní vlákno (7) je v jeho zakřiveném uspořádání jednovidové v pásmu vlnových délek 1 520 do 1 570 nm a jeho fluorescenční dotující látka je nabuditelná do excitovaného energetického stavu uvedeným čerpacím výkonem při vlnové délce 980 nm (±10 nm) a fluorescenční dotující látka v aktivním vláknu je erbium.
5. Optický zesilovač podle nároku 1, vyznačený tím, že aktivní vlákno (7) má nejméně jednu zakřivenou část (11) mající poloměr zakřivení odpovídajícím jednovidovému šíření při čerpací vlnové délce čerpacího zdroje (6), přičemž tato část navazuje na nejméně jednu přímočarou část (16), přičemž délka zakřivené části nebo součet délek zakřivených částí je větší než 70 % celkové délky aktivního vlákna.
6. Optický zesilovač podle nároku 5, vyznačený tím, že aktivní vlákno (7) má jedinou zakřivenou část (11), mající poloměr zakřivení odpovídajícím jednovidovému šíření při čerpací vlnové délce čerpacího zdroje (6), přičemž přímočará část (16) nebo část aktivního vlákna v počtu nejméně jedné leží na nejméně jednom z obou konců aktivního vlákna (7).
7. Optický zesilovač podle nároku 6, vyznačený tím, že aktivní vlákno (7) je zakřiveno s poloměrem zakřivení odpovídajícím jednovidovému šíření při čerpací vlnové délce čerpacího zdroje (6) po jeho celé délce s výjimkou koncových přímočarých částí (16), mající každá délku menší než 400 mm.
8. Optický zesilovač podle nároku 7, vyznačený tím, že koncové přímočaré části (16) aktivního vlákna (7) mají délku menší než 200 mm.