CZ282395B6 - Optický zesilovač se širokým pásmem signálu - Google Patents

Abstract

Optický zesilovač, zejména pro telekomunikační linky (1) s optickým vláknem pracující s přenosovým signálem v předem určeném pásmu vlnových délek obsahuje fluorescenční aktivní optické vlákno (6) dopované erbiem (Er), mající dvě jádra (11, 12), z nichž první jádro (11) je připojeno k vláknu (4), ve kterém se mutiplexuje přenášený signál, který má být zesílen, i světelná čerpací energie, a k výstupnímu vláknu (7) uzpůsobenému pro přenos zesíleného signálu. Druhé jádro (12) je opticky svázáno s prvním jádrem (11) a je schopno absorbovat spontánní emisi erbia (Er), která by tvořila zdroj šumu. Umožňuje zesílení signálu v pásmu vlnových délek v podstatě odpovídajícím rozsahu odchylek komerčně dosažitelných laserových vysílačů signálu.ŕ

Description

Oblast techniky

Vynález se týká optického zesilovače se širokým pásmem signálu, obzvláště pro telekomunikační vedení z optických vláken pracující s přenášeným signálem v předem určeném pásmu vlnové délky, obsahující dichroický vazební člen, způsobilý pro multiplexování přenášeného signálu a světelné čerpací energie v jediném vystupujícím vlákně, a aktivní optické vlákno obsahující fluorescenční dotující látku, připojené k výstupnímu vláknu dichroického vazebního členu a ke vláknu telekomunikačního vedení, způsobilé pro přijímání a vysílání zesíleného signálu.

Dosavadní stav techniky

Je známo, že v optických zesilovačích mohou být použita optická vlákna mající jádra dotovaná (dopovaná) vzácnými zeminami. Tak například jádra dotovaná erbiem, vystavená čerpání čerpacím zdrojem vhodné vlnové délky (například 532, 670, 980 nebo 1490 nm) mohou být použita jako zesilovač postupné vlny pro optické signály v telekomunikační oblasti vlnové délky 1550 nm.

Tato vlákna mohou být napájena zdrojem světla majícím určitou vlnovou délku schopnou uvést atomy dotovací látky do excitovaného energetického stavu, nebo čerpacího pásma, ze kterého atomy spontánně přecházejí ve velmi krátkém čase do stavu laserové emise, ve kterém zůstávají po poměrně delší dobu.

Když vlákno mající velký počet atomů v excitovaném stavu v emisní úrovni je zasaženo světelným signálem o vlnové délce odpovídající takovému stavu laserové emise, způsobí tento signál přechod excitovaných atomů na nižší úroveň s emisí světla mající stejnou vlnovou délku jako signál a vlákno tohoto druhu může být tedy použito pro dosažení zesílení optického signálu.

Vychází-li se z excitovaného stavu, může přechod atomu nastat také spontánně, což vede ke vzniku náhodné emise tvořící „šum pozadí“ překrývající stimulovanou emisi odpovídající zesilovanému signálu.

Emise světla vyvíjená zavedením světelné čerpací energie do „dotovaného“ nebo aktivního vlákna může nastat na několika vlnových délkách typických pro dotovací látku, což vede ke vzniku fluorescenčního spektra vlákna.

K dosažení maximálního zesílení signálu vláknem výše uvedeného typu, spolu s vysokým odstupem signálu od šumu v optických telekomunikačních zařízeních, se normálně používá signál vyvíjený laserem mající vlnovou délku odpovídající maximu křivky fluorescenčního spektra vlákna, obsahujícího použitou dotovací látku.

Když se zejména jedná o zesílení optického telekomunikačního signálu, je výhodné použití „aktivních“ vláken majících jádro dotované ionty erbia (Er³⁺). Průběh profilu spektrálního zisku jádra dotovaného erbiem v zesilovači výše popsaného typu se však vyznačuje dvěma pásmy zisku. Jedno úzké pásmo ziskuje soustředěno kolem 1530 nm a druhé, širší, ale s nižší úrovní je soustředěno kolem 1550 nm.

Vrcholové vlnové délky pásem zisku a jejich spektrální šířky jsou závislé na složení skla jádra. Tak například jádra z oxidu křemičitého dotovaného erbiem a germaniem mají vlnovou délku vrcholu ve vyšším pásmu zisku na 1536 nm a jádra z oxidu křemičitého dotovaného erbiem s oxidem hlinitým mají vlnovou délku vrcholu ve vyšším pásmu zisku na 1532 nm. V obou

- 1 CZ 282395 B6 případech má vyšší pásmo zisku „šířku 3dB linky“ přibližně 3 až 4 nm a pásmo zisku nižší úrovně má v závislosti na složení skla větší „šířku 3dB linky“, a to přibližně 30 nm. První pásmo zisku vede k většímu zisku než druhé, avšak vyžaduje, aby signál, který má být zesilován, měl velmi stálou a přesně určenou střední vlnovou délku.

To vyžaduje použít jako zdroje přenosového signálu laseru pracujícího s velmi přesně vymezenou vlnovou délkou s omezenou výchylkou, neboť signály vybočující z této výchylky by nebyly správně zesíleny, neboť by současně vznikala silná spontánní emise u této vrcholové vlnové délky, která by působila vznik šumu pozadí schopného silně znehodnotit jakost přenosu.

Lasery mající výše popsané vlastnosti, to je pracující na vlnové délce vrcholu emise erbia, se však vyznačují nesnadnou a nákladnou výrobou, zatímco obecná průmyslová výroba nabízí lasery jako jsou polovodičové lasery (In, Ga, As), mající některé vlastnosti, které je činí vhodnými pro použití v telekomunikacích, avšak mající spíše větší výchylky pokud jde o vlnovou délku. Pouze omezený počet těchto laserů má tedy emisi na výše uvedeném vrcholu pásma.

Ačkoliv v některých aplikacích, například při podmořských telekomunikacích, může být přijatelné použití vysílačů přenosového signálu pracujících na dobře vymezené hodnotě vlnové délky, například získané přesným výběrem z laserů komerční jakosti s použitím pouze oněch, které mají emisi v těsné blízkosti k vrcholu laserové emise zesilovacího vlákna, není tento postup z hlediska ekonomiky přijatelný u jiných druhů vedení, například městských telekomunikačních vedení, kde je třeba co nejvíce omezit instalační náklady.

Tak například vlákno dotované erbiem, uzpůsobené pro umožňování laserové emise má vrchol emise asi u 1536 nm a v rozsahu ±5 nm od této hodnoty má emise vysokou intensitu, takže vlákno může být použito pro zesilování signálu ve stejném rozsahu vlnové délky. Komerčně dostupné polovodičové lasery k použití pro přenos jsou však obvykle vyrobeny s hodnotami emisních vlnových délek v rozsahu od 1520 nm do 1570 nm. To má za následek, že velký počet komerčně dostupných laserů je mimo rozsah vhodný pro zesilování na základě dotování erbiem a tedy nemohou být použity pro vytváření telekomunikačních signálů ve vedeních opatřených zesilovači na bázi erbia výše popsaného typu.

Na druhé straně je známo, že vlákna dotovaná erbiem mají výše uvedené druhé pásmo zisku v emisním spektru s poměrně vysokou a v podstatě stálou intenzitou v rozsahu vlnových délek v blízkosti popsaného úzkého vrcholu zisku, dostatečně širokého k obsažení rozsahu emise výše uvedených komerčně dostupných laserů. V optickém vláknu tohoto typu by však signál mající vlnovou délku ve druhém pásmu zisku byl zesílen v omezené míře, neboť spontánní přechody ze stavu laserové emise se ve vláknu odehrávají emisí u vlnové délky úzkého pásma zisku při 1536 nm a tedy vyvíjejí „šum pozadí“, který bude dále zesílen délkou aktivního vlákna a bude překrývat užitečný signál.

Může být uvažováno o pokusu provést filtraci světelné emise tvořící „šum“ na konci zesilovacího vlákna tím, že se vysílá do vedení pouze vlnová délka přenosového signálu, pro vytvoření vhodného filtru na konci aktivního vlákna. Přítomnost spontánní emise ve vláknu, především na vlnové délce maximálního zesílení vlákna, by však odečítala čerpací energii k zesílení přenosového signálu majícího odlišnou vlnovou délku, takže by se vlákno stalo v podstatě neúčinným vzhledem k zesilování samotného signálu.

Zůstává tedy problémem vytvořit aktivní optické vlákno pro použití v optických zesilovačích, které by bylo uzpůsobeno k použití s komerčně dostupnými lasery pro vysílání přenosového signálu bez toho, aby na tyto lasery byla kladena významná kvalitativní omezení.

-2CZ 282395 B6

Podstata vynálezu

Uvedeného cíle je dosaženo optickým zesilovačem se širokým pásmem signálu podle vynálezu, obzvláště pro telekomunikační vedení z optických vláken pracující s přenášeným signálem v předem určeném pásmu vlnové délky, obsahující dichroický vazební člen, způsobilý pro multiplexování přenášeného signálu a světelné čerpací energie v jediném vystupujícím vlákně, a aktivní optické vlákno obsahující fluorescenční dotující látku, připojené k výstupnímu vláknu dichroického vazebního členu a ke vláknu telekomunikačního vedení, způsobilé pro přijímání a vysílání zesíleného signálu, jehož podstatou je, že aktivní optické vlákno je vytvořeno celé ze dvou jader ve společném plášti, kde první jádro je zesilovací jádro obsahující fluorescenční dotující (dopující) látku s laserovou emisí v oblasti vlnových délek zahrnující pásmo vlnové délky přenášeného signálu a je opticky připojeno na jednom konci k vláknu vystupujícímu z dichroického vazebního členu a na druhém konci ke vláknu telekomunikačního vedení, zatímco druhé jádro aktivního optického vlákna je útlumové jádro a obsahuje látku absorbující světelnou energii a je odříznuto na obou koncích, přičemž obě jádra jsou spolu vzájemně opticky vázána v pásmu vlnové délky ležícím v oblasti vlnových délek laserové emise prvního jádra a různém od pásma přenášeného signálu.

Podle dalšího znaku vynálezu obsahuje druhé jádro v aktivním optickém vláknu dotující látku mající vysokou světelnou absorpci v oblasti laserové emise dotující látky prvního jádra.

Dotující látka s vysokou světelnou absorpcí druhého jádra může být tvořena stejnou fluorescenční látkou, jaká je přítomná v prvním jádru.

Podle dalšího znaku vynálezu je dotující látka ve druhém jádru látka s vysokou světelnou absorpcí v celém spektru, zvolená z titanu, vanadu, chrómu nebo železa, které jsou alespoň částečně přítomné v jejich nejnižším mocenství.

Druhé jádro má podle dalšího znaku vynálezu v pásmu vzájemné optické vazby jader zhášecí (útlumovou) délku menší než je 1/10 pulzové délky mezi vzájemně vázanými jádiy.

Pod pojmem pulzová délka (L_B) se zde rozumí, jak bude ještě podrobně vysvětleno v popisu na obr. 7, vzdálenost mezi maximem a minimem sinusoidy znázorňující optický výkon v každém z jader dvoujádrové části vlákna. Současně se jedná o délkový rozdíl ve fázi mezi optickým výkonem v jednom jádře a ve druhém jádře. Graficky je pulzová délka (beating length) vyjádřena na obr. 7.

Pod pojmem „zhášecí délka“ (quenching length, extinction length) neboli útlumová délka se rozumí délka L vlákna, za níž je světelná energie ve vlákně redukována hodnotou 1/e, jak je podrobněji vysvětleno v popisu.

Podle dalšího znaku vynálezu je fluorescenční dotující látka přítomná v prvním jádře erbium. S výhodou v tomto případě zesilovací první jádro obsahuje od 10 do 1000 ppm oxidu erbitého E₂O₃.

Obě jádra mohou být s výhodou spolu opticky vázána v pásmu vlnových délek mezi 1530 a 1540 nm.

Podle dalšího znaku vynálezu obsahuje útlumové druhé jádro více než 5000 ppm a s výhodou okolo 10 000 ppm oxidu erbitého E2O3.

Průměr zesilovacího prvního jádra je podle dalšího znaku vynálezu rovný průměr útlumového druhéhojádra.

-3CZ 282395 B6

Podle jiného provedení vynálezu je průměr zesilovacího prvního jádra menší než je průměr útlumového druhého jádra.

Vynález umožňuje vytvořit dotované optické vlákno, které je schopné poskytnout uspokojivé zesílení v dostatečně širokém rozsahu vlnových délek, a umožňuje tak použití komerčně dostupných laserů při současném zabránění spontánních emisí materiálu na nežádoucí vlnové délce, které by snižovaly zesilovací schopnosti a vytvářely „šumu pozadí“ velké intenzity vzhledem k přenosovému signálu.

Přehled obrázků na výkresech

Vynález je blíže vysvětlen v následujícím popisu na příkladech provedení s odvoláním na připojené výkresy, ve kterých znázorňuje obr. 1 schéma optického zesilovače podle vynálezu používajícího aktivní vlákno, obr. 2 je diagram energetických přechodů fluorescenční dotovací látky ve vláknu typu použitého pro zesilovač podle obr. 1, přičemž tyto přechody jsou uzpůsobeny k vyvíjení stimulované (laserové) emise na přenášeném signálu, obr. 3 diagram křivky stimulované emise optického vlákna na bázi oxidu křemičitého s Er ³⁺, obr. 4 zvětšený schematický pohled na optický zesilovač podle vynálezu, obr. 5 příčný řez aktivním vláknem zesilovače rovinou V-V z obr. 4, obr. 6 graf konstant šíření světla v jádrech aktivního vlákna podle vynálezu v závislosti na vlnové délce, obr. 7 část vlákna podle vynálezu ukazující periodickou křivku změny světelného výkonu mezi oběma jádry, obr. 8 příčný řez optickým vláknem v alternativním provedení majícím zesilovací jádro a útlumové jádro o rozdílných průměrech ve společném pouzdru, obr. 9 schéma průběhu indexu lomu obou jader vlákna z obr. 8, obr. 10 průběh spektrálního zisku zesilovacího jádra vlákna z obr. 8, obr. 11 průběh útlumu útlumového jádra vlákna z obr. 8, obr. 12 průběh vazby obou jader a obr. 13 profil přenosu výkonu.

Příklady provedení vynálezu

Pro účely zesilování optických telekomunikačních signálů mohou být vhodně použity vláknové zesilovače, jejichž struktura je schematicky znázorněna v obr. 1, kde je optické telekomunikační vlákno 1, do kterého se zavádí přenášený signál, který má vlnovou délku a je vyvíjen laserovým vysílačem 2. Tento signál, který je po určité délce vedení utlumen, je veden do dichroického vazebního členu 3, kde je napojen na jediné výstupní vlákno 4 a na čerpací signál o vlnové délce λ,, vyvíjený čerpacím laserovým vysílačem nebo laserem 5.

Aktivní vlákno 6 připojené k výstupnímu vláknu 4 z vazebního členu 3 tvoří zesilovací prvek, který je potom zaveden do vlákna 7 vedení pro další určení.

Pro vytvoření aktivního vlákna 6 tvořícího zesilovací prvek jednotky, se podle výhodného provedení vynálezu obvykle používá optické vlákno na bázi oxidu křemičitého dotovaného Er₂O3, které umožňuje výhodné zesílení přenášeného signálu dosažené využitím laserových přechodů erbia. Požadovaný profil průběh indexu lomu ve vláknu je obvykle dosažen dotováním germaniem nebo oxidem hlinitým.

Jak je patrné z diagramu v obr. 2 týkajícího se vlákna uvedeného typu a symbolicky ukazujícího dosažitelné energetické stavy pro iont erbia v roztoku v základní hmotě vlákna na bázi oxidu křemičitého, má za následek přivádění světelné energie do aktivního vlákna 6 na čerpací vlnové délce λη nižší než je vlnová délka λ_; přenášeného signálu to, že určitý počet iontů Er³⁺ přítomných v základní hmotě skla vlákna jako dotovací látka je uváděn do vybuzeného energetického stavu 8, dále označovaného jako „čerpací“ pásmo, ze kterého ionty spontánně

-4CZ 282395 B6 přecházejí na energetickou úroveň 9 tvořící úroveň laserové emise. Na úrovni 9 laserové emise mohou ionty Er³⁺ setrvat poměrně dlouho než přejdou spontánním přechodem na základní úroveň 10.

Je známo, že zatímco přechod z energetického stavu 8 na úroveň 9 je spojen s emisí tepelného typu, která je rozptýlena do okolí vlákna (radiace fononů), přechod z úrovně 9 na základní úroveň 10 vyvíjí světelnou emisi na vlnové délce odpovídající energetické hodnotě úrovně 9 laserové emise.

Když vláknem obsahujícím velké množství iontů na úrovni laserové emise prochází signál mající vlnovou délku odpovídající této úrovni emise, potom signál způsobí stimulovaný přechod těchto iontů ze stavu emise do základního stavu, před jejich spontánním přechodem, kaskádním jevem způsobujícím emisi značně zesíleného přenášeného signálu na výstupu aktivního vlákna.

Za nepřítomnosti přenášeného signálu vyvolává spontánní přechod ze stavů laserové emise, které představují diskrétní funkci typickou pro každou látku, jas mající vrcholy na různých kmitočtech odpovídajících dosažitelným úrovním. Jak je konkrétně patrné z obr. 3 a obr. 10, má vlákno typu Si/Al nebo Si/Ge dotované Er³⁺, uzpůsobené pro použití v optických zesilovačích, na vlnové délce 1536 nm úzký emisní vrchol velké intenzity, zatímco na vyšších vlnových délkách, a to až asi do 1560 nm, je oblast, ve které má emise ještě velkou intenzitu, avšak nižší než je intenzita ve vrcholu, a která vytváří široký emisní vrchol.

Za přítomnosti světelného signálu zavedeného do vlákna na vlnové délce odpovídající emisnímu vrcholu Er³⁺ na 1536 nm nastává velmi silné zesílení signálu, zatímco šum pozadí způsobený spontánní emisí erbia je omezen, což činí vlákno vhodné pro použití v optickém zesilovači signálu o této vlnové délce.

Pro vyvíjení signálu jsou komerčně dostupné lasery polovodičového typu (In, Ga, As), mající typické emisní pásmo rozsahu od 1,52 do 1,57 pm a mohou proto být vhodně použity. To znamená, že jejich výrobní technika není schopná zajistit pro všechny vyrobené kusy emisi přenášeného signálu přesně na hodnotě kmitočtu odpovídající úzkému emisnímu vrcholu vlákna dotovaného erbiem, použitého jako zesilovač, ale naproti tomu poskytuje velký podíl kusů, ve kterých je signál lokalizován v oblastech křivky emise vlákna, přilehlých ke zmíněnému úzkému emisnímu vrcholu, a v oblasti odpovídající nižšímu a širšímu emisnímu vrcholu, popsanému výše.

Signál vyvíjený těmito laserovými vysílači by nemohl být zesílen při dosažení dostatečného zisku v zesilovači s optickým vláknem dotovaným Er³⁺ výše popsaného typu, protože čerpaný výkon zaváděný do aktivního vlákna by byl z většiny využit k zesílení šumu pozadí vyvíjeného v aktivním vláknu samotného zesilovače, ve spojení se spontánní emisí erbia na vlnové délce 1536 nm.

Aby se mohly používat laserové vysílače výše uvedeného typu, s akceptováním v celém rozsahu jejich výrobních odchylek, ve spojení se zesilovači s optickým vláknem dotovaných erbiem, to znamená obecně s připuštěním obzvláštních typů laserových vysílačů signálů pro použití ve spojení s fluorescenčními dotovacími látkami majícími silný šum pozadí jako výsledek spontánních přechodů z laserového stavu, navrhuje vynález použít aktivní vlákna 6 typu znázorněného v řezu v obr. 4 a 5. Z obrázků je patrné, že vlákno 6 má dvě jádra 11 a 12 uzavřená ve společném plášti 13..

Jak je schematicky znázorněno v obr. 4, první jádro 11 aktivního vlákna 6 je na jednom konci připojeno k výstupnímu vláknu 4 z dichroického vazebního členu 3 a na druhém konci k vláknu 7 vedení, zatímco druhé jádro 12 vlákna 6 je na obou koncích odříznuto a nemá jiné přípoje.

-5CZ 282395 B6

Obě jádra 11 a 12 aktivního vlákna 6 jsou vytvořena tak, že jejich konstanty gi a β? šíření světla ve vláknu, jejichž křivky změn závisejí na vlnové délce, a jsou znázorněny v obr. 6, mohou vytvářet optickou vazbu mezi oběma jádry 11 a 12, když vlnová délka emisního vrcholu dotující látky jádra 11 má maximum (na 1536 nm v případě erbia) a v rozsahu mezi vlnovými délkami 2d a λ?, jehož amplitudaje dána sklonem křivek podle konstant βι a B? a v podstatě odpovídá, jak je znázorněno v obr. 3, amplitudě úzkého emisního vrcholu, vyvíjejícího šum pozadí. Konstanty βι a B? mohou být zvoleny pro žádanou vazbu s odpovídající volbou číselných apertur jader, jejich průměry a vzdálenostmi.

Jako příklad může být vazba optického výkonu Pi a P2 mezi dvěma nepodobnými jádry 1 a 2 ve společném plášti charakterizována takto:

P](Z) = 1 - F sin² C Z1)

P₂(Z) = F sin ² C Z2) kde F = 1/(1 - (Ba/C)²)3)

C = (B² _d + N²)¹⁷²4)

B_d = (Bi-B2)/25)

U_tU₂ MW.d/a,) (v,v₂)³⁷² k.tomw,)’

Si = 1 - (n_cl/n_ci)²7) kde indexy 1 a 2 se vztahují k prvnímu a druhému jádru, C - je vazební součinitel, a; - je poloměr i-tého jádra, S, - je číselná apertura i-tého jádra, Bi - je konstanta šíření i-tého jádra, n_Cj a n_ci - jsou indexy lomu i-tého jádra a pláště vlákna, d - je vzdálenost mezi středy jader a V;, U; a W, jsou parametry charakterizující i-té jádro.

Pečlivým stanovením hodnot výše uvedených parametrů je možné navrhnout a vyrobit vlákno 6 se dvěma jádiy 11, 12, ve kterém je vazba optického výkonu v úzké předem určené šířce pásma, jejíž střed leží na předem určené vlnové délce. Výhodná šířka pásma vazby dvou jader 11 a 12 při použití erbia jako dotovací látky pro první jádro 11 může být v rozsahu vlnových délek od λι = 1530 nm do λ? - 1540 nm. To znamená, že světlo mající vlnovou délku přibližně 1536 nm, které postupuje v aktivním prvním jádru 11 a v podstatě tvoří „šum pozadí“ daný spontánní emisí erbia, se periodicky pohybuje z prvního jádra 11 do druhého jádra 12 na základě známých optických vazebních zákonů, jak je například popsáno na str. 84 a 90 časopisu „Joumal of the Optical Society of Amerika“ A/sv. 2, Č. 1, Leden 1985.

Délka vlákna, při které nastává úplný přechod světelného výkonu na vazební vlnové délce z jednoho jádra 11 do druhého jádra 12, znázorněná v obr. 7, je označena jako pulzová délka Lg a závisí na charakteristikách obou jader 11, 12, zejména na jejich průměrech, indexech lomu, číselné apertuře a vzájemné vzdálenosti.

Přenosový signál přítomný v prvním jádru 11 má vlnovou délku Xj, odlišnou od té, na které nastává vazba mezi jádry 11 a 12, rovnou například 1550 nm. Signál je proto omezen na první jádro 11. aniž by byl přenášen do druhého jádra 12. Stejně tak má čerpací světlo, přiváděné do prvního jádra 11 vazebním členem 3 na vlnové délce 2® = 980 nm nebo 540 nm, parametiy

-6CZ 282395 B6 šíření v prvním jádru 11, které zamezují jeho přestup do druhého jádra 12, ve kterém je tedy zajištěna nepřítomnost čerpací energie.

Obě jádra 11 a 12 obsahují dotovací látky. Zejména první jádro 11, také nazvané „aktivní“ nebo „zesilovací“ jádro, je dotováno erbiem, zatímco druhé jádro 12, také nazývané „pasivní“ jádro, je dotováno látkou mající vysokou absorpci světla v celém spektru nebo alespoň na emisním vrcholu dotující látky prvního jádra 11, které je zdrojem „šumu“, jak bylo výše popsáno, zejména v přítomnosti vrcholu asi na 1536 nm při použití erbia jako dotující látky laseru 5.

Látky vhodné pro tento účel, mající vysokou absorpci světla ve spektru, jsou popsány například v evropské přihlášce vynálezu č. 88304182.1 a jsou to obecně prvky s proměnlivým mocenstvím jako titan, vanad, chrom a železo při jejich nejnižším mocenství (Ti^IU, V¹¹¹, Cr¹¹¹, Fe¹¹).

Mezi látkami majícími vysokou absorpci světla na obzvláštní vlnové délce, to je na vlnové délce emisního vrcholu dotující látky „aktivního“ prvního jádra 1L která se má vyloučit, je zvláště vhodné použít stejnou dotovací látku jako v „aktivním“ jádru 11. Fluorescenční látka napájená dostatečným množstvím čerpací energie jeví určitou emisi na obzvláštní vlnové délce, zatímco stejná látka, když není napájena čerpací energií, absorbuje světlo na stejně vlnové délce jako při emisi v přítomnosti čerpání.

Zejména v přítomnosti „aktivního“ prvního jádra 11 dotovaného erbiem může být i druhé jádro 12 dotováno erbiem.

Protože absorpční křivka erbia poskytuje průběh odpovídající průběhu její fluorescenční nebo laserové emisní křivky, znázorněné v obr. 3, tak dochází ktomu, že na stimulovaném emisním vrcholu při vlnové délce = 1536 nm je podobný absorpční vrchol na stejné vlnové délce.

Výsledkem je, že fluorescence na vazební vlnové délce mezi jádry 1L 12, to je na vlnové délce 1536 nm, která je vyvíjena za přítomnosti čerpacího světla v prvním jádru 11 vlivem spontánního přechodu aktivní dotovací látky (erbia) z horní laserové úrovně 9, je samočinně převáděna do druhého jádra 12, jak je vyvíjena. Z druhého jádra 12 však není převáděna opět do prvního jádra 11, ve kterém je veden přenášený signál, protože ve druhém jádru 12 nastává v podstatě úplný útlum vstupujícího světla, které je absorbováno přítomnou dotovací látkou.

Emise na nežádoucí vlnové délce je tedy plynule odečítána prvnímu jádru 11 a rozptylována ve druhém jádru 12, takže se nemůže vrátit zpět do prvního jádra 11 a nemůže v něm být zesílena a tím odečíst čerpací energii zesilování přenášeného signálu a překrýt jej.

Vlákno 6 podle vynálezu tedy provádí plynulou filtraci světla přítomného v prvním jádru 11 po celé jeho délce, absorbuje fotony vysílané na vlnové délce 1536 nm, jakmile jsou vyvíjeny spontánním přechodem z laserové emise iontů Er³⁺, takže zamezuje jejich dopředný pohyb ve vláknu 6, který způsobí další přechody na této vlnové délce. Toto vlákno 6 tedy dovoluje, aby se v prvním jádru 11 šířily v podstatě pouze přenášená vlnová délka λ_; a čerpací vlnová délka Xg.

Přenášená vlnová délka λ_; může být tedy zvolena v celém rozsahu, ve kterém má erbium významnou hodnotu laserové emise, například mezi hodnotami vlnových délek λ₂ a λ₃ znázorněnými v obr. 3 (a odpovídajícími přibližně 1540-1570 nm), což umožňuje volnou volbu laseru 5 pro přenášený signál bez nebezpečí vzniku rozdílného chování s ohledem, pokud jde o zesílení s vysílači signálů majícími různé vlnové délky uvnitř rozsahu odchylek, který je dosti široký pro akceptování komerčně dostupných polovodičových laserů (In, Ga, As).

Charakteristické parametry vlákna 6 se dvěma jádry 11, 12 umožňující jejich vazbu v požadovaném rozsahu vlnových délek, mohou být vybrány z výše uvedených článků.

-7CZ 282395 B6

Množství erbia přítomného v aktivním prvním jádru 11 vlákna se zvolí na základě požadovaného zisku pro délku použitého zesilovacího vlákna. Jinými slovy se délka aktivního vlákna 6 zvolí tak, aby se dosáhlo požadovaného zisku na základě množství erbia v něm přítomného. Obvykle je celkový obsah erbia ve formě oxidu erbitého Er₂O₃ v aktivním prvním jádru 11 vlákna mezi 10 a 1000 ppm hmotnosti.

Obsah dotující látky s velkou absorpcí světla v „pasivním“ nebo „útlumovém“ druhém jádru 12 musí být ve vztahu k pulzové délce Lr, takže zhášecí délka L ve druhém jádru 12, definovaná jako délka, po které je svítivá energie vlákna redukována činitelem 1/e (podle známého zákona týkajícího se šíření optického výkonu v tlumicím prostředí:

P = P_oe-^aL) a je nejméně o řád menší než pulzová délka Lg odpovídající úplnému přechodu světelného výkonu na vazební vlnové délce z jednoho jádra do druhého, jak je znázorněno v obr. 7:

L< 1/10 L_b

S výhodou se přitom charakteristické parametry druhého jádra 12 a obsah dotující látky absorbující světlo zvolí tak, aby zhášecí délka byla o dva řády (stokrát) menší než pulzová délka Lg·

Jak je znázorněno na obr. 7, je světelný výkon při vlnové délce optické vazby mezi dvěma jádry 11, 12 rozdělován podle v podstatě sinusovité křivky dosahující 100 % v jednom z jader 11, 12 v jednom bodě vlákna 6 a po vzdálenosti Lg (označované jako pulzová délka) 100 % ve druhém z jader 11, 12, zatímco v obecném úseku vlákna 6 je světelný výkon rozdělen mezi jeho oběma jádry Π, 12.

Obsah dotovací látky v pasivním nebo útlumovém druhém jádru 12 může být stejný nebo vyšší než v zesilovacím prvním jádru 11 a může dosahovat až 10000 ppm nebo více ke splnění výše uvedeného omezení.

Dotovací látky mohou být do vlákna zavedeny například tak zvanou „roztokovou dotovací“ technikou, která je v oboru dobře známa a zajišťuje uspokojivé kvalitativní výsledky, nebo jinými známými technikami podle zvláštních požadavků.

Jak je znázorněno v obr. 5, vlákno 6 má první jádro 11 určené pro vedení optického signálu a přijímání čerpacího světla uložené souose s pouzdrem 13 vlákna 6, zatímco druhé jádro 12 je umístěno výstředně.

Při tomto uspořádání, podle diagramu v obr. 4, může být spojení mezi aktivním vláknem 6 a vlákny 4 a 7 provedeno tradičním způsobem bez použití zvláštních prostředků, pouhým umístěním konců vláken 4, 6, 7 proti sobě a použitím tradičních spojovacích zařízení, které provádějí vyrovnání polohy vláken 4, 6, 7 kontrolou jejich vnějších povrchů, takže první jádro 11, umístěné v osové poloze se dostane proti jádrům vláken 4 a 7 bez významných ztrát ve spoji. Druhé jádro 12, které je v mimostředné poloze, nesmí být připojeno k jiným jádrům a je tedy na koncích vlákna 6 odříznuto bez potřeby dalších operací.

Za účelem nej vyšší zesilovací účinnosti je první jádro 11 s výhodou jednovidové jádro na vlnové délce signálu i na čerpací vlnové délce λβ a také druhé jádro 12 je jednovidové alespoň na vlnové délce λ§·

-8CZ 282395 B6

Jako příklad provedení vynálezu byl sestrojen zesilovač podle diagramu znázorněného v obr. 1 a obsahující dvoujádrové aktivní vlákno 6 typu Si/Al dotované Er³⁺, mající celkový obsah Er₂O₃ = 80 ppm hmotnosti, rozdělený na stejné části v obou jádrech 11 a 12.

Jádra 11 a 12 měla tyto hodnoty:

a =3,1 pm

S =0,105 n, =1,462 d/a =3,5 (poloměr) (číselná apertura) (index lomu) (poměr vzdálenosti d jader 11 a 12 a poloměru a jader: obr. 5)

První jádro 11 bylo souosé s vnějším průměrem vlákna. Aktivní vlákno mělo délku 30 nm.

Jako čerpací laser 5 byl použit argonový iontový laser pracující na vlnové délce = 528 nm a mající výkon 150 mW, zatímco jako laserový vysílač 2 signálu byl použit komerčně dostupný polovodičový laser (In, Ga, As) mající výkon 1 mW a emisní vlnovou délku 1560 nm.

S touto pokusnou sestavou byl ve směru od zesilovače dosažen zisk 27 dB při vstupním signálu utlumeném na 0,5 pW.

Tlumení signálu na vstupu zesilovače uzpůsobené k simulaci reálných podmínek použití bylo dosaženo proměnlivým tlumicím členem.

Za nepřítomnosti signálu byla za zesilovačem naměřena úroveň spontánní emise o hodnotě 10 pW. Tato emise tvořící šum pozadí vyvíjený zesilovačem nepředstavuje významný šum v signálu, který se zesiluje na mnohem vyšší úrovně (kolem 250 pW).

Pro srovnání byl tentýž laserový vysílač 2 pro vysílání přenášeného signálu použit se zesilovačem majícím stejnou strukturu jako v předešlém příkladu, avšak používajícím aktivní vlákno 6 mající jedno jádro Si/Al typu „se skokovou změnou indexu lomu“, dotované Er³’, obsahující 40 ppm hmotnosti Er³⁺ v jádru. Aktivní vlákno 6 mělo délku 30 m.

Tento zesilovač s přenášeným signálem na vlnové délce rovné 1560 nm, dával zisk nižší než 15 dB, jeho spontánní emise byla na úrovni srovnatelné s úrovní výstupního signálu.

V alternativním provedení znázorněném v obr. 8 až 13 je optická struktura vláken tato:

ai =2 pm = 0,196 a₂ = 4,45 pm

5₂ = 0,135 d/si = 9 kde první jádro 101 je zesilující jádro obsahující 150 ppm Er₂O₃ a druhé jádro 102 je útlumové jádro obsahující 10000 ppm Er₂O₃, přičemž obě jádra 101, 102 jsou ve společném plášti 103, a jsou s výhodou dotována také germaniem.

Výsledné vlákno 6 je vytaženo na typický vnější průměr 125 pm. Parametry jádra 101, 102 zajišťují, že jeho mezní vlnová délka druhého viduje pod hodnotou 980 nm, což umožňuje jeho jednovidovou povahu na zvolené čerpací vlnové délce 980 nm.

Obr. 10 znázorňuje průběh spektrálního zisku zesilovacího jádra vlákna s hlavním vrcholem užším než vrchol v obr. 3, zatímco obr. 11 znázorňuje průběh tlumení útlumového jádra.

-9CZ 282395 B6

Obr. 12 znázorňuje rozdíl konstant ÉrjJj šíření jader 101, 102 v závislosti na vlnových délkách použitých v rovnici 5 a ukazuje, že vlnová délka synchronizace, když konstanty βι, B? šíření jsou stejné, je při vlnové délce = 1536 nm, tj. na vlnové délce vrcholu úzkého pásma.

Obr. 13 znázorňuje účinnost přestupu výkonu mezi jádry 101, 102, tj. veličinu F z rovnice 3, a opět ukazuje vazební vrchol při vlnové délce 1536 nm s podstatně nižší vazbou na vlnových délkách širšího pásma zisku okolo středu na vlnové délce 1550 nm.

Struktura vlákna podle obr. 8, tj. vlákna sjádry 101, 102 různých průměrů, může filtrovat v úzkém pásmu. To je způsobeno tím, že pásmo vlnových délek přenášené z prvního jádra 101 do druhého jádra 102 je velmi úzké a poměr šířky procházejícího pásma (netlumeného) a potlačeného pásma (tlumeného) může být nastaven volbou poměru průměrů obou jader 101, 102.

To umožňuje navrhnout vlákno 6, ve kterém šířka potlačeného pásma zahrnuje šířku vrcholu zisku při použití erbia v zesilovacím jádru, takže zdroj šumu může být úplně vyloučen bez zúžení pásma, které lze použít pro zesílení.

Takové vlákno 6 je výhodné v případě vlákna dotovaného germaniem, protože toto vlákno má velmi úzký vrchol zisku, jak plyne z obr. 10, který může být vyloučen bez snížení zisku v pásmu přenášeného signálu.

Struktura z obr. 5 (vlákno 6 s jádry 11, 12 stejného průměru) může filtrovat v širokém pásmu a má procházející pásmo (netlumené) a potlačené pásmo (tlumené) podobné šířky. Vlákno 6 mající strukturu typu z obr. 5 může být vyrobeno mnohem snadněji než vlákno 6 s jádry 101, 102 různých průměrů, a může být s výhodou použito u vláken 6 majících jádra 11, 12 dotovaná oxidem hlinitým, která mají hlavní vrchol zisku při použití erbia širší než vlákna dotovaná germaniem, jak je patrno z obr. 3.

U těchto vláken 6 je šířka potlačeného pásma útlumového jádra podobná šířce hlavního vrcholu při použití erbia, způsobujícího šum.

Struktura optického vlákna 6 podle vynálezu může být vyrobena vložením jádrových tyčí do ultrazvukově vyvrtaných dutin ve vysoce čistém oxidu křemičitém nebo jiném měkkém skle použitém pro tyč pláště.

Dutina vyvrtaná pro zesilovací jádro je souosá s vnějším povrchem tyče pláště a dutina vyvrtaná pro útlumové jádro je rovnoběžná s dutinou pro zesilovací jádro avšak umístěná mimo osu tyče pláště o určitou vzdálenost.

Tyče jader mohou být vytvořeny technikou dotování roztoku nebo z tyčí měkkého skla „vytaženého“ z taveniny vhodného dopovaného skla. Jsou-li tyče jader vyrobeny technikou dotování roztoku, mohou být průměry tyčí jader kontrolovány leptáním nebo obráběním.

Podle obměněného způsobu může být vyroben předvýrobek skleněného pláště, obklopující zesilovací jádro a tyč jádra pro útlumové jádro může být vložena do ultrazvukově vyvrtané dutiny v předvýrobku.

Zvýše popsaných příkladů je patrno, že zatímco zesilovač svláknem sjedním jádrem dával snížený zisk za přítomnosti signálu o vlnové délce 1560 nm , a současně zaváděl takový šum, že příjem signálu byl obtížný, takže tento zesilovač byl prakticky nepoužitelný, zesilovač používající aktivní vlákno 6 podle vynálezu, jak vyplývá z prvního uvedeného příkladu, zlepšil svou schopnost poskytovat vysoký zisk zesílení při přítomnosti téhož signálu o vlnové délce 1560 nm, přičemž jím zavedený šum pozadí byl zanedbatelný.

-10CZ 282395 B6

Z výše uvedeného plyne, že použití zesilovačů podle vynálezu v telekomunikačním vedení činí toto vedení schopné přenášet signály vyvíjené komerčně dostupnými laserovými vysílači 2, u kterých se předpokládá široká výrobní odchylka ve vysílaných kmitočtech, a současně je zajištěna v podstatě stejná schopnost zesílení nezávisle na skutečné emisní hodnotě vysílače signálu, který je použit.

Je zřejmé, že lze provést mnohé obměny, aniž by se vybočilo z rámce vynálezu v jeho obecných znacích.

Claims (11)

1. PATENTOVÉ NÁROKY

   1. Optický zesilovač se širokým pásmem signálu, obzvláště pro telekomunikační vedení z optických vláken, pracující s přenášeným signálem v předem určeném pásmu vlnové délky, obsahující dichroický vazební člen, způsobilý pro multiplexování přenášeného signálu a světelné čerpací energie v jediném vystupujícím vlákně, a aktivní optické vlákno obsahující fluorescenční dotující látku, připojené k výstupnímu vláknu dichroického vazebního členu a ke vláknu telekomunikačního vedení, způsobilé pro přijímání a vysílání zesíleného signálu, vyznačený tím, že aktivní optické vlákno (6) je vytvořeno celé ze dvou jader (11, 12; 101, 102) ve společném plášti (13; 103), kde první jádro (11; 101) je zesilovací jádro obsahující fluorescenční dotující látku s laserovou emisí v oblasti vlnových délek zahrnující pásmo vlnové délky přenášeného signálu a je opticky připojeno na jednom konci k vláknu (4) vystupujícímu z dichroického vazebního členu (3) a na druhém konci k vláknu (7) telekomunikačního vedení, zatímco druhé jádro (12; 102) aktivního optického vlákna (6) je útlumové jádro a obsahuje látku absorbující světelnou energii a je odříznuto na obou koncích, přičemž obě jádra (11, 12; 101, 102) jsou spolu vzájemně opticky vázána v pásmu vlnové délky ležícím v oblasti vlnových délek laserové emise prvního jádra (11; 101) a různém od pásma přenášeného signálu.
2. 2. Zesilovač podle nároku 1, vyznačený tím, že druhé jádro (12; 102) v aktivním optickém vláknu (6) obsahuje dotující látku mající vysokou světelnou absorpci v oblasti laserové emise dotující látky prvního jádra (11; 101).
3. 3. Zesilovač podle nároků 1 nebo 2, vyznačený tím, že dotující látka s vysokou světelnou absorpcí druhého jádra (12; 102) je tvořena stejnou fluorescenční látkou, jaká je přítomná v prvním jádru (11; 101).
4. 4. Zesilovač podle nároků 2 nebo 3, vyznačený tím, že dotující látka ve druhém jádru (12; 102) je titan, vanad, chrom nebo železo, které jsou alespoň částečně přítomné v jejich nejnižším mocenství.
5. 5. Zesilovač podle kteréhokoli z nároků laž4, vyznačený tím, že druhé jádro (12; 102) má v pásmu vzájemné optické vazby jader (11, 12; 101,102) zhášecí délku menší než je 1/10 pulzové délky mezi vzájemně vázanými jádry (11,12; 101, 102).
6. 6. Zesilovač podle kteréhokoli z nároků 1 až 5, vyznačený tím, že fluorescenční dotující látka přítomná v prvním jádře (11, 101) je erbium.
7. 7. Zesilovač podle nároku 6, vyznačený tím, že zesilovací první jádro (11; 101) obsahuje od 10 do 1000 ppm oxidu erbitého E2O3.

   - 11 CZ 282395 B6
8. 8. Zesilovač podle kteréhokoli z nároků 1 až 7, vyznačený tím, že obě jádra (11, 12; 101, 102) jsou spolu opticky vázána v pásmu vlnových délek mezi 1530 a 1540 nm.
9. 9. Zesilovač podle kteréhokoli z nároků 1 až 3 nebo 5 až 8, vyznačený tím, že 5 útlumové druhé jádro (12; 102) obsahuje více než 5000 ppm a s výhodou okolo 10 000 ppm oxidu erbitého E2O3.
10. 10. Zesilovač podle kteréhokoli z nároků 1 až 9, vyznačený tím, že průměr zesilovacího prvního jádra (11; 101) je rovný průměru útlumového druhého jádra (12; 102).

    i0
11. 11. Zesilovač podle kteréhokoli z nároků 1 až 9, vyznačený tím, že průměr zesilovacího prvního jádra (101) je menší než je průměr útlumového druhého jádra (102).