FI104294B - Optinen vahvistin, jossa on yksimoodinen kaarrettu aktiivikuitu - Google Patents

Description

104294 01 Optinen vahvistin, jossa on yksimoodinen kaarrettu aktiivikuitu - Optisk förstärkare med en enkelmodal kurvad aktivfiber 05 Tämän keksinnön kohteena on etenkin tietoliikennelinjoja varten tarkoitettu optinen vahvistin, jossa on käytetty aktiivikuitua yksimoodisena ainoastaan lähetysaaltopi-tuudella.

10

On tunnettua, että sellaisilla valokuiduilla, joissa kii-hottimella käsitelty sydän on saatu aikaan käyttämällä erityisiä aineita, kuten harvinaisten maametallien ioneja, on stimuloidun emission ominaisuuksia, jotka sopivat 15 käyttöön laserlähteinä ja optisina vahvistimina.

Näihin kuituihin voi itse asiassa syöttää valoa määrätyllä, pumppausaaltopituudeksi kutsutulla aaltopituudella toimivalla lähteellä, joka pystyy saamaan kiihotusatomit 20 kiintyneeseen energiatilaan tai pumppauskaistaan, josta atomit vaimenevat spontaanisti hyvin lyhyen ajan puitteissa lasersäteilytilaan, missä tilassa ne pysyvät verrattain pitkän ajan.

.. 25 Kun sellaisen kuidun, jossa on suuri määrä atomeja energiatilassa laseremissiotasolla, läpi kulkee valosignaali, jonka aaltopituus vastaa tätä laseremissiotilaa, signaali saa aikaan energiatilaisten atomien siirtymisen alemmalle tasolle, koska valoemissiolla on sama aaltopituus kuin 30 signaalilla; siksi edellä mainitun kaltaista kuitua voi käyttää signaalin vahvistamistarkoituksessa ja varsinkin esimerkiksi sellaisten optisten Iinjavahvistimien aikaansaamiseksi, jotka sopivat siirtämään vaimentuneen lähetyksen optisen signaalin takaisin korkeammalle tasolle sen 35 jälkeen, kun se on kulkenut pitkän matkan kuitua pitkin tietoliikennelinjalla.

2 104294 01 Edellä esitetyn kaltaiset optiset vahvistimet ovat tuttuja esimerkiksi Italian patenttihakemuksesta nro 22120 A/89, saman hakijan nimellä, joka on kirjattu 24. lokakuuta 1989 ja jossa aktiivikuitu on yksimoodista tyyppiä sekä lähe-05 tysaaltopituudella että pumppausaaltopituudella.

Tällaisilla, sekä lähetys- että pumppausaaltopituudella yksimoodisilla kuiduilla on kuitenkin erilainen valotehon jakautuma kuidun poikkileikkauksessa, koskien varsinkin 10 lähetyssignaalin valotehoa, joka jakautuu suuremmalle kuidun poikkileikkausalueelle kuin se, jolla pumppaustehoa esiintyy.

Lähetyssignaalin vahvistamisesta vastaava fluoresoiva 15 kiihotusaine on keskittynyt kuidun sydämeen ja tunnetuissa vahvistimissa kuitu on suunniteltu siten, että pumppausteho on myös rajattavissa mainitulle alueelle siten, että sitä voi käyttää kokonaan hyväksi fluoresoivan kiihotus-aineen kiihdyttämiseksi laseremissiotasolle; koska osa 20 lähetyssignaalin tehosta lähetetään kuitenkin kuituun sen alueen ulkopuolelle, jolla fluoresoivaa kiihotusainetta ja pumppaustehoa esiintyy, siitä seuraa, että vain osa mainitusta signaalista on käytettävissä sillä kuitualueella, jossa se on vahvistettavissa.

25

Edellä mainittu ilmiö saa aikaan vahvistimien vahvistus-tehon rajoittumisen, millä tarkoitetaan lähetyssignaalin vahvistumista pumppaustehoyksikköä kohden.

30 Tästä johtuva ongelma koskee mainitun tehon lisäämistä tunnettuihin vahvistimiin verrattuna.

Tämän keksinnön tavoitteena on saada aikaan vahvistin, jossa lähetyssignaaliteho ja pumppausteho jakautuvat 35 olennaisesti samalla tavalla aktiiviseen kuituosaan ja keskittyvät myös sille kuidun alueelle, jossa fluoresoivaa kiihotusainetta on läsnä.

3 104294 01 Tämän keksinnön tavoitteena on saada aikaan optinen vahvistin, varsinkin valokuituisia tietoliikennelinjoja varten ja linjan valokuituun sarjana sijoittamista varten, joka käsittää ainakin valonpumppauslähteen, dikroisen 05 kytkimen, jonka kaksi ottoa on liitetty vastaavasti lähe-tyssignaalia kantavaan valokuituun ja valonpumppausläh-teeseen, sekä annon, joka on liitetty vastaavassa optisessa sydämessä fluoresoivaa kiihotusainetta sisältävän aktiivikuidun toiseen päähän, emission ollessa lähetystö signaalin aaltopituuden alueella ja pumppauksen kohdistuessa siihen pumppauslähteen aaltopituudella, sen ollessa tunnettu siitä, että aktiivinen valokuitu on kuitu, joka sallii olennaisesti suoralinjäisen asennuksen avulla valon yksimoodisen etenemisen lähetysaaltopituudella ja valon 15 monimoodisen etenemisen pumppausaaltopituudella ja on järjestettynä kaarevaan muotoon vähintään 70% osuudella kokonaispituudestaan, taivutussäteen vastatessa kuidussa tapahtuvaa etenemistä vain perusmoodilla ja pumppausaaltopituudella .

20

Kaarevan aktiivikuidun taivutussäde on alueella 20-140 mm ja kaarevan aktiivikuidun taivutussäde asettuu mieluiten alueelle 35-100 mm.

25 Parhaaksi katsotussa versiossa lähetysaaltopituus on välillä 1520 ja 1570 nm ja pumppausaaltopituus on 980 nm (± 10 nm) ja aktiivikuidun fluoresoiva kiihotusaine on erbium. 1 2 3 4 5 6

Tarkemmin sanoen, aktiivikuidussa on ainakin yksi kaareva 2 • osuus, jonka taivutussäde vastaa itse kuidussa tapahtuvaa 3 • etenemistä, vain perusmoodia pumppausaaltopituudella käy 4 tettäessä, tämän osuuden ollessa kaarettomien kuituosuuk- 5 sien vieressä, kaarevan osuuden tai kaarevien osuuksien 6 kokonaispituuden ollessa enemmän kuin 70% aktiivikuidun kokonaispituudesta.

• , 104294 4 01 Aktiivikuidussa on mieluiten yksi ainoa jatkuva kaareva osuus, jonka taivutussäde vastaa itse kuidussa tapahtuvaa etenemistä, vain perusmoodia pumppausaaltopituudella käytettäessä, kaarettomien kuituosuuksien ollessa joko ak-05 tiivikuidun jommassakummassa tai kuminassakin päässä.

Tämän keksinnön mukaisessa, erityisesti etusijalle asetettavassa optisessa vahvistinversiossa aktiivikuitu on kaarrettu koko pituudeltaan käyttämällä taivutussädettä, 10 joka vastaa itse kuidussa tapahtuvaa siirtoa, vain perusmoodia pumppausaaltopituudella käytettäessä, lukuun ottamatta pääosuuksien olennaisesti kaarettomia osuuksia, kunkin pituudella ollessa alle 400 mm; pääosuuksien olennaisesti kaarettomien osuuksien pituuden ollessa alle 200 15 mm.

Lisäyksityiskohtia esitetään seuraavassa keksinnön selityksessä, jossa viitataan oheistettuihin piirroksiin, joissa: 20

Kuvio 1 on kaaviokuva aktiivikuitua käyttävästä optisesta vahvistimesta;

Kuvio 2 on kaaviokuva, joka esittää kuvion 1 mukaisen .. 25 kaaviokuvan vahvistimessa käytettävän kuitutyypin energian etenemisiä, jotka on sovitettu synnyttämään stimuloitua (laser)emissiota;

Kuvio 3 on kaaviokuva, joka esittää pumppauksen, lähetyk-30 sen ja katkaisun aaltopituuksiin viittaavia järjestelyjä;

Kuvio 4 on kaaviokuva, joka esittää valokuidun valon intensiteetin radiaalijakaumaa; 35 Kuvio 5 on luonnos aktiivikuidun asentamisesta tämän keksinnön mukaiseen vahvistimeen; 5 104294 01 Kuvio 6 on näkyinä kuvion 5 esittämän kuidun etupuolelta;

Kuvio 7 on kaaviokuva, joka esittää aaltopituudesta riippuvan kuidun moodiläpimitan vaihteluja; 05 v

Kuvio 8 on kaaviokuva, joka esittää optisen vahvistimen vahvistusta, joka riippuu käytetyn aktiivikuidun pituudesta .

10 Valokuituja käyttävät vahvistimet sopivat vahvistamaan tietoliikenteessä käytettävien valokuitujen signaaleja; mainittujen vahvistimen rakenne on esitetty kaaviona kuviossa 1, jossa (1) tarkoittaa tietoliikennevalokuitua, johon signaalilaserlähettimen luoma lähetyssignaali, jonka 15 aaltopituus on \s , lähetetään; määrätyn linjaosuuden jälkeen vaimentunut signaali lähetetään optiseen vahvistimeen (3), johon kuuluu olennaisena osana dikroinen kytkin (4), jossa se liitetään yhdessä ulosmenokuidussa (5) pumppauslaserlähettimen (6) luomaan pumppaussignaaliin, 20 jonka aaltopituus on >P; aktiivikuitu (7) liitettynä kytkimestä tulevaan kuituun (5) muodostaa signaalia vahvistavan osan, joka johdetaan sen jälkeen linjakuituun (1) ja edelleen päämääräänsä.

25 Valosignaalin vahvistuksen aikaansaavan aktiivikuidun (7) tuottamiseen käytetään piipohjaista valokuitua, joka käsitellään fluoresoivaa materiaalia olevalla kiihotusai-neella siten, että se saa aikaan valoemission, jota stimuloidaan valosignaalin läsnä ollessa, mikä vahvistaa tätä 30 signaalia.

• Fluoresoivana materiaalina käytettäväksi sopii Er2O3 , jolla voi olla stimuloituja siirtymiä, joista käytetään myös nimitystä "lasersiirtymä", sellaisilla aaltopituuk-35 silla, jotka sopivat tietoliikennesignaalien kaukolähe-tykseen.

« 104294 6 01 Kuten kuvion 2 kaaviosta käy ilmi, viitaten edellä esitetyn tyyppiseen kuituun, joka edustaa vertauskuvallisesti kuidun piipohjaisen matriisin erbiumioniliuoksen käytettävissä olevia energiatiloja, valotehon syöttäminen ak-05 tiivikuituun "pumppaavalla" aaltopituudella >P, joka on pienempi kuin lähetyssignaalin aaltopituus >s , saa määrätyn määrän kuidun lasipohjäisessä matriisissa kiiho-tusaineena läsnä olevista Er3+-ioneista siirtymään "kiihotettuun" energiatilaan (8), josta käytetään nimi-10 tvstä "pumppauskaista", mistä tilasta ionit vaimenevat spontaanisti energiatasolle (9), joka käsittää laser-emissiotason.

On tunnettua, että samalla kun siirtymiseen kaistalta (8) 15 tasolle (9) liittyy lämpötyyppinen emissio, joka hajoaa kuidun ulkopuolelle (fononisäteilynä), siirtyminen tasolta (9) perustasolle (10) saa aikaan sellaisella aaltopituudella tapahtuvaa valonsäteilyä, joka vastaa laseremissio-tason (9) energia-arvoa; jos sellaisen kuidun, joka si-· 20 sältää suuren määrän laseremissiotasolla olevia ioneja, läpi kulkee tätä emissiotasoa vastaavalla aaltopituudella oleva signaali, se saa aikaan kyseisten ionien stimuloidun siirtymisen emissiotilasta perustilaan jo ennen niiden spontaania heikkenemistä, jolloin kaskadi-ilmiö tuottaa 25 suuresti vahvistuneen lähetyssignaalin aktiivikuidun ulostulon puolella.

Kuviossa 4 on esitetty kaaviona kuidun pää nähtynä ak-siaalileikkauksena ja numerolla (11) merkittynä; sydän 30 (12) ja päällys (13) on määritetty tätä kuitua varten ja ne ovat tunnistettavissa erilaisista taittokertoimista.

Kiihotusaine, siis Er3 + , jota käytetään vahvistimen aktiivikuidussa, on mukana sydämessä (12).

Suuren vahvistuksen aikaansaamiseksi on paikallaan, että vahvistimen aktiivikuitu (7) on yksimoodista tyyppiä sekä 35 7 104294 01 lähetysaaltopituudella että pumppausaaltopituudella, kuten saman hakijan Italian patenttihakemuksessa nro 22120 A/89 on ilmoitettu.

05 Kuten kuvissa 3 on esitetty, edellä oleva tarkoittaa, että k mainitun patentin sisältämien selitysten mukaan aktiivi-kuitu on kooltaan sellainen, että kuidun katkaisuaaltopi-tuus Xci, josta käytetään myös nimitystä "Xkatkaisu", jonka yläpuolella kuidussa on ainoastaan perusmuotoinen 10 siirto, on sekä pienempi kuin lähetyssignaalin aaltopituus Xs että pienempi kuin pumppaussäteilyn aaltopituus XP.

Kuidun katkaisuaaltopituuden valinnan kannalta tärkeät mittaukset ovat olennaisesti sen numeerinen aukko NA ja 15 sydämen läpimitta.

Sellaisen kuidun, jonka taittokerroinprofiili on olennaisesti "askelkerrointyyppinen" tai vastaava, numeerinen aukko NA määritetään seuraavasti: ·· 20 NA = (n! 2 - n22 )* , jossa ni on kuitusydämen taittokerroin ja r\z on kuidun päällyksen taittokerroin.

25

On tunnettua, että kuidun sydämen ja päällyksen haluttuun taittokertoimeen voi päästä valitsemalla itse sydämen ja päällyksen primaarisen kiihotusaineen pitoisuus, eli muu-toskerroinaine, sijoitettuna siihen esimuotoon, josta 30 kuitu hyvin tunnettua tekniikkaa käyttäen tehdään.

Tähän tarkoitukseen käytettyihin kiihotusaineisiin kuuluvat yleensä Ge02 tai AI2O3.

35 Kuidun sisällä valon säteilyn, jonka aaltopituudelle kuidussa on yksimoodinen eteneminen, aaltopituuden ollessa suurempi kuin kuidun katkaisuaaltopituus, valointensi- s 104294 01 teetin radiaalijakauma on kuviossa 4 käyrien P ja S esittämää tyyppiä, jonka kehittyminen on olennaisesti Gaussin tyyppinen, suurimman intensiteetin Imax ollessa kuidun akselin suuntainen ja alenevat arvot aina nollaan saakka 05 kohti kuidun reuna-aluetta.

Edellä olevan jakauman perusteella määritetään moodin läpimitta ύα läpimittana, jonka kohdalla kuidussa valon intensiteetti I(6m) on: 10 I (iin ) — Im a x ’ e2 15 jossa Imax on kuidussa oleva suurin valon intensiteetti, perustuen spesifikaatioihin CCITT G.652 (Consultative Committee International Telegram and Telephone).

Kuten piirroksesta käy ilmi, suurin osa lähetettävästä . 20 valotehosta rajoittuu olennaisesti moodin läpimitan puitteisiin .

Tehokkaan vahvistuksen saavuttamiseksi on erittäin tärkeää, että kuidun sydämessä, jossa on fluoresoivaa kiiho-25 tusainetta, on erittäin tiheä pumppausteho, jotta siinä voidaan pitää yllä suurta populaatioinversiota, toisin sanoen suurta prosenttiosuutta kiihotusaineatomeja vah-vistuskäyttöön korkeammalla lasertasolla (9), verrattuna perustasoon (10); sydämen ulkopuolelle, jossa ei ole mi-30 tään kiihotusainetta, lähetetty pumppausteho on olennaisesti kiihotusaineinversion päihin korkeammalla laser-tasolla vaikuttamatonta.

Lähetyssignaalin radiaalijakauman intensiteetin tulisi 35 puolestaan olla kuidussa samanlainen kuin pumppaussig- naalin vastaava, jotta se tulisi lähetetyksi sille kuidun alueelle, jossa suurin osa valon pumppaustehosta on, siten 9 104294 01 että sen voisi vahvistaa tehokkaalla tavalla.

Tätä tarkoitusta varten pumppaussignaalin ja lähetyssig-naalin moodin läpimitan tulisi olla mahdollisimman samoja. 05

Sen tyyppisessä valokuidussa, jossa sydän (12) ja päällys (13) ovat kuvion 4 esittämällä tavalla samansuuntaiset pumppaus- ja lähetyssignaalien valotehon radiaalijakauman kaavioiden kanssa, moodin läpimitta lähetysaaltopi-10 tuudella \s , valotiheyden radiaalijakautuman käyrä, jota piirroksessa edustaa viiva S, on huomattavasti suurempi kuin moodin läpmitta pumppausaaltopituudella \P , intensiteettikäyrän P yhteydessä, ja olennaisesti sydämen (12) läpimittaa vastaten; edellä oleva tarkoittaa, että 15 tärkeä osa valosignaalia ei etene aktiivikuidun siihen osaan, johon pumppausenergiaa syötetään ja jossa kiiho-tusainetta on läsnä.

On itse asiassa todettava, että moodiläpimitta, joka on ·* 20 lähelle kuidun katkaisuaaltopituuden Xc arvoja olennaisesti vakio eikä poikkea paljon varsinaisen kuidun sydämen läpimitasta, kasvaa huomattavasti suurempien \-arvojen kohdalla, kuten kuviosta 7 näkyy: siksi, jotta varmistettaisiin kuidun yksimoodisuus pumppausaaltopituudella \P , 25 esimerkiksi sellaisissa vahvistimissa, joissa on erbiu- milla kiihotettu aktiivikuitu, 980 nm:n (± 10%) kohdalla, on käytettävä kuitua, jonka katkaisuaaltopituus >c on alle 980 nm, ja siten saavutetaan erittäin suuri moodiläpimitta lähetysaaltopituuden \s kohdalla. Se on paljon 30 suurempi kuin moodiläpimitta pumppausaaltopituuden >P kohdalla, siten että suurin osa lähetyssignaalista ei etene sille kuidun alueelle, jolla sitä ei voi vahvistaa.

Edellä oleva käyttäytyminen esiintyy silloin, kun aktii-35 vikuidun rakenne on suoraviivainen tai pääasiassa suoraviivainen, jolloin "pääasiassa suoraviivaisella rakenteella" tarkoitetaan, ettei kuituun kohdistu mitään sei- 10 104294 01 laisia geometrisia muodonmuutoksia, jotka pystyisivät kovin paljon muuttamaan sen optista käyttäytymistä; mainitusta syystä, ja noudattaen spesifikaatioita (CCITT, ohje G.652), edellytetään, että kuidun taittokerroinpro-05 tiiliin perustuva teoreettinen katkaisuaaltopituus lasketaan, kuten myös sen katkaisuaaltopituudet käyttöolosuhteissa .

Mainitut spesifikaatiot ottavat etenkin huomioon mahdol-10 lisuuden mitata johtokuidun katkaisuaaltopituus, jolloin mittaus toteutetaan kohdistettuna yhteen ainoaan 140 mm säteiseen kuiturenkaaseen; näissä olosuhteissa havaittu katkaisuaaltopituuden vaihtelu verrattuna teoreettiseen arvoon on toisaalta varsin pieni, sillä odotettavissa 15 oleva ero on pienempi kuin noin 5%, teoreettiseen katkai-suaaltopituuteen verrattuna.

Tämän keksinnön mukaan vahvistimen aktiivikuitu valitaan yksimoodisesta tyypistä vain lähetysaatopituudella \s, ·· 20 jonka katkaisuaaltopituus \c2 on pienempi kuin \s , mutta olennaisesti suurempi kuin \p, kuten kuviosta 3 näkyy.

Mainitulla kuidulla moodiläpimitta lähetysaaltopituudella, etenkin 1520 ja 1570 nm välisellä alueella, sovitettuna 25 käyttöön erbiumilla kiihotettua aktiivikuitua käyttävissä vahvistimissa, jolloin lähetysaaltopituus on lähellä kat-kaisuaaltopituutta, näyttää olevan riittävän pieni, olennaisen lähellä kuidun sydämen läpimittaa; toisaalta pump-paussignaalin perusmoodin läpimitta on lähellä kuidun sy-30 dämen läpimittaa ja lähetyssignaalin teho säilyy olennaisesti rajattuna sille kuidun alueelle, johon pumppaussig-naali ja aktiivinen kiihotusaine kohdistuvat.

Aktiivikuitu on sijoitettu kaarevaan muotoon koko kuidun 35 pituudelta, vahvistimen käsittävien käämien muotoon, kuten kuviot 5 ja 6 esittävät, esimerkiksi kierrettynä lieriömäisen tuen tai vastaavan ympärille: kuidun taivutus va- 11 104294 01 Iitaan tämän keksinnön mukaan siten, että säde Rc on olennaisesti pienempi kuin 140 mm, jotta kuidun sisällä eteneminen olisi mahdollista vain perusmoodille silloinkin kun aaltopituudet ovat pienempiä kuin edellä mainittu 05 aaltopituus \c2 ja varsinkin koskien myös pump-pausaaltopituutta \P .

Kuidun taivutus saa itse asiassa sen lähettämään vain perusmoodia aaltopituuksilla, jotka ovat yhä pienempiä 10 sitä mukaa kun kuituun tehty taivutus kasvaa yhä huomattavammaksi, toisin sanoen, kun Rc muuttuu pienemmäksi; siksi on mahdollista määrittää taivutussäde RP, jonka vallitessa määrätylle aaltopituudelle ja etenkin pump-pausaaltopituudelle vain perusmoodin eteneminen kuidun 15 sisällä on mahdollista.

Aktiivikuitua varten valitun taivutussäteen Rc on sen vuoksi oltava pienempi tai yhtä suuri kuin edellä mainittu säde RP; käytännössä tämä tarkoittaa, että koska kuitura-“ 20 kenteen mekaaninen heikkeneminen saattaa aiheuttaa taipumista, mikä saattaa sen alttiiksi murtumille tai katkeamisille, käyttöön otetaan mieluiten taivutussäde, joka on sama kuin RP tai lähellä sitä.

25 Valitsemalla sopiva mainitun taivutuksen arvo mahdollis-tetaan pumppausaaltopituutta suurempien moodien poistaminen aktiivikuidusta siten, että ainoastaan pumppaus-signaalin perusmoodia ajetaan kuidun sisällä, samalla kun pidetään yllä katkaisuaaltopituutta, joka saa aikaan pie-30 nen moodiläpimitan syntymisen kuidussa lähetysaaltopituu-della.

Tällä tavoin on mahdollista päästä erityisen suureen vah-vistustehoon, toisin sanoen suureen vahvistuksen nousuun 35 syötettyä pumppaustehoyksikköä kohden siten, että on mahdollista käyttää tavallista lyhyempää kuitua halutun vahvistuksen saavuttamiseksi, kuten kuviosta 8 käy ilmi.

12 104294 01 Siitä voi nähdä, että vahvistukseen Go voi päästä aktii-vikuidun pituudella Li, käyttämällä kuitua, jonka katkai-suaaltopituus on \C2>980 nm, mikä on paljon pienempi kuin pituus L2, joka on välttämätön saman vahvistuksen aikaan-05 saamiseksi kuidulla, jonka katkaisuaaltopituus on Ai<980 nm.

Edellä mainitun Italian patenttisovelluksen nro 221210 A/89 ilmoittamien tietojen pohjalla tuotetussa dikroisessa 10 kytkimessä (4) pumppaussignaaliin kytkettyjen lähetyssig-naalien lähetyskuitu (5) on yksimoodista tyyppiä molemmilla aaltopituuksilla; siksi tämän kuidun moodiläpimitta lähetysaaltopituudella \s on suurempi kuin keksinnön mukaisen aktiivikuidun moodiläpimitta; kuitujen 5 ja 11 15 välisessä hitsauksessa on vaimennus lähetysaaltopituudella, mikä johtuu tästä läpimittojen erosta.

Vielä yksi valon vaimennus esiintyy hitsauksessa aktiivi-kuidun ja linjakuidun (1) välillä; vaikka kaupallisesti 20 saatavissa olevat, Iinjakuituina kätetyt kuidut ovatkin itse asiassa yksimoodista tyyppiä pelkästään lähetysaaltopituudella, mainitulla 1520 ja 1570 nm välisellä alueella niillä on melko suuri moodiläpimitta, tarkoituksena saada aikaan helppoja liitoksia ym, joka on yhtä suuri tai , 25 suurempi kuin kytkinkuidun (5) moodiläpimitta.

Vahvistimen kokonaisvahvistus Gex saadaan aktiivikuidun sisävahvistuksesta Gin, josta vähennetään häviöt tai vaimennukset As , jotka johtuvat eri kuitujen välisistä hit-30 sauksista: tämän tuloksen saamiseksi vaaditaan siis ak-tiivikuidun vahvistus Gin = Ge x + As .

Sellaisen tämän keksinnön mukaisen kuidun käyttö, jonka moodiläpimitta on hyvin pieni, saa aikaan suurempia hit-35 sauksesta johtuvia häviöitä kun verrataan tunnettuihin aktiivikuituihin, jotka ovat yksimoodisia myös aaltopituudella \p , mutta nämä lisähäviöt osoittautuvat yleensä 13 104294 01 mitättömiksi verrattaessa saavutettuun tehon lisäykseen.

Sopivan käytön aktiivikuidun vähimmäistaivutussäde Rc on suurempi kuin noin 20 mm ja tämän säteen vallitessa kaar-05 retun kuidun mekaaninen lujuus muuttuu kriittiseksi ja lisäksi liitoskohtien hitsaushäviöiden arvo nousee merkittäväksi, johtuen suuresta erosta aktiivikuidun ja linjakuidun tai kytkimestä ulos tulevan kuidun moodilä-pimitan välillä, kun taas suurempien kuin 140 mm taivu-10 tussäteiden hyöty on vähäinen pyrittäessä pääsemään merkittävään katkaisuaaltopituuden vaihtoon; mieluiten Rc>35 mm ja vielä mieluummin 50 mm <_ Rc £100 mm.

Mainittujen taivutussäteiden yhteydessä se katkaisuaalto-15 pituuden maksimiarvo suoraviivaisissa olosuhteissa, joka mahdollistaa yksimoodisen pumppausssignaalin etenemisen saavuttamisen 980 nm:ssä, kun kuitu on kaarrettu vastaavan taivutussäteen mukaisesti, ilman että päästään mainittuihin kriittisiin arvoihin, mitä tulee itse kuidun mekaani-20 seen lujuuteen, on >c = noin 1280 nm, vastaten noin 4 pm moodiläpimittaa; taivutussäteellä 50 mm Rc mainittu katkaisuaaltopituuden arvo \c = noin 1100 nm, moodiläpimitan ollessa yhtä suuri kuin noin 5,3 pm, kun taas pumppaus-signaalin perusmoodin läpimitta on noin 3,8+4 pm.

25

Yksimoodiselle kuidulle suoraviivaisissa olosuhteissa pumppausaaltopituudella moodiläpimitta lähetyssignaalin aaltopituudella on suurempi kuin 6 pm. 1 2 3 4 5 6

Keksinnön mukaisen vahvistimen aktiivikuidun ominaisuuk 2 sien parhaan käyttötarkoituksen kannalta aktiivikuidun 3 kokonaispituuden tulisi mieluiten olla kaarrettuna ai 4 kaansaadun taivutussäteen mukaisesti, toisin sanoen, ak- 5 tiivikuitu on sijoitettava kaarrettuun asentoon, esimer- 6 kiksi kierrettynä vastaavan tuen varaan muodostuviksi käämeiksi, kuten kuviossa 5 on kaaviomaisesti esitetty, välittömästi kytkinkuituun (5) tehdyn hitsausliitoksen 14 104294 01 (15) alavirran puolelle.

Mikäli edellä esitetty ei ole mahdollista tai toivottavaa, esimerkiksi siksi, että aktiivikuidun kaarretun rakenteen 05 taivutusrasitukset siirtyvät hitsaukseen (15), mikä on yleensä omiaan aikaansaamaan kuituun mekaanisesti heikentävän kohdan, kuten kuviosta 6 käy ilmi, aktiivikuidun kaartamaton osuus (16) voidaan hyväksyä, eikä tämä välttämättömyys sisällä mitään olennaista vähennystä aktii-10 vikuidun taivutuksen tuomiin etuihin.

On suositettavaa, että suoran tai olennaisesti suoran, mikä tarkoittaa suurempaa kuin Rc taivutussädettä edellä määritetyllä tavalla välittömästi kytkimen alavirran puo-15 lella, aktiivikuidun osuuden (16) pituus on alle 400 mm ja mieluiten, että Lr >_ 200 mm; tällainen olennaisesti suora kuituosuus on hyväksyttävissä myös aktiivikuidun vastakkaiseen päähän, lähelle sen Iinjakuituliitosta, ilman että vahvistusteho heikkenee kovinkaan paljon.

20

Suurempien moodien liittäminen kuituun tapahtuu itse asiassa suhteessa itse kuidussa tapahtuvan matkan pituuteen ja siksi ilmoitetun pituusosuuden jälkeen aktiivikuidussa ei tapahdu mitään merkittävää pumppaustehon siirtymistä 25 perusmoodista suurempiin moodeihin.

Toisaalta hyödyllisiäkin tuloksia, toisin sanoen vahvis-tustehon kasvua suhteessa vahvistimiin, joissa on yksi-moodinen aktiivikuitu pumppausaaltopituudella, voidaan 30 saada tämän keksinnön mukaisesti aktiivikuidulla, jossa vain yksi pituusosuus on taivutettu, jos tätä vaaditaan eri syistä, edellyttäen että taivutetun kuidun osuus, joka vastaa vain pumppaustehon perusmoodin etenemistä, on suurempi kuin 70% kuidun kokonaispituudesta.

35

Rakentamistarkoituksia varten, ja etenkin vahvistimen rakennekoon pitämiseksi pienissä rajoissa, taivutettu kui- is 104294 01 tuosuus käsittää aktiivikuidun keskiosuuden, kun taas kuidun etu- ja takaosuuksilla, jotka ovat lähellä itse kuidun päiden hitsauksia, voi olla myös suora laajennusosa; erityisvaatimuksista johtuen aktiivikuitu voi kui-05 tenkin käsittää myös useita taivutettuja osuuksia, jotka vuorottelevat olennaisesti suorien osuuksien kanssa.

Esimerkiksi seuraavat ominaisuudet käsittävää, erbiumilla käsiteltyä aktiivikuitua on valmistettu: 10

Sydämen läpimitta 3,6 um

Numeerinen aukko (m2 -m2)* 0,23

Xc (teoreettinen katkaisuaaltopituus) 1100 nm

Signaalimoodiläpimitta 5,3 pm 15 Erbiumpitoisuus (Er2C>3:n paino) 350 ppm

Edellä olevan kuidun avulla on tehty kuvion 1 mukainen vahvistin, jossa kuitu on taivutettu muodostamaan vierekkäisiä käämejä, joiden taivutussäde R = 50 mm koko 20 kuidun pituudelta; näissä olosuhteissa on mitattu katkaisuaaltopituus :

Xc (R) (katkaisuaaltopituus säteellä R) 980 nm 25 Kuitua käyttävän vahvistimen ominaisuudet olivat seuraavat :

Pumppausteho 17 mW

Aktiivikuidun pituus 8,4 m 30

Vahvistin on liitetty Iinjakuituun, jonka katkaisuaaltopituus Xc (F) = 1100 nm, tuottaen lähetyssignaalin, jonka tehoa vahvistetaan: 35 Sisään tulevan signaalin teho - 45 dBm

Vahvistimen optisessa kytkimessä oli kuitu kantamassa 16 104294 01 katkaisuaaltopituuden lähetyssignaalia ja pumppaussig-naalia >c (A) = 980 nm.

05

Selitetyn kokoonpanon avulla saatiin aikaan seuraava vahvistus :

Gi 30 dB.

10

Vertailun vuoksi on tehty myös vahvistin, jossa on samanlainen rakenteellinen järjestely ja jossa on käytetty seuraavin ominaisuuksin varustettua aktiivikuitua: 15 Sydämen läpimitta 3,6 pm

Numeerinen aukko (m2 -m2)* 0,21 \c (teoreettinen katkaisuaaltopituus) 980 nm

Signaalimoodiläpimittta 6,2 pm

Erbiumpitoisuus (Er203tn paino) 350 ppm 20

Kuitua on käytetty vahvistimessa olennaisesti suoraviivaisissa olosuhteissa, edellä esitetyssä mielessä kuidun katkaisuaaltopituuden merkittävien vaihtelujen aikaansaamiseksi .

25

Vahvistimen ominaisuudet olivat seuraavat:

Pumppausteho 20 mW

Aktiivikuidun pituus 10 m 30

Edellisen esimerkin kaltaisen aktiivikuidun kantaman vahvistettavan signaalin teho oli seuraava:

Sisään tulevan signaalin teho - 45 dBm 35

Seuraava vahvistus saavutettiin: * · 104294 17 01 G2 30 dB.

Kuten tästä käy ilmi, keksinnön mukainen vahvistin on pystynyt syöttämään saman vahvistuksen kuin vertailukoh-05 teenä ollut vahvistinkin, jossa käytettiin olennaisesti suoraviivaista kuitua, vaikka siinä oli lyhyempi aktii-vikuidun osa ja sen yhteydessä käytettiin pienempää pumppaustehoa, mikä osoittaa täten huomattavasti suurempaa tehokkuutta.

10 Käämiksi kierrettävien kuitulenkkien tukirakenne, joka on sopeutettu pitämään niitä suunnitellun taivutussäteen mukaisina, voi olla minkälainen tahansa, riippuen myös vahvistimen ympäryksen rakenteellisista ominaisuuksista, 15 minkä vuoksi siitä ei esitetä tässä yhteydessä mitään yksityiskohtaista kuvausta.

Monia muunnoksia voi tehdä, poikkeamatta silti lainkaan tämän keksinnön yleisten ominaisuuksien puitteista.

m . ·

Claims (8)

1. Optinen vahvistin, joka voidaan sijoittaa sarjana va-lokuituiseen tietoliikennelinjaan kuitulinjassa etenevien 5 optisten signaalien vahvistamiseksi, käsittäen ainakin yhden valon pumppauslähteen (6) valosäteilyn tuottamiseksi, jonka aallonpituus on lyhyempi kuin mainitun optisen signaalin aallonpituus, aktiivisen valokuidun (7), joka sisältää fluoresoivan 10 seostusaineen optisessa sydämessään ja joka pystyy lähettämään valoa optisen signaalin aallonpituusalueella kun sitä pumpataan pumppauslähteen aallonpituudella, sekä dikroisen kytkimen (4), jolla on kaksi tuloa kytkettyinä valokuitulinjaan ja valon pumppauslähteeseen, sekä lähdön 15 (5), joka on kytketty mainitun aktiivisen kuidun toiseen päähän, tunnettu siitä, että aktiivinen optinen kuitu (7) on kuitu, joka sovitettuna olennaisesti suoraviivaiseen muotoon mahdollistaa yksimoo-disen etenemisen optisen signaalin aallonpituudella ja 20 monimoodisen etenemisen pumppaussäteilyn aallonpituudella ja aktiivinen kuitu on sovitettu kaarevaan muotoon ainakin 70 %:n kokonaispituutensa osalta, sen taivutussäteen ollessa sellainen, että mainittu kuitu aikaansaa perusmoodin pelkästään yksimoodisen etenemisen pumppaussäteilyn aal-25 lonpituudella.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen optinen vahvistin, tunnettu siitä, että aktiivikuitu (7) on kaarrettu siten, että sen taivutussäde on alueella 20-140 mm. 30

3. Patenttivaatimuksen 2 mukainen optinen vahvistin, tunnettu siitä, että aktiivikuidun taivutussäde asettuu 35 ja 100 mm:n väliselle alueelle.

4. Patenttivaatimuksen 1 mukainen optinen vahvistin, tunnettu siitä, että lähetysaaltopituus on alueella l9 104294 1520-1570 nm ja pumppausaaltopituus on 980 nm (± 10 nm) ja fluoresoiva häiriöatomiaine aktiivikuidussa on erbium.

5. Patenttivaatimuksen 1 mukainen optinen vahvistin, 5 tunnettu siitä, että aktiivikuidussa (7) on ainakin yksi kaareva osuus (11), jonka taivutussäde vastaa vain perus-’ moodin etenemistä kuidussa itsessään pumppausaaltopituu della, tämän osuuden ollessa kaartamattomien kuituosuuk-sien (16) vieressä, kaarretun osuuden tai kaarrettujen 10 osuuksien kokonaispituuden ollessa suurempi kuin 70 % aktiivikuidun kokonaispituudesta.

6. Patenttivaatimuksen 5 mukainen optinen vahvistin, tunnettu siitä, että aktiivikuidussa (7) on yksi ainoa 15 jatkuva kaarrettu osuus (11), jonka taivutussäde vastaa ainoastaan perusmoodin etenemistä kuidussa itsessään pumppausaaltopituudella, kaartamattomien kuituosuuksien (16) ollessa mukana aktiivikuidun toisessa päässä tai molemmissa päissä. 20

'· 7. Patenttivaatimuksen 6 mukainen optinen vahvistin, tunnettu siitä, että aktiivikuitu (7) on kaarrettu koko pituudeltaan sen taivutussäteen mukaisesti, joka vastaa ainoastaan perusmoodin etenemistä kuidussa itsessään 25 pumppausaaltopituudella, lukuun ottamatta pääteosuuksia (16), jotka ovat olennaisesti taivuttamattomia ja joiden ·. kummankin pituus on alle 400 mm. 1 Patenttivaatimuksen 7 mukainen optinen vahvistin, 30 tunnettu siitä, että olennaisesti taivuttamattomien pääte-osuuksien (16) pituus on alle 200 mm. ' Patentkrav