FI83708B - Alloy optical form field transforming fibre - Google Patents

Alloy optical form field transforming fibre Download PDF

Info

Publication number
FI83708B
FI83708B FI895830A FI895830A FI83708B FI 83708 B FI83708 B FI 83708B FI 895830 A FI895830 A FI 895830A FI 895830 A FI895830 A FI 895830A FI 83708 B FI83708 B FI 83708B
Authority
FI
Finland
Prior art keywords
coefficient
form field
core
fibre
alloyed
Prior art date
Application number
FI895830A
Other languages
Finnish (fi)
Swedish (sv)
Other versions
FI83708C (en
FI895830A0 (en
Inventor
Simo Tammela
Original Assignee
Valtion Teknillinen
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Priority claimed from FI891439A external-priority patent/FI85195C/en
Application filed by Valtion Teknillinen filed Critical Valtion Teknillinen
Priority to FI895830A priority Critical patent/FI83708C/en
Publication of FI895830A0 publication Critical patent/FI895830A0/en
Application granted granted Critical
Publication of FI83708B publication Critical patent/FI83708B/en
Publication of FI83708C publication Critical patent/FI83708C/en

Links

Landscapes

  • Lasers (AREA)

Abstract

The invention concerns an elongated optical form field transformer comprising a core part 50, 52, 53 and a shell part 54 which directly and essentially coaxially surrounds the core part, the diffraction coefficient n0 of which shell part is lower than the diffraction coefficient n3 of the material in the core part 50, 52, 53 where it is in contact with the shell part 6. According to the invention the core part 50, 52, 53 comprises, for example, a central part 1 which is an erbium alloy and consists of a material which has the highest average diffraction coefficient in the transformer, an intermediate part 53 directly surrounding the central part 50 consisting of a material with the lowest diffraction coefficient in the transformer and an outer part 52 directly surrounding the intermediate part, consisting of a material with a diffraction coefficient n3 which is lower than the diffraction coefficient n1 of the material of the central part 50 but higher than the diffraction coefficient n2 of the material of the intermediate part 53. By means of a construction according to the invention for example a semiconductor laser or some other light channel which differs from an ordinary single form fibre can easily be connected to an ordinary single form fibre with good optical efficiency. By means of a fibre which is an alloy according to the invention both the pumping effect can be concentrated on a small cross-section area of the active area and a good level of connection efficiency can be achieved in relation to an ordinary single form fibre by thinning of the fibre. <IMAGE>

Description

8370883708

Seostettu optinen muotokentän muuntava kuitu Tämän keksinnön kohteena on patenttivaatimuksen 1 mukainen seostettu muotokentän muunnin.The present invention relates to a doped shape field transducer according to claim 1.

Seostetuilla kuiduilla ymmärretään yleisesti harvinaisilla maametalleilla seostettuja kvartsikuituja. Nimitys seostetut kuidut tulee englannin kielisestä termistä "doped fibres". Seostusmäärät ovat tyypillisesti 10-1000 ppm, joten kuidun taitekerroinjakautumaan ei näillä aineilla ole olellista vaikutusta. Näiden kuitujen taitekerroinrakenne määräytyy samalla tavoin kuin tavallisissakin kuiduissa, eli pääasiassa niiden ydin muodostuu germaniumilla seostetusta kvartsi-lasista. Harvinaisista maametalleista erbium on ehdottomasti kiinnostavin, koska sen emissioaallonpituusalue on 1,53 -1,56 ym, jolla tavallisen tietoliikennekuidun vaimennus on minimissään.Doped fibers are generally understood to mean quartz fibers doped with rare earth metals. The term doped fibers comes from the English term "doped fibers". The doping amounts are typically 10-1000 ppm, so these substances have no significant effect on the refractive index distribution of the fiber. The refractive index structure of these fibers is determined in the same way as that of ordinary fibers, i.e. their core consists mainly of quartz glass doped with germanium. Of the rare earth metals, erbium is by far the most interesting because its emission wavelength range is 1.53 to 1.56 μm, at which the attenuation of a conventional telecommunication fiber is at a minimum.

Erbiumilla seostettua kuitua tultaneen käyttämään optisissa vahvistimissa erilaisissa tietoliikennesovelluksissa. Kuidun käyttöä rajoittavat ainakin tällä hetkellä seosaineen optiseen pumppaukseen soveltuvien puolijohdelasereiden pienet tehot. Tähän ongelmaan on olemassa ratkaisu: kuidun ytimen koon pienentäminen. Ytimen koon pienetessä saadaan kuidussa olevan optisen kentän huippuarvoa nostetuksi merkittävästi. Tämä pienentää pumppaustehon tarvetta. Valitettavasti samalla kytkentä tavallisen tietoliikennekuidun ja seostetun kuidun välillä heikkenee (pumppaustehon kytkentä heikentyy) ja tämä tekijä hävittää seostetussa kuidussa olevasta pienemmästä ytimestä aiheutuvan hyödyn.Erbium-doped fiber is likely to be used in optical amplifiers in various telecommunications applications. The use of fiber is limited, at least at present, by the low power of semiconductor lasers suitable for optical pumping of the dopant. There is a solution to this problem: reducing the size of the fiber core. As the size of the core decreases, the peak value of the optical field in the fiber is significantly increased. This reduces the need for pumping power. Unfortunately, at the same time, the coupling between the ordinary communication fiber and the doped fiber is degraded (the coupling of the pumping power is degraded) and this factor eliminates the benefit of the smaller core in the doped fiber.

Taperointi, eli kuidun ohentaminen on yleisesti tunnettu menetelmä muuttaa yksimuotokuidun ytimessä etenevän muodon (valon) poikittaista jakaumaa. Perinteisissä ohentamalla valmistetuissa muotokentän muuntimissa, tapereissa, on esi- 2 83708 merkiksi kuumentamalla ja vetämällä on pienennetty muuntimen halkaisijaa siten, että muunnin muodostuu muodoltaan katkaistuksi kartioksi. Samassa yhteydessä voidaan muuttaa myös muuntimen osien geometriaa muuntimen eri päissä. Kuituhaa-roittimet ovat esimerkkinä komponenteista, jotka perustuvat tähän ilmiöön. Tunnetut muuntimet ovat ns. askeltaitekertoi-misia muuntimia, toisin sanoen muuntimia, joissa on vain yksi taitekertoimeltaan perusmateriaalista poikkeava alue.Taperization, i.e. the thinning of a fiber, is a well-known method of changing the transverse distribution of the shape (light) propagating in the core of a single-mode fiber. In conventional thinning field field transducers, tapers, for example, heating and drawing have reduced the diameter of the transducer so that the transducer forms a truncated cone. In the same context, the geometry of the converter parts at different ends of the converter can also be changed. Fiber ash breakers are an example of components based on this phenomenon. Known converters are the so-called stepwise refractive index transducers, i.e., transducers having only one region of refractive index different from the base material.

Mikäli tavallista askeltaitekertoimista yksimuotokuitua ohennetaan, tulee kuidun ytimestä "liian pieni", jotta valo olisi pelkästään rajoittunut ytimen alueelle. Tämä jakauman leviäminen on helposti voimakkaampi ilmiö kuin ytimen koon pieneneminen, joten ohennettaessa yksimuotokuitua kuidussa etenevän muodon koko kasvaa.If a single step fiber with a standard step refractive index is thinned, the core of the fiber becomes "too small" for the light to be limited only to the core area. This spreading of the distribution is easily a more powerful phenomenon than the reduction in the size of the core, so as the single-mode fiber is thinned, the size of the shape advancing in the fiber increases.

Käytettäessä taperissa pelkästään askeltaitekertoimista profiilia, ei optisen muotokentän jakauma ole kuidun ohentami-sen jälkeen gaussinen, vaan se on lähempänä eksponentiaalista jakaumaa. Tämä aiheuttaa kytkentähäviöitä taperin ohennetusta päästä tietoliikennekuituun, koska tietoliikennekuidun muotokenttien jakauma on yleensä gaussinen. Myös kentän leveys kasvaa voimakkaasti ohentamisen mukana, jolloin toleranssit ohentamisen suhteen ovat tiukat. Samaten askeltaite-kertoimisen muotokentän muuntimen valmistusmenetelmä ei salli juurikaan ei-ympyräsymmetrisen ja ympyräsymmetrisen aal-tojohteen sovittamista toisiinsa, koska ytimen ohentaminen ei vaikuta merkittävästi muotokentän epäsymmetriaan.When using only a step refractive index profile in the taper, the distribution of the optical shape field after thinning the fiber is not Gaussian, but closer to the exponential distribution. This causes coupling losses from the thinned end of the taper to the communication fiber, because the distribution of the shape fields of the communication fiber is usually Gaussian. The width of the field also increases strongly with thinning, so that the tolerances for thinning are strict. Similarly, the manufacturing method of the stepwise coefficient shape field transducer does not allow much alignment of the non-circularly symmetric and circularly symmetrical waveguides, since the thinning of the core does not significantly affect the shape field asymmetry.

Tämän keksinnön tarkoituksena on poistaa edellä kuvatussa tekniikassa esiintyvät haitat ja saada aikaan aivan uudentyyppinen muotokentän muunnin.The object of the present invention is to eliminate the disadvantages of the technique described above and to provide a completely new type of shape field converter.

Keksintö perustuu siihen, että taperoitu muotokentän muunnin koostuu kolmen erilaisen taitekertoimen omaavasta kerroksesta siten, että muotokentän muuntimen ytimellä on suurin tai- 3 83708 tekerroin, kuorikerroksella toiseksi suurin taitekerroin ja ytimen ja kuorikerroksen väliin jäävällä välikerroksella on pienin taitekerroin ja muuntimen ytimen keskimmäiseen osaan seostetaan erbiumia.The invention is based on the fact that the tapered shape field transducer consists of a layer with three different refractive indices so that the core of the shape field transducer has the highest refractive index, the shell layer has the second highest refractive index and the intermediate layer between the core and the shell layer has the lowest refractive index.

Täsmällisemmin sanottuna keksinnön mukaiselle seostetulle muotokentän muuntimelle on tunnusomaista se, mikä on esitetty patenttivaatimuksen 1 tunnusmerkkiosassa.More specifically, the doped shape field converter according to the invention is characterized by what is set forth in the characterizing part of claim 1.

Keksinnön avulla saavutetaan huomattavia etuja.The invention provides considerable advantages.

Kytkentä ohennetun osan ja tavallisen yksimuotokuidun kanssa on hyvä. Vaimennus ei eroa oleellisesti kahden yksimuotokuidun liitoksen vaimennuksesta. Lisäksi kentän jakauma muuntimen ohentamattomalla osalla on rajoittunut alueelle, jonka pinta-ala on vain 1/5 tavallisen tietoliikennekuidun kenttä-jakauman alasta. Tästä seuraa, että tarvittava optinen pumppausteho on vain 1/5 verrattuna tavalliseen seostettuun kuituun. Koska taper tehdään itse seostetusta kuidusta, siihen ei tarvitse liittää erillistä optista komponenttia, jolla kenttäjakaumaa muunnetaan. Samaten taperista ei aiheudu mitään ylimääärisiä heijastuksia.The connection with the thinned part and the ordinary single-mode fiber is good. The attenuation is not substantially different from the attenuation of two single-mode fiber joints. In addition, the field distribution in the undiluted portion of the converter is limited to an area having only 1/5 of the field distribution area of a conventional communication fiber. It follows that the required optical pumping power is only 1/5 compared to ordinary doped fiber. Because the taper is made of the doped fiber itself, there is no need to attach a separate optical component to convert the field distribution. Likewise, the taper does not cause any extra reflections.

Lisäksi muotokentän koko ja jakauman muoto taperin eri päis-; sä voidaan muokata toisistaan lähes riippumatta, ja siten saada aikaan hyvä kytkentähyötysuhde kahden hyvinkin erilaisen (sekä muodoltaan että kooltaan) valokanavan välillä.In addition, the size of the shape field and the shape of the distribution at different ends of the taper; they can be modified almost independently of each other, thus achieving a good switching efficiency between two very different light channels (both in shape and size).

Keksintöä ryhdytään seuraavassa lähemmin tarkastelemaan oheisten piirustusten mukaisten sovellusesimerkkien avulla.The invention will now be examined in more detail with the aid of application examples according to the accompanying drawings.

Kuvio 1 esittää yhden kolmiosoaisen muotokentän muuntimen ohentamatonta päätä.Figure 1 shows the undiluted end of one three-part shape field converter.

Kuvio 2 esittää kenttäjakautuman laskennallista arvoa kuvion 1 mukaisen muuntimen ohentamattomassa päässä.Figure 2 shows the calculated value of the field distribution at the undiluted end of the transducer of Figure 1.

4 837084 83708

Kuvio 3 esittää kenttäjakautuman laskennallista arvoa kuvion 1 mukaisen muuntimen ohennetussa päässä.Figure 3 shows the calculated value of the field distribution at the thinned end of the transducer of Figure 1.

Kuvio 4 esittää perpektiivikuvantona kuvion l mukaista muo-tokentän muunninta.Fig. 4 is a perspective view of the shape field converter of Fig. 1.

Kuvio 5 esittää keksinnön mukaisen seostetun muotokentän muuntimen poikkileikkausta.Figure 5 shows a cross-section of a doped shape field converter according to the invention.

Kuvio 6 esittää halkileikkauksena keksinnön mukaisen kuidun yhtä käyttösovellusta.Figure 6 shows in cross-section one application of a fiber according to the invention.

Kuvio 7 esittää erbiumin elektronikuorirakennetta.Figure 7 shows the electron shell structure of erbium.

Kuvion 1 esittämässä ratkaisussa ytimen taitekerroinprofiili koostuu kolmesta oleellisen koaksiaalisestia osasta. Sisimmän, keskiosan 1 taitekerroin on suurin. Seuraavalla, välialueella 2 on profiilin alhaisin taitekerroinarvo, ts. se on hauta ja kolmannella, ulko-osalla 3 on keskiosaa l pienempi, mutta välialuetta 2 suurempi taitekerroinarvo. Kun kuitu on paksu, rajoittuu perusmuodon kenttä lähes pelkästään keskiosan 1 alueelle, joka täten määrää muotokentän koon ja jakauman. Kun kuitu on ohennettu esim. puoleen alkuperäisestä halkaisijastaan, ei keskiosan 1 koko riitä enää pitämään kenttää sisällään (mikä on tilanne myös tavallisessa askel-taitekertoimisessa tapauksessakin), vaan kenttä "karkaa" muuntimen muihin alueisiin. Koska ytimen ulko-osalla 3 on positiivinen taitekerroinero väliosaan 2 nähden, alkaa se toimia kentän rajoittavana osana. Täten muuntimen ohuessa päässä muotokentän jakauman koon ja muodon määrää lähinnä ytimen uloimman osan 3 muoto ja koko. Niinpä uloimman osan 3 muotoa voidaan vaihdella muuntimen eri päissä aina muunti-meen liitettävän kuidun mukaan.In the solution shown in Figure 1, the refractive index profile of the core consists of three substantially coaxial parts. The refractive index of the innermost, central part 1 is the highest. Next, the intermediate region 2 has the lowest refractive index value of the profile, i.e. it is a tomb, and the third, outer part 3 has a lower refractive index value than the central part l but higher than the intermediate region 2. When the fiber is thick, the field of the basic shape is almost exclusively confined to the area of the central part 1, which thus determines the size and distribution of the shape field. When the fiber is thinned to e.g. half of its original diameter, the size of the central part 1 is no longer sufficient to hold the field inside (which is also the case in the usual step-refractive index case), but the field "escapes" to other areas of the converter. Since the outer part 3 of the core has a positive refractive index difference with respect to the intermediate part 2, it begins to act as a limiting part of the field. Thus, at the thin end of the transducer, the size and shape of the shape field distribution is mainly determined by the shape and size of the outer part 3 of the core. Thus, the shape of the outer part 3 can be varied at different ends of the transducer depending on the fiber to be connected to the transducer.

Kuvion 1 mukaisessa ratkaisussa taitekerroinerot ympäröivän, kvartsilasisen kuorirakenteen 6 taitekertoimeen ng nähden s 83/08 (Δηη = nn - no) ovat seuraavat: Δηχ = 29,5*10-3, Δη2 = -4,83*10-3 ja Δη3 = 6,43*10-3. LiNb03 valokanaviin sopiva keksinnön mukainen muunnin voidaan valmistaa esimerkiksi seostamalla kvartsia GeC>2:lla ja fluorilla. Positiivinen tai-tekerroinero (Δηχ, Δη3) saavutetaan seostamalla kvartsia esimerkiksi germaniumoksidilla ja negatiivinen taitekerroin-ero (Δη2) puolestaan seostamalla kvartsia esimerkiksi fluorilla. Keskiosan 1 poikkileikkaus on kuvion 1 mukaisessa ratkaisussa ellipsimäinen. Ellipsin akseleiden suhde on n. 3 ja maksimiulottuvuus ohentamattomassa päässsä n. 6 ym. Keskiosaa 1 välittömästi ympäröivän väliosan 2 ulkopinnan poikkileikkaus on ympyränmuotoinen ja ulkohalkaisija on n. 7 ym. Väliosaa 2 välittömästi ympäröivän ulko-osan 3 ulkopinnan poikkileikkaus on myös ympyränmuotoinen ja ulkohalkaisija on n. 15 ym. Kuoriosan 6 ulkohalkaisija on n. 200 ym.In the solution according to Figure 1, the refractive index differences with respect to the refractive index ng s 83/08 (Δηη = nn - no) of the surrounding quartz glass shell structure 6 are as follows: Δηχ = 29.5 * 10-3, Δη2 = -4.83 * 10-3 and Δη3 = 6.43 * 10-3. A converter according to the invention suitable for LiNbO 3 light channels can be prepared, for example, by doping quartz with GeO 2 and fluorine. A positive or coefficient difference (Δηχ, Δη3) is achieved by doping quartz with, for example, germanium oxide and a negative refractive index difference (Δη2), in turn, by doping quartz with, for example, fluorine. In the solution according to Figure 1, the cross section of the central part 1 is elliptical. The ratio of the axes of the ellipse is about 3 and the maximum dimension at the undiluted end is about 6, etc. The outer surface of the intermediate part 2 immediately surrounding the central part 1 is circular about 15 etc. The outer diameter of the shell part 6 is about 200 etc.

Kuviossa 4 on esitetty katsomissuuntaan taivutettu muunnin siten, että ohentamaton pää 4 on vasemmalla puolella ja ohennettu pää 5 oikealla puolella. Ohennetun pään 5 halkaisija on n. 50 % ohentamattoman pään 4 halkaisijasta. Ydintä ympäröivän kvartsilasisen kuorirakenteen 6 halkaisijaa on kuviossa piirustusteknisistä syistä pienennetty. Kuoriosan 6 ulkohalkaisija on ohennetussa päässä tyypillisesti n. 100 .' ! ym.Figure 4 shows a transducer bent in the viewing direction so that the undiluted end 4 is on the left side and the thinned end 5 is on the right side. The diameter of the thinned head 5 is about 50% of the diameter of the undiluted head 4. The diameter of the quartz glass shell structure 6 surrounding the core has been reduced in the figure for drawing technical reasons. The outer diameter of the shell part 6 is typically about 100 at the thinned end. ' ! et al.

Tässä yhteydessä on matemaattisesti mallitettu keksinnön mukaisen profiilin mahdollisuuksia. Kyseinen mallitus suoritettiin A. Tervosen kehittämällä Beam Propagation-menetel-mään perustuvalla tietokoneohjelmalla. Kuvion 1 ja 4 mukaisen esimerkkitapauksen muotokentän koot on esitetty kuvioissa 2 ja 3, kun taperointisuhde on 2 (= muuntimen päiden halkaisijoiden suhde). Kuten kuviosta 2 voidaan nähdä, pysyy kenttä kuvion 4 mukaisen muuntimen ohentamattomassa päässä 4 likimain ellipsimäisen keskiosan 1 alueella. Ohennetussa päässä 4 kenttä on kuvion 3 mukaisesti levinnyt koko ytimen alueelle, jonka ulkohalkaisija on n. 7,5 ym ja kenttä on samalla muuttunut ellipsimäisestä ympyränmuotoiseksi.In this context, the possibilities of the profile according to the invention have been mathematically modeled. This modeling was performed with a computer program based on the Beam Propagation method developed by A. Tervonen. The shape field sizes of the example case according to Figures 1 and 4 are shown in Figures 2 and 3 when the tapering ratio is 2 (= ratio of the diameters of the transducer ends). As can be seen from Fig. 2, the field remains at the undiluted end 4 of the transducer according to Fig. 4 in the region of the approximately elliptical central part 1. At the thinned end 4, according to Fig. 3, the field has spread over the entire area of the core, the outer diameter of which is about 7.5 μm, and at the same time the field has changed from elliptical to circular.

6 837086 83708

Kolmiosoaisella muuntimella kentän muoto voidaan muuntimen ohentamattomassa päässä määritellä keskiosan l muodolla ja ohennetussa päässä puolestaan uloimman osan 3 muodolla. Esitetyn ellipsi-ympyrämuunnoksen lisäksi esitetty ratkaisu mahdollistaa periaatteessa kentänmuotomuunnokset kaikkien tunnettujen optisten komponenttien välillä. Käytetyt taitekertoimet samoin kuin profiilin muodot määräytyvät käytännössä aina sovelluskohteen mukaan.With a three-part converter, the shape of the field can be defined at the undiluted end of the transducer by the shape of the central part 1 and at the thinned end by the shape of the outermost part 3. In addition to the ellipse-circle transformation shown, the proposed solution basically enables field shape transformations between all known optical components. The refractive indices used as well as the profile shapes are practically always determined by the application.

Kuviossa 5 on esitetty keksinnön mukaisen seostetun muuntimen poikkileikkaus. Poikkileikkaukseltaan ympyränmuotoinen keskiosa 50 on keskiosastaan 51 seostettu erbiumilla. Keskiosan 50 halkaisija on noin 2,5 pm, josta seostetun alueen 51 halkaisija on noin 2 ym. Taitekerroinerot ympäröivän, kvart-silasisen kuorirakenteen 54 taitekertoimeen ng nähden (Δηη = nn ~ n0) ovat samat kuin kuvion 1 mukaisessa ratkaisussa. Myös ulko-osan 52 ja väliosan 53 mitat ovat likimain samat kuin kuviossa 1. Kuorirakenteen 54 halkaisija on n. 200 ym.Figure 5 shows a cross-section of a doped converter according to the invention. The central portion 50 of circular cross-section is doped with erbium from its central portion 51. The diameter of the central portion 50 is about 2.5 μm, of which the diameter of the doped region 51 is about 2 μm. The refractive index differences with respect to the refractive index ng (Δηη = nn ~ n0) of the surrounding quartz-shell shell structure 54 are the same as in the solution of Fig. 1. The dimensions of the outer part 52 and the intermediate part 53 are also approximately the same as in Fig. 1. The diameter of the shell structure 54 is about 200 μm.

Kuvion 6 mukaisessa ratkaisussa keksinnön mukainen muunnin 12 on kytketty kahden tietoliikennekuidun 10 ja 17 väliin optiseksi vahvistimeksi. Vahvistin 12 käsittää keskiosan 13, joka sulkee sisälleen (ei-esitetyn) erbiumseostusalueen. Keskiosan 13 ympärillä on väliosa 29 ja ulko-osa 14, jota puolestaan ympäröi kvartsilasinen kuoriosa 25. Ensimmäiseen tietoliikennekuituun 17 syötetään (ei-kuvatun) optisen haa-roittimen kautta sekä optinen pumppausteho 23 että varsinainen signaali 24. Pumppaustehon 23 aallonpituudet voivat olla esimerkiksi 1,47 ym, 0,98 ym tai 0,53 ym aina käytetyn pump-pauslaserin mukaan. Signaalin 24 aallonpituus on tyypillisesti 1,55 ym. Tietoliikennekuidut 10 ja 17 ovat normaaleja kaksiosaisia, askeltaitekertoimisia kuituja. Tietoliikenne-kuitujen ytimien 11 ja 18 halkaisijat (n. 10 ym) ovat likimain yhtäsuuria vahvistimen 12 ohennettujen päiden 26 ja 27 .. ulko-osan 14 (kuviossa 5 ulko-osa 52) halkaisijan kanssa.In the solution according to Figure 6, the converter 12 according to the invention is connected between two communication fibers 10 and 17 as an optical amplifier. The amplifier 12 comprises a central part 13 which encloses an erbium doping region (not shown). Around the central part 13 there is an intermediate part 29 and an outer part 14, which in turn is surrounded by a quartz glass shell part 25. Both the optical pumping power 23 and the actual signal 24 are fed to the first communication fiber 17 via an optical splitter (not shown). 47 μm, 0.98 μm or 0.53 μm, depending on the pump-laser used. The wavelength of the signal 24 is typically 1.55 and so on. The communication fibers 10 and 17 are normal two-part, step refractive index fibers. The diameters (about 10 μm) of the cores 11 and 18 of the communication fibers are approximately equal to the diameter of the outer portion 14 (outer portion 52 in Fig. 5) of the thinned ends 26 and 27 of the amplifier 12.

Vahvistimen 12 pituus L voi vaihdella välillä 0,5 - 50 m ai- 7 83708 na erbiumseostuksen mukaan. Mitä voimakkaampi seostus on, sitä lyhyempää kuitua tarvitaan. Vahvistimen 12 taperaluei-den 15 ja 16 aksiaalinen pituus 1 on noin 10 mm ja taperoi-dun pään halkaisija on n. 50 % taperoimattoman osan halkaisijasta. Tehojakauma 21 ensimmäisessä tietoliikennekuidussa 10 on standardin mukainen ja jakautuman halkaisija on noin 9 pm. Jakauma levittyy myös hiukan kvartsilasisen kuorirakenteen 20 alueelle. Vastaava ilmiö tapahtuu myös toisessa tietoliikennekuidussa 17 kuorialueella 19. Vahvistimessa 12 jakauma 22 kapenee oleellisesti keskiosan 13 (kuviossa 5 alue 50) alueelle, jolloin myös tehojakauman halkaisija pienenee noin arvoon 3,7 pm. Jakauma 22 leviää hiukan myös väliosan 29 alueelle. Vahvistinosan 12 kokonaishalkaisija D taperoi-mattomalla alueella 28 on n. 200 pm.The length L of the amplifier 12 can vary between 0.5 and 50 m and depending on the erbium doping. The stronger the doping, the shorter the fiber required. The axial length 1 of the taper regions 15 and 16 of the amplifier 12 is about 10 mm and the diameter of the tapered end is about 50% of the diameter of the unapaptized part. The power distribution 21 in the first communication fiber 10 is in accordance with the standard and the diameter of the distribution is about 9. The distribution also spreads slightly over the area of the quartz glass shell structure 20. A similar phenomenon also occurs in the second communication fiber 17 in the shell region 19. In the amplifier 12, the distribution 22 narrows substantially to the region of the central part 13 (area 50 in Fig. 5), whereby the diameter of the power distribution also decreases to about 3.7. The distribution 22 also spreads slightly in the region of the intermediate part 29. The total diameter D of the amplifier part 12 in the unapapulated area 28 is about 200.

Kuvion 7 mukaisesti tarkastellaan, mitä tapahtuu kun erbium-atomi kohtaa pumppaussäteilyä 70. Atomin perustilalla 72 oleva elektroni virittyy tilalle 74. Virityksen todennäköisyys riippuu atomiin osuvan pumppausvalon tehosta. Koska atomin koko on aina pieni verrattuna fotonin "kokoon" (-aallonpituus) voidaan ajatella, että siirtymätodennnäköisyys on verrannollinen optisen kentän tehotiheyteen kyseisessä kohdassa. Tämä todennäköisyys vastaa sitä, että kuluu jokin tietty oletusaika ennen kuin viritys tapahtuu. Tämä aika on edellisen perusteella kääntäen verrannollinen pumppausarvon tehotiheyteen kyseisessä kohdassa. Virittynyt elektroni tipahtaa lähes välittömästi tilalta 74 tilalle 76, joka on niin kutsuttu metastabiili tila. Tällä tarkoitetaan virittynyttä tilaa, jonka elinaika on pitkä, erbiumin tapauksessa n. 14 ms. Kun elektroni siirtyy tilalta 76 perustilaan 72 syntyy fotoni 78, jonka aallonpituus on lähellä 1,55 pm:ä. Tarkastellaan seuraavaksi tilannetta signaalivalon kannalta (aallonpituus 1,55 pm). Ensinnäkin voidaan ajatella, että • erbiumatomi on joko perustilassa (elektroni tilalla 72) tai virittyneessä tilassa (tila 76 miehitetty). Jos ollaan perustilassa signaalivalo 80 absorboituu ja erbiumatomi virit- β 83708 tyy (elektroni siirtyy tilalta 72 tilalle 76) jollain todennäköisyydellä a, joka on verrannollinen signaalivalon teho-tiheyteen erbiumatomin kohdalla. Jos taasen erbiumatomi on virittyneessä tilassa, jolloin tila 76 on miehitetty, sig-naalivalo saa vahvistusta samalla todennäköisyydellä a, joka on edelleen verrannollinen valon tehotiheyteen erbiumatomin kohdalla. Jotta tarkasteltava atomi toimisi vahvistavana signaaliaallonpituudella, tulee pumppausvalon tehotiheyden olla sellainen, että virityksen 72 -> 74 kestoajan odotusarvo on vähemmän kuin 14 ms (tilan 76 aikavakio). Voidaan helposti päätellä, että pumppaustehotiheyden kasvattaminen aktiivisella alueella (er-seostetulla alueella) on aivan oleellista vahvistimen toiminnan kannalta, koska mikäli pumppaustehotiheys ei ylitä kynnysarvoa (noin 2,5 kW/cm1) kuituvahvistin toimiikin vaimentimena. Käytettäessä tavallista yksimuotokuidun rakennetta, jossa ytimen halkaisija on n. 10 pm, tämä kynnysteho on noin 2 mW. Mikäli voidaan käyttää pienempää ydintä, esim. halkaisijaltaan 4 pm, joka on toteutettavissa normaalilla kvartsikuidun valmistusprosessilla, pienenee tarvittava kynnysteho esimerkkitapauksessa 0,3 mW:in. Käytännön vahvistimet tarvitsevat pumppaustehon, joka on - 10 * kynnysteho. Pumppaustehon minimointi on vahvistimen osalta tärkeää. Tällä hetkellä esimerkiksi kaikkien tietoliikennekäytössä olevien puolijohdelasereiden tehot ovat alle 5 mW, koska suuritehoisten lasereiden käyttöiät ovat selvästi lyhyempiä kuin em. tehoisten lasereiden käyttöiät. Pienen ytimen käyttöä suosii vielä toinenkin mekanismi, virittyneen atomin stimuloidun emission todennäköisyys on samalla tavoin verrannollinen signaalivalon kentän tiheyteen. Pieniytimisen kuidun käytölle onkin ainoastaan yksi este: kuituvahvistin on liitettävä tavalliseen tiedonsiirto-kuituun, jolloin kytkentähyötysuhde heikkenee oleellisesti.As shown in Figure 7, it is considered what happens when an erbium atom encounters pumping radiation 70. An electron in the atom's ground state 72 is excited to state 74. The probability of excitation depends on the power of the pumping light hitting the atom. Since the size of the atom is always small compared to the "size" (wavelength) of the photon, it can be thought that the transition probability is proportional to the power density of the optical field at that point. This probability corresponds to the fact that a certain default time elapses before tuning occurs. Based on the above, this time is inversely proportional to the power density of the pumping value at that point. The excited electron drops almost immediately from state 74 to state 76, which is a so-called metastable state. This means an excited state with a long lifespan, in the case of erbium about 14 ms. As the electron moves from state 76 to ground state 72, a photon 78 is generated with a wavelength close to 1.55. Next, consider the situation in terms of signal light (wavelength 1.55 pm). First, it is conceivable that • the erbium atom is either in the ground state (electron state 72) or in the excited state (state 76 occupied). If in the ground state the signal light 80 is absorbed and the erbium atom is excited (the electron moves from the state 72 to the state 76) with some probability a which is proportional to the power density of the signal light at the erbium atom. If, on the other hand, the erbium atom is in the excited state in which the state 76 is occupied, the signal light is amplified with the same probability a, which is still proportional to the power density of the light at the erbium atom. In order for the atom under consideration to act as an amplifier at the signal wavelength, the power density of the pumping light must be such that the expected value for the duration of the excitation 72 -> 74 is less than 14 ms (time constant of state 76). It can be easily concluded that increasing the pumping power density in the active range (er-doped range) is absolutely essential for the operation of the amplifier, because if the pumping power density does not exceed a threshold value (about 2.5 kW / cm1), the fiber amplifier acts as an attenuator. When using a conventional single-mode fiber structure with a core diameter of about 10 μm, this threshold power is about 2 mW. If a smaller core can be used, e.g. 4 μm in diameter, which is feasible with a normal quartz fiber manufacturing process, the required threshold power is reduced to 0.3 mW in the exemplary case. Practical amplifiers need a pumping power that is - 10 * threshold power. Minimizing pumping power is important for the amplifier. At present, for example, the power of all semiconductor lasers used in telecommunications is less than 5 mW, because the lifetimes of high-power lasers are clearly shorter than those of the above-mentioned high-power lasers. The use of a small nucleus is favored by yet another mechanism, the probability of stimulated emission of an excited atom is similarly proportional to the field density of the signal light. There is therefore only one obstacle to the use of a small-core fiber: the fiber amplifier must be connected to a standard data transmission fiber, which substantially reduces the switching efficiency.

• Tämä koskee sekä signaali- että (mikä vieläkin oleellisem paa) pumppausvaloa.• This applies to both the signal light and (more importantly) the pump light.

Claims (8)

1. Avsmalnande, längsträckt optisk formfälttransformator, omfattande en icke avsmalnande ände (28) och ätminstone en avsmalnande ände (26, 27), varvid formfälttransformatorn smalnar av väsentligen likformigt frän den icke avsmalnande änden (28) mot den avsmalnande änden (26, 27), och trans- formatorn omfattar - en kärndel (50, 52, 53) och - en skalstruktur (54), som omedelbart och väsent ligen koaxiellt omger kärndelen (50, 52, 53) och som bestär av ett material, vars brytningskoeffi-cient (nQ) är lägre än brytningskoefficienten (n3) hos det material i kärndelen (50, 52, 53), som angränsar mot skalstrukturen (54), kännetecknad av att kärndelen (50, 52, 53) omf attar - en centrumdel (50) legerad med en sällsynt jord-metall och uppvisar den högsta brytningskoef f icienten (n,) i transformatorn, - en mellandel (53), som omedelbart omger centrum-delen (50) och vars material har den lägsta brytningskoef f icienten (n2) i kärndelen, och - en ytterdel (52), som omedelbart omger mellande-len (52) och vars material har en brytningskoef f i-cient (n3) som är lägre än brytningskoef f icienten (n,) hos centrumdelens (50) material och högre än brytningskoefficienten (n2) hos mellandelens (53) material.A tapered elongated optical field transformer comprising a non-tapered end (28) and at least one tapered end (26, 27), wherein the tapered transformer tapers substantially uniformly from the non-tapered end (28) to the tapered end (26, 27). , and the transformer comprises - a core part (50, 52, 53) and - a shell structure (54) which immediately and substantially coaxially surrounds the core part (50, 52, 53) and which consists of a material whose coefficient of refraction (nQ) is lower than the coefficient of refraction (n3) of the material in the core portion (50, 52, 53) adjacent to the shell structure (54), characterized in that the core portion (50, 52, 53) comprises - a center portion (50) alloyed with a rare earth metal and exhibiting the highest refractive coefficient (n,) in the transformer, - an intermediate portion (53), which immediately surrounds the center portion (50) and whose material has the lowest refractive coefficient (n2) in the core portion, and - an outer portion (52), which immediately surrounds the intermediate part (52) and whose material has a refractive coefficient f (n3) which is lower than the refractive coefficient (n) of the material of the center part (50) and higher than the coefficient of refraction (n2) of the intermediate (53) ) material. 2. Formfälttransformator enligt patentkrav 1, k ä n n e - i2 8 3 7 08 tecknadav att centrumdelen (50) är legerat med erbium.2. Form field transformer according to claim 1, characterized in that the center part (50) is alloyed with erbium. 3. Formfälttransformator enligt patentkrav 2, kanne-tecknad av att erbiumhalten i den legerade zonen (51) av mellandelen (50) är ca 800 - 1200 ppm.Form field transformer according to claim 2, characterized in that the erbium content in the alloyed zone (51) of the intermediate part (50) is about 800 - 1200 ppm. 4. Formfälttransformator enligt nägot av föregäende patentkrav, kännetecknad av att formf älttransformatorn (12) avsmalnar vid bäda ändar (26, 27), varvid transformatorn (12) används som en optisk förstärkare monterad mellan en dataöverföringsfiber.Form field transformer according to any of the preceding claims, characterized in that the form field transformer (12) tapers at both ends (26, 27), whereby the transformer (12) is used as an optical amplifier mounted between a data transfer fiber. 5. Formfälttransformator enligt patentkrav 1, kännetecknad av att brytningskoefficienten (n2) hos mellan-delens (53) material är lägre än brytningskoefficienten (n„) hos skalstrukturens (54) material.Form field transformer according to claim 1, characterized in that the refractive coefficient (n2) of the material of the intermediate part (53) is lower than the refractive coefficient (n ") of the material of the shell structure (54). 6. Formfälttransformator enligt nägon av föregäende patentkrav, kännetecknad av att mellandelens (50) tvärsnitt har formen av en ellips.Form field transformer according to any one of the preceding claims, characterized in that the cross-section of the intermediate part (50) is in the form of an ellipse. 7. Formfälttransformator enligt nägon av föregäende patentkrav, kännetecknad av att skaldelens (52) tvärsnitt har formen av en cirkel.Form field transformer according to any one of the preceding claims, characterized in that the cross-section of the shell part (52) has the shape of a circle. 8. Formfälttransformator enligt nägon av föregäende patentkrav, kännetecknad av att centrumdelens (50) material utgörs av kvartsglas legerat med germaniumoxid, mellandelen (53) utgörs av kvartsglas legerat med fluor, och skaldelen (52) utgörs av kvartsglas legerat med germaniumoxid.Form field transformer according to any one of the preceding claims, characterized in that the material of the center part (50) is made of quartz glass alloyed with germanium oxide, the intermediate part (53) consists of quartz glass alloyed with fluorine, and the shell part (52) consists of quartz glass alloyed with germanium oxide.
FI895830A 1989-03-23 1989-12-05 Selected optical field-transforming fiber FI83708C (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
FI895830A FI83708C (en) 1989-03-23 1989-12-05 Selected optical field-transforming fiber

Applications Claiming Priority (4)

Application Number Priority Date Filing Date Title
FI891439A FI85195C (en) 1989-03-23 1989-03-23 Optical form field transformer
FI891439 1989-03-23
FI895830A FI83708C (en) 1989-03-23 1989-12-05 Selected optical field-transforming fiber
FI895830 1989-12-05

Publications (3)

Publication Number Publication Date
FI895830A0 FI895830A0 (en) 1989-12-05
FI83708B true FI83708B (en) 1991-04-30
FI83708C FI83708C (en) 1991-08-12

Family

ID=26158522

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
FI895830A FI83708C (en) 1989-03-23 1989-12-05 Selected optical field-transforming fiber

Country Status (1)

Country Link
FI (1) FI83708C (en)

Also Published As

Publication number Publication date
FI83708C (en) 1991-08-12
FI895830A0 (en) 1989-12-05

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US10067289B2 (en) Single mode propagation in fibers and rods with large leakage channels
EP1935068B1 (en) Optical fibre laser
US5121460A (en) High-power mode-selective optical fiber laser
US7787733B2 (en) Optical fiber configuration for dissipating stray light
CA1324517C (en) Optical fiber lasers and amplifiers
US6944192B2 (en) Planar laser
US5923694A (en) Wedge side pumping for fiber laser at plurality of turns
US8094370B2 (en) Cladding pumped fibre laser with a high degree of pump isolation
US20080267560A1 (en) Mode-field resizing in optical fibers
EP1487070A1 (en) Cladding-pumped optical fiber gain devices
KR20040047871A (en) Multimode fiber laser gratings
JP2008535248A (en) Optical system utilizing high power signal transmission optical fiber and method of operating such optical system
US9225142B2 (en) Fiber amplifier with multi section core
FI83708B (en) Alloy optical form field transforming fibre
CN115663580B (en) Optical fiber laser capable of efficiently absorbing pump light
RU2803143C1 (en) Active fibre light guide with various cross-section area, method for its manufacture (versions) and optical signal amplifier on its basis
CN118572503A (en) Cladding pumping device and preparation method thereof
FI85195B (en) OPTICAL FORMFAELTSTRANSFORMATOR.
Seo et al. Single Mode Laser Oscillation in an Nd‐Doped Large Core Double Clad Fiber Cavity with Concatenated Adiabatic Tapers
CN118033807A (en) All-fiber optical isolator
JP2005315940A (en) Method for adjusting attenuation of optical attenuation optical fiber, and optical attenuation optical fiber using the method, and fixed optical attenuator

Legal Events

Date Code Title Description
MM Patent lapsed
MM Patent lapsed

Owner name: VALTION TEKNILLINEN TUTKIMUSKESKUS