FI83708B - Leserad optisk formfaeltstransformerande fiber. - Google Patents

Description

83708

Seostettu optinen muotokentän muuntava kuitu Tämän keksinnön kohteena on patenttivaatimuksen 1 mukainen seostettu muotokentän muunnin.

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.

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.

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.

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.

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.

Tämän keksinnön tarkoituksena on poistaa edellä kuvatussa tekniikassa esiintyvät haitat ja saada aikaan aivan uudentyyppinen muotokentän muunnin.

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.

Täsmällisemmin sanottuna keksinnön mukaiselle seostetulle muotokentän muuntimelle on tunnusomaista se, mikä on esitetty patenttivaatimuksen 1 tunnusmerkkiosassa.

Keksinnön avulla saavutetaan huomattavia etuja.

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.

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.

Keksintöä ryhdytään seuraavassa lähemmin tarkastelemaan oheisten piirustusten mukaisten sovellusesimerkkien avulla.

Kuvio 1 esittää yhden kolmiosoaisen muotokentän muuntimen ohentamatonta päätä.

Kuvio 2 esittää kenttäjakautuman laskennallista arvoa kuvion 1 mukaisen muuntimen ohentamattomassa päässä.

4 83708

Kuvio 3 esittää kenttäjakautuman laskennallista arvoa kuvion 1 mukaisen muuntimen ohennetussa päässä.

Kuvio 4 esittää perpektiivikuvantona kuvion l mukaista muo-tokentän muunninta.

Kuvio 5 esittää keksinnön mukaisen seostetun muotokentän muuntimen poikkileikkausta.

Kuvio 6 esittää halkileikkauksena keksinnön mukaisen kuidun yhtä käyttösovellusta.

Kuvio 7 esittää erbiumin elektronikuorirakennetta.

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.

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.

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.

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.

6 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.

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.

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.

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.

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.

• Tämä koskee sekä signaali- että (mikä vieläkin oleellisem paa) pumppausvaloa.

Claims (8)

1. 9 83708
2. 1. Kavennettu, pitkänomainen optinen muotokentän muunnin, joka käsittää kaventamattoman osan (28) ja vähintään yhden kavennetun pään (26, 27), jolloin muotokentän muunnin oleellisen tasaisesti kapenee kaventamattomasta osasta (28) kavennettuun päähän (26, 27), ja muunnin käsittää - ydinosan (50, 52, 53) ja - ydinosaa (50, 52, 53) välittömästi ja oleellisen koaksiaalisesti ympäröivän kuorirakenteen (54), jonka materiaalin taitekerroin (no) on pienempi kuin ydinosan (50, 52, 53) kuorirakenteeseen (54) rajoittuvan materiaalin taitekerroin (n3), tunnettu siitä, että ydinosa (50, 52, 53) käsittää - harvinaisella maametallilla seostetun keskiosan (50), jonka materiaalin keskimääräinen taitekerroin (ηχ) on muuntimessa suurin, - keskiosaa (50) välittömästi ympäröivän väliosan (53), jonka materiaalin taitekerroin (n2) ydino- ; . sassa on pienin, ja - väliosaa (53) välittömästi ympäröivän ulko-osan (52), jonka materiaalin taitekerroin (h3) on pienempi kuin keskiosan (50) materiaalin taitekerroin (ηχ) ja suurempi kuin väliosan (53) materiaalin taitekerroin (n2). 1 Patenttivaatimuksen 1 mukainen muotokentän muunnin, tunnettu siitä, että keskiosa (50) on seostettu er-biumilla. 10 83708
3. 3. Patenttivaatimuksen 2 mukainen muotokentän muunnin, tunnettu siitä, että keskiosan (50) seostetun vyöhykkeen (51) erbioumpitoisuus on n. 800 - 1200 ppm.
4. 4. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen muotokentän muunnin, tunnettu siitä, että muotokentän muunnin (12) on kavennettu molemmista päistään (26, 27), jolloin muunninta (12) käytetään tietoliikennekuidun väliin asennettuna optisena vahvistimena.
5. 5. Patenttivaatimuksen 1 mukainen muotokentän muunnin, tunnettu siitä, että väliosan (53) materiaalin taitekerroin (n2) on pienempi kuin kuorirakenteen (54) materiaalin taitekerroin (no).
6. 6. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen muotokentän muunnin, tunnettu siitä, että keskiosan (50) poikki-leikkausmuoto on ellipsi.
7. 7. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen muotokentän muunnin, tunnettu siitä, että kuoriosan (52) poikki-leikkausmuoto on ympyrä.
8. 8. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen muotokentän muunnin, tunnettu siitä, että keskiosan (50) materiaali on germaniumoksidillalla seostettua kvartsilasia, väli-osa (53) on fluorilla seostettua kvartsilasia ja kuoriosa (52) on germaniumoksidilla seostettua kvartsilasia. 11 83708