HU216235B - Optikai erősítő - Google Patents

Abstract

A találmány tárgya őptikai erősítő, előnyösen őptikai szálattartalmazó telekőmműnikációs vőnalakhőz, amely erősítő a vőnallalsőrősan van kapcsőlva, és legalább egy pűmpáló fényfőrrást, ésikrőikűs csatőlóelemet tartalmaz, a dikrőikűs csatőlóelemnek kétbemenete van, az egyik a lézeradóra (2), a másik a pűmpálólézerre (6)van kötve, kimenete pedig az őptikai erősítő aktív szálának (7) gyikvégéhez van csatlakőztatva, az aktív szál (7) magjában flűőreszkáló,szennyező anyag van, amely az átviendő jel sávjába bőcsát ki fényt, ésa pűmpálólézerrel (6) gerjeszthető. A találmány értelmében az aktívszál (7) egyenes vőnalú elrendezésben az átviteli hűllámhősszőnegymódűsú terjedést, a pűmpáló hűllámhősszőn (7p) többmódűsú terjedéstbiztősítóan van kiképezve, és le alább a hősszának a 70%-ában egyőlyan sűgár mentén van meghajlítva, amely a pűmpáló hűllámhősszőn (7p)a szálban (7) csak az alapmódűs terjedésének felel meg. ŕ

Description

A találmány tárgya optikai erősítő, amely elsősorban telekommunikációs vonalakhoz használható, és amely olyan hajlított aktív optikai szállal van ellátva, amely csak az átviteli hullámhosszon egymódusú.

Ismeretes az, hogy az olyan optikai szálakban, amelyeknek szennyezett magja van, amelyet úgy hozunk létre, hogy megfelelő anyagokat, például ritkaföldfémionokat viszünk be, gerjesztett emisszió hozható léte, ami alkalmassá teszi ezeket az optikai szálakat arra, hogy optikai erősítőként alkalmazzuk őket lézerfényforráshoz csatlakoztatva.

A különféle optikai szálak meghatározott hullámhosszúságú fényforrással társíthatok pumpáló fényforrásként, és a pumpáló hullámhosszúságú fény az, amely lehetővé teszi, hogy az optikai szálban lévő szennyező atomokat gerjesztett energiaállapotba hozzuk, vagy létrehozzunk egy olyan pumpálósávot, amelyből az atomok spontán, igen rövid idő alatt átmennek a lézeremissziós állapotba, és ez utóbbi állapotban viszonylag hosszabb ideig meg is maradnak.

Ha egy olyan optikai szálat, amelyben igen sok atom van a lézeremissziós fénynek megfelelő gerjesztett állapotban, a lézeremissziós állapotnak megfelelő hullámhosszúságú fénnyel világítunk meg, akkor ez a fényjel a gerjesztett atomokat alacsonyabb szintre fogja átvinni, és az a fény, amely ezen a hullámhosszúságon kibocsátásra kerül, maga a jel. Az ilyen optikai szálat lehet fényjelek erősítésére használni, például optikai vonali erősítőként. A vonali erősítővel erősítjük ismét fel azt a már lecsillapított optikai jelet, amely egy telekommunikációs vonalon, hosszú távon lett továbbítva.

Optikai erősítőket ismertet a 22 120 A/89 számú olasz bejelentés, amely szintén a mi nevünkben került benyújtásra 1989. október 24-én, és amely úgy működik, hogy az aktív szál mind az átviteli hullámhosszúságon, mind pedig a pumpálójel hullámhosszúságán egy módusban üzemelt.

Azok az optikai szálak, amelyek tehát mind az átviteli hullámhosszúságon, mind pedig a pumpálójel hullámhosszúságán egymódusúak, az optikai szálban két különböző fényteljesítmény-eloszlást eredményeznek. Az átviendő jel fényteljesítménye az optikai szálban szélesebb keresztmetszeten oszlik el, mint pumpálóteljesítmény.

Az a fluoreszkáló adalékanyag, amely az átviendő jel erősítését megvalósítja, az optikai szál közepén, annak magjában koncentrálódik. Az ismert erősítőkben tehát az optikai szál úgy van kialakítva, hogy a pumpálóteljesítmény erre a keresztmetszetre korlátozódik, és így teljes egészében felhasználható arra, hogy a fluoreszkáló adalékanyagot, illetőleg szennyező anyagot a lézeremissziós szintre geijessze. Mivel azonban az átviendő jel egy része az optikai szálban olyan részre is eljut, amely kívül esik azon a keresztmetszeten, ahol a fluoreszkáló, szennyező anyag és a pumpálóteljesítmény jelen van, ez azt eredményezi, hogy az átviendő jelnek csak egy - az optikai szál megfelelő helyén lévő - része az, amely a szálban fel is erősödik.

Ez a jelenség azt eredményezi, hogy az erősítés hatásfoka bizonyos fokig korlátozott. A hatásfok alatt az átvitt jelnek az egységnyi pumpálóteljesítményhez tartozó erősítését értjük.

Fennáll azonban olyan igény, hogy az ilyen erősítőknél a hatásfokot valamilyen formában növeljük.

A találmánnyal célul tűztük ki egy olyan optikai erősítő kidolgozását, ahol az átviendő jel, illetve a jelteljesítmény és a pumpálóteljesítmény lényegében hasonló módon oszlik el az optikai szál aktív szakaszában, és azon a területen koncentrálódik a szakaszon belül, ahol a fluoreszkáló, szennyező anyag is jelen van.

A találmány tehát optikai erősítő, előnyösen optikai szálat tartalmazó telekommunikációs vonalakhoz, amely erősítő a telekommunikációs vonallal sorosan van kapcsolva, és legalább egy pumpáló fényforrást és dikroikus csatolóelemet tartalmaz, a dikroikus csatolóelemnek két bemenete és egy kimenete van, az egyik bemenet az adó fényforrásra, a másik bemenet a pumpáló fényforrásra, kimenete pedig az optikai erősítő aktív szálának egyik végéhez van csatlakoztatva, az aktív szál magjában az átviendő jel hullámhosszúságsávjába fényt kibocsátó és a pumpáló fényforrással gerjeszthető fluoreszkáló, szennyező anyag van.

A találmány szerinti optikai erősítő lényege abban van, hogy az aktív szál egyenes vonalú elrendezésben az átviteli hullámhosszúságon egymódusú terjedést, a pumpálójel hullámhosszúságán többmódusú terjedést biztosítóan van kiképezve, és a hosszának legalább a 70%-ában a pumpálójel hullámhosszúságán is csak az alapmódus terjedését lehetővé tevő sugarú kör mentén van meghajlítva.

Előnyös a találmány azon kiviteli alakja, amelynek esetében az aktív szál 20-140 mm-es sugár mentén van meghajlítva.

A találmány szerinti optikai erősítő egy további előnyös kiviteli alakja értelmében az aktív szál hajlítási sugara 35-100 mm.

Ugyancsak előnyös a találmány értelmében, ha az átviteli hullámhosszúság 1520-1570 nm, a pumpálójel hullámhosszúsága 980±10 nm, a fluoreszkáló, szennyező anyag az aktív szálban pedig erbium.

Előnyös a találmány értelmében továbbá, ha az aktív szál legalább egy olyan hajlított résszel van kiképezve, amelynek hajlítási sugara a pumpálójel hullámhosszúságánál egyedül az alapmódus terjedését biztosító hosszúságúra van megválasztva, és a hajlított részhez egyenes szakaszok vannak csatlakoztatva, és a hajlított rész hossza vagy pedig a hajlított részek hosszának összege több, mint 70%-a az aktív szál teljes hosszának.

A találmány szerinti optikai erősítő egy további előnyös kiviteli alakja értelmében az aktív szál egyetlen folyamatos hajlított résszel van kiképezve, amelynek hajlítási sugara a pumpálójel hullámhosszúságán egyedül az alapmódus terjedésének megfelelő hosszúságú, az optikai szál nem hajlított részének egyenes szakaszai az aktív szál hajlított részének két végénél vannak.

Ugyancsak előnyös a találmány értelmében, ha az aktív szál olyan hajlítási sugárral van meghajlítva, amely a pumpálójel hullámhosszúságán egyedül az alapmódus terjedését teszi lehetővé a teljes hossz mentén, eltekintve

HU 216 235 Β az egyenes szakaszoktól, amely egyenes szakaszok hossza kisebb, mint 400 mm.

Előnyös végül a találmány szerinti optikai erősítő olyan kiviteli alakja, amelyben az egyenes szakaszok hossza kisebb, mint 200 mm.

A találmányt a továbbiakban példakénti kiviteli alakjai segítségével a mellékelt ábrákon mutatjuk be részletesen is, ahol az

1. ábrán látható a találmány szerint kialakított optikai erősítő, amely egy aktív szállal van ellátva, a

2. ábrán az 1. ábrán bemutatott optikai erősítő energiaszintjei, valamint azok az átmenetek láthatók, amelyek a gerjesztett lézerhullámot létrehozzák, a

3. ábrán látható az optikai szál hajlított részének tengelyirányú metszete, a

4. ábrán pedig a fényerősség sugárirányú eloszlása figyelhető meg ezen keresztmetszet mentén, az

5. ábrán a találmány szerinti optikai erősítőben alkalmazott optikai szál kialakítása látható, a

6. ábrán az 5. ábra felülnézete látható, a

7. ábrán a módusátmérő és a hullámhosszúság-függvény látható, a

8. ábrán pedig az optikai erősítő erősítése látható és az aktív szál hosszának a függvényében.

Optikai telekommunikációs hálózatoknál az átviendő jel erősítésére széles körben használják az optikai szálas erősítőket. Ilyen erősítő vázlatos rajza látható az

1. ábrán. Az 1. ábrán látható egy 1 optikai szál, amely a telekommunikációs vonalnak az eleme, és amelyen keresztül λ₅ hullámhosszúságú jelet mint átviendő jelet továbbítunk. Ezt a Á_s hullámhosszúságú jelet egy 2 lézeradó állítja elő. Egy adott hosszúságú átviteli útvonal megtétele után ez a jel csillapodik, és ezért egy 3 optikai erősítőre van vezetve, amely az 1 optikai szálba sorosan van iktatva. A 3 optikai erősítő tartalmaz egy 4 dikroikus csatolóelemet, amelynek két bemenete és egyetlen 5 kimenete van. Az egyik bemenet a 2 lézeradóra van csatlakoztatva, a másik bemenet pedig egy λ_ρ hullámhosszúságú pumpálójelet előállító 6 pumpálólézer kimenetére van csatlakoztatva. Az 5 kimenet egy, a 3 optikai erősítő részét képező 7 aktív szálhoz van csatlakoztatva, és ez a 7 aktív szál képezi az erősítőelemet, amely után a jel ismét vissza van vezetve az 1 optikai szálba, amely a továbbmenő telekommunikációs vonalat képezi.

Annak érdekében, hogy a 7 aktív szállal a bejövő fényjelet fel lehessen erősíteni, általában szilícium-oxidalapú 1 optikai szálat használnak, amelyet valamilyen fluoreszkáló anyaggal szennyeznek, amelyet azért visznek be az 1 optikai szálba, hogy olyan fényemissziót hozzon létre, amely akkor van gerjesztve, ha az erősítendő jel a vonalra van csatlakoztatva.

Fluoreszkáló anyagként általában Er₂O₃-ot használnak, amellyel geqesztett átmeneteket, úgynevezett lézerátmeneteket lehet létrehozni azon a hullámhosszúságon, amelyet általában a telekommunikációs jelek átvitelénél használnak.

A 2. ábrán a fent említett 1 optikai szálra vonatkozó E energiaszintek láthatók a λ hullámhosszúság függvényében arra az esetre, ha az 1 optikai szál szilíciumoxid-alapú mátrixban elhelyezett erbiumionokat tartalmaz, és ha a 7 aktív szálba bevezetett fény λ₅ hullámhosszúsága nagyobb, mint a 6 pumpálólézer λρ hullámhosszúsága. Ekkor ugyanis, ha a 7 aktív szálba bevezetjük a fényt, az az Er³⁺ ionok egy részét a 2. ábrán látható 8 energiaszintre hoz, ezt hívjuk pumpálósávnak, és erről a 8 energiaszintről az ionok energiája spontán csökken a 9 energiaszintre, amely a lézeremissziós szintnek felel meg.

Ismeretes az is, hogy a 8 energiaszintről a 9 energiaszintre történő átmenetnél hő is keletkezik, amely a 7 aktív szálon kívül szóródik szét (fonón sugárzás), a 9 energiaszintről a 10 energiaszintre történő átmenetnél pedig olyan hullámhosszúságú fény keletkezik, amely a 9 energiaszint energiájának felel meg. Ha az 1 optikai szálban sok ion van a lézeremissziós szinten, azaz a 9 energiaszinten, és ezen az 1 optikai szálon olyan hullámhosszúságú fényt bocsátunk keresztül, amely ennek a lézeremissziós szintnek felel meg, úgy ennek a fénynek a hatására az ionok a 9 energiaszintről a 10 energiaszintre, azaz alapszintre jutnak át, mielőtt spontán bomlanának. Ez a kaszkádjelenség nagymértékben felerősített jelet eredményez a 7 aktív szál kimenetén.

A 3. ábrán látható a 7 aktív szál 11 hajlított részének tengelyirányú metszete, a 4. ábrán pedig az 1 fényintenzitás sugárirányú eloszlása figyelhető meg ezen keresztmetszet mentén. A 11 hajlított résznek egy 12 magja és egy 13 borítása van, a különböző vonalkázás azt jelenti, hogy a 12 magnak és a 13 borításnak különböző a törésmutatója.

A 7 aktív szál a 3 optikai erősítő eleme, és a 12 magban szennyező anyagként Er³⁺ ionokat tartalmaz.

Ismeretes megoldás, hogy a minél jobb erősítés érdekében a 3 optikai erősítőben lévő 7 aktív szál mind az átviendő jel X_s hullámhosszúságán, mind pedig a pumpálójel λ_ρ hullámhosszúságán egy módusban üzemel. Erről részletesebben a 22 120 A/89 számú bejelentésben írtunk. Ez a bejelentés olasz bejelentés.

A már előbb említett szabadalom kitanítása szerint a 7 aktív szál úgy van méretezve, hogy a 7 aktív szál azon X_c| levágást hullámhosszúsága, amely fölötti hullámhosszokon egyedül az alapmódus terjedése valósul meg a szálban, magasabb kell legyen, mint az átviendő jel Á_s hullámhosszúsága, illetőleg a pumpálójel λ_ρ hullámhosszúsága.

A Á_c levágást hullámhosszúság, amely az egymódusú, illetve a többmódusú teqedéshez tartozó hullámhossztartományokat választja el egymástól, ismert módon függ a visszaverődési tényezőtől és a 12 mag átmérőjétől. A jel λ₈ hullámhosszúsága lehet nagyobb, mint a Á_c levágást hullámhosszúság, és lehet kisebb is. Ha λ₅ hullámhosszúság nagyobb, mint a Á_c levágást hullámhosszúság, a jel egy módusban teqed, ha kisebb, több módusban.

A X_c levágást hullámhosszúság megválasztásánál lényeges az, hogy a 7 aktív szálnak milyen az NA numerikus apertúrája, illetőleg, ahogy említettük, mekkora a 12 mag átmérője.

HU 216 235 Β

Az NA numerikus apertúra egy optikai szál esetében a következő:

NA=(n₁ ²-n₂ ²)^1/2, ahol n, az optikai szál 12 magjának a törésmutatója, n₂ pedig a 13 borításnak a törésmutatója.

Ismeretes az is, hogy a 12 mag és a 13 borítás törésmutatója úgy változtatható, hogy bennük vagy az elsődleges szennyező anyagnak a koncentrációját változtatjuk, vagy pedig különböző szennyező anyagokat alkalmazunk. Ez az eljárás ismert, és szakember számára a törésmutató ily módon történő megválasztása nem jelenthet problémát.

Szennyező anyagként használatos még GeO₂ vagy A1₂O₃.

Ha az 1 optikai szálon olyan λ₈ hullámhosszúságú fényt vezetünk keresztül, amelyre az 1 optikai szálban az egymódusú terjedés van biztosítva, és ez a λ, hullámhosszúság kisebb, mint a λ_ε levágási hullámhosszúság, akkor az 1 optikai szálon belül az I fényintenzitás változása a keresztmetszet r sugara mentén a 4. ábrán látható, ahol a pumpálójelre vonatkozik a P görbe, és az átviendő jelre vonatkozik az S görbe. Mindkét P és S görbe lényegében olyan Gauss-görbe, amelyeknek I_max maximuma az 1 optikai szál tengelyében van, és az I fényintenzitás sugárirányban a kerülete felé csökken.

A fenti eloszlás alapján definiáltak egy φ,_Ώ módusátmérőt, amely egy olyan átmérő, amelynél az I fényintenzitás az 1 optikai szálban

I(r=0_m/2)=(l/e²)I_max, ahol I_max fényintenzitás az a maximális érték, amelyet a CCITT G-652 nemzetközi szabvány előírásai határoznak meg, r pedig az 1 optikai szál sugara mentén mért távolság.

A jó hatásfokú erősítés elérése céljából igen fontos tehát az, hogy a nagy pumpálóenergia a 12 magban legyen jelen, ott, ahol a fluoreszkáló adalékanyag, illetve szennyező anyag is van. Ily módon ugyanis a szennyező anyagban nagy energia gyűjthető össze, és a szennyező atomok nagyobb hányada kerül az erősítést lehetővé tevő 9 energiaszintre. Az a pumpálóenergia, amely az 1 optikai szálnak a 12 magon kívüli részén jelenik meg, ott, ahol szennyező anyag nincs, lényegében nem tud aktívvá válni.

Az átviendő jel és a pumpálójel intenzitásának sugárirányú eloszlása az 1 optikai szál mentén közel azonos kell legyen, annak érdekében, hogy az átviendő jel az 1 optikai szálon belül abban a tartományban kerüljön továbbításra, ahol a legnagyobb pumpálóenergia van jelen. Ily módon érhető el ugyanis csak megfelelően jó hatásfokú erősítés.

Fentiekből következik az is, hogy a pumpálójel <|>_mp módusátmérőjének és az átviendő jel <j)_ms módusátmérőjének olyan közel kell lenniük egymáshoz, amennyire csak lehet.

Az 1 optikai szál 11 hajlított része, amelynek tengelyirányú metszete a 3. ábrán látható, és amelynek 12 magja és 13 borítója van, úgy van méretezve, hogy a Á_s hullámhosszúságú átviendő jel φ₈ módusátmérője lényegesen nagyobb, mint a λ_ρ hullámhosszúságú pumpálójel φ_ρ módusátmérője. Ez azt jelenti, hogy a 4. ábrán látható, hogy az átviendő jel sugárirányú eloszlását bemutató S görbe lényegesen nagyobb területet fed le, mint a pumpálójel eloszlását megadó P görbe, amely utóbbi lényegében csak a 12 magot fedi le. Látható az is, hogy a bejövő fénynek igen jelentős része az 1 optikai szálnak nem azon a területén jelenik meg, ahol a pumpálóenergia van, és ahol a legnagyobb a szennyezőanyag-mennyiség.

Ha kiválasztunk két Á_c[, illetve X_c2 levágási hullámhosszúságot úgy, hogy X_C|<X_p<Á_c2<X_s, akkor X_cl levágási hullámhosszúság esetében mind a λ_ρ hullámhosszúságú jel, mind a λ₈ hullámhosszúságú jel egy módusban terjed, míg T-c2 levágási hullámhosszúság esetében a Á_s hullámhosszúságú jel egy módusban, míg a λ_ρ hullámhosszúságú jel több módusban terjed. A 7. ábrán a φ_π1 módusátmérő változása látható a λ hullámhosszúság függvényében X_cl, illetve Á_c2 levágási hullámhosszúság esetében. Jól látható, hogy λ₅ hullámhosszúságújelnél és Á_c2 levágási hullámhosszúságnál a 0_ml módusátmérő kisebb, mint a Á_c2 levágási hullámhosszúsághoz tartozó 0_m2 módusátmérő. Ha λ_ρ hullámhosszúság, vagy adott esetben a Á_s hullámhosszúság a Á_cl, illetve Á_c2 levágási hullámhosszúságtól távol helyezkedik el, a φ„, módusátmérő értékei kevésbé változnak a λ hullámhosszúság függvényében, és a módusátmérő nem sokban tér el a 12 mag átmérőjétől. Ha azonban a X_s hullámhosszúság a Á_c!, illetve Á_c2 levágási hullámhosszúsághoz közel helyezkedik el, a 0_m módusátmérő értéke exponenciálisan növekszik a λ hullámhosszúság függvényében. Ha például az 1 optikai szál erbiummal van szennyezve, amelynél a pumpálójel hullámhosszúsága 980 nm+10%, ahhoz, hogy a λ_ρ hullámhosszúságú pumpálójelre az 1 optikai szál egy módusban üzemeljen, olyan 1 optikai szálat lehet használni, amelynek a X_c levágási hullámhossza nagyobb, mint 980 nm. Ehhez azonban λ₅ hullámhosszúságú átviendő jel esetében igen nagy φ_Γη módusátmérő tartozik, amely lényegesen nagyobb, mint a λ_ρ hullámhosszúsághoz tartozó φ_ρ módusátmérő, aminek az lesz a következménye, hogy az átviendő jel legnagyobb része az 1 optikai szálnak nem azon a részén fog továbbítódni, ahol az fel is erősíthető.

Ez a viselkedés csak akkor következik be, ha a 3 optikai erősítőben használt 7 aktív szál egyenes vagy lényegében egyenes kialakítású, ahol a lényegében egyenes meghatározás alatt azt értjük, hogy a 7 aktív szál nincsen olyan geometriai deformációnak alávetve, amely az optikai viselkedését lényegesen befolyásolná.

A CCIITT Instruction G-652 előírásai szerint a λ_ε levágási hullámhosszúság elméleti értékének megállapításához az 1 optikai szál törésmutató profilját és az üzemi körülmények közötti Á_c levágási hullámhosszúságot használják fel.

A fenti specifikációk figyelembe veszik azt is, hogy lehetőség van a levágási hullámhossz mérésére hajlított szál esetében is, a mérést ebben az esetben egy 140 mm sugárral egyszer meghajlított szálban kell elvégezni. Az ilyen körülmények között elvégzett méréssel megállapított X_c levágási hullámhosszúság és az elméleti érték között azonban a különbség nagyon kicsi, a különbség

HU 216 235 Β kisebb, mint 5% a várható elméleti λ<. vágási hullámhosszúsághoz képest.

A találmány értelmében úgy járunk el, hogy egy olyan 7 aktív szálas erősítőt hoztunk létre, amely csak az átviendő jel λ₈ hullámhosszúságára egymódusú, és a X_t2 levágási hullámhosszúság kisebb, mint a λ₅, de lényegesen nagyobb, mint a λ_ρ hullámhosszúság.

Egy ilyen 1 optikai szálnál a φ_ηκ módusátmérő az átviendő jel λ₈ hullámhosszúságán, elsősorban 1520— 1570 nm tartományban, tehát olyan esetre, amikor erbiummal szennyezett 7 aktív szálat alkalmazunk erősítőként, kicsi lesz. A <J>_ms módusátmérő lényegében közel akkora lesz, mint az 1 optikai szál 12 magjának az átmérője. A pumpálójel <t>_mp módusátmérője szintén közel esik az 1 optikai szál 12 magjának az átmérőjéhez, a kettő együtt tehát azt jelenti, hogy az átviendő teljesítmény lényegében az 1 optikai szálnak abban a tartományában kerül továbbításra, ahol a pumpálójel és az aktív szennyező anyagok vannak jelen.

Az 5. és a 6. ábrán az 1 optikai szál olyan kiviteli alakjai láthatók, amelyeknél az 1 optikai szálhoz tartozó 7 aktív szál 11 hajlított része úgy van kiképezve, hogy az teljes egészében körbe van hajlítva, és egy tekercset képez, amely tekercs képezi azután a 3 optikai erősítőt. Ez a tekercs egy henger alakú 14 tartóelem vagy valami hasonló elem körül van kiképezve. A hajlítás a találmány értelmében úgy van megvalósítva, hogy az az R_c sugár, amely mentén 11 hajlított részt hajlítjuk, kisebb, mint 140 mm. Ekkor van biztosítva, hogy csak a Á_c2 levágási hullámhosszúságnál alacsonyabb hullámhosszúságú alapmódus teijedjen az 1 optikai szálon belül, és adott esetben még a teqedés megvalósuljon a λ_ρ hullámhosszúságra is.

A 11 hajlított rész hajlítási R<. sugarának csökkenésével csökken az a hullámhossz, amelynél nagyobb után csak az alapmódus-átvitelt biztosítja azokra, λ hullámhosszúságokon csak egy módus teijedhet. Meg lehet határozni egy olyan R_p sugarat, amely alatt egy jel, például a pumpálójel, csak alapmódusban teqedhet az 1 optikai szálon belül.

Az R_c sugár kisebb vagy legfeljebb egyenlő lehet az R_p sugárral. Mivel azonban a hajlítás maga az egész 1 optikai szál szerkezetében mechanikus gyengülést is eredményez, annak érdekében, hogy a töréseknek és egyéb mechanikus hatásoknak jobban ellenálljon, célszerű, ha a hajlítási R,. sugár az Rp sugárral egyenlő, vagy annak a közelében van.

A hajlítás megfelelő mértékű megválasztása lehetővé teszi, hogy a pumpáló λ_ρ hullámhosszúságnál magasabb módusokat a 7 aktív szálból kizárjuk, ily módon tehát az 1 optikai szálon belül a λ_ρ hullámhosszúságon a pumpálójel alapmódusa van egyedül átvezetve, ugyanakkor a 7 aktív szálban megtartjuk az átviendő jel λ₈ hullámhosszúságánál kis módusátmérőt biztosító X_c levágási hullámhosszúságot.

Ily módon lehetséges viszonylag nagy erősítési hatásfokot elérni, azaz az egységnyi pumpálóteljesítményhez tartozó erősítés értéke nagy lesz, rövidebb 7 aktív szál használható a kívánt G_o erősítés elérése érdekében, ahogyan ez a 8. ábrán is látható. Itt látható az, hogy G_o erősítés L! hosszúságú 7 aktív szál esetében, ha a X_c2 levágási hullámhosszúság nagyobb, mint 980 nm. Ez az L[ hosszúság lényegesen kisebb, mint az az L₂ hosszúság, amely ahhoz szükséges, hogy ugyanezt a G_o erősítést éljük el akkor, ha a X_cl levágási hullámhosszúság kisebb, mint 980 nm.

A már korábban említett 22 120 A/89 számú olasz leírásban ismertetett 4 dikroikus csatolóelemben az 5 kimenetnél lévő 7 aktív szál mind az átviendő jelre, mind a pumpálójelre egymódusú átvitelt valósít meg. Ennek a 7 aktív szálnak a módusátmérője a λ₈ hullámhosszúságra lényegesen nagyobb, mint a találmány szerint kialakított 7 aktív szál módusátmérője. Az 5 kimenet és a 11 hajlított rész közötti forrasztás az átviteli X_s hullámhosszúságon az átmérők különbsége következtében némi csillapítást okoz.

Egy további fénycsillapítás jön létre akkor, amikor a 7 aktív szálat az 1 optikai szálhoz hegesztjük. A kereskedelemben kapható szálak egyedül az átviteli hullámhosszúságra egymódusúak. Ez a jeltartomány 15201570 nm. Ezeknél az 1 optikai szálaknál a módusátmérő viszonylag nagy annak érdekében, hogy könnyen legyenek csatlakoztathatók. A módusátmérő egyenlő vagy nagyobb, mint az 5 kimenetnél lévő 1 optikai szál módusátmérője.

Az erősítő teljes G_ex erősítését úgy kapjuk meg, az 1 optikai szál belsejében létrejövő belső G_in erősítésből kivonjuk a különböző szálak közötti hegesztések következtében fellépő A_s csillapítást. Ahhoz tehát, hogy egy előírt G_jn erősítést megvalósíthassunk, az erősítést (G_ex+A_s) értékűre kell megválasztani az 1 optikai szálon belül.

A találmány szerinti 1 optikai szál használatával, ahol is a módusátmérő rendkívül kicsi, a hegesztések következtében fellépő veszteség nagyobb lesz, mint azoknál az ismert aktív szálaknál, amelyek egy módusban üzemelnek a λρ hullámhosszúság esetén is. Ezek a járulékos veszteségek azonban a nyert hatásfok-növekedés következtében elhanyagolhatóak.

A 7 aktív szál minimális hajlítási R_c sugara előnyösen nagyobb kell legyen, mint 20 mm, mert 20 mm alatti hajlítási 1^ sugárnál a meghajlított 7 aktív szál mechanikai szilárdsága kritikussá válik, ezen túlmenően pedig megnőnek azok a forrasztási veszteségek, amelyek a szálak összekapcsolásánál jönnek létre, mivel a 7 aktív szál módusátmérője és a telekommunikációs vonal vagy bejövő 1 optikai szál módusátmérője között nagy lesz a különbség. A 140 mm-nél nagyobb Rc sugárban történő hajlítás azért nem célszerű, mert a k_c levágási hullámhosszúság jelentősen eltolódik. Az Rc sugár előnyösen tehát 35 mm-nél nagyobbra választandó, legelőnyösebb tartomány a 250 mm<R_c< 100 mm.

A hajlítási Rc sugárral kapcsolatban megjegyezzük még, hogy a Á_c levágási hullámhosszúság maximális értéke egyenes vonalú elrendezésnél 980 nm hullámhosszúságú pumpálójelnél teszi lehetővé az egymódusú terjedést, míg a meghajlított szál esetében a szál mechanikus szilárdsága kritikus értékének elérése nélkül a X_c levágási hullámhosszúság értéke körülbelül 1280 nm, ami 4 pm-es módusátmérőnek felel meg. Ha az

HU 216 235 Β

R_c=50 mm, a X_c levágási hullámhosszúság körülbelül 1100 nm, ehhez körülbelül 5,3 pm módusátmérő tartozik, míg a pumpálójel alapmódusának az átmérője 3,8 pm+4 pm.

Egyenes elrendezésű, a pumpáló λ_ρ hullámhosszúságon egy módusban működő 1 optikai szálnál a módusátmérő az átviendő jelre nagyobb, mint 6 pm.

A 7 aktív szál 11 hajlított részének a kialakítása az 5. és 6. ábrán figyelhető meg jól, ahol látható az is, hogy a legcélszerűbb, ha a 7 aktív szálat teljes egészében a 11 hajlított rész képezi, amely például egy 14 tartóelemre van elhelyezve, és a 11 hajlított résznek a 14 tartóelemről lejövő meghosszabbított részét forrasztjuk közvetlenül az 5 kimenethez, amely a 4 dikroikus csatolóelem kimeneténél lévő optikai szálrész. A 15 hegesztési hely tehát lehet közvetlenül azon a helyen, ahol a 14 tartóelemről elvezetjük a 11 hajlított részt. Ha azonban kívánatos, hogy 7 aktív szálat képező 11 hajlított rész minél kisebb mechanikus feszültségnek legyen kitéve, célszerű, ha a 14 tartóelemről történő levezetés után egy olyan 16 egyenes szakaszt hagyunk, amely nincs meghajlítva, és a 15 forrasztási hely egy adott L_r hosszúságú 16 egyenes szakasz után van. Ez a kis 16 egyenes szakasz az erősítésben semmiféle veszteséget nem jelent, ugyanakkor a rendszernek a mechanikus szilárdságát növeli.

Nyilvánvaló, hogy ennek az L_r hosszúságú 16 egyenes szakasznak a hajlítási sugara lényegesen nagyobb, mint a 11 hajlított rész hajlítási R_c sugara, a hosszúságát azonban célszerű 400 mm-nél, előnyösen pedig 200 mmnél kisebbre választani. Ugyanilyen, lényegében 16 egyenes szakasz van a 7 aktív szál 11 hajlított részének a másik végénél is. A két 16 egyenes szakasz együttesen sem fogja az erősítés hatásfokát lényegesen befolyásolni.

Az 1 optikai szálban a magasabb módusok csatolása a haladási hosszal arányos, éppen ezért egy előre megállapított hosszúság után a 7 aktív szálban nem fog lényeges pumpálási teljesítmény az alapmódusból a magasabb módusba átmenni.

Megfigyeltük még azt is, hogy a találmány szerinti megoldással azokhoz az erősítőkhöz képest, ahol a pumpáló λ_ρ hullámhosszúság a 7 aktív szálban egy módusban terjedt, további előnyök is megvalósíthatók akkor, ha a 7 aktív szálnak csak egy - az előírt követelmények teljesítése szempontjából szükséges - részét hajlítjuk meg, feltéve, ha a 11 hajlított rész hajlítási Rc sugara megfelel annak a feltételnek, hogy a pumpálóteljesítmény alapmódusban teqedjen, és feltéve, ha a 11 hajlított rész több, mint 70%-a a 7 aktív szál teljes hosszúságának. Konstrukciós szempontból előnyös, és az egész elrendezésnek megfelelőbb alakzatot biztosít, valamint kisebb helyfoglalást tesz lehetővé, ha a 11 hajlított rész a 7 aktív szál középső része, és a bemeneti, illetve kimeneti szálhoz van forrasztva, de kialakítható a már említett 16 egyenes szakaszokkal is a két elvezetés. Kialakítható természetesen úgy is a 7 aktív szál, hogy több 11 hajlított szakaszt tartalmaz, amelyek megfelelő 16 egyenes szakaszokkal vannak összekapcsolva.

A továbbiakban megadunk néhány példát, amelyet a találmány szerint valósítottunk meg:

Erbiummal szennyezett 7 aktív szálat alkalmazunk, amelynek a következő paraméterei voltak:

Magátmérő 3,6 pm,

Numerikus apertúra (n^-m²)¹'- 0,23,

Á_c (elvi levágási hullámhossz) 1100 nm,

Egymódusú módusátmérő 5,3 pm,

Erbiumtartalom (Er₂O₃) 350 ppm.

A fenti módon kialakított 1 optikai szálból az 1. ábrán bemutatott kiviteli alaknak megfelelő optikai erősítőt készítettünk. Az 1 optikai szálat teljes hossza mentén 50 mm-es sugár mentén tekertük fel. Ilyen körülmények között a mért levágási hullámhossz 980 nm volt.

Az ilyen 1 optikai szállal kialakított erősítővel a következő paramétereket tudtuk megvalósítani:

Pumpálóteljesítmény: 17 mW,

Aktív szál hossza: 8,4 m.

Az erősítőt egy olyan 1 optikai szálhoz kapcsoltuk, amelynek levágási hullámhosszúsága 1100 nm, és az átviendő, erősítendő jel teljesítménye:

Bejövőjel-teljesítmény: -45 dBm.

Az erősítő optikai csatolóeleménél lévő szál Á_c 980 nm-es levágási hullámhosszúságú átviendő jelet és pumpálójelet továbbított.

A fent leírt elrendezéssel G - 30 dB erősítés volt elérhető.

Összehasonlításként megadunk egy olyan erősítőt, amelynek a konstrukciós elrendezése ugyanez volt, a 7 aktív szál azonban a következő adatokkal rendelkezett:

Magátmérő 3,6 pm,

Numerikus apertúra (n[²-n₂ ²)^I/2 0,21,

X_c (elméleti levágási hullámhosszúság) 980 nm,

Egymódusú átmérő 6,2 pm,

Erbiumtartalom (Er₂O₃) 350 ppm.

A 7 aktív szálat az erősítőben lényegében egyenes vonalú elrendezésben használtuk, úgy ahogy ezt a korábbiakban is bemutattuk, és a X_c levágási hullámhosszúságban lényeges változást lehetett tapasztalni.

Az erősítés a következő jellemzőkkel rendelkezett:

Pumpálóteljesítmény 20 mW,

Aktív szál hossza 10 m.

Az erősítendő jelet egy, az előzőhöz hasonló 7 aktív szállal vezettük be.

A bejövő jel teljesítménye 45 d Bm volt.

Az elért G₂ erősítés 30 dB.

Fentiekből látható, hogy a találmány szerinti elrendezéssel sokkal rövidebb 7 aktív szállal értük el ugyanazt az erősítést, mint egyenes vonalú 1 optikai szállal, ugyanakkor kisebb pumpálási teljesítményre volt szükség, és a hatásfok lényegesen megnőtt.

Maga a tartószerkezet, amelyre a feltekercselt szálat elhelyezzük, tetszőleges kialakítású lehet. A kialakítás nagymértékben függ attól, hogy az erősítő milyen külső borításban kerül elhelyezésre. Itt erről részletesebben erről nem is írunk, ez a szakember számára ismeretes. A találmány természetesen számos egyéb kiviteli alakban is megvalósítható azonkívül, amit az ábrákon bemutattunk.

HU 216 235 Β

Claims (8)

1. SZABADALMI IGÉNYPONTOK

   1. Optikai erősítő, előnyösen optikai szálat tartalmazó telekommunikációs vonalakhoz, amely erősítő a telekommunikációs vonallal sorosan van kapcsolva, és legalább egy pumpáló fényforrást és dikroikus csatolóelemet tartalmaz, a dikroikus csatolóelemnek két bemenete és egy kimenete van, az egyik bemenet adó fényforrásra, a másik a bemenet a pumpáló fényforrásra, kimenete pedig az optikai erősítő aktív szálának egyik végéhez van csatlakoztatva, az aktív szál magjában az átviendő jel hullámhosszúságsávjába fényt kibocsátó, és a pumpáló fényforrással gerjeszthető fluoreszkáló, szennyező anyag van, azzal jellemezve, hogy az aktív szál (7) egyenes vonalú elrendezésben az átviteli hullámhosszúságon (λ₈) egymódusú teijedést, a pumpálójel hullámhosszúságán (λρ) többmódusú terjedést biztosítóan van kiképezve, és a hosszának legalább a 70%-ában a pumpálójel hullámhosszúságán (λρ) csak az alapmódus teqedését lehetővé tevő sugarú kör (R_c) mentén van meghajlítva.
2. 2. Az 1. igénypont szerinti optikai erősítő, azzal jellemezve, hogy az aktív szál (7) 20-140 mm-es sugár (R_c) mentén van meghajlítva.
3. 3. A 2. igénypont szerinti optikai erősítő, azzal jellemezve, hogy az aktív szál (7) hajlítási sugara (R) 35-100 mm.
4. 4. Az 1. igénypont szerinti optikai erősítő, azzal jellemezve, hogy az átviteli hullámhosszúság (λ₈) 15201570 nm, a pumpáló hullámhosszúság (λ_ρ) 980+10 nm, a fluoreszkáló, szennyező anyag az aktív szálban (7) pedig erbium.
5. 5. A 4. igénypont szerinti optikai erősítő, azzal jellemezve, hogy az aktív szál (7) legalább egy olyan hajlított résszel (11) van kiképezve, amelynek hajlítási sugara (RJ a pumpáló hullámhosszúságnál (λ_ρ) egyedül az alapmódus terjedését biztosító hosszúságúra van megválasztva, és a hajlított részhez (11) egyenes szakaszok (16) vannak csatlakoztatva, és a hajlított rész (11) hossza, vagy pedig a hajlított részek (11) hosszának összege az aktív szál (7) teljes hosszának több, mint 70%-a.
6. 6. Az 5. igénypont szerinti optikai erősítő, azzal jellemezve, hogy az aktív szál (7) egyetlen folyamatos, hajlított részként (11) van kiképezve, amelynek hajlítási sugara (R_c) és két egyenes szakasz (16) van a hajlított rész (11) két végéhez csatlakoztatva.
7. 7. A 6. igénypont szerinti optikai erősítő, azzaljellemezve, hogy az aktív szál (7) egyenes szakaszokon (16) kívül, egyedül a pumpálójel hullámhosszúságán (λ_ρ) az alapmódus terjedését lehetővé tevő hajlítási sugár (RJ mentén van meghajlítva, és az egyenes szakaszok (16) hossza kisebb, mint 400 mm.
8. 8. A 7. igénypont szerinti optikai erősítő, azzal jellemezve, hogy az egyenes szakaszok (16) hossza kisebb, mint 200 mm.