ITTO941019A1 - Amplificatore ottico. - Google Patents
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Abstract
L'AMPLIFICATORE (1) E' COSTITUITO DA DUE AMPLIFICATORI A FIBRA O GUIDA ATTIVA (2, 3) POSTI RISPETTIVAMENTE PRIMA E DOPO UN AMPLIFICATORE A SEMICONDUTTORE AGGANCIATO IN GUADAGNO (4) PORTATO IN CONDIZIONI DI EMISSIONE STIMOLATA, IL QUALE PUNGE DA SORGENTE DI RADIAZIONE DI POMPA PER I DUE AMPLIFICATORI A FIBRA O GUIDA ATTIVA (2, 3). (FIG. 1)
Description
Descrizione dell'invenzione avente per titolo:
"AMPLIFICATORE OTTICO"
La presente invenzione ha per oggetto un amplificatore ottico.
Nei sistemi di comunicazione ottica vengono generalmente usati due tipi di amplificatori ottici: amplificatori a semiconduttore o amplificatori a fibra (o in generale in guida ottica) attiva.
Gli amplificatori a semiconduttore sono dei dispositivi di struttura sostanzialmente analoga a quella dei laser, i quali vengono polarizzati sotto la soglia di emissione stimolata per evitare l'innesco delle oscillazioni laser e al di sopra della trasparenza, per sfruttare le caratteristiche di amplificazione del materiale attivo di cui sono composti. Un problema presentato dagli amplificatori a semiconduttore è rappresentato dal livello di intermodulazione relativamente elevato, che è di ostacolo all'uso in sistemi di comunicazione a divisione di lunghezza d'onda.
Gli amplificatori a fibra utilizzano un tratto di una fibra ottica (o di una guida ottica integrata) attiva, cioè una fibra o guida in cui il nucleo è drogato con ioni aventi bande di emissione spettroscopica nelle regioni di interesse per le telecomunicazioni, in particolare ioni di terre rare quali neodimio o praseodimio (per sistemi operanti nella cosiddetta seconda finestra, intorno a 1,3 μm ) ed erbio (per la terza finestra, intorno a 1,55 μm ). L'amplificazione è ottenuta lanciando nel nucleo una radiazione di pompaggio di lunghezza d'onda opportuna, diversa da quella del segnale da amplificare. Il principale problema che si presenta nell'utilizzo di questi amplificatori è dato dalla necessità di impiegare accoppiatori dicroici per inviare nella fibra o guida il segnale da amplificare e il segnale di pompaggio, e tali accoppiatori sono difficilmente integrabili e hanno un costo non indifferente. Inoltre, il tempo di accensione e spegnimento, che è legato al tempo di fluorescenza dei reagenti, è relativamente lungo (dell'ordine dei millisecondi per Terbio).
Recentemente sono stati anche proposti amplificatori a semiconduttore che presentano un basso livello d'intermodulazione, cosicché possono essere utilmente impiegabili con sistemi a divisione di lunghezza d'onda. Un amplificatore di questo tipo è descritto da G. Soulage e altri nella memoria "Clamped gain travelling wave semiconductor optical amplifier as a large dynamic range optical gate", presentata alla conferenza ECOC'94, Firenze, 25-29 Settembre 1994. Il dispositivo è costituito sostanzialmente da un diodo laser a reazione distribuita che, portato in condizioni di emissione stimolata, è in grado di amplificare lunghezze d'onda comprese nella terza finestra. Il dispositivo presenta un guadagno costante per una vasta gamma di potenze del segnale di ingresso (a lunghezze d'onda diverse dalla lunghezza d'onda di Bragg) e indipendente dalla polarizzazione del segnale d'ingresso.
Questo dispositivo presenta a sua volta l'inconveniente che la potenza emessa per effetto laser non viene sfruttata; inoltre, come tutti gli amplificatori a semiconduttore, è relativamente rumoroso.
Secondo l'invenzione si fornisce invece un amplificatore ottico che ha elevate prestazioni, presenta limitata rumorosità e non richiede i dispositivi di accoppiamento dicroici.
L'amplificatore secondo l'invenzione è caratterizzato dal fatto di comprendere:
- uno stadio d'ingresso costituito da un primo amplificatore in guida ottica attiva;
- uno stadio di uscita costituito da un secondo amplificatore in guida ottica attiva; e
- uno stadio intermedio, che è costituito da un amplificatore a semiconduttore agganciato in guadagno atto a emettere una radiazione a una lunghezza d'onda diversa da quella di un segnale ottico da amplificare e compresa in una banda corrispondente alla banda di pompaggio degli amplificatori a guida ottica attiva, è polarizzato da una corrente tale da portarlo in condizioni di emissione ed è accoppiato alle guide che compongono gli stadi d'ingresso e di uscita in modo tale da inviare in essi, come radiazione di pompaggio, la radiazione emessa per emissione stimolata.
L'invenzione soddisfa le esigenze indicate sopra. Infatti, l'amplificatore agganciato in guadagno è meno costoso da realizzare dei dispositivi di accoppiamento dicroici e il suo uso come sorgente della radiazione di pompaggio rende la struttura semplice e compatta. Inoltre, il rumore introdotto daH'amplificatore a semiconduttore è aggiunto a un segnale già amplificalo dallo stadio d'ingresso (che, essendo un amplificatore a fibra o in ottica integrata, è di per sé scarsamente rumoroso), e quindi la sua influenza è minore. Ancora, le caratteristiche di spegnimento non dipendono più dal tempo di fluorescenza dei reagenti, ma dal l'ampli ficatore a semiconduttore, che è comandato da una corrente e quindi presenta tempi di spegnimento nettamente inferiori (dell'ordine del nanosecondo). Infine, la potenza di uscita dell'amplificatore è sostanzialmente costante, in quanto da un lato il guadagno dell'amplificatore a semiconduttore è sostanzialmente costante per una vasta gamma di potenze d'ingresso e dall'altro l'intensità della radiazione di pompaggio degli amplificatori d'ingresso/uscita (cioè dell'emissione dell'amplificatore a semiconduttore) varia sostanzialmente in modo inversamente proporzionale all'intensità della radiazione che arriva al'amplificatore a semiconduttore.
A maggior chiarimento si fa riferimento ai disegni allegati, in cui:
- la fig. 1 è uno schema di principio dell'amplificatore secondo l’invenzione, e
- la fig. 2 è una rappresentazione semplificata di un amplificatore a semiconduttore agganciato in guadagno.
Nella fig. 1, l'amplificatore oggetto dell’invenzione, indicato dal blocco a linea a tratti 1, comprende uno stadio d'ingresso 2 e uno stadio di uscita 3, che nell’esempio illustrato sono costituiti ognuno da un tratto di fibra ottica drogata con ioni di terre rare (in particolare ioni Er, nel caso che il segnale da amplificare abbia lunghezza d’onda compresa nella terza finestra, o ioni Nd o Pr nel caso che il segnale da amplificare abbia lunghezza d'onda compresa nella seconda finestra), e uno stadio intermedio 4 costituito da un amplificatore a semiconduttore agganciato in guadagno, p. es. un amplificatore del tipo descritto nella memoria di G. Soulage e altri, a cui sono unite le fibre costituenti gli amplificatori 2 e 3. L'amplificatore a semiconduttore 4 è polarizzato da una corrente tale da essere portato in condizioni di emissione laser, cosicché esso funge da sorgente di radiazione di pompaggio per gli amplificatori 2, 3. Il primo di questi sarà pompato in senso opposto al senso di propagazione del segnale da amplificare, mentre nel secondo il senso di propagazione del segnale e della radiazione di pompaggio è lo stesso.
Le fibre che costituiscono gli amplificatori 2, 3, sono fissate all'amplificatore 4 in modo del tutto convenzionale. Tramite isolatori opzionali d'ingresso e di uscita S, 6 l'amplificatore 1 è collegato a due tratti di fibra 7, 8 che convogliano i segnali da amplificare e rispettivamente i segnali amplificati.
Come si vede schematicamente in fig. 2, l’amplificatore a semiconduttore agganciato in guadagno 4 è sostanzialmente un laser a semiconduttore a reazione distribuita, in cui la reazione ottica è ottenuta mediante un reticolo 9. Le facce terminali sono munite di rivestimenti antiriflesso 10 per sopprimere le risonanze Fabry-Perot. Con 11 sono indicati l'elettrodo e il conduttore per il collegamento alla sorgente di corrente di polarizzazione.
Considerando a titolo di esempio il caso in cui i segnali da amplificare abbiano una lunghezza d'onda compresa nella terza finestra (1,55 μm ) , cosicché gli amplificatori 2, 3 sono realizzati con fibre drogate con erbio, l'amplificatore 4 sarà progettato in modo da amplificare segnali a lunghezza d'onda compresa p. es. tra 1,53 μm e 1,56 μm e da emettere una radiazione compresa nella banda di pompaggio dell'erbio (1,48 μm). Il tecnico del ramo non ha nessun problema a progettare il reticolo in modo da ottenere i valori voluti.
Con la disposizione descritta, il segnale da amplificare (p. es. un segnale a divisione di lunghezza d'onda), subisce tre amplificazioni successive e quindi si hanno buone prestazioni. Valori facilmente ottenibili sono dell'ordine della decina di dB per l'amplificatore d'ingresso e quello a semiconduttore, e valori dell'ordine dei 5 dB per l'amplificatore di uscita. L'amplficatore a semiconduttore 4, come detto, ha guadagno sostanzialmente costante e indipendente dalla potenza d'ingresso. Viceversa, la potenza emessa per effetto laser, e quindi la potenza di pompaggio degli amplificatori a semiconduttore, diminuisce al crescere di tale potenza, facendo diminuire anche il guadagno degli amplificatori a fibra. Complessivamente però la potenza di uscita rimane sostanzialmente costante.
Per ottenere valori di amplificazione come quelli detti sopra per gli amplificatori a fibra saranno sufficienti lunghezze di fibra dell'ordine della decina di metri. Pertanto il dispositivo, compresi gli isolatori, potrà essere montato in un modulo di dimensioni ridotte (alcuni centimetri di lato).
E’ evidente che quanto descritto è dato a titolo di esempio non limitativo, e che varianti e modifiche sono possibili senza uscire dal campo di protezione del'invenzione. In particolare, gli stadi di ingresso e uscita possono essere realizzati mediante guide ottiche integrale di tipo attivo. Anche queste sono facilmente accoppiabili a un amplificatore a semiconduttore.
Claims (2)
- RIVENDICAZIONI 1. Amplificatore ottico, caratterizzato dal fatto di comprendere: - uno stadio d'ingresso (2) costituito da un primo amplificatore a guida ottica attiva; - uno stadio di uscita (3), costituito da un secondo amplificatore a guida ottica attiva; e - uno stadio intermedio (4), che è costituito da un amplificatore a semiconduttore agganciato in guadagno atto a emettere una radiazione a una lunghezza d'onda diversa da quella di un segnale ottico da amplificare e compresa in una banda di pompaggio degli amplificatori a guida attiva, è polarizzato da una corrente tale da portarlo in condizioni di emissione ed è accoppiato alle guide che compongono gli stadi d'ingresso e di uscita (2, 3) in modo tale da inviare in essi, come radiazione di pompaggio, la radiazione emessa per emissione stimolata.
- 2. Amplificatore ottico secondo la riv. 1 , caratterizzato dal fatto di comprendere inoltre un isolatore d'ingresso (5) e un'isolatore di uscita (6) per il collegamento degli stadi d'ingresso e di uscita (2, 3) a linee di trasmissione ottica (7, 8) che convogliano rispettivamente i segnali da amplificare e i segnali amplificati.
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