NO302326B1

NO302326B1 - Optisk forsterker med krummet, aktiv enkeltmodusfiber

Info

Publication number: NO302326B1
Application number: NO910530A
Authority: NO
Inventors: Giorgio Grasso; Aldo Righetti
Original assignee: Pirelli Cavi Spa
Priority date: 1990-02-12
Filing date: 1991-02-11
Publication date: 1998-02-16
Also published as: DE69107872D1; HU216235B; CA2034797C; DE69107872T2; ES2072523T3; PE17791A1; KR0178393B1; DK0442553T3; FI910649A; FI104294B1; ATE119690T1; IE910440A1; IT1237980B; HK2596A; IE67357B1; CA2034797A1; CN1054137A; CZ280356B6; BR9100633A; NO910530L

Description

Oppfinnelsen angår en optisk forsterker som kan innføres i serie i en fiberoptisk telekommunikasjonsledning for forsterkning av optiske signaler som forplanter seg i fiberledningen, omfattende i det minste en pumpende lyskilde for generering av optisk stråling med en bølgelengde som er kortere enn bølgelengden til det optiske signal, en aktiv optisk fiber som inneholder et fluorescerende dopingsmiddel i sin optiske kjerne og er i stand til å utsende lys i bølgelengdeområdet til det optiske signal når den pumpes med bølgelengden til pumpekilden, og en dikroisk kopler med to innganger som er tilkoplet til henholdsvis den fiberoptiske ledning og den pumpende lyskilde, og en utgang som er tilkoplet til den aktive fibers ene ende.

Det er kjent at optiske fibrer som har en dopet kjerne som er oppnådd ved benyttelse av spesielle stoffer, såsom ioner av sjeldne jordarter, har særtrekk med hensyn til stimulert emisjon som er egnet for anvendelse som laserkilder og optiske forsterkere.

Disse fibrer kan i virkeligheten mates med en lyskilde med en spesiell bølgelengde, omtalt som pumpebølgelengde, som er i stand til å bringe dopingsmiddelatomene til en eksitert energitilstand, eller et pumpebånd, fra hvilket atomene innenfor en meget kort tidsperiode spontant faller tilbake til en laseremisjonstilstand, i hvilken tilstand de kan forbli i en forholdsvis lang tidsperiode.

Når en fiber som har et høyt antall atomer i den eksiterte tilstand i laseremisjonsnivået, passeres av et lyssignal med en bølgelengde som svarer til denne laseremisjonstilstand, forårsaker signalet overgang av de eksiterte atomer til et lavere nivå, idet lysemisjonen har samme bølgelengde som signalet. En fiber av ovennevnte type kan derfor benyttes for å oppnå en forsterkning av signalet, og spesielt for eksempel til å oppnå optiske ledningsforsterkere som er egnet til å bringe et dempet, optisk overføringssignal tilbake til et høyt nivå etter en lang vandring gjennom en fiber i en telekommunikasjonsledning.

Optiske forsterkere av ovennevnte type er for eksempel kjent fra EP-A-0 425 014, publisert den 2. mai 1991, hvor den aktive fiber er innrettet til å være av enkeltmodustypen både ved overføringsbølgelengden og ved pumpebølgelengden.

Disse fibrer, som er enkeltmodus fibrer både ved overføringsbølgelengden og pumpebølgelengden, har imidlertid en forskjellig fordeling av lyseffekten i fibertverrsnittet, og spesielt er overføringssignalets lysef fekt fordelt over et større areal eller område av fibertverrsnittet enn det område i hvilket pumpeeffekten er til stede.

Det fluorescerende dopingsmiddel, som er ansvarlig for overføringssignal-forsterkningen, er konsentrert i fiberkjernen, og fiberen i kjente forsterkere er slik utformet at pumpeef fekten også skal være begrenset i det nevnte område, slik at den i sin helhet kan benyttes til å eksitere det fluorescerende dopingsmiddel i laseremisjonsnivået. Da imidlertid en del av overførings-signaleffekten overføres til fiberen utenfor det område i hvilket det fluorescerende dopingsmiddel og pumpeeffekten er til stede, er resultatet at bare en del av det nevnte signal er tilgjengelig i det fiberområde i hvilket det kan forsterkes.

Ovennevnte fenomen forårsaker en begrensning i forsterkerens forsterkningseffektivitet, uttrykt som forsterkningen av overføringssignalet pr. pumpeeffektenhet.

Følgelig oppstår problemet med økning av den nevnte effektivitet med hensyn til kjente forsterkere.

US 4 784 450 viser en innretning for avstembar generering av nye bølgelengder av optisk stråling fra minst én kilde for smalbåndet, koherent, optisk stråling med minst én forutbestemt bølgelengde, omfattende en dobbeltbrytende, optisk bølgeleder med en rask akse og en langsom akse og en dobbeltbrytningsverdi som er større enn 1,0 x IO"<6>, en inngangsanordning som er anbrakt nær bølgelederen for fokusering og overføring av optisk stråling fra den nevnte kilde inn i bølgelederen, og en polarisasjons-styreanordning som er anbrakt langs en optisk bane mellom den nevnte kilde og inngangsanordningen, for styring av polarisasjonen av optisk stråling som overføres fra kilden til bølge-lederen, slik at polarisasjonen av den koherente, optiske stråling danner en vinkel på minst 5° i forhold til den raske eller langsomme akse.

US 4 941 726 viser en innretning for forsterkning av datasignaler omfattende en første tilspisset, optisk del som er optisk koplet for å motta datasignalene ved en inngangsende og har en lysoverførende del som er innskutt mellom en inngangsende og en utgangsende, idet den første tilspissede, optiske del er fremstilt slik at den ikke forstyrrer enkeltmodusforplantning, og inngangsenden har et større areal enn utgangsenden og dermed konsentrerer datasignalet gjennom denne, en kilde for optiske pumpesignaler, en andre tilspisset, optisk del som er koplet for å motta de optiske pumpesignaler ved en inngangsende, og som har en ly sover førende del som er innskutt mellom en inngangsende og en utgangsende, idet den andre tilspissede, optiske del er fremstilt slik at den ikke forstyrrer enkeltmodusforplantning, og inngangsenden har et større areal enn utgangsenden og dermed konsentrerer pumpesignalets intensitet gjennom denne, en koplerseksjon som er koplet for å motta den konsentrerte datasignalintensitet fra den første tilspissede, optiske del og den konsentrerte pumpesignalintensitet fra den andre tilspissede, optiske del, og en anordning som er optisk koplet til kopler-seksjonen og har en tilstrekkelig lengde av optisk overførende materiale for optisk forsterkning av datasignalene ved hjelp av Raman-effekt.

EP 0 189 196 viser en innretning for filtrering og forsterkning av lysenergi, omfattende en filteranordning som danner en optisk resonator som er egnet til å tilkoples til en optisk overføringslinje som forplanter bølgelengdedistinkt lysenergi, og for ved resonansvirkning å understøtte en utvalgt bølgelengde som koples fra overføringslinjen, idet resonator-anordningen omfatter et materiale med en karakteristisk Raman-forsterkningskurve som varierer som funksjon av forskjellen i bølgelengde mellom pumpende lysenergi som innføres i denne, og den utvalgte bølgelengde som understøttes ved resonansvirkning i resonator anordningen, og en anordning for innføring av pumpende lysenergi i resonatoren for å bevirke forsterkning, ved hjelp av Raman-effekten, av de utvalgte bølgelengder som understøttes ved resonansvirkning i filterresonatoren.

Formålet med oppfinnelsen er å tilveiebringe en forsterker i hvilken overføringssignaleffekten og pumpeeffekten har en i hovedsaken lik fordeling i det aktive fibertverrsnitt, og også er konsentrert i det fiberområde i hvilket det fluorescerende dopingsmiddel er til stede.

Ovennevnte formål oppnås med en optisk forsterker av den innledningsvis angitte type som ifølge oppfinnelsen er kjennetegnet ved at den aktive optiske fiber er en fiber som, når den er anordnet i en i hovedsaken rettlinjet konfigurasjon, tillater enkeltmodusforplantning ved bølgelengden for det optiske signal og multimodusforplantning ved pumpestrålingsbølgelengden, og at den aktive fiber er anbrakt i en buet konfigurasjon i det minste over 70 % av sin totale lengde, med en slik bøyningsradius at fiberen tilveiebringer bare enkeltmodusforplantning av grunnmodusen ved pumpestrålingsbølgelengden.

Bøyningsradien til den buede eller krummede, aktive fiber ligger i området fra 20 til 140 mm, og bøyningsradien til den aktive fiber ligger fortrinnsvis mellom 35 og 100 mm.

I en foretrukket utførelse ligger overføringsbølgeleng-den mellom 1520 og 1570 nm, og pumpebølgelengden er 980 nm (±10 nm) og det fluorescerende dopingsmiddel i den aktive fiber er erbium.

Spesielt har den aktive fiber i det minste et buet parti med en slik bøyningsradius at fiberen tilveiebringer bare enkeltmodusforplantning av grunnmodusen ved pumpestrålingsbølge-lengden, hvilket parti er tilstøtende til ikke-buede fiberpartier, idet lengden av det buede parti eller summen av lengdene av buede partier er høyere enn 70 % av den totale lengde av den aktive fiber.

Den aktive fiber oppviser fortrinnsvis et eneste, sammenhengende, buet parti med en slik bøyningsradius at fiberen tilveiebringer bare enkeltmodusforplantning av grunnmodusen ved pumpestrålingsbølgelengden, idet ikke-buede fiberpartier er til stede ved den ene eller den andre eller begge ender av den aktive fiber.

I en særlig foretrukket utførelse av en optisk fiber ifølge oppfinnelsen er den aktive fiber buet i overensstemmelse med en bøyningsradius slik at fiberen tilveiebringer bare enkeltmodusforplantning av grunnmodusen ved pumpestrålingsbølge-lengden over hele sin lengde bortsett fra de i hovedsaken krumningsfrie endepartier som hvert har en lengde som er mindre enn 400 mm. Lengden av de i hovedsaken krumningsf rie endepartier er fortrinnsvis mindre enn 200 mm.

Ytterligere detaljer vil fremgå av den etterfølgende beskrivelse av oppfinnelsen under henvisning til tegningene, der fig. 1 er et riss som viser en optisk forsterker som benytter en aktiv fiber, fig. 2 er et diagram som viser energiovergangene til en fiber av den type som skal benyttes for en forsterker ifølge risset på fig. 1, hvilke overganger er egnet til å frembringe en stimulert (laser-)emisjon, fig. 3 er et diagram som viser arrangementene angående pumpe-, overførings- og grensebølge-lengdene, fig. 4 er et diagram som viser den radiale fordeling av lysintensiteten i en optisk fiber, fig. 5 viser et riss av et arrangement av en aktiv fiber i en forsterker ifølge oppfinnelsen, fig. 6 viser et frontriss av den fiber som er vist på fig. 5, fig. 7 er et diagram som viser variasjonene i modusdiameteren i en fiber, avhengig av bølgelengden, og fig. 8 er et diagram som viser forsterkningen i en optisk fiber avhengig av lengden av den aktive fiber som benyttes.

For det formål å forsterke signaler i optiske telekom-munikasjons fibrer kan det hensiktsmessig benyttes forsterkere som benytter optiske fibrer. Konstruksjonen av de nevnte forsterkere er skjematisk vist på fig. 1 hvor henvisningstallet 1 betegner en optisk telekommunikasjonsfiber til hvilken det tilføres et overføringssignal med en bølgelengde ks som genereres av en signallasersender 2. Signalet, som er dempet etter en viss ledningslengde, tilføres til en optisk forsterker 3 som i det vesentlige består av en dikroisk kopler 4 hvor signalet på en eneste utgående fiber 5 forenes med et pumpesignal med en bølgelengde Xp som genereres av en pumpende lasersender 6. En aktiv fiber 7 som er koplet til fiberen 5 som kommer fra den dikroiske kopler, utgjør det signalforsterkende element, og signalet innføres deretter på nytt i ledningsfiberen 1 og går videre mot sitt bestemmelsessted.

For å tilveiebringe den aktive fiber 7 som frembringer forsterkningen av lyssignalet, benyttes en kiselbasert, optisk fiber som er dopet med et fluorescerende materiale som er egnet til å generere en lysemisjon som stimuleres ved tilstedeværelse av et lyssignal som således forsterkes av fiberen.

Som fluorescerende materiale er det bekvemt å benytte Er203som kan ha stimulerte overganger, også omtalt som "laser"-overganger, ved bølgelengder som er hensiktsmessige for fjern-overføring av telekommunikasjonssignaler.

Som vist i diagrammet på fig. 2, som angår en fiber av ovennevnte type og symbolsk representerer de tilgjengelige energitilstander for en erbiumionoppløsning i fiberens kisel- baserte grunnmasse, bringer innføring av en lyseffekt i den aktive fiber ved "pumpe"-bølgelengden kp, som er lavere enn overføringssignalets bølgelengde A,s, et visst antall Er<3+->ioner som er til stede i dopingsmiddelet i fiberens glassbaserte grunnmasse, til en "eksitert" energitilstand 8, omtalt som et "pumpe"-bånd, fra hvilken tilstand ionene spontant faller tilbake til et energinivå 9 som utgjør et laseremisjonsnivå.

Det er kjent at mens overgangen fra båndet 8 til nivået 9 er knyttet til en varmetype-emisjon som spres utenfor fiberen (fononstråling), genererer overgangen fra nivået 9 til basis-nivået 10 en lysemisjon med en bølgelengde som svarer til energiverdien av laseremisjonsnivået 9. Dersom en fiber som inneholder en stor mengde ioner ved laseremisjonsnivået, passeres av et signal med en bølgelengde som svarer til et slikt emisjons-nivå, forårsaker signalet stimulert overgang av vedkommende ioner fra emisjonstilstanden til basistilstanden før det spontane tilbakefall av disse, med et kaskadefenomen som frembringer emisjon av et kraftig forsterket overføringssignal på utgangen av den aktive fiber.

På fig. 4 er enden av en fiber som er vist i aksial-snitt og betegnet med 11, skjematisk vist. En kjerne 12 og en kledning 13 er definert for en sådan fiber, og de er identifisert ved forskjellige brytningsindekser.

For anvendelsesformål som aktiv fiber i en forsterker er dopingsmiddelet, dvs. Er<3*>, til stede i kjernen 12.

For å oppnå en høy forsterkning, er det hensiktsmessig at den aktive fiber 7 i forsterkeren er av enkeltmodustypen både ved overføringsbølgelengden og pumpebølgelengden, slik som vist i EP-A-0 425 014.

Det foregående betyr, som vist på fig. 3, at den aktive fiber, basert på den lære som er inneholdt i den nevnte publika-sjon, er slik dimensjonert at fiberens grensebølgelengde A.cl, også omtalt som "<A>kritisk" ( "Acut.off" ), over hvilken forplantning av bare grunnmodusen opptrer i fiberen, er både lavere enn overføringssignalets bølgelengde As, og lavere enn pumpestrålingens bølgelengde kp.

De viktige målinger for det formål å velge fiberens grensebølgelengde, er i hovedsaken fiberens numeriske apertur NA og dens kjernediameter.

Den numeriske apertur NA til en fiber med en brytnings-indeksprofil som i hovedsaken er av "trinnindeks11-typen eller liknende, er definert som NA = (nx<2>- n2<2>)<1/2>, hvor nxer fiberkjernens brytningsindeks og n2er fiberkledningens brytningsindeks.

Det er kjent at de ønskede brytningsindekser for fiberkjernen og kledningen kan oppnås ved å velge konsentrasjonen i selve kjernen og kledningen av det primære dopingsmiddel, eller indeksvariatordopingsmiddelet, som innføres i den forhåndsform fra hvilken fiberen oppnås ved hjelp av velkjente teknikker.

De dopingsmidler som benyttes for formålet, består vanligvis av Ge02eller A1203.

Inne i fiberen oppviser en lysstråling med en bølge-lengde for hvilken det opptrer en enkeltmodusforplantning i fiberen, dvs. høyere enn fiberens grensebølgelengde, en radial fordeling av lysintensiteten av den type som er vist på fig. 4 ved hjelp av kurver P og S, hvis utvikling i hovedsaken er av Gauss-typen, med en maksimal intensitet Imax langs fiberaksen og avtakende verdier så langt som til null i retning mot fiberom-kretsen.

Basert på ovennevnte fordeling defineres en modusdiameter (|>m som den diameter ved hvilken det er en lysintensitet I(<j>m) i fiberen som er lik

hvor Inaxer den maksimale lysintensitet i fiberen basert på spesifikasjonene fra CCITT G.652 (Consultative Committee International Telegraphy and Telephone).

Slik det fremgår av tegningen, er mesteparten av den overførte lyseffekt i hovedsaken avgrenset innenfor modusdiameteren.

For det formål å oppnå en effektiv forsterkning, er det av stor betydning å ha en høy tetthet av pumpeef fekten i fiberkjernen 12 hvor det fluorescerende dopingsmiddel er til stede, slik at en høy populasjonsinversjon i dopingsmiddelet kan bevares, dvs. en høy prosent av dopingsmiddelatomer som er tilgjengelige for forsterkning ved det høyere lasernivå 9, sammenliknet med de som befinner seg i basistilstanden 10. Den pumpeeffekt som overføres utenfor kjernen hvor ikke noe dopings middel er til stede, er i det vesentlige inaktiv for formålene med dopingsmiddelinversjonen på det høyere lasernivå.

Overf øringssignalet må på sin side ha en radial intensitetsfordeling i fiberen som likner på den for pumpesignalet, for det formål å overføres til det fiberområde i hvilket mesteparten av den pumpende lyseffekt er til stede, slik at det kan forsterkes på effektiv måte.

For dette formål må derfor modusdiametrene for pumpesignalet og overføringssignalet være så like som mulig.

I en optisk fiber av den type hvor kjernen 12 og kledningen 13 som vist på fig. 4 ligger på linje med diagrammene for den radiale lysintensitetsfordeling av pumpe- og overføringssignalet, er modusdiameteren <j)sved overføringsbølgeleng-den kB„ hvis kurve for den radiale lysintensitetsfordeling er representert ved linjen S på figuren, betydelig større enn modusdiameteren <|>p ved pumpebølgelengden kp, med intensitets-kurven P, og som i hovedsaken svarer til kjernens 12 diameter. Det ovenstående betyr at en vesentlig del av lyssignalet ikke forplanter seg inn i det område av den aktive fiber til hvilket pumpeenergien tilføres og i hvilket dopingsmiddelet er til stede.

I virkeligheten skal det bemerkes at modusdiameteren, som for bølgelengdeverdier som ligger nær fiberens grensebølge-lengde Xc, er i hovedsaken konstant og ikke særlig forskjellig fra kjernediameteren av selve fiberen, for større A.-verdier øker kraftig, som vist på fig. 7. For å sikre at fiberen er av enkeltmodustypen ved pumpebølgelengden kp, for eksempel når det dreier seg om forsterkere med en erbiumdopet, aktiv fiber, ved 980 nm 10 %), må det derfor benyttes en fiber med en grense-bølgelengde Xcsom er lavere enn 980 nm, og ved over før ingsbølge-lengden kB oppnås det derfor en meget høy modusdiameter som er langt større enn modusdiameteren ved pumpebølgelengden Xprslik at mesteparten av overføringssignalet ikke forplanter seg inn i det fiberområde i hvilket det kan forsterkes.

Den ovenfor omtalte oppførsel opptrer når den aktive fiber har en rettlinjet eller i hovedsaken rettlinjet konfigurasjon, hvor uttrykket "i hovedsaken rettlinjet konfigurasjon" betyr at fiberen ikke utsettes for geometriske deformasjoner som er i stand til i sterk grad å modifisere dens optiske oppførsel. Av denne grunn, og i overensstemmelse med spesifikasjonene

(CCITT, Instruks G.652), er det foreskrevet å beregne den teoretiske grensebølgelengde basert på profilen av brytningsindeksen i fiberen, og grensebølgelengdene under driftstilstander.

Spesielt tar de nevnte spesifikasjoner i betraktning den mulighet å måle en grensebølgelengde for en ståltrådavstivet fiber, idet målingen utføres på en eneste fiberring med en radius på 140 mm. Den detekterte variasjon i grensebølgelengden under disse forhold sammenliknet med den teoretiske verdi er på den annen side ganske liten, idet det forventes en forskjell som er mindre enn ca. 5 % med hensyn til den teoretiske grensebølge-lengde .

I overensstemmelse med oppfinnelsen velges forsterkerens aktive fiber av enkeltmodustypen bare ved overføringsbølge-lengden kB, dvs. slik at den har en verdi av grensebølgelengden Ac2som er lavere enn kB, men vesentlig høyere enn Ap, som vist på fig. 3.

Med den nevnte fiber viser det seg at modusdiameteren ved overføringsbølgelengden, særlig i området mellom 1520 og 1570 nm, som er egnet for anvendelse av forsterkere med en erbiumdopet, aktiv fiber, idet over f øringsbølgelengden ligger nær grensebølgelengden, er tilstrekkelig liten, i det vesentlige nær diameteren av fiberkjernen. Pumpesignalets grunnmodus har på sin side en diameter som ligger nær fiberkjernens diameter, og overføringssignaleffekten opprettholdes derfor i hovedsaken begrenset innenfor det fiberområde i hvilket pumpesignalet og det aktive dopingsmiddel er til stede.

Den aktive fiber er anbrakt i en krum eller buet konfigurasjon over hele sin lengde, i form av viklinger eller spoler som utgjør forsterkeren, som vist på fig. 5 og 6, for eksempel viklet rundt en sylindrisk understøttelse eller liknende. Fiberbøyningen er i overensstemmelse med den forelig-gende oppfinnelse valgt med en radius Rcsom er vesentlig mindre enn 140 mm, for å tillate forplantning av bare grunnmodusen inne i fiberen, også for bølgelengder som er lavere enn ovennevnte bølgelengde kc2, og særlig også for pumpebølgelengden kc.

Fiberbøyningen forårsaker i virkeligheten at fiberen overfører bare grunnmodusen for bølgelengder som blir mindre og mindre etter hvert som den bøyning som bibringes til fiberen, blir mer markert, dvs. etter hvert som Rcblir mindre. Det er derfor mulig å definere en bøyningsradius Rp under hvilken, for en gitt bølgelengde og særlig for pumpebølgelengden, bare forplantning eller utbredelse av grunnmodusen er mulig inne i fiberen.

Den bøyningsradius Rcsom benyttes for den aktive fiber, må derfor være mindre enn eller lik ovennevnte radius Rp. Da bøyningen kan forårsake en mekanisk svekkelse av fiberkonstruk-sjonen, slik at den gjøres tilbøyelig til brekkasjer eller sprekkdannelser, benyttes det i praksis fortrinnsvis en bøynings-radius som er lik Rp eller ligger nær denne verdi.

Valget av en passende verdi for den nevnte bøyning muliggjør at modi som er høyere enn pumpebølgelengden, kan elimineres fra den aktive fiber, slik at bare grunnmodusen av pumpesignalet drives inne i fiberen, samtidig som det bevares en grensebølgelengde som gir anledning til en liten modusdiameter i fiberen ved overføringsbølgelengden.

På denne måte er det mulig å oppnå en særlig høy forsterkningseffektivitet, dvs. en høy forsterkning pr. tilført pumpeeffektenhet, slik at en fiber med kortere lengde kan benyttes til å oppnå den ønskede forsterkning, som vist på fig. 8, hvor det fremgår at en forsterkning G0kan oppnås med en aktiv fiber med en lengde Lx, idet det benyttes en fiber med en grensebølgelengde Ac2> 980 nm, hvilket er mye lavere enn den lengde L2som er nødvendig for å oppnå den samme forsterkning med en fiber med en grensebølgelengde Acl< 980 nm.

I den dikroiske kopler 4 som er fremstilt på grunnlag av den lære som er vist i ovennevnte EP-A-0 425 014, er tran-sportfiberen 5 for overføringssignalene som er koplet til pumpesignalet, av enkeltmodustypen ved begge bølgelengder. Denne fiber har derfor en modusdiameter ved overføringsbølgelengden As som er høyere enn modusdiameteren i den aktive fiber ifølge oppfinnelsen. Sveisingen mellom fibrene 5 og 11 oppviser en dempning ved over f øringsbølgelengden, på grunn av en sådan diameterforskj ell.

En ytterligere lysdempning opptrer i sveisingen mellom den aktive fiber og ledningsfiberen 1. Selv om de kommersielt tilgjengelige fibrer som benyttes som ledningsfibrer, er av enkeltmodustypen bare ved over f øringsbølgelengden, har de i virkeligheten, i det nevnte område mellom 1520 og 1570 nm, en forholdsvis høy modusdiameter, for det formål å oppnå lettvinte sammenføyninger og liknende, som er lik eller større enn koplerfiberens 5 modusdiameter.

Den totale forsterkning Gexi en forsterker er gitt ved den aktive fibers indre forsterkning Glnminus tap eller dempnin-ger As som følge av sveisingene mellom de forskjellige fibrer: For å oppnå dette resultat, kreves derfor en forsterkning Gin=Gex<+>As fra den aktive fiber.

Anvendelsen av en fiber ifølge oppfinnelsen, som har en meget liten modusdiameter, innfører større tap på grunn av sveising, sammenliknet med kjente aktive fibrer som er av enkeltmodustype også ved bølgelengden Ap, men disse tilleggstap viser seg generelt å være neglisjerbare sammenliknet med den oppnådde effektivitetsøkning.

Den minimale bøyningsradius Rcav den aktive fiber av passende anvendelse er høyere enn ca. 20 mm, og under denne radius blir den buede fibers mekaniske styrke kritisk, og dessuten antar sveisingstapene ved overgangene vesentlige verdier på grunn av den store forskjell mellom modusdiametrene til den aktive fiber og ledningsfiberen eller den fiber som kommer ut av kopleren, mens bøyningsradier som er høyere enn 140 mm, er av liten nytte for oppnåelse av en vesentlig forskyvning av grensebølgelengden. Den minimale bøyningsradius Rcer fortrinnsvis større enn 35 mm, og mer foretrukket er 50 mm < Rc< 100 mm.

I forbindelse med de nevnte bøyningsradier er maksi-mumsverdien av en grensebølgelengde under rettlinjede forhold, som tillater at enkeltmodusforplantning av pumpesignalet ved 980 nm kan oppnås når fiberen er buet til en tilsvarende bøyningsradius, uten å oppnå de kritiske verdier med hensyn til den mekaniske styrke av selve fiberen, lik A,c= ca. 1280 nm, svarende til en modusdiameter på ca. 4 um. Med en bøyningsradius Rcpå 50 mm er den nevnte grensebølgelengdeverdi Ac = ca. 1100 nm, idet modusdiameteren er lik ca. 5,3 um, mens pumpesignalets grunnmodus har en diameter på ca. 3,8 + 4 um.

For en enkeltmodusfiber under rettlinjede forhold ved pumpebølgelengden er modusdiameteren ved overføringssignalets bølgelengde høyere enn 6 um.

For den beste anvendelse av den aktive fibers kvalite-ter i forsterkeren ifølge oppfinnelsen, er det den totale lengde av den aktive fiber som fortrinnsvis bør være buet til den foreskrevne bøyningsradius, dvs. den aktive fiber må være anbrakt i en buet konfigurasjon, for eksempel viklet for å danne spoler på en respektiv understøttelse, slik som skjematisk vist på fig. 5, umiddelbart nedstrøms av sammenføyningen med koplerfiberen 5 ved hjelp av en sveising 15.

Dersom ovenstående ikke skulle være mulig eller ønskelig, for eksempel for å unngå at de bøyespenninger som er gitt ved den buede konfigurasjon av den aktive fiber, overføres til sveisingen 15, som vanligvis utgjør et mekanisk sveknings-punkt i fiberen, kan tilstedeværelse av et ikke-buet parti 16 av aktiv fiber aksepteres som vist på fig. 6, idet denne utvei ikke innebærer noen vesentlig reduksjon i de fordeler som er gitt ved bøyningen av den aktive fiber.

Lengden Lrav det rettlinjede eller i hovedsaken rettlinjede, aktive fiberparti 16, som har en bøyningsradius som er større enn Rcsom definert ovenfor umiddelbart nedstrøms av kopleren, er fortrinnsvis mindre enn 400 mm, og mer foretrukket er Lr<<>200 mm. En sådan i hovedsaken rettlinjet fiberlengde kan også aksepteres ved den motsatte ende av den aktive fiber, nær dens sammenføyning med ledningsfiberen, uten at forsterkningseffektiviteten forringes i vesentlig grad.

Koplingen av de høyere modi i fiberen finner i virkeligheten sted proporsjonalt med vandringslengden i selve fiberen, og etter et parti av den angitte lengde skjer det derfor ingen vesentlig pumpeeffektoverføring i den aktive fiber fra grunnmodusen til høyere modi.

På den annen side kan nyttige resultater, dvs. en økning i forsterkningseffektiviteten med hensyn til forsterkere som har en aktiv enkeltmodusfiber også ved pumpebølgelengden, også oppnås i overensstemmelse med oppfinnelsen med en aktiv fiber som er bøyd bare over et parti av sin lengde, dersom dette skulle være nødvendig for å oppfylle krav av forskjellig opprinnelse, forutsatt at partiet av bøyd fiber med den bøynings-radius som svarer til forplantning av bare grunnmodusen av pumpeeffekten, er høyere enn 70 % av den totale fiberlengde.

For konstruksjonsformål, og særlig for å holde volumet av forsterkerkonstruksjonen innenfor reduserte grenser, utgjør det bøyde fiberparti midtpartiet av den aktive fiber, mens de fremre og bakre fiberpartier, som grenser til selve fiberens endesveiser, også kan ha en rettlinjet utstrekning. På grunn av spesielle krav kan imidlertid den aktive fiber også ha flere bøyde partier som veksler med i hovedsaken rettlinjede partier.

Som eksempel er det blitt fremstilt en erbiumdopet, aktiv fiber med følgende egenskaper:

Med ovenstående fiber er det blitt oppnådd en forsterker ifølge det riss som er vist på fig. 1, i hvilken fiberen er blitt bøyd for å danne sammenhengende viklinger med en bøynings-radius R = 50 mm over hele fiberens lengde. Under disse forhold er det blitt målt en verdi av grensebølgelengden:

A.C(R) (grensebølgelengde ved radius R) 980 nm

Den fiberbenyttende forsterker hadde følgende særtrekk:

Forsterkeren er blitt koplet til en ledningsfiber med en grensebølgelengde A.C(F) = 100 nm, hvilket ga et overførings-signal som skal forsterkes i effekt:

Effekt av det innkommende signal - 45 dBm

Forsterkerens optiske kopler fikk fiberen til å overføre overføringssignalet og pumpesignalet med en grense-bølgelengde på

AC(A) = 980 nm

Som følge av den beskrevne konfigurasjon er følgende forsterkning blitt oppnådd:

G130 dB

Til sammenlikning er det blitt oppnådd en forsterker med samme konstruksj onsarrangement og som benyttet en aktiv fiber med følgende særtrekk:

Fiberen er blitt benyttet i forsterkeren under i hovedsaken rettlinjede forhold, i den tidligere viste mening, for å forårsake vesentlige variasjoner i dens grensebølgelengde.

Forsterkeren hadde følgende særtrekk:

Det signal som skulle forsterkes, og som ble overført av en aktiv fiber som liknet på fiberen i det foregående eksempel, hadde følgende effekt:

Effekt av det innkommende signal - 45 dBm

Følgende forsterkning er blitt oppnådd:

G230 dB

Slik det kan innses, har forsterkeren ifølge oppfinnelsen vært i stand til å tilveiebringe samme forsterkning som sammenlikningsforsterkeren som benyttet en i hovedsaken rettlinjet fiber, selv om et parti av aktiv fiber med kortere lengde og lavere pumpeeffekt er blitt benyttet, og oppviser dermed en betydelig større effektivitet.

Støttekonstruksjonen for de opprullede fibervindinger, som er innrettet til å opprettholde vindingene på den foreskrevne bøyningsradius, kan være av hvilken som helst type, også avhengig av konstruksjonstrekkene til forsterkerinnhyllingen, og er derfor ikke beskrevet nærmere.

Claims

1. Optisk forsterker som kan innføres i serie i en fiberoptisk telekommunikasjonsledning for forsterkning av optiske signaler som forplanter seg i fiberledningen, omfattende i det minste en pumpende lyskilde (6) for generering av optisk stråling med en bølgelengde som er kortere enn bølge-lengden til det optiske signal, en aktiv optisk fiber (7) som inneholder et fluorescerende dopingsmiddel i sin optiske kjerne og er i stand til å utsende lys i bølgelengdeområdet til det optiske signal når den pumpes med bølgelengden til pumpekilden, og en dikroisk kopler (4) med to innganger som er tilkoplet til henholdsvis den fiberoptiske ledning og den pumpende lyskilde, og en utgang (5) som er tilkoplet til den aktive fibers ene ende, KARAKTERISERT VED at den aktive optiske fiber (7) er en fiber som, når den er anordnet i en i hovedsaken rettlinjet konfigurasjon, tillater enkeltmodusforplantning ved bølgelengden for det optiske signal og multimodusforplantning ved pumpestrå-lingsbølgelengden, og at den aktive fiber er anbrakt i en buet konfigurasjon i det minste over 70 % av sin totale lengde, med en slik bøyningsradius at fiberen tilveiebringer bare enkeltmodusforplantning av grunnmodusen ved pumpestrålingsbølgelengden.

2. Optisk forsterker ifølge krav 1, KARAKTERISERT VED at den aktive fiber (7) er buet slik at den har sin bøynings-radius i området fra 20 til 140 mm.

3. Optisk forsterker ifølge krav 2, KARAKTERISERT VED at bøyningsradien til den aktive fiber ligger mellom 35 og 100 mm.

4. Optisk forsterker ifølge krav 1, KARAKTERISERT VED at den optiske signalbølgelengde ligger i området fra 1520 til 1570 nm, pumpestrålingsbølgelengden er 980 nm (± 10 nm) og det fluorescerende dopingsmiddel i den aktive fiber er erbium.

5. Optisk forsterker ifølge krav 1, KARAKTERISERT VED at den aktive fiber (7) oppviser i det minste et buet parti (11) med en slik bøyningsradius at fiberen tilveiebringer bare enkeltmodusforplantning av grunnmodusen ved pumpestrålingsbølge-lengden, hvilket parti er tilstøtende til ikke-buede fiberpartier (16), idet lengden av det buede parti eller summen av de buede partilengder er større enn 70 % av den totale lengde av den aktive fiber.

6. Optisk forsterker ifølge krav 5, KARAKTERISERT VED at den aktive fiber (7) oppviser et eneste, sammenhengende, buet parti (11) med en slik bøyningsradius at fiberen tilveiebringer bare enkeltmodusforplantning av grunnmodusen ved pumpestrålings-bølgelengden, idet ikke-buede fiberpartier (16) er til stede ved den ene eller den andre eller begge ender av den aktive fiber.

7. Optisk forsterker ifølge krav 6, KARAKTERISERT VED at den aktive fiber (7) er buet i overensstemmelse med en bøyningsradius slik at fiberen tilveiebringer bare enkeltmodusforplantning av grunnmodusen ved pumpestrålingsbølgelengden over hele sin lengde bortsett fra endepartiene (16) som er i hovedsaken uten bøyning og som hvert har en lengde som er mindre enn 400 mm.

8. Optisk forsterker ifølge krav 7, KARAKTERISERT VED at endepartiene (16) som er i hovedsaken uten bøyning, har en lengde som er mindre enn 200 mm.