NO303035B1 - Optisk forsterker med aktiv fiber og bredbÕndet signalb÷lgelengde - Google Patents

Description

Oppfinnelsen angår en optisk fiber som inneholder dopingsstoffer som er egnet til å modifisere dens egenskaper med hensyn til stimulert lysutsendelse og absorpsjon ved forskjellige bølgelengder.

Det er kjent at optiske fibrer i hvilke kjernen er dopet med spesielle stoffer, for eksempel ioner fra sjeldne jordarter, har egenskaper med hensyn til stimulert emisjon som er egnet til å benyttes som laserkilder og som optiske forsterkere.

Disse fibrer kan i virkeligheten forsynes med en lyskilde med en spesiell bølgelengde som er i stand til å bringe dopingsstoffatomene til en eksitert energitilstand, eller et pumpingsbånd, fra hvilket atomene spontant eller av seg selv på meget kort tid faller til en laseremisjonstilstand i hvilken de kan forbli i en forholdsvis lengre tid.

Når en fiber som har et stort antall atomer som er eksitert i emisjonsnivået, krysses av et lyssignal med en bølgelengde som svarer til en sådan laseremisjonstilstand, forårsaker lyssignalet overgang av de eksiterte atomer til et lavere nivå, og lysemisjonen har samme bølgelengde som signalet. En fiber av denne type kan derfor benyttes til å oppnå en optisk signalforsterkning.

Med utgangspunkt i den eksiterte tilstand kan atomned-gangen også inntreffe spontant, hvilket gir anledning til en tilfeldig emisjon som utgjør en "bakgrunnsstøy" som overlapper den stimulerte emisjon som svarer til det forsterkede signal.

Disse fenomener finner sted ved flere bølgelengder som er typiske for dopingsstoffet, slik at det gir opphav til et f luorescensspektrum. For å oppnå maksimal signal forsterkning ved hjelp av en fiber av ovennevnte type, sammen med et høyt signal/støy-forhold, benyttes det normalt et signal med en bølgelengde som svarer til et maksimum av f luorescensspektrumkur-ven for den fiber som inneholder det benyttede dopingsstoff. Dette signal genereres på passende måte ved hjelp av en lasersender.

Som forsterkende fiber kan det for eksempel benyttes en fiber hvis kjerne er dopet med aluminiumioner (Al<3+>) og erbiumioner (Er3+), slik som beskrevet i EP-A-0 345 957. I området for de aktuelle bølgelengder har imidlertid erbium-f luorescensspekt-ret en spesielt smal emisjonstopp som foreskriver anvendelse som overf øringssignalkilde av en lasersender som arbeider på en veldefinert bølgelengde med begrenset toleranse, på grunn av at signaler som overskrider denne toleranse, ikke ville bli riktig forsterket, mens på samme tid en kraftig forsterkning av bakgrunnsstøyen ville inntreffe ved denne bølgelengde.

Lasersendere som har ovennevnte særtrekk, er imidlertid vanskelige og kostbare å produsere, mens den vanlige industrielle produksjon av disse innretninger har en stor toleranse når det gjelder emisjonsbølgelengden.

Selv om det ved noen anvendelser, såsom f.eks. under-vanns-telekommunikasjonsledninger, kunne benyttes overføringssig-nalsendere som arbeider på den riktige bølgelengde, for eksempel oppnådd ved hjelp av et nøyaktig valg fra kommersielt tilgjengelige lasere, slik at det benyttes bare de som har en emisjon som ligger helt nær forsterkerfiberens laseremisjonstopp, er denne prosedyre ikke akseptabel fra et økonomisk synspunkt når det gjelder andre typer av ledninger, såsom f.eks. kommunale kommunikasjonsledninger, når det er av stor betydning å begrense installas j onsomkostningene.

For eksempel har en fiber ifølge ovennevnte patent, som er blitt dopet med aluminiumioner for å modifisere brytningsin-deksen, og med erbiumioner for å tillate laseremisjon, en emisjonstopp på ca. 1531 nm, som for et området på ±5 nm fra denne verdi oppviser en høy intensitet og kunne benyttes for forsterkningen. For drift med denne optiske fiber er det derfor bedre å benytte et signal i det samme bølgelengdeområde. Kommersielt tilgjengelige halvlederlasere, som kunne være egnet for anvendelsen, fremstilles imidlertid vanligvis med emisjons-bølgelengdeverdier i området fra 1520 til 1570 nm. Som et resultat ligger et stort antall kommersielt tilgjengelige lasere på utsiden av det ønskede område, og kan derfor ikke frembringe et signal som er egnet til å forsterkes på passende måte.

På den annen side er det kjent at erbiumdopede fibrer har et område i emisjonsspektret med en høy og i hovedsaken konstant intensitet i bølgelengdeområdet som støter opp til ovennevnte topp, og som omfatter signalområdet for de ovennevnte, kommersielt tilgjengelige lasere. I denne optiske fiber ville imidlertid et signal som tilføres til en bølgelengde som er fjernet fra emisjonstoppens maksimum, bli forsterket i redusert grad, mens spontane overganger fra laseremisjonstilstanden i fiberen i hovedsaken finner sted med emisjon ved spektrumtoppens bølgelengde, på 1531 nm, slik at det genereres en "bakgrunnsstøy" som vil bli ytterligere forsterket gjennom fiberlengden og vil overlappe nyttesignalet.

Man kan forestille seg å utføre filtrering av den lysemisjon som utgjør "støyen" ved enden av forsterkeren, og derfor akseptere signalets eneste bølgelengde, for det formål å tilveiebringe et passende filter ved enden av den aktive fiber. Tilstedeværelsen av en uønsket emisjon i fiberen i området for fiberens maksimumsforsterkning ville imidlertid trekke fra pumpingsenergi, og således gjøre fiberen i hovedsaken inaktiv når det gjelder selve signalforsterkningen.

Det er også kjent interferensfiltre som kan anbringes på forskjellige steder langs forsterkningsfiberen, men kjente filtre av denne type er dannet av diskrete komponenter som ikke er dannet av fiber, og krever derfor lysstråler i luften, hvilket gjør dem uegnet for industriell anvendelse.

Det oppstår derfor det problem å tilveiebringe en aktiv optisk fiber for anvendelse i optiske forsterkere og som er egnet til å benyttes sammen med kommersielt tilgjengelige lasere for emisjon av overføringssignalet uten ytterligere begrensninger.

Oppfinnelsen har som formål å tilveiebringe en dopet, optisk fiber som er i stand til å tilby en tilfredsstillende forsterkning i et tilstrekkelig bredt bølgelengdeområde, for å tillate anvendelse av kommersielt tilgjengelige lasere, samtidig som den hindrer de spontane emisjoner av materialet til en uønsket bølgelengde fra å forringe fiberens forsterkningsevne og utgjøre en bakgrunnsstøy med stor intensitet i forhold til overføringssignalet.

Ifølge én side ved oppfinnelsen er det tilveiebrakt en optisk fiber omfattende laseremisjonsstoffer, særlig for benyttelse i fiberoptiske telekommunikasjonsledninger, og som inneholder erbium som laseremisjonsdopingsstoff, og som er innrettet til å motta et telekommunikasjonssignal fra en laser i et forutbestemt bølgelengdeområde, hvilken optisk fiber er kjennetegnet ved at den omfatter et ytterligere dopingsstoff som er fordelt langs fiberen, idet dopingsstoffet har en absorpsjon for lys med en bølgelengde som er lavere enn 1540 nm, som er vesentlig høyere enn den absorpsjon som det samme dopingsstoff oppviser for lys med en bølgelengde som varierer fra 1540 nm til den øverste grense for det forutbestemte bølgelengdeområde for overføringssignalet.

I en særlig foretrukket utførelse av oppfinnelsen er det ytterligere dopingsstoff samarium i form av en treverdig kation.

Samariumkonsentrasjonen i fiberen i forhold til den erbiumkonsentrasjon som er til stede i fiberen, uttrykt som vekt% av de inneholdte oksider, er

Ifølge en annen side ved oppfinnelsen er det tilveiebrakt en optisk forsterker, særlig for fiberoptiske telekommunikasjonsledninger som arbeider med et overføringssignal i et forutbestemt bølgelengdeområde, og som omfatter en laseremisjons-aktiv, optisk fiber som er dopet med erbium, hvilken forsterker er kjennetegnet ved at den aktive optiske fiber inneholder et ytterligere dopingsstoff som er fordelt langs fiberen, idet dopingsstoffet oppviser en absorpsjon for lys med en bølgelengde som er lavere enn 1540 nm, som er vesentlig høyere enn den absorpsjon som det ytterligere dopingsstoff oppviser for lys med en bølgelengde som varierer fra 1540 nm til den øverste grense for det forutbestemte bølgelengdeområde for overføringssignalet.

Det ytterligere dopingsstoff er fortrinnsvis samarium.

Ytterligere detaljer vil fremgår av den etterfølgende beskrivelse av oppfinnelsen under henvisning til tegningene, der fig. 1 viser et skjematisk riss av en optisk forsterker som benytter en aktiv fiber, fig. 2 viser et diagram av energiover-gangene til en fiber som er egnet for en forsterker ifølge risset på fig. 1, hvilke overganger er egnet til å frembringe en stimulert (laser)emisjon, fig. 3 viser et diagram av en kurve for stimulert emisjon for en kiselbasert optisk fiber som er dopet med Al<3*>og med Er<3*>, fig. 4 viser et diagram av en kurve for stimulert emisjon for den optiske fiber på fig. 1 som er dopet med Al<3*>, medEr<3*>og med Sm3*, og fig. 5 viser et diagram av lysabsorpsjon for en optisk kiselfiber som er dopet med Al<3*>, med Er<3*>og med Sm<3*>.

For å forsterke fiberoptiske telekommunikasjonssigna-ler, kan det hensiktsmessig benyttes en fiberoptisk forsterker. Oppbygningen av disse forsterkere er skjematisk vist på fig. 1 hvor henvisningstallet 1 betegner en optisk telekommunikasjons-fiber til hvilken det tilføres et overføringssignal som har en bølgelengde ks og som genereres av en signalemisjonslaser 2. Signalet, som dempes etter en viss ledningslengde, tilføres til en dikroisk kopler 3 hvor det på en eneste utgangsfiber 4 forenes med et pumpende signal som har en bølgelengde Ap og genereres av en pumpende lasersender 5. En aktiv fiber 6 som er koplet til fiberen 4 som kommer fra den dikroiske kopler, utgjør det forsterkende element for signalet som deretter tilføres til ledningsfiberen 7 for å gå videre til sitt bestemmelsessted.

For oppnåelse av den aktive fiber 6 som utgjør det forsterkende element i enheten, er det hensiktsmessig å benytte en kiselbasert optisk fiber i en dopet oppløsning som inneholder A1203og Er203, for eksempel av den type som er beskrevet i ovennevnte EP-A-0 345 957, som tillater at en fordelaktig forsterkning av overføringssignalet kan oppnås ved å utnytte laserovergangene til erbium.

Som vist i diagrammet på fig. 2, som angår en fiber av den spesielt angitte type og symbolsk viser de tilgjengelige energitilstander for et erbiumion i oppløsning i fiberens kiselbaserte grunnmasse, bringer innføringen i den aktive fiber av en lyseffekt på den "pumpende" bølgelengde \ p, som er lavere enn overføringsbølgelengden Xs, et visst antall Er<3*->ioner som er til stede i fiberglassgrunnmassen som dopingsstoff, til en "eksitert" energitilstand 8, heretter omtalt som "pumpings"-bånd, fra hvilken tilstand ioner spontant faller til et energinivå 9 som utgjør laseremisjonsnivået. I laseremisjonsnivået 9 kanEr<3*->ioner oppholde seg i en forholdsvis lang tid før de gjennom-går en spontan overgang til et basisnivå 10.

Det er kjent at mens overgangen fra pumpingsbåndet 8 til nivået 9 er knyttet til en emisjon av termisk type, som spres til fiberens utside (fononstråling), genererer overgangen fra nivået 9 til basisnivået 10 en lysemisjon med en bølgelengde som svarer til energiverdiene av laseremisjonsnivået 9. Dersom en fiber som inneholder en stor mengde ioner på laseremisjonsnivået, passeres av et bølgelengdesignal med en bølgelengde som svarer til et sådant emisjonsnivå, forårsaker signalet en stimulert overgang av vedkommende ioner fra emisjonstilstanden til basistilstanden før det spontane fall av disse via et kaskade-fenomen som frembringer emisjon av et kraftig forsterket overføringssignal på utgangen av den aktive fiber.

Ved fravær av overføringssignalet fremkaller den spontane nedgang eller det spontane fall fra laseremisjonstil-standene, som er et diskret antall som er typisk for hvert stoff, en lysstyrke (luminosity) med topper på forskjellige frekvenser som svarer til de tilgjengelige nivåer. Som vist på fig. 3, oppviser spesielt en Si/Al-fiber som er dopet med Er<3*>og er egnet for bruk i optiske forsterkere, ved en bølgelengde på 1531 nm en emisjonstopp med stor styrke, mens det ved høyere bølgelengder, opp til ca. 1560 nm, finnes et område i hvilket emisjonen fremdeles er kraftig, men styrken eller intensiteten er mye lavere.

Ved tilstedeværelse av et lyssignalet som innføres i fiberen med den bølgelengde som svarer til Er<3+->emisjonstoppen, ved 1531 nm, opptrer en meget kraftig signalforsterkning, mens bakgrunnsstøyen som skyldes den spontane emisjon av erbiumet, holdes begrenset, hvilket gjør fiberen egnet for anvendelse i en optisk forsterker for et signal med denne bølgelengde.

De kommersielt tilgjengelige og bekvemt benyttede signalgenereringslasere av halvledertypen (In, Ga, As) har et typisk emisjonsbånd i området fra 1,52 til 1,57 mm. Dette betyr at deres produksjonsteknikk ikke er i stand til å sikre emisjon av overføringssignalet med en nøyaktig frekvensverdi som svarer til emisjonstoppen for den erbiumdopede fiber som benyttes som forsterker, men tvert imot tilbyr en stor prosent produserte deler hvor signalet er beliggende i de områder av fiberemisjons-kurven som ligger i nærheten av emisjonstoppen.

Det signal som genereres av de nevnte lasersendere, kan ikke forsterkes slik at det oppnår en tilstrekkelig forsterkning i en Er<3*->dopet optisk fiberforsterker av den ovenfor beskrevne "type/ På grunn av at den pumpende effekt som innføres i den aktive fiber, for det meste ville bli benyttet til å forsterke bakgrunnsstøyen som genereres inne i den aktive fiber av selve forsterkeren i overensstemmelse med spontan emisjon av erbium ved en bølgelengde på 1531 nm.

Man har imidlertid observert at en fiber som inneholder et kvantum samarium (Sm3*) som et ytterligere dopingsstoff, sammen med Er<3*>, oppviser en stimulert emisjonskurve i bølge-lengdeområdet av den type som er vist på fig. 4, uten en topp med stor styrke som er beliggende ved 1531 nm, men som derimot oppviser en høy og nesten konstant verdi i et vidt område, i hovedsaken mellom 1530 og 1560 nm.

Denne fiber kunne også benyttes i en optisk forsterker som virker på et signal som er generert av kommersielt tilgjengelige lasersendere, på grunn av at den er i stand til å frembringe en forsterkningseffekt med en tilfredsstillende forsterkning på et overføringssignal i det nevnte bølgelengdeområde, uten å tilføye et uakseptabelt kvantum "støy".

Som et eksempel er det blitt bygget en forsterker i overensstemmelse med det skjematiske riss som er vist på fig. 1, omfattende en aktiv Si/Al-fiber 6 av "trinnindeks"-typen som er dopet med Er<3*>og med Sm<3*>som inneholder 40 vektdeler ppm av Er203og 60 vektdeler ppm av Sm203.

Lengden av den aktive fiber var 30 m.

Det er blitt benyttet en pumpende lasersender 5, en argon-ionelaser, som opererer på 528 nm og arbeider med en effekt på 150 mW, mens det som signallasersender 2 er blitt benyttet en kommersielt tilgjengelig laser av halvledertypen (In, Ga, As) som hadde en effekt på 1 mW og hvis emisjonsbølgelengde er blitt målt til 1560 mm.

Med den nevnte eksperimentelle konfigurasjon er det nedstrøms av forsterkeren blitt oppnådd en forsterkning på 27 dB på et inngangssignal på 1 mW.

Ved fravær av et signal er det nedstrøms av forsterkeren blitt målt et spontant emisjonsnivå på 10 uW. En sådan emisjon som utgjør den bakgrunnsstøy som frembringes av forsterkeren, representerer ikke noen vesentlig støy for signalet som forsterkes til et mye høyere nivå (ca. 250 uW).

Til sammenlikning er den samme overføringslasersender 2 blitt benyttet sammen med en forsterker med samme oppbygning som i det foregående eksempel, men som benytter en aktiv Si/Al-fiber 6 av "trinnindeks"-typen som er dopet bare med Er<3+>, idet den inneholdt 40 vektdeler ppm av Er<3*>.

Den aktive fiber var 30 m lang.

Den nevnte forsterker med et overføringssignal med en bølgelengde på 1560 nm har oppvist en forsterkning som er lavere enn 15 dB, idet den spontane emisjon ligger på et nivå som kan sammenliknes med utgangssignalnivået.

Det fremgår av ovenstående eksempler at mens forsterkeren ifølge det andre eksempel har oppvist en redusert forsterkning og også innfører en sådan støy at overføringssignalmottaking var vanskelig, slik at forsterkeren var praktisk talt ubrukbar, har forsterkeren som benytter en aktiv fiber i overensstemmelse med oppfinnelsen, slik det er åpenbart ut fra det førstnevnte eksempel, bevist sin evne til å gi en høy forsterkning sammen med en ubetydelig, innført støy.

Det oppnådde resultat betraktes som forårsaket av tilstedeværelsen av samarium som et ytterligere dopingsstoff i den aktive fiber. Samarium oppfører seg faktisk som en bølge-lengdeemisjonsabsorbator for erbium ved 1531 nm, på samme tid som det ikke i vesentlig grad absorberer lyseffekt ved høyere bølgelengde, idet det på denne måte "nivellerer" den aktive fibers spektrumemisjon, slik at den på effektiv måte kan virke på overføringssignaler i et område som er tilstrekkelig bredt til å akseptere størstedelen av de kommersielt tilgjengelige halvlederlasere (In, Ga, As).

Slik som vist på fig. 5, som viser absorpsjonskurven for en lengdeenhet av en Si/Al-fiber som er dopet med samarium, forårsaker samariumtilstedeværelsen i fiberen, for bølgelengder som er vesentlig lavere enn 1540 nm, en absorpsjon som er mye høyere enn den absorpsjon som er vist mellom 1540 og 1560 nm. Dette betyr at samarium som innføres i en fiber ifølge oppfinnelsen, oppfører seg som et "filter" som er fordelt langs den aktive fiber, idet det absorberer fotoner som utsendes ved 1531 nm, så snart fotoner genereres for et spontant fall av laseremisjonsnivået for Er<3*->ionene, og på denne måte unngår at de kan bevege seg forover i den aktive fiber og forårsake ytterligere fall eller nedganger for denne bølgelengde, og dermed subtrahere pumpende energi i bølgelengdeområdet nær den verdi ved hvilken nyttesignalet sendes, og generere en forsterket bakgrunnsstøy.

Den erbiummengde som er inneholdt i den aktive fiber, velges i overensstemmelse med den ønskede forsterkning for den benyttede fiberlengde, dvs. fiberlengden velges i overensstemmelse med den erbiummengde som er inneholdt i fiberen, som funksjon av den ønskede forsterkning. Det erbium som er inneholdt i fiberen, i form av oksid (Er203), varierer vanligvis fra 10 til 100 vektdeler ppm.

I overensstemmelse med disse erbiumkonsentrasjonsver-dier i fiberen, er samarium-vektkonsentrasjonen i form av oksid (Sm203) i fiberen lik eller fortrinnsvis større enn erbiumkonsentrasjonen, idet området for samariumkonsentrasjonen er gitt ved

Dopingsstoffene kan innføres i fiberen for eksempel ved hjelp av "oppløsningsdopings"-teknikken som er velkjent innen faget, og som sikrer tilfredsstillende kvalitative resultater, eller ved hjelp av andre velkjente teknikker i overensstemmelse med spesielt angitte behov.

På tross av at oppfinnelsen er blitt spesielt beskrevet i forbindelse med anvendelse av samarium som dopingsstoff i den aktive fiber, kan også andre dopingsstoffer benyttes for det samme formål forutsatt at de har en høy lysabsorpsjon svarende til den maksimale, spontane emisjonsbølgelengde for erbium, særlig ca. 1531 nm, og på samme tid oppviser en lysabsorpsjon som er betraktelig mindre for bølgelengdeverdier som er høyere enn denne bølgelengde, fortrinnsvis høyere enn 1540 nm for hele bølgelengde-toleranseområdet for de kommersielt tilgjengelige signallasersendere.

For ikke å påvirke forsterkerens pumpingseffekt som er nødvendig for å utføre den populasjonsinversjon som forårsaker laseremisjonen i den optiske fiber, idet pumpingseffekten tilføres til fiberen i form av en lysstråling med en bølgelengde som er mindre enn bølgelengden for overføringssignalet, kan det dopingsstoff som skal tilføyes til erbium i fiberen, ikke - liksom samarium - ha en følsom lysabsorpsjon ved den pumpende bølgelengde som fortrinnsvis kan være 528 eller 980 nm.

Mange modifikasjoner kan gjøres uten å avvike fra rammen av den foreliggende oppfinnelse definert ved dens generelle egenskaper.

Claims (6)

1. Optisk fiber omfattende laseremisjons-dopingsstoffer, særlig for benyttelse i fiberoptiske forsterkere for optiske telekommunikasjonsledninger, idet den optiske fiber inneholder erbium som laseremisjonsdopingsstoff, som er innrettet til å motta et telekommunikasjonssignal fra en lasersender i et forutbestemt bølgelengdeområde, KARAKTERISERT VED at den optiske fiber omfatter et ytterligere dopingsstoff som er fordelt langs fiberen, idet dopingsstoffet oppviser en absorpsjon for lys med en bølgelengde som er lavere enn 1540 nm, som er vesentlig høyere enn den absorpsjon som det ytterligere dopingsstoff oppviser for lys med en bølgelengde som varierer fra 1540 nm til den øverste grense for det forutbestemte bølgelengdeområde for overførings-signalet.

2. Optisk fiber ifølge krav 1, KARAKTERISERT VED at det ytterligere dopingsstoff er samarium i form av en treverdig kation.

3. Optisk fiber ifølge krav 2, KARAKTERISERT VED at samariumkonsentrasjonen i fiberen i forhold til erbiumkonsentrasjonen i den samme fiber, uttrykt som vekt% av de inneholdte oksider, er

4. Optisk forsterker, særlig for fiberoptiske telekommunikasjonsledninger som arbeider med et overføringssignal i et forutbestemt bølgelengdeområde, og som omfatter en laseremisjons-aktiv optisk fiber som er dopet med erbium, KARAKTERISERT VED at den aktive optiske fiber inneholder et ytterligere dopingsstoff som er fordelt langs fiberen, idet dopingsstoffet, for lys med en bølgelengde som er lavere enn 1540 nm, oppviser en absorpsjon som er vesentlig høyere enn den absorpsjon som det ytterligere dopingsstoff oppviser for lys med en bølgelengde som varierer fra 1540 nm til den øverste grense for det forutbestemte bølgelengde- område for overføringssignalet.

5. Optisk forsterker ifølge krav 4, KARAKTERISERT VED at den aktive optiske fibers ytterligere dopingsstoff er dannet av samarium i form av en treverdig kation.

6. Optisk forsterker ifølge krav 4, KARAKTERISERT VED at samariumkonsentrasjonen i den aktive optiske fiber i forhold til erbiumkonsentrasjonen i fiberen, uttrykt som vekt% av oksidene som er inneholdt i fiberen, er