NO832878L - Fiberoptisk forsterker - Google Patents

Description

Optiske forsterkere basert på lysforsterkings (låsing) egen-skapen til visse materialer, spesielt ved et makroskopisk nivå er vel kjent. Således er det f.eks. kjent å anordne en pumpelyskilde og en stang av enkelt-krystallinsk neodymium-ytrium aluminium granat (ND:YAG) som er adskillige mm i diameter og adskillige cm lang, i et rørformet reflekterende hulrom. F.eks. kan lyskilden og ND:YAG stangen være anordnet, respektivt, slik at de strekker seg langs de to foki til et hulsom rom har et elliptisk tverrsnitt.

I en slik anordning vil lys utsendt fra lyskilden og reflektert fra hulromsveggene, støte kraftig mot ND:YAG stangen. Lyskilden er fortrinnsvis valgt slik at den sender ut bølgelengder som korresponderer med absorbsjonsspektret til ND:YAG krystallet slik at energitilstandene til neodymium ionene i krystallet blir invertert til et energi-nivå over det øvre forsterkingsnivået. Etter inverseringen vil en første relaksasjon av neodymiumionene ved fonon utstråling i en ionepopulasjon ved det øvre forsterkingsnivået. Fra det øvre forsterkingsnivået vil ionene forsterkes til et lavere energinivå og sende ut lys med en bølge-lengde som er karakteristisk for ND:YAG materialet. Dette lavere energinivå er fordelaktig over grunnnivået for ionene, slik at en hurtig fonon emmiterende relaksasjon opptrer mellom dette lavere energinivå og grunn-nivået, hvilket gjør det mulig å la et høyt inversjonsforhold fortsette og eksistere mellom det øvre forsterkingsnivået og dette lavere energinivå innen de pumpede ionene.

Med populasjonen invertert på denne måten, som var vel kjent fra laser teknologien, vil ND:YAG også frembringe en meget sakte fluorescens, det er tilfeldig utstråling av inkohe-rent lys. Denne spontant utstråling har imidlertid en mini-mal påvirkning av forsterkningsstangen siden den gjennom-snittlige levetid for ioner i denne inverterte tilstand er 230 mikrosekunder.

Dersom et lyssignal ved låsing frekvensen blir transmittert gjennom stangen etter at neodymium ionene til ND:YAG stangen er blitt invertert, vil lyssignalet utløse låsing overgangen til neodymiumionene, og forårsake koherent emmisjon av stimulert utstråling, som effektivt vil adderes til det trans-mitterte signalet og således forsterke dette signal.

Absorbsjonslengden til pumpebelysningen innen ND:YAG krystallet (dvs. lengden av materiale som lyset må gjennomløpe før 60% av lyset er absorbert) er vanligvis i størrelsesorden mellom 2 og 3 mm, og således har ND:YAG krystallene som er blitt brukt i forsterkerkonstruksjoner, tatt diametere på i det minste denne størrelsen slik at krystallet kunne absorbere en vesentlig mengde av pumpestrålingen under startrefleksjonen fra hulromsveggene og passasjen gjennom krystallet. Dersom pumpelyset ikke blir absorbert under dette startgjennomløp gjennom krystallet, vil det sannsyn-ligvis bli reflektert av hulromsveggene tilbake til lyskilden, hvor det vil bli reabsorbert og generere varme i lyskilden og derved redusere total virkningen til forsterkeren.

Når slike forsterkere ble brukt i fiberoptiske systemer,

er det blitt antatt nødvendig å anvende optiske komponenter så som linser for å fokusere lyset fra den optiske fiberen inn i ND:YAG stangen, og det forsterkede lyssignalet fra ND:YAG stangen tilbake i en annen fiber. Slike optiske systemer krever omhyggelig innstilling og er utsatt for endringer i omgivelsene, så som vibrasjon og termisk påvirkning. I tillegg vil de optiske komponentene og'størrelsen på ND:YAG stangen gjøre forsterkersystemet relativt stort, og således upraktisk for visse anvendelser. Videre vil den relativt store størrelsen på ND:YAG stangen medføre strålevandring inne i stangen. Således vil signalet fra inngangsfiberoptiske element gjennomløpe forskjellige baner gjennom stangen, en egenskap som er temperaturavhengig og varierer med tiden, slik at utgangslyset kan tapes på grunn av faktaet at utgangsfiberen bare vil akseptere lys innenfor en liten akseptvinkel. Siden strålen inne i ND:YAG stangen

vandrer, kan utgangssignalet variere på en ikke-styrbar måte. Videre vil den store størrelsen på ND:YAG stangen kreve en stor mengde inngangsenergi for å opprettholde en høy energitetthet inne i stangen. Slik stor pumpeenergi krever pumpelyskilde med høyt utgangsnivå, hvilket genererer vesentlig varme som må fjernes, hvilket vanligvis utføres ved hjelp av væskekjøling av hulrommet.

Mens forsterkere av denne type er nyttige i mange anvendelser, så som kommunikasjonsanvendelser, vil anvendelse i et resirkulerende fiberoptisk gyroskop medføre adskillige restriksjoner i forsterkersystemet. I slike gyroskoper blir optisk fiber avstørrelsesorden 1 km eller mer viklet i en sløyfe, og et lyssignal blir resirkulert inne i sløy-fen, vanligvis i begge retninger. Bevegelse av sløyfen forårsaker en fasedifferanse mellom de motforplantende lyssignalene og dette kan anvendes for å måle gyroskoprotasjon. Fordi faseendringen indusert i en rotasjon er relativt liten, og fordi periodiske utgangssignaler som avhenger av rotasjon er ønskelige, er det fordelaktig å resirkulere inngangs-

lys inne i sløyfen så mange ganger som mulig.

Med gjennomløp av 1 km optisk fiber vil et optisk signal vanligvis tape 30-50% av dets intensitet. En forsterker ville, dersom den var i stand til å forsterke de to-veis motforplantende lyssignalene, tillate at et lyssignal kunne forplante seg inne i sløyfen mange ganger, dersom forsterkeren ble anordnet i serie med sløyfen, og sørget for en forsterking på 2-3 db.

Uheldigvis vil den relativt store størrelsen, høye energi-krav forårsaket av relativt ineffektiv drift, strålevandre-effekter, og kjølekrav i tidligere kjente ND:YAG stang forsterkere, som beskrevet ovenfor, gjøres slike forsterkere relativt upraktiske for gyroskop med stor nøyaktighet.

Disse faktorer begrenser også selvfølgelig anvendbarheten

av slike forsterkere i andre bruksområder, så som kommunika-

sjonsnettverk.

Disse ulemper forbundet med krystallstang forsterkere blir avhjulpet i den foreliggende oppfinnelsen. Denne oppfinnelse tillater at både pumpekildefiberen og det dopede for-serkermediumet kan være optiske fibre med liten diametere. Disse fibere blir satt sammen nært til hverandre for å danne en optisk kopler. Refraksjonsindeksene til pumpefiberen og forsterkerfiberen er så nær som mulig identiske. Med en slik anordning, og med avstanden mellom pumpefiberen og forsterkerfiberen hensiktsmessig justert, og med en omhyggelig valgt samvirkelengde mellom disse fibere, vil den optiske kobleren frembringe en høy koblingseffekt ved bølge-lengden til pumpekilden men en lav koblingseffekt ved bølge-lengden til signalet som skal forsterkes. Dette resulterer i en kobling av pumpelyset inn i den dopede forsterkerfiberen, men eliminerer vesentlig tap i det optiske signalet som skal forsterkes, siden dette signal ikke blir koblet inn i pumpefiberen.

Siden den foreliggende oppfinnelsen tillater at pumpebølge-lengden blir koblet inn i signalfiberen for å styres inne i signalfiberen, behøver ikke diameteren til ND:YAG signalfiberen å overskride absorbsjonslengden siden pumpelyset blir effektivt absorbert i en retning langs aksen til ND:YAG fiberen snarere enn perpendikulært på denne akse, når pumpelyset er blitt koblet til denne fiber. Således kan pumpelys bli kontinuerlig forsynt til den forsterkende ND:YAG fiberen uten at dennes signalførende egenskaper påvirkes. Siden en 4-ports kobler ble brukt for å koble pumpelyset til forsterkerfiberen, kan videre endene til forsterker fiberen være tilgjengelige for direkte signalkobling til de optiske fibrene innenfor det optiske fibersystemet.

Oppfinnelsen er nærmere definert i de etterfølgende patent krav.

De ovennevnte og andre fordeler med den foreliggende oppfinnelsen blir best forstått under henvisning til tegningene hvor : Fig. 1 er et tverrsnitt av den fiberoptiske kobleren anvendt som en multiplekser i den foreliggende oppfinnelsen, og viser et par fiberoptiske tråder montert i respektive buede spalter til respektive grunnplater; Fig. 2 og 3 er tverrsnitt av kobleren på fig. 1, tatt etter henholdsvis linje 2-2 og linje 3-3 på fig. 1; Fig. 4 er et perspektivriss av underplaten til kobleren på fig. 1 adskilt fra den andre grunnplaten for å vise dens tilhørende fiber montering, og den ovalformede utadvendende overflaten til fiberen; Fig. 5 er et skjematisk diagram som viser flyktigfeltene til fiberparet som overlapper hverandre i samvirkeområdet; Fig. 6 er et diagram som viser den relative koblede energi som funksjon av signalbølgelengden for en type 1 fiberkobler som har en minimum fiberavstand på 4 \ x, en sideforskyvning på 0 u, og en fiberradius på 25 cm; Fig. 7 er et diagram som viser den relative koblede energien som funksjon av signalbølgelengdene på samme måte som på fig. 6, men med en fiberradius på 200 cm; Fig. 8 er et diagram som viser den relativt koblede energien som funksjon av signalbølgelengden for en type 1 fiberkobler som har en minimum fiberavstand på 4 u, en fiber radius på 200 cm, og en valgbar sideforskyvning av fiberen; Fig. 9 er et diagram som viser absorbsjonsspektret for ND: YAG ved 30 0°K; Fig. 9 er et forenklet energinivådiagram for en 4-nivå laser som anvender et dopet materiale, så som ND:YAG og Fig. 11 er et snitt av forsterkeren i henhold til den foreliggende oppfinnelsen.

For å oppnå en detaljert forståelse av virkemåten til den fiberoptiske forsterkeren i denne oppfinnelse, er det nødven-dig å forstå hvordan en fiberoptisk- kobler kan konstrueres for selektivt å koble en første optisk- frekvens samtidig som den ikke kobler en annen optisk frekvens. Anordningen såvel som fremgangsmåtene for å konstruere anordningen som er nødvendig for slik selektiv kobling, er vist i den parallelle patentsøknad med tittel "Passive Fiber Optic Multi-plexer", inngitt i USA's patentkontor 9. november 1981,

med nr. 319.301, og hvor Herbert J. Shaw og Michale J.F. Digonnet er angitt som oppfinnere. Den oppfinnelse tilhører søkeren av foreliggende oppfinnelse. Nevnte søknad er herved angitt som referanse. Men likevel vil hovedkjennetegnene for innretningen og dens fremstillingsmetode bli beskrevet i det nedenstående.

Denne oppfinnelse anvender en passiv multiplekser som anvender en fiberoptisk kobler. Denne kobler 10 er vist på fig. 1-4, og omfatter to tråder 12A og 12B av et enkel modus fiberoptisk materiale montert i langsgående, buede spalter 13A og 13B respektivt tildannet i optisk flate motstående overflater 14A og 14B respektivt i rektangulære grunnstykker eller blokker 16A og 16B respektivt. Blokken 16A med tråden 12A montert i spalten 13A vil bli referert til som kobler-halvdel 10A og blokken 16B med tråden 12B montert i spalten 13B vil bli referert til som koblerhalvdelen 10B.

Hver av trådene 12A og 12B omfatter en optisk fiber som

er dopet slik at den har en sentral kjerne og en ytre kledning. En av trådene, 12A f.eks., kan omfatte en kommersielt tilgjengelig fiber av kvartsglass som er dopet slik

at den har en sentral kjerne og en ytre kledning. Den andre tråden, 12B f.eks., kan omfatte ND:YAG krystall som på samme måte er dopet, slik at den har en sentral kjerne og en ytre kledning. Refraksjonsindeksen til fiberne 12A og 12B bør være så nært som mulig identiske, og begge trådene 12A

og 12B bør omfatte en sentral kjerne som er tilstrekkelig liten slik at den frembringer en enkel modus fiber i optiske frekvenser som skal anvendes. Disse tråder 12A og 12B har således en typisk kjernediameter i størrelsen 10 u eller mindre, og en kledningsdiameter i størrelsen 125 u. I den viste utførelsen, er diameteren til trådene 12 og deres respektive kjerner, vist overdrevet. Som det vil forstås, mer detaljert fra beskrivelsen som følger, blir ND:YAG fiberen 12B brukt til å sende signalet som skal forsterkes mens kvartsfiberen 12A blir brukt for å koble pumpelys til ND:YAG fiberen 12B. Av denne grunn vil fiberen 12B bli referert til som signalfiberen, mens fiberen 12A vil bli referert til som pumpefiberen.

De buede spaltene 12A og 13B har en kurveradius som er meget stor sammenlignet med diameteren av fiberne 12, og har en bredde som er litt større enn fiberdiameteren for å tillate at fiberne 12, når de er montert deri, danner en bane definert av bunnveggene til spaltene 13. Dybden av spaltene 13A og 13B varierer fra et minimum ved sentret av blokkene 16A og 16B, respektivt, til et maksimum ved kantene til blokkene 16A og 16B respektivt. Dette tillater på fordelaktig måte at de fiberoptiske trådene 12A og 12B, når de er montert i spaltene 13A og 13B respektivt, gradvis konvergerer mot sentret og divergerer mot kantene av blokkene 16A og 16B, og derved elimineres skarpe bøyninger eller brå ret-ningsendringer av fiberne 12, hvilket kunne forårsake energitap ved modus forstyrrelse. I den viste utførelsen, er spaltene 13 vist som rektangulære i tverrsnitt, men det må imidlertid forstås at andre passende tverrsnittskonturer som vil passe til fiberne 12, kan anvendes alternativt,

så som et U-formet tverrsnitt eller et V-formet tverrsnitt.

Ved sentrene til blokkene 16, i den viste utførelsen, er dybden av spaltene 13, som fastholder trådene 12, mindre enn diameteren av trådene 12, mens ved kantene av blokkene er dybden av spaltene fortrinnsvis minst så stor som diameteren til trådene 12. Fiberoptisk materiale ble fjernet fra hver av trådene 12A og 12B for å danne de respektive ovalformede planare overflatene 18A, 18B, som er koplanare med de motstående overflater 14A og 14B respektivt. Disse overflater 18A og 18B vil bli referert til som fiberens "utvendende overflater". Således vil mengden av fiberoptisk materiale som er fjernet, øke gradvis fra 0 mot kantene av blokken 16 til et maksimum mot sentret av blokken 16. Denne grad-vise fjerning av fiberoptisk materiale setter fiberne istand til å konvergere og divergere gradvis, hvilket er fordelaktig for å unngå bakoverrefleksjon og overdrevet tap av lysenergi.

I den viste utførelsen er koblerhalvdelene 10A og 10B identiske, unntatt med hensyn til materiale som danner trådene 12A og 12B, og er sammensatt ved å plassere de motstående overflater 14A og 14B til blokkene 16A og 16B sammen, slik at de utvendende overflater 18A og 18B til trådene 12A og 12B ligger mot hverandre.

En indekstilpassende substans (ikke vist), så som indekstil-pasningsolje, er anordnet mellom de motvendende overflater 14. Denne substansen har en refraksjonsindeks som er omtrent lik refraksjonsindeksen til kledningen, og fungerer også

til å hindre at de optiske flate overflater 14 blir perma-nent låst sammen. Oljen er innført mellom blokkene 16 ved kapillar virkning.

Et samvirkeområde 32 er dannet ved sammenkoblingen av trådene 12, i hvilket område lys blir overført mellom trådene ved flyktigfelt-kobling. Det er blitt funnet at, for å sikre passende flyktigfelt-kobling, må mengden av materiale fjernet fra fiberne bli omhyggelig kontrollert slik at avstanden mellom kjernepartiene til trådene 12 ligger innenfor en forutbestemt "kritisk sone". Flyktigfeltene strekker seg inn i kledningen og minsker hurtig med avstanden utenfor sine respektive kjerner. Således skulle tilstrekkelig materiale være fjernet for å tillate hver kjerne å bli anordnet hovedsakelig innenfor flyktigfeltet til den andre. Dersom for lite materiale blir fjernet, vil kjernene ikke være tilstrekkelig nær hverandre til å tillate at flyktigfeltene forårsaker det ønskede samvirke mellom de styrte modis, og resultatet vil således bli utilfredsstillende kobling. På den annen side, dersom for meget materiale blir fjernet, vil forplantningsegenskapene til fiberne bli endret, hvilket resulterer i tap av lysenergi på grunn av modus forstyrrelse. Når imidlertid avstanden mellom kjernene til trådene 12 ligger innenfor den kritiske sonen, mottar hver tråd en vektig mengde av flyktigfeltenergien fra den andre tråden, og god kobling blir oppnådd uten vesentlig energitap. Den kritiske sonen er vist skjematisk på fig.

5, som området angitt med henvisningstall 33, i hvilket de flyktige feltene, angitt ved henvisningstallene 34A og 34B, til fiberne 12A og 12B, respektivt, overlapper hverandre med tilstrekkelig styrke til å frembringe kobling, dvs.

at hver kjerne ligger innenfor flyktigfeltet til den andre.

Blokkene eller grunnstykkene 12 kan være fremstilt av ethvert passende stivt materiale. I en for tiden foretrukket utførelse, omfatter grunnstykkene 12 hovedsakelig rektangulære blokker av smeltet kvartsglass som er omtrent 1 tomme langt, 1 tomme bredt og 0,4 tommer tykk. I denne utførelsen er de fiberoptiske trådene 12 sikret i spaltene 13 ved hjelp av passende bindemiddel 38, så som epoksylim. En fordel med de smeltede kvartsblokkene 16, er at de har en termisk ekspansjonskoeffesient lik koeffesienten for glassfiber,

og denne fordel er spesielt viktig dersom blokkene 16 og fiberne 12 blir utsatt for varmebehandling under fremstil-lingsprosessen. Et annet passende materiale for blokken 16,er silisium, som også har utmerkede termiske egenskaper for denne anvendelse.

Drift av kobleren 10.

Kobleren 10 omfatter 4 porter, merket A, B, C og D på fig.

1. Sett i perspektivet på fig. 1 vil portene A og C som korresponderer til de respektive tråder 12A og 12B være på venstre siden av kobleren 10, mens portene B og D som korresponderer til de respektive tråder 12A og 12B, vil være på høyre siden av kobleren 10. For forklaringsformål, vil det bli antatt at inngangslys blir påtrykt port A. Dette lys passerer igjennom kobleren og blir sendt ut på port B og/eller port D, avhengig av mengden energi som blir koblet mellom trådene 12. I denne henseende er uttrykket "normalisert koblet energi" definert som forholdet mellom den koblede energi og total utgangsenergi. I eksemplet ovenfor vil den normaliserte koblede energi være lik forholdet mellom energien ved port D og summen av energien ut ved portene B og D. Dette forhold blir også referert- til som "koblingseffektiviteten", og brukt på denne måten, blir det vanligvis uttrykt som en prosent. Når således uttrykket "normalisert koblet energi" blir brukt heri, må det forstås at den korresponderende koblingseffektiviteten er lik den normaliserte koblede energien x 100. I denne henseende, har prøver vist at kobleren 10 har en koblingseffektivitet på opptil 100%. Det vil imidlertid også ses at kobleren 10 kan være "avstemt" for å justere koblingseffektiviteten til enhver ønsket verdi mellom 0 og maksimum. Videre er kobleren 10 høyst retningsbestemt, slik at hovedsakelig all energien påtrykt på en side av kobleren blir levert til den andre siden av kobleren. Koblerdirektiviteten er definert som forholdet mellom energien ved port D og energien ved port C, med inngangssignalet påtrykt port A. Prøver har vist at den retningskoblede energien (ved port D) er større enn 60 db over den motrettede koblede energien (ved port C). Videre er koblerendirektiviteten symmetrisk. Det vil si at kobleren arbeider med de samme egenskapene uavhengig av hvilken side av kobleren som er inngangssiden og hvilken side som er utgangssiden. Videre oppnår kobleren 10 disse resultater med svært lave gjennomgangstap. Gjennom-gangstapet er definert som forholde.t mellom den totale ut-gangsenergien (porter B og D) og inngangsenergien (port A) fratrekt fra en (dvs. 1 - (P_ + P_)/P,.). Eksperimen-

ts DA

telle resultater viser at gjennomløpstap på 0,2 db er blitt oppnådd, selv om tap på 0,5 db er mer vanlig. Videre indi-kerer disse prøver at kobleren 10 arbeider hovedsakelig uavhengig av polariseringen til inngangslyset påtrykt.

Kobleren 10 arbeider etter flyktigfeltkoblings-prinsippene ved hvilke styrte modi av trådene 12 samvirker via deres flyktige felt, og forårsaker at lys blir overført mellom trådene 12. Som tidligere indikert, skjer denne overføring av lys i samvirkeregionen 32. Mengden av lys overført er avhengig av nærheten og orienteringen av kjernene såvel som den effektive lengden av samvirkeregionen 32. Som det vil bli beskrevet i detalj nedenfor, er mengden av overført lys også avhengig av bølgelengden til lyset. Lengden av samvirkeområdet 32, er i sin tur avhengig av kurveradiusen til fiberne 12, og i en begrenset grad av kjerneavstanden, selv om det er blitt funnet at den effektive lengden av samvirkeområdet 32 er vesentlig avhengig av kjerneavstand. Imidlertid er "koblingslengden", dvs. lengden av samvirkeområdet 32 som er nødvendig for en enkel fullstendig overføring av et lyssignal fra 1 fiber 12 til den andre, en funksjon av kjerneavstand såvel som bølgelengde. I et utførelses-eksempel som anvender en kant-til-kant kjerne avstand på omkring 1,4 |i, og en kurveradius i størrelsesorden 25 cm,

er det effektive samvirkeområdet omtrent 1 mm lang med en lyssignalbølgelengde på 633 nm. Siden koblingslengden ved 633 nm også er 1 mm i en slik kobler, foretar lyset bare en overgang mellom trådene 12 mens det forplantes gjennom samvirkeområdet 32. Dersom imidlertid lengden av samvirkeområdet 32 blir økt, eller kjerneavstanden minsket, vil et fenomen referert til her som "overkobling" opptre, siden koblingslengden er kortere enn den effektive samvirkelengden. Under disse omstendigheter vil lyset overføres tilbake

tråden hvorfra det kom. Dersom samvirkelengden blir videre økt, og/eller kjeneavstanden videre minsket, blir den effektive samvirkelengden et større multippel av koblingslengden og lyset overføres tilbake til den andre tråden. Således kan lyset utføre mange overføringe fram og tilbake mellom de to trådene 12, mens det forplanter seg gjennom området 32, og antallet slike overføringer er avhengig av lengden på samvirkeområdet 32, lysbølgelengden (som beskrevet nedenfor) og kjerneavstanden.

Siden koblingslengden i en enkel modus fiber-kobler, som beskrevet med referanse til fig. 1-4, viser en sterk avhengighet av signalbølgelengden, som beksrevet i detalj i den parallelle patentsøknaden angitt ovenfor, er det mulig med hensiktsmessig valgte geometriske parametere for kobleren 10 og koble totalt en signalbølgelengde mens en annen signal-bølgelengde forblir i det alt vesentlige ukoblet. Dette fenomen tillater kombinasjonen av to signaler matet inn i portene på en side av kobleren 10. Hvis således, som vist på fig. 1, et pumpesignal som har en bølgelengde

som blir matet inn i port A til kobler 10, og et signal sum skal forsterkes soui har en bølgelengde blir koblet til port C, og geometrien er hensiktsmessig valgt, kan begge signalene bli kombinert ved port D med tilsynelatende ikke noe lysutgang ved port B.

For å illustrere denne bølgelengdeavhengighet, viser fig.

6 en opptegning av koblet energi som funksjon av bølgeleng-den i det synlige og nær innfrarøde spektrum for en bestemt kobler-geometri. Fordi den effektive samvirkelengde for kobleren er et ulikt multippel av koblingslengden for bølge-lengden 720 nm, men et likt multippel for koblingslengden for bølgelengden 550nm, for denne koblerutformingen, vil bølgelengden 720 nm bli 100% koblet, mens bølgelengde 550

nm vil bli effektivt-ukoblet. Med forskjellige effektivi-teter kan forskjellige bølgelengder bli kombinert eller adskilt, f.eks. kan 590 nm og 650 nm bli adskilt eller kombi-

nert med en 80% effektivitet.

Tilsynelatende kan ethvert par med bølgelengde (XI, X2)

bli effektivt kombinert eller adskilt så lenge som den effektive samvirkelengden er et likt multippel av koblingslengden for en bølgelengde og et ulikt multippel av koblingslengden for den andre bølgelengden. Siden antallet koblingslengder innenfor den effektive samvirkelengden øker, blir oppløs-ningen til multiplekseren økt. Som beskrevet detaljert i den nevnte referansen, kan multiplekseroppløsningen bli økt ved å øke kurveradiusen til fiberen 12A og 12B. Forut-satt at samvirkelengden til kobleren er stor nok, kan tilsynelatende hvilke som helst 2 signaler bli nøyaktig blandet eller adskilt uansett hvor nær hverandre deres bølgelengde ligger.

Samvirkelengden er en funksjon av bølgelengde, og oppløsnin-gen er omtrent proporsjonal med (R)<2>. Ettersom R øker,

vil den effektive samvirkelengden øke, og bli et høyere multippel av koblingslengden, og derved øke oppløsningen. Dette resultat er vist på fig. 7, som er sammenlignbart

med kurven på fig. 6, unntatt da for at kurveradiusen er blitt økt til 200 cm. Som antatt vil denne økning i radius forbedre kobleroppløsningen nær X = 600 nm fra omtrent 170 nm ved 25 cm radius eksemplet på fig. 6 til omtrent 60 nm i 200 cm tilfellet.

Oppløsningen til en multiplekser kobler avhenger av 2 uavhen-gige parametere, H (fiberavstand) og R (kurveradius for fiberne). For et gitt par signalbølgelengder kan effektiv blanding oppnås ved først å velge en passende fiberavstand for kobleren som gir en stor bølgelengdeavhengighet for bølgelengdene av interesse (valg av H), og så velge en kurveradius som gir en oppløsning lik forskjellen mellom bølge-lengdene (valg av R).

Etter at oppløsningen til kobleren er blitt innstilt i sam-

•■var med bølgelengden som skal bli adskilt, kan kobleren bli avstemt slik at den nøyaktig justerer koblingslengdene for bølgelengdene av interesse, slik at den effektive samvirkelengden er et likt multippel av koblingslengden til en bølgelengde, og et ulikt multippel av koblingslengden til den andre bølgelengden. Dette blir utført ved å side-forskyve fiberne ved å forskyve blokkene 16A og 16B (fig. 1) i relasjon til hverandre i en retning normal på aksen til fiberne 12A og 12B. Slik en sideforskyvning har virkningen at den øker minimum fiberavstand H og øker effektiv kurveradius for fiberne. Dersom den nødvendige sideforskyvning er liten nok, vil den ikke forstyrre multiplekser-oppløsningen. Dette skyldes det faktum at adskillelsen H til en kobler med stor radius endrer seg hurtig med fiber side forskyvningen, sammenlignet med endringer i den effektive kurveradius og fibersideforskyvningen.

For å illustrere denne avstembarheten til multiplekskoblere, viser fig. 8 en kurve for den relative koblede energi som funksjon av bølgelengden for 3 økende verdier av fiberside-forskyvning (Ou, 0,5u og l,0u). Det ses at kurven forsky-ves mot økende bølgelengder ettersom sideforskyvningen øker, mens oscilasjonsperioden (eller oppløsning) forblir tilsynelatende uendret. I dette spesielle eksempel (R = 200 cm), H = 4 u), vil en sideforskyvning på 1 u forskyve kurven omtrent 4 5 nm-.

ND:YAG forsterking.

Det vises nå til fig. 9 som er et skjema over absorbsjonsspektret til ND:YAG krystall ved 300°K. Det kan ses at ND:YAG materialet har en relativt høy optisk tetthet og således en kort absorbsjonslengde ved bestemte bølgelengder. Av denne grunn er det hensiktsmessig å velge bølgelengden til pumpelyset, slik at man (a) maksimerer absorbsjonen av pumpelyset i ND:YAG fiberen 12B i motsetning til pumpe-fiber 12A, og (b) slik at absorbsjonslengden blir så kort som mulig. Dette vil tillate i hovedsaken fullstendig ab- sorbsjon av pumpelyset innenfor en meget kort lengde av signalfiberen 12B. Som det kan ses av fig. 9, er bølge-lengden 0,58 u mest hensiktsmessig for pumpelys, selv om bølgelengdene 0,75 og 0,81 \ i også er relativt vel egnet.

Under henvisning nå til fig. 10A, som er et energinivåskjerna for ND:YAG krystallet, av hvilket fiberen 12B er tildannet, vil det forstås at når pumpelys ved absorbsjonsbølgelengden, beskrevet ovenfor, blir absorbert av ND:YAG krystallet, blir neodymiumionene ekscitert fra grunntilstanden til pumpebåndet. Fra pumpebåndet relakserer ionene hurtig ved fonon samvirker til det øvre lasing-nivået. Fra dette øvre lasing-nivået vil neodymiun ionene gjennomgå en relativt sakte fluorescens til det lavere energinivået. Fra dette siste nivået vil det opptre en hurtig fonon relaksasjon til grunntilstanden. Denne siste hurtige relaksasjon er fordelaktig i et 4-nivå lasersystem av typen vist på fig. 10A siden den hurtige fonon relaksasjon mellom det lavere energinivået og grunntilstanden frembringer et praktisk talt tomt lavere energinivå. Denne egenskap er vist på fig. 10B, på hvilken fordelingstetthetene i pumpebåndet, øvre lasing-nivå, lavere lasing-nivå og grunntilstanden er vist for en ND:YAG fiber under kontinuerlig pumping. Siden fluorescens hastigheten mellom det øvre lasing-nivået og det lavere energi-nivå er relativt sakte sammenlignet med fonon relaksasjonen mellom pumpebåndet og det øvre lasing-nivået, såvel som mellom det lavere energinivå og grunntilstanden, ér fordelingstettheten ved det øvre lasing-nivået vesentlig høyere enn ved det lavere energinivået,

og dette gir et høyt inversjonsforhold. Den gjennomsnitt-lige levetiden til neodymium-ioner ved det øvre lasing-nivået før den spontane fluorescens, er 230 mikrosekunder.

Et inngangslyssignal ved laserovergangs-bølgelengden (1,064 u),dvs. bølgelengden til. lys utsendt av ND:YAG ionene under relaksasjonen mellom det øvre lasing-nivået og det lavere energi-nivået som forplanter seg gjennom den eksciterte laserfiber 12B (fig. 1) vil utløse emisjonen av stimulerte fotoner ved den samme frekvensen, koherent med signalet og signalet blir derved forsterket. Således vil passasje av lys ved denne frekvens forårsake foton emitterende relaksasjon mellom det øvre lasingnivået og det lavere energinivå på fig. 10A, i fase med lyssignalet som skal forsterkes,

og dette gir en effektiv forsterkning for inngangslyssigna-let. Forsterkingen som kan oppnås i forsterkeren i denne oppfinnelse, er avhengig av tettheten til den inverterte neodymiumione populasjonen inne i ND:YAG krystallet. Til å begynne med er den maksimale inverterte populasjon begrenset av gitterstrukturen til YAG materialet selv siden ND:YAG materialet erstatter ytriumatomer med neodymium atomer i krystallgitteret. Bare omtrent et ytriumatom for hver 100. ytriumatomer kan bli erstattet av et neodymiumion uten å ødelegge gitterstrukturen til ND:YAG materialet.

Teoretiske beregninger av det svake forsterkingssignalet

g^til forsterkeren i denne oppfinnelsen, kan utføres ved å anvende forholdet g„ = a AN, hvor ø er det stimulerte emis jonstverrsnittet, for ND-.YAG, 8,8 x 10-^g cm 2, og AN

er populasjons inversjons tettheten gitt ved:

hvor Pp er den absorberte pumpeenergi, V er krystallvolu-met og således, P P/V den absorberte pumpeenergi pr. enhet fibervolum, t er den spontant strålingslevetid, dvs. den 230 mikrosekunders fluorescens relaksasjonstiden til neodymium-ionene, er det effektive spektrale overlapp til pumpeutgangen med en ND:YAG absorbsjonslinje som vist på fig. 9, r] 2 er lik kvanteef f ektiviteten til 1,06 u fluorescens, nemlig 0,63, og hv er lik energien til et pumpefoton.

Kombinering av de ovenstående ligninger frembringer:

for forholdet mellom forsterkning og pumpeenergi. Det må forstås at verdien P Per den absorberte pumpeenergien og at en økning i fiberlengdene ikke nødvendig øker forsterkingen. Dersom således pumpestrålingen blir koblet fullstendig til ND:YAG fiberen 12B og forplanter seg i fiberen 12B en distanse som er tilstrekkelig til å tillate at denne fiberen 12B absorberer fullstendig pumpestrålingen, kan så verdien P i denne ligning bli erstattet av inngangs-energinivået. For å få frem netto forsterkningen, må man imidlertid trekke fra g Q fiberforplantningstapene ved 1,06 u. Et fibertap på 100 db/km ville redusere forsterkningen bare med 0,001 db/cm. Dersom således hele lengden til fiberen 12B kan holdes relativt kort, samtidig som den frem-deles absorberer hovedsakelig all inngangspumpeenergien,

vil forplantningstapene inne i forsterkeren kunne holdes på et lavt nivå.

Drift av forsterkeren.

Under henvisning til fig. 11, vil måten hvordan forsterkeren i henhold til den foreliggende oppfinnelsen anvende bølge-lengde multipleksingsegenskapene til kobleren 10 for å frembringe pumpelys som energiserer ND:YAG fiberen 12B bli beskrevet .

Et par pumpekilder 101 og 103 er koblet til de motsatte endene til pumpefiberen 12A. Disse pumpekilder 101 og 103 kan være, f.eks., langlevetids LED, så som disse som for tiden er tilgjengelig som arbeider med en strømtetthet på omtrent 1000 amp pr. cm 2 , og har en stråo lingstetthet påo omtrent 5 w/sr.cm 2. I virkeligheten er det blxtt rapportert at noen LED har en strålingstetthet på omtrent 50 w/sr.cm 2. På grunn av størrelsesforskjellen mellom enkeltmodus fiberen 12A og disse LED 101 og 103, kan det være nyttig med linser 105 og 107 for å fokusere utgangssignalet fra LED kilden inn i fiberen 12A.

Alternativt kan pumpekildene 101 og 103 være laserdioder

som tillater enda høyere konsentrasjoner av pumpeenergi i fiberen 12A.

Uavhengig av typen pumpekilder 101 og 103, som blir anvendt, vil effektiviteten tilsystemet bli økt dersom strålings-bølgelengden fra disse kilder 101 og 103 korrespondere med en topp i absorbsjonsspektret til ND:YAG fiberen 12B, vist på fig. 9. Elektro-luminisente dioer er kommersielt tilgjengelig med passende doping for å tillate spekter i 0,8

u området som passer ganske godt med absorbsjonsspektret til ND:YAG materialet ved romtemperatur. F.eks. vil kommersielt tilgjengelig GaAlAs LED frembringe strålingsspekter som er sterkt i 0,8 |a området. På samme måte er laser diode-strukturer kommersielt tilgjengelig som sender ut energi over 0,8 til 0,85 u området.

Det minnes om at låsing frekvensen til ND:YAG materialet

til fiberen 12B er 1,06 u. Multiplekser kobleren 10 er således fremstilt for anvendelse i denne oppfinnelse for å frembringe faktisk fullstendig kobling ved bølgelengden til pumpekildene 101 og 103, 0,8 u i eksemplet ovenfor,

mens den frembringer hovedsakelig ingen kobling ved lasing-frekvensen til signalf iberen 12B, 1,06 |i i det samme eksempel.

Denne selektive kobling blir utført i samsvar med teknikkene beskrevet ovenfor, ved hensiktsmessig å velge fiberavstanden H, slik at den gir en stor bølgelengde avhengighet for bølge-lengder mellom 0,8 u og 1,06 u, og så ved å velge en kurveradius for fiberne 12A og 12B som gir en oppløsning lik forskjellen mellom 1,06 og 0,8 \ i, eller 0,26 u. Etter at oppløsningen til kobleren er blitt innstilt på denne måte,

kan kobleren bli avstemt, som tidligere beskrevet, til å justere koblingslengden for bølgelengden 0,8 u og 1,06 u,

slik at den effektive samvirkelengden er et like multippel for koblingslengden til en av disse par bølgelengder og et ulikt multippel av koblingslengden for de gjenværende bølgelengder. Siden det er ønskelig å koble utgangen fra pumpekildene 101 og 103 inn i fiberen 12B i eksemplet vist på fig. 11, må den effektive samvirkelengden for kobleren innstilles slik at den er et ulikt multippel av koblingslengden til bølgelengden til pumpekildene 101 og 103, dvs. 0,8

u, og slik at den er et likt multippel for signalfrekvensen 1,06 u. Dette vil resultere i en fullstendig kobling av lyset fra pumpekildene 101 og 103 fra fiberen 12A inn i fiberen 12B, med hovedsakelig ingen kobling av signalet som skal forsterkes fra fiberen 12B til fiberen 12A. Det vil forstås, selvfølgelig, at ingen kobling i denne henseende betyr et likt antall fullstendige koblinger, slik at, f.eks. dersom den effektive samvirkelengden ved området 32 er dobbelt så lang som koblingslengden ved 1,06 u, vil signalet som skal forsterkes bli koblet 2 fullstendige ganger, en gang fra fiberen 12B til fiberen 12A, og så fra fiberen 12A til fiberen 12B. Dersom denne signalfiber entrer kobleren ved port C, som vist til venstre på fig. 11, vil den gå ut ukoblet ved port D. Dette signal som skal forsterkes vil imidlertid ved port B sameksistere med lyset fra pumpekilden 101, som vil bli fullstendig koblet fra fiberen 12A til fiberen 12B.

Siden lys fra pumpekildene 101 og 103 vil bli transmittert langs fiberen 12B, etter kobling, i retningen mot utgangs-portene D og C respektivt, vil dette pumpelys invertere neodymium-ionene i ND:YAG materialet, hvilket danner fiberen 12B. Således vil et signal som blir innført i enten port C eller port D blir forsterket på måten forklart tidligere, mens det passerer gjennom fiberen 12D, siden dette signal vil ekscitere spontan låsing relaksasjon i ND:YAG materialet til fiberen 12B, hvilken låsing relaksasjon vil frembringe lys koherent med signalet som skal forsterkes.

Forsterkeren i henhold til den foreliggende oppfinnelsen frembringer derfor en hensiktsmessig måte å overføre pumpelys fra pumpekildene 101 og 103 ved hjelp av bølgelengdeavhengig kobling til ND-.YAG fiberen 12B, samtidig som det hindres kobling av signalet som skal forsterkes fra fiberen 12B

til fiberen 12A.

For å få forsterkeren symmetrisk dobbeltrettet, bør begge pumpekildene 101 og 103 bli benyttet, selv om det må forstås at, dersom slik dobbeltrettet symmetri ikke er nødvendig,

vil en hvilken som helst av pumpekildene 101 og 103 invertere ioner inne i ND:YAG materialet på en side av kobleren 10,

og vil således i forsterkning av signaler transmittert i hvilken som helst retning i fiberen 12B.

Dersom bare en av pumpekildene 101 og 103 blir anvendt,

må det forstås at ND:YAG fiberen 12B ikke vil bli ens belyst. Således vil den inverterte populasjon av neodymiumioner

ikke være likt fordelt langs lengden av fiberen 12B. På grunn av denne ikke-like eller ikke-symmetriske tilstand inni forsterkeren som vil gi forskjellig forsterkning for signaler matet inn ved porten C og signaler matet inn ved porten D (særlig når disse signaler opptrer samtidig), er det fordelaktig å anvende paret med kilder 101 og 103.

Fenomenet med forskjellig forsterkning av signaler som gjen-nomløper fiberen 12B i forskjellige retninger med en ikke-symmetrisk inversjonspopulasjon av neotymium-ioner opptrer som følgende. Det vil forstås, at mens et signal som skal forsterkes forplanter seg fra porten C til fiberen 12B mot

0

porten D, vil det utløse emisjonen av stimulerte protoner innenfor ND:YAG fiberen. Slik utløsnings-emisjon vil selv-følgelig senke inversjons-populasjonen inne i fiberen 12B. Dersom f.eks., i et gyroskop, et par bølger forplanter seg samtidig gjennom fiberen 12B i motsatte retninger fra portene C og D, vil signalet innmatet ved porten D minske inversjons-populasjonen inn til porten C før signalet innmatet ved

porten D ankommer til den venstre denden av fiberen 12B,

som sett på fig. 11. Dersom inversjons-populasjonen er høyere i den venstre enden av fiberen 14, enn ved den høyre enden, hvilket ville være tilfelle dersom bare pumpekilden 103 ble brukt, ville signalet innmatet ved port C underkas-tes en større forsterkning, siden det ville minske inversjons-populasjonen før signalet som blir matet inn ved porten B ankommer ved den venstre enden med høy tetthet.

Det må også forstås av pumpelyset forsynt av pumpekildene

101 og 103 må være tilstrekkelige, til på en kontinuerlig basis å erstatte minskingen i populasjon inne i fiberen 12B som opptrer når signalene blir forsterket. I et gyroskop hvor et pulssignal sirkulerer gjennom en km fiber,

vil således f.eks. et motforplantende signal gjennomløpe forsterkeren, vist på fig. 11, omtrent en gang hver 5. mikrosekund. Dersom kontinuerlige pumpekilder 101 og 103 blir brukt, kan disse frembringe tilstrekkelig utgangsenergi,

slik at de under hver 5 mikrosekund periode er istand til å reinvertere neodymium ione-populasjon som blir relaksert under hver suksessivt gjennomløp av signalene for .å reinvertere en populasjon lik denne som er blitt relaksert,

slik at forsterkningsfaktoren eller forsterkningen til forsterkeren vil forbli relativt konstant.

Som det vil forstås av beskrivelsen ovenfor, vil et hensiktsmessig valg av fiberavstand og kurveradium gi en kobler som tillater pumpekilden 101 og 103 å belyse fiberen 12A

og som tillater denne belysning å bli koblet til ND:YAG fiberen 12B for å invertere neodymium populasjonen deri.

Med et passende valg av koblerparameterne blir signalet

som skal forsterkes ikke koblet fra fiberen 12B til fiberen 12A, og gjennomløper således fiberen 12B for å bli forsterket ved stimulert låsing relakasasjon av neodymium ioner i fiberen 12B som produserer lys koherent med signalet som skal forsterkes.

Det må også forstås av anordningen på fig. 11 vil arbeide

som en fiberoptisk laserkilde eller oscillator like så godt som en forsterker. For anvendelse som en kilde blir fiberen 12B avsluttet ved port C med et fullt reflekterende speil og ved port D med et speil som reflekterer det meste, men ikke alt av lyset som forplanter seg i fiberen 12B. Når anordningen blir pumpet av kildene 101 og 103, vil spontan låsing emisjon inne i fiberen 12B starte en koherent bølge-front som vil bli reflektert fram og tilbake gjennom lengden av fiberen 12B, og med en del av den koherente bølgefronten unnslippende gjennom port D via den delvis reflekterende endeflaten på en måte som er vel kjent i laser teknologi.

Dersom symmetrisk pumping ikke er nødvendig, f.eks. i et system hvor lik forsterkning i to retninger ikke er kritisk, er det mulig å plassere pumpekilden 1 ved porten C slik at pumpekilden 101 belyser direkte ND:YAG fiberen 12B ved porten C. I denne situasjon blir inngangssignalet som skal forsterkes påtrykt port A, og kobleren 10 er utformet slik at samvirkelengden er et likt multippel av koblingslengden ved bølgelengden til pumpekilden 101, men et ulikt multippel av koblingslengden ved frekvensen til signalet som skal forsterkes, som også er låsing frekvensen til ND:YAG materialet. I denne utformingen vil kobleren 10 kombinere både pumpesignalet og signalet som skal forsterkes for transmisjon gjenom den høyre siden av fiberen 12B på fig. 11 for for-plantning mot porten D, og forsterking av signalet vil opptre i det høyre partiet av fiberen 12B, hvor både signalet som skal forsterkes og pumpebelysningen blir kombinert. Det må også forstås av når forsterkeren på fig. 11 skal innføyes i et fiberoptisk system, må endene til fiberen 12B ved portene C og D bli polert og avbuttet, eller på annen måte forbundet til et fiberoptisk element inne i det fiberoptiske systemet, slik at signaler som skal forsterkes kan bli påtrykt ved en av portene C og D, og, etter forsterkingen, fjernes fra den alternative port C eller D.

Claims (10)

1. Fiberoptisk anordning, karakterisert ved at den omfatter: et par optiske fibre sidestilt i et samvirkeområde som har en effektiv samvirkelengde, hvor en av nevnte fibre er dopet med materiale som vil lase for å frembringe lys ved en første lysbølgelengde; en innretning for å forsyne pumpelys til den andre av nevnte par fibre med en andre lysbølgelengde; og nevnte fiberpar har en bølgelengdeavhengig koblings- lengde i nevnte samvirkeområde, og nevnte effektive samvirkelengde (^-a-r-^ et like multippel av koblingslengden til en av nevnte første og andre bølgelengderog et ulikt multippel av koblingslengden ved den andre av nevnte første og andre bølgelengder.

2. Fiberoptisk anordning som angitt i krav 1, karakterisert ved at nevnte anordning arbeider som en fiberoptisk forsterker, hvor nevnte ene av nevnte fibere er dobet med materiale som vil lase og / sende et signal som skal forsterkes.

3. Fiberoptisk anordning som angitt i krav 2, karakterisert ved at nevnte effektive samvirkelengde er et likt multippel av koblingslengden ved bølgelengden til nevnte signal som skal forsterkes og et ulikt multippel av koblingslengden til bølgelengden til nevnte pumpelys.

4. Fiberoptisk anordning som angitt i krav 1, karakterisert ved at nevnte samvirkeområde frembringer flyktigfelt kobling mellom nevnte par optiske fibre.

5. Fiberoptisk anordning som angitt i krav 1, karakterisert ved at nevnte fibre omfatter ND:YAG materiale.

6. Fiberoptisk anordning som angitt i krav 5, karakterisert ved at nevnte pumpelys er ved en bølgelengde ved hvilken ND:YAG materialet besitter høyenergiabsorbsjon.

7. Fiberoptisk anordning som angitt i krav 1, karakterisert ved at nevnte par optiske fibre er kurvede, og hvori nevnte effektive samvirkelengde er en funksjon av kurveradiusen til nevnte kurvede fibre.

8. Fiberoptisk anordning som angitt i krav 1, hvor nevnte par sidestilte optiske fibre er sideveis forskjø-vet fra hverandre for å utvelge nevnte første og andre optiske bølgelengde.

9. Fiberoptisk anordning som angitt i krav 1, karakterisert ved at nevnte par optiske fibre er buede og hvori radiusen til den nevnte buede op tiske fibre er utvalgt slik at den definerer frekvensdiffer-ansen mellom nevnte første og andre optiske bølgelengder.

10. Fiberoptisk anordning som angitt i krav 1, karakterisert ved at nevnte fiber er buede, og hvori nevnte effektive samvirkelengde er en funksjon av kvadratroten til radiusen til nevnte buede fibre.