PL164373B1

PL164373B1 - Wzmacniacz optyczny PL PL PL PL PL

Info

Publication number: PL164373B1
Application number: PL91289030A
Authority: PL
Inventors: Giorgio Grasso; Aldo Righetti
Original assignee: Pirelli Cavi Spa
Priority date: 1990-02-12
Filing date: 1991-02-11
Publication date: 1994-07-29
Also published as: ES2072523T3; PL289030A1; CS9100300A2; FI910649A0; DE69107872D1; JPH04298724A; EP0442553B1; PE17791A1; CA2034797A1; IE910440A1; IT1237980B; HU910420D0; EP0442553A1; AU7081891A; NO910530D0; FI104294B1; JP3239124B2; KR910015871A; NO302326B1; HU216235B

Abstract

1. Wzmacniacz optyczny, zwlaszcza dla tele- komunikacyjnych laczy swiatlowodowych, wlaczony szeregowo z wlóknem optycznym kabla, zawiera- jacy co najmniej zródlo swietlnej energii pompo- wania, zlacze dichroiczne posiadajace dwa wejscia dolaczone do wlókna optycznego kabla przenosza- cego sygnal uzyteczny i do zródla energii pompo- wania oraz wyjscie dolaczone do jednego konca wlókna aktywnego zawierajacego w rdzeniu opty- cznym domieszke fluoroscencyjna o emisji w zakre- sie dlugosci fali sygnalu uzytecznego i pompowa- nego przy dlugosci fali zródla energii pompowania, znamienny tym, ze aktywne wlókno optyczne (7) jest uksztaltowane w zasadzie prostoliniowo zapew- niajac jednomodowa propagacje swiatla przy dlu- gosci fali sygnalu uzytecznego i wielomodowa pro- pagacje swiatla przy dlugosci fali energii pompo- wania, przy czym to wlókno (7) jest w postaci zwinietej co najmniej na 70% swojej dlugosci, z promieniem zwiniecia odpowiadajacym propagacji we wlóknie tylko podstawowego modu przy dlu- gosci fali energii pompowania. Fig. 1 PL PL PL PL PL

Description

Przedmiotem wynalazku jest wzmacniacz optyczny, zwłaszcza dla światłowodowych łączy telekomunikacyjnych, wykorzystujący włókno aktywne jednomodowe tylko przy długości fali sygnału użytecznego.

Jak wiadomo, włókna optyczne z rdzeniem domieszkowanym, uzyskane przy użyciu określonych domieszek, takich na przykład jak jony pierwiastków ziem rzadkich, posiadają własności emisji wymuszonej i przystosowane są do wykorzystania jako źródła laserowe i wzmacniacze optyczne. Takie znane włókna mogą być zasilane ze źródła energii świetlnej o określonej długości

164 373 fali, nazywanej długością fali pompowania, która to energia jest w stanie wprowadzić atomy domieszki ma energetyczny poziom wzbudzenia, czyli do pasma pompowania, z którego to poziomu atomy po krótkim okresie czasu przechodzą spontanicznie na poziom emisji laserowej, na którym pozostają przez względnie długi okres czasu.

Gdy przez włókno, w którym duża liczba atomów jest w stanie wzbudzenia na poziomie emisji laserowej, przepływa sygnał świetlny o długości fali odpowiadającej stanowi tej emisji laserowej, sygnał ten powoduje przejście wzbudzonych atomów na niższy poziom energetyczny, a powstająca emisja światła posiada taką samą długość fali, jak ten sygnał. W ten sposób włókno takiego rodzaju może być zastosowane do uzyskania wzmocnienia sygnału, a w szczególności do zbudowania optycznych wzmacniaczy liniowych, zdolnych do doprowadzenia sygnału użytecznego osłabionego po przebyciu długiej drogi wzdłuż włókna w światłowodowym łączu telekomunikacyjnym, ponownie do wysokiego poziomu.

Wzmacniacze optyczne wyżej opisanego typu są na przykład znane z włoskiego zgłoszenia patentowego nr 22 120 A/89. W przedstawionym tam rozwiązaniu przewidziano zastosowanie włókna aktywnego, jednomodowego zarówno dla długości fali sygnału użytecznego jak i dla długości fali energii pompowania. Takie włókna, które są jednomodowe zarówno dla długości fali sygnału użytecznego jak i dla długości fali energii pompowania, mają różniący się rozkład energii świetlnej w przekroju włókna, a w szczególności eneria świetlna sygnału użytecznego jest rozłożona na większym obszarze przekroju włókna, w porównaniu z obszarem, w którym występuje energia pompowania.

Domieszka fluoroscencyjna, odpowiedzialna za wzmocnienie sygnału użytecznego jest skoncentrowana w rdzeniu włókna, a włókna we wzmacniaczach o znanej budowie są tak konstruowane, żeby energia pompowania była także zawarta w tym samym obszarze, przez co może ona być całkowicie wykorzystana do wzbudzenia domieszki fluoroscencyjnej do poziomu emisji laserowej. Jednakże, ponieważ część energii sygnału użytecznego przepływa przez włókno poza obszarem, w którym skoncentrowana jest domieszka fluoroscencyjna, a zatem i energia pompowania, tylko część wspomnianego sygnału użytecznego występuje w tym obszarze włókna, w którym może być on wzmocniony.

Powyższe zjawisko fizyczne prowadzi do ograniczenia efektywności wzmocnienia wzmacniacza, rozumianej jako wzmocnienie sygnału użytecznego przypadające na jednostkę energii pompowania. W rezultacie powstaje problem zwiększenia wspomnianej efektywności dla znanych rozwiązań wzmacniaczy.

Celem wynalazku jest opracowanie wzmacniacza, w którym energia sygnału użytecznego i energia pompowania są zasadniczo jednakowo rozmieszczone w przekroju włókna aktywnego, a także są skoncentrowane w takim obszarze przekroju włókna, w którym występuje domieszka fluoroscencyjna.

Wzmacniacz optyczny według wynalazku, zwłaszcza dla telekomunikacyjnych łączy światłowodowych, włączony szeregowo z włóknem optycznym kabla, zawierający co najmniej źródło świetlnej energii pompowania, złącze dichroniczne posiadające dwa wejścia dołączone do włókna optycznego kabla przenoszącego sygnał użyteczny i do źródła energii pompowania oraz wyjście dołączone do jednego końca włókna aktywnego zawierającego w rdzeniu optycznym domieszkę fluoroscencyjną o emisji w zakresie długości fali sygnału użytecznego i pompowanego przy długości fali źródła energii pompowania, charakteryzuje się tym, że aktywne włókno optyczne jest ukształtowane w zasadzie prostoliniowo zapewniając jednomodową propagację światła przy długości fali sygnału użytecznego i wielomodową piopagację światła przy długości fali energii pompowania, przy czym to włókno jest umieszczone w postaci zwiniętej co najmniej na 70% swojej długości, z promieniem zwinięcia odpowiadającym propagacji we włóknie tylko podstawowego modu przy długości fali energii pompowania.

Aktywne włokno optyczne jest korzystnie zwinięte z promieniem zwinięcia w zakresie od 20 do 140 mm, a zwłaszcza w zakresie od 35 do 100 mm.

Aktywne włókno optyczne zawiera w rdzeniu erb jako domieszkę fluoroscencyjną, przy czym zasadniczo prostoliniowo ukształtowane aktywne włókno optyczne jest jednomodowe pizy długości fali sygnału użytecznego w zakresie od 1520 do 1570 nm i wielomodowe przy długości fali

164 373 energii pompowania 980 nm (±10 nm). Ponadto, aktywne włókno optyczne w postaci zwiniętej jest jednomodowe przy długości fali energii pompowania 980 nm (±10 nm).

Aktywne włókno optyczne ma co najmniej część zwiniętą o promieniu zwinięcia odpowiadającym propagacji we włóknie tylko podstawowego modu przy długości fali energii pompowania, która to część przylega do odcinków prostoliniowych. Długość części zwiniętej lub sumy kilku części zwiniętych jest większa od 70% całkowitej długości aktywnego włókna optycznego.

W korzystnym rozwiązaniu wzmacniacza aktywne włókno optyczne ma pojedynczą ciągłą część zwiniętą o promieniu zwinięcia odpowiadającym propagacji we włóknie tylko podstawowego modu przy długości fali energii pompowania, a odcinki prostoliniowe włókna występują na jednym, lub obu końcach aktywnego włókna optycznego.

Aktywne włókno optyczne jest korzystnie zwinięte z promieniem zwinięcia odpowiadającym propagacji tylko podstawowego modu we włóknie, przy długości fali energii pompowania, na całej jego długości, poza końcowymi odcinkami prostoliniowymi, które nie podlegają zwinięciu i każdy z nich ma długość mniejszą od 400 mm, a korzystnie mniejszą od 200 mm.

Przedmiot wynalazku jest objaśniony w przykładzie wykonania na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia schemat wzmacniacza optycznego z włóknem aktywnym, fig. 2 - wykres obrazujący przejścia energetyczne zachodzące we włóknie tego typu, jaki jest zastosowany we wzmacniaczu przedstawionym na schemacie na fig. 1, które to przejścia energetyczne są wykorzystane do wytworzenia wymuszonej (laserowej) emisji; fig. 3 jest wykresem pokazującym zależności występujące pomiędzy długościami fali energii pompującej sygnału użytecznego, oraz granicznej długości fali; fig.4 jest wykresem obrazującym rozkład popromieniowy natężenia światła we włóknie optycznym; fig. 5 jest schematem ukształtowania włókna aktywnego we wzmacniaczu będącym przedmiotem wynalazku; fig. 6 przedstawia widok czołowy włókna pokazanego na fig. 5; fig. 7 jest wykresem ukazującym zmianę średnicy modalnej we włóknie w funkcji długości fali; a fig. 8 jest wykresem pokazującym zależność wzmocnienia we wzmacniaczu optycznym w funkcji długości zastosowanego włókna aktywnego.

Dla wzmocnienia sygnałów użytecznych w światłowodowych łączach telekomunikacyjnych, korzystnym jest zastosowanie wzmacniaczy optycznych działających na zasadzie włókna aktywnego; budowa takich wzmacniaczy jest schematycznie pokazana na fig. 1, na którym 1 oznacza włókno kabla telekomunikacyjnego, do którego jest przesyłany sygnał użyteczny o długości λβ generowany przez emiter laserowy 2 sygnał ten jest osłabiony po przebyciu określonej drogi wzdłuż kabla i przesłany do wzmacniacza optycznego 3 w zasadzie złożonego z złącza dichroicznego, w którym następuje na pojedynczym włóknie wyjściowym 5 nałożenie na sygnał energii pompującej o długości fali λ p, wytworzonej przez pompujący emiter laserowy 6; włókno aktywne 7 dołączone do włókna 5 wychodzącego ze złącza stanowi element wzmacniający sygnału użytecznego, który jest następnie wprowadzany do włókna kabla 1 i kierowany do miejsca przeznaczenia.

W celu otrzymania włókna aktywnego 7, służącego do wzmocnienia sygnału użytecznego stosuje się włókno optyczne o bazie krzemowej, domieszkowane materiałem fluoroscencyjnym przystosowanym do wytworzenia emisji świetlnej, która wzbudzona obecnością sygnału użytecznego służy do jego wzmocnienia.

Jako materiału fluoroscencyjnego dogodnym jest zastosowanie Er2O3, która to substancja posiada zdolność do wytworzenia wymuszonego przejścia energetycznego, także nazywanego przejściem „laserowym przy długościach fali, które są wygodne do dalekosiężnego przesyłania sygnałów telekomunikacyjnych.

Na wykresie na fig. 2, odnoszącym się do włókna opisanego wyżej typu pokazano możliwe stany energetyczne roztworu jonów erbu w siatce bazy krzemowej włókna, wprowadzenie energii świetlnej do włókna aktywnego przy „pompującej długości fali λ p, niższej niż długość fali sygnału użytecznego wprowadza pewną liczbę jonów Er3+, obecnych jako domieszka w siatce szklanej bazy włókna na poziom energetyczny „wzbudzenia 8, zwanym pasmem pompującym, z którego to poziomu jony spontanicznie przechodzą na poziom energetyczny 9 będący poziomem emisji laserowej.

Jest wiadome, że podczas gdy przejście energetyczne z poziomu 8 na poziom 9 jest połączone z emisją cieplną, której energia rozprasza się na zewnątrz włókna (promieniowanie fononowe) to przejście z poziomu 9 do poziomu podstawowego 10 połączone jest z emisją świetlną o długości fali

164 373 odpowiadającej energetycznej wartości emisji laserowej poziomu 9; gdy przez włókno zawierające dużą ilość jonów wzbudzonych do poziomu emisji laserowej przepływa sygnał użyteczny o długości fali odpowiadającej temu poziomowi emisji, sygnał ten wywołuje wymuszone przejście przedmiotowych jonów ze stanu emisji do stanu podstawowego przed wystąpieniem spontanicznego zajścia tego zjawiska, co w połączeniu ze zjawiskiem kaskadowym prowadzi do emisji silnie wzmocnionego sygnału użytecznego na wyjściu włókna aktywnego.

Na figurze 4 schematycznie pokazano przekrój poosiowy końcówki włókna oznaczony liczbą 11; pokazano także rdzeń 12 i płaszcz 13 takiego włókna, które odznaczają się różnymi współczynnikami odbicia.

Dla zastosowań użytkowych, jak na przykład włókna aktywne wzmacniacza, domieszka, czyli Er³⁺ występuje w rdzeniu 12.

Dla uzyskania wysokiego współczynnika wzmocnienia jest praktycznym, aby włókno aktywne 7 we wzmacniaczu było pojedynczomodalne zarówno dla długości fali sygnału użytecznego jak i długości fali energii pompującej, jak to przedstawiono we włoskim zgłoszeniu patentowym nr 22 120 A/89, zgłoszonym przez autorów niniejszego patentu.

Wyżej powiedziane oznacza , jak to pokazano na fig. 3, że bazując na zaleceniach zawartych w wyżej wymienionym patencie, włókno aktywne jest tak zwymiarowane, że graniczna długość fali λοί, nazywana także długością fali odcięcia „Acut-of“ powyżej której we włóknie występuje tylko propagacja modu podstawowego, jest niższa zarówno od długości fali sygnału użytecznego λ, jak i długości fali energii pompującej λ p.

Istotnymi środkami dla selekcji granicznej długości fali włókna są: liczbowa rozwartość optyczna NA oraz jego średnica rdzenia.

Liczbowa rozwartość optyczna NA włókna posiadającego kształt współczynnika odbicia zasadniczo typu „step index“, lub podobnego, jest określona zależnością: NA = (n²1 - n²2)^v2, gdzie n1 jest współczynnikiem odbicia rdzenia włókna, a n2 współczynnikiem odbicia płaszcza włókna.

Wiadome, jest że pożądane właściwości współczynnika odbicia i płaszcza włókna można uzyskać przez dobór stężenia w rdzeniu i płaszczu domieszki podstawowej, czyli domieszki regulującej współczynniki odbicia, wprowadzonej do przygotówki, z której wyciągane jest włókno znanymi technologiami.

Domieszkami używanymi do tego celu są zazwyczaj GeO2 lub AkO3.

We włóknie promieniowanie świetlne o długości fali, dla której występuje propagacja pojedynczomodalna, czyli długości fali wyższej od granicznej wykazuje rozkład popromieniowy natężenia światła o kształcie pokazanym na fig. 4 przez krzywe P i S; jest to kształt zasadniczo pokrywający się z krzywą Gaussa z maksymalnym natężeniem Imax występującym wzdłuż osi włókna i zmniejszającym się prawie do zera przy zewnętrznej powierzchni włókna.

Wychodząc z powyższego rozkładu, średnica modalna 0mjest zdefiniowana jako średnica, dla której natężenie światła I(0m) we włóknie wynosi:

I(0m)= -ί- Imax, e

gdzie Imax oznacza maksymalne natężenie światła we włóknie, według warunków technicznych CCITT G.652 (Consultative Committee International Telegram and Telephone - Międzynarodowy Komitet Doradczy Telegrafii 1 Telefonii).

Jak to wynika z rysunku większość przesyłanej energii świetlnej mieści się zasadniczo wewnątrz średnicy modalnej.

Dla celu efektywnego wzmocnienia ogromne znaczenie ma wysoka jakość energii pompującej w rdzeniu włókna 12, gdzie występuje domieszka fluoroscencyjna, i przez to może być utrzymany wysoki stan odwrócenia obsadzeń w domieszce, czyli że wysoki procent atomów domieszki zdolnych do wzmocnienia będzie znajdować się na wysokim poziomie wzbudzenia laserowego 9 w porównaniu z ilością atomów znajdujących się na poziomie podstawowym 10; energia pompująca

164 373 przysyłana poza rdzeniem włókna, gdzie nie występują atomy domieszki jest praktycznie nieaktywna tam, gdzie kończy się stan odwrócenia obsadzeń przy wyższym poziomie emisji laserowej.

Sygnał użyteczny z kolei powinien mieć rozkład popromieniowy natężenia we włóknie podobny do rozkładu energii pompującej, tak żeby mógł on być przesłany przez obszar włókna, w którym występuje największa ilość energii pompującej, i mógł być efektywnie wzmocniony. Z tego powodu średnica modalna energii pompującej i średnica modalna sygnału użytecznego winny być jak najbardziej podobne.

We włóknie optycznym o budowie złożonej z rdzenia 12 i płaszcza 13, jak to pokazano na fig. 4, na którym wkreślono popromieniowe rozkłady natężenia światła energii pompującej i sygnału użytecznego, średnica modalna 0s przy długości fali sygnału użyteczego As, dla której krzywą popromieniowego rozkładu natężenia światła przedstawia linia S, jest znacznie większa niż średnica modalna 0_p dla długości fali energii pompującej Ap, której odpowiada krzywa natężenia P, średnica ta w zasadzie pokrywa się ze średnicą rdzenia 12 włókna; z powyższego wynika, że znaczna część sygnału świetlnego nie przepływa przez ten obszar włókna aktywnego, do którego dostarczana jest energia pompująca i w którym występuje domieszka.

Należy zauważyć, że średnica modalna, która dla wartości długości fali bliskich granicznej długości fali A c włókna, jest zasadniczo stała, i nie różni się wiele od średnicy rdzenia włókna, to dla wyższych długości fali szybko wzrasta, jak to pokazano na fig.7; stąd w celu zapewnienia, żeby włókno było pojedynczomodalne dla długości fali energii pompującej Ap, przykładowo dla wzmacniaczy wykorzystujących włókno aktywne domieszkowane erbem, przy 980 nm (±10%) musi być zastosowane włókno posiadające graniczną długość fali Ac niższą niż 980 nm, a przez to uzyskuje się bardzo dużą średnicę modalną dla długości fali sygnału użytecznego As, która jest dużo większa od średnicy modalnej dla długości fali energii pompującej A p, a przez to znacza część sygnału użytecznego przepływa przez obszar włókna, w którym nie może być wzmocniona.

Powyższe zjawiska zachodzą gdy włókno aktywne występuje w postaci odcinka prostoliniowego, lub zbliżonego do prostoliniowego, gdy termin „zbliżony do prostoliniowego oznacza, że włókno nie podlega deformacji geometrycznej, zdolnej w znacznym stopniu zmienić jego właściwości optyczne, z wyżej wymienionego powodu zgodnie z warunkami technicznymi (CCITT zalecenia G. 652) zaleca się określać teoretyczną, graniczną długość fali w oparciu o kształt krzywej współczynnika odbicia we włóknie, a graniczną długość fali w warunkach robocznych.

W szczególności wspomniane warunki techniczne biorą pod uwagę możliwość pomairu granicznej długości fali dla włókna zwiniętego, pomiar jest przeprowadzany na pojedynczym zwoju włókna o promieniu 140 mm, wykryte zmiany granicznej długości fali w tych warunkach, w porównaniu z wartością teoretyczną, są skąd inąd raczej niewielkie, spodziewać się należy, że różnica ta będzie mniejsza niż 5%.

Według przedstawionego wynalazku dobiera się włókno aktywne wzmacniacza tak, aby wykazywało ono jednomodalność tylko przy długości fali sygnału użytecznego A s, czyli żeby miało graniczną długość fali niższą niż As, jednakże znacznie wyższą niż Ap, jak to pokazano na fig. 3.

Dla wspomnianego włókna średnica modalna przy długości fali sygnału użytecznego mieszczącej się w zakresie 1520 nm i 1570 nm, przystosowanym do wykorzystania we wzmacniaczach z włóknem aktywnym domieszkowanym erbem, gdzie długość fali sygnału użytecznego znajduje się blisko granicznej długości fali okazała się wystarczająco mała, bliska średnicy rdzenia włókna; podstawowy mod energii pompującej z kolei, ma średnicę także zbliżoną do średnicy rdzenia włókna, i w ten sposób energia sygnału użytecznego jest zasadniczo utrzymana w obszarze włókna, w którym występuje energia pompująca i domieszka aktywna.

Włókno aktywne jest ukształtowane w formie zwiniętej na całej swojej długości, w kształcie zwojów cewki tworzącej wzmacniacz jak to pokazano na fig. 5 i 6, przykładowo przez owinięcie wokół walcowej wstawki, lub w inny, podobny sposób. Zwinięcie włókna według przedstawionego wynalazku dobiera się tak, aby promień Rc był znacząco mniejszy od 140 mm, aby umożliwić propagację tylko modu podstawowego we włóknie, nawet dla długości fali niższej, niż wyżej wspomniana długość Ac2, a w szczególności nawet od długości fali energii pompującej Ap.

164 373

Zwinięcie włókna w rzeczywistości powoduje, że przesyłanie tylko modu podstawowego występuje przy długościach fali, które są coraz to mniejsze im bardziej zwinięte jest włókno, czyli gdy promień Rc staje się coraz mniejszy; w ten sposób jest możliwym określenie takiej wartości promienia zwinięcia, poniżej której, dla danej długości fali a w szczególności dla długości fali energii pompującej jest możliwa tylko propagacja we włóknie modu podstawowego.

Promień zwinięcia Rc zastosowany dla włókna aktywnego winien być dlatego mniejszy, lub równy, wspomnianemu wyżej promieniowi Rp; w praktyce, ponieważ zwinięcie może powodować mechaniczne osłabienie struktury włókna czyniąc je podatnym na pęknięcia i złamania korzystnie jest stosować promień zwinięcia równy lub bliski wartości Rp.

Wybór odpowiedniej wartości wspomnianego zwinięcia umożliwia wyeliminowanie z włókna modów wyższych niż długość fali energii pompującej, przez co we włóknie przepływa tylko mod podstawowy energii pompującej, przy jednoczesnym utrzymaniu granicznej długości fali, co powoduje małą średnicę modalną we włóknie przy długości fali sygnału użytecznego. W ten sposób możliwe jest osiągnięcie szczególnie wysokiej efektywności wzmocnienia, czyli wysokiego wzmocnienia przypadającego na dostarczoną jednostkę energii pompującej, tak, że włókno o krótszej długości może być zastosowane dla osiągnięcia wymaganego wzmocnienia, jak to pokazano na fig. 8, na którym można zobaczyć, że wzmocnienie Go może być osiągnięte przy włóknie aktywnym o długości L1, przy zastosowaniu włókna o granicznej długości fali λο2 większym od 980nm, czyli długości włókna znacznie mniejszej niż długość Lp, która jest niezbędna, aby uzyskać takie samo wzmocnienie przy włóknie posiadającym graniczną długość fali λ c1 mniejszą od 980 nm.

W złączu dichroicznym 4, zbudowanym według zasad zawartych w wyżej wspomnianym włoskim zgłoszeniu patentowym nr 22120 A/89, włókno wejściowe 5, na którym następuje nałożenie sygnału użytecznego na sygnał energii pompującej jest pojedynczomodalne dla obu długości fal tych sygnałów, włókno to ma więc średnicę modalną przy długości fali sygnału użytecznego λ _s większą, niż średnica modalna we włóknnie według niniejszego wynalazku, łącze spawane między włóknami 5 i 11 stanowi więc źródło tłumienia, przy długości fali sygnału użytecznego, proporcjonalnie do różnicy tych średnic.

Dalsze stłumienie światła występuje na łączu spawanym pomiędzy włóknem aktywnym i włóknem kabla 1, w rzeczywistości, pomimo tego, że dostępne w handlu włókna stosowane jako włókna kablowe są pojedynczomodalnymi tylko przy długości fali sygnału użytecznego, we wspomnianym zakresie pomiędzy 1520 i 1570 nm, posiadają one względnie dużą średnicę modalną, umożliwiającą łatwe uzyskanie połączeń zapewniających średnicę równą, lub większą od średnicy modalnej włókna złącza 5.

Całkowite wzmocnienie Gex wzmacniacza jest określone wewnętrznym wzmocnieniem włókna aktywnego G.n po odjęciu strat, czyli strumień A_s wynikłych przez stosowanie łączy spawanych między różnymi włóknami, dla uzyskania więc całkowitego wzmocnienia trzeba osiągnąć wzmocnienie włókna aktywnego wynoszące Gm = Gex + As.

Zastosowanie włókna według przedstawionego wynalazku, posiadającego małą średnicę modalną, wprowadza większe straty przez łącza spawane, w porównaniu ze znanymi włóknami aktywnymi, które wykazują jednomodalność także przy długości fali λ p, jednakże te dodatkowe straty generalnie okazują się nicznaczące przy porównaniu z uzyskanym wz.rostem efektywności.

Minimalny promień zwinięcia Rc włókna aktywnego zapewniający właściwe zastosowanie jest większy od około 20 nm, a poniżej takiego promienia naprężenia mechanicznie zwiniętego włókna stają się krytyczne i w dodatku straty na łączach spawanych stają się znaczące z powodu dużej różnicy między średnicami modalnymi włókna aktywnego i włókna kabla, lub włókna wychodzącego ze złącza, natomiast promienie zwinięcia większe niż 140 mm mają małą wartość użytkową gdy chodzi o osiągnięcie znacznej zmiany granicznej długości fali; korzystnie R>35 mm, a jeszcze korzystniej gdy 50 mm ^Rc^100 mm.

W związku ze wspomnianymi promieniami zwinięcia maksymalna wartość granicznej długości fali przy prostoliniowym układzie włókna, umożliwiająca propagację jednomodalną energii pompującej przy 980 nm, jaka może być osiągnięta, gdy włókno jest zwinięte do odpowiedniego promienia, bez osiągnięcia wspomnianych wyżej warunków krytycznych w odniesieniu do naprężeń mechanicznych we włóknie wynosi λο około 1280 nm, co odpowiada średnicy modalnej około

164 373 pm; przy promieniu zwinięcia Rc 50 mm wspomniana graniczna długość fali wynosi λ c około 1100 nm, co odpowiada średnicy modalnej około 5,3 pm, podczas gdy mod podstawowy energii pompującej ma średnicę około 3,8^4,0 pm.

Dla włókna jednomodalnego, o kształcie prostoliniowym, przy długości fali energii pompującej średnica modalna dla długości fali sygnału użytecznego jest większa niż 6 pm.

Dla najlepszego wykorzystania właściwości włókna aktywnego we wzmacniaczu według przedstawionego wynalazku cała długość włókna aktywnego powinna być zwinięta według przewidywanego promienia zwinięcia, czyli włókno winno mieć formę zakrzywioną, przykładowo winno być tak zwinęte, aby uformować cewkę na odpowiedniej podstawie, jak to schematycznie pokazano na fig. 5, tuż za połączeniem przez spawanie do włókna złącza dichroicznego 5.

Gdyby powyższe warunki były niemożliwe do uzyskania, lub niepożądane, przykładowo dla uniknięcia naprężeń powstających podczas zwijania dla uzyskania kształtu cewki i żeby naprężenia te nie przeniosły się na złącze spawane 15, które i tak zazwyczaj stanowi słaby mechanicznie punkt włókna można przyjąć, jak to pokazano na fig. 6, obecność odcinka prostoliniowego 16 włókna aktywnego, który korzystnie nie powoduje zasadniczego ograniczenia korzyści uzyskanych przez zwinięcie włókna aktywnego.

Korzystnie długość Lr odcinka prostoliniowego, lub prawie prostoliniowego 16 włókna aktywnego, czyli odcinka o promieniu zwinięcia większym niż Rc, jak to zdefiniowano powyżej, tuż za złączem, winna być mniejsza niż 400 mm, a jeszcze korzystniej LrC200 mm, taki sam w zasadzie prostoliniowy odcinek włókna może także wystąpić na drugim końcu włókna aktywnego obok jego połączenia z włóknem kabla, bez znacznego pogorszenia efektywności wzmocnienia.

W rzeczywistości sprzężenie wyższych modów we włóknie jest proporcjonalne do długości drogi w tym włóknie, a więc po przebyciu odcinka o określonej wyżej długości energia pompująca nie ulegnie transformacji z modu podstawowego na wyższe mody.

Z drugiej strony, korzystnie wyniki, czyli wzrost efektywności wzmocnienia w odniesieniu do wzmacniaczy, w których włókno aktywne jest jednomodalne przy długości fali energii pompującej także mogą być osiągnięte, według przedstawionego wynalazku, dla włókna aktywnego, które jest zwnięte tylko na części swojej długości, gdyby było to potrzebne dla spełnienia wymagań wynikających z innych przyczyn, przy założeniu, że odcinek zwnięty włókna o promieniu zwinięcia odpowiadającym propagacji modu podstawowego tylko dla energii pompującej będzie dłuższy niż 70% ogólnej długości włókna.

Dla celów konstrukcyjnych, a w szczególności dla utrzymania zwartości budowy wzmacniacza w określonych granicach, zwinięty odcinek włókna tworzy jego środkową część, podczas gdy odcinki wprowadzający i odprowadzający, przyległe do końcowych łączy spawanych włókna mogą być prostoliniowe, jednakże,dla wymagań specjalnych, włókno aktywne może być zbudowane z kilku odcinków zwiniętych, oddzielonych odcinkami w zasadzie prostoliniowymi.

Jako przykład wykonania zostało przygotowane włókno aktywne posiadające następujące parametry:

Średnica rdzenia 3,6 pm

Liczbowa rozwartość optyczna(n2 i-^)¹^ 0,23

A_c (teoretyczna, graniczna długość fali) 1100 nm

Średnica jednomodalna 5,3 pm

Stężenie erbu (wagowo Er2O3) 350 ppm

Zbudowano wzmacniacz z zastosowaniem powyższego włókna, według schematu przedstawionego na fig. 1, w którym włókno zostało uformowane w kształcie przylegających ściśle zwojów o promieniu zwinięcia R = 50mm, na całej jego długości, w tych warunkach zmierzono wartość granicznej długości fali:

Ac (R) (graniczna długość fali przy promieniu R) 980 nm

Wzmacniacz w którym wykorzystano włókno posiadał następujące parametry:

Energia pompująca 17 m W

Długość włókna aktywnego 8,4m

164 373 9

Wzmacniacz został dołączony do włókna o granicznej długości fali λ c (F)= 1100 nm, dając wzmocnienie mocy sygnału użytecznego:

Natężenie sygnału wejściowego - 45 dBm

Złącze optyczne wzmacniacza było wyposażone we włókno przenoszące sygnał użyteczny i energię pompującą przy granicznej długości fali λ _C(A) = 980 nm.

Przy opisanym układzie osiągnięto następujący współczynnik wzmocnienia:

Gi 30 dB

Dla porówanania zbudowano wzmacniacz o takim samym układzie, ale wykorzystujący włókno aktywne o następujących parametrach:

Średnica rdzenia 3,6pm

Liczbowa rozwartość optyczna (n² i-n²2)^vz 0,21 λ c (teoretyczna, graniczna długość fali) 980 nm

Średnica jednomodalna sygnału użytecznego 6,2μηι

Stężenie erbu (wagowo Er2O3) 350 ppm

Włókno zostało wykorzystane we wzmacniaczu, przy ukształtowaniu w zasadzie prostoliniowym, w znaczeniu wyżej opisanym, tak, aby wprowadzić duże zmiany w jego granicznej długości fali.

Wzmacniacz posiadał następujące parametry:

Energia pompująca 20 m W

Długość włókna aktywnego 10 m

Sygnał użyteczny, który winien ulec wzmocnieniu, przenoszony przez włókno podobne do opisanego w poprzednim przykładzie miał następujące natężenie:

Natężenie sygnału wejściowego - 45 dBm

Uzyskano następujący współczynnik wzmocnienia:

G, 30 dB

Jak widać, wzmacniacz według wynalazku był w stanie zapewnić taki sam współczynnik wzmocnienia jak porównywany wzmacniacz wykorzystujący włókno w zasadzie prostoliniowe, pomimo tego, że zastosowano krótszy odcinek włókna aktywnego i niższe natężenie energii pompującej, a więc wykazał znacząco większą efektywność.

Podpora dla zwiniętych zwojów włókna, zapewniająca utrzymanie ich przy założonym promieniu zwinięcia może być dowolnego rodzaju, także uzależnionego od konstrukcji obudowy wzmacniacza, i dlatego nie jest ona szczegółowo opisywana.

Przedstawiony wynalazek może zawierać różne modyfikacje, pod warunkiem, że nie zmieniają one jego istoty.

164 373

Departament Wydawnictw UP RP. Nakład 90 egz.

Cena 10 000 zł

Claims

Zastrzeżenia patentowe

1. Wzmacniacz optyczny, zwłaszcza dla telekomunikacyjnych łączy światłowodowych, włączony szeregowo z włóknem optycznym kabla, zawierający co najmniej źródło świetlnej energii pompowania, złącze dichroiczne posiadające dwa wejścia dołączone do włókna optycznego kabla przenoszącego sygnał użyteczny i do źródła energii pompowania oraz wyjście dołączone do jednego końca włókna aktywnego zawierającego w rdzeniu optycznym domieszkę fluoroscencyjną o emisji w zakresie długości fali sygnału użytecznego i pompowanego przy długości fali źródła energii pompowania, znamienny tym, że aktywne włókno optyczne (7) jest ukształtowane w zasadzie prostoliniowo zapewniając jednomodową propagację światła przy długości fali sygnału użytecznego i wielomodową propagację światła przy długości fali energii pompowania, przy czym to włókno (7) jest w postaci zwiniętej co najmniej na 70% swojej długości, z promieniem zwinięcia odpowiadającym propagacji we włóknie tylko podstawowego modu przy długości fali energii pompowania.
2. Wzmacniacz według zastrz. 1, znamienny tym, że aktywne włókno optyczne (7) jest zwinięte z promieniem zwinięcia w zakresie od 20 do 140 mm.
3. Wzmacniacz według zastrz. 2, znamienny tym, że promień zwinięcia aktywnego włókna optycznego mieści się w zakresie od 35 do 100mm.
4. Wzmacniacz według zastrz. 1, znamienny tym, że aktywne włókno optyczne (7) zawiera w rdzeniu erb jako domieszkę fluoroscencyjną, przy czym zasadniczo prostoliniowo ukształtowane aktywne włókno optyczne (7) jest jednomodowe przy długości fali sygnału użytecznego w zakresie od 1520 do 1570nm i wielomodowe przy długości fali energii pompowania 980 nm (±10 nm), a ponadto aktywne włókno optyczne (7) w postaci zwiniętej jest jednomodowe przy długości fali energii pompowania 980 nm (±10 nm).
5. Wzmacniacz według zastrz. 1, znamienny tym, że aktywne włókno optyczne (7) ma co najmniej część zwiniętą (11) o promieniu zwinięcia odpowiadającym propagacji we włóknie tylko podstawowego modu przy długości fali energii pompowania, która to część przylega do odcinków prostoliniowych (16), a długość części zwiniętej lub sumy kilku części zwiniętych jest większa od 70% całkowitej długości aktywnego włókna optycznego.
6. Wzmacniacz według zastrz. 5, znamienny tym, że aktywne włókno optyczne (7) ma pojedynczą ciągłą część zwiniętą (11) o promieniu zwinięcia odpowiadającym propagacji we włóknie tylko podstawowego modu przy długości fali energii pompowania, a odcinki prostoliniowe (16) włókna występują na jednym, lub obu końcach aktywnego włókna optycznego.
7. Wzmacniacz według zastrz. 6, znamienny tym, że aktywne włókno optyczne (7) jest zwinięte z promieniem zwinięcia odpowiadającym propagacji tylko podstawowego modu we włóknie, przy długości fali energii pompowania, na całej jego długości, poza końcowymi odcinkami prostoliniowymi (16), które nie podlegają zwinięciu i każdy z nich ma długość mniejszą od 400 mm.
8. Wzmacniacz według zastrz. 7, znamienny tym, że końcowe odcinki prostoliniowe (16), które nie podlegają zwinięciu, mają długość mniejszą od 200 mm.