PL164864B1 - Wzmacniacz optyczny dla telekomunikacyjnego lacza swiatlowodowego30) Pierwszenstwo:30.10.1989, IT,89 22197 PL PL PL - Google Patents

Abstract

1. Wzmacniacz optyczny dla telekomunika- cyjnego lacza swiatlowodowego, pracujacy z sygna- lem uzytecznym w okreslonym zakresie dlugosci fali, zawierajacy wlókno aktywne zdolne do emisji laserowej domieszkowane erbem, znamienny tym, ze aktywne wlókno optyczne zawiera dodatkowa substancje domieszkowa rozmieszczona wzdluz wlókna, która to substancja domieszkowa dla swiatla o dlugosci fali nizszej niz 1540 nm wykazuje absorpcje znacznie wyzsza od absorpcji, jaka ta dodatkowa substancja domieszkowa wykazuje dla swiatla o dlugosci fali zmieniajacej sie od 1540nm do najwyzszej wartosci pasma sygnalu uzytecz- nego, a ta dodatkowa substancja domieszkowa jest samar w postaci kationu trójwartosciowego. F I G . 5 PL PL PL

Description

Przedmiotem wynalazku jest wzmacniacz optyczny dla telekomunikacyjnego łącza światłowodowego.

Znane są włókna światłowodowe, których rdzeń jest domieszkowany określonymi substancjami, na przykład jonami pierwiastków ziem rzadkich. Posiadają one charakterystykę emisji wymuszonej- umożliwiającą · ich zastosowanie jako źródeł laserowych i wzmacniaczy optycznych. Włókna tego rodzaju mogą być zasilane źródłem światła o określonej długości fali, którejest zdolne doprowadzić atomy substancji domieszkowej do stanu wzbudzenia energetycznego, czyli do pasma pompowania, z którego to stanu atomy spontanicznie w krótkim czasie przechodzą do stanu emisji laserowej, w którym to stanie pozostają one przez względnie dłuższy czas.

Kiedy przez włókno zawierające dużą liczbę atomów pobudzanych do stanu emisji przepływa sygnał świetlny o długości fali odpowiadającej temu stanowi emisji laserowej, sygnał świetlny powoduje przejście wzbudzonych atomów na niższy poziom energetyczny i emisję światła o długości fali sygnału świetlnego. Z tych powodów włókno tego rodzaju może być stosowane dla celów wzmacniania sygnałów świetlnych.

Zaczynając od stanu wzbudzenia, przejście energetyczne atomów może wystąpić także spontanicznie, czyli nastąpi emisja przypadkowa, wytwarzająca szum tła pokrywający się z emisją wymuszoną, odpowiadającą wzmocnionemu sygnałowi. Zjawiska takie występują przy określonych długościach fali charakterystycznych dla danej substancji domieszkowej, czyli tworzą widmo fluoroscencyjne. W celu uzyskania maksymalnego wzmocnienia sygnału przy zastosowaniu włókna światłowodowego znanego typu, przy jednoczesnym utrzymaniu wysokiego stosunku sygnał/szum zazwyczaj stosuje się sygnały odpowiadające maksimum występującego na krzywej

164 864 3 widma fluoroscencyjnego włókna zawierającego odpowiednią substancję domieszkową, taki sygnał jest odpowiednio generowany przez emiter laserowy.

Dla przykładu można zastosować włókno wzmacniające, którego rdzeń jest domieszkowany jonami aluminium (Al³⁺) i jonami erbu (Er³⁺), jak przedstawiono w europejskim opisie patentowym EP-A-0345957, jednakże widmo fluoroscencyjne erbu w zakresie odpowiednich długości fal posiada względnie wąski pik emisyjny, który zmusza do zastosowania jako źródło sygnału użytecznego emiterów laserowych pracujących przy ściśle określonej długości fali i z wąskim pasmem tolerancji, ponieważ sygnały wychodzące poza to pasmo nie będą odpowiednio wzmocnione, gdy w tym samym czasie przy tych długościach fali nastąpi silne wzmocnienie szumu tła. Jednakże emitery laserowe o potrzebnej charakterystyce są drogie i kłopotliwe w produkcji, a popularne przemysłowe wykonania takich laserów posiadają szerokie pasmo tolerancji w stosunku do długości fali emisyjnej.

Dla niektórych zastosowań, zwłaszcza dla podmorskich łączy telekomunikacyjnych mogą być zastosowane emitery sygnału użytecznego pracujące przy właściwej długości fali, uzyskane drogą dokładnej selekcji spośród laserów dostępnych na rynku tak, aby wybrać do zastosowania tylko takie, których emisja odpowiada ściśle szczytowej emisji laserowej zastosowanego włókna wzmacniającego. Takie postępowanie jest natomiast nie do przyjęcia z ekonomicznego punktu widzenia wówczas, gdy chodzi o inne rodzaje łączy telekomunikacyjnych, zwłaszcza łącza miejskie, gdzie problemem o dużej wadze jest ograniczanie kosztów instalacyjnych.

Dla przykładu, włókno według opisu patentowego EP-A-0345957, jest domieszkowane jonami aluminium dla modyfikacji współczynnika odbicia, a jony erbu pozwalają na zastosowanie emisji laserowej o szczycie około 1531 nm, który w paśmie tolerowancji ±5 nm wykazuje wysoką intensywność i może być zastosowane do wzmacniania sygnału. Dlatego do współpracy z takim włóknem optycznym lepiej jest stosować sygnał znajdujący się w tym samym paśmie długości fali. Jednakże dostępne na rynku lasery półprzewodnikowe, które mogłyby nadawać się do zastosowania, są zazwyczaj produkowane w zakresie długości fali od 1520 do 1570 nm.

W rezultacie duża liczba handlowo dostępnych laserów znajduje się poza tym pożądanym pasmem i nie mogą one wytwarzać sygnałów, które mogłyby być właściwie wzmacniane.

Jednocześnie wiadomo, że włókna domieszkowane erbem posiadają obszar w paśmie emisyjnym o wysokiej i stosunkowo stałej intensywności przy długościach fali przylegających do wspomnianego piku i mieszczących zakres sygnałów handlowo dostępnych laserów. Jednakże w takim włóknie światłowodowym, sygnał który znajdzie się poza zakresem maksimum piku emisyjnego byłby wzmocniony w sposób ograniczony. Ponadto, przejście spontaniczne ze stanu emisji laserowej we włóknie występuje zasadniczo przy emisji o długości fali zgodnej z pikiem widma przy 1531 nm i przez to generuje szum tła, który jest dalej wzmacniany na długości włókna i nakłada się na sygnał użyteczny.

Można sobie wyobrazić przeprowadzenie filtracji emisji świetlnej wytwarzające szum na końcu wzmacniacza, przepuszczając tylko długość fali sygnału użytecznego, a dla tego celu zastosowanie odpowiedniego filtru na końcu włókna aktywnego. Jednakże obecność niepożądanej emisji we włóknie w zakresie maksymalnego wzmocnienia przez włókno, wykorzystywałoby energię pompującą, czyli czyniłoby włókno właściwie nieaktywne do wzmocnienia sygnału użytecznego.

Znane są takie filtry interferencyjne, które są rozmieszczone w różnych miejscach wzdłuż włókna wzmacniającego, lecz znane filtry takiego rodzaju zbudowane są z elementów dyskretnych, nie zaś z fragmentów włókna i dlatego wymagają one przejścia wiązki światła w powietrzu, co czyni je nieprzydatnymi do zastosowań przemysłowych.

Powstaje więc problem dostarczenia takiego aktywnego włókna światłowodowego, które zastosowane we wzmacniaczach optycznych byłoby przystosowane do współpracy z dostępnymi w handlu laserami, przy emisji sygnału użytecznego bez dalszych ograniczeń.

Przedstawiony wynalazek ma na celu opracowanie wzmacniacza optycznego z domieszkowanym włóknem optycznym, zdolnym do zadowalającego wzmocnienia w wystarczająco szerokim zakresie długości fali, czyli umożliwiającego zastosowanie handlowo dostępnych laserów, a jednocześnie ograniczającego emisję spontaniczną materiału dla niepożądanych długości fali, czyli

164 864 zmniejszającą zdolności wzmacniające włókna i wytwarzające szum tła o dużej intensywności, w porównaniu z sygnałem użytecznym.

Wzmacniacz optyczny dla telekomunikacyjnego łącza światłowodowego, pracujący z sygnałem użytecznym o określonej długości fali, zawierający aktywne włókno światłowodowe zdolne do emisji laserowej, domieszkowane erbem, według wynalazku charakteryzuje się tym, że aktywne włókno optyczne zawiera dodatkową substancję domieszkową, rozmieszczoną wzdłuż tego włókna. Ta substancja domieszkowa, dla światła o długości fali mniejszej niż 1540 nm wykazuje absorpcję znacznie wyższą od absorbcji jaką ta dodatkowa substancja domieszkowa wykazuje dla światła o długościach fal zawartych w zakresie od 1540 nm do najwyższej wartości określonego pasma sygnału użytecznego. Tą dodatkową substancją domieszkową jest samar, w postaci kationu trójwartościowego.

Zawartość samaru w aktywnym włóknie optycznym w odniesieniu do zawartości erbu w tymże włóknie jest określona procentowo wagowo w stosunku do zawartości tlenków zależnością < [SmąOą] [Er₂O₃] przy czym zawartość erbu we włóknie wynosi korzystnie 10 do 100 ppm wagowo.

Rozwiązanie według wynalazku jest objaśnione w przykładzie wykonania na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia schemat wzmacniacza optycznego wykorzystującego włókno aktywne, fig. 2 - wykres przejść energetycznych zachodzących we włóknie wzmacniacza z fig. 1, które to przejścia wykorzystywane są do wytwarzania wymuszonej (laserowej) emisji, fig. 3 - wykres krzywej emisji wymuszonej dla włókna optycznego o bazie krzemowej, domieszkowanego jonami Al³⁺ i Er³⁺, fig. 4 - wykres krzywej emisji wymuszonej dla włókna optycznego z fig. 1, domieszkowanego jonami Al3+ i Er3+ oraz dodatkowo jonami Sm³+, a fig. 5 przedstawia wykres absorpcji światła optycznego włókna krzemowego domieszkowanego jonami Al³+ i Er3+ oraz dodatkowo jonami Sm³+.

Dla uzyskania wzmocnienia sygnału użytecznego we włóknie optycznym, stosuje się korzystnie wzmacniacz z włóknem aktywnym. Budowa takiego wzmacniacza jest schematycznie przedstawiona na fig. 1. Do optycznego włókna aktywnego 1 jest przesyłany sygnał użyteczny o długości fali λβ, a sygnał ten jest generowany przez laser emisyjny sygnałów 2. Sygnał, który ulega osłabieniu po przebyciu pewnej długości łącza, jest przesyłany do złącza dichroicznego 3, gdzie na wspólnym wyjściowym włóknie 4 jest kojarzony z sygnałem pompującym o długości fali Λ_ρ, wytwarzanym przez laser emisji energii pompującej 5. Włókno aktywne 5 dołączone jest do włókna 4 wychodzącego ze złącza, a całość tworzy jednostkę wzmacniającą sygnału użytecznego, który to sygnał jest wprowadzony do włókna łącza 7 i którym jest przesyłany do miejsca swego przeznaczenia.

Dla zbudowania włókna aktywnego 6 tworzącego element wzmacniający jednostki, dogodnym jest zastosowanie krzemowych włókien optycznych domieszkowanych roztworem zawierającym AI2O3 i Er₂O3. Włókna takie zapewniają dobre wzmocnienie sygnału użytecznego, uzyskane przez wykorzystanie przejść energetycznych atomów erbu.

Jak pokazano na fig. 2 odnoszącym się do włókna omawianego typu i symbolicznie pokazującym możliwe stany energetyczne jonów erbu w roztworze podstawowej matrycy krzemowej włókna, wprowadzenie do włókna aktywnego pompującej energii świetlnej o długości fali λ p niższej, niż długość fali sygnału użytecznego λ ₈, przenosi pewną liczbę jonów Er³+ obecnych w matrycy materiałów włókna jako substancja domieszkowa, na poziom energetyczny wzbudzenia 8, stąd dalej nazywanego poziomem pompowania. Z tego poziomu jony spontanicznie przechodzą na poziom energetyczny 9, czyli poziom emisji laserowej.

Na poziomie emisji laserowej 9 jony erbu Er³+ mogą przebywać przez stosunkowo długi okres czasu przed spontanicznym przejściem do poziomu podstawowego 10.

Przejście energetyczne z pasma 8 do pasma 9 połączone jest z emisją cieplną, która później jest rozpraszana na zewnątrz włókna (promieniowanie fononowe), natomiast przejście energetyczne z pasma 9 na podstawowy poziom energetyczny 10 związane jest z generowaniem emisji świetlnej o długości fali odpowiadającej wartości energetycznej emisji laserowej pasma 9. Jeżeli przez włókno

164 864 zawierające dużą liczbę jonów znajdujących się na poziomie emisji laserowej przepływa sygnał o długości fali odpowiadającej długości fali tej emisji, wspomniany sygnał wywoła wymuszone przejście jonów ze stanu emisji do stanu podstawowego, zanim nastąpiłoby to w wyniku przejścia spontanicznego, związanego ze zjawiskiem kaskadowym, co wywołuje na wyjściu włókna aktywnego emisję silnie wzmocnionego sygnału użytecznego.

Przy nieobecności sygnału użytecznego, przejście spontaniczne ze stanu emisji laserowej wyrażone jest liczbami dyskretnymi i jest charakterystyczne dla każdej substancji, a daje wzrost jaskrawości subiektywnej posiadającej wartości szczytowe przy różnych częstotliwościach, związanych z osiąganymi poziomami, zwłaszcza jak to przedstawiono na fig. 3, włókno Si/Al domieszkowane jonami erbu Er³+ stosowane we wzmacniaczach optycznych przy długości fali 1531 nm wykazuje szczyt emisyjny o dużym natężeniu, natomiast przy wyższych długościach fali, aż do około 1560 nm występuje obszar, w którym emisja jest nadal znaczna, lecz jej natężenie jest już niższe.

W obecności sygnału świetlnego wprowadzonego do włókna, o długości fali odpowiadającej szczytowi emisyjnemu erbu Er³⁺ przy 1531 nm, wystąpi bardzo silne wzmocnienie sygnału, podczas gdy szum tła wywołany przez emisję spontaniczną erbu ma wartość ograniczoną, co sprawia że takie włókno można zastosować we wzmacniaczach optycznych dla sygnałów o tej samej długości fali.

Dostępne na rynku i dogodne do zastosowania lasery generujące sygnał użyteczny, typu półprzewodnikowego (In, Ga, As) posiadają pasmo emisyjne w zakresie 1,52 do 1,57 nm, co oznacza, że ich technologia wytwarzania nie jest w stanie zapewnić emisji sygnału użytecznego o dokładnej wartości częstotliwości odpowiadającej szczytowi emisyjnemu włókna domieszkowanego erbem, gdy natomiast zostaną zastosowane jako wzmacniacze, to wówczas duży procent wyprodukowanych egzemplarzy wytwarza sygnał, który znajduje się w obszarze sąsiadującym ze wspomnianym szczytem emisyjnym krzywej emisji włókna.

Sygnał generowany przez wspomniane emitery laserowe nie może być wzmocniony z wystarczającym współczynnikiem wzmocnienia przez włókno optyczne domieszkowane erbem, ponieważ energia pompująca wprowadzona do włókna aktywnego byłaby głównie zużyta na wzmocnienie szumu tła wytwarzanego we włóknie wzmacniacza w związku ze spontaniczną emisją erbu o długości fali 1531 nm.

Zaobserwowano jednakże, że włókno zawierające pewną ilość jonów samaru (Sm³⁺) jako dodatkowej substancji domieszkowej łącznie z domieszką erbu (Er³⁺) charakteryzuje się krzywą emisji wymuszonej w zakresie długości fali o kształcie przedstawionym na fig. 4, bez szczytu wysokiej intensywności, znajdującego się przy 1531 nm, wy kazuje natomiast wysoką i nieomal stałą wartość szerokiego pasma znajdującego się pomiędzy 1530 i 1560 nm.

Takie włókno może być także zastosowane we wzmacniaczu optycznym pracującym przy sygnale wytworzonym przez dostępne w handlu emitery laserowe, ponieważ jest ono w stanie wytworzyć efekt wzmocnienia, z zadawalającym współczynnikiem wzmocnienia dla sygnału użytecznego znajdującego się we wspomnianym paśmie długości fali, bez wytworzenia nieakceptowalnej ilości szumu.

Dla przykładu zbudowano wzmacniacz zgodnie ze schematem przedstawionym na fig. 1, zawierający włókno aktywne 6 typu step-index Si/Al, domieszkowane jonami (Er³⁺) i jonami (Sm³+), ilość domieszek wynosiła wagowo 40 ppm dla Er2O3 i 60 ppm dla Sm2O3. Długość włókna aktywnego wynosiła 30 m.

Zastosowano emiter laserowy energii pompującej 5, którym był laser argonowy pracujący przez 528 nm, posiadający moc 150 mW, a jako emiter laserowy sygnału użytecznego 2 zastosowano handlowo dostępny laser półprzewodnikowy (In, Ga, As) o mocy 1 mW, o zmierzonej długości fali emisji 1560 nm.

Przy opisanym eksperymencie ze wzmacniaczem uzyskano wzmocnienie 27 dB, przy sygnale wejściowym 1 mW.

Przy braku sygnału, za wzmacniaczem zmierzono poziom 10pW emisji spontanicznej. Taka wartość emisji stanowiącej szum tła wytwarzany przez wzmacniacz, nie stanowi istotnego szumu w porównaniu z sygnałem, który był wzmacniany do znacznie wyższego poziomu, około 250 pW.

164 864

Dla porównania, taki sam laserowy emiter sygnału użytecznego został użyty ze wzmacniaczem o takiej samej budowie jak w poprzednim przykładzie, ale który posiadał włókno aktywne 6 typu step-index Si/Al, domieszkowane tylko jonami erbu Er³⁺ o zawartości 40 ppm wagowo. Włókno aktywne miało 30 m długości.

Wspomniany wzmacniacz wykazał przy sygnale użytecznym o długości fali 1560 nm współczynnik wzmocnienia niższy niż 15 dB, natomiast emisja spontaniczna była tego samego rzędu co sygnał wyjściowy.

Jak widać z powyższych przykładów, podczas gdy wzmacniacz z drugiego przykładu wykazał ograniczone wzmocnienie, a także wprowadził taki szum, że odbiór sygnału użytecznego był utrudniony, czyli że taki wzmacniacz był praktycznie bezużytecznym, wzmacniacz z zastosowaniem włókna aktywnego według przedstawionego wynalazku, co jest widpczne z pierwszego przedstawionego przykładu, potwierdził swoje możliwości zapewnienia wysokiego wzmocnienia sygnału przy jednoczesnym wprowadzeniu szumu, który jest pomijalny.

Uzyskany rezultat jest spowodowany obecnością samaru jako dodatkowej substancji domieszkowej we włóknie aktywnym. W rzeczywistości samar zachowuje się jak absorber emisji erbu o długości fali 1531 nm, a jednocześnie nie absorbuje on w sposób widoczny energii świetlnej o wyższych długościach fali, czyli wyrównuje on pasmo emisyjne włókna aktywnego, czyli że efektywnie wzmacnia sygnały użyteczne w paśmie wystarczająco szerokim, żeby mieściła się w nim większość dostępnych na rynku laserów półprzewodnikowych (In, Ga, As).

Jak przedstawiono na fig. 5, gdzie mamy do czynienia z krzywą absorbcji na jednostkę długości dla włókna Si/Al domieszkowanego samarem, obecność samaru we włóknie powoduje dla długości fali znacznie niższych niż 15Onm absorpcję znacznie wyższą, niż absorpcja jaka występuje pomiędzy 1540 nm i 1560 nm. Oznacza to, że samar wprowadzony do włókna zgodnie z niniejszym wynalazkiem, zachowuje się jak filtr rozłożony wzdłuż włókna aktywnego, absorbujący fotony o długości fali 1531 nm natychmiast po ich generowaniu przez przejście spontaniczne z poziomu energii laserowej jonów erbu (Er3+). Unika się w ten sposób przechodzenia fotonów dalej wzdłuż włókna i wywoływania dalszych przejść spontanicznych dla tych długości fali i przez to wyczerpujących energię pompującą w zakresie długości fali sąsiadujących do wartości, przy której jest przesyłany sygnał użyteczny i wytwarzający wzmocniony szum tła.

Ilość erbu zawarta we włóknie aktywnym jest dobierana odpowiednio do pożądanego współczynnika wzmocnienia dla zastosowanej długości włókna, czyli że długość włóknajest dobierana w zależności od ilości erbu zawartego we włóknie w funkcji pożądanego współczynnika wzmocnienia. Zazwyczaj zawartość erbu we włóknie, w formie tlenkowej (Er2O3)jest od 10 do 100 ppm wagowo.

Odpowiednio do takiej zawartości erbu we włóknie, wagowa zawartość samaru w postaci tlenku (Sm2O3), powinna być równa lub korzystnie większa od zawartości erbu. Zakres zawartości samaru określa się zawartością:

1< [S1112O33 _<ιη [Er₂O₃]

Substancje domieszkowe są wprowadzane do materiału włókna na przykład technologią roztworu (solution doping) znaną fachowcom, która zapewnia zadowalające rezultaty ilościowe, lub innymi znanymi technologiamiu, w zależności od konkretnych potrzeb.

Pomimo faktu, że przedstawiony wynalazek został opisany przy założeniu użycia samaru jako substancji domieszkowej we włóknie aktywnym, inne substancje domieszkowe mogą być zastosowane dla takich celów, przy założeniu, że będą one charakteryzowały się wysoką absorpcją światła, odpowiadającą maksimum długości fali emisji spontanicznej erbu, czyli około 1531 nm, wykazując w tym samym czasie znacznie niższą absorpcję świetlną dla długości fali wyższej od tej i korzystnie wyższej niż 1540nm dla całego pasma tolerancji wykonania dostępnych na rynku laserowych emiterów sygnałowych.

Aby nie wpływać na energię pompującą wzmacniacza niezbędną dla przeprowadzenia inwersji obsadzeń wywołującej emisję laserową we włóknie optycznym, wspomniana energia pompująca

164 864 7 jest dostarczana do włókna w formie promieniowania świetlnego o długości fali niższej niż długość fali sygnału użytecznego.

Substancja domieszkowa dodana obok erbu do materiału włókna, jak samar, nie może posiadać wykrywalnej absorpcji świetlnej dla długości fali energii pompującej, która korzystnie winna wynosić 528 do 980 nm.

FIG.3

FIG. 4

1500 1600 X(nm)

FIG.5

wmui

FIG. 2

Departament Wydawnictw UP RP Nakład 90 egz. Cena 1,00 zł.

Claims (3)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Wzmacniacz optyczny dla telekomunikacyjnego łącza światłowodowego, pracujący z sygnałem użytecznym w określonym zakresie długości fali, zawierający włókno aktywne zdolne do emisji laserowej domieszkowane erbem, znamienny tym, że aktywne włókno optyczne zawiera dodatkową substancję domieszkową rozmieszczoną wzdłuż włókna, która to substancja domieszkowa dla światła o długości fali niższej niż 1540nm wykazuje absorpcję znacznie wyższą od absorpcji, jaką ta dodatkowa substancja domieszkowa wykazuje dla światła o długości fali zmieniającej się od 1540 nm do najwyższej wartości pasma sygnału użytecznego, a tą dodatkową substancją domieszkową jest samar w postaci kationu trójwartościowego.
2. 2. Wzmacniacz według zastrz. 1, znamienny tym, że zawartość samaru w aktywnym włóknie optycznym w odniesieniu do zawartości erbu w tymże włóknie jest określona procentowo wagowo w stosunku do zawartości tlenków zależnością:

   1 < [SPt2O3] [Er₂C>3]
3. 3. Wzmacniacz według zastrz. 2, znamienny tym, że zawartość erbu we włóknie wynosi 10 do 100 ppm wagowo.