PL168016B1 - Lacze swiatlowodowe ze wzmacniaczem optycznym z wlóknem aktywnym1. Lacze swiatlowodowe ze wzmacniaczem opty-cznym z wlóknem aktywnym, w którym nadajnik tran s-m itowanego sygnalu sw ietlnego je s t polaczony zodbiornikiem sygnalu przez linie swiatlowodowa dale-kiego zasiegu, podzielona n a odcinki, z których kazdyzakonczony jest liniowym wzmacniaczem optycznym z wlóknem aktywnym, wyposazonym w laserowe zródlo pompujace, przy czym lacze to zawiera przynajmniej jeden izolator optyczny jednokierunkowo przenoszacy sygnal swietlny od nadajnika do odbiornika sygnalu, a nadajnik sygnalu zawiera wzmacniacz optyczny mocy z wlóknem aktywnym, znam ienne tym , ze wejsciowy odcinek linii swiatlowodowej (3) dolaczony jest do kon- PL PL PL - Google Patents

Description

Przedmiotem wynalazku jest łącze światłowodowe ze wzmacniaczem optycznym z włóknem aktywnym.

Jak wiadomo, światłowody z rdzeniem domieszkowanym przez określone substancje domieszkowe, zwłaszcza jony pierwiastków ziem rzadkich, posiadają własności emisji wymuszonej i są korzystnie stosowane jako włókna wzmacniaczy optycznych w światłowodowych łączach telekomunikacyjnych telefonii publicznej.

168 016

Taki rodzaj wzmacniacza przedstawiony jest w opisie europejskiego zgłoszenia patentowego nr EP-A-0409012.

We wzmacniaczach światłowodowych nazywanych także wzmacniaczami z włóknem aktywnym, transmitowany sygnał świetlny jest wzmacniany bezpośrednio w postaci sygnału świetlnego, bez potrzeby transformowania sygnału, jak ma to miejsce we wzmacniaczach elektronicznych. We wzmacniaczach elektronicznych sygnał optyczny jest przekształcany w sygnał elektryczny, wzmacniany, i ponownie przekształcany w sygnał optyczny. Element wzmacniający wzmacniacza optycznego składa się z określonej długości odcinka światłowodu z rdzeniem domieszkowanym, włączonego szeregowo między dwa odcinki światłowodów, które doprowadzają i odprowadzają sygnały. Wzmacniacz optyczny wyposażony jest ponadto w urządzenie zasilające, dostarczające optyczny sygnał pompujący.

Wzmacniacze tego rodzaju są szczególnie korzystne do stosowania w światłowodowych łączach telekomunikacyjnych, ponieważ zapewniają duże wzmocnienie, w przypadku zastosowania ich w charakterze wzmacniaczy liniowych. Wymaganą wielkość wzmocnienia tych wzmacniaczy uzyskuje się przez dobór długości włókna aktywnego i/lub zawartości domieszki we włóknie. W przypadku zastosowania takiego wzmacniacza w charakterze wzmacniacza mocy, uzyskuje się wysoką sprawność energetyczną.

Przy transmisji sygnału świetlnego wzdłuż łącza światłowodowego, dla pracy wzmacniaczy optycznych niekorzystne są odbicia sygnałów, występujące na końcówkach włókien.

Z japońskich opisów patentowych nr 52-155 901 z 24-12-1977r. i 63-219 186 z 12-091988r. oraz z czasopisma Electronics Letters, vol. 24, nr 1, z dnia 7.01.1988, str. 36-38, wiadomo, że we wzmacniaczu laserowym lub półprzewodnikowym wzmacniaczu optycznym, występuje niebezpieczeństwo niestabilnej pracy i powstawania oscylacji, w wyniku odbić międzyfazowych na powierzchniach granicznych końcówek wzmacniacza.

W rozwiązaniach przedstawionych we wspomnianych opisach patentowych oraz w artykule, dla wyeliminowania odbić, z laserem półprzewodnikowym sprzężony jest izolator optyczny, co powstrzymuje promieniowanie świetlne odbite od powierzchni granicznych między odcinkami kabli światłowodowych i tymi urządzeniami, przed dotarciem do samego lasera.

We wzmacniaczu optycznym z włóknem aktywnym, nie występują powierzchnie graniczne pomiędzy wzmacniaczem a włóknami kabli transmisyjnych, ponieważ włókna kabli są bezpośrednio przyspawane do włókna aktywnego wzmacniacza. We wzmacniaczu z włóknem aktywnym, w zasadzie nie występuje zjawisko odbicia sygnału.

Stwierdzono jednak, że w przypadku braku środków ograniczających odbicia, we wzmacniaczu z włóknem aktywnym nie jest możliwe osiągnięcie dużego wzmocnienia, z powodu występowania szumów o charakterze inteferencyjnym, powstających w wyniku dudnienia sygnału użytecznego i sygnałów odbitych we wnętrzu włókien, a kierujących się do włókna aktywnego. Obecność szumów inteferencyjnych nie ma dużego znaczenia przy wzmacniaczach półprzewodnikowych, które pracują przy małych wzmocnieniach i mają niewielkie wymiary geometryczne. Staje się to natomiast dużym problemem we wzmacniaczach optycznych z włóknem aktywnym, które mają bardzo duże wzmocnienie, a włókno aktywne jest znacznej długości, zazwyczaj rzędu dziesiątków metrów, co znacznie przekracza odległość odpowiadającą odległości utrzymania spójnego sygnału lasera generującego transmitowany sygnał.

Dlatego też powstaje problem zabezpieczenia włókna aktywnego we wzmacniaczach tego typu przed takimi źródłami szumów, i utrzymania każdego rodzaju odbicia w kierunku włókna aktywnego poniżej określonej wartości krytycznej, aby nie dopuścić do obniżenia jakości przysyłanego sygnału, przy jednoczesnym utrzymaniu wysokich wartości wzmocnienia.

We wspomnianym opisie europejskiego zgłoszenia patentowego nr EP-A-0 409 012 zaleca się wprowadzenie do wzmacniaczy z włóknem optycznym izolatora optycznego, który powinien posiadać współczynnik odbicia ograniczony do wartości nie przekraczającej określonej wielkości krytycznej.

Łącze światłowodowe, według wynalazku, zawiera wzmacniacz optyczny z włóknem aktywnym. W łączu tym nadajnik transmitowanego sygnału świetlnego jest połączony z odbiornikiem sygnału przez linię światłowodową dalekiego zasięgu, podzieloną na odcinki. Każdy z odcinków zakończony jest liniowym wzmacniaczem optycznym z włóknem aktywnym, wypo4

168 016 sażonym w laserowe źródło pompujące. Łącze to zawiera przynajmniej jeden izolator optyczny jednokierunkowo przenoszący sygnał świetlny od nadajnika do odbiornika sygnału. Ponadto, nadajnik sygnału zawiera wzmacniacz optyczny mocy z włóknem aktywnym. Łącze tego rodzaju charakteryzuje się tym, że wejściowy odcinek linii światłowodowej dołączony jest do końcówki wejściowej włókna aktywnego wzmacniacza optycznego poprzez szeregowe połączenie wejściowego izolatora optycznego i sprzęgacza dichroicznego, który połączony jest swym wejściowym odcinkiem włókna z laserowym źródłem pompującym. Natomiast końcówka wyjściowa włókna aktywnego dołączona jest do wyjściowego odcinka linii światłowodowej poprzez wyjściowy izolator optyczny. Końcówka wejściowa włókna aktywnego wzmacniacza optycznego mocy dołączona jest do wyjściowego izolatora optycznego nadajnika sygnału, poprzez sprzęgacz dichroiczny.

W korzystnym rozwiązaniu, według wynalazku, wejściowy izolator optyczny włączony jest między wyjściem sprzęgacza dichroicznego, a końcówką wejściową włókna aktywnego.

Wejściowy i wyjściowy izolator optyczny stanowią izolatory optyczne o regulowanej polaryzacji. Powierzchnia końcówki wejściowego odcinka włókna sprzęgacza dichroicznego zaopatrzona jest wielowarstwową powłokę przeciwodbiciową i/lub jest powierzchnią ściętą skośnie względem osi tego włókna. Korzystnie, powierzchnia końcówki wejściowego odcinka włókna sprzęgacza dichroicznego tworzy kąt 5° do 10° z płaszczyzną prostopadłą do osi tego włókna.

W odmiennym wykonaniu, w łączu światłowodowym, według wynalazku, zawierającym wzmacniacz optyczny z włóknem aktywnym, nadajnik transmitowanego sygnału świetlnego jest połączony z odbiornikiem sygnału przez linię światłowodową dalekiego zasięgu, podzieloną na odcinki. Każdy z tych odcinków zakończony jest wzmacniaczem optycznym z włóknem aktywnym, wyposażonym w laserowe źródło pompujące, a włókno aktywne wzmacniacza optycznego włączonejest szeregowo w linię światłowodową dalekiego zasięgu. Łącze charakteryzuje się tym, że przynajmniej jeden izolator optyczny jednokierunkowo przenoszący sygnał świetlny od nadajnika do odbiornika, i mający współczynnik odbicia o wartości bezwzględnej wyższej o 10 dB od wzmocnienia wzmacniacza, włączony jest pomiędzy włókno aktywne wzmacniacza optycznego, a odcinek linii światłowodowej dalekiego zasięgu.

Przedmiot wynalazku jest uwidoczniony w przykładzie wykonania na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia schemat telekomunikacyjnego łącza światłowodowego wyposażonego we wzmacniacz mocy i wzmacniacze liniowe, fig. 2 - schemat blokowy liniowego wzmacniacza optycznego z włóknem aktywnym, fig. 3 - schemat blokowy drugiego przykładu liniowego wzmacniacza optycznego z włóknem aktywnym, a fig. 4 przedstawia schemat blokowy wzmacniacza optycznego mocy z włóknem aktywnym.

Jak przedstawiono na fig. 1, telekomunikacyjne łącze światłowodowe obejmuje nadajnik sygnału 1, odbiornik sygnału 2, które umieszczone są w dużej odległości od siebie, na przykład w odległości setek, lub nawet tysięcy kilometrów. Pomiędzy nadajnikiem i odbiornikiem znajduje się linia światłowodowa 3 dalekiego zasięgu, o odpowiednich parametrach przenoszenia sygnałów. Linią przesyłane są użyteczne sygnały świetlne.

Dla przesłania sygnału na dużą odległość, niezbędnym jest przede wszystkim wysłanie sygnału o odpowiedniej mocy, a następnie stopniowe kompensowanie tłumienia sygnału, powstającego w czasie przejścia tego sygnału wzdłuż światłowodu. Nadajnik sygnału 1 zawierający laser 4 emitujący transmitowany sygnał, połączony jest ze wzmacniaczem mocy 5. W określonej odległości od nadajnika, na przykład po kilkuset kilometrach, w linie światłowodową 3 włączony jest liniowy wzmacniacz optyczny 6, przywracający sygnałowi użytecznemu odpowiedni poziom. Dalej występują kolejne odcinki linii światłowodowej 3 i kolejne liniowe wzmacniacze optyczne 6a, 6b itd., które występują na całej długości linii między nadajnikiem i odbiornikiem.

Wzmacniacze 5 i 6 są korzystnie wzmacniaczami optycznymi. Podczas wzmacniania, sygnał utrzymuje swoją postać sygnału optycznego i nie ma potrzeby przekształcenia go na postać sygnału elektrycznego, wzmocnienia, i ponownego przekształcenia na sygnał optyczny, jak w przypadku wzmacniaczy elektronicznych.

168 016

Dokonywanie przekształceń sygnału ogranicza w praktyce przepustowość łącza, głównie z powodu zmniejszenia szybkości tr^^^^misji, która jest limitowana szybkością działania zastosowanych urządzeń elektronicznych.

Natomiast we wzmacniaczach optycznych, sygnał pozostaje przez cały czas w postaci sygnału świetlnego, i dlatego szybkość transmisji nie podlega ograniczeniu oraz nie występują inne niedogodności. Szczególnie korzystnym jest stosowanie wzmacniaczy optycznych z włóknem o rdzeniu aktywnym.

W praktyce, takie wzmacniacze zapewniają szczególnie korzystne warunki działania, zarówno pod względem uzyskiwanych wzmocnień, jak i efektywności.

Budowa wzmacniacza optycznego z włóknem aktywnym jest przedstawiona schematycznie na fig. 2. Linią światłowodową 3 transmitowany jest sygnał użyteczny, który winien być wzmocniony przy długości fali K- Odcinek linii światłowodowej 3 jest dołączony do sprzęgacza dichronicznego 7, w którym na sygnał użyteczny jest nakładany sygnał pompujący o długości fali λ^. Tak powstały sygnał zostaje doprowadzony poprzez końcówkę wejściową 8 do włókna aktywnego 10. Sygnał pompujący jest wytwarzany przez laserowe źródło pompujące 9. Włókno aktywne 10 stanowi człon wzmacniający wzmacniacza optycznego 6, z którego sygnał jest wprowadzony do kolejnego odcinka linii światłowodowej 3 i skierowany do miejsca przeznaczenia.

Włókno aktywne 10 jest korzystnie włóknem krzemowym, którego rdzeń jest domieszkowany substancją fluoroscencyjną. W obecności świetlnej energii pompującej o długości fali λ^», jest on zdolny do wytworzenia emisji wymuszonej, spójnej z sygnałem użytecznym o długości fali Xs. W ten sposób, sygnał wyjściowy zostaje znacznie wzmocniony w porównaniu do sygnału wejściowego wzmacniacza optycznego 6.

W każdym wzmacniaczu optycznym, wzmocnienie G jest powiązane ze współczynnikami odbicia Ri i R2, mierzonymi na końcówkach wzmacniacza, zgodnie z zależnością:

G(dB) < - 1/2 [Ri(dB) + R₂(dB)], 1/ dla której współczynniki odbicia określa się jako:

R(dB) = 10 1n (Pr/Pt), gdzie Pt jest mocą transmitowaną, a Prjest mocą odbitą.

Z powyższych zależności wynika, że osiągnięcie dużego wzmocnienia we wzmacniaczu jest ograniczone przez właściwości odbiciowe mierzone na końcówkach wzmacniacza. Tak więc, dla osiągnięcia dużego wzmocnienia, niezbędne jest uzyskanie wysokich współczynników odbicia R1 i R2.

W praktyce jednak, jeżeli część sygnału świetlnego, występującego we wzmacniaczu, zostanie odbita od końcówki wzmacniacza i powraca do niego, podlega wzmocnieniu, i częściowo ponownie ulega odbiciu od przeciwległej końcówki wzmacniacza. Następnie znowu jest zwrócona do wzmacniacza, a taki cykl może powtórzyć się kilkakrotnie. Jeśli tego rodzaju odbicia i wzmocnienie wzmacniacza osiągają wysoką wartość, występuje możliwość wejścia wzmacniacza w stan oscylacji, co uniemożliwia jego prawidłową pracę i powoduje konieczność ograniczenia maksymalnego wzmocnienia, dla uniknięcia występowania opisanego zjawiska.

Obok występującego we wzmacniaczu optycznym opisanego zjawiska wewnętrznego odbicia transmitowanego sygnału od różnych elementów tego wzmacniacza sygnały odbite w samym włóknie kabla są także wzmacniane przez wzmacniacz i ponownie odbijane przez elementy położone przed wzmacniaczem. Powoduje to zjawisko dudnienia pomiędzy transmitowanym sygnałem i sygnałami odbitymi. W wyniku tego zjawiska powstają tak zwane szumy interferencyjne.

Takie szumy interferencyjne są szczególnie istotne w przypadku zastosowania wzmacniacza optycznego z włóknem aktywnym, w którym długość elementu wzmacniającego, czyli włókna aktywnego, jest większa od odległości odpowiadającej odległości utrzymania spójnego sygnału lasera generującego sygnał użyteczny. W takich warunkach zanika spójność między sygnałem użytecznym a sygnałami odbitymi. Sygnały odbite zostają przesunięte w czasie względem sygnału użytecznego i jeżeli ich intensywność jest wystarczająco duża, zjawisko staje się szkodliwe dla jakości przesyłanego sygnału.

168 016

Odbicia występujące we wzmacniaczu optycznym powodowane są przez obecność międzyfazowych powierzchni granicznych na jego końcówkach, w wyniku znanego zjawiska refrakcji strumienia świetlnego. Odbicia mogą także wystąpić przy braku takich powierzchni, co ma miejsce we wzmacniaczu z włóknem aktywnym, w którym włókno aktywne 10 jest bezpośrednio zespawane ze sprzęgaczem dichroicznym 7 i z włóknami kabli. Odbicia występują wówczas we wnętrzu samych włókien kabli za i przed wzmacniaczem. Zjawisko to znane jest jako rozproszenie Rayleigh’a. Powoduje ono odbicia energii świetlnej.

W praktyce stwierdzono, że rozproszenie Rayleigh’a, które występuje wzdłuż całego światłowodu, powoduje wystąpienie współczynnika odbicia o wartości około -30 dB. Inne rodzaje odbić powstają przy przesyłaniu sygnałów świetlnych o dużej mocy, zgodnie ze zjawiskiem znanym jako rozproszenie Brillouin’a.

W rozwiązaniu, według wynalazku, ograniczenie maksymalnego wzmocnienia w liniowym wzmacniaczu optycznym, wynikające z opisanych zjawisk odbicia sygnałów, zostaje wyeliminowane przez umieszczenie izolatorów optycznych 1 la, 11b przed i za włóknem aktywnym 10, z których wejściowy izolator optyczny 11a jest umieszczony przed sprzęgaczem dichroicznym 7, tuż za odcinkiem linii światłowodowej 3, a wyjściowy izolator optyczny 11b jest umieszczony za włóknem aktywnym 10, a przed następnym odcinkiem linii światłowodowej 3.

Izolatory optyczne są urządzeniami zapewniającymi jednokierunkowy przepływ energii świetlnej od nadajnika do odbiornika. W rozwiązaniu, według wynalazku, stosuje się korzystnie izolatory optyczne, które są niezależne od polaryzacji sygnału, wykazują stopień izolacji (zatrzymania światła) wyższy co najmniej o 20 dB, i które mają mały współczynnik odbicia, niższy co najmniej o 10 dB od współczynnika odbicia wynikającego z rozproszenia Rayleigh’a we włóknie o nieskończonej długości, a korzystnie niższy o co najmniej 15 dB od powyższej wielkości.

Stwierdzono w badaniach, że obecność izolatorów optycznych o przedstawionych własnościach zapewnia, że domieszkowane włókno aktywne wzmacniacza optycznego pracuje w korzystniejszych warunkach, niż w przypadku występowania szumów powstających w wyniku odbić o różnym charakterze. Wzmacniacz może wówczas pracować przy wzmocnieniach zazwyczaj uzyskiwanych przez wzmacniacze z włóknem aktywnym, czyli o wartości około 30 dB, co w zasadzie odpowiada bezwzględnej wartości współczynnika odbicia związanego z rozproszeniem Rayleigh’a we włóknie o nieskończonej długości.

Dla osiągnięcia wyższego wzmocnienia, potrzebny jest odpowiednio niski współczynnik odbicia, korzystnie o wartości bezwzględnej wyższej co najmniej o 10 dB, a nawet o 15 dB od współczynnika wzmocnienia wzmacniacza.

Z powyższego wynika, że dla uzyskania wzmocnienia 40 dB, współczynnik odbicia liczony w stosunku do włókna aktywnego, w każdym z włókien prowadzących do niego, winien wynosić mniej niż -50 dB, a nawet mniej niż -55 dB przy długości fali transmitowanego sygnału λβ.

Przedstawione właściwości odbiciowe izolatorów optycznych uzyskuje się znanymi metodami, korzystnie przez stosowanie powłok wielowarstwowych, stosowanie skośnie ściętych względem kierunku propagacji międzyfazowych powierzchni granicznych, przez które to powierzchnie przechodzi transmitowany sygnał i inne sygnały, na przykład odbite.

Ponadto, dla uniknięcia szumów spowodowanych odbiciami, wejściowy odcinek włókna 12 sprzęgacza dichroicznego 7, które przenosi świetlną energię pompującą z laserowego źródła pompującego 9 do sprzęgacza dichroicznego 7, i dalej do włókna aktywnego 10, powinno także mieć zmniejszony współczynnik odbicia w porównaniu do włókna aktywnego. Konieczność taka wynika stąd, że część energii świetlnej o długości fali transmitowanego sygnału, która rozchodzi się wstecz do sprzęgacza dichroicznego 7, jest przesyłana przez wejściowy odcinek włókna 12, a sprzęgacze zazwyczaj stosowane do tych celów w dwóch połączonych gałęziach przepływu, nie posiadają zdolności całkowitego rozdzielenia sygnałów o różnej długości fali. W związku z tym niepełnym rozdzieleniem, pewna część energii o długości fali transmitowanego sygnału, o liczącej się wielkości, na przykład kilku procent, jest sprzężona z gałęzią łącza przenoszącą energię pompującą.

Gdy ta część energii świetlnej o długości fali transmitowanego sygnału na końcówce wejściowego odcinka włókna 12 optycznie połączonego z laserowym źródłem pompującym 9

168 016 odbija się, będzie przemieszczać się z powrotem, przez sprzęgacz dichroiczny 7, do włókna aktywnego 10, co spowoduje powstanie szumów interferencyjnych.

Dlatego też wejściowy odcinek włókna 12 sprzęgacza dichroicznego 7 powinien mieć współczynnik odbicia mniejszy o 10 dB, a nawet o 15 dB od wartości odpowiadającej rozproszeniu Rayleigh’a we włóknie o nieskończonej długości, pomniejszonej o dwukrotną wartość tłumienia wywołanego przez przejście transmitowanego sygnału przez gałąź pompującą łącza.

Tak więc koniecznym jest, aby na końcu włókna aktywnego 10, dołączonym do końcówki wejściowej 8 włókna aktywnego 10, współczynnik odbicia każdego włókna do niego dołączonego, był niższy o 10 dB, a nawet o 15 dB od współczynnika odbicia odpowiadającego rozproszeniu Rayleigh’a we włóknie o nieskończonej długości, lub odpowiednio o wartości bezwzględnej, o jaką jest wyższy od wzmocnienia wzmacniacza optycznego 6. Podobnie, współczynnik odbicia na końcówce wyjściowej 16 włókna aktywnego 10, musi spełniać te same warunki.

Przedstawione właściowści odbiciowe wejściowego odcinka włókna 12 są osiągnięte przez zastosowanie powłok wielowarstwowych, lub skośnie ściętych, względem kierunku propagacji, międzyfazowych powierzchni granicznych. Zwłaszcza skośnie ścięta powierzchnia końcówki 13 włókna 12 sprzęgacza dichroicznego 7 dołączonego do laserowego źródła pompującego 9, pod kątem korzystnie mieszczącym się w zakresie 5° - 10°, zapewnia współczynnik odbicia niższy od -15 dB. Po uwzględnieniu tłumienia przy przejściu sygnału przez sprzęgacz dichroiczny 7, tłumienia o wielkości -20 dB dla każdego przejścia, daje ogólny współczynnik odbicia w stosunku do końcówki włókna aktywnego 10, o wielkości -55 dB, czyli mniejszy o 15 dB od współczynnika odbicia wynikającego z rozproszenia Rayleigh’a, który wynosi około 30 dB.

Zjawiska odbicia w wejściowym odcinku włókna 12 sprzęgacza dichroicznego 7 mogą być także wyeliminowane przez wstawienie wejściowego izolatora optycznego 1la za sprzęgaczem dichroicznym 7, bezpośrednio przed włóknem aktywnym 10, jak przedstawiono na fig. 3. Takie rozwiązanie, które pozwala na zastosowanie środków przeciwodbiciowych na końcu wejściowego odcinka włókna 12 sprzęgacza dichroicznego 7, stosowane jest w przypadku, gdy strata energii pompującej w takim izolatorze nie jest szkodliwa dla prawidłowej pracy wzmacniacza optycznego.

W przypadku wzmacniacza optycznego mocy 5, włączonego za laserem 4 emitującym transmitowany sygnał, który jest zasilany sygnałem wejściowym o dużej mocy, wyższym od poziomu nasycenia, obok omówionych zjawisk, może powstać także zjawisko szumów, powstających w wyniku rozproszenia Brillouin’a. W wyniku tego rozproszenia, energia świetlna wprowadzona do odcinka linii światłowodowej wychodzącej ze wzmacniacza optycznego, wzbudza drgania atomów włókna, które to drgania z kolei powodują powstanie sygnału odbitego, o długości fali nieco krótszej od długości fali transmitowanego sygnału. Moc sygnału wychodzącego ze wzmacniacza optycznego mocy 5 zależy tylko od energii pompującej.

Sygnał odbity może generować dudnienia z sygnałem użytecznym, a przez to powstanie szumów zniekształcających transmitowany sygnał, jeśli nałożą się one na szumy powstałe w wyniku uprzednio przedstawionych zjawisk.

W światłowodowym łączu telekomunikacyjnym, jak to schematycznie przedstawiono na fig. 1, nadajnik sygnału 1 zawiera szeregowe połączenie lasera 4 emitującego transmitowany sygnał i wyjściowego izolatora optycznego 15. Do nadajnika sygnału 1 dołączony jest wzmacniacz optyczny mocy 5, tworząc razem zespół emisyjny 14 sygnału. Wyjściowy izolator optyczny 15 nadajnika sygnału 1 zabezpiecza laser 4 przed odbiciami, które mogłyby wywołać uszkodzenia jego elementów.

We wzmacniaczu optycznym mocy 5, umieszczonym w zespole emisyjnym 14, można pominąć wejściowy izolator optyczny 11 a na jego wejściu, jak to pokazano na fig. 4, ponieważ zadanie usuwania odbić w kierunku włókna aktywnego 10 wzmacniacza optycznego mocy 5, spełnia w tym przypadku wyjściowy izolator optyczny 15 nadajnika sygnału 1.

Pozostałe elementy wzmacniacza optycznego mocy 5, przedstawionego na fig. 4, są takie same jak elementy przedstawionego już liniowego wzmacniacza optycznego 6 i dlatego zostały one opatrzone tymi samymi oznaczeniami liczbowymi.

168 016

Dla przykładu, zbudowane zostało światłowodowe łącze telekomunikacyjne według schematu z fig. 1, w którym jako laser emisyjny został zastosowany laser bezpośrednio modulowany, typu DFB, o długości fali transmitowanego sygnału 1535 nm. Jako odbiornik sygnału 2 zastosowano odbiornik znanego typu pin/HEMT, za którym znajdowały się, nie przedstawione na rysunku, wzmacniacze szerokopasmowe.

Linię światłowodową 3 stanowiły włókna o niskim tłumieniu, typu z przesuniętą dyspersją, posiadające zerową dyspersję przy długości fal bliskich długości fali transmitowanego sygnału. Całkowita długość łącza wynosiła 300 km, co odpowiadało tłumieniu 60 dB.

Łącze obejmowało dwa liniowe wzmacniacze optyczne 6 oraz wzmacniacz optyczny mocy 5. Były to wzmacniacze z krzemowym włóknem aktywnym 10, domieszkowanym germanem i erbem, pompowanym laserowym źródłem pompującym 9, którym był zminiaturyzowany laser neodymowy typu Nd-YAG, z dublowaną częstotliwością i z diodą pompującą. Liniowe wzmacniacze optyczne 6 miały strukturę jak przedstawiono na fig. 2, a wzmacniacz optyczny mocy 5, jak przedstawiono na fig. 4. Każdy z liniowych wzmacniaczy optycznych 6 miał współczynnik wzmocnienia 20 dB. Wzmacniacz optyczny mocy 5 wykazywał moc nasycenia przy 9 dBm i moc wejściową 0 dBm. Izolatory optyczne 11 a i 11b były izolatorami z regulowaną polaryzacją, były niezależne od polaryzacji sygnału użytecznego i miały współczynnik izolacji większy niż 35 dB, a współczynnik rozproszenia niższy niż -50 dB. Tego typu izolatory są ogólnie dostępne i ich budowa nie została opisana. Końcówka 13 wejściowego odcinka włókna 12 sprzęgacza dichroicznego 7 połączona z laserowym źródłem pompującym 9 była skośnie ścięta pod kątem 5° względem powierzchni prostopadłej do osi włókna. Transmisja dokonana w takim łączu wykazała moc odebraną -20 dB, a poziom szumów odpowiadający -40 dBm.

Dla porównania, przeprowadzono transmisję sygnału przez przedstawione łącze, w którym zastosowano dostępne na rynku izolatory optyczne o współczynniku odbicia równym -30 dB, co odpowiada współczynnikowi odbicia wynikającemu z rozproszenia Rayleigh’a we włóknie umożliwiającemu uniknięcie powstawania oscylacji w obecności sygnału wzmocnionego do poziomu 30 dB. W takich warunkach, chociaż nie wystąpiły oscylacje, zanotowano wystąpienie szumów o natężeniu -30 dBm, co w znacznym stopniu zakłóciło prawidłowy odbiór sygnału. Szumy te powstały prawdopodobnie w wyniku drgań interferencyjnych, wywołanych przez rozproszenie Rayleigh’a i rozproszenie Brillouin’a, powstałych we wzmacniaczach optycznych z włóknem aktywnym.

Wzmacniacze optyczne zostały schematycznie przedstawione na rysunku jako wzmacniacze ze złączami spawanymi, których zastosowanie jest szczególnie wygodne przy konstrukcji wzmacniaczy optycznych z włóknem aktywnym. Możliwejestjednak także zastosowanie innych typów złączy optycznych, na przykład złączy stosowanych w mikrooptyce. Dla złączy innych niż złącza spawane, wymagany jest także współczynnik odbicia mniejszy co najmniej o 10 dB od współczynnika odbicia, odpowiadającego rozproszeniu Rayleigh’a, lub o wartości bezwzględnej wyższej co najmniej o 10 dB od współczynnika wzmocnienia danego wzmacniacza optycznego.

168 016

Departament Wydawnictw UP RP. Nakład 90 egz. Cena 1,50 zł

Claims (6)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Łącze światłowodowe ze wzmacniaczem optycznym z włóknem aktywnym, w którym nadajnik transmitowanego sygnału świetlnego jest połączony z odbiornikiem sygnału przez linię światłowodową dalekiego zasięgu, podzieloną na odcinki, z których każdy zakończony jest liniowym wzmacniaczem optycznym z włóknem aktywnym, wyposażonym w laserowe źródło pompujące, przy czym łącze to zawiera przynajmniej jeden izolator optyczny jednokierunkowo przenoszący sygnał świetlny od nadajnika do odbiornika sygnału, a nadajnik sygnału zawiera wzmacniacz optyczny mocy z włóknem aktywnym, znamienne tym, że wejściowy odcinek linii światłowodowej (3) dołączony jest do końcówki wejściowej (8) włókna aktywnego (10) wzmacniacza optycznego (6) poprzez szeregowe połączenie wejściowego izolatora optycznego (11a) i sprzęgacza dichroicznego (7), który połączony jest swym wejściowym odcinkiem włókna (12) z laserowym źródłem pompującym (9), natomiast końcówka wyjściowa (16) włókna aktywnego (10) dołączona jest do wyjściowego odcinka linii światłowodowej (3) poprzez wyjściowy izolator optyczny (11b), przy czym końcówka wejściowa (8) włókna aktywnego (10) wzmacniacza optycznego mocy (5) dołączona jest do wyjściowego izolatora optycznego (15) nadajnika sygnału (1), poprzez sprzęgacz dichroiczny (7).
2. 2. Łącze według zastrz. 1, znamienne tym, że wejściowy izolator optyczny (11a) włączony jest między wyjściem sprzęgacza dichroicznego (7) a końcówką wejściową (8) włókna aktywnego (10).
3. 3. Łącze według zastrz. 1, znamienne tym, że wejściowy i wyjściowy izolator optyczny (11a i 11b) stanowią izolatory optyczne o regulowanej polaryzacji.
4. 4. Łącze według zastrz. 1, znamienne tym, że powierzchnia końcówki (13) wejściowego odcinka włókna (12) sprzęgacza dichroicznego (7) zaopatrzona jest w wielowarstwową powłokę przeciwodbiciową i/lub jest powierzchnią ściętą skośnie względem osi tego włókna (12).
5. 5. Łącze według zastrz. 4, znamienne tym, że powierzchnia końcówki (13) wejściowego odcinka włókna (12) sprzęgacza dichroicznego (7) tworzy kąt 5° do 10° z płaszczyzną prostopadłą do osi tego włókna (12).
6. 6. Łącze światłowodowe ze wzmacniaczem optycznym z włóknem aktywnym, w którym nadajnik transmitowanego sygnału świetlnego jest połączony z odbiornikiem sygnału przez linię światłowodową dalekiego zasięgu, podzieloną na odcinki, z których każdy zakończony jest wzmacniaczem optycznym z włóknem aktywnym, wyposażonym w laserowe źródło pompujące, a włókno aktywne wzmacniacza optycznego włączone jest szeregowo w linię światłowodową dalekiego zasięgu, znamienne tym, że przynajmniej jeden izolator optyczny jednokierunkowo przenoszący sygnał świetlny od nadajnika do odbiornika, i mający współczynnik odbicia o wartości bezwzględnej wyższej o 10dB od wzmocnienia wzmacniacza, włączony jest pomiędzy włókno aktywne wzmacniacza optycznego, a odcinek linii światłowodowej dalekiego zasięgu.