PL220700B1

PL220700B1 - Fiber amplifier circuit based on the fiber doped with erbium and ytterbium ions with an increased efficiency

Info

Publication number: PL220700B1
Application number: PL398119A
Authority: PL
Inventors: Grzegorz Soboń; Paweł Kaczmarek; Dorota Śliwińska; Karol Krzempek; Arkadiusz Antończak; Jarosław Sotor; Adam Wąż; Grzegorz Dudzik; Krzysztof Abramski
Original assignee: Wrocławskie Centrum Badań Eit + Spółka Z Ograniczoną Odpowiedzialnością; Wrocławskie Ct Badań Eit & Spółka Z Ograniczoną Odpowiedzialności&
Priority date: 2012-02-15
Filing date: 2012-02-15
Publication date: 2015-12-31
Also published as: PL398119A1; WO2013121371A9; WO2013121371A1

Abstract

The present invention refers to a fibre optic amplifier system based on a fibre doped with rare earth ions comprising a pumping laser, a coupler and the active optical fibres doped with rare earth ions, characterised in that the beam light from an external signal laser (LS) is directed from the signal input with the fibre optics the first multiplexer (WDM1), the active fibre optic doped with rare earth ions, preferably erbium and ytterbium, the second multiplexer (WDM2) for the signal output, wherein prior to the first multiplexer (WDM1) the optical filter (FO) or the circulator (C) with the optical filter (FO) is connected in parallel, preferably the isolator (IO) forcing the light propagation direction, coupled to the multiplexer WDM2, preferably in front of the FO or circulator (C) with the optical filter (C) the output coupler (SW) is arranged.

Description

Przedmiotem wynalazku jest układ wzmacniacza światłowodowego opartego na włóknie domieszkowanym jonami erbu i iterbu z kontrolowaną akcją laserową na długości fali z zakresu 1030-1060 nm, przeznaczony do stosowania w układach i urządzeniach optycznych jako wzmacniacz ciągłego lub impulsowego promieniowania laserowego z zakresu trzeciego okna telekomunikacyjnego.The subject of the invention is a fiber amplifier system based on a fiber doped with erbium and ytterbium ions with a controlled laser action at a wavelength in the range 1030-1060 nm, intended for use in optical systems and devices as an amplifier of continuous or pulsed laser radiation in the range of the third telecommunications window.

Z opisu patentowego USA nr US7848014 znany jest układ dwustopniowego wzmacniacza światłowodowego wykorzystującego włókna domieszkowane erbem oraz erbem i iterbem. Układ składa się z dwóch stopni wzmacniających, z których pierwszy oparty jest na światłowodzie jednomodowym domieszkowanym erbem, pompowanym przez jednomodowy laser półprzewodnikowy. Wiązka pompująca wprowadzana jest do włókna aktywnego za pośrednictwem jednomodowego sprzęgacza światłowodowego WDM. Drugi stopień wzmacniający oparty jest na światłowodzie z podwójnym płaszczem domieszkowanym erbem i iterbem. Pompowany jest przez wielomodowy laser półprzewodnikowy. Promieniowanie pompujące wprowadzone jest do światłowodu double-clad za pośrednictwem wielomodowego sprzęgacza światłowodowego (combiner). Przy zastosowaniu włókna o długości 1,5 m w pierwszym stopniu oraz 7 m w drugim stopniu możliwe jest uzyskanie wzmocnienia 27 dB dla długości fali 1550 nm przy pompowaniu mocą 4,6 wata.From the US patent description No. US7848014 there is known a system of a two-stage optical fiber amplifier using erbium, erbium and ytterbium doped fibers. The system consists of two amplification stages, the first of which is based on a single-mode erbium-doped fiber pumped by a single-mode semiconductor laser. The pumping beam is introduced into the active fiber via a single-mode WDM fiber coupler. The second amplification stage is based on an optical fiber with a double cladding doped with erbium and ytterbium. It is pumped by a multimode semiconductor laser. Pumping radiation is introduced into the double-clad optical fiber via a multimode fiber coupler (combiner). By using 1.5 m fiber in the first stage and 7 m in the second stage, it is possible to obtain a gain of 27 dB for a wavelength of 1550 nm when pumping at 4.6 watts.

Układ wzmacniacza światłowodowego oparty na światłowodzie domieszkowanym erbem i iterbem znany jest z opisu patentowego USA nr US6556346. Układ ten składa się z wejścia optycznego, na które zostaje podany sygnał z pasma trzeciego okna telekomunikacyjnego, przedwzmacniacza EDFA, izolatora optycznego oraz układu wzmacniacza światłowodowego opartego na włóknie erbowo-iterbowym. Światłowód jest pompowany, przez co najmniej jeden laser półprzewodnikowy. Lasery te są sprzężone ze światłowodem aktywnym za pośrednictwem sprzęgaczy WDM. Na wyjściu układu wzmacniacza umieszczony jest izolator optyczny zabezpieczający wzmacniacz przed sygnałem odbitym.A fiber amplifier circuit based on erbium and ytterbium doped fiber is known from US Patent No. US6556346. This system consists of an optical input to which a signal from the band of the third telecommunication window is supplied, an EDFA preamplifier, an optical isolator and a fiber amplifier system based on an erbium-ytterbium fiber. The optical fiber is pumped by at least one semiconductor laser. These lasers are coupled to the active optical fiber via WDM couplers. At the output of the amplifier circuit there is an optical isolator protecting the amplifier against the reflected signal.

W polskim zgłoszeniu patentowym PL 395086 przedstawiono światłowodowy izolator optyczny połączony poprzez przedwzmacniacz światłowodowy, światłowodowy izolator optyczny, pierwszy multiplekser, światłowód aktywny z podwójnym płaszczem domieszkowany jonami erbu i iterbu, sprzęgacz światłowodowy, drugi multiplekser i kolejny światłowodowy izolator optyczny z wyjściem sygnałowym układu wzmacniacza światłowodowego. Ponadto do sprzęgacza światłowodowego podłączony jest co najmniej jeden wielomodowy laser pompujący. Jednocześnie pierwszy multiplekser połączony jest poprzez sprzęgacz monitorujący wyposażony w dwa wyjścia monitorujące z drugim multiplekserem, przy czym korzystnie, pomiędzy pierwszy multiplekser i sprzęgacz monitorujący włączony jest światłowodowy izolator optyczny. Poprzednie układy wzmacniaczy światłowodowych cechuje wymuszona cyrkulacja szumów, które są emitowane przez wzbudzone jony iterbu w światłowodzie erbowoiterbowym. Obserwuje się akcję laserową na długości fali z zakresu 1060-1064 nm. Tak wzbudzona akcja laserowa nie ma korzystnego wpływu na sprawność układu. Szum emisji spontanicznej z jonów iterbu jest głównym czynnikiem ograniczającym moc wyjściową oraz pogarszającym sprawność wzmacniaczy erbowo-iterbowych. Istnieje również potrzeba kontroli długości fali sygnału na rezonatorze. Nieoczekiwanie wspomniane problemy rozwiązał prezentowany wynalazek. Pierwszym przedmiotem wynalazku jest układ wzmacniacza światłowodowego opartego na włóknie domieszkowanym jonami metali ziem rzadkich zawierający laser pompujący, sprzęgacz, oraz aktywne włókno światłowodowe domieszkowane jonami ziem rzadkich, charakteryzujący się tym, że wiązka światła z zewnętrznego lasera sygnałowego kierowana jest od wejścia sygnałowego światłowodami do pierwszego multipleksera, światłowodu aktywnego domieszkowanego jonami ziem rzadkich, korzystnie jonami erbu i iterbu, drugiego multipleksera do wyjścia sygnałowego, przy czym przed pierwszym multiplekserem jest dołączony równolegle filtr optyczny albo cyrkulator optyczny z filtrem optycznym, korzystnie element wymuszający kierunek biegu połączony do drugiego multipleksera, przy czym korzystnie filtr optyczny albo cyrkulator optyczny z filtrem optycznym jest poprzedzony sprzęgaczem wyjściowym. Korzystnie układ według wynalazku charakteryzuje się tym, że na wejściu i/lub wyjściu układu znajdują się izolatory optyczne, korzystnie z zakresu 1530 nm - 1590 nm. Korzystniej układ według wynalazku charakteryzuje się tym, że światłowód aktywny jest włóknem z pojedynczym płaszczem, pompowany przeciwbieżnie do propagacji sygnału wejściowego, z pompą wprowadzaną do rdzenia poprzez sprzęgacz z podziałem długości fali. W kolejnej korzystnej realizacji wynalazku światłowód aktywny jest włóknem z pojedynczym płaszczem, pompowanym współbieżnie do propagacji sygnału wejściowego, z pompą wprowadzaną do rdzenia poprzez sprzęgacz z podziałem długości fali. Równie dogodnie układ według wynalazku charakteryzuje się tym, że światłowód aktywny jest włóknem z pojePL 220 700 B1 dynczym płaszczem, pompowanym obustronnie, tj. przeciwbieżnie i współbieżnie do propagacji sygnału wejściowego, z pompami wprowadzanymi do rdzenia poprzez dwa sprzęgacze z podziałem długości fali. Korzystniej układ według wynalazku charakteryzuje się tym, że światłowód aktywny jest włóknem z podwójnym płaszczem, pompowany przeciwbieżnie do propagacji sygnału wejściowego, z pompą wprowadzaną do płaszcza poprzez sprzęgacz światłowodowy. W kolejnej korzystnej realizacji wynalazku układ charakteryzuje się tym, że światłowód aktywny jest włóknem z podwójnym płaszczem, pompowanym współbieżnie do propagacji sygnału wejściowego, z pompą wprowadzaną do płaszcza poprzez sprzęgacz światłowodowy. Jeszcze bardziej korzystniej układ według wynalazku charakteryzuje się tym, że światłowód aktywny jest włóknem z podwójnym płaszczem, pompowanym obustronnie, tj. jednocześnie przeciwbieżnie i współbieżnie do propagacji sygnału wejściowego, z pompami wprowadzanymi do płaszcza poprzez sprzęgacze światłowodowe. Równie korzystnie układ według wynalazku charakteryzuje się tym, że światłowód aktywny jest światłowodem z pojedynczym płaszczem, pompowanym przeciwbieżnie, współbieżnie albo obustronnie, a wszystkie światłowody użyte w układzie są włóknami utrzymującymi stan polaryzacji światła. W następnej korzystnej realizacji wynalazku światłowód aktywny jest włóknem z pojedynczym płaszczem, pompowanym przeciwbieżnie, współbieżnie albo obustronnie, a układ wykorzystuje włókna standardowe - nie utrzymujące stanu polaryzacji światła. Korzystniej układ według wynalazku charakteryzuje się tym, że światłowód aktywny posiada w dodatkowym rezonatorze pierścieniowym filtr przestrajalny. Równie dogodnie układ według wynalazku charakteryzuje się tym, że światłowód aktywny posiada w dodatkowym rezonatorze pierścieniowym filtr stały. W kolejnej korzystnej realizacji wynalazku układ charakteryzuje się tym, że światłowód aktywny posiada w dodatkowym rezonatorze pierścieniowym filtr w postaci światłowodowej siatki Bragga, korzystnie przestrajalnej albo stałej, umieszczonej na jednym z portów cyrkulatora optycznego. Równie dogodnie sposób według wynalazku charakteryzuje się tym, że posiada rezonator pierścieniowy dla sygnału z pasma 1030 nm - 1060 nm z wymuszoną cyrkulacją sygnału w kierunku współbieżnym do kierunku pompowania, korzystnie poprzez umieszczenie w rezonatorze cyrkulatora optycznego lub izolatora światłowodowego ustawionego w kierunku współbieżnym do kierunku propagacji pompy.The Polish patent application PL 395086 presents a fiber optic isolator connected via a fiber optic preamplifier, fiber optic isolator, first multiplexer, erbium and ytterbium doped active fiber with a double jacket, fiber optic coupler, second multiplexer and another fiber optic isolator with the output of the fiber optic signal amplifier. Furthermore, at least one multimode pump laser is connected to the fiber coupler. At the same time, the first multiplexer is connected via a monitoring coupler with two monitoring outputs to the second multiplexer, preferably a fiber optic isolator is connected between the first multiplexer and the monitoring coupler. Previous fiber optic amplifier circuits are characterized by forced circulation of noise that is emitted by excited ytterbium ions in an erbium-titer optical fiber. The laser action is observed in a wavelength in the range 1060-1064 nm. Such excited laser action has no beneficial effect on the efficiency of the system. The spontaneous emission noise from ytterbium ions is the main factor limiting the output power and deteriorating the efficiency of erbium-ytterbium amplifiers. There is also a need to control the wavelength of the signal at the resonator. The present invention has unexpectedly solved the above-mentioned problems. The first object of the invention is a fiber amplifier system based on a fiber doped with rare earth ions containing a pump laser, a coupler, and an active optical fiber doped with rare earth ions, characterized in that the light beam from an external signal laser is directed from the signal input via optical fibers to the first multiplexer , an active optical fiber doped with rare earth ions, preferably erbium and ytterbium ions, a second multiplexer to the signal output, an optical filter or an optical circulator with an optical filter connected in parallel upstream of the first multiplexer, preferably a direction forcing element connected to the second multiplexer, preferably the optical filter or optical circulator with an optical filter is preceded by an output coupler. Preferably, the system according to the invention is characterized in that at the input and / or output of the system there are optical insulators, preferably in the range of 1530 nm - 1590 nm. More preferably, the system according to the invention is characterized in that the active optical fiber is a single-jacketed fiber, pumped counter-rotating to the propagation of the input signal, with the pump being inserted into the core via a wavelength division coupler. In a further preferred embodiment of the invention, the active optical fiber is a single-jacketed fiber, co-pumped to propagate the input signal, with a pump inserted into the core through a wavelength division coupler. Equally advantageously, the system according to the invention is characterized in that the active optical fiber is a single-jacketed fiber, pumped on both sides, i.e. counter-rotating and concurrently to propagate the input signal, with the pumps being introduced into the core via two wavelength division couplers. More preferably, the system according to the invention is characterized in that the active optical fiber is a double-jacketed fiber, pumped counter-rotating to the propagation of the input signal, with the pump being inserted into the jacket through a fiber coupler. In a further advantageous embodiment of the invention, the system is characterized in that the active optical fiber is a double-jacketed fiber, co-pumped to propagate the input signal, with the pump entering the jacket through a fiber coupler. Even more advantageously, the system according to the invention is characterized in that the active optical fiber is a double-sheathed fiber, pumped from both sides, i.e. simultaneously counter-rotating and concurrently to propagate the input signal, with the pumps being introduced into the jacket via optical fiber couplers. Equally preferably, the system according to the invention is characterized in that the active optical fiber is a single-clad optical fiber, pumped in reverse, concurrent or both sides, and all the optical fibers used in the system are polarization-maintaining fibers. In a further preferred embodiment of the invention, the active optical fiber is a single-sheathed fiber, pumped in reverse, concurrent or both sides, and the system uses standard fibers - not maintaining the light polarization state. More preferably, the system according to the invention is characterized in that the active optical fiber has a tunable filter in the additional annular resonator. The system according to the invention is also advantageously characterized in that the active optical fiber has a fixed filter in the additional annular resonator. In a further preferred embodiment of the invention, the system is characterized in that the active optical fiber has, in the additional annular resonator, a filter in the form of an optical Bragg grating, preferably tunable or fixed, placed at one of the optical circulator ports. Equally advantageously, the method according to the invention is characterized in that it has a ring resonator for a signal in the 1030 nm - 1060 nm band with forced circulation of the signal in the direction of the pumping direction, preferably by placing an optical circulator or an optical fiber insulator in the direction of propagation in the direction of propagation. pump.

Główną i najważniejszą zaletą proponowanego rozwiązania jest jego prostota, niski koszt oraz łatwość i możliwość zastosowania w każdym, istniejącym już wzmacniaczu światłowodowym, wykorzystującym włókno erbowo-iterbowe jako medium aktywne. Metoda ta nie wymaga stosowania żadnych dodatkowych, zewnętrznych źródeł laserowych o długości fali z pasma wzmocnienia iterbu w przeciwieństwie do metod znanych w stanie techniki. Sygnał z pasma iterbowego jest generowany samoczynnie przez światłowód aktywny, w wyniku niedoskonałości w procesie transferu energii między jonami iterbu i erbu (oraz w wyniku transferu powrotnego). W klasycznych wzmacniaczach erbowo-iterbowych energia, która nie zostanie przekazana przez jony iterbu do jonów erbu, zostaje bezpowrotnie utracona - wypromieniowana w postaci szumu emisji spontanicznej w paśmie 1000-1100 nm. Wynalazek proponuje quasi- „recykling” tej energii poprzez jej ponowne wykorzystanie. Szum zostaje odseparowany od sygnału użytecznego poprzez sprzęgacze WDM oraz przekształcony w stabilną akcję laserową (poprzez wymuszenie obiegu w rezonatorze), a dzięki zastosowaniu spektralnego filtra, wymuszany jest obieg sygnału na długości fali z pasma emisji iterbu, ale krótszej niż maksimum emisji (tj. mniej niż 1064 nm). Sygnał ten jest ponownie absorbowany przez jony iterbu, a energia znów przekazywana do erbu. Zatem, część utraconej energii jest odzyskiwana i ponownie wykorzystana, zwiększając sprawność i wzmocnienie układu. Metoda również nie wymaga żadnej ingerencji w światłowód aktywny, nie wymaga stosowania specjalnych domieszek ani zmian struktury światłowodu w procesie jego produkcji. Zastosowanie rezonatora zwiększa sprawność i wzmocnienie, a co za tym idzie - mocy wyjściową wzmacniacza światłowodowego. Szum emisji spontanicznej z jonów iterbu jest głównym czynnikiem ograniczającym moc wyjściową oraz pogarszającym sprawność wzmacniaczy erbowo-iterbowych, W przypadku, gdy przy użyciu filtra w dziedzinie długości fali, w rezonatorze zostanie wymuszony obieg fali o długości krótszej niż 1064 nm, na przykład z zakresu 1040-1050 nm, zaobserwowany zostanie wzrost sprawności wzmocnienia sygnału na długości fali z pasma erbu (1530-1590 nm). Obecność silnego sygnału z dolnego pasma wzmocnienia iterbu, np. 103-1050 nm, pozwala na wywołanie tzw. reabsorpcji. Jest to zjawisko polegające na ponownym zaabsorbowaniu promieniowania z pasma 1030-1060 nm przez jony domieszki w światłowodzie i przetransferowaniu tej energii w sygnał z pasma 1530-1590 nm. Efekt reabsorpcji jest najmocniejszy dla krótszych fal z pasma wzmocnienia iterbu (1030-1050 nm), stąd korzystne jest wymuszenie obiegu na tych długościach fali w rezonatorze, poprzez zastosowanie odpowiedniego filtru. Co więcej wynalazek zabezpie4The main and most important advantage of the proposed solution is its simplicity, low cost, ease and possibility of application in any existing fiber optic amplifier that uses erbium-ytterbium fiber as an active medium. This method does not require the use of any additional external wavelength laser sources from the ytterbium gain band, unlike the methods known in the art. The signal from the ytterbium band is generated automatically by the active fiber, as a result of imperfections in the energy transfer process between ytterbium and erbium ions (and as a result of reverse transfer). In classic erbium-ytterbium amplifiers, the energy that is not transferred by ytterbium ions to erbium ions is irretrievably lost - radiated in the form of spontaneous emission noise in the 1000-1100 nm band. The invention proposes quasi-"recycling" of this energy through its reuse. The noise is separated from the useful signal through WDM couplers and transformed into a stable laser action (by forcing circulation in the resonator), and thanks to the use of a spectral filter, the signal is forced to circulate at the wavelength of the ytterbium emission band, but shorter than the emission maximum (i.e. less than the emission maximum). than 1064 nm). This signal is reabsorbed by the ytterbium ions and the energy is transferred back to the erbium. Thus, some of the lost energy is recovered and reused, increasing the efficiency and strengthening of the system. The method also does not require any interference with the active optical fiber, it does not require the use of special admixtures or changes in the optical fiber structure in the process of its production. The use of a resonator increases the efficiency and amplification, and thus - the output power of the fiber optic amplifier. Spontaneous emission noise from ytterbium ions is the main factor limiting the output power and deteriorating the efficiency of erbium-ytterbium amplifiers.When using a filter in the wavelength domain, the resonator will be forced to circulate a wavelength shorter than 1064 nm, for example in the range of 1040 -1050 nm, an increase in the efficiency of signal amplification at the wavelength of the erbium band (1530-1590 nm) will be observed. The presence of a strong signal from the lower band of the ytterbium gain, e.g. 103-1050 nm, allows to cause the so-called reabsorption. This phenomenon consists in reabsorbing the radiation in the 1030-1060 nm band by the impurity ions in the optical fiber and transferring this energy into a signal in the 1530-1590 nm band. The reabsorption effect is strongest for shorter wavelengths in the ytterbium gain band (1030-1050 nm), hence it is advantageous to force circulation at these wavelengths in the resonator by applying an appropriate filter. What's more, the invention will protect4

PL 220 700 B1 cza wzmacniacz światłowodowy przed wzbudzeniem się spontanicznej akcji laserowej na długościach fali z pasma wzmocnienia iterbu. W klasycznych, liniowych wzmacniaczach światłowodowych opartych na włóknach erbowo-iterbowych (bez zastosowanej pętli sprzężenia zwrotnego), podczas pracy generowany jest szum emisji spontanicznej z jonów iterbu. Jest on konsekwencją niedoskonałego transferu energii między jonami iterbu i erbu - część energii, zamiast zostać przetransferowana do erbu, zostaje wypromieniowana w postaci szerokopasmowego szumu w paśmie 1000-1100 nm. Szum ten, w obecności relatywnie dużej mocy pompującej, jest w stanie przekształcić się w spontaniczną, niepożądaną akcję laserową. Tak wzbudzona akcja laserowa ma charakter całkowicie chaotyczny i może doprowadzić do zjawiska tzw. samo-impulsowania (ang. self-pulsing), co w konsekwencji często prowadzi do uszkodzenia włókna aktywnego lub laserów pompujących. Zastosowanie pętli - rezonatora pierścieniowego dla sygnałów z zakresu 1030-1060 nm pozwala na przekształcenie szumów w kontrolowaną, dobrze zdefiniowaną akcję laserową. Obecność kontrolowanej akcji laserowej eliminuje emisję szumów i całkowicie eliminuje możliwość zajścia przypadkowej akcji laserowej. Przykładową realizację wynalazku przedstawiono na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia układ wzmacniacza wg wynalazku z izolatorami optycznymi IO, fig. 2 układ bez IO w pętli sprzężenia zwrotnego, a fig. 3 układ bez sprzęgacza wyjściowego w pętli sprzężenia zwrotnego oraz światłowodową siatką Bragga jako filtrem (FO) podłączonym do portu nr 2 cyrkulatora optycznego (C), a fig. 4 układ ze sprzęgaczem w pętli sprzężenia zwrotnego oraz światłowodową siatką Bragga jako filtrem (FO) podłączonym do portu nr 2 cyrkulatora optycznego (C), a fig. 5 układ bez izolatorów optycznych IO w głównym torze sygnałowym wzmacniacza, natomiast fig. 6 przedstawia zależność mocy wyjściowej od mocy pompującej kolejnych realizacji układu wzmacniacza wg wynalazku.The optical fiber amplifier before induction of spontaneous laser action at wavelengths from the ytterbium gain band. In classic, linear optical amplifiers based on erbium-ytterbium fibers (without the use of a feedback loop), spontaneous emission noise from ytterbium ions is generated during operation. It is a consequence of imperfect energy transfer between ytterbium and erbium ions - part of the energy, instead of being transferred to erbium, is radiated as broadband noise in the 1000-1100 nm band. This noise, in the presence of relatively high pumping power, is capable of transforming into a spontaneous, undesirable laser action. The laser action excited in this way is completely chaotic and can lead to the phenomenon of the so-called self-pulsing, which in turn often leads to damage to the active fiber or pump lasers. The use of a loop - ring resonator for signals in the 1030-1060 nm range allows for the transformation of noise into a controlled, well-defined laser action. The presence of controlled laser action eliminates the emission of noise and completely eliminates the possibility of accidental laser action. An exemplary implementation of the invention is shown in the drawing, in which Fig. 1 shows an amplifier circuit according to the invention with IO optical isolators, Fig. 2 a system without IO in the feedback loop, and Fig. 3 a system without an output coupler in the feedback loop and a fiber Bragg grating as a filter (FO) connected to port 2 of the optical circulator (C), and Fig. 4 a system with a coupler in a feedback loop and an optical Bragg mesh as a filter (FO) connected to port 2 of the optical circulator (C), and Fig. 5 a system without IO optical isolators in the main signal path of the amplifier, while Fig. 6 shows the dependence of the output power on the pumping power of subsequent embodiments of the amplifier circuit according to the invention.

P r z y k ł a d 1P r z k ł a d 1

Układ wzmacniacza światłowodowego opartego na włóknie domieszkowanym jonami erbu i iterbu z wymuszoną akcją laserową ma wejściowy izolator optyczny IO połączony poprzez pierwszy multiplekser WDM1, światłowód aktywny z podwójnym płaszczem F domieszkowany jonami erbu i iterbu, sprzęgacz wprowadzający promieniowanie pompujące SP, drugi multiplekser WDM2 i kolejny światłowodowy izolator optyczny IO z wyjściem sygnałowym układu wzmacniacza światłowodowego. Do sprzęgacza światłowodowego SP podłączony jest co najmniej jeden laser pompujący LP, natomiast pierwszy multiplekser WDM1 połączony jest poprzez sprzęgacz wyjściowy SW, cyrkulator optyczny C z drugim sprzęgaczem WDM2. Do jednego z portów cyrkulatora C podłączony jest odbiciowy filtr optyczny FO, wymuszający transmisję konkretnej długości fali w rezonatorze.A fiber amplifier circuit based on erbium and ytterbium doped fiber with forced laser action has an input IO optical isolator connected through the first WDM1 multiplexer, an active double F-sheath optical fiber doped with erbium and ytterbium ions, a coupler introducing SP pumping radiation, a second WDM2 multiplexer and another optical fiber IO optical isolator with the signal output of the fiber optic amplifier circuit. At least one LP pumping laser is connected to the SP fiber optic coupler, while the first WDM1 multiplexer is connected via the output coupler SW, optical circulator C to the second WDM2 coupler. A reflective FO optical filter is connected to one of the circulator C ports, forcing the transmission of a specific wavelength in the resonator.

Umieszczenie w układzie wzmacniacza światłowodowego sprzęgaczy WDM1 oraz WDM2, separujących sygnał wzmacniany (z pasma 1530-1590 nm) od szumu emisji spontanicznej jonów iterbu pozwała na stworzenie dodatniej pętli sprzężenia zwrotnego (rezonatora pierścieniowego) dla szumu z pasma iterbu. Dodatkowo w rezonatorze tym umieszczono filtr optyczny FO, wymuszający obieg sygnału na konkretnej długości fali z pasma 1030-1060 nm. Wstawienie filtra optycznego pozwala na przesunięcie długości fali sygnału w kierunku krótszych fal z pasma emisji iterbu, co ma korzystny wpływ na wzmocnienie sygnału użytecznego z pasma 1530-1590 nm w wyniku zjawiska reabsorpcji. Sprzęgacz SW pozwala na odprowadzenie części mocy sygnału z rezonatora. Trójportowy cyrkulator C umieszczony w pętli pozwala na wymuszenie kierunku obiegu sygnału w rezonatorze (w kierunku współbieżnym do kierunku propagacji pompy) oraz na podłączenie filtru optycznego FO.Placing the WDM1 and WDM2 couplers in the fiber optic amplifier circuit, separating the amplified signal (from the 1530-1590 nm band) from the noise of spontaneous emission of ytterbium ions allows to create a positive feedback loop (ring resonator) for the noise from the ytterbium band. In addition, the resonator has an optical FO filter, forcing the signal to circulate at a specific wavelength in the 1030-1060 nm band. The insertion of an optical filter allows the signal wavelength to be shifted towards shorter wavelengths from the ytterbium emission band, which has a beneficial effect on the amplification of the useful signal from the 1530-1590 nm band due to the reabsorption phenomenon. The SW coupler allows a portion of the signal power to dissipate from the resonator. The three-port circulator C placed in the loop allows forcing the direction of signal circulation in the resonator (in the direction concurrent with the direction of pump propagation) and for connecting the FO optical filter.

Dla zbudowanego układu zmierzono moc wyjściową i sprawność, używając jako filtra optycznego FO światłowodowej siatki Bragga odbijającej długość fali 1040 nm. Wzmacniacz pompowano dwoma laserami półprzewodnikowymi pracującymi na długości fali 975 nm o sumarycznej mocy 18,5 W. Jako sygnału wejściowego użyto wiązki na długości fali 1550 nm o mocy 280 mW. Na wyjściu wzmacniacza uzyskano moc 4,65 W, co oznacza sprawność optyczną ok. 25% i wzmocnienie 12,2 dB.For the constructed system, the output power and efficiency were measured using a fiber Bragg grating reflecting the wavelength of 1040 nm as an optical FO filter. The amplifier was pumped with two semiconductor lasers operating at a wavelength of 975 nm with a total power of 18.5 W. Beams at a wavelength of 1550 nm with a power of 280 mW were used as the input signal. At the output of the amplifier, the power was 4.65 W, which means the optical efficiency of about 25% and the gain of 12.2 dB.

P r z y k ł a d 2P r z k ł a d 2

Układ jak w przykładzie 1 z tą różnicą, że w pętli sprzężenia zwrotnego nie zastosowano cyrkulatora C z filtrem optycznym FO, lecz umieszczono tylko izolator optyczny IO wymuszający kierunek obiegu sygnału w pętli współbieżnie do promieniowania pompującego. Długość fali akcji laserowej w rezonatorze jest tym razem przypadkowa i nie ma żadnej kontroli nad jej parametrami spektralnymi.The system is as in example 1, with the difference that the feedback loop does not use the circulator C with the FO optical filter, but only the IO optical isolator forcing the signal circulation direction in the loop concurrently to the pumping radiation. The wavelength of the laser action in the resonator is random this time and there is no control over its spectral parameters.

Dla zbudowanego układu zmierzono moc wyjściową i sprawność. Wzmacniacz pompowano dwoma laserami półprzewodnikowymi pracującymi na długości fali 975 nm o sumarycznej mocy 18,5 W. Jako sygnału wejściowego użyto wiązki na długości fali 1550 nm o mocy 280 mW. Na wyjściu wzmacniacza uzyskano moc 3,67 W, co oznacza sprawność optyczną ok. 20% i wzmocnienie 11,17 dB.For the constructed system, the output power and efficiency were measured. The amplifier was pumped with two semiconductor lasers operating at a wavelength of 975 nm with a total power of 18.5 W. Beams at a wavelength of 1550 nm with a power of 280 mW were used as the input signal. At the output of the amplifier, the power was 3.67 W, which means the optical efficiency of about 20% and the gain of 11.17 dB.

PL 220 700 B1PL 220 700 B1

W odróżnieniu od poprzednich układów, nie zawierających pętli sprzężenia zwrotnego (rezonatora) z umieszczonym filtrem spektralnym lub zawierających pętlę sprzężenia zwrotnego bez filtra spektralnego, układ będący podstawą wynalazku pozwala na podniesienie sprawności wzmacniacza i wzrost mocy wyjściowej w paśmie 1530-1590 nm o co najmniej 20%, zależnie od wymuszonej długości fali w rezonatorze. Filtr optyczny wymusza cyrkulację sygnału o ściśle określonej długości fali z pasma emisji iterbu, na przykład 1040 nm. Sygnał o tej długości fali jest chętnie absorbowany przez jony iterbu, a odzyskana energia jest przekazywana do erbu w wyniku oddziaływań międzyjonowych w światłowodzie. Pozwala to na odzyskanie części energii z szumów emisji spontanicznej iterbu, a zatem - zwiększenie sprawności układu wzmacniacza. Pomiary pokazują, że możliwe jest zwiększenie wzmocnienia o co najmniej 1 dB (tj. nie mniej niż 5%). Różnice mocy między trzema układami; z filtrem FO na długość fali 1040 nm, bez filtru w pętli oraz bez pętli sprzężenia zwrotnego przedstawiono na wykresie.Unlike the previous systems, without a feedback loop (resonator) with a spectral filter placed or containing a feedback loop without a spectral filter, the system which is the basis of the invention allows to increase the efficiency of the amplifier and increase the output power in the 1530-1590 nm band by at least 20 %, depending on the forced wavelength in the resonator. The optical filter circulates a signal of a well-defined wavelength from the ytterbium emission band, for example 1040 nm. The signal of this wavelength is readily absorbed by the ytterbium ions, and the recovered energy is transferred to the erbium as a result of interionic interactions in the fiber. This allows some energy to be recovered from the noise of the spontaneous emission of the ytterbium, thus increasing the efficiency of the amplifier circuit. Measurements show that it is possible to increase the gain by at least 1 dB (i.e. not less than 5%). Power differences between the three systems; with FO filter at 1040 nm wavelength, no loop filter and no feedback loop are shown in the graph.

Claims

1. Optical amplifier system based on a fiber doped with rare earth ions, containing a pump laser, couplers and active optical fibers doped with rare earth ions, characterized in that the light beam from the signal laser (LS) is directed from the signal input with optical fibers to the first multiplexer ( WDM1), an active optical fiber doped with rare earth ions, preferably with erbium and ytterbium ions, a second multiplexer (WDM2) to the output signal, where an optical filter (FO) or an optical circulator (C) with an optical filter is connected in parallel before the first multiplexer (WDM1) (FO), preferably a direction forcing isolator (IO) connected to the multiplexer (WDM2), preferably an output coupler (SW) upstream of the optical filter or optical circulator (C) with an optical filter (FO).

2. The system according to claim The method of claim 1, characterized in that the input and / or output of the system are equipped with optical isolators, using the 1530 nm-1590 nm range.

3. The system according to p. A method as claimed in claim 1 or 2, characterized in that the active optical fiber is a single-jacketed fiber, pumped counter-rotating to the propagation of the input signal, with the pump inserted into the core through a wavelength division coupler (WDM1) and / or (WDM2).

4. System according to any of the claims A method as claimed in any of claims 1 to 3, characterized in that the active optical fiber is a single-jacket fiber, co-pumped to propagate the input signal, with a pump inserted into the core through a wavelength division coupler (WDM1) and / or (WDM2).

5. System according to any of the claims A method as claimed in any of claims 1 to 4, characterized in that the active fiber is a single-jacketed fiber, pumped on both sides, counter-rotating and concurrently to propagate the input signal, with a pump entering the core through two wavelength division couplers (WDM1) and (WDM2).

System according to any of the claims A method according to any of the claims 1 to 5, characterized in that the active optical fiber is a double-sheathed fiber, pumped counter-rotating to the propagation of the input signal, with the pump entering the sheath through a fiber optic coupler (SP).

7. System according to any of the claims A method according to any of the claims 1 to 6, characterized in that the active optical fiber is a double-jacketed fiber, co-pumped to propagate the input signal, with a pump entering the jacket through a fiber optic coupler (SP).

PL 220 700 B1

System according to any of the claims A method according to any of the claims 1 to 7, characterized in that the active fiber is a double-sheathed fiber, pumped on both sides, simultaneously counter-rotating and concurrently to the propagation of the input signal, with the pump entering the jacket through optical fiber couplers (SP).

System according to any one of claims 1 to 9 from 1 to 8, characterized in that all the optical fibers used are polarization-maintaining fibers, and the active optical fiber is a double-sheathed fiber, pumped in reverse, concurrently or from both sides

10. Arrangement according to any of the exacerbations. The method according to any of the claims 1 to 9, characterized in that all the optical fibers used are standard fibers that do not maintain the polarization state of the light, and the active optical fiber is a double-sheathed fiber, pumped in reverse, concurrently or from both sides.

The system according to any one of claims 1 to 11 The method according to 1 to 10, characterized in that the optical fiber amplifier has a tunable filter in the additional ring resonator in the feedback loop.

12. The system according to any one of claims 1 to 12 A method according to any of the claims 1 to 11, characterized in that the optical fiber amplifier has a constant filter in the additional ring resonator in the feedback loop.

System according to any one of claims 1 to 13 The method according to any of the claims 1 to 12, characterized in that the fiber optic amplifier has a filter in the form of a fiber Bragg grating, preferably tunable or fixed, connected to one of the ports of the optical circulator in the additional ring resonator in the feedback loop.

14. A system according to any one of the preceding claims. from 1 to 13, characterized in that it has a ring resonator for the signal from the 1030 nm - 1060 nm band with forced circulation of the signal in the direction of pumping direction, preferably by placing an optical circulator or an optical fiber insulator in the resonator aligned with the direction of propagation of the pump .