PT94963B

PT94963B - Amplificador optico provido de uma banda de sinal larga, destinado em particular a linhas de telecomunicacoes em fibra optica

Info

Publication number: PT94963B
Application number: PT94963A
Authority: PT
Original assignee: Pirelli Cavi Spa
Priority date: 1989-08-11
Filing date: 1990-08-10
Publication date: 1997-11-28
Also published as: CS395790A3; DE69006561T2; KR0164606B1; JPH03130724A; US5087108A; NO903536L; HK114494A; ES2051417T3; NZ234688A; CN1016551B; MX172407B; JP2853893B2; IE65559B1; NO302327B1; KR910005071A; EP0417441B1; ATE101456T1; DE69006561D1; AU632601B2; NO903536D0

Description

A presente invenção refere-se a uma fibra óptica dopada com substâncias fluorescentes, preparada para amplificar um sinal de transmissão óptica que lhes é aplicado, e para eliminar as radiações com comprimento de onda indesejável que são produzidas no seu interior por emissão espontânia.

É sabido que as fibras ópticas que têm núcleos dopados com terras raras podem ser utilizadas em amplificadores ópticos. Por exemplo, núcleos dopados com érbio, e bombeados por uma fonte de bombagem com o comprimento de onda adequado (designadamente 532, 670, 807, 980 ou 1.490 nm) podem utilizar-se como amplificadores da onda que os atravessa, no caso de sinais ópticos compreendidos na região dos comprimentos de onda das telecomunicações, de 1.550 nm.

De facto, estas fibras podem ser alimentadas ou por uma fonte de luz com um específico comprimento de onda, capaz de colocar os átomos da substância dopante num estado energético excitado, ou por banda de bombeamento, a partir da qual os átomos decaiem, espontânea e rapidamente, para um estado de emissão laser, em que permanecem durante um período de tempo relativamente mais longo.

Quando uma fibra, tendo, ao nível de emissão laser, um elevado número de átomos em estado excitado, é percorrida por um sinal luminoso com um comprimento de onda correspondente a tal estado de emissão, o sinal provoca a transição dos átomos excitados para um nível energético mais baixo, com emissão de luz do mesmo comprimento de onda do sinal; assim, uma fibra deste tipo pode utilizar-se para a amplificação de um sinal óptico.

A partir do estado de excitamento, o átomo pode, também, decair espontaneamente, o que dá origem a uma emissão aleatória traduzida num ruido de fundo, que se

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F' >

sobrepõe à emissão estimulada correspondente ao sinal amplificado .

A emissão de luz gerada pela introdução, na fibra dopada ou activa, de energia de bombeamento luminosa pode dar-se a vários comprimentos de onda, característicos da substância dopante, de modo a originar um espectro fluorescente da fibra.

Mod. 71 - 20.000 βχ. - 90|08

No sentido de obter, com uma fibra do tipo acima descrito, a máxima amplificação do sinal, bem como uma elevada relação sinal-ruído, é normalmente usado, em telecomuniações ópticas, um sinal gerado por um emissor laser, com um comprimento de onda correspondente ao máximo da curva do espectro fluorescente da fibra utilizada, que imcorpora a substância dopante.

É particularmente conveniente, no caso de amplificação de sinais de telecomunicação óptica, utilizar fibras activas que tenham um núcleo dopado com iões de érbio (Er^+).

Contudo, o perfil espectral de ganho de um núcleo dopado com érbio num amplificador do tipo acima descrito caracteriza-se por ter duas bandas de ganho: uma banda de ganho estreita, centrada à volta de 1.530 nm, e uma segunda banda mais larga, mas de nível de ganho inferior, centrada à volta de 1.550 nm.

comprimento de onda do pico das bandas de ganho, bem como as respectivas larguras espectrais dependem da composição base do vidro do núcleo. Por exemplo, os núcleos de sílica dopados com érbio e germânio, têm o comprimento de onda do pico da banda maior ganho em 1.536 nm, e os núcleos de sílica, dopados com érbio e alumina, têm o comprimento de onda do pico da banda de maior ganho em 1.532 nm.

Em ambos os casos, a banda de maior ganho =

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tem uma largura de risca a 3dB de cerca de 3 a 4 nm, e a banda de ganho de nível inferior, dependendo da composição base de vidro, é mais larga, com uma largura de risca a 3dB de cerca de 30 nm. A primeira das atrás refedas bandas de ganho apresenta maior ganho do que a última, mas requer que o sinal a ser amplificado tenha um comprimento de onda central estável e perfeitamente especificado.

I §

Mod. 71

Esta circunstância impõe a utilização, como fonte do sinal de transmissão, de um emissor laser operando a um comprimento de onda bem definido, com tolerância limitada. De facto, sinais excedendo tais limites de tolerância não seriam amplificadores adequadamente,correndo, ao mesmo tempo, no comprimento de onda correspondente a este pico, uma forme emissão espontânea que daria origem a um ruido de fundo capaz de prejudicar, substancialemnte, a qualidade de transmissão.

Contudo, a produção de emissores laser com as características acima referidas, isto é, operando no pico de emissão do érbio, é difícil e dispendiosa. Por outro lado, a produção industrial comum oferece emissores laser, tais como lasers de semicondutores (In, Ga, As), possuindo várias características que os tornam adequados para utilização nas telecomunicações, mas apresentando uma tolerância muito ampla no que respeita ao comprimento de onda de emissão. Assim, apenas um número reduzido destes emissores laser emite no comprimento de onda do pico de emissão acima referido.

Enquanto que, em certas aplicações, como, por exemplo, nas telecomunicações submarinas, pode aceitar-se a opção de utilizar emissores de sinal de transmissão que operem num valor laser de comprimento de onda bem definido, designadamente emissores rigorosamente seleccio35 = 3 =

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Case PG 3ό2/Ρ.βΐΟ $3990 nados de entre os lasers de qualidade comercial, de modo a utilizar apenas aqueles que possuem uma emissão muito próxima do pico de emissão laser da fibra amplificadora, tal procedimento não é economicamente aceitável no que diz respeito a outros tipo de linhas, como, por exemplo, linhas de comunicação municipal, em que é importante limitar os custos de instalação.

Por exemplo, uma fibra dopada com érbio, adaptada para permitir a emissão laser, tem um pico de emissão a 1.536 nm, aproximadamente, e, numa margem de + 5 nm sobre aquele valor de emissão, possui uma grade intensidade, e pode ser utilizada para amplificar um sinal na mesma gama de comprimentos de onda. No entanto, os lasers de semicondutores utilizáveis na transmissão e comercialmente disponíveis têm, normalmente, um comprimento de onda na gama dos 1.520 a 1.570 nm.

Daqui resulta que um grande número de lasers comercialmente disponíveis está fora da gama apropriada para a amplificação à base de érbio e, por conseguinte, não pode ser utilizado na produção de sinais de telecomunicações em linhas equipadas com amplificadores à base de érbio do tipo acima indicado.

Por outro lado, sabe-se qua a atrás mencionada segunda banda de ganho do espectro da fibras dopadas com érbio tem uma intensidade relativamente alta e basicamente constante, numa gama de comprimentos de onda contígua ao estreito pico de ganho acima descrito, gama essa suficientemente larga para incluir a gama de emissão dos lasers comercialmente disponíveis que atrás se referiram.

Contudo, numa fibra óptica deste tipo, um sinal com comprimento de onda na segunda banda de ganho seria amplificado de forma reduzida, ao mesmo tempo que as transições espontânes de estado de emissão laser da fibra teriam principalmente, lugar com a emissão no comprimento de onda « 4 »

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de 1.536 nm da banda de ganho estreita, gerando, assim, um ruido de fundo que seria, depois, amplificado ao longo da fibra activa e abafaria o sinal útil.

Pode encarar-se a possibilidade de efectuar a filtragem da emissão luminosa que, na extremidade final da fibra amplificadora, constitui o ruido, permitindo, unicamente, a entrada, na linha de transmissão, do comprimento de onda do sinal de transmissão. Para o efeito, dispor-se-ía um filtro adequado na extremidade final da fibra activa.

No entanto, a presença de emissão espontânea na fibra, principalmente no comprimento de onda na sua máxima amplificação, retiraria energia do bombeamento à amplificação do sinal de transmissão que tivesse diferente comprimento de onda, tornando, assim, a fibra substancialmente inactiva no respeitante à amplificação do próprio sinal.

problema traduz-se, portanto, na obtenção de uma fibra óptica activa, para utilização em amplificadores ópticos, que seja, simultaneamente, apropriada para utilização com os emissores laser comercialmente disponíveis na emissão de sinais de transmissão, sem que se verifiquem restrições qualitativas significativas ao emprego dos ditos emissores laser.

A presente invenção refere-se a uma fibra óptica dopada capaz de proporcionar uma amplificação satisfatória numa ampla gama de comprimentos de onda, de modo a permitir a utilização de emissores laser comercialmente disponíveis, evitando as emissões espontâneas do material num comprimento de onda indesejado que enfraquecem a capacidade amplificadora da fibra e constituem um ruido de fundo de grande intensidade, relativamente ao sinal de transmissão.

Estes resultados são seguidos com um amplificador óptico conforme as reivindicações em anexo.

* 5 =

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Mod. 71 - 20.000 ex. 20

A descrição que se segue, feita com referência aos desenhos juntos, clacifiçará outros detalhes da invenção .

- A Fig. 1 é um diagrama de um amplificador óptico, usando uma fibra activa;

- A Fig. 2 é um diagrama das transições energéticas da substância dopante fluorescente de uma fibra do tipo passível de ser utilizado num amplificador conforme ao diagrama da Fig. 1, transições essas apropriadas à geração de uma emissão (laser) estimulada por um sinal de transmissão ;

- A Fig. 3 é um diagrama da curva de emissão . % f 3 + estimulada de uma fibra óptica a base de sílica, com Er ;

- A Fig. 4 é uma representação diagramática alargada de um amplificador óptico conforme à presente invenção ;

- A Fig. 5 representa uma secção da fibra activa do amplificador, obtida segundo a linha V-V da Fig. 4

- A Fig. 6 é o gráfico das constantes de programação da luz dos núcleos da fibra activa conforme a esta invenção, consoante o comprimento de onda;

- A Fig. 7 é um diagrama de uma porção de fibra conforme à presente invenção, mostrando a curva periódica da variação da potência luminosa entre os dois núcleos ;

- A Fig. 8 é um corte transversal da estrutura de uma fibra óptica numa realização alternativa, tendo um núcleo de atenuação com diferentes diâmetros, dentro de um revestimento comum;

- A Fig. 9 mostra, um esquema, o perfil dos indices de refracção dos dois núcleos da fibra da Fig. 8;

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Case PG 362/P.61O

- A Fig. 10 mostra o perfil do ganho espectral do núcleo de amplificação da fibra da Fig. 8;

- A Fig. 11 mostra o perfil de atenuação do núcleo de atenuação da fibra da Fig. 8;

- A Fig. 12 mostra o perfil de acoplamento dos dois núcleos;

- A Fig. 13 mostra o perfil da transferência de potência.

Para uma adequada amplificação de sinais ópticos de telecomunicação, podem utilizar-se amplificadores de fibra; a estrutura destes amplificadores é diagramaticamente apresentada na Fig.1,na qual a referencia 1 indica uma fibra de telecomunicação óptica que recebe um sinal de transmissão de comprimento de onda^, gerando por um emissor laser de sinais 2.

referido sinal, que se atenua ao cabo de um certo comprimento de linha, é enviado para um acoplador dicroico 3, onde se junta, numa única fibra de saída 4, a um dinal de bombeamento com o comprimento de onda^X^, gerado por um emissor laser de bombeamento 5.

Uma fibra activa 6, ligada à fibra 4 que sai do acoplador, constitui o elemento amplificador do sinal, o qual é, seguidamente, introduzido na fibra de linha 7, para ser enviado para o seu destino.

De acordo com um dos modos preferenciais de realização da presente invenção, para a obtanção de uma fibra activa 6 adequada, constituindo o elemento amplificador da unidade, é conveniente usar uma fibra óptica à base de sílica dopada com ErgOg, o que permite amplificar, vantajosamente, o sinal de transmissão pela exploração das transições laser do érbio.

Para se obter o perfil desejado de indice de

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Mod. 71 - 20.000 ex.

refracção da fibra, pode dopar-se esta com germânio ou alumina.

Como pode ver-se no diagrama da Fig. 2, relativo a uma fibra do tipo especificado, que mostra, simbolicamente, os estados energéticos obteníveis num ião de érbio em solução na matriz da fibra à base de sílica, a introdução, na fibra activa, dê uma potência luminosa no comprimento de onda de bombeamento, menor do que o comprimento de onda do sinal de transmissão X r coloca um certo

3+ ^S número de iões Er , presentes na matriz do vidro da fibra como substância dopante, num estado energético excitado 8, seguidamente designado como banda de bombeamento. Deste estado, os iões decaiem, espontaneamente, para um nível energético 9, que constitui o nível de emissão laser.

• 3 +

Os iões Er podem permanecer, por um tempo relativamente longo, no nível de emissão laser 9, antes de sofrerem uma transição espontânea para o nível base 10 .

Sabe-se que, enquanto a transição da banda 8 para o nível 9 está associada a uma emissão do tipo térmico, que é dispersada para o exterior da fibra (radiação phonon) a transição do nível 9 para o nível base 10 produz uma emissão luminosa num comprimento de onda correspondente ao valor energético do nível de emissão laser 9.

Se uma fibra contendo uma grande quantidade de iões no nível de emissão laser é atravessada por um sinal com um comprimento de onda correspondente a esse nível de emissão, o sinal provoca a transição estimulada dos referidos iões do seu estado de emissão para o estado base, antes do seu decaimento espontâneo, mediante um fenómeno de cascata que produz, à saída da fibra activa, a emissão de um sinal de transmissão grandemente amplificado.

Na ausência do sinal de transmissão, o decaimento espontâneo a partir dos estados de emissão laser, que

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Case PG 362/P.6IO representam uma função contínua, típica de cada substância, origina uma luminosidade com picos a diferentes frequências, correspondentes aos níveis disponíveis.

Particularizando, pode ver-se, na Fig. 3 ou

Fig. 10, como uma fibra do tipo Si/Al ou do tipo Si/Ge, do3 + pada com Er , e preparada para ser usada em amplificadores ópticos, apresenta, no comprimento de onda de 1.536 nm, um pico de emissão estreito e de grande densidade. Enquanto que, em comprimentos de onda mais elevados, até, aproximadamente, 1.560 nm, existe uma área na qual a emissão tem ainda grande intensidade, embora menor do que na zona do pico, formando um pico de emissão largo.

Ao introduzir-se, na fibra, um sinal luminoso com o comprimento de onda de 1.536 nm, correspondente ao pi3 + co de emissão do Er , verifica-se uma muito forte amplificação do sinal, ao mesmo tempo que se mantém limitado o ruído de fundo provocado pela emissão espontânea de érbio. Tal circunstância torna a fibra adequada para ser utilizada num amplificador óptico destinado à amplificação de um sinal com este comprimento de onda.

Para a geração do sinal, os lasers do tipo semicondutor (In, Ga, As), com uma banda de emissão na gama dos 1,52 a 1.57 yim. estão comercialmente disponíveis e podem, em princípio, ser utilizados. No entanto, a técnica da sua produção não assegura, ainda, para todas as unidades produzidas, a emissão do sinal de transmissão a um valor de frequência preciso, correspondente ao estreito pico de emissão da fibra dopada com érbio e usada como amplificador. Pelo contrário, numa grande percentagem de unidades disponíveis, o sinal está localizado na área da curva de emissão da fibra adjacente ao referido pico de emissão, em correspondência com o mais baixo e mais largo pico de emissão acima descrito.

= 9 =

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sinal gerado por tais emissores laser não poderia ser amplificado e atingir um ganho suficiente num amplificador, do tipo atrás descrito, de fibra óptica dopa3 + _Λ do com Er , porque a potência de bombeamento introduzida na fibra activa seria principalmente utilizada na amplificação do ruído de fundo gerado no interior da fibra activa do próprio amplificador, em conexão com a emissão espontânea de érbio no comprimento de onda de 1.536 nm.

Assim, tendo em vista a utilização de emissores laser do tipo referido, que se aceitam dentro de toda a gama de tolerância da produção, em conjunção com os amplificadores da fibra óptica dopados com érbio; ou seja, tendo em vista, de um modo geral, permitir que certos tipos de emissores de sinais laser possam utilizar-se em conjunção com dopantes fluorescentes tendo um forte ruído de fundo resultante das transições espontâneas do estado laser; prevê-se, nos termos da presente invenção, que seja usada uma fibra activa do tipo representado nas secções de corte das Fig. 4 e 5, a qual é dopada de dois núcleos, respectivamente 11 e 12, englobados no mesmo revestimento 13.

Como mostra, diagramaticamente, a Fig. 4, o núcleo 11 da fibra activa está ligado, um dos seus extremos, à fibra 4 que sai do acoplador dicroico e, no outro extremo, à fibra da linha 7, enquanto que o núcleo 12 está cortado em ambos os extremos da fibra activa 6, sem ter outras ligações,

Os dois núcleos 11 e 12 da fibra 6 são feitos de modo a que as respectivas constantes de programação luminosa no interior da fibra, ej^, (cujas curvas de variação, dependentes do comprimento de onda, são apresentadas, a título indicativo, na Fig. 6), possam proporcionar o acoplamento óptico entre os dois núcleos 11 e 12, no comprimento de onda em que o pico de emissão do núcleo 11 é máximo (a 1.536 nm, no caso do érbio), e numa gama entre e \ 2' gama esta cuja amplitude é dada pela inclinação das curvas «

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W AGO/oqg (/A-A θ J^₂, e que corresponde, essencialmente, à amplitude do proprio pico de emissão estreito, gerador do ruído de fundo, como se mostra na Fig. 3.

As constantes 33^ ^es$₂ P°^^{em ser} escolhidas em conformidade com o acoplamento desenhado, seleccionando-se, correspondentemente, as aberturas numéricas, diâmetro e distância dos núcleos.

A título de esclarecimento, a potência óptica de acoplamento P^ e Pentre dois núcleos dissemelhantes 1 e 2 num revestimento único pode caracterizar-se da seguinte forma:

Ρ (Z) = 1 - F sin² c z P„(Z) = F Sin² C Z

D

2)

Mod. 71 - 20.000 ex. - 90/08 onde

F = 1/[1 - (B /C)²] α

2 C = (Β„ + N )2 α

3)

4) d^Sl^S2 °1^U2

5)

V*^:i (ViV₂)

3/2

S. = 1 - (n ./n .) ι cl ci

K (W. d/a ) o 1 1

- 6) ^K1^(W1^)K1^(W2⁾

7) em que os índices 1 e 2 se referem aos núcleos 1 e 2, respectivamente; C é o coeficiente de acoplamento; a^ é o raio do núcleo i; S é a abertura numérica do núcleo i-,β^ é a constante de propagação do núcleo i; n^ e n são, respectivamente, o índice de refracção do núcleo i e o revestimento da fibra; d é a distância entre os centros dos núcleos; e V., U, e W. são parâmetros caracterizadores do nú11 1 cleo i.

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Considerando, cuidadosamente, os citados parâmetros, é possível conceber e fabricar uma fibra de dois núcleos, na qual a potência de acoplamento óptico se dê no interior de uma bomba estreita e pré-determinada, cen5 trada num comprimento de onda pré-estabelecido.

A título de esclarecimento, a banda de acoplamento dos núcleos 11 e 12, que se prefere no caso de utilização do érbio como substância dopante do núcleo 11, situar-se-á dentro dos limites de = 1.530 nm e^X^ ⁼ 1·540 nm.

Mod. 71 - 20.000 βχ.

Tal significa que a luz que, tendo um comprimento de onda de, aproximadamente, 1.536 nm, se propaga no núcleo activo 11 e constitui, essencialmente, o ruído de fundo causado pela emissão espontânea de érbio, se move, periodicamente, do núcleo 11 para o núcleo 12, de acordo com as conhecidas leis ópticas de acoplamento descritas, por exemplo, nas páginas 84 e 90 do Vol. 2, NS 1, de Janeiro de 1985, do Jornal da Sociedade Óptica da América (Journal of the Optical Society of America).

comprimento L da fibra, representado na B

Fig. 7, ao longo do qual se dá, no comprimento de onda do acoplamento, a passagem completa da potência luminosa de um núcleo para o outro, é referido como comprimento de pulsação, e depende das características dos dois núcleos, especialmente dos seus diâmetros, índices de refracção, abertura numérica e distância relativa.

sinal de transmissão presente no núcleo 11 tem, por sua vez, um comprimento de onda^ diferentes daquele a que ocorre o acoplamento entre os núcleos 11 e 12, como seja, por exemplo, igual a 1,550 nm. Por conseguinte, este sinal está confinado ao interior do núcleo 11, não sendo transferido para o núcleo 12. Do mesmo modo, a luz de bombeamento, fornecida ao núcleo 11 pelo acoplador 3 a um comprimento de onda de, por exemplo,^ 980 ou 540 nm, tem P

AGO.^0 »Srj

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Case PG 362/p.ólO programação no núcleo 11 que excluem a núcleo 12, estando, assim, assegurada, , a ausência de energia de bombeamento.

caracteristicas âe sua passagem para o neste últimi núcleo

Ambos os núcleos 11 e 12 têm substâncias dopantes. 0 núcleo 11, que a seguir se designa, também, como núcleo activo ou de ampliação, é, mais particularmente, dopado com érbio. Enquanto que o núcleo 12, que a seguir se refere, também, como núcleo passivo, é dopado com uma substância com elevada capacidade de absorção luminosa em todo o espectro ou, pelo menos, no pico de emissão do dopante do núcleo 11 (que é a fonte do ruído, como atrás se referiu), especialmente na presença do pico a cerca de 1.536 nm, quando é utilizado o érbio como dopante laser.

São, por exemplo, descritas no Pedido de Patente Europeia Ns 88304182.1 substâncias apropriadas para este fim, tendo uma alta capacidade de absorção luminosa em todo o espectro e compreendendo, em regra, elementos de valência variável, tais como Ti, V, Cr, Fe, no seu mais baixo estado de valência (Ti¹¹¹, .III

Cr'

III

Fe'

III

De entre as substâncias com elevada capacidade de absorção luminosa num específico comprimento de onda, isto é, no comprimento de onda do pico de emissão do dopante do núcleo activo 11, (pico esse que se deseja eliminar), é particularmente conveniente utilizar o mesmo dopante do referido núcleo activo. Efectivamente, uma substância fluorescente alimentada com uma quantidade suficiente de energia de bombeamento apresenta, num determinado comprimento de onda, uma certa emissão, sendo que a mesma substância, quando não alimentada com energia de bombeamento, absorvente luz no mesmo comprimento de onda a que se daria a emissõa na presença do bombeamento.

Mais especificamente, na presença de um núcleo activo 11, dopado com érbio, pode ser conveniente dopar o segundo núcleo com érbio.

- 13 «

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Assim, dado que a curva de absorção do érbio apresenta um desenvolvimento correspondente ao da sua curva de emissão laser ou de fluorescência, conforme se vê na Fig. 3, existe, em correspondência com o pico de emissão estimulada, a 1.536 nm, um pico de absorção similar, ao mesmo comprimento de onda.

Daí resulta que a fluorescência - que é produzida no núcleo 11, na presença de luz de bombeamento. em virtude do decaimento espontâneo do dopante activo (érbio) a partir do valor laser mais alto 9 - é, no comprimento de onda de acoplamento entre os dois núcleos, isto é, a 1.536 nm, automaticamente transferida para o núcleo 12, à medida que é gerada. Contudo, essa fluorescência não é transferida, de novo, do núcleo 12 para o núcleo 11 (dentro do qual é guiado o sinal de transmissão), uma vez que, no interior do referido núcleo 12, se verifica a atenuação, substancialmente completa, da luz entrada, absorvida pelo dopante presente no núcleo.

A emissão a um comprimento de onda indesejável é, por conseguinte, continuamente retirada do núcleo 11 e dispersada no interior do núcleo 12. A dita emissão não pode, deste modo, regressar ao núcleo 11 e ser amplificada no interior deste, roubando energia de bombeamento à amplificação do sinal de transmissão, e sobrepondo-se a ele.

A fibra desta invenção leva, portanto, a cabo uma contínua filtragem da luz presente no núcleo 11 ao longo de todo o comprimento da fibra activa, absorvendo os fotões emitidos a 1.536 nm, logo que eles são gerados pelo decaimento espontâneo dos iões Er a partir do nível de emissão laser, e evitando, assim, que os ditos fotões se movam ao longo da fibra, o que provocaria ulteriores decaimentos no mesmo comprimento de onda. Esta fibra garante, portanto, que só os comprimentos de onda de transmissão e bombeamento sejam substancialmente difundidos no núcleo 11.

= 14

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Case PG 362/P.6l0 comprimento de onda de transmissão pode portanto, ser seleccionado em toda a gama em que o érbio tem uma emissão laser relevante, como, por exemplo, entre os valores >₂ e >₃, apresentados na Fig. 3 (e correspondendo a, aproximadamente, 1.540-1.570 nm). Tal facto permite que o emissor laser para a emissão do sinal de transmissão seja livremente seleccionado, sem que ocorram diferenças de comportamento, no respeitante à amplificação, com emissores de sinal com diferentes comprimento de onda, incluídos numa gama de tolerância suficientemente larga para compreender a maior parte dos lasers de semicondutores comercialmente disponíveis (In, Ga, As).

As características de uma fibra de núcleo duplo que permita que o acoplamento entre os dois núcleos se processe dentro da gama de comprimentos de onda pretendida podem definir-se a partir dos artigos anteriormente mencionados .

A quantidade de érbio presente no núcleo activo da fibra é determinada em função do ganho pretendido para o comprimento da fibra amplificadora utilizado. Por outras palavras, o comprimento da fibra activa é escolhido de modo a assegurar um determinado ganho, na base da quantidade de érbio presente na fibra. Normalmente, a quantidade total de érbio no núcleo activo 11, preferencialmente sob a forma de óxido (Er₂Og), pode variar, em peso, entre 10 e 1.000 ppm.

O conteúdo de dopante com uma elevada capacidade de absorção luminosa no núcleo passivo ou de atenuação 12 deve estar relacionado com o comprimento de onda da pulsação L . De tal modo que o comprimento de extinção L no núcleo 12 - que se define como sendo o comprimento após a energia luminosa da fibra é reduzida do factor 1/e (de acordo com a conhecida lei da propagação de uma potência óptica num meio absorvente: Ρ = Ρθ e ) - seja inferior de, pelo menos, uma ordem de grandeza do que o comprimento de onda da = 15 s

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pulsação (correspondente à passagem completa da potência luminosa de um núcleo para o outro, no comprimento de onda de acoplamento, como se mostra na Fig. 7): L «íCl/10 L . As B características do núcleo 12 e o conteúdo do dopante absorvente da luz são, preferencialmente, seleccionados de modo a que se obtenha um comprimento de extinção inferior, em duas ordens de grandeza (cem vezes), ao comprimento de pulsação .

conteúdo de dopante no núcleo passivo ou de atenuação 12 pode ser igual ou maior do que o conteúdo no núcleo amplificador 11, e pode atingir 10.000 ppm ou mais, por forma a corresponder às limitações acima especificadas .

As substâncias dopantes podem ser introduzidas na fibra através, por exemplo, do método designado de dopagem em solução (solution doping), bem conhecido da técnica e que garante resultados qualitativamente satisfatórios, ou através de outras técnicas também conhecidas, baseadas em condições específicas.

Como se mostra na Fig. 5, a fibra 6 tem o seu núcleo 11, que é destinado a guiar o sinal óptico e a receber a luz de bombeamento, disposto, de preferência, coaxialmente dentro do revestimento da fibra 13. 9 segundo núcleo 12 está colocado em posição excêntrica.

Desta forma, e de acordo com o diagrama da Fig. 4, as ligações entre a fibra activa 6 e as fibras 4 e 7 podem fazer-se de maneira tradicional, sem necessidade de recurso e expedientes particulares. Basta dispor as extremidades das fibras em face umas das outras, usando um aparelho de junção tradicional que assegura o alinhamento das fibras pelo controlo das suas superfícies exteriores, de tal modo que o núcleo 11, colocado numa posição axial, fica igualmente em alinhamento com os núcleos das fibras 4 e 7, sem quaisquer significativas perdas de junção. 0 núcleo 12, = 16 =

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que está em posição excêntrica, não deve ser ligado a outros núcleos, sendo, por conseguinte, cortado nas extremidades da fibra de núcleo duplo 6, não sendo necessárias quaisquer operações adicionais.

Para se obter a mais alta eficiência de amplificação, o núcleo 11 é, preferencialmente, um núcleo de funcionamento singular, tanto no que diz respeito ao comprimento de onda do sinal, como no que respeita ao comprimento de onda do bombeamento. Ε o núcleo 12 é, também, um núcleo de funcionamento singular, pelo menos no referente a .

A título de exemplo, construiu-se um amplificador conforme ao diagrama da Fig. 1, compreendendo uma fibra activa de núcleo duplo 6 do tipo Si/Al, dopada com 3 +

Er , com um conteúdo total, em peso, de 80 ppm de Er^^, distribuido pelos dois núcleos 11 e 12 em partes iguais.

Os núcleos 11 e 12 possuiam, ambos, os seguin tes valores a = 3,1 yim S = 0,105 n = 1,462 d/a = 3,5 (raio) (abertura numérica) (índice de refracção) (razão entre a separação d dos núcleos 11 e 12 e o raio a dos núcleos: Fig. 5) ve-se núcleo 11 era coaxial com o diâmetro exterior da fibra. A fibra activa tinha 30 m de comprimento.

Utilizou-se, como emissor laser de bombeamento 5, um laser de iões de ârgon, operando a 528 nm, e tendo uma potência de 150 mW. Como emissor laser de sinal 2 utilizou-se um laser de semicondutor comercialmente disponível (In, Ga, As), com uma potência de 1 mW, e um comprimento de onda de emissão que, depois de medido, se verificou ser de 1.560 nm.

Com uma tal configuração experimental, obte, a jusante do amplificador, um ganho de 27 dB, sobre = 17 =

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Case PG 362/P.6IO

Mod. 71 20.000 ex. - 90/08 um sinal de entrada atenuado até ao valor de 0,5 uW.

A atenuação do sinal na entrada do amplificador, adaptada para simulação das condições de utilização reais, obteve-se mediante um atenuador variável.

Na ausência de sinal, mediu-se, a jusante do amplificador, um nível de emissão espontânea de 10 uW. Tal emissão, que constitui o ruído de fundo produzido pelo amplificador, não representa um ruído significativo para o sinal que é amplificado para níveis muito mais elevados (cerca de 25 0 yuW) .

Para comparação, utilizou-se o mesmo emissor laser de transmissão 2 juntamente com um amplificador que tinha estrutura idêntica à do amplificador do exemplo precedente, mas empregava uma fibra activa 6 com um único núcleo Si/Al do tipo índice escalonado (step index), dopada com Er , e contendo, no núcleo, 40 ppm, em peso, de 3 +

Er . A fibra activa tinha 30 m de comprimento.

Este amplificador, com um sinal de transmissão de 1.560 nm de comprimento de onda, revelou um ganho inferior a 15 dB, sendo o nível de emissão espontânea comparável ao do sinal de saída.

Num ensaio alternativo, representado nas Figs. 8 a 13, a estrutura da fibra óptica é como segue:

^al ^S1 = ^a2 ^S2 ⁼d/a, ynm 0,196 4,45 jum 0,135 = 9 em que o núcleo 101 é o núcleo de amplificação, contendo 150 ppm de Er^, e o núcleo 102 é o núcleo de atenuação, contendo 10.000 ppm de Er₂C>₃, ambos inseridos num mesmo revestimento 10 3.

= 18

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Case PG 362/P.ólO

Mod. 71 - 20.000 βχ. - 90/08

Os núcleos são. também, preferencialmente dopados com germânio.

A fibra resultante é concebida para um diâmetro exterior típico de 125 um. Os parâmetros do núcleo 101 asseguram que a transição para o seu segundo modo de funcionamento seja abaixo de 980 nm, tornando possível que seja de funcionamento singular no comprimento de onda de bombagem escolhido, de 980 nm.

A Fig. 10 mostra o perfil de ganho espectral do núcleo de amplificação da fibra, com um pico principal mais estreito do que o pico da Fig. 3. A Fif. 11 mostra o perfil de atenuação do núcleo de atenuação.

A Fig. 12 mostra a diferença das constantes de propagação dos núcleos (isto ) em função dos comprimento de onda, tal como se utiliza na equação 5. E revela que o comprimento de onda da sincronização, em que as constantes de propagação são iguais, ocorre a 1.536 nm, isto é, no comprimento de onda do pico da banda estreita.

A Fig. 13 mostra a eficiência da transferência de potência entre os núcleos, (isto é, F da equação 3), e, de novo, apresenta o pico do acoplamento a 1.536 nm, com acoplamento consideravelmente menor a comprimentos de onda centrados, na banda de ganho larga, à volta de 1.550 nm.

A estrutura da fibra da Fig. 8 (que é uma fibra com núcleos de diâmetros diferentes) pode fazer filtragem numa banda estreita.

Isto deve-se ao facto de que a banda dos comprimentos de onda transferida do núcleo 101 para o núcleo 102 é muito estreita, e a razão entre as larguras da banda passante (não atenuada) e da banda filtrante (atenuada) pode estabelecer-se conforme se pretenda, escolhendo o diâmetro relativo dos dois núcleos.

É, assim, possível conceber uma fibra em que

- 19 «

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Case PG 362/P.6IO

a largura da banda filtrante condiga com a largura do pico de ganho do érbio do núcleo de amplificação, de modo que a fonte de ruído possa ser completamente eliminada, sem estreitamento da banda útil para a amplificação.

Uma tal fibra é preferível quando se trate de uma fibra dopada com germânio, porque esta fibra tem um pico de ganho muito estreito, como se mostra na Fig. 10, pico esse que pode eliminar-se sem redução do ganho na banda do sinal de transmissão.

A estrutura da Fig. 5 (fibra com núcleos do mesmo diâmetro) pode filtrar numa banda larga, tendo a banda passante (não atenuada) e a banda filtrante (atenuada) larguras similares.

Pode fabricar-se mais facilmente uma fibra com uma estrutura do tipo da da Fig. 5, do que uma fibra com núcleos de diâmetros diferentes. Esta última estrutura pode usar-se,de preferência, em fibras com núcleos dopados com alumina, as quais têm um pico de ganho principal do érbio mais largo do que as fibras dopadas com germânio, como demonstra a Fig. 3.

Nestas fibras, a largura da banda filtrante do núcleo de atenuação é semelhante à largura do pico principal do érbio, que origina o ruído.

A estrutura da fibra óptica desta invenção pode ser fabricada mediante a inserção dos núcleos, sob a forma de varetas, em furos ultra-sonicamente abertos nas varetas de revestimento, feitas de sílica de alta pureza ou de outro vidro macio.

furo aberto para a vareta do núcleo de amplificação é concêntrico com o exterior da vareta de revestimento, e o furo aberto para a vareta do núcleo de atenuação é paralelo ao furo aberto para o núcleo de amplificação, mas afastado do eixo da vareta de revestimento por uma distância pré-determinada.

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Case PG 362/P.6IO

Mod. 71 - 20.000 βχ.

As varetas dos núcleos podem ser formadas pela técnica da dopagem em solução, ou a partir de varetas de vidro macio cortadas de uma fundição de vidro macio apropriado e dopado. Quando as varetas dos núcleos são fabricadas pela técnica da dopagem em solução, o diâmetro das varetas dos núcleos pode ser controlado por estampagem ou maquinagem.

Através de um método alternativo, obtem-se um pré-formado, que compreende vidro de revestimento rodeando o núcleo de amplificação, e insere-se, num furo aberto por meio de ultra-sons nesse revestimento de vidro pré-formado, uma vareta para o núcleo de atenuação.

Como pode verificar-se nos exemplos dados anteriormente, enquanto que um amplificador com uma fibra de núcleo único apresentou um ganho reduzido na presença de um sinal de 1.560 nm de comprimento de onda, introduzindo, ainda, um ruído tal que a recepção do sinal se tornou difícil, fazendo que o referido amplificador fosse, praticamente, inoperante, um amplificador utilizando uma fibra activa conforme a presente invenção provou, como é evidente no primeiro dos exemplos anteriormente citados, capacidade para assegurar, na presença do mesmo sinal de 1.560 nm de comprimento de onda, um alto ganho de amplificação, sendo insignificante o ruído de fundo introduzido.

Assim, o uso de amplificadores conforme a esta invenção numa linha de telecomunicações torna a dita linha capaz de transmitir sinais gerados por emissores laser comercialmente disponíveis, admitindo-se, no respeitante aos mesmos emissores, uma larga tolerância de produção, e assegurando-se, ao mesmo tempo, uma capacidade de amplificação essencialmente constante, independentemente do valor real da emissão do emissor de sinal utilizado.

Podem, ainda, fazer-se várias modificações, sem projuízo nem afastamento do escopo da presente invenção, tomada nas suas características gerais.

Claims

-REIVIND-ICAÇOES1- - Amplificador óptico provido com uma banda se dinal larga, destinado em particular a linhas de telecomunicação em fibra óptica, caracterizado pelo facto de operar com um sinal de transmissão dentro duma banda de comprimentos de onda pré-determinada, e compreender um acoplador dicroico concebido para multiplexar o sinal de transmissão e energia de bombeamento luminosa numa única fibra de saída e uma fibra óptica activa dopada com uma substância fluorescente, conectada com a fibra de saída do acoplador dicroico e com a fibra da linha de telecomunicação destinada a receber e transmitir o sinal amplificado, sendo a fibra óptica activa (6) formada em toda a sua extenção por dois núcleos (11 e 12, 101 e 102) envoltos num revestimento comum (13, 103), em que o primeiro núcleo (11, 101) é o núcleo activo ou amplificador, contendo um dopante de emissão laser fluorescente numa gama de comprimento de onda, incluindo a banda de comprimento de onda do sinal de transmissão que está opticamente conetado, de um dos seus lados, à referida fibra que sai do acoplador dicroico e, do outro lado, à dita fibra da linha de telecomunicação, enquanto que o outro núcleo (12, 102) da fibra óptica activa é um núcleo de atenuação, contendo uma substância apropriada para absorver energia luminosa e que está cortado dos dois lados, estando os dois núcleos opticamente acoplados um ao outro numa banda de comprimentos de onda compreendida na gama de comprimentos de onda da emissão laser do primeiro núcleo, mas fora da banda do sinal de trasmissão.
2§ - Amplificador óptico provido de uma banda de sinal larga, destinado em particular a linhas de telecomunicação em fibra óptica, de acordo com a reivindicação

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Case PG 362/P.6IO

1, caracterizado pelo facto de o segundo núcleo (12, 102), na fibra óptica activa (6), conter um dopante com uma alta absorção luminosa na gama de emissão laser do dopante do primeiro núcleo.
3^ - Amplificador óptico provido de uma banda de sinal larga, destinado em particular a linhas de telecomunicação em fibra óptica, de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo facto de o dopante de alta absorção luminosa do segundo núcleo (12, 102) consistir na mesma substância fluorescente presente no primeiro núcleo (11,

101) .
4§ - Amplificador óptico provido de uma banda de sinal larga, destinado em particular a linhas de telecomunicação em fibra óptica, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo facto de a substância dopante do segundo núcleo (12, 102) ser uma substância com uma alta absorção luminosa em todo o espectro, seleccionada entre titânio, vanádio, crómio ou ferro, a qual está, pelo menos pareialmente, presente no seu estado de valência mais baixo.
5§ - Amplificador óptico provido de uma banda de sinal larga, destinado em particular a linhas de telecomunicação em fibra óptica, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo facto de o conteúdo de dopante de alta absorção luminosa no segundo núcleo (12, 102) e as características de acoplamento dos núcleos da fibra (11 e 12, 101 e 102) estarem de tal modo relacionados que dão origem, a um comprimento de atenuação inferior a 1/10 do comprimento da pulsação entre os núcleos acoplados na banda seleccionada .
6§ - Amplificador óptico provido de uma banda de sinal larga, destinado em particular a linhas de telecomunicação em fibra óptica, de acordo com a reivindicação = 23 =

62.515 Λ ]Q/ípo

Case PG 362/Ρ.6ΙΟ

1, caracterizado pelo facto de a substância dopante fluorescente presente no primeiro núcleo (11, 101) ser érbio.

7â - Amplificador óptico provido de uma ban- da de sinal larga, destinado em particular a linhas de tele- comunicação em fibra óptica, de acordo com a reivindicação

5, caracterizado pelo facto de os dois núcleos (11, 12; 101, 102) estarem opticamente acoplados na gama de comprimentos de onda entre 1.530 e 1.540 nm.

8§ - Amplificador óptico provido de uma ban- da de sinal larga, destinado em particular a linhas de tele- comunicação em fibra óptica, de acordo com a reivindicação

1, caracterizado pelo facto de o primeiro núcleo (11, 101) estar disposto coaxialmente à superfície exterior da fibra, em alinhamento com o núcleo da fibra que vem do acoplador dicroico e com o núcleo da fibra de linha de telecomunicação (1) à qual o amplificador está ligado, enquanto que o segundo núcleo (12, 102), nas partes terminais, fica em face do revestimento das ditas fibras.

9§ - Amplificador óptico provido de uma ban- da de sinal larga, destinado em particular a linhas de tele- comunicação em fibra óptica, de acordo com a reivindicação

1, caracterizado pelo facto de, pelo menos, o núcleo activo (11, 101) dos dois núcleos da fibra (11 e 12, 101 e 102) estar adaptado para permitir a propagação luminosa de modo

singular no comprimento de onda de transmissão, e no com- primento de onda de bombagem. da de sinal 10- - Amplificador óptico provido de uma ban- larga, destinado em particular a linhas de te-

lecomunicação em fibra ptica, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo facto de a fibra activa (6) ser mais longa do que metade da distância de pulsação dos seus dois β 24 =

62.515

Case PG 362/P.6IO núcleos acoplados (11 e 12, 101 e 102) na banda óptica de acoplamento seleccionada nos núcleos.