PT95724B

PT95724B - Amplificador optico de fibra activo tendo um comprimento de onda de sinal de banda larga e respectiva fibra optica

Info

Publication number: PT95724B
Application number: PT95724A
Authority: PT
Inventors: Giorgio Grasso; Aldo Righetti; Flavio Fontana
Original assignee: Pirelli Cavi Spa
Priority date: 1989-10-30
Filing date: 1990-10-29
Publication date: 1998-07-31
Also published as: KR940005757B1; AU638062B2; DK0426222T3; CN1052223A; PL164864B1; JPH0797686B2; RU2015125C1; PT95724A; KR910008432A; FI905339A0; CA2028714A1; FI97492C; EP0426222A2; AU6459090A; CS529490A3; MY106571A; ATE100641T1; DE69006172D1; IT8922197A0; BR9005622A

Description

A presente invenção refere-se a amplificador óptico de fibra activo tendo um comprimento de onda de sinal de banda larga e respectiva fibra óptica.

A presente invenção refere-se ainda a uma fibra óptica contendo substâncias dopantes, adaptada para modificar as suas características de emissão luminosa estimula^ da e de absorção luminosa em diferentes comprimentos de onda

É conhecido que fibras ópticas cujo núcleo é dopado com determinadas substâncias, por exemplo iões de terras raros, têm características de emissão estimulada que as tornam apropriadas para serem usados como fontes de emissão laser e como amplificadores ópticos.

De facto, estas fibras podem ser alimentadas por uma fonte luminosa com um determinado comprimento de onda, que é capaz de levar os átomos da substância dopante a um estado magnético excitado ou banda de bombeamento, a partir do qual os átomos decalem espontaneamente num muito curto espaço de tempo para um estado de emissão laser, estado em que permanecem durante um tempo relativamente mais longo.

Quando uma fibra com um elevado número de átomos excitados no nível de emissão laser é atravessada por um sinal luminoso com um comprimento de onda correspondente a um tal estado de emissão, o sinal luminoso provoca a transição dos átomos excitados para um nível mais baixo e a luz de emissão tem o mesmo comprimento de onda que o sinal; por conseguinte, uma fibra deste género pode ser usada para obter a amplificação dum sinal óptico.

Partindo do estado excitado, o decaimento do átomo pode também ocorrer espontaneamente, o que dá origem a uma emissão aleatória constituindo um ruído de fundo que

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se sobrepõe à emissão estimulada correspondente ao sinal a ser amplificado. Este fenómeno verifica-se em vários comprimentos de onda, típicos da substância dopante, de maneira a darem origem a um espectro fluorescente. Em ordem a obter a máxima amplificação do sinal por meio duma fibra do tipo aci^ ma descrito, juntamente com uma alta realção sinal-ruído, é normalmente usado um sinal com um comprimento de onda corre£ pondendo a um máximo da curva do espectro fluorescente da fi. bra incorporando a substância dopante usado; este sinal é apropriadamente gerado por um emissor laser.

Por exemplo, pode ser usada como fibra ampli. ficadora uma fibra cujo núcleo é dopado com iões de alumínio (Al ) e iões de érbio (Er ), como descrito no Pedido de Pa. tente Europeia No. 0345957; contudo, o espectro fluorescente do érbio, no âmbito dos comprimentos de onda que interessam, tem um pico de emissão particularmente estreito, que impõe a utilização como fonte do sinal de transmissão dum emissor lasre operando a um comprimento de onda bem definido, com tolerância limitada, dado que os sinais que excedessem essa tolerância não seriam adequadamente amplificados, enquanto que, ao mesmo tempo, ocorreria neste comprimento de onda uma forte amplificação de ruído de fundo.

Mas emissores laser com as características acima indicadas não de produção difícil e dispendiosa, tendo a produção industrial comum destes dispositivos uma bastante mais larga tolerância no respeitante ao comprimento de onda da emissão.

Enquanto que em algumas aplicações, tais como por exemplo linhas de telecomunicação submarina, poderiam ser usados emissores de sinal de transmissão operando no comprimento de onda certo, emissores obtidos, por exemplo, através duma apertada relação dos lasers disponíveis no comércio de maneira a utilizar sómente os que tivessem uma emi,3 são estreitamente próxima do pico de emissão laser da fibra amplificadora, este procedimento não seria aceitável dp ponto de vista económico para outros géneros de linhas tais co2

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mo por exemplo linhas de comunicação municipais, em que é da maior importância limitar os custos da instalação.

Por exemplo, uma fibra de acordo com a Paten te acima indicada, dopada com iões de alumínio para modificar o seu índice de refracção e com iões de érbio para permi. tir a emissão laser, tem um pico de emissão de cerca de 1.531 nm, a qual dentro de + 5 nm à volta deste valor , mostra uma alta intensidade e poderia ser usada para amplificação; por isso, para operar com esta fibra óptica, deveria ser utilizado um sinal dentro da mesma gama de comprimentos de onda; porém, lasers de semicondutores comercialmente obteníveis, que poderiam ser utilizados, são usualmente fabricados com valores de comprimentos de onda de emissão na gama de 1.520 a 1570 nm.

Deste facto resulta que um grande número de lasers comercialmente obteníveis estão fora da gama desejada e consequentemente não podem gerar um sinal próprio para ser adequadamente amplificado.

Por outro lado, sabe-se que fibras dopados com érbio têm uma zona no espectro de emissão com uma intensidade alta e substancialmente constante na gama de comprimen tos de onda contígua ao pico acima descrito, a que engloba a gama de comprimentos de onda dos sinais dos acima menciona^ dos lasers obteníveis no comercio; porém, nesta fibra óptica, um sinal fornecido a um comprimento de onda afastado do máx_i mo do pico de emissão seria amplificado em medida reduzida, enquanto que as transições espontâneas a partir do estado de emissão laser na fibra teriam lugar com emissão principal^ mente no comprimento de onda do pico do espectro, 1531 nm, produzindo assim um ruído de fundo que seria em seguida am plifiçado ao longo da fibra soprepondo-se ao sinal útil.

Poderia procurar-se levar a cabo a filtragem da emissão luminosa constituinte do ruído na saída do ampl_Í ficador , permitindo assim a passagem de sómente o comprimen to de onda do sinal, com essa finalidade equipando o término

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Ref: MM/90Í44/NV/PT & OUl 1990/y/ da fibra activa com um filtro adequado; porém a presença na fibra duma emissão indesejada na zona da sua máxima amplificação roubaria energia de bombeamento, tornando assim a fibra substancialmente inactiva com respeito à amplificação do próprio sinal.

São também conhecidos filtros de interferência, os quais podem ser colocados em diferentes locais ao longo da fibra amplificadora, mas os filtros deste tipo conhecidos são formados por componentes discretos, são feitos de fibra e consequentemente necessitam de feixes de luz atra, vés do ar, o que os torna inadequados para aplicação industrial .

problema consiste, portanto, em conseguir uma fibra óptica activa, para ser empregada em amplificadores ópticos, com a qual seja possível utilizaros lasers dis. poníveis no comércio para a emissão dp sinal de transmissão sem quaisquer outras restrições.

A presente invenção têm por finalidade propor, conar uma fibra óptica dopada capaz de dar uma amplificação satisfatória numa gama de comprimento de onda suficientemente larga, de maneira a permitir a utilização dos lasers obte^ níveis no comercio, impedindo ao mesmo tempo que as emissões espontâneas do material, num comprimento de onda indesejado, prejudiquem a capacidade de amplificação da fibra e constituam um ruído de fundo de intensidade grande em realção ao sinal de transmissão.

É um objectivo da presente invenção uma fibra óptica compreendendo substâncias de emissão laser, destinadas em particular a ser usada em linhas de telecomunicação em fibra óptica, contendo érbio como substância dopante de emissão laser e adaptada para receber um sinal de telecomuni cação dum laser numa gama de comprimentos de onda preferida.

A fibra é caracterizada pelo facto de conter uma segunda sub;3 tância dopante, distrinuída ao longo da fibra, substância dc> pante com uma capacidade de absorção para luz com comprimen- Λ 62.775

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to de onda inferior a 1.540 nm substancialmente maior do que a capacidade de absorção que a mesma substância dopante apresenta para luz com comprimento de onda variando desde 1.540 nm até ao limite superior da predeterminada goma de comprimentos de onda do sinal de transmissão.

Numa especialmente preferida realização da presente invenção, a segunda substância dopante é samário, na forma de catião trivalente.

A concentração de samário na fibra em relação à concentração de érbio presente na fibra, expressa como percentagem em peso dos respectivos óxidos nala contidos, é:

C Sm₂0₃ 7 < - < 10.

ZEr₂O₃ 7

É outro objectivo da presente invenção um amplificador óptico, destinado em particular a linhas de telecomunicação em fibra óptica operando com um nível de transmissão dentro duma predeterminada gama de comprimentos de onda, compreendendo uma fibra óptica activa emissora laser dc pada com érbio. 0 amplificador é caracterizado pelo facto da fibra óptica activa conter uma segunda substância dopante, distribuída ao longo da fibra, substância dopante que apreser ta uma capacidade de absorção, para luz com comprimento de onda inferior a 1.540 nm, substancialmente superior à que apresenta para luz com comprimento de onda de 1.540 nm até ao limite superior da predeterminada gama de comprimento de onda do sinal de transmissão; a segunda substância dopante é de preferência samário.

Mais detalhes tornar-se-ão aparentos a partir da descrição da invenção que se segue feita com referência aos desenhos que a acompanham, nos quais:

- A Rigura 1 é um disgrama dum amplificador óptico utilizando uma fibra activa;

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- A Fig. 2 é um diagrama das terminações energéticas duma fibra, adequada para um amplificador em conformidade com o diagrama da Fig. 1, transições que são próprios para gerar emissão estimulada (laser);

- A Fig. 3 é um diagrama da curva de emissão estimulada duma fibra óptica à base de sílica, dopada com Al³⁺-e ccm Er^⁺ ;

- A Fig. 4, é um diagrama da curva de emissão estimulada da fibra óptica da Fig. 1, dopada com Al³⁺, com π 3+ _c 3+

Er e com Sm :

- A Fig. 5 é um diagrama da absorção de luz

3+ 3+ duma fibra óptica de sílica dopada com Al , com Er e com Sm³⁺.

Para amplificar sinais de telecomunicação em fibras óptieas, amplificadores de fibra podem ser adequadamente usados; a estrutura destes amplificadores é mostrada diagramaticamente na Fig. 1, onde a referência 1 indica uma fibra de telecomunicação óptica, através da qual é enviado um sinal de comprimento de onda gerado por um emissor laser de sinais 2; este sinal, que se atenua depois duma certa extensão de linha, é enviado para um acoplador dlcroico 3 onde se junta numa única fibra de saída 4 com um sinal de bon beamento de comprimento de onda Jj. , gerado por um emissor laser de bombeamento 5; uma fibra activa 6, ligada à fibra 4 que sai do acoplador, constitui o elemento de amplificação dc sinal, o qual é em seguida introduzido na fibra da linha 7 para seguir ao seu destino.

Para a realização com sucesso da fibra activa 6, que constitui o elemento amplificador da unidade , é conveniente usar uma fibra óptica à base de sílica numa solução dopada contendo A^Og e E^Og, do género, por exemplo, descrito no Pedido de Patente Europeia No. 0345957 acima mencionado o qual permite uma vantajosa amplificação do sinal de transmissão, que é conseguida pela utilização das transições laser do érblo.

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29.0UTJ99Ç

Como é mostrado no diagrama da Fig. 2 em relação a uma fibra do tipo especificado indicando simbolicamente os estados energéticos abteníveis por um ião de érbio em solução na matriz da fibra activa duma potência luminosa no comprimento de onda de bombeamento inferior ao comprimento de onda do sinal de transmissão b , leva um certo núme3+ ^s ro de iões Er , presentes na matriz do vidro da fibra como substância dopante, para um estado energético excitado 8, a seguir referido como banda de bombeamento, a partir do qual os iões decaiam espontaneamente para um nível energético 9, que constitui o nível de emissão lasre.

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

É sabido que enquanto que a transição da banda 8 para o nível 9 é associado com uma emissão do tipo térmico, que é dispersada para o exterior da fibra (radiação fonão), a transição do nível 9 para o nível base 10 gera uma emissão luminosa num comprimento de onda correspondendo aos valores energéticos do nível de emissão laser 9; se uma fibra contendo uma grande quantidade de iões no nível de emissão laser é atravessada por um nível de comprimento de onda correspondente a esse nível de emissão, um tal sinal provoca a transição estimulada dos referidos iões do estado de emissão para o estado base, antes do decaimento espontâneo dos mesmos, através dum fenómeno em cascata, produzindo à saída da fibra activa a emissão dum sinal grandemente amplificado .

Na ausência do sinal de transmissão o decaimento espontâneo a partir dos estados de emissão laser, que são um número discreto característico de cada substância, dá lugar a uma luminosidade com picos a diferentes frequências correspondentes aos níveis disponíveis; em particular, como é mostrado na Fig. 3, uma fibra Si/Al dopada com Er^⁺, apropriada para ser usada em amplificadores ópticos, exibe no

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Mod. 71-10000 ex. - 89/07 comprimento de onda de 1.531 nm um pico de emissão de grande intensidade, enquanto que para maiores comprimentos de onda, é aprixlmadamente 1.560 nm, há uma zona na qual a emissão é ainda forte mas de Intensidade muito mais baixa.

Na presneça dum sinal luminoso introduzido na fibra no comprimento de onda correspondente ao pico de emissão do Er^⁺, 1.531 nm, ocorre uma muito forte amplificação do sinal, enquanto que o ruído de fundo produzido pela emissão espontânea do érbio se mantém limitado, e que torna a fibra adequada para ser usada num amplificador óptico para um sinal com este comprimento de onda.

0s lasers geradores do sinal do tipo semicondutor (In, Ga, As) disponíveis no comércio e adequados para serem usados têm uma banda de emissão típica na gama de 1,52 a 1,57 nm /um?./: isto significa que a sua técnica de produção é incapaz de assegurar a emissão do sinal de transmissão a um valor preciso ça frequência correspondente ao pico de emissão da fibra dopada com érbio usada como amplificador oferecendo ao contrário , uma grande percentagem de unidades produzidas nas quais o sinal está localizado em zonas da curva de emissão da fibra adjacente ao referido pico de emissão.

nível gerado por estes emissores laser não poderá ser amplificado de modo a atingir um ganho suficiente num amplificador de fibra óptica dopada com Er^⁺ do tipo acima descrito, porque a potência do bombeamento introduzido na fibra activa seria usada principalmente para amplificar o ruído de fundo gerado dentro da própria fibra activa do amplificador em correspondência com a emissão espontânea do érbio no comprimento de onda de 1.53 nm.

Contudo, tem sido observado que uma fibra incorporando uma certa quantidade de samárlo (Sm^⁺) como se gunda substância dopante, juntamente com Er^⁺, apresenta uma curva de emissão estimulada, em função do comprimento de onda, do tipo mostrado na Fig. 4, sem nenhum pico de alta inter

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Mod. 71 -10000 ex. - 89/07 sidade localizado nos 1.531 nm, apresentando, ao contrário, um valor alto e quase constante numa gama larga, substancialmente entre 1.530 e 1.560 nm.

Esta fibra também poderá ser usada num amplificador óptico, operando com um sinal gerado por emissores laser obteníveis no comércio, porque é capaz de gerar um efej_ to de amplificação com um ganho satisfatório sobre um sinal de transmissão dentro da referida gama de comprimento de onda, sem lhe juntar uma quantidade enaceitável de ruído.

A título de exemplo, foi construído um amplificador em conformidade com o diagrama da Fig. 1, compreendendo uma fibra activa 6 do tipo de índice escadonado Si/Al dopada com Er^⁺ e com Sm^⁺ contendo 40 ppm em peso de E^Og e 60 ppm de Sn^Og.

comprimento em fibra activa era de 30m.

Foi usado como emissor de bombeamento laser 5 um laser de iões de árgon operando a 528 nm, trabalhando com uma potência de 150 mW, enquanto que como laser emissor de sinais 2 foi usado um laser do comércio do tipo semicondutor (In, Ga, As) com uma potência de 1 mW e emitindo a um comprimento de onda, recebido, de 1.560 nm.

Com esta configuração experimental, foi obtido à saída do amplificador um ganho de 27 dB com um sinal de entrada de 1 mW.

Na ausência de sinal, foi medido à saída do amplificador um nível de emissão espontânea de 10 pW.

Esta emissão, constituindo o ruído de fundo produzido pelo amplificador, não representa um ruído muito importante para o sinal, o qual é amplificado a um nível muito maior elevado (cerca de 250 pW).

Para comparação, o mesmo emissor laser de transmissão 2 foi usado juntamente com um amplificador tendo a mesma estrutura que o amplificador do exemplo precedente, mas usando uma fibra activa 6 do tipo índice escolonado”

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Si/Al, dopado sómente com Er , contendo 40 ppm em peso de

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Er ; a fibra activa tinha 30 m de comprimento .

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

Como se pode ver a partir dos exemplos ci. tados, enquanto que o amplificador do segundo exemplo apresentou um ganho reduzido introduzindo ao mesmo tempo um tal ruído que tornara difícil a recepção do sinal de transmissão, facto que leva este amplificador a ser praticamente inútil, o amplificador usando a fibra activa em conformidade com a invenção, como se verificou no mencionado primeiro exemplo provou a sua capacidade para fornecer uma amplificação de ganho elevado juntamente com uma introdução de ruído desprezável .

Mod. 71-10000 ex.-89/07 resultado obtido é visto como consequên cia da presença do samário como segunda substância dopante na fibra activa . De facto o samário comporta-se como absorvente da emissão de érbio no comprimento de onda de 1.531 nm ao mesmo tempo que não apresneta absorção substancial de potência luminosa para comprimentos de onda superiores, desta forma nivelado o espectro de emissão da fibra activa, de maneira que ela pode efectivamente operar com sinais de tranè missão numa gama suficientemente larga para aceitar a maioria dos lasers de semicondutores (In, Ga, As) que se podem obter no comércio.

Como é ilustrado na figura 5, que mostra a curva de absorção por unidade de comprimento duma fibra Si/Al dopada com samário, a presença deste elemento na fibra determina, para comprimentos de onda substancialmente inferiores a 1.540 nm, uma absorção muito maior do que a observada entre 1.540 e 1.560 nm; Isto significa que o samário in troduzido na fibra de acordo com a presente invenção se comporta como um filtro distribuído ao longo da fibra activa, observando os fotões emitidos a 1,531 nm logo que estes são gerados por decaimento espontâneo a partir do nível de emis1 Ω

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Mod. 71 -10000 ex. 89/07 são laser dos iões de Er^⁺, desta maneira evitando que eles possam seguir em frente na fibra activa provocando mais decaimentos neste comprimento de onda subtraindo, assim, energia de bombeamento na gama de comprimentos de onda adjacente ao valor do sinal útil que se quere transmitir e gerando um amplificador ruído de fundo.

A quantidade de érbio contida na fibra activa é escolhida de acordo com o ganho desejado para o comprimento de fibra utilizado, isto é, o comprimento da fibra é seleccionado conforme a quantidade de érbio contido na fibra e em função do ganho desejado; normalmente o érbio contido na fibra sob a forma de óxido (E^O^), varia entre 10 e 100 ppm em peso.

Em correspondência com estes valores da concentração de érbio na fibra, a concentração em peso de samário na fibra sob a forma de óxido (Sii^Og), é igual ou prefe rivelmente maior do que a concentração de érbio, sendo a gama de concentração do samário dada

C Sri^Og J ¹ < -^:- < ¹⁰ £ Er₂0₃ 7

As substâncias dopantes podem ser introduzidas na fibra, por exemplo, por meio da técnica de solução dopante, que é bem conhecida na arte, a qual assegura satisfatórios resultados qualitativos, ou através de outros bem conhecidos da técnica de acordo com as necessidades específicas .

A despeito do facto da invenção ter sido descrita particularmente em relação com o uso do samário como substância dopante na fibra activa, outras substâncias dopan tes podem ser usados com o mesmo objectivo desde que possuam uma alta absorção luminosa correspondente ao comprimento, de onda da emissão espontânea máxima do érbio, particularmente

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Mod. 71 -10000 ex. -89/07 a cerca de 1.531 nm, mostrando ao mesmo tempo uma absorção luminosa consiredavelmente menor para os valores dos comprimentos de onda superiores a este, preferivelmente superiores 1.540 nm, para todos os comprimentos de onda da gama de tolerância dos emissores de sinais laser obteníveis no comércic

Para não influenciar a potência de bombeamentc do amplificador requerida para levar a cabo a inversão de população que causa a emissão laser da fibra óptica, potência de bombeamento que é fornecida à fibra na forma de radiação luminosa com um comprimento de onda menor do que o comprimento de onda do sinal de transmissão, a substância dopante a ser adicionada ao érbio na fibra não pode ter, tal como o samário, uma sensível absorção luminosa no comprimento de onda do bombeamento, o qual de preferência pode ser de 528 ou 980 nm.

Muitas modificações podem ser feitas sem sair do âmbito da presente invenção tomada nas suas características gerais.

Claims

REIVINDICAÇÕES1-. - Fibra óptica contendo substâncias dopantes de emissão laser, para ser usada em particular em amplificadores ópticos de fibra em linhas de telecomunicação óptica, fibra óptica contendo érbio como substância dopante de emissão laser e adaptado para receber um sinal de telecomunicação, dum emissor laser, dentro duma gama de comprimento de onda preferida, caracterizado pelo facto de compreender uma segunda substância dopante distribuída ao longo da fibra, substância dopante que apresenta uma capacidade de absorção, para uma luz com um comprimento de onda inferior a 1,540 nm, substancialmente maior do que a que apresenta para uma luz com comprimento de onda desde 1.540 nm até ao limite superioi da predeterminada gama dos sinais de transmissão.

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2^S. - Fibra óptica contendo substâncias do.

pantes de emissão laser de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo facto de a segunda substância dopante ser samário na forma de um catião trivalente.

5
3-. - Fibra óptica contendo substâncias do·· pantes de emissão laser de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo facto da concentração de samário na fibra en relação à concentração de érbio na mesma fibra, expressa como percentagem em peso do conteúdo dos respectivos óxidos,

10 ser £ Sm₂0₃ 7

1 < - <_ 10.

C Er₂O₃ 7

Mod. 71-10000 ex. 89/07
4- . - Amplificador óptico, destinado em par ticular a linhas de telecomunicação em fibra óptica operando com um sinal de transmissão duma gama predeterminada de comprimento de onda, compreendendo uma fibra óptica activa de emissão laser dopada com érbio, amplificador caracterizado pelo facto de a fibra óptica activa conter uma segunda substância dopante distribuída ao longo da fibra, substância dopante que apresenta uma absorção, para uma luz com comprimento de onda inferior a 1,540 nm, substancialmente maior da que apresenta para uma luz com comprimentos de onda desde 1,540 nm até ao limite superior da predeterminada gama de con primentos de onda do sinal de transmissão.
5- . - Fibra óptica de acordo com a reivindicação 4, caracterizado pelo facto de a segunda substância dopante da fibra óptica activa ser constituída por samário sob a forma de catião trivalente.
6^§. - Amplificador óptico de acordo com a reivindicação 4, caracterizado pelo facto de a concentração de samário na fibra óptica activa em relação à concentração de érbio na mesma fibra, expressa sob a forma de percentagem

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Ref: MM/901 44/NV/PT em peso dos óxidos contidos na fibra ser £ Sm₂0₃ 7

1 <.- < 10

ΓEr₂O₃ 7