PT96546A - Amplificador optico de corrente com fibra activa dopada - Google Patents

Description

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0 presente invento refere-se a um amplificador óptico de corrente com fibra activa , com eficiência de amplificação elevada . Para uma transmissão de sinal a longa distân* cia através duma linha de comunicação com fibra óptica é necessário que os mesmos sinais atinjam a estação receptora com nível suficiente para que possam ser reconhecidos e utilizados; como na propagaçãonuma fibra óptica se verifica a atenuação da luz do sinal, para se obter na estação receptora, a mais de 10 ou 100 quilómetros de distância, um sinal de nível suficiente, o sinal ordinariamente introduzido na fibra tem de ter o mais alto nível possível. Os lasere.s usados para a produção do sinal de transmissão têm, contudo, um poder algo limitado, de não mais do que alguns mW, enquanto que os laseresmais poderosos não são capazes de produzir tais sinais; por isso, temos de utilizar amplificadores poderosos, para receber o sinal produzido pelo laser e para o amplificar para o nível desejado. É sabido que as fibras ópticas tendo o núcleo dopado com substâncias particulares como, por exemplo, iões de terras raros, apresentam características de saída estimuladas, adequadas para uso como amplificadores ópticos. Tais fibras, podem de facto, ser providas com uma fonte de luz, chamada "fonte bomèante", num determinado comprimento de onda, em correspondência com um pico do espec tro de absorção da substância dopante, o que é capaz de colo car os átomos da substância dopante num estado energético excitado, ou faixa de bombagem, a partir do qual os referidos átomos passam espontâneamente, e num curto período de tempo, para um estado de saída de laser , em que permanecem 35 1 5

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por um tempo relativamente mais longo. Quando uma fibra que, no nível de emissão tem um elevado número de átomos em estado de excitação, é atravessada por uma luz de sinal com um comprimento de onda correspondendo ao referido estado de emissão laser, o sinal pro voca a transição dos átomos agitados para um sinal inferior com emissão de luz com o mesmo comprimento de onda do sinal; consequentemente, pode usar-se uma fibra deste tipo para obter a amplificação de um sinal óptico. São particularmente bem conhecidos os amplificadores ópticos que utilizam (Érbio) Erbium como dopante de emissão-laser, os quais usam a flicpsscência do (Érbiunjí) a cer ca de 1550 nm para a amplificação de um sinal em tal âmbito, no qual se verificam as melhores características transmissíveis da fibra de linha, do ponto de vista da atenuação do sinal. Os amplificadores de poder óptico que usam fibras dopadas com Érbium estão descritos em "Proceeding EC0C (European Conference on Optical Communication) 1989, páginas 42-43; tal documento descreve um amplificador de corrente que usa fibrasde sílica dopadas com Germânio e Érbio, bombea do com um laser Nd-YAG duplicado em frequência para 532 nm. Tal amplificador apresenta contudo uma eficiência de amplificação (considerada como a proporção entre a energia do sinal de transmissão à saída e a energia de bom-beamento fornecida) muito baixa, inferior a 20%, e muito dis tante da máxima eficiência teórica. Pela Patente Europeia -A-0345957, conhecem-se as fibras do tipo AI/Er, nas quais o dopante usado para se obter o perfil do índice de refracção apropriado para guiar a luz e A^O^; as fibras são adequadas para amplificadores ópticos bombeadas a 514.5 nm de comprimento de onda, como por exemplo, um laser Argon. De acordo com o referido pedido de patente, as fibras de AI/Er são preferíveis às fibras tradicionais Ge/Er se bombeadas no comprimento de onda indicado, de 514.5 nm, ? 35

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25 30 porque evitam os fenómenos de absorção no estado de excitação que ocorrem nas fibras Ge/Er, no mesmo comprimento de on da. Por outro lado, para se obter uma alta eficiên cia de amplificação é conveniente usar comprimentos de onda de bombeamento relativamente elevadas, sendo particularmente útil o comprimento de onda de 980 nm, porque a eficiência de amplificação num amplificador de energia é essencialmente proporcional ao comprimento de onda da bombagem. 0 objectivo deste invento é realizar um ampli^ ficador de energia que tenha uma alta eficiência de amplificação em correspondência com relativamente elevados comprimentos de onda de bombeamento, basicamente superiores a 520 nm. 0 presente invento refere-se a um amplificador óptico de energia, constituído por uma fibra activa dopa da contendo um dopante modificador do índice de refracção e Érbium como dopante fluorescente, ligado a uma linha de telecomunicação com fibras ópticas, e alimentado por um laser bombeador através de um acoplador dicróico; este amplificador é adequado para funcionar em condições de saturação da saída estimulada do dopante fluorescente, caracterizando-se pelo facto de o dopante modificador do índice de refracção da fibra óptica ser A^O^. 0 comprimento de onda do laser bombeador liga do à fibra activa é substancialmente superior a 520 nm e pre^ ferivelmente igual a 980 nm. A concentração de Érbiumna fibra, expressa em peso de 5 está compreendida entre 30 e 2000 ppm e pre ferivelmente entre 30 e 1000 ppm. A fibra activa pode ser monomodal no comprimento de onda do sinal de transmissão, mas não no comprimento de onda de bombagem, de modo a ter uma elevada energia de bombagem no interior de toda a secção da mesma fibra. Alternativamente, a fibra activa pode ser monomodal no comprimento de onda do sinal de transmissão bem - 3 - 35 1 5

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como no comprimento de onda de bombagem,de modo a reduzir as perdas de ligação com o acoplador dicróico do laser bombea-dor. Numa forma de realização preferida, o amplificador óptico de energia, de acordo com o invento, inclui dois laseresbombeadores ligados às duas extremidades da fibra activa através dos respectivos acopladores dicróicos ori_ entados de modo a que a direcção de entrada da energia luminosa emitida pelo laser bombeador esteja dirigida para a me£ ma fibra activa. Podem apreciar-se outros detalhes com a seguinte descrição do invento, referenciada aos desenhos juntos, em que: A Figura 1 apresenta um diagrama de uma linha de telecomunicação óptica com amplificador de energia; A Figura 2 apresenta um diagrama de um ampli^ ficador óptico de energia que utiliza uma fibra activa; A Figura 3 apresenta um diagrama das transições energéticas de uma fibra para um amplificador de acordo com o diagrama da Figura 2, adequada para gerar uma saída (laser) estimulada; A Figura 4 apresenta um diagrama da saída de energia relativamente à energia de bombeamento num amplificador de energia que utiliza uma fibra activa de acordo com o invento; A Figura 5 apresenta um diagrama da energia de saída relativamente à energia de bombeamento num amplificador de energia que utiliza fibra activa do tipo Ge/Er; A Figura 6 apresenta o espectro de fluorescência de uma fibra de acordo com o invento e de uma fibra Ge/Er. Uma linha de telecomunicação com fibras óptjL cas, esquematicamente representada na Figura 1, compreende, de uma forma geral, uma estação 1 para a emissão de sinais de transmissão, uma linha de fibras ópticas 2, adequada para transportar para longas distâncias os sinais nela introduzi- - 4 - 35 1 5 10 15

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dos, e uma estação de recepção 3 a que chegam os sinais. A fim de se introduzirem na linha de telecomunicação por fibras ópticas 2, sinais ópticos com um nível de energia inicial suficientemente elevado para lhes per mitir atingir a estação receptora 3, colocada a dezenas ou centenas de quilómetros de distância da fonte 1, e com um ní vel de energia aceitável para a sensibilidade dos dispositivos receptores aí localizados, não obstante a inevitável at£ nuação devida ao longo percurso no interior da fibra, os sinais ópticos, que são gerados por um emissor laser presente na estação emissora 1, são devidamente ampliados por meio de um amplificador de eneigia 4. De facto, os lasers utilizáveis para a geração dos sinais de transmissão, funcionando no comprimento de onda em que as características transmissivas da fibra são as melhores, isto é, correspondente à chamada terceira janela, a cerca de 1500 - 1600 nm, são lasers semicondutores, nu> duláveis e com bom desempenho espectral; mas tais lasers têm um nível de saída do sinal um tanto baixo, não excedendo cer ca de 3 dBm (cerca de 5 mW); por esta razão, o sinal que geram deve ser convenientemente amplificado para um nível superior, como por exemplo, para 15 - 20 dBm, antes da sua introdução na linha. Para realizar a amplificação óptica dos si^ nais a serem introduzidos numa linha com fibras ópticas para telecomunicações, são utilizados amplificadores com fibras ópticas. A estrutura de um amplificador com fibras ópticas está ilustrada esquematicamente na Figura 2; um sinal de transmissão, tendo um comprimento de ondaV^s, é envia_ do para um acopaldor dicróico 5, em que se junta, numa única fibra óptica de saída 6, com um sinal bombeador com um comprimento de onda^p, gerado por um laser bombeador 7; uma fi_ bra activa 8 de comprimento adequado, ligada à fibra 6 de saída do acoplador, constitui, o amplificador do sinal que á assim introduzido na fibra de linha 2, para ser enviado para - 5 - 35 1 5 10

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63,049 Ref: MM/90165/NV/PT 22.JAN.199V" o seu destino. Em geral, um amplificador óptico do tipo descri to proporciona a utilização de uma fibra óptica activa 8 em sílica dopada numa solução com E^O^ , que permite obter a amplificação do sinal de transmissão explorando as transições estimuladas do Érbium. Conforma se mostra no diagrama da Figura 3, que representa de forma simbólica, o estado energético dispo nível para um ião de Érbium em solução na matriz silicosa da fibra, a introdução na fibra activa de uma energia luminosa no comprimento de onda de bombeamento ^ p, inferior ao de ^ s do sinal de transmissão, introduz um certo número de iões Er^+, presente salto energético excitado 9, ou banda de "bom beamento", do qual os iões se escoam espontaneamente para um nível energético 10, que constitui um nível de emissão lasen 3+ Os iões de Er podem manter-se no nível laser de saída 10 durante um período de tempo relativamente longo, antes de sofrerem uma transição espontânea para o nível base 11. Como é sabido, enquanto a transição da banda 9 para o nível 10 está associada a uma saída térmica, que é dispersa para o exterior da fibra (radiação fonónica), a transição do nível 10 para o nível básico 11 gera uma emissão luminosa, constituindo um fotão com um comprimento de on da correspondente ao valor energético do nível de emissão laser 10; se uma fibra contendo uma elevada quantidade de iões ao nível de emissão laser fôr atravessada por um sinal com um comprimento de onda correspondente a tal nível de emissão, o sinal provoca a transição estimulada dos iões em causa do nível de emissão para o nível básico, antes do seu decaimento expontâneo, transição associada à correspondente saída de fotões simultaneamente com os fotões do sinal, o que dá origem a um fenómeno de "queda de água" que produz, à saída da fibra activa, a emissão de um sinal de transmissão fortemente amplificado. Na presença de sinais em entrada para a fibra - 6 - 35

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63.049 Ref: MM/90165/NV/PT 5 10 15 20 25 30 activa com um baixo nível energético, como por exemplo, um sinal que foi atenuado depois de ter alcançado uma grande distância no interior de uma fibra óptica, e em condições de fraca energia de saída, a energia luminosa Pu do sinal de transmissão com comprimento de onda ^s em saída da fibra act, va é proporcional à energia Pi do mesmo sinal em entrada na fibra, e a constante da proporcionalidade entre ambos define^ -se como ganho de amplificação G, de acordo com a relação Pu = G Pi. Tais condições de funcionamento são típicas dos amplificadores de linha colocados ao longo de uma fibra óptica de uma linha de telecomunicações, para restaurar, para um nível suficiente, um sinal atenuado após um certo percurso na fibra. Em presença de um sinal de entrada de alta energia, e com elevada energia de saída, basicamente mais do que 5% da energia de bombeamento introduzida, o amplificador óptico funciona em condições de saturação e proporciona uma energia de saída que, na prática, já não depende da energia entrada, mas apenas da energia de bombeamento; de facto na presença de um grande número de fotões no interior da fibra activa, a capacidade da fibra para emitir novos fotões devido a transições estimuladas pelo nível laser 10 é limitada pela possibilidade, relacionada com a energia de bombeamento introduzida, de tornar disponível um número suficiente de iões de Erbium no nível laser 10, e não depende do número de fotões do sinal de entrada, ou seja, da energia entrada na fibra. Tais condições de funcionamento são típicas dos amplificadores de energia, e para eles existe uma relação Pu = K P , em que Pu é a energia em saída, Pp a energia de bombeamento e K a proporcionalidade constante que representa, basicamente, a eficiência do amplificador. A eficiência máxima do amplificador é teorice. mente a eficiência correspondente à situação em que, por cada fotão enviado para o interior da fibra com o comprimento 7 35 1 5 10 i 15

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de onda de bombeamento ^p, que causa a transição do dopante do nível base 11 para o nível laser 10, há uma emissão de fotões, em presença do sinal, ao nível do comprimento de onda de transmissão ^s; tais condições correspondem a uma eficiência de amplificação dita "Eficiência de Quantum", significando um rácio entre a energia do fotão à saída e a energia do fotão na entrada, ou, em definitivo, entre o comprimento de onda do fotão de entrada, ou seja o fotão bombeador e o comprimento de onda do fotão de saída, ou seja, o fotão de transmissão; E = 1g?/ ^s. No caso do comprimento de onda do sinal de transmissão ser de cerca de 1550 nm e do comprimento de onda de bombeamento ser de 980 nm, a eficiência do quantum é de cerca de 63% (980/1550). Para se obter uma elevada eficiência de amplificação é, portanto, necessário operar em condições que correspondam a uma elevada eficiência de quantum, usando com primentos de onda de bombeamento relativamente elevados; e, além disso, aproximar-se tanto quanto possível da eficiência de quantum. Em particular, o uso de baixos comprimentos de onda de bombeamento, substancialmente inferiores a 520 nm, proporciona uma eficiência de quantum muito baixa (inferior a 33%) e uma eficiência de amplificação muito fraca mesmo, quando no melhor dos casos, se utilizarem amplificadores com uma eficiência igual à eficiência de quantum. Para a realização do amplificador de ener gia do tipo acima descrito, verificou-se que fibras de sílica activas, dopadas com para se obter o desejado per fil de índice de refracção, e contendo Erbium como dopante com emissão laser, apresentam uma eficiência muito elevada, próxima da eficiência do quantum acima descrita, em correspondência com um comprimento de onda de bombeamento mais el^ vado do que 520 nm e, em particular, em correspondência com o pico de absorção do Erbium a 980 nm. As fibras acima descritas obtêm-se com a 8 35 1 5

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técnica de dopagem por solução, bem conhecida no ramo, através da qual o dopante principal, que é A100~, e o dopante 3+ ^ 3 fluorescente, que é Er , são incorporados no núcleo da fibra por imersão numa solução aquosa, contendo sais, tendo a pré-forma tubular uma camada interna sintetizada que é então fundida e deixada cair, e extraindo-se daí a fibra. A descrição deste tipo de fibras e do res-pectivo processo de realização é feita no pedido de patente Britânico N. 8813769. Para a realização de amplificadores de enei: gia, de acordo com o presente invento, as fibras dopadas com A^Og contêm uma quantidade de Erbium, expressa como concentração em peso de E^O^, de 30 ppm a 2000 ppm e, preferivelmente, de 30 a 1000 ppm; o conteúdo do dopante modificador do índice de refracção, que é A^Og, e o perfil radial do ín dice de refracção na fibra podem ser escolhidos com base nas exigências específicas do pedido, não condicionando as finalidades do presente invento. Em particular, a abertura numérica e o diâmetro modal da fibra são oportunamente escolhidos de maneira a permitir um acoplamento com baixas perdas com a fibra de linha, enquanto que o conteúdo de Erbium e a sua distribuição radial na fibra podem ser escolhidos em relação com o comprimento da fibra activa escolhida, a energia de entrada e semelhantes, de acordo com critérios conhecidos. A fibra activa é uma fibra monomodal no com primento de onda da transmissão; pode ser não monomodal no comprimento de onda de bombeamento, a fim de permitir a entrada na fibra da maior quantidade possível de energia de bombeamento, distribuída por toda a secção; o uso de uma fibra monomodal no comprimento de onda de bombeamento^ p pode no entanto, ser conveniente para simplificar e reduzir as perdas de ligação da fibra com o acoplador dicróico 5. Com tais fibras é possível produzir um ampl:i ficador de energia de acordo com o esquema ilustrado na Figu ra 2 e na descrição anterior; com o fim de manter um alto va r\ 35 1

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15 20 25 30 35 lor de energia de bombeamento em toda a extensão da fibra activa 8, e de aumentar a energia de bombeamento total intr£ duzida na fibra, é possível e conveniente dispor de um segun do laser de bombeamento 12 por baixo da fibra activa, com um acoplador dicróico relativo 13 orientado em direcção à mesma fibra. Isto permite, especificamente, utilizar um laser de bombeamento com uma energia não demasiado elevada para que não haja degradação significativa do sinal, garantindo ao mesmo tempo, toda a energia necessária para activar a fibra. 3+ 0 uso de uma fibra dopada com A^Og e Er bombeada a 980 nm (+5 nm), permitiu obter uma eficiência de amplificação muito elevada, próxima da eficiência de quantum acima referida e, no entanto, mais elevada do que 60% desse valor; pelo contrário, as fibras tradicionais dopadas com Germanium têm demonstrado uma eficiência muito baixa, inferior a 30% da eficiência de quantum. A Figura 4 mostra um diagrama da energia da saída Pu em função da energia de bombeamento Pp para um amplificador realizado com o uso de uma fibra de acordo com o invento (Al/Er); a fibra tinha as seguintes característi-cas: Abertura numérica 0,16 Conteúdo de Erbium (peso de E^O^) 350 ppm Comprimento de onda crítico ( \crít;ico^ 9130 nm Diâmetro do Campo de Modo (MFD) a 1536 nm 8,14 μπι Na entrada do amplificador, a energia do sinal de transmissão, com um comprimento de onda \^s = 1536 nm, foi P^ = -2 dBm; o comprimento de onda de bombeamento foi )^p = 980 nm e a fibra activa tinha um comprimento de 3,7 m. Nestas condições, obtivemos uma eficiência de amplificação substancialmente igual à eficiência de quantum. Em comparação, a Figura 5 mostra o diagra- -i s\ 1 i 5

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ma da energia de saída P em relação à potência de bombeamen to Pp para um amplificador realizado utilizando-se uma fibra tradicional (Ge/Er); a fibra tinha as seguintes característi^ cas: Abertura Numérica 0,21 Conteúdo de Erbium (peso de E^O^) 300 ppm Comprimento de Onda Crítico ( H crítico> 980 “ Diâmetro do Campo de Modo (MFD) a 1536 nm 5,82 pn

Na entrada do amplificador, a energia do sinal de transmissão, com um comprimento de onda s = 1536 nm, foi P^ = 0 dBm; o comprimento de onda de bombeamento foi p = 980 nm e a fibra activa tinha um comprimento de 4 m. A eficiência de amplificação obtida tinha sjl do, neste caso, de 16%, aproximadamente igual a 25% da eficiência de quantum. Conforme também se pode ver comparando os diagramas, a fibra AI/Er apresentou um melhor desempenho do que a fibra Ge/Er. Uma fibra AI/Er apresenta um espectro de fluorescência mais amplo do que o de uma fibra Ge/Er correspondente, conforme se vê pelas respectivas curvas A e G da Figura 6; isto torna tais fibras activas uma fonte de maior ruído, se comparadas com as fibras Ge/Er, devido à queda espontânea dos iões de Erbium com comprimentos de onda diferen tes dos comprimentos do sinal, no caso do seu uso como ampl_i ficadores de linha, apresentando uma energia de saída demasiadamente baixa se comparada com a energia de bombeamento. Para utilização como amplificadores de energia observámos que, pelo contrário, as fibras Al/Er não apr£ sentam ruído de saída singnificativo se comparqdas com as fi_ bras Ge/Er; considera-se que isso se deve ao facto de que, nas condições de saturação anteriormente descritas em que um amplificador de energia funciona, nas fibras Al/Er pratica-mente todos os iões de Erbium trazidos para o nível do laser 11 - 35

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1. 63.049 * Ref: MM/90165/NV/PT 1 5 10 15 Mod. 71 - 20.000 «c. - 90/08 20 são feitos decair para o nível base por um fotão do sinal, conforme confirma a eficiência de amplificação próxima da eficiência do quantum apresentada por tais fibras; e assim, praticamente nenhum ião é submetido à queda espontânea, causa de ruído, que, além disso, é em qualquer caso, negligencia vel dado o nível da energia de saída do sinal. 0 alargamento do espectro fluorescente da fibra tem, além disso, a vantagem de permitir uma maior liberdade de escolha do comprimento de onda da transmissão, perml tindo, por exemplo, aceitar uma maior tolerância produtiva no sinal laser. As fibras de acordo com o invento revelaram--se assim particularmente vantajosas para uso em amplificada res ópticos com fibras de energia, oferecendo uma eficiência de amplificação sensivelmente mais elevada do que a das fibras conhecidas. Podem ser introduzidas variantes múltiplas sem afastamento do escopo do presente invento nas suas carac terísticas gerais. -REIVINDICAÇÕES-

   25 30 1-. - Amplificador óptico de corrente, constituído por uma fibra activa dopada (8) contendo um dopante modificador do índice de refracção e Erbium como dopante fluorescente, fornecido por um laser bombeante (7, 12) através de um acoplador dicróico relativo (5, 13) e ligado a uma linha de telecomunicação por fibra óptica (2), amplificador esse que é adequado para funcionar em condições de saturação para a saída estimulada do material dopante fluorescente, ca racterizado pelo facto de o dopante modificador do índice de refracção da fibra activa ser A^O^. 2S. - Amplificador óptico de corrente de aco£ do com a reivindicação 1, caracterizado pelo facto de o comprimento de onda da bomba laser ligada à fibra activa ser 12 35 1 5 10

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   mais elevado do que 520 nm. 3â. - Amplificador óptico de corrente de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo facto de o comprimento de onda da bomba laser ligada à fibra activa ser de 980 nm. 4ã. - Amplificador de corrente de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo facto de a concentração de Erbium na referida fibra, expressa em peso de E^O-, se encontrar entre 30 e 2000 ppm. 5ã. - Amplificador óptico de corrente de acordo com a reivindicação 3, caracterizado pelo facto de a concentração de Erbium na fibra, expressa em peso E^O^, se encontrar incluída entre 30 e 1000 ppm. 6§. - Amplificador óptico de corrente de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo facto de a fibra activa (8) ser monomodal ao comprimento de onda do sinal de transmissão mas não ao comprimento de onda da bomba. 1-. - Amplificador óptico de corrente de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo facto de a fàbra activa (8) ser monomodal ao comprimento de onda do sinal de transmissão e ao comprimento de onda da bomba. 8ã. - Amplificador óptico de corrente de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo facto de incluir dois laseres de bombagem (7, 12) ligados às duas extremidades da fibra activa (8) através de acopladores dicrói- | cos respectivos (5, 13), orientados com a direcção de entrada da energia luminosa emitida pela bomba laser (7, 12) dirigida em direcção à fibra activa (8). Lisboa, Por S0CIETÁ CAVI PIRELLI S.p.A. 0 AGENTE OFICIAL

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