RU1804674C

RU1804674C - Fibre light guide of optical quantum amplifier

Info

Publication number: RU1804674C
Application number: SU914909679A
Authority: RU
Inventors: Роман Витальевич Киян; Евгений Анатольевич Кузин; Михаил Петрович Петров; Василий Владимирович Спирин
Original assignee: Физико-технический институт им.А.Ф.Иоффе РАН
Priority date: 1991-02-12
Filing date: 1991-02-12
Publication date: 1993-03-23

Abstract

Использование: в устройствах дл усилени лазерного излучени . Сущность изобретени : волоконный световод состоит из сердцевины, окружающей ее оболочки и содержит активированную область, представл ющую собой в поперечном сечении световода коаксиально расположенное кольцо, причем рассто ние от оси световода до кольца и ширина кольца должны удовлетвор ть определенному соотношению. 2 ил.Usage: in devices for amplifying laser radiation. SUMMARY OF THE INVENTION: A fiber waveguide consists of a core surrounding its sheath and contains an activated region representing a coaxially arranged ring in the cross section of the fiber, the distance from the fiber axis to the ring and the width of the ring must satisfy a certain ratio. 2 ill.

Description

Изобретение относитс к технической физике, в частности к устройствам дл усилени лазерного излучени , и может быть использовано дл линейного усилени мощного лазерного излучени при создании со- литонных волоконно-оптических линий св зи и т.п..The invention relates to technical physics, in particular to devices for amplifying laser radiation, and can be used to linearly amplify high-power laser radiation when creating soliton fiber-optic communication lines, etc.

Цель изобретени - увеличение средней интенсивности выходного сигнального излучени Imax насыщающей усилитель. В качестве критери насыщени выбрано уменьшение усилени вследствие насыщени , при средней интенсивности выходного сигнального излучени Imax, в заданное число раз по отношению к величине малосигнального усилени .The purpose of the invention is to increase the average intensity of the output signal radiation Imax saturating amplifier. As a saturation criterion, a decrease in gain due to saturation was chosen at an average intensity of the output signal radiation Imax by a predetermined number of times with respect to the magnitude of the low-signal gain.

Поставленна цель достигаетс тем, что в известном волоконном световоде оптического квантового усилител , состо щем из сердцевины, окружающей ее оболочки и содержащем активированную область, согласно изобретению, активированна область представл ет собой в поперечном сечении световода коаксиально расположенное кольцо, причем рассто ние от оси световода до кольца R и ширина кольца Д должны удовлетвор ть соотношени мThe goal is achieved in that in the known fiber optical fiber of an optical quantum amplifier, consisting of a core surrounding its shell and containing an activated region, according to the invention, the activated region is a coaxially arranged ring in the cross section of the fiber, the distance from the axis of the fiber to the rings R and the width of the ring D must satisfy the relations

, In/, In /

lmax he «(R A):lmax he "(R A):

I max h С/Г As ,I max h C / G As,

0)0)

где Imax - наперед заданное значение средней интенсивности выходного сигнального излучени , насыщающей усилитель; /3- заданное отношение коэффициента усилени в режиме малосигнального усилени к коэффициенту усилени при уровне средней интенсивности выходного сигнального излучени Imax,where Imax is a predetermined value of the average intensity of the output signal radiation saturating the amplifier; / 3 - predetermined ratio of the gain in the mode of small signal amplification to the gain at the level of the average intensity of the output signal radiation Imax,

cc(R, Д )-коэффициент перекрыти моды усиливаемого излучени с инверсиейcc (R, D) - coefficient of overlap of the mode of amplified radiation with inversion

0000

gg

О, VJOh vj

44

GJ Gj

населенности; т- врем жизни на верхнем лазерном уровне; Л s - длина волны используемого лазерного перехода активной среды; crs - сечение индуцированного излучени на длине волны Л3; h - посто нна Планка, с - скорость света в вакууме.population t is the lifetime at the upper laser level; L s is the wavelength of the used laser transition of the active medium; crs is the cross section of the induced radiation at wavelength L3; h is Planck's constant; c is the speed of light in vacuum.

Здесь и далее рассто нием от оси световода до активированной области называют .величину R - (Ri + R2)/2, а ее шириной - величину Л Ri - R2, где Ri, Ra - радиусы внутренней и внешней окружностей, ограничивающих активированную область.Hereinafter, the distance from the fiber axis to the activated region is called the value R - (Ri + R2) / 2, and its width is the quantity Л Ri - R2, where Ri, Ra are the radii of the inner and outer circles bounding the activated region.

Коэффициент перекрыти сигнальной волны с инверсией населенности определ етс следующим выражением:The overlap coefficient of the signal wave with population inversion is determined by the following expression:

a(R.A))dr. (2) JsNv1(rr,z)dr a (R.A)) dr. (2) JsNv1 (rr, z) dr

--

где фз(г)- функци , описывающа поперечное распределение энергии в моде усиливаемого излучени ; NM(r,z) - распределение инверсии населенности в активированной области. Интегрирование в выражении (2) выполн етс по поперечному сечению воло- коннного световода.where fz (g) is a function describing the transverse distribution of energy in the mode of amplified radiation; NM (r, z) is the population inversion distribution in the activated region. Integration in expression (2) is performed over the cross section of the fiber waveguide.

Активированна область должна представл ть собой в поперечном сечени световода кольцо дл того, чтобы активатор находилс в той части световода, где поле сигнальной волны уменьшаетс по отношению к его значению на оси световода. Это приводит к уменьшению скорости опустошени верхнего лазерного уровн , а следо- вательно, заданное уменьшение коэффициента усилени , обусловленное опустошением верхнего лазерного уровн , наступает при большей, по сравнению с устройством-прототипом , средней интенсивности выходного сигнального излучени .The activated region must be a ring in the cross section of the fiber so that the activator is located in that part of the fiber where the field of the signal wave decreases with respect to its value on the axis of the fiber. This leads to a decrease in the rate of emptying of the upper laser level, and, consequently, a predetermined decrease in the gain due to emptying of the upper laser level occurs when the average output signal radiation intensity is higher than that of the prototype device.

Коаксиальное расположение кольцевой активированной области обусловлено ци- линдрической симметрией световода и мод распростран ющегос по нему излучени .The coaxial arrangement of the annular activated region is due to the cylindrical symmetry of the fiber and the modes of the radiation propagating through it.

Соотношение (1), которому должны удовлетвор ть рассто ние от оси световода до кольца R и ширина кольца А, получено следующим образом.Relation (1), which must be satisfied by the distance from the axis of the fiber to the ring R and the width of the ring A, is obtained as follows.

Решение уравнений, описывающих процесс усилени света в волоконном усилителе , дает дл коэффициента усилени оптического квантового усилител следующее выражение (дл определенности рассмотрение проводитс на примере четырехуровневого усилител ):The solution of the equations describing the process of amplification of light in a fiber amplifier gives the following expression for the gain of an optical quantum amplifier (for definiteness, we consider the example of a four-level amplifier):

G - Goexp(- a tout/lo).G - Goexp (- a tout / lo).

где Go - малосигнальный коэффициент усилени ; lout интенсивность выходного сигнала; I о h с/т Я s С78 . Выражение (3) справедливо при Go 1. Задава допустимое уменьшение усилени ft по отношению к малосигнальному усилению и значение средней интенсивности ВЫХОДНОГО СИГНаЛЬНОГО ИЗЛученИЯ Imax,where Go is a small signal gain; lout output intensity; I about h s / t I s C78. Expression (3) is valid for Go 1. After setting the allowable decrease in the gain ft with respect to the low-signal gain and the value of the average intensity of the OUTPUT SIGNAL RADIATION Imax,

насыщающей усилитель, из выражени (3) получают соотношение (1). Аналогичное рассмотрение можно провести и дл трехуровневого усилител .saturating amplifier, from the expression (3), the ratio (1) is obtained. A similar consideration can be made for a three-level amplifier.

На фиг.1 показано поперечное сечение за вленного волоконного световода оптиче- скота квантового усилител .Figure 1 shows a cross section of the claimed fiber optic fiber of a quantum amplifier.

Световод содержит сердцевину 1, оболочку 2, активированную область 3.The light guide contains a core 1, a sheath 2, an activated region 3.

На фиг.2 показано поперечное сечеьие волоконного световода оптического кванто- вого усилител , выбранного в качестве устройства-прототипа .Figure 2 shows a cross section of a fiber waveguide of an optical quantum amplifier selected as a prototype device.

За вленный волоконный световод оптического квантового усилител работает следующим образом. Излучение накачкиThe claimed fiber optical fiber of an optical quantum amplifier operates as follows. Pump radiation

вводитс в световод через один из его тор is introduced into the fiber through one of its torus

цов. Распростран сь вдоль световода, оно полглощаетс активатором. В результате в активированной области возникает инверсна населенность.cts. Spread along the fiber, it is absorbed by the activator. As a result, an inverse population arises in the activated region.

30 Через любой из торцов волокна вводит-, с сигнальное излучение, которое взаимодействует с активатором, вызыва индуцированные переходы с верхнего лазерного уровн на нижний с испусканием30 Through any of the ends of the fiber, it introduces, with, signal radiation that interacts with the activator, causing induced transitions from the upper laser level to the lower one with emission

35 кванта света на длине волны сигнала, что и приводит к усилению сигнальной волны. Распределение активатора в кольцевой области уменьшает коэффициент перекрыти сигнальной волны с лазерно-активной обла40 стью, что, в свою очередь, ведет к уменьшению скорости опустошени верхнего лазерного уровн сигнальной волной. Таким образом, при условии выполнени соотношени (1) обеспечиваетс малосигнальный35 light quanta at the wavelength of the signal, which leads to amplification of the signal wave. The distribution of the activator in the annular region reduces the overlap coefficient of the signal wave with the laser active region, which, in turn, leads to a decrease in the rate of emptying of the upper laser level by the signal wave. Thus, provided that relation (1) is satisfied, a low-signal

45 режим работы усилител дл средней интенсивности выходного сигнального излучени в диапазоне от 0 до Imax.45 is an amplifier operation mode for an average output signal intensity ranging from 0 to Imax.

Пример. Волоконный световод дл оптического квантового усилител изготов50 Лен на основе кварцевого стекла и активирован ионами Nd3. Данный активатор работает по четырехуровневой схеме дл сигнального излучени с длиной волны в диапазоне 1,06-1,08 мкм.Example. A fiber waveguide for an optical quantum amplifier is made of 50 silica glass and is activated by Nd3 ions. This activator operates in a four-level scheme for signal radiation with a wavelength in the range of 1.06-1.08 microns.

55 Волоконный световод имеет следующие параметры. Внешний диаметр световода 125 мкм, диаметр сердцевины световода 6 мкм. Активированна область представл ет собой коаксиальное кольцо, рассто ние55 Fiber optic cable has the following parameters. The outer diameter of the fiber is 125 μm, the diameter of the core of the fiber is 6 μm. The activated region is a coaxial ring, the distance

от оси световода до кольца R 5,625 мкм, ширина кольца Д 0,375 мкм. Прочие параметры имеют следующие значени : г 350 мкс; (7S 1,5-Ю 24 м2; As 1,08 мкм; квантова эффективность у 0,5. Тогда о 3,49-108 Вт/м2.from the axis of the fiber to the ring R 5.625 μm, the width of the ring D 0.375 microns. Other parameters have the following meanings: g 350 μs; (7S 1.5-Yu 24 m2; As 1.08 μm; quantum efficiency at 0.5. Then about 3.49-108 W / m2.

Накачка усилител осуществл етс од- номодовым лазерным источником с длиной волны излучени Ар 810 нм. Мощность излучени накачки, введенна в волокон- ный световод, 400 мВт. Как сигнальное излучение , так и излучение накачки распростран ютс в основной моде световода .The amplifier is pumped by a single-mode laser source with a radiation wavelength Ap of 810 nm. A pump radiation power input to a fiber waveguide of 400 mW. Both signal radiation and pump radiation propagate in the fundamental mode of the fiber.

Такой волоконный усилитель имеет еле- дующие характеристики: коэффициент перекрыти сигнального излучени с инверсией населенности а- 0,056; малосигнальное усиление Go 6,5 дБ; средн интенсивность выходного сигнального из- лучени , насыщающа усилитель, Imax 2,03 109 Вт/м2(дл (3 2); соответствующа мощность выходного сигнала Ртах 69,3 мВт.Such a fiber amplifier has the following characteristics: signal overlap coefficient with population inversion a - 0.056; Go signal gain 6.5 dB; average output signal intensity, saturating amplifier, Imax 2.03 109 W / m2 (dl (3 2); corresponding output signal power Pmax 69.3 mW.

Дл сравнени могут быть приведены характеристики волоконного усилител , аналогичного устройству-прототипу. Все параметры световода такие же, как в рассмотренном примере, но активатор распределен равномерно по поперечному сечению сердцевины световода.For comparison, characteristics of a fiber amplifier similar to the prior art device may be given. All parameters of the fiber are the same as in the considered example, but the activator is evenly distributed over the cross section of the fiber core.

Тогда волоконный усилитель имеет следующие характеристики: коэффициент перекрыти сигнального излучени с инверсией населенности а 0,73; малосиг- нальное усиление Go 40 дБ; средн интенсивность выходного сигнального излучени , насыщающа усилитель, Imax 3,32 108 Вт/м2 (дл ft 2); соответствующа мощность выходного сигнала Ртах - 11,4 мВт.Then the fiber amplifier has the following characteristics: signal overlap coefficient with population inversion a 0.73; low gain Go 40 dB; average output signal intensity saturating amplifier, Imax 3.32 108 W / m2 (dl ft 2); the corresponding output power Ptm is 11.4 mW.

За вленный волоконный световод обеспечивает среднюю интенсивность выходного сигнального излучени , насыщающую усилитель, в 6 раз превышающую соответствующую характеристику устройства, аналогичного прототипу.The claimed optical fiber provides an average output signal intensity saturating the amplifier, 6 times higher than the corresponding characteristic of a device similar to the prototype.

Дополнительным преимуществом за вленного волоконного световода вл етс то, что он позвол ет создавать усилители с КПД, более высоким по сравнению с устройством-прототипом .An additional advantage of the claimed optical fiber is that it allows the creation of amplifiers with an efficiency higher than that of the prototype device.

Claims

SUMMARY OF THE INVENTION A fiber optic optical fiber optical fiber amplifier, consisting of a core surrounding its envelope and containing an activated region, characterized in that, in order to increase the average output signal intensity saturating the amplifier, the activated region is a coaxial ring in the cross section of the fiber and the distance R from the axis of the fiber to the ring and the width of the ring And satisfy the relation:

/ 1 max. he a (R, A);

I max h

As ts

where Imax is the set value of the average intensity of the output signal radiation, / 3 is the set ratio of the gain in the low-signal amplification mode to the gain at the level of the average intensity of the output signal radiation Imax, a (R, A) is the overlap coefficient of the mode of amplified radiation with population inversion, d is the lifetime at the upper laser level, As is the wavelength of the used laser transition of the active medium, (73 is the cross section of the induced radiation at a wavelength of A3, h is Planck's constant, s is the speed of light .

Figure 1

Fig, 2.