RU2062540C1 - Fiber light conductor of optical quantum amplifier - Google Patents
Fiber light conductor of optical quantum amplifier Download PDFInfo
- Publication number
- RU2062540C1 RU2062540C1 RU93034822A RU93034822A RU2062540C1 RU 2062540 C1 RU2062540 C1 RU 2062540C1 RU 93034822 A RU93034822 A RU 93034822A RU 93034822 A RU93034822 A RU 93034822A RU 2062540 C1 RU2062540 C1 RU 2062540C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- fiber
- radiation
- core
- amplifier
- signal
- Prior art date
Links
Images
Abstract
Description
Изобретение относится к технической физике, в частности к устройствам для усиления лазерного излучения, и может быть использовано для линейного усиления мощного лазерного излучения в волоконно-оптических линиях связи, сетях, информационно-измерительных системах, системах кабельного телевидения и т.п. The invention relates to technical physics, in particular to devices for amplifying laser radiation, and can be used for linear amplification of powerful laser radiation in fiber-optic communication lines, networks, information-measuring systems, cable television systems, etc.
Усилители света на основе активированных волокон находят широкое применение в науке и технике. К преимуществам таких усилителей относятся возможность получать высокие коэффициенты усиления (до 20-30 дБ) при накачке лазерными диодами с мощностью излучения 10-50 мВт, большая ширина линии усиления, что позволяет усиливать импульсы пикосекундного и субпикосекундного диапазонов, хорошее геометрическое согласование с используемыми в линиях связи волоконными световодами, отсутствие зависимости усиления от поляризации усиливаемого излучения. Light amplifiers based on activated fibers are widely used in science and technology. The advantages of such amplifiers include the ability to obtain high gains (up to 20-30 dB) when pumped by laser diodes with a radiation power of 10-50 mW, a large gain line width, which allows amplification of picosecond and subpicosecond pulses, good geometric matching with those used in the lines communication with optical fibers, the absence of dependence of amplification on the polarization of amplified radiation.
В последнее время возрос интерес к мощным волноводным лазерам и усилителям. Это обусловлено тем, что в волноводных системах легче решается проблема сохранения одномодовой структуры лазерного излучения, а использование в качестве волновода волоконного световода облегчает отвод тепла. Recently, interest in high-power waveguide lasers and amplifiers has increased. This is due to the fact that the conservation of a single-mode structure of laser radiation is more easily solved in waveguide systems, and the use of a fiber waveguide as a waveguide facilitates heat removal.
Мощные волоконные квантовые усилители оптического диапазона позволяют решить ряд практических задач увеличение расстояния мощу ретрансляторами в волоконной линии связи, расширение динамического диапазона аналоговых линий связи, разветвление оптического сигнала в большое число каналов, использование нелинейных оптических явлений в волоконном световоде для обработки информации. Powerful optical fiber quantum amplifiers allow solving a number of practical problems: increasing the power distance of repeaters in a fiber communication line, expanding the dynamic range of analog communication lines, branching an optical signal into a large number of channels, using nonlinear optical phenomena in a fiber waveguide to process information.
Известен волоконный световод оптического квантового усилителя [1] состоящий из сердцевины и окружающей ее оболочки, причем упомянутая сердцевина легирована ионами Er3+. Волоконный световод выполнен на основе кварцевого стекла.Known fiber optical fiber optical quantum amplifier [1] consisting of a core and its surrounding shell, and the said core is doped with Er 3+ ions. The fiber optic fiber is made on the basis of quartz glass.
Данный волоконный световод оптического квантового усилителя работает следующим образом. Излучение накачки, введенное через один из торцов световода, распространяется вдоль световода. Энергия излучения накачки в основном сконцентрирована в сердцевине световода, что обеспечивает его хорошее перекрытие с легированной областью и эффективное поглощение излучения накачки активатором. Таким образом, за счет оптической накачки активатора в сердцевине создается среда с инверсной населенностью. Излучение сигнала вводится в сердцевину через любой из торцов световода. Энергия сигнальной волны, распространяющейся вдоль световода, сосредоточена в основном в сердцевине световода. Благодаря этому сигнальная волна эффективно взаимодействует с активатором, приводя к индуцированным переходам в основное состояние с излучением на длине волны сигнала, что и обуславливает усиление сигнальной волны. This fiber optical fiber optical quantum amplifier operates as follows. The pump radiation introduced through one of the ends of the fiber propagates along the fiber. The energy of the pump radiation is mainly concentrated in the core of the fiber, which ensures its good overlap with the doped region and effective absorption of the pump radiation by the activator. Thus, due to the optical pumping of the activator, a medium with an inverse population is created in the core. Signal radiation is introduced into the core through any of the ends of the fiber. The energy of a signal wave propagating along a fiber is concentrated mainly in the core of the fiber. Due to this, the signal wave effectively interacts with the activator, leading to induced transitions to the ground state with radiation at the wavelength of the signal, which determines the amplification of the signal wave.
Высокая интенсивность излучения накачки в сердцевине световода позволяет получать значительные коэффициенты усиления при сравнительно низкой мощности накачки. В данном волоконном световоде получено усиление 46,5 дБ при мощности накачки 133 мВт на длине волны 1,48 мкм. The high intensity of the pump radiation in the core of the fiber allows to obtain significant amplification factors at a relatively low pump power. In this fiber, a gain of 46.5 dB was obtained with a pump power of 133 mW at a wavelength of 1.48 μm.
Описанный волоконный световод обладает существенным недостатком. Рост мощности сигнального излучения приводит к насыщению усиления, что обуславливает падение коэффициента усиления даже при сравнительно малых мощностях сигнала. Так, малосигнальный коэффициент усиления этого волоконного световода составляет 46,5 дБ, он уменьшается на 3 дБ при мощности сигнала на выходе 32,4 мВт. Это обстоятельство препятствует реализации значительной средней интенсивности выходного сигнального излучения. The described optical fiber has a significant drawback. An increase in the power of signal radiation leads to saturation of the gain, which leads to a decrease in the gain even at relatively low signal powers. So, the low-signal gain of this fiber is 46.5 dB, it decreases by 3 dB with a signal power of 32.4 mW at the output. This circumstance prevents the realization of a significant average intensity of the output signal radiation.
Известен волоконный световод для оптического квантового усилителя [2] выбранный нами за прототип и состоящий из сердцевины, коаксиально расположенной световедущей области, окружающей упомянутую сердцевину, и окружающей их оболочки, причем сердцевина легирована ионами Nd3+.A known fiber optic fiber for an optical quantum amplifier [2] is chosen by us for the prototype and consists of a core, a coaxially located light guide region surrounding the core, and surrounding their shell, and the core is doped with Nd 3+ ions.
Данный волоконный световод оптического квантового усилителя работает следующим образом. Излучение накачки через один из торцов световода вводится в световедущую область. Оно распространяется вдоль световода и поглощается активатором вследствие перекрытия с легированной активатором сердцевиной. Таким образом, за счет оптической накачки активатора в сердцевине создается среда с инверсной населенностью. Излучение сигнала вводится через любой из торцов световода в сердцевину. Энергия сигнальной волны, распространяющейся вдоль световода, сосредоточена в основном в сердцевине световода, и благодаря этому сигнальная волна эффективно взаимодействует с активатором, приводя к индуцированным переходам в основное состояние с излучением на длине волны сигнала, что и обуславливает усиление сигнальной волны. This fiber optical fiber optical quantum amplifier operates as follows. The pump radiation is introduced through one of the ends of the fiber into the light guide region. It propagates along the fiber and is absorbed by the activator due to overlapping with the doped activator core. Thus, due to the optical pumping of the activator, a medium with an inverse population is created in the core. Signal radiation is introduced through any of the ends of the fiber into the core. The energy of the signal wave propagating along the fiber is concentrated mainly in the core of the fiber, and due to this, the signal wave interacts effectively with the activator, leading to induced transitions to the ground state with radiation at the wavelength of the signal, which determines the amplification of the signal wave.
Преимуществом описанного волоконного световода является возможность осуществления накачки излучением мощного многомодового лазерного диода при сохранении одномодового режима распространения для сигнального излучения. An advantage of the described optical fiber is the ability to pump the radiation of a powerful multimode laser diode while maintaining a single-mode propagation mode for signal radiation.
Устройство-прототип обладает существенными недостатками. Рост мощности сигнального излучения приводит к насыщению усиления, что обуславливает падение коэффициента усиления даже при сравнительно малых мощностях сигнала. Так, малосигнальный коэффициент усиления этого волоконного световода составляет 11 дБ, он уменьшается на 3 дБ при мощности сигнала на выходе 19 мВт. Это обстоятельство препятствует реализации значительной средней интенсивности выходного сигнального излучения. Поскольку световедущая область окружает сердцевину, она имеет сравнительно большую площадь поперечного сечения, что уменьшает интенсивность излучения накачки и приводит к увеличению пороговой мощности накачки, если сердцевина активирована ионами редкоземельного элемента, работающего по трехуровневой схеме. Последнее, в свою очередь, ведет к увеличению требуемой мощности накачки и снижению КПД усилителя. The prototype device has significant disadvantages. An increase in the power of signal radiation leads to saturation of the gain, which leads to a decrease in the gain even at relatively low signal powers. So, the low-signal gain of this fiber is 11 dB, it decreases by 3 dB with a signal power at the output of 19 mW. This circumstance prevents the realization of a significant average intensity of the output signal radiation. Since the light guide region surrounds the core, it has a relatively large cross-sectional area, which reduces the intensity of the pump radiation and leads to an increase in the threshold pump power if the core is activated by ions of a rare-earth element operating according to a three-level scheme. The latter, in turn, leads to an increase in the required pump power and a decrease in the efficiency of the amplifier.
Задача предлагаемого изобретения состоит в увеличении средней интенсивности выходного сигнального излучения Jmax, насыщающего волоконно-оптический квантовый усилитель, без увеличения пороговой мощности накачки, когда усилитель выполнен на основе волоконного световода, легированного ионами редкоземельных элементов, работающих по трехуровневой схеме.The objective of the invention is to increase the average intensity of the output signal radiation J max saturating the fiber-optic quantum amplifier, without increasing the threshold pump power when the amplifier is based on a fiber waveguide doped with rare-earth ions operating in a three-level scheme.
Данная задача решается благодаря тому, что в волоконном световоде оптического квантового усилителя, состоящем из сердцевины, световедущей области и окружающей их оболочки, согласно формуле изобретения упомянутая световедущая область легирована ионами редкоземельных элементов и расположена на расстоянии R от оси сердцевины, которое удовлетворяет соотношению
где Jmax наперед заданное значение средней интенсивности выходного сигнального излучения, насыщающей усилитель, Jmax ≥ (hcG0lnγ)/((σs+ σ12) τλs(G0 - γ));;
γ заданное отношение коэффициента усиления в режиме малосигнального усиления к коэффициенту усиления при уровне средней интенсивности выходного сигнального излучения Jmax;
G0 малосигнальное усиление;
t время жизни на верхнем лазерном уровне;
ls длина волны используемого лазерного перехода иона редкоземельного элемента;
σs сечение индуцированного излучения на длине волны λs;
σ12 сечение поглощения на длине волны λs;
h постоянная Планка;
с скорость света в вакууме;
αs(R) коэффициент перекрытия моды сигнального излучения с инверсией населенности, αs(R) задается следующим выражением:
где 
where J max is the predetermined average value of the output signal radiation saturating the amplifier, J max ≥ (hcG 0 lnγ) / ((σ s + σ 12 ) τλ s (G 0 - γ)) ;;
γ is the specified ratio of the gain in the mode of low-signal amplification to the gain at a level of average intensity of the output signal radiation J max ;
G 0 low signal gain;
t lifetime at the upper laser level;
l s the wavelength of the used laser transition of the rare-earth ion;
σ s is the cross section of induced radiation at a wavelength of λ s ;
σ 12 absorption cross section at a wavelength of λ s ;
h Planck's constant;
c is the speed of light in vacuum;
α s (R) is the coefficient of overlap of the signal radiation mode with population inversion, α s (R) is given by the following expression:
Where
Расстоянием R от оси сердцевины до световедущей области мы называем расстояние от оси сердцевины до ближайшей точки световедущей области в плоскости поперечного сечения световода. The distance R from the axis of the core to the light guide region is the distance from the axis of the core to the nearest point of the light guide region in the plane of the cross section of the light guide.
Заметим, что форма световедущей области в поперечном сечении может быть произвольной. Например, она может иметь форму круга, кольца, ось которого совпадает с осью сердцевины, или может быть несколько световедущих областей. Note that the cross-sectional shape of the light guide region can be arbitrary. For example, it may be in the form of a circle, a ring, the axis of which coincides with the axis of the core, or there may be several light guide regions.
Концентрация ионов редкоземельных элементов в световедущей области произвольна. The concentration of rare-earth ions in the light guide region is arbitrary.
Доказательство существенности признаков. Proof of materiality of signs.
Необходимость использования световедущей области, легированной ионами редкоземельных элементов, обусловлена тем, что в этом случае имеет место хорошее перекрытие между излучением накачки, распространяющемся в световедущей области, и активатором, что позволяет получить меньшую по сравнению с устройством-прототипом величину пороговой мощности накачки в случае, когда активатор работает по трехуровневой схеме. The necessity of using a light guide region doped with rare earth ions is due to the fact that in this case there is a good overlap between the pump radiation propagating in the light guide region and the activator, which makes it possible to obtain a lower threshold pump power in comparison with the prototype device in the case when the activator operates in a three-level scheme.
Световедущая область должна быть расположена на расстоянии R от оси сердцевины для того, чтобы активатор находился в той части световода, где поле сигнальной волны, распространяющейся в сердцевине, уменьшается по отношению к его значению на оси сердцевины. Это приводит к уменьшению скорости опустошения верхнего лазерного уровня, а следовательно, насыщение усиления происходит при большей по сравнению с устройством-прототипом средней интенсивности выходного сигнального излучения без увеличения пороговой мощности накачки, когда усилитель выполнен на основе волоконного световода, легированного ионами редкоземельных элементов, работающих по трехуровневой схеме. The light guide region should be located at a distance R from the axis of the core so that the activator is in that part of the fiber where the field of the signal wave propagating in the core decreases with respect to its value on the axis of the core. This leads to a decrease in the emptying rate of the upper laser level, and therefore, gain saturation occurs at a higher average output signal intensity compared to the prototype device without increasing the threshold pump power when the amplifier is based on a fiber waveguide doped with rare-earth ions operating by three-level scheme.
Расстояние R от оси сердцевины до световедущей области должно удовлетворять соотношению (1), которое получено авторами следующим образом. The distance R from the axis of the core to the light guide region must satisfy relation (1), which was obtained by the authors as follows.
Для мощности сигнального излучения на выходе усилителя, которая приводит к падению усиления в γ раз по отношению к малосигнальному усилению, авторами получено следующее выражение:
η квантовая эффективность, lp длина волны излучения накачки, q = Wsσp/Wp(σs + σ12), Ws и Wp площади поперечного сечения сигнальной моды и моды излучения накачки соответственно, σp сечение поглощения накачки активатором, Pp0 мощность излучения накачки на выходе усилителя в режиме малосигнального усиления, αp коэффициент перекрытия между излучением накачки и инверсией населенности, αp задается выражением
где 
η quantum efficiency, l p wavelength of the pump radiation, q = W s σ p / W p (σ s + σ 12 ), W s and W p the cross-sectional areas of the signal mode and the pump radiation mode, respectively, σ p the pump absorption cross section by the activator , P p0 is the pump radiation power at the amplifier output in the low-signal amplification mode, α p is the overlap coefficient between the pump radiation and the population inversion, α p is given by
Where
Мощность излучения накачки на выходе усилителя Pp0 не должна быть меньше порогового значения
Поскольку излучение накачки распространяется в световедущей области, где находится активатор, обеспечивается малая величина пороговой мощности накачки Pth и вместо (3) имеем
Тогда, если Jmax наперед заданное значение максимальной средней интенсивности выходного сигнального излучения, положив Jmax = Psγ /Ws, из (4) получим выражение (1). Кроме того, поскольку αs(R) ≅ 1, должно быть выполнено условие Jmax ≥ (hcG0lnγ)/((σs+ σ12) τλs(G0 - γ)).. Не выполнение условия (1) приведет к падению средней интенсивности выходного сигнального излучения.The pump radiation power at the output of the amplifier P p0 should not be less than the threshold value
Since the pump radiation propagates in the light guide region where the activator is located, a small threshold pump power P th is provided and instead of (3) we have
Then, if J max is the predetermined value of the maximum average intensity of the output signal radiation, setting J max = P sγ / W s , from (4) we obtain the expression (1). In addition, since α s (R) ≅ 1, the condition J max ≥ (hcG 0 lnγ) / ((σ s + σ 12 ) τλ s (G 0 - γ)) must be satisfied. Failure to fulfill condition (1) will lead to a drop in the average intensity of the output signal radiation.
Таким образом, каждый из признаков необходим, а все вместе они достаточны для решения поставленной задачи. Thus, each of the signs is necessary, and together they are sufficient to solve the task.
На момент подачи заявки из знания мирового уровня техники авторам не известна заявленная совокупность признаков, хотя по отдельности некоторые из них были отражены в публикациях. Так, например, известно техническое решение [2] в совокупность признаков которого входит наличие сердцевины, световедущей области и окружающей их оболочки, однако, находясь в другой, отличной от заявленной нами совокупности признаков, в [2] достигается и отличный от нашего положительный эффект, состоящий в том, что данный волоконный световод дает возможность осуществлять накачку излучением мощного многомодового лазерного диода при сохранении одномодового режима распространения для сигнального излучения. At the time of filing the application, from the knowledge of the world level of technology, the authors did not know the claimed combination of features, although individually some of them were reflected in the publications. So, for example, a technical solution is known [2], the totality of the signs of which includes the presence of a core, light guide region and the surrounding envelope, however, being in a different, different from the claimed combination of signs, a positive effect different from ours is achieved in [2], consisting in the fact that this fiber light guide makes it possible to pump with radiation a powerful multimode laser diode while maintaining a single-mode propagation mode for signal radiation.
Только вся заявленная нами совокупность признаков в результате их взаимовлияния позволила выявить новый технический эффект, состоящий в том, что описанный в формуле изобретения волоконный световод оптического квантового усилителя позволяет увеличить среднюю интенсивность выходного сигнального излучения, насыщающего волоконно-оптический квантовый усилитель, без увеличения пороговой мощности накачки, когда усилитель выполнен на основе волоконного световода, легированного ионами редкоземельных элементов, работающих по трехуровневой схеме. Причем упомянутый новый технический эффект не следует из сведений, входящих в уровень техники, и не очевиден, а установлен авторами в результате проведенных ими исследований. Only the entire set of features that we claimed as a result of their mutual influence allowed us to reveal a new technical effect, consisting in the fact that the optical fiber of the optical quantum amplifier described in the claims makes it possible to increase the average output signal intensity saturating the fiber-optic quantum amplifier without increasing the threshold pump power when the amplifier is made on the basis of a fiber waveguide doped with ions of rare-earth elements operating at three levels th circuit. Moreover, the mentioned new technical effect does not follow from the information included in the prior art, and is not obvious, but was established by the authors as a result of their research.
Таким образом, изобретение является новым и имеет изобретательский уровень. Thus, the invention is new and has an inventive step.
На фиг. 1 показано поперечное сечение заявленного волоконного световода оптического квантового усилителя. Световод содержит сердцевину 1, световедущую область 2, оболочку 3. In FIG. 1 shows a cross section of the claimed fiber optical fiber optical quantum amplifier. The light guide contains a core 1, a
На фиг. 2 показано поперечное сечение волоконного световода оптического квантового усилителя, выбранного нами в качестве устройства-прототипа. Световод содержит сердцевину 1, световедущую область 2, оболочку 3. In FIG. 2 shows a cross section of a fiber waveguide of an optical quantum amplifier selected by us as a prototype device. The light guide contains a core 1, a
Заявленный волоконный световод оптического квантового усилителя работает следующим образом. Излучение накачки вводится через один из торцов световода в световедущую область. Поскольку активатор сосредоточен в световедущей области, происходит эффективное поглощение излучения накачки активатором, за счет оптической накачки активатора в световедущей области создается среда с инверсной населенностью. Хорошее перекрытие между активатором и излучением накачки позволяет иметь малые пороговые мощности накачки в случае, если используется активатор, работающий по трехуровневой cхеме. The claimed fiber optical fiber optical quantum amplifier operates as follows. The pump radiation is introduced through one of the ends of the fiber into the light guide region. Since the activator is concentrated in the light guide region, an efficient absorption of pump radiation by the activator occurs, due to the optical pumping of the activator in the light guide region, an inverse population medium is created. A good overlap between the activator and the pump radiation makes it possible to have low threshold pump powers in case an activator operating on a three-level circuit is used.
Через любой из торцов волокна в cepдцевину вводится сигнальное излучение, которое взаимодействует с активатором благодаря перекрытию сигнальной моды со световедущей областью и вызывает индуцированные переходы с верхнего лазерного уровня на нижний с испусканием кванта света на длине волны сигнала, что и приводит к усилению сигнального излучения. Т.к. активатор сосредоточен в световедущей области, а сигнальная мода имеет максимальное значение интенсивности на оси сердцевины, коэффициент перекрытия между сигнальной модой и инверсией населенности оказывается мал, что ведет к уменьшению скорости опустошения верхнего лазерного уровня сигнальным излучением. Причем уменьшение коэффициента перекрытия между сигнальной модой и инверсией населенности не сопровождается уменьшением коэффициента перекрытия между излучением накачки и инверсией населенности, поэтому не происходит увеличения пороговой мощности накачки в случае, если используется активатор, работающий по трехуровневой схеме. Signal radiation is introduced through any end of the fiber into the core, which interacts with the activator due to the overlapping of the signal mode with the light guide region and causes induced transitions from the upper laser level to the lower one with the emission of a quantum of light at the wavelength of the signal, which leads to amplification of signal radiation. Because the activator is concentrated in the light guide region, and the signal mode has a maximum intensity value on the axis of the core, the overlap coefficient between the signal mode and population inversion is small, which leads to a decrease in the rate of depletion of the upper laser level by signal radiation. Moreover, a decrease in the overlap coefficient between the signal mode and population inversion is not accompanied by a decrease in the overlap coefficient between pump radiation and population inversion, therefore, the threshold pump power does not increase if an activator operating in a three-level scheme is used.
Выбором параметров световода, включая расстояние между осью сердцевины и световедущей областью, можно выровнять скорости накачки и опустошения верхнего лазерного уровня для любого наперед заданного значения максимальной средней интенсивности выходного сигнального излучения Jmax. Таким образом, при условии выполнения соотношения (1) обеспечивается малосигнальный режим работы усилителя для средней интенсивности выходного сигнального излучения в диапазоне от О до Jmax.By choosing the parameters of the fiber, including the distance between the core axis and the light guide region, it is possible to equalize the pump and emptying rates of the upper laser level for any predetermined value of the maximum average output signal radiation intensity J max . Thus, provided that relation (1) is satisfied, a low-signal mode of operation of the amplifier is provided for the average intensity of the output signal radiation in the range from O to J max .
Пример конкретного исполнения. An example of a specific implementation.
Волоконный световод оптического квантового усилителя изготовлен на основе кварцевого стекла. Световедущая область активирована ионами Er3+. Данный активатор работает по трехуровневой схеме. Длина волны лазерного перехода лежит в диапазоне 1,53 1,55 мкм.The optical fiber optical fiber amplifier is based on quartz glass. The light guide region is activated by Er 3+ ions. This activator works according to a three-level scheme. The wavelength of the laser transition lies in the range of 1.53 to 1.55 μm.
Волоконный световод имеет следующие параметры. Диаметр сердцевины световода 6 мкм, числовая апертура 0,16. Световедущая область в поперечном сечении световода имеет форму круга диаметром 6 мкм, ее числовая апертура 0,16. Активатор равномерно распределен в поперечном сечении световедущей области. Внешний диаметр световода 125 мкм. Сигнальное излучение распространяется в основной моде сердцевины, излучение накачки распространяется в основной моде световедущей области. В этом случае αp = 0,63, αs = 1,5•10-3.The fiber optic fiber has the following parameters. The diameter of the fiber core is 6 μm, and the numerical aperture is 0.16. The light guide region in the cross section of the fiber has a circle shape with a diameter of 6 μm, its numerical aperture is 0.16. The activator is evenly distributed in the cross section of the light guide region. The outer diameter of the fiber is 125 microns. Signal radiation propagates in the main mode of the core, pump radiation propagates in the main mode of the light guide region. In this case, α p = 0.63, α s = 1.5 • 10 -3 .
Накачка осуществляется излучением с длиной волны λp 1,49 мкм, длина волны используемого лазерного перехода иона редкоземельного элемента λs 1,531 мкм. Параметры активатора имеют следующие значения: σp 2,5•10-25 м2, σs 8,1•10-25 м2, σ12 = 0,59•σs, τ 10 мс, h 1. Пороговая мощность накачки на выходе усилителя Pth 1,1 мВт.The pump is carried out by radiation with a wavelength λ p of 1.49 μm, the wavelength of the used laser transition of the rare-earth ion λ s 1.531 μm. The activator parameters have the following values: σ p 2.5 • 10 -25 m 2 , σ s 8.1 • 10 -25 m 2 , σ 12 = 0.59 • σ s , τ 10 ms, h 1. Threshold pump power at the output of the amplifier P th 1.1 mW.
При мощности излучения накачки на входе усилителя 300 мВт малосигнальный коэффициент усиления составляет 8,2 дБ. Среднюю мощность сигнала на выходе усилителя, при которой усиление падает на 3 дБ, зададим равной 150 мВт, что соответствует Jmax 6,6•109 Вт/м2, тогда соотношение (1) выполнено, если R 3,8 мкм. В устройстве-прототипе падение усиления на 3 дБ происходит при мощности сигнала на выходе 19 мВт.With a pump radiation power of 300 mW at the amplifier input, the low-signal gain is 8.2 dB. The average signal power at the amplifier output, at which the gain decreases by 3 dB, is set equal to 150 mW, which corresponds to J max 6.6 • 10 9 W / m 2 , then relation (1) is satisfied if R 3.8 μm. In the prototype device, a gain drop of 3 dB occurs when the signal power at the output is 19 mW.
Т. е. поставленная задача решена. Заявленный волоконный световод обеспечивает среднюю интенсивность выходного сигнального излучения, насыщающую усилитель, в 7,5 раз превышающую соответствующую характеристику устройства-прототипа, при этом не происходит увеличения пороговой мощности излучения накачки. That is, the task is solved. The claimed fiber optic fiber provides an average output signal intensity saturating the amplifier, 7.5 times higher than the corresponding characteristic of the prototype device, while the threshold power of the pump radiation does not increase.
Дополнительным преимуществом заявленного волоконного световода является то, что он позволяет создавать усилители с КПД, более высоким по сравнению с устройством-прототипом. An additional advantage of the claimed fiber is that it allows you to create amplifiers with an efficiency that is higher compared with the prototype device.
Claims (1)
где Jmax наперед заданное значение средней интенсивности выходного сигнального излучения, насыщающей усилитель,
γ- заданное отношение коэффициента усиления в режиме малосигнального усиления к коэффициенту усиления при уровне средней интенсивности выходного сигнального излучения Jmax;
G0 малосигнальное усиление;
τ- время жизни на верхнем лазерном уровне;
σ12- сечение поглощения на длине волны λs;
h постоянная Планка;
с скорость света в вакууме;
αs(R) коэффициент перекрытия моды сигнального излучения с инверсией населенности.A fiber optic fiber of an optical quantum amplifier, consisting of a core, a light guide region and their surrounding sheath, characterized in that the light guide region is doped with rare earth ions and is located at a distance R from the core axis, which satisfies the relation
where J max in advance the set value of the average intensity of the output signal radiation saturating the amplifier,
γ is the specified ratio of the gain in the mode of low-signal amplification to the gain at the level of the average intensity of the output signal radiation J max ;
G 0 low signal gain;
τ is the lifetime at the upper laser level;
σ 12 is the absorption cross section at a wavelength λ s ;
h Planck's constant;
c is the speed of light in vacuum;
α s (R) is the coefficient of overlap of the signal radiation mode with population inversion.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU93034822A RU2062540C1 (en) | 1993-07-02 | 1993-07-02 | Fiber light conductor of optical quantum amplifier |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU93034822A RU2062540C1 (en) | 1993-07-02 | 1993-07-02 | Fiber light conductor of optical quantum amplifier |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU93034822A RU93034822A (en) | 1996-05-10 |
| RU2062540C1 true RU2062540C1 (en) | 1996-06-20 |
Family
ID=20144509
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU93034822A RU2062540C1 (en) | 1993-07-02 | 1993-07-02 | Fiber light conductor of optical quantum amplifier |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2062540C1 (en) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2744398C2 (en) * | 2016-05-13 | 2021-03-09 | Корнинг Инкорпорейтед | Quantum memory systems and quantum repeater systems containing optical apparatuses made of doped polycrystalline ceramics and methods of manufacture thereof |
| US11361822B2 (en) | 2017-03-01 | 2022-06-14 | Coming Incorporated | Quantum memory systems and quantum repeater systems comprising doped polycrystalline ceramic optical devices and methods of manufacturing the same |
| US11465941B2 (en) | 2018-09-24 | 2022-10-11 | Corning Incorporated | Rare-earth doped metal oxide ceramic waveguide quantum memories and methods of manufacturing the same |
-
1993
- 1993-07-02 RU RU93034822A patent/RU2062540C1/en active
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2744398C2 (en) * | 2016-05-13 | 2021-03-09 | Корнинг Инкорпорейтед | Quantum memory systems and quantum repeater systems containing optical apparatuses made of doped polycrystalline ceramics and methods of manufacture thereof |
| US11361822B2 (en) | 2017-03-01 | 2022-06-14 | Coming Incorporated | Quantum memory systems and quantum repeater systems comprising doped polycrystalline ceramic optical devices and methods of manufacturing the same |
| US11715521B2 (en) | 2017-03-01 | 2023-08-01 | Corning Incorporated | Quantum memory systems and quantum repeater systems comprising doped polycrystalline ceramic optical devices and methods of manufacturing the same |
| US11465941B2 (en) | 2018-09-24 | 2022-10-11 | Corning Incorporated | Rare-earth doped metal oxide ceramic waveguide quantum memories and methods of manufacturing the same |
| US11958780B2 (en) | 2018-09-24 | 2024-04-16 | Corning Incorporated | Rare-earth doped metal oxide ceramic waveguide quantum memories and methods of manufacturing the same |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JP2971561B2 (en) | Erbium-doped fiber amplifier | |
| Boyraz et al. | Demonstration of 11dB fiber-to-fiber gain in a silicon Raman amplifier | |
| Ghosh et al. | 8-mV threshold Er/sup 3+/-doped planar waveguide amplifier | |
| KR102008377B1 (en) | High power single mode ytterbium fiber laser system with signle mode neodymium fiber source | |
| AU645774B2 (en) | A method for optical switching and an optical switch | |
| US6433927B1 (en) | Low cost amplifier using bulk optics | |
| CN101217319A (en) | A gain controllable two-segment erbium-doped optical fiber amplifier | |
| KR100353974B1 (en) | Lasers, optical amplifiers, and amplification methods | |
| US6490077B1 (en) | Composite optical amplifier | |
| CN104092087A (en) | High-energy short-pulse fiber laser amplifier | |
| US20070127877A1 (en) | Amplifying optical fiber | |
| CN212908503U (en) | Optical fiber type narrow linewidth optical fiber laser | |
| RU2062540C1 (en) | Fiber light conductor of optical quantum amplifier | |
| KR940005757B1 (en) | Active fiber optical amplifier having a wide band signal wave length | |
| JP2001267664A (en) | Device including waveguide structure | |
| CA2029702A1 (en) | Active-fiber optical amplifier and ytterbium doped fiber therefor | |
| JP2927943B2 (en) | Laser amplifier | |
| CN109036055A (en) | A kind of multi-stage fiber amplification test device and method | |
| Sang et al. | Influence of pump-to-signal RIN transfer on noise figure in silicon Raman amplifiers | |
| Oh et al. | Increased pulsed amplifier efficiency by manipulating the fiber dopant distribution | |
| Chu | Nonlinear effects in rare-earth-doped fibers and waveguides | |
| Karasek | Analysis of gain dynamics in Pr/sup 3+/-doped fluoride fiber amplifiers | |
| RU1804674C (en) | Fibre light guide of optical quantum amplifier | |
| JP2829101B2 (en) | Optical amplifier | |
| JP2842674B2 (en) | Optical amplifier |