RU2086062C1

RU2086062C1 - Оптический усилитель в особенности для волоконно-оптических линий связи, установленный последовательно оптическому волокну линии

Info

Publication number: RU2086062C1
Application number: SU914894653A
Authority: RU
Inventors: Грассо Джорджо; Ричетти Альдо
Original assignee: Пирелли Кави С.п.А.
Priority date: 1990-02-12
Filing date: 1991-02-11
Publication date: 1997-07-27
Also published as: DK0442553T3; EP0442553B1; FI104294B1; JPH04298724A; CA2034797C; HU216235B; PL289030A1; IE910440A1; IT1237980B; DE69107872D1; PT96736B; HUT60398A; AU642698B2; MY105414A; DE69107872T2; PT96736A; IE67357B1; CN1054137A; PE17791A1; BR9100633A

Abstract

Использование: волоконно-оптические линии связи, в частности оптические усилители. Сущность изобретения: оптический усилитель, устанавливаемый последовательно оптическому волокну линии 1, содержит источник световой накачки 6, дихроичное соединение 4, имеющее два входа, один их которых соединен с источником световой накачки 6, а другой -с излучателем передающего сигнала 2. Выход дихроичного соединения 4 соединен с одним концом активного оптического волокна 7, содержащего флуоресцирующую присадку в оптической сердцевине с излучением в диапазоне длин волн передаваемого сигнала и с накачкой на длине, волны источника накачки 6. Волокно 7 расположено по крайней мере на 70 % своей длины в изогнутой конфигурации 11 с радиусом изгиба, соответствующим распространению в самом волокне одной только основной моды при длине волны накачки, но без передачи более высоких мод сигнала накачки. Активное оптическое волокно 7 при прямолинейной конфигурации обладает свойством пропускать свет в одной моде на длине волны передачи и в нескольких модах на длине волны накачки. 7 з. п. ф-лы, 8 ил.

Description

Изобретение относится к оптическому усилителям, в частности к усилителям для линий связи, в которых используется активное волокно, работающее в одной моде только на частоте передачи.

Известно, что оптические волокна, имеющие легированную сердцевину, полученную с использованием определенных веществ (таких, как ионы редкоземельных), имеют характеристики вынужденного излучения, приспособленные для использования в качестве лазерных источников и оптических усилителей.

Эти волокна могут питаться источником света определенной длины волны, называемой длиной волны накачки, которая способна привести атомы легирующих присадок в возбужденное состояние, или полосу накачки, из которой атомы спонтанно переходят за очень короткий промежуток времени в состояние лазерного излучения, в котором они остаются сравнительно долго.

Когда по волокну, имеющему большое число атомов в возбужденном состоянии на уровне лазерного излучения, проходит световой сигнал, имеющих длину волны, соответствующую этому состоянию лазерного излучения, сигнал вызывает переход возбужденных атомов на более низкий уровень, причем излучаемый свет имеет ту же длину волны, что и сигнал, следовательно, волокно указанного типа можно использовать с целью усиления сигнала, в частности для создания усилителей, приспособленных для возвращения ослабленного передаваемого оптического сигнала на высокий уровень после долгого передвижения по волокну в линии связи.

Извстны оптические усилители вышеописанного типа описаны [заявка Италии N 22120 A/89 на имя того же заявителя от 24 октября 1989 г. (заявка на патент СССР N 4831601/09] в которой активное волокно является одномодовым на длине волны передачи и на длине волны накачки.

В известном техническом решении оптические усилитель для волоконно-оптических линий связи, устанавливаемый последовательно оптическому волокну линии, содержит источник световой накачки, дихроичное соединение, имеющее два хода, соединенные с волокном оптической линии, несущей передающей сигнал, и с источником световой накачки соответственно, и выход, соединенный с одним концом активного оптического волокна, содержащего флуоресцирующую присадку в оптической сердцевине, с излучением в диапазоне длин волн передаваемого сигнала и с накачкой на длине волны источника накачки.

Однако эти волокна, которые являются одномодовыми и на длине волны передаваемого сигнала, и на длине волны накачки, имеют разное распределение оптической энергии в сечении волокна и, в частности, оптическая энергии передаваемого сигнала распределена на большей площади сечения волокна, чем площадь, на которой имеется энергия накачки.

Флуоресцентная присадка, отвечающая за усиление передаваемого сигнала, сконцентрирована в оптической сердцевине, а волокно в известных усилителях сконструировано так, что энергия прокачки тоже заключена в указанной области, так что ее можно полностью использовать для возбуждения флуоресцентной присадки на уровне излучения лазера. Однако, поскольку часть энергии передаваемого сигнала сообщается волокну снаружи области, в которой присутствуют флуоресцентная присадка и энергия накачки, то это приводит к тому, что только часть указанного сигнала имеется в той области волокна, в которой он может быть усилен.

Вышеупомянутое явление вносит ограничение в эффективность усиления усилителя, определяемое как усиление передаваемого сигнала на единицу энергии накачки, вследствие чего возникает проблема повышения эффективности по отношению к известным усилителям.

Техническая задача изобретения разработка усилителя, в котором энергия передаваемого сигнала и энергия накачки имеют по существу аналогичное распределение в сечении активного волокна, а также сконцентрированы в той области волокна, в которой присутствует флуоресцентная присадка.

Техническая задача достигается тем, что в усилителе активное оптическое волокно, допускающее при прямолинейной конфигурации одномодовое распределение света на длине волны передаваемого сигнала и многомодовое распространение света на длине волны накачки, на участке длиной, большей чем 70% всей своей длины, выполнено изогнутой конфигурации, причем радиус изгиба на участке с изогнутой конфигурацией соответствует распространению в волокне только основной моды на длине волны накачки.

Радиус изгиба изогнутого активного волокна находится в диапазоне (20 - 140) мм, а предпочтительно радиус изгиба активного волокна находится в диапазоне (35 100) мм.

В предпочтительном варианте осуществления длина волны передающего сигнала находится в диапазоне (1520 1570) нм, а длина волны накачки составляет 980 нм (±10 нм) и флуоресцентной присадкой в активном волокне является эрбий.

В частности, активное волокно имеет по крайней мере один изогнутый участок, имеющий радиус изгиба, соответствующий распространению в волокне одной только основной моды на длине волны накачки, при этом изогнутый участок сопряжен с неизогнутыми участками волокна, причем длина волны изогнутого участка или сумма для изогнутых участков превышает 70% всей длины активного волокна.

Предпочтительно активное волокно имеет один непрерывный изогнутый участок с радиусом изгиба, соответствующим распространению в волокне одной только основной моды на длине волны накачки, причем участки неизогнутого волокна присутствуют на одном или обоих концах активного волокна.

В конкретном предпочтительном варианте оптического усилителя в соответствии с изобретением активное волокно изогнуто с радиусом кривизны, соответствующим распространению в самом волокне одной только основной моды на длине волны накачки по всей его длине, не говоря о практически не имеющих кривизны концевых частей, длина каждой из которых менее 400 мм (желательно, чтобы длина практически не имеющих кривизны концевых частей была меньше 200 мм).

Благодаря включению в известное техническое решение дополнительных признаков в настоящем изобретении удалось обеспечить высокую эффективность усиления, что в свою очередь позволило иметь высокий коэффициент усиления на единицу подаваемой энергии накачки при использовании волокна меньшей длины и получении желаемого усиления.

На фиг. 1 показана схема оптического усилителя для волоконно-оптических линий связи; на фиг. 2 схема энергетических переходов волокна того типа, которое используется в усилителе в соответствии со схемой, изображенной на фиг. 1; эти переходы предназначены для генерирования вынужденного (лазерного) излучения; на фиг. 3 схема расположения длин волн накачки, передачи и отсечки; на фиг. 4 схема радиального распределения интенсивности света в оптическом волокне; на фиг. 5 изображение расположения активного волокна в усилителе; на фиг. 6 вид спереди волокна, изображенного на фиг. 5; на фиг. 7 зависимость диаметра моды в волокне в зависимости от длины волны; на фиг. 8 график зависимости усиления оптического усилителя от длины используемого активного волокна.

Согласно изобретению усилитель (фиг. 1 8) содержит источник световой накачки, дихроичное соединение, имеющее два входа, соединенных с волокном оптической линии, несущей передающий сигнал, и источником световой накачки соответственно, и выход, соединенный с одним концом активного оптического волокна, имеющего флуоресцирующую присадку в оптической сердцевине, с излучением в диапазоне длин волн передаваемого сигнала, и с накачкой на длине волны источника накачки, при этом активное оптическое волокно, допускающее при прямолинейной конфигурации одномодовое распространение света на длине волны передаваемого сигнала и многомодовое распространение света на длине волны накачки, на участке длиной больше, чем 70% всей своей длины, выполнено изогнутой конфигурации, причем радиус изгиба на участке с изогнутой конфигурацией соответствует распространению в волокне одной только основной моды на длине волны накачки, причем оптическое активное волокно выполнено с изгибом, радиус которого находится 20 140 мм (предпочтительно радиус изгиба активного волокна 35-100 мм), причем длина волны передаваемого сигнала находится в пределах от 1520 до 1570 нм, длина волны накачки составляет 980 нм (± 10 нм), флуоресцирующей присадкой в активном волокне является эрбий; активное оптическое волокно имеет по крайней мере один изогнутый участок с радиусом изгиба, соответствующим распространению в волокне одной только основной моды на длине волны накачки, при этом каждый из изогнутых участков сопряжен с существенно прямолинейными участками, причем суммарная длина изогнутых участков превышает 70% всей длины активного волокна; кроме того активное оптическое волокно имеет один непрерывный изогнутый участок, имеющий радиус изгиба, соответствующий распространению в волокне одной только основной моды на длине волны накачки, причем изогнутый участок сопряжен с прямолинейными участками и, кроме того, прямолинейные участки волокна расположены на одном или на обоих концах волокна; активное волокно по всей его длине выполнено с изгибом, радиус которого соответствует распространению в волокне одной только основной моды на длине волны накачки, за исключением концевых участков, которые практически прямолинейны и каждый из которых имеет длину менее 400 мм, а концевые участки практически прямолинейны и имеют длину менее 200 мм.

Конструкция усилителя для усиления сигналов в волокнах оптической связи с оптическими волокнами схематически показана на фиг. 1, где под цифрой 1 изображено волокно оптической связи, в которое посылается передаваемый сигнал с длиной волны λ_s, генерируемый лазерным излучателем сигнала 2; сигнал, ослабленный линией определенной длины, посылается на оптический усилитель 3, в основном содержащий дихроичное соединение 4, где сигнал соединяется в одиночном выходном волокне 5 с сигналом накачки с длиной волны λ_p, генерируемым лазерным излучателем накачки 6; активное волокно 7, соединенное с волокном 5, выходящим из соединения, представляет собой элемент усиления сигнала, который затем вновь вводится в волокно 1 линии и идет по назначению.

Чтобы получить активное волокно 7, генерирующее усиление светового сигнала, используется оптическое волокно на основе двуокиси кремния, легированной флуоресцирующим материалом, предназначенным для генерирования светового излучения, которое возбуждается в присутствии светового сигнала, который тем самым усиливается.

В качестве флуоресцирующего сигнала удобно использовать Er₂O₃, который может иметь вынужденные переходы, называемые также "лазерными" переходами, на длинах волн, удобных для дальней передачи сигналов связи.

Как показано на схеме фиг. 2, относящейся к волокну вышеуказанного типа и символически изображающей имеющиеся энергетические состояния для ионного раствора эрбия в волоконной матрице на основе двуокиси кремния, ввод световой энергии в активное волокно на длине волны "накачки" λ_p, которая короче длины волны λ_s передаваемого сигнала, переводит некоторое количество ионов Er³⁺, присутствующих в качестве присадки в волоконной матрице на основе стекла, в "возбужденное" энергетическое состояние 8, называемое полосой "накачки", из которого ионы спонтанно спускаются на энергетический уровень 9, представляющий собой уровень излучения лазера.

Известно, что переход с полосы 8 на уровень 9 связан с излучением теплового типа, которое рассеивается за пределы волокна (фоновое излучение), а переход с уровня 9 на основной уровень 10 генерирует световое излучение с длиной волны, соответствующей энергетическому значению уровня 9 лазерного излучения; если по волокну, содержащему большое количество ионов на уровне лазерного излучения, проходит сигнал с длиной волны, соответствующей такому уровню излучения, сигнал вызывает вынужденный переход данных ионов из состояния излучения в основное состояние прежде, чем произойдет их спонтанный переход, а каскадный феномен создает излучение сильно усиленного передаваемого сигнала на выходе активного волокна.

На фиг. 4 схематически изображен конец волокна в осевом сечении, обозначенный цифрой 11, на котором представлена схема радиального распределения интенсивности света в оптическом волокне; для такого волокна выполнены сердцевина 12 и оболочка 13, которые отличаются различными показателями преломления.

В целях использования в качестве активного волокна в усилителе в сердцевине 12 присутствует присадка, которой является Er³⁺.

Чтобы получить большой коэффициент усиления, удобно, чтобы активное волокно 7 в усилителе было волокном одномодового типа как на длине волны передаваемого сигнала, так и на длине волны накачки, как описывается в патентной заявке Италии N 22120 A/89 на имя того же заявителя.

Из вышесказанного следует, что активное волокно (фиг. 3) имеет такие размеры, что длина волны λ_c1 отсечки волокна, называемая также "λ_{отсечки}" выше которой только и происходит распространение основной моды в волокне, короче как длины волны передаваемого сигнала λ_s, так и длины волны излучения накачки λ_p.

Важными измерениями, необходимыми для выбора длины волны отсечки волокна, являются, в основном, числовая апертура NA и диаметр сердцевины волокна.

Числовая апертура волокна, имеющего профиль показателя преломления в основном типа профиля со "ступенчатым показателем" или аналогичного типа находится по формуле
NA= (n

\binom{2}{1}

-n

\binom{2}{2}

)^1/2
где п₁ показатель преломления сердцевины волокна;
п₂ показатель преломления оболочки волокна.

Известно, что нужных показателей преломления сердцевины и оболочки волокна можно добиться, выбирая концентрацию в самих сердцевине и оболочке первичной присадки, или изменяющей показатель присадки, вводимой в заготовку, из которой изготовляют волокно по известной технологии.

Используемые для этой цели присадки это обычно GeO₂ или Al₂O₃.

Внутри волокна световое излучение с длиной волны, для которой существует одномодовое распространение в волокне, т.е. с длиной волны, которая больше длины волны отсечки, обладает радиальным распределением интенсивности света типа, изображенного на фиг. 4 кривыми P и S, представляющими собой по существу Гауссовы кривые с максимумом интенсивности 1_макс по оси волокна и с уменьшением до нуля к периферии волокна.

Исходя из указанного распределения, диаметр моды ⌀_m определяется как диаметр, при котором интенсивность света 1⌀_m в волокне находится по формуле

где 1_макс максимальная интенсивность света в волокне в соответствии с техническими условиями CC1TT G. 652 (Консультативный комитет компании "Интернэшнл Телеграм энд Телефон").

Как следует из чертежа, большая часть передаваемой световой энергии практически заключена в пределах диаметра моды.

Для эффективного усиления очень важно иметь большую плотность энергии накачки в сердцевине волокна 12, где присутствует флуоресцирующая присадка, чтобы поддерживать высокую инверсию населенностей в присадке, т.е. большой процент атомов присадки, используемых для усиления, на высоком лазерном уровне 9 по сравнению с атомами присадки в основном состояния 10; энергия накачки, передаваемая за пределы сердцевины, где присадка отсутствует, по существу не активна к концам инверсии присадки на высоком лазерном уровне.

Передаваемый сигнал, в свою очередь, должен иметь интенсивность с радиальным распределением в волокне подобно сигналу накачки, чтобы передаваемый сигнал можно было передавать в ту область волокна, в которой присутствует большая часть световой мощности накачки, чтобы его можно было эффективность усиливать.

По этой причине диаметры мод сигнала накачки и передаваемого сигнала должны быть по возможности одинаковыми.

В оптическом волокне такого типа, в котором имеется сердцевина 12 и оболочка 13, как показано на фиг. 4 совместно с диаграммами радиального распределения интенсивности света сигнала накачки и передаваемого сигнала, диаметр моды ⌀_s на длине волны передаваемого сигнала λ_s кривая радиального распределения интенсивности света которых представлена кривой S на чертеже, заметно превышает диаметр моды ⌀_p на длине волны накачки λ_p при кривой интенсивности P, и практически соответствует диаметру сердцевины 12; вышесказанное означает, что существенная часть светового сигнала не проходит в область активного волокна, в которую подается энергия накачки и в которой присутствует присадка.

Действительно, следует отметить, что диаметр моды, который для значений длин волн, близких к длине волны λ_c отсечки волокна, существенно постоянен и не сильно отличается от диаметра сердцевины самого волокна, для больших значений λ сильно возрастает, как показано на фиг. 7, следовательно, чтобы сделать волокно одномодовым на частоте накачки l_p, например, в случае усилителей, имеющих легированное эрбием активное волокно, на частоте 980 нм (±10), необходимо использовать волокно, имеющее частоту отсечки λ_c ниже 980 нм, и, следовательно, обеспечивается очень большой диаметр моды на длине волны передаваемого сигнала λ_s, которая намного превышает диаметр моды при длине волны накачки λ_p так что большая часть передаваемого сигнала не распространяется в области волокна, в которой он может быть усилен.

Описанное поведение имеет место, когда активное волокно имеет прямолинейную или практически прямолинейную конфигурацию под термином "практически прямолинейная конфигурация" понимается, что волокно не подвергается геометрическим деформациям, способным сильно изменить его оптическое поведение, по этой причине, в соответствии с техническими условиями (CCITT, Инструкция G. 652), предусматривается оценка теоретической длины волны отсечки на основе профиля показателя преломления в волокне и длины волн отсечки в рабочих условиях.

В частности, указанные технические условия учитывают возможность измерения длины волны отсечки для волокна связи, которое осуществляется на одном кольце волокна радиусом 140 мм; детектированное изменение длины волны отсечки в этих условиях по сравнению с теоретической величиной, с другой стороны, довольно мало и ожидается, что различие по сравнению с теоретической длиной волны отсечки меньше приблизительно 5
В соответствии с изобретением активное волокно усилителя выбирается одномодовым при одной только длине волны передаваемого сигнала λ_s, т.е. имеет величину длины волны отсечки λ_c2 меньше λ_s но значительно больше λ_p (фиг. 3).

При использовании указанного волокна диаметр моды при длине волны передаваемого сигнала, особенно в диапазоне от 1520 до 1570 нм, рассчитанной на использование усилителей, имеющих активное волокно, легированное эрбием, и близкой к длине волны отсечки, представляется достаточно малым, практически близким к диаметру сердцевины волокна; основная мода сигнала накачки, в свою очередь, имеет диаметр, близкий к диаметру сердцевины волокна, и следовательно, мощность передаваемого сигнала поддерживается практически заключенной в области волокна, в которой присутствуют сигнал накачки и активная присадка.

Активное волокно расположено в изогнутой конфигурации по всей своей длине в виде витков, образующих усилитель (фиг. 5 и 6), например, навитых на цилиндрическую оправку, и т. п. изгиб волокна выбирается в соответствии с изобретением с радиусом R_c, существенно меньшим 140 мм, чтобы дать возможность распространяться одной только основной моде в волокне даже при длинах волн короче вышеуказанной длины волны λ_c2, и даже при длине волны накачки λ_p.

На практике изгиб волокна обуславливает передачу волокном одной только основной моды при длинах волн, уменьшающихся по мере того, как изгиб, сообщаемый волокну, становится все более выраженным, т.е. по мере того, как уменьшается R_c, поэтому можно задать радиус изгиба R_p, при котором при данной длине волны, в особенности при длине волны накачки, возможно распространение в волокне только основной моды.

Поэтому радиус изгиба R_c, выбранный для активного волокна, меньше или равен вышеуказанному радиусу R_p, на практике, поскольку изгиб может быть следствием механического ослабления структуры волокна, повышающим вероятность изломов и трещин, рекомендуется использовать радиус изгиба, равный или близкий к R_p.

Выбор нужной величины указанного изгиба позволяет исключить в активном волокне моды более длины волны накачки, чтобы в волокне присутствовала одна только основная мода сигнала накачки, а длину волны отсечки, определяющую малый диаметр моды в колонке, удерживают на длине волны передаваемого сигнала.

Это позволяет обеспечить исключительно высокую эффективность усиления, так как высокий коэффициент усиления на единицу подаваемой энергии накачки, чтобы можно было использовать волокно меньшей длины, чтобы получить желаемое усиление (фиг. 8), из которого видно, что при использовании активного волокна длиной L₁ можно добиться коэффициента усиления G_o, если использовать волокно с длиной волны отсечки λ_c2 > 980 нм причем длина L₁ значительно меньше длины L₂, необходимой для получения коэффициента усиления, если использовать волокно, имеющее длину волны отсечки λ_c1 980 нм.

В дихроичном соединении 4, изготовленном в соответствии с указаниями, изложенными в вышеуказанной патентной заявке Италии N 22120 A/89, транспортное волокно 5 передаваемых сигналов, соединенных с сигналом накачки, является одномодовым на обеих длинах волн; следовательно, это волокно имеет диаметр моды на длине волны λ_s передаваемого сигнала, больший диаметр моды в активном волокне в соответствии с настоящим изобретением; сварное соединение между волокнами 5 и 11 дает ослабление на длине волны передаваемого сигнала, обусловленное таким различием диаметров.

Ослабление света происходит также на сварном соединении между активным волокном и волокном 1 линии; хотя выпускаемые промышленностью волокна, используемые в качестве линейных волокон, является одномодовым при одной только длине волны передаваемого сигнала, в указанном диапазоне между 1520 и 1570 нм они имеют довольно большой диаметр моды, чтобы обеспечить легкие соединения и т.п. равный или превышающий диаметр моды волокна 5 соединения.

Общий коэффициент усиления G_ex усилителя определяется как внутреннее усиление активного волокна G_in минус потери или ослабления А_s, обусловленные сварными соединениями между различными волокнами: чтобы получить такой результат, следовательно, для активного волокна требуется коэффициент усиления G_in G_ex + A_s.

Использование волокна в соответствии с изобретением, имеющего очень малый диаметр моды, приводит к большим потерям вследствие сварного соединения, чем в известных активных волокнах, которые являются одномодовыми и при длине волны λ_p, но эти дополнительные потери обычно выглядят ничтожными по сравнению с достигаемым увеличением эффективности.

Минимальный радиус изгиба λ_c активного волокна при правильном применении больше примерно 20 мм, и при этом радиусе механическая прочность изогнутого волокна становится критической и потери на сварных соединениях становятся значительными вследствие большого различия диаметров моды активного волокна и линейного волокна либо волокна, выходящего из соединения, в то время как радиусы изгиба более 140 мм мало пригодны для получения значительного смещения длины волны отсечки, рекомендуется радиус R_c > 35 мм, а более предпочтительно 50 мм ≅ R_c ≅ 100 мм.

Что касается указанных радиусов изгиба, максимальная величина длины волны отсечки в условиях прямолинейности, позволяющая получить одномодовое распространение сигнала накачки при длине волны 980 нм, когда волокно изогнуто с соответствующим радиусом изгиба, не достигающим критических значений механической прочности самого волокна, составляет примерно λ_c 1280 нм, что соответствует диаметру моды около 4 мкм, при радиусе изгиба λ_c, равной 50 мм, указанная величина длины волны λ_c составляет около 1100 нм при диаметре моды, равной около 5,3 мкм, а основная мода сигнала накачки имеет диаметр около 3,8 + 4 мкм.

Для одномодового волокна в прямолинейных условиях при длине волны накачки диаметр воды при длине волны передаваемого сигнала превышает 6 мкм.

Для оптимального использования качества активного волокна в усилителе в соответствии с настоящим изобретением рекомендуется изогнуть активное волокно по всей длине по заданному радиусу изгиба, т.е. активное волокно следует расположить в изогнутой конфигурации, например свернуть в спираль на соответствующей оправке (фиг. 5) непосредственно после сварочного соединения 15 с соединяющим волокном 5.

Если вышесказанное невозможно или нежелательно, например, чтобы избежать напряжений при изгибе, создаваемых изогнутой конфигурацией активного волокна и передаваемых сварочному соединению 15, которое обычно является местом механического ослабления волокна, как показано на фиг. 6, можно допустить наличие неизогнутой части 16 активного волокна, если эта уступка не приводит к существенному снижению преимуществ, которые дает изгиб активного волокна.

При этом рекомендуется делать длину L_r прямолинейного или практически прямолинейного участка 16 активного волокна, т.е. участка, имеющего радиус изгиба больше R_c, который обеспечивается непосредственно после соединения, меньше 400 мм, а еще желательней L_r ≅ 200 мм, такой практически прямолинейный участок волокна можно также допустить на противоположном конце активного волокна вблизи соединения с линейным волокном без существенного ущерба эффективности усиления.

Действительно, соединение более высоких мод в волокне происходит пропорционально длине распространения в самом волокне, и следовательно, после участка указанной длины не происходит существенной передачи мощности накачки в активном волокне из основной моды в более высокие моды.

С другой стороны, полезные результаты, т.е. увеличение эффективности усиления по сравнению с усилителями, имеющими одномодовое активное волокно, можно получить и при использовании активного волокна, изогнутого только на участке длины волокна, если это необходимо для выполнения требований другого происхождения, при условии, что участок изогнутого волокна по радиусу изгиба, соответствующему распространению одной только основной моды мощности накачки, составляет более 70 всей длины волокна.

Из конструктивных соображений, в частности для ограничения габаритов конструкции усилителя, изогнутый участок волокна составляет среднюю часть активного волокна, а передний и задний концы волокна, сопряженные со сварочными соединениями самого волокна, также могут иметь прямолинейное продолжение, однако в силу особых требований активное волокно также может иметь несколько изогнутых участков, чередующихся с прямолинейными участками.

В качестве примера было изготовлено активное волокно, легированное эрбием имеющее следующие характеристики:
Диаметр сердцевины 3,6 мкм
Числовая апертура (n

\binom{2}{1}

-n

\binom{2}{2}

)^1/2 0,23
λ_c (теоретическая длина волны отсечки) 1100 нм
Диаметр моды сигнала 5,3 мкм
Содержание эрбия (веса Er₂O₃) 350 ч. на млн.

При этом был построен усилитель с использованием вышеуказанного волокна (в соответствии со схемой на фиг. 1), в котором волокно было изогнуто с образованием прилегающих друг к другу витков, имеющих радиус изгиба R 50 мм, по всей его длине; при этих условиях была измерена величина длины волны отсечки:
λ_c (R) (длина волны отсечки на радиусе R) 980 нм.

Усилитель с этим волокном имел следующие характеристики:
Мощность накачки 17мВт
Длина активного волокна 8,4 м
Усилитель был подсоединен к линейному волокну, имеющему длину волны отсечки λ_c (F) 1100 нм, и усиливал передаваемый сигнал по мощности
Мощность приходящего сигнала 45 дБ относительно уровня 1 мВт.

Оптическое соединение усилителя имело волокно, несущее передаваемый сигнал и сигнал накачки с длиной волны отсечки. λ_c (A) 980 нм.

Благодаря описанной конфигурации был получен следующий коэффициент усиления:
G₁ 30 дБ
Для сравнения был построен усилитель, имевший такую же конструкцию, с активным волокном, имеющим следующие характеристики:
Диаметр сердцевины 3,6 мкм
Числовая апертура (n

\binom{2}{1}

-n

\binom{2}{2}

)^1/2 0,21
λ_c (теоретическая длина волны отсечки) 980 нм
Диаметр моды сигнала 6,2 мкм
Содержание эрбия (веса Er₂o₃) 350 ч. на млн.

Волокно использовалось в усилителе в практически прямолинейных условиях, в указанном выше смысле, чтобы создать большие изменения длины волны отсечки.

Усилитель обладал следующими характеристиками:
Мощность накачки 20 мВт
Длина активного волокна 10 м
Усиливаемый сигнал, переносимый активным волокном аналогично одному из предшествующих примеров, имел следующую мощность:
Мощность приходящего сигнала 45 дБ относительно уровня 1 мВт
Был получен следующий коэффициент усиления:
G₂ 30 дБ
Как можно видеть, усилитель в соответствии с изобретением был способен обеспечивать коэффициент усиления такой же, как и усилитель, используемый для сравнения с практически прямолинейным волокном, хотя использовался участок активного волокна меньшей длины и меньшей мощности накачки, что говорит о значительно большей эффективности.

Опорная структура для навитых витков волокна, предназначенная для удержания их с заданным радиусом изгиба, может быть любой, что также зависит от конструктивных особенностей кожуха усилителя, и поэтому она здесь не приводится.

Возможно множество изменений в пределах объема основных признаков изобретения.

Claims

1. Оптический усилитель в особенности для волоконно-оптических линий связи, устанавливаемый последовательно оптическому волокну линии, содержащий источник световой накачки, дихроичное соединение, имеющее два входа, соединенных с волокном оптической линии, несущей передающий сигнал, и с источником световой накачки соответственно, и выход, соединенный с одним концом активного оптического волокна, содержащего флуоресцирующую присадку в оптической сердцевине с излучением в диапазоне длин волн передаваемого сигнала и с накачкой на длине волны источника накачки, отличающийся тем, что активное оптическое волокно, допускающее при прямолинейной конфигурации одномодовое распространение света на длине волны передаваемого сигнала и многомодовое распространение света на длине волны накачки, на участке длиной большей, чем 70% всей своей длины, выполнено изогнутой конфигурации, причем радиус изгиба на участке с изогнутой конфигурацией соответствует распространению в волокне одной только основной моды на длине волны накачки.

2. Усилитель по п. 1, отличающийся тем, что оптическое активное волокно выполнено с изгибом, радиус которого находится в пределах 20 140 мм.

3. Усилитель по п. 2, отличающийся тем, что радиус изгиба активного волокна находится в пределах 35 100 мм.

4. Усилитель по п. 1, отличающийся тем, что длина волны передаваемого сигнала находится в пределах 1520 1570 нм, длина волны накачки составляет 980 ± 10 нм, а флуоресцирующей присадкой в активном волокне является эрбий.

5. Усилитель по п. 1, отличающийся тем, что активное оптическое волокно имеет, по крайней мере, один изогнутый участок с радиусом изгиба, соответствующим распространению в волокне одной только основной моды на длине волны накачки, при этом каждый из изогнутых участков сопряжен с существенно прямолинейными участками, причем суммарная длина изогнутых участков превышает 70% всей длины активного волокна.

6. Усилитель по п. 1, отличающийся тем, что активное оптическое волокно имеет один непрерывный изогнутый участок, имеющий радиус изгиба, соответствующий распространению в волокне одной только основной моды на длине волны накачки, при этом изогнутый участок сопряжен с прямолинейными участками, причем прямолинейные участки волокна расположены на одном или на обоих концах волокна.

7. Усилитель по п. 6, отличающийся тем, что активное волокно по всей его длине выполнено с изгибом, радиус которого соответствует распространению в волокне одной только основной моды на длине волны накачки, за исключением концевых участков, которые практически прямолинейны и каждый из которых имеет длину менее 400 мм.

8. Усилитель по п. 7, отличающийся тем, что концевые участки практически прямолинейны и имеют длину менее 200 мм.