SK278814B6 - Optický zosilňovač - Google Patents

Description

Oblasť vynálezu

Vynález sa týka optického zosilňovača, najmä na komunikačné vedenie s optickým vláknom, zapoj iteľného sériovo do optického vlákna vedenia, obsahujúceho lase- 5 rový zdroj čerpacieho výkonu, dichroický väzobný člen majúci dva vstupy, jeden pripojený k optickému vláknu vedenia, nesúcemu prenášaný signál a druhý k čerpaciemu zdroju, a výstup pripojený k jednému koncu aktívneho vlákna, obsahujúceho fluorescenčnú dotujúcu látku v 10 jeho optickom jadre, s laserovou emisiou v pásme vlnových dĺžok, zodpovedajúcom vlnovej dĺžke, na ktorej sa po optickom vlákne vedenia prenáša signál, pričom dotujúca látka aktívneho vlákna je uvedeným čerpacím výkonom vybuditeľná do excitovaných energetických sta- 15 vov.

Doterajší stav techniky

Je známe, že optické vlákna majúce dotované (dopované) jadro, získané použitím zvláštnych látok, ako sú ióny vzácnych zemín, majú vlastnosti stimulovanej emisie vhodnej na použitie ako laserové zdroje a optické zosilňovače. 25

Tieto vlákna môžu byť napájané zo zdroja svetla určitej vlnovej dĺžky, označenej ako čerpacia vlnová dĺžka, ktorá je schopná uviesť dotované atómy do vybudeného (excitovaného) energetického stavu alebo do čerpacieho pásma, z ktorého atómy prechádzajú spontánne za veľmi 30 krátky čas do stavu laserovej emisie, v ktorom zostávajú pomerne dlhý čas.

Keď vláknom, majúcim vysoký počet atómov vo vybudenom stave na úrovni laserovej emisie, prechádza svetelný signál, majúci vlnovú dĺžku zodpovedajúcu ta- 35 kémuto stavu laserovej emisie, signál spôsobí prechod vybudených atómov na nižšiu úroveň, pričom emisia svetla má rovnakú vlnovú dĺžku ako signál. Vlákno opísaného typu môže byť teda využité na dosiahnutie zosilnenia signálu, a obzvlášť, napríklad na vytvorenie linko- 40 vých zosilňovačov na optické vedenia, schopných uviesť utlmený prenášaný optický signál na vysokú úroveň po dlhej ceste vláknom v telekomunikačnom vedení s optickým vláknom.

Optické zosilňovače opísaného typu sú napríklad 45 známe z talianskej prihlášky vynálezu č. 22120 A/89 toho istého prihlasovateľa, v ktorej je použité aktívne vlákno jednovidového typu tak na prenášaccj vlnovej dĺžke (vlnová dĺžka prenosu), ako na čerpacej vlnovej dĺžke.

Tieto vlákna, ktoré sú jednovidové pri vlnovej dĺžke 50 prenosu i na čerpacej vlnovej dĺžke, majú rozdielne rozdelenie svetelného výkonu v priereze vlákna a hlavne je svetelný výkon prenášaného signálu rozdelený po väčšej ploche prierezu vlákna, ako v ktorej je prítomný čerpací výkon. 55

Fluorescenčná dotujúca látka, ktorá spôsobuje zosilnenie prenášaného signálu, je sústredená v jadre vlákna a vlákno v známych zosilňovačoch je navrhnuté tak, aby čerpací výkon bol rovnaký, obsiahnutý v tejto oblasti, takže môže byť úplne využitý na vybudenie fluorescen- 60 čnej dotujúcej látky na úrovni laserovej emisie. Pretože sa však časť výkonu prenášaného signálu prenáša do vlákna mimo oblasť, v ktorej sú prítomné fluorescenčná dotujúca látka a čerpací výkon, vyplýva z toho, že iba časť uvedeného signálu je k dispozícii v oblasti vlákna, v 65 ktorej môže byť zosilnená.

Opísaný jav spôsobuje obmedzenie účinnosti zosilnenia zosilňovača, uvažovanej ako zisk prenášaného signálu na jednotku čerpacieho výkonu.

Podstata vynálezu

Uvedené nedostatky odstraňuje optický zosilňovač, hlavne na komunikačné vedenie s optickým vláknom, zapojiteľný sériovo do optického vlákna vedenia, obsahujúci laserový zdroj čerpacieho výkonu pri čerpacej vlnovej dĺžke, dichroický väzobný člen majúci dva vstupy, jeden pripojený k optickému vláknu vedenia, nesúcemu prenášaný signál a druhý k čerpaciemu zdroju, a výstup pripojený k jednému koncu aktívneho vlákna, obsahujúceho fluorescenčnú dotujúcu látku v jeho optickom jadre, s laserovou emisiou v pásme vlnových dĺžok zodpovedajúcom vlnovej dĺžke, na ktorej sa po optickom vlákne vedenia prenáša signál, pričom dotujúca látka je uvedeným čerpacím výkonom vybuditeľná do excitovaných energetických stavov, ktorého podstatou je, že aktívne optické vlákno je v jeho podstate priamočiarom usporiadaní jednovidové v pásme vlnových dĺžok, obsahujúcom vlnovú dĺžku prenášaného signálu a mnohovidové pri čerpacej vlnovej dĺžke čerpacieho zdroja, pričom aktívne vlákno je usporiadané v optickom zosilňovači v zakrivenom tvare v aspoň 70 % svojej celkovej dĺžky, s polomerom zakrivenia zodpovedajúcim jednovidovému šíreniu pri čerpacej vlnovej dĺžke čerpacieho zdroja.

Výhodne je aktívne vlákno zakrivené s polomerom zakrivenia od 20 do 140 mm, najvýhodnejšie od 35 do 100 mm.

Podľa výhodného vyhotovenia vynálezu je aktívne optické vlákno v jeho zakrivenom usporiadaní jednovidové v pásme vlnových dĺžok 1520 do 1570 nm a je nabuditeľné do excitovaného energetického stavu uvedeným čerpacím výkonom pri vlnovej dĺžke 980 nm (± 10 nm) a fluorescenčná dotujúca látka v aktívnom vlákne je erbium.

Výhodne má aktívne vlákno najmenej jednu zakrivenú časť, majúcu polomer zakrivenia zodpovedajúci jednovidovému šíreniu pri čerpacej vlnovej dĺžke čerpacieho zdroja, pričom táto časť nadväzuje na najmenej jednu priamočiaru časť, pričom dĺžka zakrivenej časti alebo súčet dĺžok zakrivených častí je väčšia ako 70 % celkovej dĺžky aktívneho vlákna.

Podľa obzvlášť účelného vyhotovenia vynálezu má aktívne vlákno jedinú zakrivenú časť, majúcu polomer zakrivenia zodpovedajúci jednovidovému šíreniu pri čerpacej vlnovej dĺžke čerpacieho zdroja, pričom priamočiara časť alebo časti aktívneho vlákna v počte najmenej jedna ležia na najmenej jednom z obidvoch koncov aktívneho vlákna. Výhodne je v tomto prípade aktívne vlákno zakrivené s polomerom zakrivenia zodpovedajúcim jednovidovému šíreniu pri čerpacej vlnovej dĺžke čerpacieho zdroja po jeho celej dĺžke s výnimkou koncových priamočiarych častí, majúcich každá dĺžku menšiu ako 400 mm. Koncové priamočiare časti aktívneho vlákna majú výhodne dĺžku menšiu ako 200 mm.

Vynález umožňuje zvýšiť účinnosť vzhľadom na známe optické zosilňovače. V optickom zosilňovači podľa vynálezu majú výkon prenášaného signálu a výkon čerpacieho signálu v podstate zhodné rozdelenie v priereze aktívneho vlákna a sú tiež sústredené v oblasti vlákna, v ktorej je prítomná fluorescenčná dotujúca

SK 278814 Β6 (dopujúca) látka.

Prehľad obrázkov na výkresoch

Vynález je bližšie vysvetlený v nasledujúcom opise na príkladoch vyhotovenia s odvolaním na pripojené výkresy, v ktorých znázorňuje:

obr. 1 schému optického zosilňovača používajúceho aktívne vlákno, obr. 2 schému energetických prechodov vláknami typu použitého v zosilňovači z obr. 1, uspôsobených na vyvíjanie stimulovanej laserovej emisie, obr. 3 schému vzájomných vzťahov čerpacej, prenášanej a medznej vlnovej dĺžky.

obr. 4 grafické znázornenie radiálneho rozdelenia intenzity svetla v optickom vlákne, obr. 5 schému usporiadania aktívneho vlákna v optickom zosilňovači podľa vynálezu, obr. 6 pôdorys optického vlákna z obr. 5, obr. 7 schému ukazujúcu zmeny priemeru vidu v optickom vlákne v závislosti od vlnovej dĺžky, a obr. 8 je grafické vyjadrenie zisku v optickom zosilňovači v závislosti od dĺžky použitého aktívneho vlákna.

Príklady uskutočnenia vynálezu

Na účely zosilnenia signálov v telekomunikačných vedeniach s optickými vláknami sa zvyčajne používajú zosilňovače s optickými vláknami. Štruktúra takýchto zosilňovačov je schematicky znázornená na obr. 1, kde zosilňovač obsahuje telekomunikačné optické vlákno 1, do ktorého sa privádza prenášaný signál s vlnovou dĺžkou λ„ vyvíjaný laserovým emitorom 2. Signál utlmený po tom, čo prešiel určitou dĺžkou telekomunikačného vedenia, sa zavádza do optického zosilňovača 3, ktorý v podstate pozostáva z dichroického väzobného člena 4, kde je pripojený na jedinom výstupnom vlákne 5 k čerpaciemu signálu vlnovej dĺžky λ_ρ, vyvíjanému čerpacím laserovým emitorom 6. Aktívne vlákno 7, pripojené k výstupnému vláknu 5 dichroického väzobného člena 4, tvorí zosilňovací prvok signálu, ktorý je potom opäť zavedený do telekomunikačného optického vlákna 1 a postupuje do miesta určenia.

Na vytvorenie aktívneho vlákna 7, zosilňujúceho svetelný signál, sa použije optické vlákno z oxidu kremičitého, ktoré je dotované fluorescenčnou látkou prispôsobenou na vyvíjanie svetelnej emisie, ktorá je stimulovaná za prítomnosti svetelného signálu, ktorý· ňou je tak zosilňovaný.

Ako fluorescenčná látka sa zvyčajne používa oxid erbitý Er₂O₃, ktorý môže mať stimulované prechody, označené tiež ako laserové prechody na vlnových dĺžkach vhodných na prenos telekomunikačných signálov na veľké vzdialenosti.

Ako je znázornené v diagrame na obr. 2 na vlákno uvedeného typu, predstavujúcom možné energetické stavy na roztok erbiových iónov v základnej hmote vlákna na báze oxidu kremičitého, uvedie zavedenie svetelného výkonu do aktívneho vlákna na čerpacej vlnovej dĺžke λ_ρ nižšej ako je vlnová dĺžka λ₅ prenášaného signálu určitý počet iónov erbia Er³⁺, prítomných ako dotujúca látka v sklenenej základnej hmote vlákna do excitovaného energetického stavu 8, označeného ako čerpacie pásmo, z ktorého ióny spontánne prechádzajú na energetickú úroveň 9, tvoriacu úroveň laserovej emisie.

Je známe, že zatiaľ čo prechod z pásma 8 na úroveň 9 je spojený s emisiou tepelného typu, ktorá je rozptýlená mimo vlákno (fonónová radiácia), prechod z úrovne 9 na základnú úroveň 10 vyvíja svetelnú emisiu vlnovej dĺžky, zodpovedajúcu energetickej hodnote úrovne 9 laserovej emisie. Keď vláknom obsahujúcim veľké množstvo iónov na úrovni laserovej emisie prechádza signál vlnovej dĺžky zodpovedajúci takej úrovni emisie, signál spôsobí stimulovaný prechod týchto iónov zo stavu emisie do základného stavu pred ich spontánnym prechodom, s kaskádovým javom spôsobujúcim emisiu veľmi zosilneného prenášaného signálu na výstupe aktívneho vlákna.

Na obr. 4 je schematicky znázornený koniec aktívneho vlákna 7 v axiálnom reze, pričom jadro 12 a plášť 13 takéhoto vlákna majú rôzne indexy lomu. Na využitie ako aktívneho vlákna v zosilňovači je dotujúca látka erbium Er³* prítomná v jadre 12.

Na získanie vysokého zisku zosilnenia je vhodné, aby aktívne vlákno 7 bolo jednovidového typu na vlnovú dĺžku prenášaného signálu i na čerpaciu vlnovú dĺžku, ako je uvedené v talianskej prihláške vynálezu č. 22120 A/89 rovnakého prihlasovateľa.

Ako je podrobne vysvetlené v uvedenej prihláške vynálezu, je aktívne vlákno dimenzované tak, že medzná vlnová dĺžka k_cl (nazývaná tiež cut-off length), nad ktorou sa vo vlákne šíri iba základný vid, je nižšia ako vlnová dĺžka prenášaného signálu λ, i nižšia ako vlnová dĺžka λ_ρ čerpacieho žiarenia.

Dôležité veličiny na účel voľby medznej vlnovej dĺžky sú v podstate; číselná apertúra NA vlákna a priemer jadra vlákna.

Číselná apertúra NA vlákna s profilom indexu lomu v podstate typu s jeho skokovou zmenou, je definovaná vzťahom:

NA = (n,² - n2²)^1/2, kde n, je index lomu jadra vlákna a n2 je index lomu plášťa vlákna.

Ako je známe, môžu byť požadované indexy lomu jadra a plášťa dosiahnuté voľbou koncentrácie primáme dotujúcej látky v jadre a v plášti alebo voľbou koncentrácie dotujúcej látky meniacej index lomu, pridanej do predvýrobku, z ktorého sa vlákna vyrábajú spôsobmi, dobre známymi v odbore.

Dotujúce látky používané na tieto účely sú zvyčajne oxid germaničitý GeO₂ a oxid hlinitý A1₂O₃.

Svetelné žiarenie vnútri vlákna, majúce vlnovú dĺžku, pre ktoré je šírenie vo vlákne jednovidové, to znamená vyššie ako medzná vlnová dĺžka vlákna, spôsobuje radiálne rozdelenie intenzity svetla typu znázorneného na obr. 4, s krivkami I] a I₂, ktorých priebeh v podstate zodpovedá Gaussovmu typu s maximálnou intenzitou I. _max pozdĺž osi vlákna a so zmenšujúcimi sa hodnotami až do nuly smerom k obvodu vlákna.

Na základe uvedeného rozdelenia je definovaný priemer vidu <)>„, ako priemer, pri ktorom je intenzita svetla Ι(φπ,) vo vlákne:

IC4m) ~---'max.

kde I_max je maximálna intenzita svetla vo vlákne podľa normy CCITT G.652 (Consultative Comittee Intemational Telegram and Telephone).

Ako je zrejmé z výkresu, najväčšia časť prenášaného svetelného výkonu je v podstate obsiahnutá vnútri priemeru vidu.

Pre účinné zosilnenie je dôležité mať vysokú hustotu čerpacieho výkonu v jadre 12 vlákna, kde je prítomná fluorescenčná dotujúca látka, takže môže byť udržaná vysoká populačná inverzia v dotujúcej látke, t j. vysoký podiel atómov dotujúcej látky, dostupných na zosilnenie na vyššej laserovej úrovni 9 v porovnaní s ich podielom v základnom stave 10. Čerpací výkon prenášaný mimo jadra, kde nie je prítomná dotujúca látka, je v podstate neúčinný na účely inverzie dotujúcej látky na vyššej laserovej úrovni.

Prenášaný signál samotný by mal mať intenzitu s radiálnym rozdelením vo vlákne, podobným rozdeleniu čerpacieho signálu, aby mohol byť prenášaný v oblasti vlákna, v ktorej je prítomné najviac svetelného čerpacieho výkonu, takže signál môže byť účinne zosilnený.

S tým cieľom je potrebné, aby priemery vidu čerpacieho signálu a prenášaného signálu si boli pokiaľ možno najviac podobné.

V optickom vlákne typu majúceho jadro 12 a plášť 13, ako je znázornené na obr. 4 v súvislosti s diagramami rozdelenia intenzity svetla v radiálnom smere na čerpacie signály i prenášané signály, je priemer vidu 0_s na prenášanej vlnovej dĺžke X_s, kde krivka radiálneho rozdelenia svetelnej intenzity je daná krivkou S na výkrese, podstatne väčší ako priemer vidu 0_p na čerpacej vlnovej dĺžke λ_ρ, s krivkou intenzity P, a v podstate zodpovedá priemeru jadra 12. Uvedené skutočnosti znamenajú, že významná časť svetelného signálu sa nešíri do oblasti aktívneho vlákna, do ktorej sa privádza čerpacia energia a v ktorej je prítomná dotujúca látka. Je totiž potrebné zobrať do úvahy, že priemer vidu, ktorý je na hodnoty vlnovej dĺžky veľmi blízky k medznej vlnovej dĺžke Z_c vlákna v podstate stály a nie veľmi odlišný od priemeru jadra vlákna, pre väčšie vlnové dĺžky λ značne narastá, ako je znázornené na obr. 7. Aby sa teda zaistilo, že vlákno je jedno vidové na čerpacej vlnovej dĺžke λρ, napríklad v prípade zosilňovačov majúcich aktívne vlákno dotované erbiom, na 980 nm (± 10 %), musí sa použiť vlákno majúce medznú vlnovú dĺžku λ_£ nižšiu ako 980 nm a dosiahne sa veľmi vysoký priemer vidu na prenosovej vlnovej dĺžke λ₅, ktorýje značne väčší ako priemer vidu na čerpacej vlnovej dĺžke λ_ρ. Veľká časť prenášaného signálu sa tak nešíri do oblasti vlákna, v ktorej môže byť zosilnená.

Opísané správanie nastáva, keď aktívne vlákno má priamočiary alebo v podstate priamočiary tvar, kde výraz v podstate priamočiary tvar znamená, že vlákno nie je podrobené geometrickým deformáciám schopným značne pretvoriť jeho optické správanie. Preto norma (CCIT, Instruction G.652) stanovuje hodnotenie teoretickej medznej vlnovej dĺžky na základe profilu indexu lomu vo vlákne a medzných vlnových dĺžok za prevádzkových podmienok.

Uvedená forma obzvlášť berie do úvahy možnosť merania medznej vlnovej dĺžky vinutého vlákna, pričom meranie sa vykonáva na jednom závite vlákna s polomerom 140 mm. Zistená zmena medznej vlnovej dĺžky za týchto podmienok v porovnaní s teoretickou hodnotou je skôr malá, pričom sa očakáva rozdiel nižší ako 5 % vzhľadom na teoretickú medznú vlnovú dĺžku.

Podľa vynálezu sa volí aktívne vlákno zosilňovača jednovidového typu iba na prenášanej vlnovej dĺžke λ₈, t. j. majúce hodnotu medznej vlnovej dĺžky Z_c2 nižšiu ako λ₃, ale podstatne vyššiu ako λ_ρ, ako je znázornené na obr. 3.

S týmto vláknom je priemer vidu na prenášanej vlnovej dĺžke, obzvlášť v rozsahu od 1520 do 1570 nm, vhodnom na použitie zosilňovačov majúcich aktívne vlákno dotované erbiom, pri prenášanej vlnovej dĺžke, (t. j. vlnovej dĺžke, na ktorej sa prenáša signál) veľmi blízkej k medznej vlnovej dĺžke, je dostatočne malý, v podstate veľmi blízky k priemeru jadra vlákna. Základný vid čerpacieho signálu má naopak priemer veľmi blízky k priemeru jadra vlákna a výkon prenášaného signálu je teda udržiavaný v podstate v tejto oblasti vlákna, kde je prítomný čerpací signál a aktívna dotujúca látka.

Aktívne vlákno je usporiadané v jeho zakrivenej časti 11 v priľahlých závitoch, tvoriacich zosilňovač, ako je znázornené na obr. 5 a 6, napríklad navinutých na valcovom nosiči a pod. Zakrivenie vlákna je zvolené podľa vynálezu s polomerom R,, podstatne menším ako 140 mm, aby sa umožnil prenos iba základného vidu vo vlákne práve na vlnové dĺžky nižšie ako vyššie uvedená vlnová dĺžka X_c2 a hlavne práve na čerpaciu vlnovú dĺžku λ_ρ.

Zakrivenie vlákna spôsobí prenos iba základného vidu vlnovým dĺžkam, ktoré sa zmenšujú, ako rastie zakrivenie vlákna, t. j. ako sa zmenšuje polomer R_c. Je teda možné určiť polomer zakrivenia R_p, pre ktorý' na danú vlnovú dĺžku a hlavne na čerpaciu vlnovú dĺžku je možný vo vlákne iba prenos základného vidu.

Polomer zakrivenia R_c, zvolený na aktívne vlákno, má byť teda menší alebo rovný vyššie uvedenému polomeru R_p. Pretože však zakrivenie môže byť spôsobené mechanickým zoslabnutím štruktúry vlákna, spôsobeným jeho náchylnosťou k lomom alebo popraskaniu, použije sa však v praxi prednostne polomer zakrivenia rovný R_p alebo jemu blízky.

Voľba vhodnej hodnoty uvedeného zakrivenia umožňuje vylúčiť z aktívneho vlákna vidy vyššie ako čerpacia vlnová dĺžka, takže vo vlákne je vedený iba základný vid čerpacieho signálu, pri udržiavaní medznej vlnovej dĺžky spôsobujúcej malý polomer vidu vo vlákne na prenosovej vlnovej dĺžke.

Týmto spôsobom je možné dosiahnuť obzvlášť vysokú účinnosť zosilnenia, t. j. vysoký zisk zosilnenia na jednotku čerpacieho výkonu, takže k dosiahnutiu žiadaného zosilnenia môže byť použité kratšie vlákno, ako je znázornené na obr. 8, kde je zrejmé, že môže byť dosiahnutý zisk G_o s aktívnym vláknom dĺžky L, použitím vlákna s medznou dĺžkou λ > 980 nm podstatne nižšou ako je dĺžka L₂, potrebná na dosiahnutie rovnakého zisku s vláknom majúcim medznú vlnovú dĺžku X_C| < 980 nm.

V dichroickom väzobnom člene 4, vytvorenom na základe zásad, uvedených v uvedenej prihláške vynálezu č. 22120 A/89 je dopravné vlákno 5 prenášaných signálov, pripojených k čerpaciemu signálu jednovidového typu na obidvoch vlnových dĺžkach. Toto vlákno teda má priemer vidu na prenosovej vlnovej dĺžke λ₅ vyšší ako priemer módu v aktívnom vlákne podľa vynálezu. Zvar medzi vláknami 5 a 7 spôsobuje útlm prenášanej vlnovej dĺžky vplyvom takéhoto rozdielu priemerov.

Ďalší útlm svetla nastáva v zvare medzi aktívnym vláknom a optickým vláknom 1 telekomunikačného vedenia. Aj keď komerčne dostupné vlákna, používané ako linkové vlákna, sú jednovidového typu iba na prenášanej vlnovej dĺžke, v uvedenom rozsahu od 1520 do 1570 nm, majú skôr vysoký priemer vidu na účely ľahkosti vytvorenia spojov a podobne rovný alebo väčší ako priemer vidu vlákna 5 väzobného člena.

Celkový zisk G_ex v zosilňovači je daný vnútorným ziskom aktívneho vlákna G_in, zmenšeným o straty útlmom A_s vplyvom zvarov medzi rôznymi vláknami. Na dosiahnutie tohto výsledku sa teda od aktívneho vlákna vyžaduje zisk G_in = Gex + A_s.

Použitie vlákna podľa vynálezu, majúceho veľmi malý priemer vidu, spôsobí väčšie straty vplyvom zvarov v porovnaní so známymi aktívnymi vláknami, ktoré sú jednovidové tiež na vlnovej dĺžke λ_ρ, ale tieto prídavné straty sa všeobecne javia ako zanedbateľné v porovnaní so získaným zvýšením účinnosti.

Minimálny polomer ohybu R_c vhodného aktívneho vlákna je väčší ako asi 20 mm a pod touto hodnotou sa mechanické napätie zakriveného vlákna stáva kritické a navyše straty zvarmi v miestach spojenia dosahujú významné hodnoty, vyplývajúce z veľkého rozdielu medzi priemermi módu aktívneho vlákna a linkového vlákna, alebo vlákna vystupujúceho z väzobného člena, zatiaľ čo polomery ohybu väčšie ako 140 mm sú málo použiteľné na dosiahnutie významného posunutia medznej vlnovej dĺžky. Výhodný je R_c > 35 mm a ešte výhodnejší je 50 mm Rc < 100 mm.

V súvislosti s uvedenými polomermi ohybu je maximálna hodnota medznej vlnovej dĺžky za podmienok priamočiareho tvaru, umožňujúcich jednovidový prenos čerpacieho signálu na 980 nm, keď je vlákno zakrivené v zodpovedajúcom polomere ohybu, bez dosiahnutia uvedených kritických hodnôt s ohľadom na mechanickú pevnosť vlákna, rovná ?._c = okolo 1280 nm, čo zodpovedá priemeru vidu asi 4 pm. Pri polomere ohybu R_c = 50 mm je hodnota medznej vlnovej dĺžky rovná λ₀ = asi 1100 nm a priemer vidu je asi 5,3 pm, zatiaľ čo základný vid čerpacieho signálu má priemer asi 3,8 až 4 pm.

Pre jednovidové vlákno pri priamočiarom usporiadaní na čerpacej vlnovej dĺžke je priemer vidu na vlnovej dĺžke prenášaného signálu vyšší ako 6 pm.

Na najlepšie využitie vlastností aktívneho vlákna v zosilňovači podľa vynálezu je výhodné, aby celková dĺžka aktívneho vlákna 7 bola tvarovaná s daným polomerom zakrivenia, čo znamená, že aktívne vlákno je usporiadané do zakriveného útvaru, napríklad vo forme vinutia na zodpovedajúcom nosiči, ako je schematicky znázornené na obr. 5, a to bezprostredne za spojovacím zvarom 15 s vláknom 5 väzobného člena 4.

V prípade, keď toto nie je možné alebo žiaduce, napríklad s cieľom vylúčenia ohybových namáhaní spôsobených zakrivením aktívneho vlákna a prenášaných do zvaru 15, ktorý zvyčajne tvorí mechanicky slabý bod vo vlákne, ako je zrejmé na obr. 6, môže byť pripustená nezakrivená priamočiara časť 16 aktívneho vlákna bez toho, aby toto spôsobilo podstatné zníženie výhod spôsobených ohybom aktívneho vlákna.

Výhodne je dĺžka priamočiarej alebo v podstate priamočiarej časti 16 aktívneho vlákna, t. j. časti majúcej väčší polomer ohybu ako polomer R,, už definovaný bezprostredne za väzobným členom, menši ako 400 mm, výhodnejšie L_r< 200 mm. Takáto dĺžka v podstate priamočiareho vlákna môže byť tiež usporiadaná na druhom konci aktívneho vlákna v blízkosti jeho spojenia s linkovým vláknom bez toho, aby sa významne znížila účinnosť zosilnenia.

Väzba vyšších vidov totiž nastáva úmerne k dĺžke dráhy signálu vo vlákne samotnom, a teda po určitej časti uvedenej dĺžky nenastáva už žiaden významný prenos čerpacej energie v aktívnom vlákne zo základného vidu do vyšších vidov.

Na druhej strane môžu byť podľa vynálezu dosiahnuté užitočné výsledky, t. j. zvýšenie účinnosti zosilnenia vzhľadom na zosilňovače s aktívnym jednovidovým aktívnym vláknom tiež na čerpacej vlnovej dĺžke, tiež s aktívnym vláknom, ktoré je ohnuté iba v časti svojej dĺžky, keby sa to požadovalo na splnenie rôznych požiadaviek, ale za predpokladu, že časť ohnutého vlákna s polomerom zakrivenia zodpovedajúcim prenosu iba základného vidu čerpacieho signálu je väčší ako 70 % celkovej dĺžky vlákna.

Z konštrukčných dôvodov, hlavne pre udržanie objemu konštrukcie zosilňovača v obmedzených medziach, tvorí zakrivená časť vlákna strednú časť aktívneho vlákna, zatiaľ čo predná a zadná časť, ktoré sú priľahlé ku koncovým zvarom vlákna, môžu byť priamočiare. Je však tiež možné, aby na základe zvláštnych požiadaviek malo aktívne vlákno tiež väčší počet zakrivených častí, prestriedaných s priamočiarymi časťami.

Ako príklad bolo vyrobené aktívne vlákno dotované erbiom a majúce tieto charakteristiky:

Priemer jadra 3,6pm

Číselná apertúra (n^-m²)¹⁷²0,23 k_c (teoretická medzná vlnová dĺžka) 1100 nm

Priemer módu signálu 5,3pm

Obsah erbia (hmotnosť Er₂O₃) 350 ppm

S použitím uvedeného vlákna bol vytvorený zosilňovač podľa vynálezu podľa schémy znázornenej na obr. 1, v ktorom vlákno bolo ohnuté do súvislých ovinov s polomerom zakrivenia R = 50 mm v celej jeho dĺžke. Za týchto podmienok bola zmeraná hodnota medznej vlnovej dĺžky' Z_c (R) (medzná vlnová dĺžka na polomere R) = 980 nm.

Zosilňovač používajúci vlákno mal tieto parametre: Čerpací výkon 1 7 mW

DÍžka aktívneho vlákna 8,4 m

Zosilňovač bol pripojený k linkovému vláknu, ktoré malo medznú vlnovú dĺžku X_c (F) =1100 nm, poskytujúcu prenášaný signál na zosilnenie s výkonom: Výkon vstupného signálu -45 dBm

Optický väzobný člen zosilňovača mal vlákno nesúce prenášaný signál a čerpací signál s medznou vlnovou dĺžkou λ. (A) = 980 nm.

S opísaným tvarovaním sa dosiahol tento zisk zosilnenia:

G, 30 dB.

Pre porovnanie bol vytvorený zosilňovač majúci rovnaké konštrukčné usporiadanie pri použití aktívneho vlákna s týmito parametrami:

Priemer jadra 3,6pm

Číselná apertúra (n,²-n-,²)^1,20,21

X_c (teoretická medzná vlnová dĺžka) 980 nm

Priemer vidu signálu 6,2pm

Obsah erbia (hmotnosť Er₂O₃) 350 ppm

Vlákno bolo v zosilňovači použité v podstate v priamočiarom tvare, v zmysle uvedenej definície, aby sa nevyvolali vvznamné zmeny jeho medznej vlnovej dĺžky.

SK 278814 Β6

Zosilňovač mal tieto parametre: Čerpací výkon 20 mW

Dĺžka aktívneho vlákna 10 m

Signál, ktorý mal byť zosilnený, nesený aktívnym vláknom podobným vláknu z predchádzajúceho príkladu, mal tento výkon:

Výkon vstupného signálu - 45 dBm Dosiahol sa tento zisk zosilnenia: G₂ 30 dB.

Ako je zrejmé, zosilňovač podľa vynálezu bol schopný dávať rovnaký zisk zosilnenia ako porovnateľný zosilňovač používajúci v podstate priamočiare vlákno, hoci sa použila časť aktívneho vlákna menšej dĺžky a bol použitý nižší čerpací výkon, takže sa dosiahla významne vyššia účinnosť.

Nosná konštrukcia na závity vlákna, vhodné na ich udržiavanie pri danom polomere ohybu, môže byť akéhokoľvek druhu, tiež v závislosti od konštrukcie puzdra zosilňovača a nie je preto podrobnejšie opisovaná. Je zrejmé, že riešenie sa môže podrobiť mnohým obmenám, bez toho, aby sa opustil rámec myšlienky vynálezu.

Claims (8)

1. PATENTOVÉ NÁROKY

   1. Optický zosilňovač, predovšetkým na komunikačné vedenie s optickým vláknom, zapojiteľný sériovo do optického vlákna vedenia, obsahujúci laserový zdroj čerpacieho výkonu s čerpacou vlnovou dĺžkou, dichroický väzobný člen (4), majúci dva vstupy jeden pripojený k optickému vláknu vedenia nesúcemu prenášaný signál a druhý k čerpaciemu zdroju a výstup, pripojený k jednému koncu aktívneho vlákna, obsahujúceho fluorescenčnú dotujúcu látku v jeho optickom jadre, s laserovou emisiou v pásme vlnových dĺžok zodpovedajúcom vlnovej dĺžke, na ktorej sa po optickom vlákne vedenia prenáša signál, pričom dotujúca látka aktívneho vlákna je uvedeným čerpacím výkonom vybuditeľná do excitovaných energetických stavov, vyznačujúci sa tým, že optické aktívne vlákno (7) je v jeho podstate priamočiarom usporiadaní jednovidové v pásme vlnových dĺžok, obsahujúcom vlnovú dĺžku prenášaného signálu a mnohovidové pri čerpacej vlnovej dĺžke čerpacieho zdroja (6), pričom aktívne vlákno (7) je usporiadané v optickom zosilňovači v zakrivenom tvare v aspoň 70 % svojej celkovej dĺžky, s polomerom zakrivenia zodpovedajúcim jednovidovému šíreniu pri čerpacej vlnovej dĺžke čerpacieho zdroja (6).
2. 2. Optický zosilňovač podľa nároku I, vyznačujúci sa tým, že aktívne vlákno (7) je zakrivené s polomerom zakrivenia od 20 do 140 mm.
3. 3. Optický zosilňovač podľa nároku 2, vyznačujúci sa tým, že aktívne vlákno (7) je zakrivené s polomerom zakrivenia od 35 do 100 mm.
4. 4. Optický zosilňovač podľa nároku 1, vyznačujúci sa tým, že optické aktívne vlákno (7) je v jeho zakrivenom usporiadaní jednovidové v pásme vlnových dĺžok 1520 do 1570 nm a jeho fluorescenčná dotujúca látka je nabuditeľná do excitovaného energetického stavu uvedeným čerpacím výkonom pri vlnovej dĺžke 980 nm (± 10 nm) a fluorescenčná dotujúca látka v aktívnom vlákne je erbium.
5. 5. Optický zosilňovač podľa nároku 1, vyznačujúci sa tým, že aktívne vlákno (7) má najmenej jednu zakrivenú časť (11), majúcu polomer zakrivenia zodpovedajúci jednovidovému šíreniu pri čerpacej vlnovej dĺžke čerpacieho zdroja (6), pričom táto časť nadväzuje na najmenej jednu priamočiaru časť (16), pričom dĺžka zakrivenej časti alebo súčet dĺžok zakrivených častí je väčšia ako 70 % celkovej dĺžky aktívneho 5 vlákna.
6. 6. Optický zosilňovač podľa nároku 5, v y z n a čujúci sa tým, že aktívne vlákno (7) má jedinú zakrivenú časť (11), majúcu polomer zakrivenia zodpovedajúci jednovidovému šíreniu pri čerpacej vlnovej

   10 dĺžke čerpacieho zdroja (6), pričom priamočiara časť (16) alebo časti aktívneho vlákna v počte najmenej jedna leží na najmenej jednom z obidvoch koncov aktívneho vlákna (7).
7. 7. Optický zosilňovač podľa nároku 6, v y z n a -

   15 čujúci sa tým, že aktívne vlákno (7) je zakrivené s polomerom zakrivenia zodpovedajúcim jednovidovému šíreniu pri čerpacej vlnovej dĺžke čerpacieho zdroja (6) po jeho celej dĺžke s výnimkou koncových priamočiarych časti (16), majúca každá dĺžku menšiu a20 ko 400 mm.
8. 8. Optický zosilňovač podľa nároku 7, vyznačujúci sa tým, že koncové priamočiare časti (16) aktívneho vlákna (7) majú dĺžku menšiu ako 200 mm.