CS550590A3 - Optical fiber - Google Patents

Description

,.·«Ο .w.-xf ·!\·Λ> ·>!»·. i. IWWH Π<Λίζ ,V»-«U«H £iJ),IV.·. -i-

Vynález se týká optického zesilovače s aktivním vláknem, kterýmá široké čerpací pásmo. Dále se vynález týká tohoto aktivního vlákna.

Je známo, že optická vlákna mající jádro, které je dopovánozvláštní látkou, vykazují stimulovanou emisi pro jejich použitíjako laserových zdrojů a optických zesilovačů.

Taková vlákna mohou být napájena zdrojem světla o určité vlno-vé délce, které přivádí atomy dopovací látky do vybuzeného ener-getického stavu, nebo čerpacího pásma, ze kterého atomy spontánněpřecházejí ve velmi krátkém čase do stavu označovaného jako stavlaserové emise, ve kterém zůstávají poměrně dlouhou dobu.

Když vláknem majícím velký počet atomů ve vybuzeném stavuna úrovni laserové emise prochází světelný signál mající vlnovoudélku odpovídající tomuto stavu emise, světelný signál způsobípřechod vybuzených atomů na nižší energetickou úroveň, přičemžemise světla má stejnou délku vlny jako světelný signál. Vláknouvedeného druhu tedy může být použito k dosažení zesílení signáludo něho zavedeného.

Tyto jevy mohou nastat při rozličných vlnových délkách ty-pických pro dopovací látku, čímž dávají vzniknout fluorescenčnímuspektru ve vláknu. -2-

Vznik zasílené emise výše popsaného typu je umožněn přivede-ním dostatečné “čerpací" energie do vlákna, schopné udržet vláknove stavu populační inverze, to znamená schopné udržet větší početatomů dopovací látky ve stavu laserové emise než atomů téže látky,které jsou v základním energetickém stavu. Zmíněná energie může býtdo vlákna přiváděna ve formě světelné energie a vlákno tedy vyža-duje napájení ze zdroje světla o vlnové délce odpovídající energe-tickému přechodu dopovací látky na vyšší úroveň než je úroveň la-serové emise.

Vlákno vyvíjí světelné absorpční spektrum, to je u rozličnýchenergetických přechodů možných u dopovacích látek obsažených vevláknu jsou vlnové délky, pro které je absorpce světla zvláštěvysoká.

Pro přivedení dostatečného množství Čerpací energie se zmíněnásvětelná energie přivádí do vlákna při vlnové délce odpovídajícívrcholu absorpčního spektra vlékna majícího energetický přechod,jehož úroveň je stejná neby vyšší než žádaná úroveň laserové emise.

Tak například vlákno, jehož jádro je dopované erbiem, popsanév britské přihlášce vynálezu č. 8813769, k vyvinutí stimulované emisevýše popsaného typu, vhodné k použití při zesilování světelnýchsignálů, může být uvedeno do vybuzeného stavu absorpcí světelnéčerpací energie o vlnové délce asi 980 nm.

Pro tento účel musí být použit "čerpací" laser dodávající svě-telnou energii při této vlnové délce. Z laserů pracujících v této oblasti spektra mohou být v tele-komunikačních linkách průmyslově využity lasery typu polovodičové ;; i; £ λ

BacMBaBmwManAfSAViurÍUiiiA-jan^r.·. .-CW/fr/Xt Λ'/·Λίς'^Λ·^·~·.«/<νΛ7»^ν^^Γ/Λ7>:ί^ν<^Λ/·?λΤ^'?ΓΛ:ΐ J^úňátr^Ý^VXíiríř;/^'.. -3- diody, pokud vykazují požadované vlastnosti co do kompaktnosti,spolehlivosti a ceny. Tyto přístroje, pokud jsou vyrobeny propráci na vlnové délce kolem 980 nm, mají malý výkon, asi 10 mW,v podstatě vlivem jemné struktury.krystalu požadované pro vyví-jení emise při zmíněné vlnové délce, a tedy nejsou vhodné pronapájení výkonových zesilovačů umístěných podél linky»

Také mohou být vyrobeny polovodičové lasery vhodné pro vý-stupní výkony vyšší než 50 mW, takové lasery však pracují navlnových délkách v rozsahu od 900 do 950 nm, mimo oblast spektra,ve kterém vlákno popsaného typu dopované erbiem může absorbovatenergii, takže tyto lasery nemohou být s uvedeným vláknem použity.

Také jsou známy lasery uzpůsobené k dodávání světelné ener-gie vysokého výkonu, například tříúrovňové diodové čerpací laseryz neodymia typu YAG, jejichž použití by bylo výhodné jako zdrojůčerpací světelné energie pro optické zesilovače, avšak jejichemise světla má vlnovou délku 947 nm, která je mimo oblast, vektaré může být čerpáno erbium.

Publikace «ELECTRONIC LETTERS" z l.září 1988, svazek 24,číslo 18 popisuje vláknový laser mající optické vlákno dopovanésoučasně erbiem a ytterbiem, které může být “čerpáno·' diodovýmilasery i lasery z neodymia typu YAG.

Zmíněné optické vlákno bylo vytvořeno na basi oxidu křemiči-tého s dopovacími látkami Al^O^a a θ koncentrací ytterbia a erbia asi 1,7% a 0,080% hmotnostních nebo v poměru 21:1.

Optické vlákna tohoto typu byla uvažována jako vhodná taképro zesilovače» Úkolem předloženého vynálezu tudíž je vytvořit optické vlák-no dopované erbiem a ytterbiem s nízkou koncentrací ytterbia vyví-jející významnou absorpci světelné energie, uzpůsobené k uvedeníjeho dopovacích látek do stavu laserové emise laseru vysokého vý-konu, kteréžto vlákno by také bylo prakticky využitelné průmyslo-vě a vhodné k zesilování optických signálů v telekomunikačníchlinkách»

Podstata vynálezu

Vynález řeší úkol tím, že vytváří optické vlákno, zejména prozesilovače s optickým vláknem pro optické telekomunikační linky,obsahující erbium a ytterbium ve formě trojmocného kationtu jakodopovací látky laserové emise a mající dopovací látku jako měnič -4- ...............v..,»-, -J. .»».·* •«Ι’ίΛί»'.!.νΛϊ»'Λ*>6»''Λ.··.;\·.*« indexu lomu uzpůsobený k zajištění vlnovodného účinku, k napájeníčerpacím světelným zdrojem předem určené vlnové délky pro vyvíje-:ní laserové emise, přičemž koncentrace ytterbia (Yb) ve vláknu kekoncentraci erbia (Er) vyjádřená jako procentní podíl hmotnostiobsažených oxidů je

jehož podstata spočívá v tom, že koncentrace ytterbia (Yb) vzhle-dem k celkové hmotnosti vlákna je menši než 1%,

Je výhodné, když dopovací látka schopná měnit index lomuje germanium (Ge) nebo hliník (AI)o

Vynález dále vytváří optický zesilovač, zejména pro teleko-munikační linky s optickým vláknem, obsahující aktivní optickévlákno s laserovou emisí dopované erbiem a ytterbiem ve formětrojmocného kationtu a světelný čerpací laserový zdroj pracujícína předem určené vlnové délce, jako tříúrovňový diodový čerpacílaser z neodymia typu YAG nebo laser z polovodičové diody pracu-jící mezi 900 a 950 nm, přičemž koncentrace ytterbia v aktivnímoptickém vláknu zesilovače v poměru ke koncentraci obsaženéhoerbia, vyjádřená v procentech hmotnosti oxidů obsažených ve vlák-nu je _ 1 é < 100 , LEr2°33 jehož podstata spočívá v tom, že hmotnostní koncentrace ytterbia(Yb) vzhledem k celkové hmotnosti vlákna je menší než 1%.

Další podrobnosti jsou uvedeny v následujícím popisu vynálezu. Přehled obrázků na výkresech

Vynález je znázorněn na výkresech, kde obr.l je schéma optic-kého zesilovače s dopovaným vláknem podle předloženého vynálezu,obr.2 je diagram znázorňující energetické přechody vlákna použi-tého v optickém zesilovači podle obr.l, obr.3 je diagram znázor- v optickém Vláknu vyrobeném z křemi-čitého ákl^a dopovahémZ^Er |a| obr.4 jé diagram znázorňující křivkuabsorpce světla λ optickém vláknu vyrobeném z křemičitého skla adopovaném»(Er^ paj(Yb? j podle prvního jypůsotnf provedení vynálezu aobr.5 je diagram znárodňující křivl^^^ab^or^ce^^světla^^^^tickémvláknu vyrobeném z křemičitého sklaadd^ovanémí^Er^ / ařjYÍr / podledruhého ^půeebn provedení předloženého vynálezu. -5- spočívá v tom, že aktivní optické vlákno obsahuje další dopovfcílátku působící absorpci světla na emisní vlnově délce čerpacíholaseru a je uzpůsobeno pro přenos absorbované energie do erbiaobsaženého ve vláknu pro způsobení populační inverze pro vyvíjenístimulované emise světla za přítomnosti vysílaného optického sig-nálu.

Je výhodné, když další dopovací látka v aktivním optickémvláknu je ytterbium ve formě trojmocného kationtufa světelný čer-pací zdroj je tříúrovňový diodový čerpací laser typu neodymium:YAGnebo laser z polovodičové diody pracující mezi 900 a 950 nm. Dále je výhodné, když koncentrace ytterbiaaktivním optic-kém vláknu zesilovače v poměru ke koncentraci obsaženého erbia/^y-jádřená v procentech hmotnosti oxidů obsažených ve vláknu je CTb2°3Zl i é. —-=— á 10

- [Er2O3J a hmotnostní koncentrace ytterbia vzhledem k celkové hmotnostivlákna 'je nižší než 5%, s výhodou nižší než 1%.

Vynález je znázorněn na výkrese, kde obr.l je schéma optickéhozesilovače s dopovaným vláknem podle předloženého vynálezu, obr.2je diagram znázorňující energetické přechody vlákna použitého v optickém zesilovači podle obr.l, obr.3 je diagram znázorňující z křivku absorpce světla v optickém vláknu vyrobeném z křemičitéhoΛα.eržiO/ \ skla a dopovanénn(Er-'+}^ obr.4 je diagram znázorňující křivku absorp-ce světla v optickém vláknu vyrobeném z křemičitého skla a dopo- * vaném/ÍEr·’ raf/Ybp J podle prvního ^způsobu-provedení vynálezu a obr. 5je diagram znázorňující křivku absorpce světla y optickém vláknuvyrobeném z křemičitého sklá á dopovanámÍEn y^sj^YK J podle druhéhozpůsobu provedení předloženého vynálezu. «-6-

Obr.6 je diagram znázorňující křivku stimulované emise v optickémvláknu uvedeném v souvislosti s obr.4·

Pro účely zesilování signálů v optických vláknech telekomuni kačních linek se obvykle používají zesilovače s optickými vlákny.

Struktura takových zesilovačů je schematicky znázorněna v obr.l, kde je telekomunikační optické vlákno 1_, do kterého se přivádí přenášený signál vlnové délky X , který je vyvíjen laserovým zdro-s jem 2 signálu. Tento signál, který je po průchodu určitou délkoulinky zeslaben, se přivádí do dichroického vazebního členu 2, kdese skládá s čerpacím světlen vlnové délky X^, vyvíjeném v čerpacímlaserovém zdroji 4. Obě vlnové délky sloučené v jediném vláknu 2se potom vysílají do aktivního vlákna 6 tvořícího zesilovací prveksignálu, který, zesílen podle požadavku je nakonec zaveden do lin-kového vlákna £, kterým jde na místo určení.

Pro vytvoření aktivního vlákna 6 tvořícího zesilovací prvekjako celek, použité optické vlákno je například optické vláknovyrobené ze skla na bázi oxidu křemičitého dopovaného v roztokuAI 0 2 3 k dosažení požadovaného průběhu indexu lomu vhodného provytvoření vlnovodu, a dále dopovaného Er^O^ například typu popsa-ného ve výše zmíněné britské přihlášce vynálezu Č. 8813769, takžese dosáhne výhodného zesílení přenášeného signálu využitím lasero- vých přechodů erbiavťAlternativně je možné použít vlákno rovněždopované erbiem jako dopovací látkou laserové emise, ve kterém jako dopovací látka pro změnu indexu lomu je -7-

Jak je znázorněno v obr.2 týkajícím se vlákna výše uvedeného typu a znázorňujícího symbolicky možné energetické stavy pro jeden iont erbia v roztoku v matrici vkákna na bázi oxidu křemičitého, přivedení světelné energie do aktivního vlákna při "čerpací’* vlnové délce A nižší než je vlnová délkaAg přenášeného signálu přivedeP 3+ určitý počet iontů erbia Er přítomných jako dopující látka v ma-trici na basi oxidu křemičitého vlákna do vybuzeného energetickéhostavu 8 dále uvedeného jako "čerpací" pásmo, ze kterého ionty spon-tánně přecházejí na energetickou úroveň 2 představující úroveň la-serové emise. 3 +

Na úrovní laserové emise £ ionty Er mohou ionty zůstat poměr-ně dlouhou dobu, takže umožní vznik populační inverze v aktivnímvláknu, ve kterém ionty na vyšší laserové úrovni jsou ve většímpočtu vzhledem k iontům na základní úrovni 10. Je známo, že kdyžvlákno obsahující velké množství iontů na úrovni laserové emise do-stane signál vlnové délky odpovídající takovému laserovému přechodu,signál způsobí stimulovaný přechod těchto iontů z úrovně laserovéemise na nižší úroveň před vznikem jejich spontánníhi přechodudoprovázeného světelnou emisí na stejné vlnové délce s kaskádnímjevem vytvářejícím emisi velmi zesíleného přenosového signálu navýstupu aktivního vlákna.

Jak je znázorněno v obr.3, světelné absorpční spektrum vláknavýše popsaného typu vykazuje asi na 980 nm vrchol vysoké hodnoty:tato absorpce je sdružena s přechodem za přítomnosti světla tétovlmové délky, iontů erbia do čerpacího pásma a použití vlnové délky -8- 980 nm umožňuje převedení vysoké čerpací energie do vlákna použitépro účely zesílení.

Taková vlnová délka může být snadno vytvořena laboratornímpřístrojem, například lasery vyrobenými z titanového safíru nebos polovodičovými diodami malého výkonu, zatímco v oblasti průmysluse žádá použití laserových zdrojů vysokého výkonu a praktickéhovyužití, například komerčně dostupných tříúrovňových diodou čerpa-ných laserů z neodymia typu YAS, majících výkon nad 50 ιών a emisisvětla asi při 947 nm, nebo laserů z polovodičových diod pracujícíchmezí 900 nm a 950 nm majících výkon vyšší než 50 mW, jejichž výrobaje v souladu s náklady a spolehlivostí pro jejich použití v linko-vých zesilovačích.

Takové laserové zdroje uvedené výše mají emisní pásmo mezi900 nm a 950 nm, jak je vyzhačeno šrafovanou plochou v obr.3. Jakje patrno z tohoto obrázku, nicméně vlákno obsahující erbium jakodopovací látku má velmi nízkou hodnotu absorpce v tomto rozsahuvlnových délek, nedostatečnou pro vyvinutí žádané populační inverze vyvíjející laserový jev

Bylo uvedeno, že optické vlákna výše popsaného typu obsahující ytterbi<íi.6rb^+}jako další dopovací látku přídavně k erbiu a k dopo vací látce působící jako látka měnící index lomu (hliníkfhebo ger-maňiSmAmají absorpční křivku typu znázorněného v obr.4, ve které je velmi široká oblast vysoké absorpce uzpůsobená k obsáhnutí emis-ní pásmo zmíněných tříúrovňových laseru z neodymia:YAG nebo laserůz polovodičových diod velkého výkonu. Navíc bylo také překvapivě zjištěno, že světelná absorpce na této vlnové délce je vlivem -9- přítomnosti ytterbia sdružena s laserovou emisí na stejné vlnovédélce typické pro vlákno dopované erbiem, takže toto vlákno můžebýt použito jako aktivní prvek v optickém zesilovači. Má se za to, že ve vláknu výše popsaného druhu dopovanéhoerbiem a ytterbiem je absorpce energie ytterbiem následovaná pře-stupem energie z iontů ytterbia na ionty erbia, které tedy mohoudosáhnout úrovně laserové emise jim odpovídající a provádět žádanézesílení na vlnové délce odpovídající oné úrovni.

Na podporu tohoto výroku je třeba uvést, že při vlnových dél-kách mezi 1,5 a 1,6 ^um vlákna dopovaná pouze ytterbiem nevykazujílaserový jev a že tedy zjištěná světelná emise u popsaného vláknanemůže být přisuzována ytterbiu, nebot emitovaná vlnová délka sejeví být typickou pro erbium·

Pro pokusné účely bylo vyrobeno aktivní vlákno sestávajícíz optického vlákna na bázi oxidu křemičitého typu "step index"s těmito hmotnostními podíly dopovacích látek:

Er2O3 0,06%

Yb2O3 6,0%

Al203 8,5%

Toto vlákno mělo absorpční křivku znázorněnou v obr.4 ukazu-jící významnou absorpci světla v podstatě mezi 890 nm a 1000 nm.

Emisní spektrum samotného vlákna znázorněné v obr.6 ukázalo, v přítomnosti čerpacího zdroje o výkonu asi 80 mW a vlnové délce 930 nm, průběh podobný průběhu u křemičito-hlinitého vlákna obsa- hujícího pouze erbium. -10-

Jak je patrno z obr.6, přítomnost ytterbia ve vlákna ve skuteč-nosti příliš nezměnila emisní spektrum erbia, takže vlákno může býtpoužito pro zesílení přenášených signálů typu používaného v optickýchtelekomunikačních soustavách při dosažení stejných výsledků jako připoužití optického vlákna dopovaného pouze erbiem.

Zmíněné vlákno umožnilo konstrukci optického zesilovače podleschématu v obr.l, ve kterém aktivní vlákno má délku 5 m. Jako čer-pací laserový zdroj byl použit tříúrovňový laser Nd:YAG pracujícína 947 nm s výkonem 100 mW a komerčně dostupný. Přenášený signál byl vyvíjen polovodičovým laserem (In,Ga,As) DFB o vlnové délce 1531 nm a výkonu 1 mW. Signál přiváděný na vstupzesilovače byl zeslaben tak, že měl výkon 1 ^uW.

Za podmínek uvedených výše byl za zesilovačem ve směru přenosudosažen zisk 30 dB.

Pro účely srovnání byla stejná sestava vyzkoušena s aktivnímvláknem na bázi oxidu křemičitého typu "step index", dopovanýmAl^O^ a E^O^, obsahujícím 600 ppm hmotnosti Er^O^. Zmíněný zesilovačza přítomnosti stejných čerpacích energií na vlnové délce 947 nmpoužité v předešlém případu dával zisk nižší než 8 dB. Naopak, stejnýfiltr ukazoval významný zisk při použití čerpacího laserového zdrojepři 980 nm, který mohl být dosažen laserem typu polovodičové diodysníženého výkonu (pod 10 mW), nevhodným pro zesilování telekomuni-kačních signálů, nebo s laserem z titanového safíru vyššího výkonu,avšak velmi nákladného, takže tyto lasery nejsou vhodné pro praktic-ké použití v linkových zesilovačích. -11- V obr.5 3® diagram absorpce vlákna na bázi oxidu křemičitéhodopovaného germaniem a déle obsahujícího 0,175% hmotnosti Er^O^ a1,72% hmotnosti

Je zřejmé, že i vlákno žádaného průběhu indexu lomu dosaženéhogermaniem má stejný průběh absorpce jeko ve výše uvedeném příkladu amůže být s úspěchem použito v optickém zesilovači používajícím tří-úrovňový NdíTAG laser nebo laser z polovodičové diody pracující mezi900 a 950 nm pro provádění čerpání.

Obsah ytterbia ve vláknu podle vynálezu je s výhodou rovný nebovyšší než obsah erbia v závislosti na účinnosti přenosu energie z ytterbia na erbium podle struktury vlákna a je v rozmezí [íb2°3] 1<-=--<100. EEr2°33

Maximální obsah ytterbia ve vláknu je nižší než 5%, s výhodounež 1% hmotnosti. Vyšší hodnoty koncentrace ytterbia nemohou být prak-ticky využity v aktivním vláknu pro zesilovače s optickým vláknem,protože by způsobyly vznik alteračních jevů s ohledem na propagacisvětla ve vláknu a navíc by snížily zesilovací účinek vlákna, to jezisk každé jednotky čerpscí energie na nepřijatelné hodnoty jakovýsledek zvýšení dalších energetických přechodů nereaktivního typu.

Lopovací látky mohou být do vlánna zavedeny například technikou v dopování roztokem, která je v oboru dobře známa a zajištuje uspoko-jivé kvalitativní výsledky, nebo jinými známými technikami v závis-losti na požadavcích.

Do vlákna mohou být zavedeny i jiné dopovací látky v rámci vyná- lezu k dosažení zvláštních vlastností pro zvláštní použití.

Je zřejmé, že mohou být provedeny rozličné obměny, aniž by se vybočilo z rámce myšlenky vynálezu.

Claims (2)

1 -12- PATENTOVÍ Ν Z R Ο Κ Υ

1. Optické vlákno, zejména pro zesilovače s optickým vláknem praoptické telekomunikační linky, obsahující erbium a ytterbium veformě trojmocného kationtu jako dopovací látky laserové emise amající dopovací látku jako měnič indexu lomu uzpůsobený k zajiš-tění vlnovodného účinku, k napájení čerpacím světelným zdrojempředem určené vlnové délky pro vyvíjení laserové emise, přičemžkoncentrace ytterbia (Yb) ve vláknu ke koncentraci erbia (Er)lvyjádřena jako procentní podíl hmotností obsažených oxidů je , LIb2°33 i á ž 100 lEr2O3J vyznačující se,jt£m, že koncentrace ytterbia (Yb) vzhledem k cel-kové hmotnost$rvTSkna je menší než 1%O 2# Optické vlákno podle bodu 1, vyznačující se tím, že dopovacílátkeschopnaměnit index lomu je germanium (Ge).

3. Optické vlákno podle bodu 1, vyznačující se tím, že dopovacílétkťf^schopnénměnit index lomu je hliník (AI)._ Optický zesilovač, zejména pro telekomunikační linkys optic-kýnNQáknem, obsahující aktivní optické vlákno^a-íaserovou emisíydopovaháerbiem a ytterbiem ve formě trojmocného kationtu a svě-telný čerp&amp;cí laserový zdroj pracu jípfna předem určené vlnovédélce, jako tříúrovňový diodový^čérpací laser z neodymia typuYAG nebo laser z pujovodičoyéaiody pracující mezi 900 a 950 přičemž koncentrace olnosti oxidů obsažei 1 á feného erbia vyjádřená v procentech hmjí^vláknu je

O2o33 vyznačující se tím, že obsahuje aktivníáu I»

tické vlákno podle