CS9100124A2 - Optical power amplifier - Google Patents

Description

-1-

Oblast techniky

Vynález se týká optického výkonového zesilovače obsahující-ho aktivní dopované vlákno obsahující dopovací látku modifikují-cí index lomu a erbium jako flourescenční dopovací látku, napá-jeného z čerpacího laseru přes relativní dichroický vazební člena připojeného k telekomunikační lince s optickým vláknem, který-žto zesilovač je uzpůsoben k činnosti y podmínkách nasycení prostimulovaný výstup flourescenční dopovací látky.

Dosavadní stav techniky

Pro přenos signálu telekomunikační linkou s optickým vlák-nem na dlouhé vzdálenosti je nutné, aby-signál dospěl do přijí-mací stanice s dostatečnou úrovní k umožnění rozlišení a užití.Protože při přenosu v optickém vláknu dochází k útlumu světelné-ho -signálu, musí signál zavedený do vlákna na začátku mít pokudmožno nejvyšší úroveň, aby v přijímací stanici vzdálené desítkynebo stovky kilometrů byl získán signál dostatečné úrovně.

Lasery používané k vyvíjení vysílacího signálu mají však dojisté míry omezený výkon, ne vyšší než několik mW, zatímco lase-ry vyšších výkonů nejsou schopny vyvíjet takové signály. Je tedynutno použít výkonových zesilovačů k získání signálu vyvíjenéholaserem a jeho zesílení na požadovanou úroveň.

Je známo, že optické vlákna mající jádro dopované zvláštní-mi látkami, například ionty vzácných zemin, mají stimulované vý-stupní charakteristiky vhodné k použití jako optické zesilovače.

Tato vlákna mohou být napájena zdrojem světla, který se na-zývá "čerpací zdroj", na určité vlnové délce, odpovídající vr-cholu absorpčního spektra dopovací látky, která má schopnostuvést atomy dopovací látky do vybuzeného energetického stavu čičerpacího pásma, ze kterého tyto atomy přecházejí spontánněve velmi krátkém, čase do stavu laserového výstupu, ve kterém zů-stávají po poměrně dlouhou dobu.

Když vlákno mající vysoký počet atomů ve vybuzeném stavu naemisní úrovni je zatíženo světelným signálem o vlnové délce od-povídající takovému stavu laserové emise, signál způsobí přechodvybuzených atomů na nižší úroveň s emisí světla o vlnové délcestejné jako má signál. Vlákno tohoto druhu může tedy být použitok získání zesílení optického signálu. -2-

Jsou známy optické zesilovače využívající erbium jako dopo-vací látku laserové emise při využití fluorescence erbia kolem1550 nm pro zesílení signálu v takovém rozmezí, ve kterém jsounejlepSí přenosové charakteristiky vlákna telekomunikační linkyz hlediska útlumu signálu. Výkonové optické zesilovače používající vlákna dopovaná er-biem byla popsána v pojednání “Proceeding ECOC (European Confe-rence on Optical Communication) 1989", str.42-43. Toto pojednánípopisuje výkonový zesilovač používající vláken z oxidu křemičité-ho dopovaného germaniem a erbiem, čerpaných laserem typu Nd-YAGs kmitočtem zdvojeným na 532 nm.

Takovýto zesilovač má však velmi nízkou účinnost zesílení,definovanou jako poměr mezi výkonem přenášeného signálu na-výstu-pu a přiváděným čerpacím výkonem, a sice nižší než 20%, což jehodnota velmi vzdálená od maximál^_^eg^|^g]^é účinnosti. Z britské přihlášky vynálezu^ —^jsou známa vlákna typu Al/Er, ve kterých dopovací látka používané k získání průbě-hu indexu lomu vhodného pro vedení světla je ^Al^O^j, Vlákna jsouvhodná pro optické zesilovače čerpané na vlnové délce 514,5 nm,například argonovým laserem.

Podle zmíněné přihlášky vynálezu jsou vlákna Al/Er výhod-nější než tradiční vlákna Ge/Er při čerpání na vlnové délce 514,5 nm, protože zamezují absorpční jevy ve vybuzeném stavu,které vznikají ve vláknech Ge/Er při této vlnové délce. K získání vysoké účinnosti zesílení je na druhé straně vý-hodné použít poměrně vysoké čerpací vlnové délky, zejména jevýhodné vlnová délka 980 nm, protože účinnost zesílení výkono-vého zesilovače je v podstatě úměrná čerpací vlnové délce.

Podstata vynálezu tfkolem vynálezu je vytvořit výkonový optický zesilovač, kte-rý má vysokou účinnost zesílení při poměrně vysokých čerpacíchvlnových délkách podstatně vyšších než 520 nm.

Vynález řeší úkol tím, že vytváří optický výkonový zesilo-vač obsahující aktivní dopované vlákno obsahující dopovací látkumodifikující index lomu a erbium jako fluorescenční dopovací lát-ku, napájený z čerpacího laseru přes relativní dichroický vazeb-ní člen a připojený k telekomunikační lince s optickým vláknem,kterýžto zesilovač je uzpůsoben k činnosti v podmínkách nasycení -3- pro stimulovaný výstup fluorescenční dopovací látky, jehož pod-stata spočívá v tom, že dopovací látka modifikující index lomuje oxid hlinitý(AlgO J.

Vlnová délka čerpaeího laseru připojeného k aktivnímuvláknu je podstatně vyšší než 520 nm, s výhodou rovna 980 nm.

Koncentrace erbia'<ve~vláknu vyjádřená jako hmotnosT^r^O^j jje rovna od 30 do 2000 ppm, s výhodou od 30 do 1000 ppm.

Aktivní vlákno může být monomodální na vlnové délce přená-šeného signálu, ne však na čerpací vlnové délce, aby byl vysokýčerpací výkon uvnitř celého úseku téhož vlákna.

Alternativní může být aktivní vlákno monomodální na vlnovédélce přenášeného signálu i na čerpací vlnové délce za účelemsnížení spojovacích ztrát s dichroickým vazebním členem čerpací-ho laseru.

Ve výhodném provedení mé optický výkonový zesilovač podlepředloženého vynálezu dva čerpací lasery připojené ke dvěma kon-cům aktivního vlákna přes příslušné dichroické vazební členy,orientované se vstupním směrem světelného výkonu vysílaného čer-pacím laserem směrovaným k témuž aktivnímu vláknu. Přehled obrázků na výkresech

Vynález je znázorněn na výkresech, kde obr.l znázorňujeschéma optické telekomunikační linky s výkonovým zesilovačem,obr.2 znázorňuje schéma optického výkonového zesilovače použí-vajícího aktivní vlákno, obr.3 znázorňuje diagram energetickýchpřechodů vlákna pro zesilovač podle obr.2 vhodný pro vyvíjení*stimulovaného laserového výstupu, obr.4 znázorňuje závislost vý-stupního výkonu na čerpacím výkonu ve výkonovém zesilovači pou-žívajícím aktivní vlákno podle vynálezu, obr.5 znázorňuje závis-lost výstupního výkonu na čerpacím výkonu ve výkonovém zesilova-či používajícím aktivní vlákno typu Ge/Er a obr.6 znázorňujefluorescenční spektra vlákna podle vynálezu a vlékna typu Ge/Er. Příklady provedení vynálezu

Telekomunikační linka s optickými vlákny schematicky zná- zorněná v obr.l obecně obsahuje vysílač 1 pro vysílání přenáše- ných signálů, linku 2 s optickým vláknem vhodnou pro přenos do ní zavedených signálů na dlouhé vzdálenosti a přijímač 2, do kte- rého signály přicházejí. -4-

Za účelem zavedení do telekomunikační linky 2 s optickýmivlákny optických signálů, které mají počáteční úroveň výkonu do-statečně vysokou, aby jim umožnila dosáhnout přijímače 2 umístě-ného desítky nebo stovky kilometrů daleko od vysílače 1 majícíhopřijatelnou úroveň výkonu pro citlivost přijímacích přístrojů,nehledě na nevyhnutelný útlum způsobený dlouhou dráhou ve vlák-nu, optické signály, které jsou vyvíjeny laserem ve vysílači 1,se obvykle zesilují výkonovým zesilovačem 4·

Použitelné lasery pro vyvíjení přenášených signálů, pracují-cí na vlnové délce, na které jsou přenosové charakteristiky vlák-na nejlepší, to znamená v oblasti tak zvaného třetího okna kolem1500 až 1600 nm, jsou polovodičové lasery, modulovatelné a s dob-rou spektrální charakteristikou, tyto lasery však mají poněkudnízkou úroveň výstupního signálu nepřesahující asi 3 dBm při vý-konu 5 mW. Z tohoto důvodu signál, který vyvíjejí, by měl předzavedením do linky být zesílen na vyšší úroveň například 15-20dBm.

Pro optické zesílení signálů, které mají být zavedeny do lin-ky s optickými vlákny pro telekomunikace se používají výkonové ze-silovače s optickými vlákny.

Struktura zesiloveče s optickým vláknem je schematicky zná-zorněna v obr.2. Přenášený signál o vlnové délce Ae se vede k di- s chroickému vazebnímu členu 2, kde se spojuje na jediném výstup-ním vláknu 6 s čerpacím signálem o vlnové délce λ vyvíjeným čer-pacím laserem 2· Aktivní vlákno 8 vhodné délky připojené k vý-stupnímu vláknu 6 dichroického vazebního členu 2 tvoří zesilo-vač signálu, který je zaveden do telekomunikační linky 2. a dálek místu určení.

Optický zesilovač popsantó^typu obecně používá aktivní op-tické vlákno 8 z oxidu křemiÁtétícl^opoMs^fergO^ které umožňujezískat zesílení přenášeného signálu využitím stimulovaných pře-chodů erbia.

Jak ukazuje diagram v obr.3 .zr^nrňující symbolicky dosaži-telný energetický stav iontu erbia<V"roztoku v matrici oxidu kře-mičitéhovláknu, zavede-li se do aktivního vlákna^světelný vý-kon o čerpací vlnové délce λ nižší než je vlnová délka V přená- P s šeného signálu, převede se určitý počet iontŮ)(Er j přítomných ja-ko dopovací látka ve skleněné matrici vlákna do vybuzeného ener-getického stavu £ nebo do "čerpacího pásma", ze kterého ionty pře-cházejí spontánně na energetickou úroveň 10 tvořící úroveň lasero-vé emise. ι·»ΛΧ*ί6ϋ. -5- 3+)

Na úrovni 10 výstupu leseru mohou iontyi(Er y zůstat poměr-ně dlouho než spontánně přejdou na základní úroveň 11.

Jak je známo, zatímco přechod z pásma £ na úrověň 10 je spo-jen s tepelným výstupem, který je rozptýlen do okolí vlékna, pře-chod z úrovně 10 na základní úroveň 11 vyvíjí světelnou emisisestávající z fotonu o vlnové délce odpovídající hodnotě energieúrovně 10 laserové emise. Když vlákno obsahující velký počet ion-tů na úrovni laserové emise je zatíženo signálem o vlnové délceodpovídající této úrovni emise, signál způsobí stimulovaný pře-chod těchto iontů z úrovně emise na základní úroveň, před jejichspontánním přechodem sdruženým s odpovídajícím výstupem fotonůve fázi s fotony signálu, což dává vznik "vodopádovému jevu",který na výstupu aktivního vlákna£vytváří emisi silně zesílenéhopřenášeného signálu.

Za přítomnosti signálů ve vstupu do aktivního vlékna-s níz-kou úrovní výkonu, například signálu, který byl utlumen kdyžprošel velkou vzdálenost uvnitř optického vlákna, a za podmíneknízkých výstupních výkonů je světelný výkon PQ přenášeného sig-nálu o vlnové délce λ ve výstupu aktivního vláknafúměrný výkonuP^ téhož signálu ve vstupu vlákna a konstanta úměrnosti mezi nimije definována jako zisk G zesílení, podle vztahu Pu=G P^.

Takové pracovní podmínky jsou typické u liniových zesilovačůumístěných podél optického vlákna telekomunikační linký^k obno-vení signálu utlumeného po určité dráze ve vláknu na dostatečnouúroveň.

Za přítomnosti vstupního signálu vysokého výkonu a s vyso-kým výstupním výkonem podstatně větším než 5% zavedeného čerpa-cího výkonu pracuje optický zesilovač v podmínkách nasycení a dá-vá výstupní výkon, který prakticky již nezávisí na vstupním vý-konu, nýbrž pouze na čerpacím výkonu. Za přítomnosti velkého poč-tu fotonů uvnitř aktivního vlákna/je kapacita vlákna emitovat no-vé fotony vlivem stimulovaných přechodů úrovní 10 laserové emiseomezena možností, související se zavedeným čerpacím výkonem, do-dat dostatečný počet iontů erbia na úrovni 1£ laserové emise anezávisí na počtu fotonů vstupního signálu, to je na vstupním vý-konu do vlákna.

Takové podmínky činnosti jsou typické pro výkonové zesilova-če a pro ně máme vztah P^= K P , kde P^ je výstupní výkon, P^ jevstupní výkon a K je konstanta odpovídající účinnosti zesilovače. -6-

Maximální účinnost zesilovače je teoretický účinnost odpoví-dající situaci, ve které pro každý foton přivedený do vlékna přičerpací vlnové délce λρ, který způsobí přechod iontu dopovacílátky ze základní úrovně 11 na úroveň 10 laserové emise, se ode-hraje emise fotonu za přítomnosti signálu na přenosové vlnovédélce λ · Takové podmínky odpovídají účinnosti zesílení, která senazývá "kvantové účinnost'·, to je účinnost rovná poměru energiefotonu na výstupu a energie fotonu na vstupu nebo poměru vlnovédélky vstupního fotonu, což je čerpací foton, a vlnové délky vý-stupního fotonu, což je přenosový foton: Ε^ -Ap/Ag. V případě vlnové délky přenášeného signálu 1550 nm a čerpa-cí vlnové délky 980 nm je kvantová účinnost rovna asi 63%, to je98ΟΛ55Ο. K získání vysoké účinnosti zesílení je tedy nutné pracovatpři odpovídajících podmínkách, s vysokou kvantovou účinností připoužití poměrně vysokých čerpacích vlnových délek a dále přiblí-žit se co nejvíce ke kvantové účinnosti.

Použití nízkých čerpacích vlnových délek podstatně nižšíchnež 520 nm dává velmi nízkou kvantovou účinnost, nižší než 33% avelmi nízkou účinnost zesílení, a to i v příznivějším případěpři použití zesilovačů majících účinnost rovnou kvantové účinností. pa bylo popsaného zjištěno, že aktivní vlákna^ z oxidu křemidopovanáZ’

Pro vytvoření výkonového zesilovače vý^ k získání žádaného průběhu indexu lomu a obsahující erbiugudakodopovací látku s laserovou emisí dávají velmi vysokou účinnostblízkou kvantové iiMinnosti výše popsané v souhlase s čerpací vl-novou délkou vyšší než 520 nm a zejména v souvislosti s absorpč-ním vrcholem erbia při 980 nm. Výše popsané vlákna se získají technikou dopování v roztoku z v oboru dobře známou, při které základní ^opovací látka to je^Al^O^) a fluorescenční dopovací látka, to je^r^+Jzse zavádějí dojádra vlákna ponořením do vodného roztoku obsahujícího příslušnésoli, přičemž trubkovitý předtvar má jednu vnitřní sinterovanouvrstvu, která se potom roztaví a smrští při vytažení vlákna z ní.

Popis takového druhu vláken a příslušného způsobu výroby jepopsán v britské přihlášce vynálezu č. 8813769.

Prc^vyt^řejií výkonových zesilovačů podle předloženého vyná-lezu ^vlákna dopc^Wn^A^O,^ obsahují podíl erbia vyjádřený jako -7- koncentrace ve hmotnosti/íEr2Oj od 30 do 2000 ppm, s výhodou .od JO do. 1000 ppm. Obsah dopovací látky modifikující index lo-gjrtx JíZMi-tyt' t, mi,to S Průběh indexu lomu ve vláknu v radiálním směru lze zvolit podle specifických požadavků využití a tytohodnoty nejsou podmínkami pro účely předloženého vynálezu.

Zvláště numerický otvor a průměr modu vlákna se výhodně zvo-lí tak^ aby vyhovovaly vazbě s malou ztrátou s vláknem linky, za-tímco obsah erbia/ájeho radiální rozdělení ve vláknu mohou býtzvoleny v souvislosti s délkou zvoleného aktivního vláknaj^vstup-ním výkonem apod. podle známých kriterií.

Aktivní vlákno-je monomodální na přenosové vlnové délce. Ne-musí být monomodální na čerpací vlnové délce pro účel souhlasuvstupu do vlákna většího možného množství čerpacího výkonu rozdě-leného v celém úseku. Použití vlákna monomodálního na čerpací vl-nové délce Ap může být výhodné pro zjednodušení a omezení spojo-vacích ztrát vlákna s dichroickým vazebním členem £. S takovými vlákny je možné vytvořit výkonový zesilovač po-dle schématu znázorněného v obr.2 a popsaný výše. Za účelem za-chování vysoké hodnoty čerpacího výkonu pro celou délku aktiv-ního vlákna 8 a pro zvýšení celkového čerpacího výkonu zavedené-ho do vlákna je obvykle možné uspořádat druhý čerpací laser 12 ve směru přenosu za aktivním vláknem A, s,relativním dichroickým1 akiinifa&amp;z' λ vazebním členem 13 orientovaným k témužrvióknutf. v ' 4£~

To umožňuje zejména použít čerpací laser"nepříliš vysokéhovýkonu za účelem zamezení významného útlumu signálu, zatímco sepřivádí všechna nutná energie do. aktivního vlákna/^.

Použití vlákna "dopovanénoY^Α^θ^) J čerpaného na 980 nm *5 nm umožnilo získat velmi vysokou účinnost zesílení, blízkouvýše uvedené kvantové účinnosti a vyšší než 60% takové hodnoty.Tradiční vlákna dopovaná germaniem naproti tomu měla velmi níz-kou účinnost, nižší než 30% kvantové účinnosti. v

Obr.4 znázorňuje závislost výstupního výkonu Pu na čerpa-cím výkonu Pp pro zesilovač vytvořený použitím vlékna podle vy-nálezu typu Al/Er. Vlákno mělo tyto charakteristiky:

Numerický otvor 0,16

Obsah erbia ve hmotnosti (e^OJ 350 ppmVlnová délka cut-off cut.Off 930 1110Průměr pole modu při 1536 nm 8,14/um

Na vstupu zesilovače byl výkon přenášeného signálu o vlnové i

SijňiiÍiiůb&amp;t : • )i :). '\·:Ά $·<:.Ί/ιλ'Λ· ·/ -:,·.'i· —8— délce λ = 1536 nm P, = -2 dBm. Čerpací vlnové délka byla. s x λ = 980 nm a aktivní vlákno mělo délku 3,7 m.

Za těchto podmínek byla získána účinnost zesílení v podsta-tě rovná kvantové účinnosti·

Pro srovnání znázorňuje obr·5 závislost výstupního výkonuPQ na čerpacím výkonu P pro zesilovač vytvořený s použitím tra-dičního vlákna typu Ge/Er. Vlákno mělo tyto charakteristiky:Numerický otvor 0,21

Obsah erbia ve hmotnosti ÍErgO^) PP®

Vlnová délka cut-off 980 nm

Průměr pole modu při 1536 nm 5,82^um

Na vstupu zesilovače byl výkon přenášeného signálu o vlnové délce λ =· 1536 nm P. = 0 dBm. Čerpací vlnová délka byla λ δ x , - 980 nm a aktivní vlákno mělo délku 4 m. p Získaná účinnost zesílení byla v tomto případě 16%, to jeasi 25% kvantové účinnosti·

Ze srovnání obou diagramů vyplývá, že vlákno typu Al/Ermá lepší vlastnosti než vlákno typu Ge/Er.

Průmyslové využitelnost

Vlákno typu Al/Er dává fluorescenční spektrum širší nežodpovídající vlákno typu Ge/Er, jak plyne ze křivek A a G v obr· 6. Taková aktivní vlákna jsou tedy zdrojem většího šumu ve srov-nání s vlákny typu Ge/Er, následkem spontánního útlumu iontů er-bia při vlnových délkách odlišných od vlnových délek signáluv případě jejich použití jako liniových zesilovačů, to je přinízkém výstupním výkonu ve srovnání s čerpacím výkonem. Při použití jako výkonových zesilovačů bylo však zjištěno,že vlékna typu Al/Er nedávají významný výstupní šum ve srovnánís vlákny typu Ge/Er. Soudí se, že je to způsobeno tím, že podmín-ka nasycení popsaná výše, při které zesilovač pracuje, způsobuje,že ve vláknech typu Al/Er v podstatě všechny ionty erbia uvedenéna úroveň laserové emise přejdou na základní úroveň působenímfotonu signálu, jak dokazuje účinnost zesílení velmi blízkákvantové účinnosti zjištěné u takovýwi vláken, takže praktickyu žádných iontů nedochází ke spontánnímu přechodu působícím šum,který navíc je zanedbatelný ve všech případech dané úrovně vý-stupního výkonu signálu. -9-

Bozšíření fluorescenčního spektra vlákna má dále výhodu, Žeumožňuje větší volnost při volbě vlnové délky přenášeného signá-lu, což například dovoluje přijmout širší výrobní odchylky lase-ru vysílajícího signál.

Ukázalo se tudíž, že vlákna podle předloženého vynálezu jsouzvláště výhodná pro použití v optických zesilovačích s výkonovým,vláknem, nebot dávají účinnost zesílení podstatně vyšší nežyžnámávlákna. J^sřejmé, že lze provést řadu obměn, aniž by se vybočiloz rámceV^ílenky vynálezu.

Claims (7)

1. ΡανεΙ^β^Ίγ tn^~ - PATENTOVÍ NÁROKY

   1. Optický výkonový zesilovač obsahující aktivní dopované vláknoobsahující dopovací látku modifikující index lomu ajěrbium]jakofluorescenční dopovací látkuy^napájený z čerpacího laseru přesrelativní dichroický vazební člen a připojený k telekomunikačnílince s optickým vláknem, kterýžto zesilovač je uzpůsoben k čin-nosti v podmínkách nasycení pro stimulovaný výstup fluorescenčnídopovací látky, vyznačující se tím, že dopovací látka modifiku-jící index lomu je oxid hlinitý(Al^O^ý
2. 2. Optický výkonový zesilovač bodu 1, vyznačující se tím, že vlnová délka čerpacího laseru'/připojeného k aktivnímu vláknu^je vyšší než 520 nm.
3. 3. Optický výkonový zesilovač poďb? bodu 1, vyznačující se tím, že vlnová délka čerpacího laserď/připojeného k aktivnímu vláknu^?je 980 nm.
4. 4. Optický výkonový zesilovač,,podle bodu 1, vyznačující se tím, ía\ že koncentrace erbijjyve zmíněnémVvláknmyyjádřená ve hmotnostiMEr^O^nje mezi 30 a 2000 ppm. >7~0ptický výkonový zesilovač podle bodu 3, vyznačující se tím,že koncentrace er bí á V^e~vl ákntyAy jádřenáv e hmotnostiUEr?O„y jemezi 30 a 1000 ppm. X
5. 6. Optický výkonový zesilovač podle bodu 1, vyznačující se tím,že aktivní vlákno (8) je monomodální na vlnové délce přenášené-ho signálu, ne však na vlnové délce čerpací.
6. 7. Optický výkonový zesilovač podle bodu 1, vyznačující se tím,že aktivní vlákno (8) je monomodální na vlnové délce přenášené-ho signálu i na čerpací vlnové délce.
7. 8. Optický výkonový zesilovač podle bodu 1, vyznačující se tím,že obsahuje dva čerpací lasery (7,12) připojené k oběma koncůmaktivního vlákna (8) přes příslušné dichroické vazební členy(5,13) orientované se vstupním směrem světelného výkonu vysíla- ' i > o« o ra x· j v, - ZZ>