PL165200B1 - Szerokopasmowy wzmacniacz optyczny sygnalu PL PL PL PL PL PL PL - Google Patents

Abstract

1. Szerokopasmowy wzmacniacz optyczny sygnalu, zwlaszcza dla swiatlowodowych linii tele- komunikacyjnych transmitujacych sygnal o okres- lonym pasmie fal, zawierajacych dichroiczny sprze- gacz, multipleksujacy przesylany sygnal oraz swietlna energie pompujaca w jednym wyjsciowym wlóknie, a takze aktywne wlókno z fluoroscencyjna substancja domieszkujaca, które jest dolaczone do wyjsciowego wlókna dichronicznego sprzegacza oraz do wlókna linii telekomunikacyjnej, odbiera- jace i transmitujace wzmocniony sygnal, znamienny tym, ze aktywne wlókno optyczne (6) zawiera odcinki (11) utworzone przez wlókno optyczne o dwóch rdzeniach (12,13), z których pierwszy rdzen (12) jest polaczony optycznie z rdzeniem (16) pozo- stalych odcinków aktywnego wlókna (6), a drugi rdzen (13) jest uciety na koncach, przy czym obydwa rdzenie (12,13) odcinków wlókna (11) sa ze soba optycznie sprzezone w pasmie lezacym w zakresie dlugosci fal emisji laserowej pierwszego rdzenia (12), róznym od pasma przesylanego sygnalu. Fig .4 PL PL PL PL PL PL PL

Description

Przedmiotem wynalazku jest szerokopasmowy wzmacniacz optyczny sygnału, a zwłaszcza światłowód zawierający substancje domieszkujące dla emisji laserowej, powodujące wzmacnianie przesyłanego sygnału oraz eliminację promieniowania o niepożądanych długościach fal, wytwarzanego w światłowodzie w wyniku emisji spontanicznej.

Wiadomo, że światłowody z rdzeniem domieszkowanym określonymi substancjami, na przykład jonami metali ziem rzadkich, charakteryzują się występowaniem emisji wymuszonej, co czyni je użytecznymi jako źródła promieniowania laserowego oraz jako wzmacniacze optyczne. Tego rodzaju światłowody mogą być dostarczane wraz ze źródłem promieniowania o określonej długości fali, wprowadzającym atomy substancji domieszkującej w stan wzbudzania energetycznego, z którego przechodzą one spontanicznie, w bardzo krótkim okresie czasu, do stanu emisji laserowej, w którym pozostają przez czas stosunkowo długi.

Gdy przez światłowód zawierający dużą liczbę atomów znajdujących się w stanie wzbudzonym na poziomie emisyjnym jest przepuszczany sygnał świetlny o długości fali odpowiadającej takiemu stanowi emisji laserowej, to sygnał ten powoduje przejście wzbudzonych atomów na niższy poziom energetyczny, co jest połączone z emisją promieniowania o długości fali równej długości fali sygnału. Tego rodzaju światłowód może służyć więc do wzmacniania sygnału optycznego.

Przechodzenie atomów ze stanu wzbudzonego na niższy poziom energetyczny odbywa się również w sposób spontaniczny. Powoduje to emisję przypadkową, która nosi charakter szumu założonego na emisję wymuszoną przez wzmacniany sygnał.

Emisja promieniowania powstającego w wyniku wprowadzenia promienistej energii pompującej do domieszkowanego, czyli aktywnego światłowodu, może odbywać się na kilku długościach fal, typowych dla substancji domieszkującej. Powstaje wtedy widmo fluorescencyjne światłowodu.

W celu uzyskania maksymalnego wzmocnienia sygnału w światłowodzie omawianego typu, przy zachowaniu wysokiego stosunku sygnału do szumu wymaganego w telekomunikacji optycznej, stosuje się zwykle sygnał generowany przez laser o długości fali odpowiadającej wartości szczytowej krzywej widma fluorescencyjnego światłowodu z substancją domieszkującą.

Do wzmacniania sygnałów stosowanych w telekomunikacji optycznej stosuje się korzystnie światłowody aktywne z rdzeniem domieszkowanym jonami erbu (Er3+). Widmo fluorescencyjne erbu w zakresie interesujących długości fal ma jednak bardzo wąski szczyt emisyjny, który wymaga stosowania, jako źródła nadawanego sygnału, lasera pracującego na określonej długości fali, z małą jej tolerancją. Sygnały położone poza tym zakresem tolerancji nie będą wtedy wystarczająco wzmacniane, a na długości fali, która odpowiada maksymalnemu promieniowaniu, wystąpi silna emisja spontaniczna powodując szum, znacznie obniżający jakość transmisji.

164 200

Wytwarzanie laserów pracujących na częstotliwości odpowiadającej szczytowi emisyjnemu erbu jest trudne i kosztowne. Przemysł oferuje za to lasery półprzewodnikowe (InGaAs), których charakterystyki czynią je nadającymi się do stosowania w telekomunikacji, lecz tolerancja długości fali emitowanego promieniowania jest dość duża. Tylko niewielka liczba laserów tego rodzaju charakteryzuje się emisją na długości fali szczytu emisyjnego erbu.

W niektórych zastosowaniach, na przykład w telekomunikacyjnych kablach podmorskich, można zaakceptować zastosowanie emiterów sygnału pracujących na określonej długości fali. Wystarczy jedynie dokonać dokładnej selekcji laserów dostępnych w handlu, wybierając tylko te, których emisja leży w wąskim paśmie szczytu emisyjnego światłowodu aktywnego. Tego rodzaju proces nie może być jednak zaakceptowany w liniach, stosowanych do telekomunikacji miejskiej, gdzie szczególne znaczenie ma koszt instalacji linii.

Przykładowo, światłowód domieszkowany erbem ma szczyt emisji położony około 1536 nm. Intensywność emisji jest wysoka w granicach 5 nm od tej wartości i można je wykorzystać do wzmacniania sygnałów położonych w tym zakresie. Tymczasem, produkowane przemysłowo lasery dla systemów transmisyjnych mają zwykle długości fali emitowanego promieniowania w zakresie 1520 do 1570 nm. Wynika stąd, że znaczna liczba przemysłowo produkowanych laserów tego typu emituje poza zakresem fal wzmacnianych przez erb i nie nadaje się do stosowania do generacji sygnałów w liniach, wyposażonych we wspomniane światłowody aktywne domieszkowane erbem.

Wiadomo jednak, że dla światłowodów domieszkowanych erbem występuje strefa widma emisyjnego o wysokiej intensywności, która praktycznie jest wielkością stałą w zakresie szczytowej emisji. Zakres ten jest wystarczająco szeroki, aby zmieścić znaczną część zakresu emisyjnego wyżej wspomnianych laserów dostępnych w handlu. Jednak w światłowodzie tego typu, sygnał o długości fali odległej od długości fali maksimum emisji, będzie wzmacniany w sposób ograniczony, a spontaniczne przejście, występujące głównie na długości fali maksimum emisji, czyli na 1536 nm, będą powodowały szum. Szum ten, przemieszczając się wraz z sygnałem wzdłuż światłowodu, będzie dalej wzmacniany, nakładając się na sygnał użyteczny.

Użycie światłowodów aktywnych domieszkowanych erbem do wzmacniania sygnałów telekomunikacyjnych wytwarzanych przez dostępne w handlu lasery półprzewodnikowe wymaga więc filtracji emisji spontanicznego szczytu emisji dla erbu tak, aby emisja ta nie przejmowała energii pompującej przeznaczonej dla wzmacniania sygnału i nie nakładała się na sygnał użyteczny. Stosowany do tego celu światłowód aktywny jest wyposażony w dwa rdzenie. Przezjeden z nich jest przesyłany nadawany sygnał oraz energia pompująca, w drugim znajduje się domieszka absorbująca światło. Gdy oba rdzenie są sprzężone optycznie dla długości fali wartości szczytowej emisji spontanicznej, zostaje ona przeniesiona do drugiego rdzenia, gdzie ulega absorpcji bez nakładania się na przesyłany sygnał. Tego rodzaju światłowód aktywny, opisany we włoskim zgłoszeniu patentowym nr 22 654 A/89, zapewnia skuteczną filtrację niepożądanej długości fal. W pewnych jednak zastosowaniach, gdzie światłowód podlega naprężeniom mechanicznym lub termicznym, a zwłaszcza skręcaniu, może w nim wystąpić zmiana charakterystyk sprzężenia optycznego między rdzeniami, powodująca zmianę długości fali przenoszonej do drugiego rdzenia.

Istnieje więc potrzeba opracowania światłowodu aktywnego przeznaczonego dla wzmacniaczy optycznych, mogącego współpracować z dostępnymi w handlu laserami emitującymi sygnały przesyłane światłowodami, lecz bez stawiania im dużych wymagań jakościowych, który nie byłby czuły na wpływ naprężeń spowodowanych przez deformację występujące zarówno podczas układania i eksploatacji wzmacniacza w linii transmisyjnej.

Celem wynalazku jest opracowanie domieszkowanego optycznego wzmacnicza światłowodowego zapewniającego wystarczające wzmocnienie w dostatecznie szerokim paśmie, z możliwością stosowania dostępnych w handlu laserów, eliminującego emisje spontaniczne materiału na niepożądanych częstotliwościach, które tworzą szum tła o wysokim poziomie względem poziomu przesyłanego sygnału, oraz utrzymującego te charakterystyki na stałym poziomie podczas eksploatacji.

Szerokopasmowy wzmacniacz optyczny sygnału, zwłaszcza dla światłowodowych linii telekomunikacyjnych transmitujących sygnał o określonym paśmie fal według wynalazku, zawiera

165 200 dichroiczny sprzęgacz, multipleksujący przesyłany sygnał oraz świetlną energię pompującą w jednym wyjściowym włóknie, a także aktywne włókno z fluorescencyjną substancją domieszkującą, które jest dołączone do wyjściowego włókna dichroicznego sprzęgacza oraz do włókna linii telekomunikacyjnej, odbierające i transmitujące wzmocniony sygnał. Wzmacniacz charakteryzuje się tym, że aktywne włókno optyczne zawiera odcinki utworzone przez włókno optyczne o dwóch rdzeniach, z których pierwszy rdzeń jest połączony optycznie z rdzeniem pozostałych odcinków aktywnego włókna, a drugi rdzeń jest ucięty na końcach. Obydwa rdzenie odcinków włókna dwurdzeniowego są ze sobą optycznie sprzężone w paśmie leżącym w zakresie długości fal emisji laserowej pierwszego rdzenia, różnym od pasma przesyłanego sygnału.

Drugi rdzeń odcinków włókna dwurdzeniowego, który wchodzi w skład aktywnego włókna optycznego, zawiera domieszkę o wysokiej absorpcji światła emitowanego przez domieszkę zawartą we włóknie aktywnym, w wyniku emisji laserowej. Zawarta w drugim rdzeniu domieszka o wysokiej absorpcji światła jest korzystnie taką samą substancją, która zawarta jest w aktywnym włóknie wzmacniacza.

W korzystnym rozwiązaniu wzmacniacza pierwszy rdzeń każdego z odcinków włókna dwurdzeniowego zawiera domieszkę fluorescencyjną. Fluorescencyjną substancją domieszkującą włókna aktywnego, przynajmniej w odcinkach jednordzeniowych jest erb.

Domieszka w drugim rdzeniu posiada wysoką absorpcję światła w całym widmie i jest jedną z substancji wybranych wśród następujących: tytan, wanad, chrom lub żelazo, występujących przynajmniej częściowo, w niskim stanie walencyjnym.

Długości każdego z odcinków włókna dwurdzeniowego jest równa lub większa od odległości zdudniania między rdzeniami sprzężonymi ze sobą w wybranym paśmie sprzężenia.

Zawartość domieszki o wysokiej absorpcji światła znajdującej się w drugim rdzeniu oraz charakterystyki sprzężenia rdzeni włókna są skorelowane i określają w drugim rdzeniu drogę wygaszania mniejszą od 1/10 odległości zdudniania między sprzężonymi ze sobą rdzeniami.

W korzystnym rozwiązaniu wzmacniacza długość każdego z odcinków włókna dwurdzeniowego jest równa całkowitej wielokrotności jednej odległości zdudniania, z tolerancją do 10% odległości zdudniania.

Dwa rdzenie są ze sobą sprzężone optycznie w paśmie pomiędzy 1530 nm a 1540 nm.

Pierwszy rdzeń każdego z odcinków włókna dwurdzeniowego jest umieszczony współosiowo względem powierzchni zewnętrznej włókna, a także ustawiony w jednej osi z rdzeniami pozostałych odcinków aktywnego włókna oraz rdzeniami włókien, z którymi wzmacniacz jest połączony, gdy drugi rdzeń opiera się końcami na okładzinie włókien.

Korzystne jest, jeśli przynajmniej pierwszy rdzeń z dwóch rdzeni włókna umożliwia jednomodową propagację światła na długości fali transmisji i na długości fali pompowania.

Między dwoma następującymi po sobie dwurdzeniowymi odcinkami znajdują się we włóknie aktywnym odcinki zawierające domieszkę fluorescencyjną, o długości nie większej niż długość zapewniająca maksymalne wzmocnienie 15 dB na długości fali sprzężenia między rdzeniami odcinków dwurdzeniowego włókna.

Odcinki włókna zawierające domieszkę fluorescencyjną, a znajdujące się pomiędzy dwoma następującymi po sobie dwurdzeniowymi odcinkami mają długość nie większą niż długość zapewniająca wzmocnienie 15dB na długości fali sprzężenia między rdzeniami odcinków dwurdzeniowego włókna.

Przynajmniej na jednym końcu aktywnego włókna znajduje się odcinek dwurdzeniowego włókna. Dwurdzeniowe odcinki włókna dają się wyginać mechanicznie na kształt łuku, dla dokładnego ustawienia pasma fal sprzężenia między rdzeniami. Każdy z dwurdzeniowych odcinków włókna jest przymocowany sztywno do wsporczej płytki.

W korzystnym rozwiązaniu, każdy z odcinków dwurdzeniowego włókna jest przymocowany sztywno do odpowiedniej płytki wsporczej w stanie wygiętym, odpowiednio do wymaganego pasma sprzężenia między rdzeniami.

Przedmiot wynalazku jest bliżej objaśniony w przykładzie wykonania na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia schemat wzmacniacza optycznego z włóknem aktywnym, fig. 2 - wykres przejść między poziomami energetycznymi włókna zastosowanego we wzmacniaczu z fig. 1, zdolnego do wytwarzania emisji wymuszonej, fig. 3 - wykres emisji wymuszonej dla światłowodu wykonanego z

165 200 krzemu domieszkowanego Er³⁺, fig. 4 - schemat wzmacniacza optycznego według wynalazku, w powiększeniu, fig. 5 - przekrój przez włókno aktywne wzmacniacza wykonany w płaszczyźnie V-V z fig. 4, fig. 6 - wykres stałych propagacyjnych światła w rdzeniach włókna aktywnego w zależności od długości fali, fig. 7 - część światłowodu aktywnego zawierającą odcinek dwurdzeniowy z objaśnieniem przenoszenia energii świetlnej z jednego rdzenia do drugiego, dla długości fali sprzężenia, fig. 8 - część światłowodu zawierającą odcinek włókna dwurdzeniowego o długości równej jednej odległości zdudniania, a fig. 9 - przedstawia część włókna wzmacniacza, zawierającą odcinki dwurdzeniowe o określonych wygięciach.

Dla wzmacniania sygnału w światłowodach stosowanych w telekomunikacji, stosuje się wzmacniacze, wyorzystujące światłowody. Na fig. 1 przedstawiona jest struktura takiego wzmacniacza. Wzdłuż światłowodu 1 stosowanego w telekomunikacji, jest przesyłany sygnał o długości fali λβ, generowany przez laser 2. Sygnał ten, stłumiony po przejściu przez pewną długość linii, zostaje wprowadzony do sprzęgacza dichroicznego 3, gdzie w pojedynczym włókinie 4 zostaje połączony z sygnałem pompującym o długości fali λ p, wytwarzanym przez pompujący laser 5. Aktywne włókno 6 połączone z wychodzącym ze sprzęgacza włóknem 4 stanowi element wzmacniający sygnał, który wprowadzony zostaje następnie do światłowodu 7 w celu dalszego przesyłania.

Dla wykonania aktywnego włókna 6 stanowiącego element wzmacniający zaleca się stosowanie światłowodu krzemowego o rdzeniu domieszkowanym Er₂O3, zapewniającego korzystne wzmocnienie przesyłanego sygnału przy wykorzystaniu przejść laserujących w erbie.

Jak widać z wykresu przedstawionego na fig. 2, odnoszącego się do włókna z domieszką Er₂O3, a przedstawiającego symbolicznie stany energetyczne jakie może przyjmować jon erbu umieszczony w siatce atomowej krzemu rdzenia, wprowadzenie do światłowodu aktywnego energii świetlnej o długości fali pompowania λ p mniejszej od długości fali przesyłanego sygnału λ₈ powoduje, że pewna liczba jonów Er3+ znajdujących się tam, przechodzi do stanu wzbudzonego 8, określonego dalej jako pasmo pompowania. Z pasma tego jony spontanicznie przechodzą do poziomu energetycznego 9, stanowiącego poziom emisji laserowej.

Przed spontanicznym przejściem do podstawowego poziomu 10, jony Ε^+ mogą pozostawać na poziomie 9 przez względnie długi okres czasu.

O ile przejście z pasma 8 na poziom 9 jest połączone z emisją typu termicznego, ulegającą rozproszeniu we włóknie (radiacja fononowa), to przy przejściu z poziomu 9 do podstawowego poziomu 10 następuje emisja światła, którego długość fali odpowiada energii poziomu 9 emisji laserowej. Gdy sygnał o długości fali równej długości fali emisji laserowej z tego poziomu przechodzi przez światłowód zawierający dużą liczbę jonów wzbudzonych do poziomu emisji laserowej, następuje wymuszone przejście tych jonów ze stanu emisyjnego do stanu podstawowego, przed przejściem spontanicznym. Ten efekt kaskadowy daje w rezultacie na wyjściu włókna aktywnego emisję silnie wzmocnionego sygnału przesyłanego.

Przy braku przesyłanego sygnału, spontaniczne przechodzenie jonów do stanu podstawowego (liczba stanów emisyjnych jest wartością stałą dla danej substancji), powoduje generację światła ze szczytami emisji na różnych częstotliwościach, odpowiadających istniejącym poziomom. Jak pokazano na fig. 3, włókno typu Si/Al lub Si/Ge domieszkowane Er3+, stosowane we wzmacniaczach optycznych, ma silny szczyt emisyjny na fali 1536 nm, a na długościach fal do około 1560 nm ciągle jeszcze występuje strefa promieniowania o dużej intensywności, choć niższej niż w obszarze wartości szczytowej.

W obecności sygnału świetlnego, wprowadzonego do włókna i posiadającego długość fali 1536 nm równą długości fali szczytu emisyjnego dla Er3+, następuje bardzo duże wzmocnienie sygnału. Jednocześnie poziom szumu stanowiącego rezultat emisji spontanicznej erbu pozostaje niewielki, co powoduje, że takie włókno może być wykorzystywane we wzmacniaczu optycznym, dla tej długości fali.

Dla generacji sygnału stosuje się dostępne w handlu a wygodne w użyciu lasery półprzewodnikowe InGaAs, emitujące w paśmie 1,52 do 1,57 pm. Oznacza to, że technologia ich produkcji nie jest w stanie zapewnić emisji sygnału na określonej częstotliwości dla wszystkich produkowanych laserów. Dotyczy to również częstotliwości szczytu emisyjnego dla włókna domieszkowanego

165 200 7 erbem, a używanego jako wzmacniacz. Duży procent produkowanych laserów ma sygnał wyjściowy, położony w pobliżu szczytu emisyjnego.

Sygnał generowany przez takie lasery nie będzie mógł być odpowiednio wzmocniony przez wzmacniacz optyczny domieszkowany erbem Er³⁺ przedstawionego typu, ponieważ większość energii pompującej jaka zostaje wprowadzona do światłowodu aktywnego zostanie zużyta na wzmocnienie szumu, wytwarzanego tam w wyniku emisji spontanicznej erbu na długości fali około 1536 nm.

Aby móc więc stosować emitery laserowe wytwarzane z dużymi tolerancjami produkcyjnymi, a więc tanie, do współpracy ze wzmacniaczami, gdzie używa się włókien domieszkowanych erbem -inaczej mówiąc, stosować określone typy laserów do współpracy ze światłowodami domieszkowanymi elementami fluorescencyjnymi o wysokim poziomie szumów, wywołanym przez spontaniczne przejścia z poziomu laserowania - należy stosować włókno aktywne według wynalazku, przedstawione na fig. 4. Włókno to zawiera odcinki 11 włókna dwurdzeniowego z rdzeniami 12 i 13 umieszczonymi wewnątrz tego samego zewnętrznego płaszcza 14, naprzemiennie z częściami 15 włókna jednordzeniowego.

Rdzeń 12 każdego z odcinków 11 jest połączony z rdzeniem 16 sąsiednich odcinków jednordzeniowego włókna 15, a na końcach włókna aktywnego - z włóknem wychodzącym ze sprzęgacza dichroicznego oraz z liniowym włóknem 7, przenosząc w ten sposób sygnał. Drugi rdzeń 13 jest ucięty przy końcach każdego z odcinków dwurdzeniowego włókna 11 i nie ma żadnych połączeń.

Rdzenie 12 i 13 odcinków włókna 11 są wykonane tak, że odpowiednie stałe propagacje βι i β2 włókna, których zależność od długości fali jest przedstawiona na fig. 6, zapewniają sprzężenie tych rdzeni przy maksimum emisji domieszki fluorescencyjnej, czyli przy 1536 nm dla erbu, jak również w zakresie położonym między λ i i λζ. W tym ostatnim zakresie wielkość emisji jest określona przez nachylenie zboczy dla λι i λ 2, w obszarze ich przecięcia się i odpowiada, jak pokazuje fig. 3, amplitudzie szczytu emisji, wytwarzając szum tła.

Przy użyciu erbu do domieszkowania rdzenia 16 preferowany zakres sprzężenia między rdzeniami 12 i 13 leży w zakresie między λ i = 1530nm, a λ2 = 1545nm. Oznacza to, że światło o długości fali około 1536 nm rozchodzące się w rdzeniu 12 wraz z przesyłanym sygnałem i stanowiące źródło szumu tła spowodowanego przez spontaniczną emisję erbu, jest okresowo przenoszone z rdzenia 12 do rdzenia 13, zgodnie ze znanymi prawami sprzężenia optycznego.

Jak widać na fig. 7 energia świetlna na długości fali sprzężenia optycznego między dwoma rdzeniami jest między nimi rozmieszczona zgodnie z przebiegiem sinusoidalnym, osiągając wartość 100% w jednym z rdzeni, w pobliżu jednego punktu włókna, a po odległości Lb zwanej odległością zdudniania, osiąga wartość 100% w drugim rdzeniu. We wspólnym odcinku włókna energia świetlna jest rozłożona między dwa rdzenie tego włókna.

Długość fali sygnału transmitowanego w rdzeniu 12 wynosząca λ₈ różni się od długości fali sprzężenia między rdzeniami 12 i 13 - wynosząc korzystnie 1550 nm. Sygnał pozostaje w rdzeniu 12 bez przeniesienia do rdzenia 13. Analogicznie, światło pompujące wprowadzone przez sprzęgacz 3 do rdzenia 16 a posiadające długość fali λ p = 980nm lub 540nm, ma takie stałe propagacji w odcinku włókna 11, że jego przejście do rdzenia 13 jest wykluczone. Gwarantuje to brak energii pompującej w rdzeniu 13.

Oprócz domieszki określającej wymagany profil wskaźnika refrakcji, w rdzeniu 13 znajduje się również domieszka materiału, mającego wysoki współczynnik absorpcji światła w całym widmie lub przynajmniej przy szczycie emisyjnym dla domieszki w rdzeniu 16 - źródle szumów. W razie zastosowania erbu jako domieszki laserującej, domieszka absorbująca powinna pochłaniać światło o długości fali 1536 nm.

Substancjami o wysokiej absorpcji światła w całym widmie, które nadają się do tego celu, są substancje zawierające zmienne elementy walencyjne, takie jak Ti, V, Cr, Fe, znajdujące się w niższych stanach walencyjnych (Ti¹¹¹, Cr¹, Fe).

Jest szczególnie wygodne stosowanie tej samej domieszki, co dla rdzenia aktywnego, do eliminacji promieniowania o długości fali szczytu emisyjnego dla domieszki rdzenia 16 wzmacniającego włókna 15. Odpowiednia ilość substancji fluorescencyjnej wzbudzana odpowiednią energią pompującą daje określoną wartość emisji na określonej długości fali, lecz nie wzbudzana energią

165 200 pompującą absorbuje światło o tej samej długości fali, na jakiej emituje w obecności promieniowania pompującego. Tak więc, gdy rdzeń 16 jest domieszkowany erbem, drugi rdzeń 13 odcinka włókna 11 również może być domieszkowany erbem. Ponieważ krzywa absorpcji erbu jest taka sama jak jego krzywa emisji laserowej pokazana na fig. 3, w punkcie szczytowym emisji wymuszonej znajduje się również szczytowy punkt absorpcji.

Światło o długości fali sprzężenia między rdzeniami -1536 nm - przeniesione do rdzenia 13 nie ulega ponownemu przeniesieniu do rdzenia 12, przez który przechodzi przesyłany sygnał, ponieważ w rdzeniu 13 ma miejsce prawie pełne wytłumienie wprowadzonego światła, w wyniku absorpcji przez domieszkę.

Występująca w rdzeniu 16 emisja o niepożądanej długości fali może być więc wprowadzona jeszcze zanim osiągnie zbyt duże natężenie, do odcinka włókna 11, gdzie z rdzenia 12 jest przenoszona do rdzenia 13. Nie następuje przy tym usuwanie energii pompującej, wprowadzanej przez rdzeń 12 do rdzenia 16 następnego wzmacniającego odcinka włókna 15 i nałożonej na przesyłany sygnał. Uzyskanie tego wymaga, według niniejszego wynalazku, aby odcinek F wzmacniającego włókna 15, poprzedzający odcinek dwurdzeniowego włókna 11 jak przedstawiono na fig. 4, miał długość ograniczoną, zapobiegając przez to nadmiernemu wzrostowi szumu tła. Długość ta zależy od charakterystyk włókna, a ściślej od jego wzmocnienia. Długość F dla wzmacniacza według wynalazku powinna określać maksymalne wzmocnienie na poziomie nie przekraczającym 15 dB, a korzystnie na poziomie 1 do 5 dB, przy długości fali sprzężenia między rdzeniami, a zwłaszcza przy 1536nm.

Rdzeń 12 włókna 11 może nie mieć żadnej domieszki. Całe wzmocnienie odbywa się wtedy w częściach 15 włókna. Rdzeń 12 może też zawierać tę samą domieszkę, co rdzeń 16.

Długość La odcinka włókna dwurdzeniowego jest z kolei większą od odległości zdudniania Lb. Ilość znajdującej się w nim domieszki o wysokiej absorpcji światła jest taka, aby wynikająca z niej droga wygaszania L rdzenia 13 była przynajmniej o rząd wielkości mniejsza od odległości zdudniania Lb (L<1/10 Lb), co wynika z prawa propagacji energii promienistej w ośrodku tłumiącym

P = P_oe -^oL gdzie a jest współczynnikiem zależnym od charakterystyk tłumienia włókna oraz od ilości zawartej w nim domieszki tłumiącej. Po przejściu drogi L w światłowodzie, energia świetlna zostaje zredukowana o 1/e. Charakterystyki rdzenia 13 powinny zapewnić drogę wygaszania L mniejszą o dwa rzędy wielkości od odległości zdudniania L_B.

Rdzeń 13 może być również pozbawiony domieszki tłumiącej. W takim przypadku, pokazanym na fig. 8, długość odcinka L_a dwurdzeniowego włókna 11 powinna być równa odległości L_B. Energia świetlna o podlegającej eliminacji długości fali jest wtedy przy końcu odcinka rdzenia 13 wprowadzona całkowicie do tego rdzenia, tak że ulega rozproszeniu w płaszczu włókna 15 przy złączu z włóknem 15.

Takie rozwiązanie zapobiega wprowadzaniu dodatkowych domieszek do włókna dwurdzeniowego poza tymi, które określają jego profil wskaźnika refrakcji. Wymaga to jednak dokładnego przycinania długości oraz dołączania części 11 do pozostałego włókna aktywnego z dokładnością t względem odległości zdudniania, nie większą niż 10% L_B, co może zapewnić przy samym złączu brak szumów w rdzeniu 12. Przy odległości zdudniania wynoszącej poniżej kilku centymetró_w, uzyskanie takiej dokładności może być połączone z trudnościami, dlatego też zaleca się raczej stosowanie substanci tłumiących w rdzeniu 13.

Rozmiary części włókna 11 określa się tak, aby stałe propagacyjne obu rdzeni określały sprzężenie w paśmie położonym wokół długości fali dla szczytowej emisji, na przykład 1536 nm, choć w wyniku tolerancji wykonania, mogą występować odchylenia od tej wartości.

Dokładną regulację długości fali sprzężenia uzyskuje się według wynalazku przez ukształtowywanie odcinków 11 włókna dwurdzeniowego do postaci łuku, co wprowadza naprężenia wewnętrzne do włókna. Naprężenie to powoduje zmiany charakterystyk propagacyjnych, a wraz z nimi zmienia się długość fali sprzężenia dopóty, dopóki nie uzyska się właściwej wartości. W celu utrzymania stałości konfiguracji, odcinki włókna 11 są przymocowane do odpowiednich płytek wsporczych 17, korzystnie klejem, jak przedstawiono na fig. 9.

165 200

Znajdujące się między odcinkami dwurdzeniowego włókna 11 jednordzeniowe włókno 15 może być umieszczone wewnątrz osłony wzmacniacza, na przykład zwinięte w zwoje. Dopóki włókna dwurdzeniowe utrzymują swój kształt zgodnie z odpowiednimi wymaganiami, zwinięcie włókna jednordzeniowego nie ma żadnego wpływu na zachowanie się wzmacniacza z punktu widzenia separacji długości fali tworzącej szum.

W celu przesłania sygnału pozbawionego szumu do kolejnego odcinka 7 linii, położonego za wzmacniaczem, ostatni odcinek aktywnego włókna 6 wzmacniacza, położony w kierunku transmisji sygnału, jest wykonany z dwurdzeniowego włókna 11. W liniach dwukierunkowych na obu końcach włókna aktywnego znajdują się odcinki dwurdzeniowego włókna 11.

Włókno według wynalazku filtruje więc przesyłane przezeń światło, separując i absorbując promieniowanie o długości fali 1536nm generowane w wyniku spontanicznego przejścia jonów Er³⁺ z poziomu laserowania na poziom normalny. Zapobiega to powstawaniu dalszych takich przejść podczas przechodzenia powstających wówczas fotonów wzdłuż długiego odcinka rdzenia aktywnego w obecności energii pompującej i umożliwia propagację w rdzeniu 12 tylko promieniowania o długości fali transmisji oraz promieniowania pompującego.Długość fali transmisji λ _s może być wybrana z całego zakresu, w którym występuje znaczna wartość emisji laserowej erbu, na przykład z zakresu położonego między wartościami λ₂ i λ3 z fig. 3, odpowiadającymi 1540 nm i 1560 nm. Daje to duży stopień swobody wyboru lasera nadawczego, przy którym zastosowane emitery sygnałów o różnych długościach fal, lecz mieszczących się w dość szerokim ich zakresie, nie wpływają na wzmocnienie sygnałów. Oznacza to możliwość stosowania większości produkowanych przemysłowo laserów półprzewodnikowych InGaAs. Jednocześnie, rozwiązanie konstrukcyjne odcinków zbudowanych z włókna dwurdzeniowego, umożliwia dokładną regulację długości fali sprzężenia, przy zachowaniu niezależności od naprężeń mechanicznych.

Jak pokazano na fig. 5, użyty do prowadzenia sygnału optycznego rdzeń 12 dwurdzeniowego włókna 11 jest umieszczony współosiowo wewnątrz płaszcza 14, przy czym drugi rdzeń 13 jest umieszczony niecentrycznie. W ten sposób połączenia między odcinkami dwurdzeniowego włókna 6, odcinkami wzmacniającego włókna 15 oraz włóknami 4 i 7, mogą być wykonane w znany sposób, bez stosowania rozwiązań szczególnych. Jest to pokazane na fig. 4,7 i 8. Dla wzajemnego stykania się końców włókien używa się znane złącza optyczne, które zapewniają zgodność wzajemnych położeń dzięki kontrolowaniu położeń powierzchni zewnętrznych. Dotyczy to zwłaszcza prawidłowego ustawienia rdzenia 12 włókna dwurdzeniowego w położeniu osiowym z rdzeniami włókien jednordzeniowych, bez wystąpienia znacznych strat na złączu. Umieszczony nieosiowo rdzeń 13 nie może być połączony z żadnym innym rdzeniem, pozostaje więc ucięty przy końcu każdego odcinka dwurdzeniowego włókna 11 i nie wymaga żadnych dalszych operacji.

Aby zapewnić jak najwyższą wydajność wzmacniania, rdzeń 12 pracuje jednomodowo zarówno na długości fali sygnału, jak i na długości fali pompowania. Rdzeń 13 jest jednomodowy, przynajmniej dla λ s.

Przykładowo, wykonany został wzmacniacz według fig. 1, zawierający aktywne włókno 6 typu Si/Al domieszkowane Er3+ i wyposażone w odcinki dwurdzeniowe. Wagowa zawartość Er₂O3 w odcinkach jednordzeniowych wynosi 40 ppm. Promień rdzeni 12 i 13 dwurdzeniowego włókna 11 wynosi a = 3,1 μιη, apretura liczbowa NA = 0,105, wskaźnik refrakcji m = 1,462. Odstęp między rdzeniami 12 i 13 pokazany na fig. 5 wynosi d = 3,5 μ, a rdzeń 12 jest umieszczony współosiowo w płaszczu włókna.

Długość każdego z odcinków włókna 11 wynosi La=100nm. Odcinki te są położone w sąsiedztwie odcinków światłowodu wzmacniającego o długości F = 5 m.

Rdzenie 12 wszystkich odcinków dwurdzeniowego włókna 11 nie zawierały erbu, a zawartość Er₂O3 w rdzeniu 13 wynosiła 2500 ppm. Całkowita długość włókna aktywnego wynosiła 30 m, to znaczy sześć odcinków 5 m każdy.

Jako pompującego lasera 5 użyto lasera argonowego, pracujcąego na długości fali 528 nm z mocą 150mW. Jako laser 2 emitujący sygnał, użyty był dostępny w handlu laser półprzewodnikowy InGaAs o mocy 1 mW, emitujący promieniowanie o długości fali 1550 nm.

165 200

Na wyjściu wzmacniacza uzyskano wzmocnienie 20 dB przy sygnale wejściowym stłumionym do wielkości 0,5 W. Tłumienie sygnału wejściowego wzmacniacza, służące do symulowania stanu eksploatacji wzmacniacza w linii, uzyskano przy użyciu zmiennego tłumika.

Poziom emisji spontanicznej za wzmacniaczem wynosił 10W przy braku sygnału. Taka emisja, która powoduje szum tła wytwarzany przez wzmacniacz, nie ma znaczenia przy sygnale wzmocnionym do poziomu znacznie wyższego, bo około 250 W.

Dla porównania, ten sam nadawczy laser 2 został użyty wraz ze wzmacniaczem o budowie identycznej jak opisana w poprzednim przykładzie, lecz stosującego jednordzeniowe aktywne włókno 6 typu Si/Al domieszkowane Er3+, zawierające wagowo 40 ppm Er3+ w rdzeniu i o długości 30 m. Wzmacniacz ten przy długości fali przesyłanego sygnału 1560 nm wykazywał wzmocnienie mniejsze od 15 dB, przy czym poziom emisji spontanicznej był zbliżony do poziomu sygnału wyjściowego.

Jak widać z podanych przykładów, wzmacniacz z włóknem jednordzeniowym miał mniejsze wzmocnienie sygnału dla 1560 nm, wprowadzając przy tym szum, uniemożliwiający odbiór sygnału. W zastosowaniu praktycznym byłby on bezużyteczny. Wzmacniacz według wynalazku, w którym zastosowano włókno aktywne z odcinkami włókna dwurdzeniowego, w którym dwa rdzenie były ze sobą sprzężone dla długości fali odpowiadającej szczytowej emisji szumu tła, przy takim samym sygnale o długości fali 1560nm, był w stanie zapewnić wysokie wzmocnienie, przy pomijalnym poziomie wprowadzanego szumu.

Zastosowanie wzmacniaczy według wynalazku w linii telekomunikacyjnej, umożliwia jej wykorzystanie do przesyłania sygnałów generowanych przez dostępne w handlu lasery o szerokich tolerancjach produkcyjnych, przy jednoczesnym zapewnieniu stałości wzmocnienia oraz jego niezależności od własności emisyjnych użytego lasera.

F.łg.g

6-3

Fig 1

Fig .4

Departament Wydawnictw UP RP. Nakład 90 egz.

Cena 10 000 zł

Claims (18)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Szerokopasmowy wzmacniacz optyczny sygnału, zwłaszcza dla światłowodowych linii telekomunikacyjnych transmitujących sygnał o określonym paśmie fal, zawierających dichroiczny sprzęgacz, multipleksujący przesyłany sygnał oraz świetlną energię pompującą w jednym wyjściowym włóknie, a także aktywne włókno z fluoroscencyjną substancją domieszkującą, które jest dołączone do wyjściowego włókna dichronicznego sprzęgacza oraz do włókna linii telekomunikacyjnej, odbierające i transmitujące wzmocniony sygnał, znamienny tym, że aktywne włókno optyczne (6) zawiera odcinki (11) utworzone przez włókno optyczne o dwóch rdzeniach (12, 13), z których pierwszy rdzeń (12) jest połączony optycznie z rdzeniem (16) pozostałych odcinków aktywnego włókna (6), a drugi rdzeń (13) jest ucięty na końcach, przy czym obydwa rdzenie (12,13) odcinków włókna (11) są ze sobą optycznie sprzężone w paśmie leżącym w zakresie długości fal emisji laserowej pierwszego rdzenia (12), różnym od pasma przesyłanego sygnału.
2. 2. Wzmacniacz według zastrz. 1, znamienny tym, że drugi rdzeń (13) odcinków (11) włókna dwurdzeniowego, który wchodzi w skład aktywnego włókna optycznego (6), zawiera domieszkę o wysokiej absorpcji światła emitowanego przez domieszkę zawartą we włóknie aktywnym w wyniku emisji laserowej.
3. 3. Wzmacniacz według zastrz. 2, znamienny tym, że zawarta w drugim rdzeniu domieszka o wysokiej absorpcji światła jest taką samą substancją, która zawarta jest w aktywnym włóknie (6).
4. 4. Wzmacniacz według zastrz. 1, znamienny tym, że pierwszy rdzeń (12) każdego z odcinków (11) włókna dwurdzeniowego zawiera domieszkę fluoroscencyjną.
5. 5. Wzmacniacz według zastrz. 1, znamienny tym, że fluoroscencyjną substancją domieszkującą włókna aktywnego (6), przynajmniej w odcinkach jednordzeniowych, jest erb.
6. 6. Wzmacniacz według zastrz. 2, znamienny tym, że domieszka w drugim rdzeniu (13) posiada wysoką absorpcję światła w całym widmie i jest jedną z substancji wybranych wśród następujących: tytan, wanad, chrom lub żelazo, występujących przynajmniej częściowo w niskim stanie walencyjnym.
7. 7. Wzmacniacz według zastrz. 1, znamienny tym, że długości (La) każdego z odcinków (11) włókna dwurdzeniowego jest równa lub większa od odległości zdudniania (Lb) między rdzeniami (12,13) sprzężonymi ze sobą w wybranym paśmie sprzężenia.
8. 8. Wzmacniacz według zastrz. 1, znamienny tym, że zawartość domieszki o wysokiej absorpcji światła znajdującej się w drugim rdzeniu (13) oraz charakterystyki sprzężenia rdzeni (12, 13) włókna są skolerowane tak, że określają w drugim rdzeniu drogę wygaszania mniejszą od 1/10 odległości zdudniania między sprzężonymi ze sobą rdzeniami.
9. 9. Wzmacniacz według zastrz. 7, znamienny tym, że długość każdego z odcinków (11) włókna dwurdzeniowego (La) jest równa całkowitej wielokrotności jednej odległości zdudniania (Lb), z tolerancją do 10% odległości zdudniania.
10. 10. Wzmacniacz według zastrz. 5, znamienny tym, że dwa rdzenie są ze sobą sprzężone optycznie w paśmie pomiędzy 1560 nm a 1540 nm.
11. 11. Wzmacniacz według zastrz. 1, znamienny tym, że pierwszy rdzeń (12) każdego z odcinków (11) włókna dwurdzeniowego jest umieszczony współosiowo względem powierzchni zewnętrznej włókna, a także ustawiony w jednej osi z rdzeniami (16) pozostałych odcinków aktywnego włókna (6) oraz rdzeniami włókien (7), z którymi wzmacniacz jest połączony, gdy drugi rdzeń (13) opiera się końcami na okładzinie (15) włókien.
12. 12. Wzmacniacz według zastrz. 1, znamienny tym, że przynajmniej pierwszy rdzeń (12) z dwóch rdzeni włókna (11) umożliwia jednomodową propagację światła na długości fali transmisji i na długości fali pompowania.
13. 13. Wzmacniacz według zastrz. 1, znamienny tym, że między dwoma następującymi po sobie dwurdzeniowymi odcinkami (11) znajdują się we włóknie aktywnym odcinki zawierające domieszkę fluorescencyjną o długości (F) nie większej niż długość zapewniająca maksymalne

    165 200 3 wzmocnienie 15dB na długości fali sprzężenia między rdzeniami odcinków dwurdzeniowego włókna (11).
14. 14. Wzmacniacz według zastrz. 13, znamienny tym, że odcinki włókna zawierające domieszkę fluorescencyjną, a znajdujące się pomiędzy dwoma następującymi po sobie dwurdzeniowymi odcinkami (11) mają długość (F) nie większą niż długość zapewniająca wzmocnienie 15 dB na długości fali sprzężenia między rdzeniami odcinków dwurdzeniowego włókna (11).
15. 15. Wzmacniacz według zastrz. 1, znamienny tym, że przynajmniej na jednym końcu aktywnego włókna (6) znajduje się odcinek dwurdzeniowego włókna (11).
16. 16. Wzmacniacz według zastrz. 1, znamienny tym, że dwurdzeniowe odcinki (11) włókna dają się wyginać mechanicznie na kształt łuku dla dokładnego ustawienia pasma fal sprzężenia między rdzeniami.
17. 17. Wzmacniacz według zastrz. 1, znamienny tym, że każdy z dwurdzeniowych odcinków (11) włókna jest przymocowany sztywno do wsporczej płytki (17).
18. 18. Wzmacniacz według zastrz. 16 lub 17, znamienny tym, że każdy z odcinków (11) dwurdzeniowego włókna jest przymocowany sztywno do odpowiedniej płytki wsporczej (17) w stanie wygiętym, odpowiednio do wymaganego pasma sprzężenia między rdzeniami.