PL218126B1

PL218126B1 - Optical fibre amplifier based on the fibre with the doped erbium and ytterbium ions

Info

Publication number: PL218126B1
Application number: PL395086A
Authority: PL
Inventors: Grzegorz Soboń; Paweł Kaczmarek; Karol Krzempek; Arkadiusz Antończak; Jarosław Sotor; Adam Wąż; Grzegorz Dudzik; Krzysztof Abramski
Original assignee: Politechnika Wroclawska
Priority date: 2011-06-01
Filing date: 2011-06-01
Publication date: 2014-10-31
Also published as: PL395086A1

Description

Opis wynalazkuDescription of the invention

Przedmiotem wynalazku jest układ wzmacniacza światłowodowego opartego na włóknie domieszkowanym jonami erbu i iterbu z kontrolowaną akcją laserową na długości fali 1064 nm, przeznaczony do stosowania w układach i urządzeniach optycznych jako wzmacniacz ciągłego lub impulsowego promieniowania laserowego z zakresu trzeciego okna telekomunikacyjnego.The subject of the invention is a fiber amplifier system based on a fiber doped with erbium and ytterbium ions with a controlled laser action at a wavelength of 1064 nm, intended for use in optical systems and devices as an amplifier of continuous or pulsed laser radiation in the range of the third telecommunications window.

Z opisu patentowego USA nr US7848014 znany jest układ dwustopniowego wzmacniacza światłowodowego wykorzystującego włókna domieszkowane erbem oraz erbem i iterbem. Układ składa się z dwóch stopni wzmacniających, z których pierwszy oparty jest na światłowodzie jednomodowym domieszkowanym erbem, pompowanym przez jednomodowy laser półprzewodnikowy. Wiązka pompująca wprowadzana jest do włókna aktywnego za pośrednictwem jednomodowego sprzęgacza światłowodowego WDM. Drugi stopień wzmacniający oparty jest na światłowodzie z podwójnym płaszczem domieszkowanym erbem i iterbem. Pompowany jest przez wielomodowy laser półprzewodnikowy. Promieniowanie pompujące wprowadzone jest do światłowodu double-clad za pośrednictwem wielomodowego sprzęgacza światłowodowego (combiner). Przy zastosowaniu włókna o długości 1,5 m w pierwszym stopniu oraz 7 m w drugim stopniu możliwe jest uzyskanie wzmocnienia 27 dB dla długości fali 1550 nm przy pompowaniu mocą 4,6 wata.From the US patent description No. US7848014 there is known a system of a two-stage optical fiber amplifier using erbium, erbium and ytterbium doped fibers. The system consists of two amplification stages, the first of which is based on a single-mode erbium-doped fiber pumped by a single-mode semiconductor laser. The pumping beam is introduced into the active fiber via a single-mode WDM fiber coupler. The second amplification stage is based on an optical fiber with a double cladding doped with erbium and ytterbium. It is pumped by a multimode semiconductor laser. Pumping radiation is introduced into the double-clad optical fiber via a multimode fiber coupler (combiner). By using 1.5 m fiber in the first stage and 7 m in the second stage, it is possible to obtain a gain of 27 dB for a wavelength of 1550 nm when pumping at 4.6 watts.

Układ wzmacniacza światłowodowego oparty na światłowodzie domieszkowanym erbem i iterbem znany jest z opisu patentowego USA nr US6556346. Układ ten składa się z wejścia optycznego, na które zostaje podany sygnał z pasma trzeciego okna telekomunikacyjnego, przedwzmacniacza EDFA, izolatora optycznego oraz układu wzmacniacza światłowodowego opartego na włóknie erbowoiterbowym. Światłowód jest pompowany, przez co najmniej jeden laser półprzewodnikowy. Lasery te są sprzężone ze światłowodem aktywnym za pośrednictwem sprzęgaczy WDM. Na wyjściu układu wzmacniacza umieszczony jest izolator optyczny zabezpieczający wzmacniacz przed sygnałem odbitym.A fiber amplifier circuit based on erbium and ytterbium doped fiber is known from US Patent No. US6556346. This system consists of an optical input to which a signal from the band of the third telecommunication window is supplied, an EDFA preamplifier, an optical isolator and a fiber amplifier system based on an erbium spherical fiber. The optical fiber is pumped by at least one semiconductor laser. These lasers are coupled to the active optical fiber via WDM couplers. At the output of the amplifier circuit there is an optical isolator protecting the amplifier against the reflected signal.

Istota układu, według wynalazku, w którym wiązka światła z lasera sygnałowego kierowana jest światłowodami przez światłowodowy izolator optyczny, zaś kolejny światłowodowy izolator optyczny połączony jest z wyjściem sygnałowym układu wzmacniacza światłowodowego, polega na tym, ze przedwzmacniacz światłowodowy, przez drugi światłowodowy izolator optyczny, pierwszy multiplekser, światłowód aktywny z podwójnym płaszczem domieszkowany jonami erbu i iterbu, sprzęgacz światłowodowy, drugi multiplekser, jest połączony do kolejnego światłowodowego izolatora optycznego, ponadto do sprzęgacza światłowodowego podłączony jest co najmniej jeden wielomodowy laser pompujący i jednocześnie pierwszy multiplekser połączony jest poprzez sprzęgacz monitorujący wyposażony w dwa wyjścia monitorujące z drugim multiplekserem.The essence of the system according to the invention, in which the light beam from the signal laser is directed by optical fibers through the optical fiber insulator, and the next optical fiber optical insulator is connected to the signal output of the optical fiber amplifier circuit, consists in that the optical preamplifier, through the second optical fiber optical insulator, a multiplexer, an active optical fiber with a double jacket doped with erbium and ytterbium ions, a fiber optic coupler, the second multiplexer is connected to another optical fiber optic isolator, moreover, at least one multimode pumping laser is connected to the optical coupler and at the same time the first multiplexer is connected via a monitoring coupler equipped with two monitoring outputs with a second multiplexer.

Korzystnie, pomiędzy pierwszy multiplekser i sprzęgacz monitorujący włączony jest światłowodowy izolator optyczny.Preferably, a fiber optic isolator is connected between the first multiplexer and the monitoring coupler.

Układ wzmacniacza światłowodowego opartego na włóknie domieszkowanym jonami erbu i iterbu z kontrolowaną akcją laserową według wynalazku może posłużyć do budowy stabilnych światłowodowych źródeł promieniowania dużej mocy z zakresu trzeciego okna telekomunikacyjnego w zakresie od 1530 nm do 1580 nm, pracujących zarówno w trybie ciągłym, jak i impulsowym. Zastosowane multipleksery WDM pozwalają odseparować sygnał użyteczny o długości 1550 nm oraz szum emisji spontanicznej o długości fali ok. 1060 nm oraz ponownie wprowadzić promieniowanie 1060 nm na wejście światłowodu aktywnego z podwójnym płaszczem domieszkowanego jonami erbu i iterbu, a wymuszenie akcji laserowej fali o długości około 1060 nm pozwala na wyeliminowanie prawdopodobieństwa uszkodzenia światłowodu aktywnego. Pętla sprzężenia zwrotnego pozwala na kontrolowanie i monitorowanie parametrów zachodzącej akcji laserowej, przy czym izolator optyczny wymusza kierunek obiegu światła a sprzęgacz światłowodowy wyprowadza część mocy na zewnątrz. Odseparowanie sygnału na długości fali 1060 nm od sygnału na długości 1550 nm pozwala na odciążenie izolatora optycznego znajdującego się na wyjściu układu, zminimalizowanie wydzielania przez niego ciepła oraz zminimalizowanie ryzyka jego uszkodzenia.The system of a fiber amplifier based on a fiber doped with erbium and ytterbium ions with a controlled laser action according to the invention can be used to build stable optical high power radiation sources in the range of the third telecommunications window in the range from 1530 nm to 1580 nm, operating both in continuous and pulsed mode . The WDM multiplexers used allow to separate the useful signal with a length of 1550 nm and the noise of spontaneous emission with a wavelength of approx. 1060 nm and reintroduce the 1060 nm radiation to the input of an active optical fiber with a double jacket doped with erbium and ytterbium ions, and forcing the laser action of a wavelength of about 1060 nm nm allows to eliminate the probability of an active optical fiber failure. The feedback loop allows you to control and monitor the parameters of the ongoing laser action, where the optical insulator forces the direction of the light circulation and the fiber coupler conducts some of the power outside. The separation of the signal at the 1060 nm wavelength from the signal at the 1550 nm wavelength allows to relieve the optical isolator at the output of the system, minimize its heat emission and minimize the risk of its damage.

Przedmiot wynalazku w przykładzie realizacji jest uwidoczniony na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia układ wzmacniacza światłowodowego opartego na włóknie domieszkowanym jonami erbu i iterbu, a fig. 2 - układ wzmacniacza światłowodowego opartego na włóknie domieszkowanym jonami erbu i iterbu ze światłowodowym izolatorem optycznym włączonym pomiędzy pierwszy multiplekser i sprzęgacz monitorujący.The subject of the invention in an exemplary embodiment is shown in the drawing, in which Fig. 1 shows a system of optical amplifier based on a fiber doped with erbium and ytterbium ions, and Fig. 2 - a system of optical amplifier based on a fiber doped with erbium and ytterbium ions with a fiber optic insulator inserted between a first multiplexer and a monitoring coupler.

PL 218 126 B1PL 218 126 B1

P r z y k ł a d 1.P r z k ł a d 1.

Układ wzmacniacza światłowodowego opartego na włóknie domieszkowanym jonami erbu i iterbu z kontrolowaną akcją laserową ma laser sygnałowy LS półprzewodnikowy lub laserem na ciele stałym pracującym na długości fali z zakresu trzeciego okna telekomunikacyjnego w zakresie od 1530 nm do 1580 nm, z którego wiązka światła kierowana jest światłowodami przez światłowodowy izolator optyczny IO połączony poprzez przedwzmacniacz światłowodowy PW, światłowodowy izolator optyczny IO, pierwszy multiplekser WDM1, światłowód aktywny z podwójnym płaszczem F domieszkowany jonami erbu i iterbu, sprzęgacz światłowodowy SPN, drugi multiplekser WDM2 i kolejny światłowodowy izolator optyczny IO z wyjściem sygnałowym układu wzmacniacza światłowodowego WyS. Do sprzęgacza światłowodowego SPN podłączony jest co najmniej jeden wielomodowy laser pompujący WLP, natomiast pierwszy multiplekser WDM1 połączony jest poprzez sprzęgacz monitorujący SM wyposażony w dwa wyjścia monitorujące WyM1, WyM2 z drugim multiplekserem WDM2.A fiber amplifier system based on erbium and ytterbium doped fiber with controlled laser action has a semiconductor LS signal laser or a solid-state laser operating at a wavelength in the range of the third telecommunication window in the range from 1530 nm to 1580 nm, from which the light beam is directed by optical fibers via IO optical insulator connected via PW optical preamplifier, IO optical insulator, first WDM1 multiplexer, active optical fiber with double F-cladding doped with erbium and ytterbium ions, SPN fiber coupler, second WDM2 multiplexer and another optical signal amplifier with IO output fiber optic wyS. At least one multi-mode pump WLP is connected to the SPN fiber coupler, and the first WDM1 is connected via a monitoring coupler SM equipped with two monitoring outputs WyM1, WyM2 to the second WDM2.

Układ wzmacniacza światłowodowego oparty jest na włóknie erbowo-iterbowym F z multiplekserami pierwszym WDM1 oraz drugim WDM2 odpowiadającymi za pętlę sprzężenia zwrotnego. Światłowód erbowo-iterbowy z podwójnym płaszczem F jest pompowany przez co najmniej jeden wielomodowy półprzewodnikowy laser pompujący WLP, którego promieniowanie jest wprowadzone do płaszcza światłowodu aktywnego za pomocą sprzęgacza światłowodowego SPN typu n+1:1, czyli z n portami pompującymi, jednym portem sygnałowym wejściowym i jednym portem sygnałowym wyjściowym. Pierwszy multiplekser WDM1 oddziela niepożądany szum emisji spontanicznej na długości 1060 nm od wzmocnionego użytecznego sygnału na długości 1550 nm i kieruje go na wejście drugiego multipleksera WDM2, dzięki czemu fala o długości 1060 nm ponownie trafia do włókna aktywnego F. Połączenie wyjścia pierwszego multipleksera WDM1 z wejściem drugiego multipleksera WDM2 stwarza warunki do wzbudzenia akcji laserowej, której parametry są monitorowane na wyjściach WyM1 i WyM2 sprzęgacza monitorującego SM znajdującego się między multiplekserami pierwszym WDM1 i drugim WDM2. Wzmocniony sygnał użyteczny na długości fali 1550 nm z wyjścia pierwszego multipleksera WDM1 kierowany jest do wyjścia WyS układu przez izolator optyczny IO, zabezpieczający wzmacniacz przed niepożądanymi odbiciami mogącymi destabilizować jego pracę oraz zapobiega zajściu spontanicznej akcji laserowej na długości fali 1550 nm.The optical fiber amplifier circuit is based on an erbium-ytterbium F fiber with the first WDM1 and the second WDM2 multiplexers responsible for the feedback loop. The double F-clad erbium-ytterbium fiber is pumped by at least one multi-mode pumping semiconductor laser WLP, the radiation of which is injected into the active optical fiber cladding by means of an n + 1: 1 SPN fiber coupler, i.e. with n pump ports, one input signal port and with one signal output port. The first WDM1 multiplexer separates the unwanted noise of spontaneous emission at 1060 nm from the amplified useful signal at 1550 nm and directs it to the input of the second WDM2 multiplexer, so that the 1060 nm wavelength again goes to the active fiber F. Connecting the output of the first WDM1 to the input of the second WDM2 mux creates the conditions for inducing a laser action, the parameters of which are monitored on the WyM1 and WyM2 outputs of the monitoring coupler SM located between the first WDM1 and the second WDM2 muxs. The amplified useful signal at a wavelength of 1550 nm from the output of the first WDM1 multiplexer is directed to the output WyS of the system through the optical isolator IO, which protects the amplifier against unwanted reflections that may destabilize its operation and prevents spontaneous laser action at a wavelength of 1550 nm.

P r z y k ł a d 2.P r z k ł a d 2.

Układ wzmacniacza światłowodowego opartego na włóknie domieszkowanym jonami erbu i iterbu z kontrolowaną akcją laserową wykonany jak w przykładzie pierwszym z tą różnicą, że w pętli sprzężenia zwrotnego pomiędzy multiplekserami pierwszym WDM1 i drugim WDM2 oprócz sprzęgacza monitorującego SM wstawiony jest izolator optyczny IO, wymuszający obieg sygnału na długości 1060 nm tylko w jednym, określonym kierunku.Optical amplifier circuit based on a fiber doped with erbium and ytterbium ions with a controlled laser action, made as in the first example, with the difference that in the feedback loop between the first WDM1 and the second WDM2 multiplexers, apart from the SM monitoring coupler, an IO optical isolator is inserted, forcing the signal to circulate on 1060 nm in one specific direction only.

Claims

1. System of optical fiber amplifier based on erbium and ytterbium doped fiber containing a signal laser and a pump laser, coupler, optical fiber optic isolator and active optical fibers doped with rare earth ions, in which the light beam from the signal laser is directed by optical fibers through the optical optical insulator, and another optical fiber optic isolator is connected to the signal output of the optical fiber amplifier system, characterized in that the optical fiber preamplifier (PW) through the second optical optical isolator (IO), the first multiplexer (WDM1), active optical fiber with a double jacket (F) doped with erbium and ytterbium ions , a fiber optic coupler (SPN), the second multiplexer (WDM2) is connected to another fiber optic isolator (IO), furthermore, at least one multimode pump laser (WLP) is connected to the fiber optic coupler (SPN) and simultaneously the first multiplexer (WDM1) connected is pop by a monitoring coupler (SM) equipped with two monitoring outputs (WyM1, WyM2) with a second multiplexer (WDM2)

2. The system according to claim The method of claim 1, characterized in that a fiber optic isolator (IO) is connected between the first multiplexer (WDM1) and the monitoring coupler (SM).