ОПТИЧЕСКОЕ ВОЛОКНО Российский патент 1994 года по МПК C03C13/04 

Изобретение относится к оптическому волокну, содержащему легирующие вещества, приспособленному видоизменять свои характеристики стимулированной световой эмиссии и поглощения на различных длинах волн.

Известно, что оптические волокна, у которых сердечник легирован определенными веществами, например, ионами редкоземельных веществ, имеют характеристики стимулированной эмиссии, приспособленные для использования этих волокон в качестве лазерных источников и оптических усилителей.

Эти волокна могут снабжаться источником света с определенной длиной волны, которые способны приводить атомы легирующих веществ в возбужденное энергетическое состояние или область накачки, из которой атомы самопроизвольно затухают за очень короткое время в состояние лазерной эмиссии, в котором они остаются сравнительно большее время.

Когда волокно, имеющее большое число атомов, возбужденных до уровня эмиссии, пересекается световым сигналом с длиной волны, соответствующей этому состоянию лазерной эмиссии, световой сигнал вызывает переход возбужденных атомов на нижний уровень и излучение имеет ту же длину волны, что и сигнал, следовательно, волокно такого рода можно использовать, чтобы получить оптическое усиление сигнала.

Затухание атомов из возбужденного состояния может также возникать самопроизвольно, вызывая произвольную эмиссию, составляющую "шумовой фон", накладываемый на стимулированную эмиссию, соответствующую усиленному сигналу.

Это явление происходит на нескольких длинах волн, типичных для легирующих веществ, создавая спектр флюоресценции. Чтобы получить максимальное усиление сигнала посредством волокна вышеуказанного типа вместе с высоким отношением сигнал/шум, обычно используется сигнал с длиной волны, соответствующей максимуму кривой спектра флюоресценции волокна, включающего используемое легирующее вещество. Этот сигнал соответствующим образом генерируется лазерным излучателем.

Известно оптическое волокно, сердечник которого легирован ионами алюминия (Al³⁺) и ионами эрбия (Er³⁺) [1].

Однако спектр флюоресценции эрбия в области рассматриваемых длин волн имеет, в частности, узкий эмиссионный пик, который диктует применение в качестве источника передаваемого сигнала лазерного излучателя, работающего на строго определенной длине волны с ограниченным допуском. Однако лазерные излучатели, имеющие вышеуказанные признаки, трудны и дороги в производстве, тогда как обычное промышленное производство этих устройств обеспечивает достаточно широкий допуск длины волны излучения.

Известно волокно, легированное ионами алюминия для модификации индекса преломления и ионами эрбия, для обеспечения лазерной эмиссии имеющее эмиссионный пик примерно на 1531 нм, который в диапазоне ± 5 нм от этого значения демонстрирует высокую интенсивность и может быть использован для усиления. Поэтому для работы с этим оптическим волокном лучше использовать сигнал в том же самом диапазоне длин волн, однако коммерческий полупроводниковый лазер, который мог бы оказаться приемлемым для использования, обычно изготавливается со значениями длин волн излучения в диапазоне от 1520 до 1570 нм.

Целью изобретения является обеспечение усиления сигнала телесвязи в диапазоне длин волн 1520-1570 нм.

Настоящее изобретение направлено на создание легированного оптического волокна, способного обеспечить удовлетворительное усиление в достаточно широком диапазоне длин волн, чтобы позволить применение коммерческих лазеров, и в то же время предотвратить нарушение усилительной способности волокна из-за самопроизвольного излучения материала на нежелательной длине волны и образование шумового фона большой интенсивности относительно передаваемого сигнала.

Легирующим веществом является самарий в виде трехвалентных катионов.

Концентрация самария в волокне по отношению к концентрации эрбия, выраженная в процентах по весу содержащихся окисей, составляет
1≅ ≅ 10
Для того, чтобы усиливать сигналы волоконно-оптической связи удобно использовать усилитель, выполненный на волокне.

На фиг.1 показана схема усилителя, где позиция 1 обозначает волокно линии связи, в которое посылается передаваемый сигнал, имеющий длину волны λ_s, вырабатываемый лазером излучения сигнала 2. Указанный сигнал, который после определенной длины линии ослабляется, подается на дихроичное устройство 3, где он объединяется в едином выходном волокне 4 с сигналом накачки, имеющим длину волны λ_p, генерируемым лазерным излучателем 5 накачки. Активное волокно 6, присоединенное к волокну 4, выходящему из устройства связи, составляет элемент усиления сигнала, который далее вводится в волокно линии 7, чтобы направиться к своему месту назначения.

На фиг. 2 показаны энергетические состояния ионов эрбия в волоконной кварцевой матрице. Введение в активное волокно световой мощности с длиной волны накачки λ_p меньшей, чем длина волны передаваемого сигнала λ_s, приводит определенное число ионов Er³⁺, присутствующих в стекловолоконной матрице в качестве легирующего вещества, в "возбужденное" энергетическое состояние (диапазон 8), именуемое далее областью "накачки", из которой ионы самопроизвольно затухают до энергетического уровня 9, составляющего уровень лазерной эмиссии.

На уровне 9 лазерной эмиссии ионы Er³⁺ могут оставаться сравнительно долго, прежде чем подвергнуться самопроизвольному переходу на основной уровень 10.

Известно, что хотя переход от диапазона 8 к уровню 9 связан с эмиссией теплового типа, которая диспергируется наружу волокна (фоновое излучение), переход от уровня 9 к основному уровню 10 генерирует световую эмиссию с длиной волны, соответствующей энергетическим значениям уровня 9 лазерной эмиссии. Если по волокну, содержащему большое число ионов на уровне лазерной эмиссии, пропустить сигнал, имеющий длину волны, соответствующую этому уровню эмиссии, этот сигнал вызывает стимулированный переход интересующих ионов из состояния эмиссии в основное состояние до их самопроизвольного затухания, создавая на выходе активного волокна посредством каскадного явления образование весьма усиленного передаваемого сигнала.

При отсутствии передаваемого сигнала самопроизвольное затухание из состояний лазерной эмиссии, которые представляют дискретное число, типичное для каждого вещества, вызывает свечение, имеющее пики на различных частотах, соответствующих имеющимся уровням.

На фиг. 3 показана эмиссия Si-Al волокна, легированного Er³⁺. Из фиг.3 следует, что эмиссионный пик большой интенсивности наблюдается на длине волны 1531 нм, тогда как на более высоких длинах волн, примерно вплоть до 1560 нм, имеется область, в которой эмиссия все еще сильна, но ее интенсивность много ниже.

В присутствии светового сигнала, вводимого в волокно с длиной волны, соответствующей эмиссионному пику Er³⁺ на 1531 нм, возникает сильное усиление сигнала, тогда как шумовой фон, создаваемый самопроизвольной эмиссией эрбия, поддерживается ограниченным, что делает волокно приемлемым для использования оптического усилителя с сигналом этой длины волны.

На фиг. 4 показана кривая стимулированной эмиссии волокна, включающего некоторое количество самария (Sm³⁺) в качестве следующего легирующего вещества вместе с Er³⁺. На длине волны 1531 нм отсутствует пик высокой интенсивности, демонстрируя высокое и почти постоянное значение в широком диапазоне, по существу, между 1530 и 1560 нм.

Это волокно также может быть использовано в оптическом усилителе, работающем с сигналом, генерируемым коммерческими лазерными излучателями, поскольку оно может обеспечить усилительный эффект с удовлетворительным усилением для передаваемого сигнала в указанном диапазоне волн, не добавляя неприемлемого количества "шума".

Как пример, был построен усилитель в соответствии сo схемой по фиг.1, содержащий активное волокно 6 Si-Al-типа со "ступенчатым индексом", легированное Er³⁺ и Sm³⁺, имеющее 40 частей на тысячу по весу Er₂O₃ и 60 частей на тысячу Sm₂O₃.

Длина активного волокна 30 м.

Был использован лазерный излучатель 5 накачки - аргоновый ионный лазер, работающий на длине волны 528 нм с мощностью 150 мВт, в качестве лазерного излучателя сигнала 2 использовался коммерческий лазер полупроводникового типа (In, Ga, As), который имел мощность I мВт и длину волны излучения 1560 нм.

При указанной экспериментальной конфигурации после усилителя на входном сигнале 1 мВт было получено усиление 27 дБ.

При отсутствии сигнала после усилителя был измерен уровень самопроизвольной эмиссии 10 мкВт.

Такая эмиссия, составляющая шумовой фон, создаваемый усилителем, не представляет важного шума для сигнала, который усиливается до горазда более высокого уровня (примерно 250 мкВт).

Для сравнения, такой же лазер передающего излучения был применен вместе с усилителем, имеющим такую же конструкцию, как в предыдущем примере, но использующую активное волокно 6 Si-Al типа со "ступенчатым индексом ", легированное Er³⁺, содержащим его по весу 40 частей на тысячу. Активное волокно было длиной 30 м.

Указанный усилитель с передаваемым сигналом на длине волны 1560 нм показал усиление ниже 15 дБ, причем самопроизвольная эмиссия имеет уровень, сравнимый с уровнем выходного сигнала.

Как было видно из вышеприведенных примеров, усилитель по второму примеру показал пониженное усиление, вводя, кроме того, такой шум, что прием передаваемого сигнала затруднителен, а указанный усилитель практически бесполезен, тогда как усилитель, использующий активное волокно в соответствии с изобретением, как очевидно из первого упомянутого примера, доказал свою способность создания высокого усиления наряду с незначительным вводимым шумом.

Полученный результат вызван наличием самария в активном волокне в качестве легирующего вещества. Фактически, самарий ведет себя как поглотитель эмиссии эрбия с длиной волны 1531 нм, и в то же время он существенно не поглощает световую мощность с большей длиной волны, "выравнивая" таким образом эмиссионный спектр активного волокна, так что оно может работать на передаваемых сигналах в диапазоне достаточно широком, чтобы позволить применять большинство коммерческих полупроводниковых лазеров (In, Ga, As).

На фиг. 5 показана кривая поглощения на единицу длины волокна, легированного самарием. Наличие самария в волокне вызывает для длины волны существенно ниже 1540 нм поглощение гораздо большее, чем поглощение, показанное между 1540 и 1560 нм. Это означает, что самарий, введенный в волокно по настоящему изобретению, ведет себя как "фильтр", распределенный вдоль активного волокна, поглощая фоны, излучаемые на 1531 нм, когда те генерируются самопроизвольным затуханием лазерной эмиссии Er³⁺, устраняя их движение вперед в активном волокне, вызывающее дальнейшее затухание для этой длины волны и, следовательно, истощение энергии накачки в диапазоне длин волн, смежном со значением, на котором посылается полезный сигнал, и генерирование усиленного шумового фона.

Количество эрбия, содержащегося в активном волокне, выбирается в соответствии с требуемым усилением для используемой длины волны, т.е. в соответствии с количеством эрбия, содержащимся в волокне, в зависимости от усиления выбирается длина волокна. Обычно эрбий, содержащийся в волокне в виде окиси (Er₂O₃), изменяется по весу от 10 до 100 частей на тысячу.

В соответствии с этими значениями концентрация эрбия в волокне, концентрация самария по весу в виде окиси (Sm₂O₃) в волокне равна или предпочтительно больше концентрации эрбия, и концентрация самария задается
1≅ ≅ 10.

Легирующие вещества могут вводиться в волокно, например, методом "легирования раствором", хорошо известным в данной области техники, который обеспечивает удовлетворительные количественные результаты, либо другими хорошо известными методами в соответствии со специфическими потребностями.

Несмотря на то, что изобретение было, в частности, раскрыто применительно к использованию самария в качестве легирующего вещества в активном волокне, для этой же цели можно использовать иные легирующие вещества, при условии, что они имеют высокое поглощение света, соответствующего длине волны максимума самопроизвольной эмиссии эрбия, в частности около 1531 нм, в то же время обладая значительно меньшим поглощением света для длин волн больше этой длины волны, предпочтительно выше 1540 нм для всего диапазона длин волн допуска коммерческих лазерных излучателей сигнала.

Использование: для волоконного усилителя оптической линии телесвязи в диапазоне длин волн 1520 - 1570 нм. Сущность изобретения: оптическое волокно выполнено из кварцевого стекла, легированного ионами трехвалентных эрбия и самария. Содержание оксида эрбия составляет 10 - 100 частей на миллион (по весу). Соотношение оксидов самария и эрбия определяется следующим уравнением: 1≅ Sm₂O₃/Er₂O₃≅ 10 . 2 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. ОПТИЧЕСКОЕ ВОЛОКНО для волоконного усилителя оптической линии телесвязи, выполненное из кварцевого стекла, легированного ионами трехвалентных алюминия и эрбия, отличающееся тем, что, с целью обеспечения усиления сигнала телесвязи в диапазоне длин волн 1520 - 1570 нм, оно дополнительно легировано ионами трехвалентного самария. 2. Оптическое волокно по п.1, отличающееся тем, что содержание оксида эрбия составляет 10 - 100 ч. на миллион (по массе). 3. Оптическое волокно по п.2, отличающееся тем, что соотношение оксидов самария и эрбия определяется уравнением
1≅ ≅ 10.