ОПТИЧЕСКИЙ УСИЛИТЕЛЬ МОЩНОСТИ Российский патент 1995 года по МПК H01S3/16 

Изобретение относится к оптическому силовому усилителю с активным волокном, который обладает высокой эффективностью усиления.

Для передачи сигнала на дальнее расстояние по линии связи с оптическим волокном необходимо, чтобы те же самые сигналы доходили до приемной станции на достаточном уровне, позволяющем распознавание и использование, поскольку при распространении по оптическому волокну имеется ослабление светового сигнала, поступающего на приемную станцию, находящуюся в десятках или сотнях километров, сигнал, первоначально поданный в волокно, должен иметь наивысший возможный уровень.

Однако лазеры, используемые для генерирования сигнала передачи, имеют немного ограниченную мощность, то есть не более, чем несколько мВт, тогда как более мощные лазеры не могут генерировать такие сигналы, таким образом, есть острая необходимость применять мощные усилители, принимать сигналы, выработанные лазером, и усиливать их до заданного уровня.

Известно, что оптические волокна, имеющие сердечник, легированный конкретными веществами, например редкоземельными ионами, дают возможность получить улучшенные выходные характеристики, подходящие для использования в качестве оптических усилителей.

Такие волокна фактически могут поставляться с источниками света, называемыми "источником накачки", для конкретной длины волны, соответствующей пику спектра поглощения легирующего вещества, которое может переводить атомы легирующего вещества, находящиеся в одном энергетическом состоянии, или полосу накачки, из которого те же самые атомы переходят спонтанно в очень короткое время в лазерное состояние, где они остаются относительно более длительное время.

Когда волокно, имеющее большое количество атомов в возбужденном состоянии на эмиссионном уровне, пересекается световым сигналом, имеющим длину волны, соответствующую такому состоянию эмиссии лазера, сигнал приводит к переходу возбужденных атомов на более низкий уровень, при этом световая эмиссия имеет ту же самую длину волны сигнала, поэтому волокно такого типа может использоваться для получения усиления оптического сигнала.

В частности, оптические усилители, использующие эрбий в качестве лазерно-эмиссионного материала, хорошо известны, и в них используется флуоресценция эрбия около 1550 нм для усиления сигнала в таком диапазоне, в котором имеются наилучшие характеристики передачи линейного волокна с точки зрения ослабления сигнала.

Силовые оптические усилители, использующие волокна, легированные эрбием, описаны в [1] В [1] описан усилитель мощности, в котором используются волокна двуокиси кремния, легированные германием и эрбием, накачанные лазером Nd-YAG, с удвоением по частоте до 532 нм.

Однако такой усилитель имеет очень низкий коэффициент усиления (подразумеваемый как отношение между мощностью сигнала передачи на выходе по отношению к поданной мощности накачки), ниже 20% который очень далек от максимальной теоретической величины коэффициента усиления.

В [2] описаны волокна типа Al/Er, в которых в качестве вещества, используемого для получения профиля показателя преломления, подходящего для направления света, взят Al₂O₃, волокна подходят для оптических усилителей с накачкой при длине волны 514,5 нм, например, с аргоновым лазером.

В соответствии с этой патентной заявкой применения волокон типа Al/Er приводит к предпочтению волокон Ge/Er, если производится накачка с указанной длиной волны 514,5 нм, потому что они позволяют исключить явление поглощения в возбужденном состоянии, которое наблюдается у волокон Ge/Er, при такой длине волны.

Для получения большого коэффициента усиления, с другой стороны, удобно использовать относительно большие длины волн накачки, в частности полезна длина волны 980 нм, потому что коэффициент усиления в усилителе мощности пропорционален длине волны накачки.

Смысл данного изобретения заключается в реализации усилителя мощности, который имеет большой коэффициент усиления в соответствии с относительно большой длиной волны накачки, которая составляет более 520 нм.

Данное изобретение относится к оптическому усилителю мощности, содержащему активное легированное волокно, содержащее в сердечнике Al₂O₃, изменяющее показатель преломления, и эрбий в качестве флуоресцентного покрытия, стимулированное с лазером накачки через соответствующий дихроичный соединитель и соединенное с генератором передающих сигналов через оптическую волоконную линию телесвязи, отличающемуся тем, что он эффективно связан с генератором для управления в условиях насыщения стимулированным выходом упомянутого выше флюоресцентного материала и вдоль него, причем лазер накачки возбужден длиной волны около 980 нм.

Концентрация эрбия в волокне: вес Er₂O₃ составляет от 30 до 2000 частей на миллион и предпочтительно от 30 до 1000 частей на миллион.

Активное волокно может быть мономодальным на длине волны сигнала передачи, но не на длине волны накачки, для получения большой мощности накачки внутри всего сечения того же самого волокна.

Или же активное волокно может быть мономодальным на длине волны сигнала передачи и на длине волны накачки с целью снижения потерь соединения с дихроическим соединителем лазера накачки.

В предпочтительном варианте оптический усилитель мощности в соответствии с изобретением содержит два лазера накачки, соединенные с обоими концами активного волокна посредством соответствующих дихроических соединителей, ориентированных так, что входное направление мощного света, излученного лазером накачки, направлено в сторону того же самого активного волокна.

На фиг. 1 схема оптической линии телекоммуникации с усилителем мощности; на фиг. 2 схема оптического усилителя мощности, в котором используют активное волокно; на фиг. 3 схема энергетического перехода волокна для усилителя в соответствии со схемой на фиг. 2, подходящего для выработки стимулированного (лазерного) выхода; на фиг. 4 схема выходной мощности по отношению к мощности накачки в усилителе мощности, использующем активное волокно в соответствии с изобретением; на фиг. 5 соотношение выходной мощности и мощности накачки в усилителе мощности, использующем активное волокно типа Ge/Er; на фиг. 6 спектр флуоресценции волокна в соответствии с изобретением и волокна Ge/Er.

Линия телекоммуникации с оптическими волокнами, схематически представленная на фиг. 1, в общем случае содержит установку 1 для излучения сигналов передачи, оптическую волоконную линию 2, подходящую для передачи на дальнее расстояние вводимых в нее сигналов, и приемную станцию 3, на которую прибывают сигналы.

Для ввода оптических сигналов в линию 2 телекоммуникации на оптических волокнах, причем сигналы имеют начальный уровень мощности, который достаточно высок для достижения ими приемной станции 3, расположенной в сотнях или десятках километрах от источника 1, имеется достаточный уровень мощности для чувствительности приемного устройства, находящегося в ней, несмотря на неизбежное ослабление из-за дальней траектории внутри волокна, оптические сигналы, которые вырабатываются лазерным излучателем, находящимся в излучающей станции 1, соответствующим образом усиливаются посредством усилителя 4 мощности.

Фактически полезным лазером для генерирования сигналов передачи, работающим на длине волны, при которой характеристики передачи волокна являются наилучшими, то есть соответствуют так называемому третьему окну порядка 1500-1600 нм, является полупроводниковый лазер, модулированный и с хорошими спектральными характеристиками, но такие лазеры имеют уровень выходного сигнала немного низкий, не превышающий порядка 3 дБм (около 5 мВт), поэтому вырабатываемый ими сигнал должен быть соответственно усилен до более высокого уровня, например до 15-20 дБм перед его вводом в линию.

Для осуществления оптического усиления сигналов, вводимых в линию с оптическими волокнами, для телекоммуникации используют усилители мощности с оптическими волокнами.

Структура усилителя с оптическим волокном показана схематически на фиг. 2, сигнал передачи, имеющий длину волны λ_s, отправляют на дихроический соединитель 5, где он входит в одиночное выходное волокно 6 с сигналом накачки длиной волны λ_p, выработанным лазером 7 накачки, активное волокно 8 соответствующей длины, соединенное с волокном 6, выходящим из соединителя, обусловливает усилитель сигнала, который вводится таким образом в линейное волокно 2, отправляясь к месту назначения.

В общем случае оптический усилитель описанного типа дает возможность использовать оптическое активное волокно 8 с добавкой двуокиси кремния в растворе с Er₂O₃, что согласуется с получением усиления сигнала передачи, при которой используют стимулированный переход эрбия.

Как показано на диаграмме фиг. 3, представляющей в символическом виде имеющееся энергетическое состояние для иона эрбия в растворе в кристаллической решетке двуокиси кремния волокна, введение в активное волокно световой энергии с длиной волны накачки λ_d, меньшей, чем λ_s сигнала передачи, производит определенное число ионов Er³⁺, присутствующего в качестве легирующего вещества в стекловолоконной кристаллической решетке при возбужденном энергетическом состоянии 9, или полосе "накачки", от которой ионы спонтанно переходят на энергетический уровень 10, обусловливающий уровень эмиссии лазера.

На выходном уровне 10 лазера ионы Er³⁺ могут оставаться относительно долгое время до спонтанного перехода на базовый уровень 11.

Как известно, во время перехода с полосы 9 на уровень 10 происходит выделение тепла, которое рассеивается вовне волокна (фотонное излучение), при переходе от уровня 10 к базовому уровню 11 вырабатывается световое излучение, состоящее из фотона с длиной волны, соответствующей энергетической величине уровня 10 лазерной эмиссии, если волокно, содержащее большое количество ионов на уровне лазерной эмиссии, пересекается сигналом с длиной волны, соответствующей такому уровню эмиссии, сигнал вызывает стимулированный переход нужных ионов с уровня эмиссии на базовый уровень перед их спонтанным распадом, связанным с соответствующим выходом фотонов в фазе с фотонами сигнала, что является началом явления "водопада", при котором на выходе активного волокна происходит эмиссия сигнала передачи с большим усилением.

При наличии сигналов на выходе активного волокна с низким уровнем энергии, например сигнала, который ослаблен после достижения большой дальности внутри оптического волокна, и при условиях малых выходных мощностей, световая энергия P_u сигнала передачи с длиной волны λ_s на выходе из активного волокна пропорциональна мощности Р_i того же самого сигнала на входе волокна и константа пропорциональности между ними определяется как коэффициент усиления G в соответствии с равенством P_u=G ˙ P_i.

Такой рабочий режим является типичным для линейных усилителей, расположенных вдоль оптического волокна линии телекоммуникации, для восстановления до достаточного уровня сигнала, ослабленного после прохождения определенной траектории в волокне.

В присутствии входного сигнала большой мощности и при большой выходной мощности, существенно большей, чем 5% вводимой мощности накачки, оптический усилитель работает в режиме насыщения и выдает выходную мощность, которая практически не зависит более от входной мощности, но только от мощности накачки, в присутствии большого числа фотонов внутри активного волокна фактически ограничена емкость волокна по отношению к эмиссии новых фотонов ввиду стимулированных переходов с уровня лазера 10 за счет возможности, коррелированной с вводимой мощностью накачки, создавать достаточное количество ионов эрбия на лазерном уровне 10 и она не зависит от числа фотонов во входном сигнале, то есть от входной мощности, вводимой в волокно.

Такие рабочие условия являются типичными для усилителей мощности и для них имеется соотношение P_u=K ˙P_p, где P_u является мощностью на выходе; Р_р является мощностью накачки и К является константой пропорциональности, которая представляет в веществе коэффициент усиления усилителя.

Максимальным КПД усилителя является теоретически КПД соответствующей ситуации, при которой для каждого фотона, поданного внутрь волокна при длине волны накачки λ_p, который вызывает переход примеси от базового уровня 11 на лазерный уровень 10, имеется фотонная эмиссия в присутствии сигнала на длине волны λ_s передачи, такие условия соответствуют КПД усиления, называемому квантовым КПД, то есть КПД, который является отношением между энергией фотона на выходе и энергией фотона на входе или, по определению, между длиной волны входного фотона, который является фотоном накачки, и длиной волны выходного фотона, который является фотоном перехода:
Е_q=λ_p/ λ_s.

В случае, когда длина волны сигнала передачи составляет порядка 1550 нм, а длина волны накачки составляет 980 нм, квантовый КПД составляет около 63%
Для получения высокого КПД усиления необходимо поэтому работать в соответствующих режимах с большим квантовым КПД, использовать относительно большую длину волны накачки, кроме того, достигая как можно больше квантовый КПД.

В частности, использование малых длин волн накачки существенно ниже 520 нм дает очень низкую величину квантового КПД (ниже 33%) и очень слабый коэффициент усиления даже в лучших из случаев при использовании усилителей, имеющих КПД, равный квантовому КПД.

Для реализации усилителя мощности описанного выше типа мы установили, что активные волокна из двуокиси кремния, легированные Al₂O₃ для получения необходимого профиля показателя преломления, содержащие эрбий в качестве добавки при лазерной эмиссии, представляют очень высокий коэффициент усиления, идущий следом за описанным выше квантовым КПД, соответствующим длине волны накачки, большей 520 нм, и, в частности, в соответствии с пиком поглощения эрбия на 980 нм.

Описанные выше волокна получены с помощью технологии растворной добавки, хорошо известной в технике, посредством которой главная добавка, то есть Al₂O₃ и флуоресцентная добавка, то есть Еr³⁺, включены в сердечник волокна путем погружения в водный раствор, соответствующий по содержанию солей, причем трубчатая предварительная форма имеет один внутренний сплавленный слой, который затем спекается и оседает, вытягивая из него волокно.

Описание волокон такого типа и соответствующего способа реализации содержится в патентной заявке Великобритании N 8813769.

Для реализации усилителей мощности в соответствии с данным изобретением волокна, дополненные Al₂O₃, содержат некоторое количество эрбия, выраженное как концентрация веса Еr₂O₃, между 30 частями на миллион и 2000 частями на миллион и предпочтительно от 30 до 1000 частей на миллион, содержимое добавки, изменяющей показатель преломления, то есть Al₂O₃, и радиальный профиль показателя преломления в колонке могут выбираться на основе специфических острых потребностей применения и не обусловлены целями данного изобретения.

В частности, числовое отверстие и модовый диаметр волокна своевременно выбирают так, чтобы происходило согласование соединения с низкими потерями в линейном волокне, тогда как содержание эрбия и его радиальное распределение в волокне могут выбираться в соответствии с длиной выбранного активного волокна входной мощностью и т.п. в соответствии с известными критериями.

Активное волокно является волокном мономодальным на длине волны накачки с целью согласования входа волокна с большим возможным количеством энергии накачки, распределенным по всему сечению, использование волокна, мономодального на длине волны λ_p накачки, может, однако, быть подходящим для упрощения и снижения потерь соединения волокна с дихроическим соединителем 5.

При использовании таких волокон имеется возможность создать усилитель мощности в соответствии со схемой, показанной на фиг. 2 и в предшествующем описании, с целью поддержания большой величины мощности накачки по всей длине активного волокна 8 и увеличения общей мощности накачки, вводимой в волокно, можно создать второй лазер 12 накачки далее по ходу от активного волокна, причем соответствующий дихроический соединитель 13 ориентирован в сторону того же самого волокна.

Это позволяет, в частности, использовать лазер накачки при не слишком большой мощности с целью неполучения соответствующего ухудшения сигнала, в то же время подавая всю необходимую мощность на активное волокно.

За счет применения волокна, легированного Аl₂О₃ и Еr³⁺ с накачкой при 980 нм ( ±5 нм), можно получить очень большой коэффициент усиления, близкий к упомянутому квантовому КПД, но, однако, больший 60% этой величины, традиционные волокна с добавкой германия имеют очень низкий коэффициент усиления: ниже 30% квантового КПД.

На фиг. 4 показана диаграмма выходной мощности Рu в функции мощности накачки Рр для усилителя, реализованного с применением волокна в соответствии с изобретением (AlEr), причем волокно имело следующие характеристики:
Числовая апертура 0,16; содержание эрбия (вес от Er₂О₃) 350 частей на миллион; длина волны отсечки ( λ отсечки) 930 нм; диаметр моды поля (МFD) при 1536 нм 8,14 мкм.

На входе усилителя мощность сигнала передачи, имеющего длину волны λ_s= 1536 нм, составляла Р_i=-2 дБм, длина волны накачки λ_p составляла λ_p=980 нм, и активное волокно имело длину 3,7 м.

При таких условиях мы получили коэффициент усиления, по существу равный квантовому КПД.

Для сравнения на фиг. 5 показана диаграмма выходной мощности Рu от мощности накачки Рр для усилителя, реализованного с использованием традиционного волокна (Ge/Er), при этом волокно имело следующие характеристики:
Числовая апертура 0,21; (содержание эрбия (вес Еr₂О₃) 300 частей на миллион.

Длина волны отсечки ( λ отсечки) 980 нм.

Диаметр моды поля (МFD) при 1536 нм 5,82 мкм.

На входе усилителя мощность сигнала передачи, имеющего длину волны λ_s= 1536 нм, составляла Р_i=0 дБм, длина волны накачки составляла λ_p=980 нм, и длина активного волокна составляла 4 м.

Полученный КПД усиления составлял в данном случае 16% что примерно равно 25% квантового КПД.

При сравнении диаграмм можно сделать вывод, что волокно Аl/Er имеет лучшие характеристики, чем волокно Ge/Er.

Волокно Аl/Er имеет спектр флуоресценции более широкий, чем у волокна Ge/Er, что видно на кривых А и G на фиг. 6, за счет этого такой источник активного волокна имеет больший шум по сравнению с волокном Ge/Er ввиду спонтанного распада ионов эрбия, при котором получается другая длина волны в отличие от длины волны сигнала, в случае их применения в качестве линейных усилителей, имеющих низкую выходную мощность по сравнению с мощностью накачки.

Для использования в качестве усилителей мощности мы установили, что волокна Al/Er не имеют существенного выходного шума по сравнению с волокнами Ge/Er, мы считаем, что это происходит потому, что в режиме насыщения, описанном выше, в котором работает усилитель мощности, в волокнах Al/Er, по существу все ионы эрбия, переведенные на лазерный уровень, распадаются на базовый уровень фотоном сигнала, что подтверждает КПД усиления, близкий к квантовому КПД, у данных волокон, и таким образом практически не подвергается спонтанному распаду, вызывающему шум, и, кроме того, можно пренебречь в любом случае уровнем выходной мощности сигнала.

Расширение спектра флуоресценции волокна, кроме того, приводит к согласованию в выборе с большей степенью свободы длины волны передачи, что позволяет, например, принять больший по ширине рабочий допуск в сигнале лазера.

Волокна в соответствии с данным изобретением оказываются особенно выгодными для применения в качестве оптических усилителей с силовым волокном, что дает КПД усиления заметно больший, чем у известных волокон.

Могут быть произведены различные изменения без отхода от объема данного изобретения в его основных характеристиках.

Применение: в оптических усилителях мощности, в частности для линий телекоммуникаций на оптических волокнах. Сущность: усилитель содержит активное волокно с добавкой флуоресцентного вещества, в частности Эрбия, с накачкой посредством лазера накачки с выходом на длине волны 980 нм, причем активное волокно содержит Al₂O₃ в качестве добавки, изменяющей показатель преломления, усилитель обладает, в частности, высоким КПД усиления, близким к максимальному теоретическому КПД. 5 з. п. ф-лы, 6 ил.

1. ОПТИЧЕСКИЙ УСИЛИТЕЛЬ МОЩНОСТИ, содержащий активное легированное волокно, содержащее в сердечнике Аl₂О₃ в качестве легирующей примеси, изменяющей показатель преломления, и эрбий в качестве флуоресцирующей легирующей примеси, возбуждаемое лазером накачки через соответствующий дихронический соединитель и подключенное к генератору передающих сигналов посредством оптико-волоконной линии телесвязи, отличающийся тем, что он эффективно связан с генератором для управления в условиях насыщения стимулированным выходом упомянутого выше флуоресцентного легированного материала сердечника, при этом лазер накачки осуществляет возбуждение на длине волны около 980 нм. 2. Усилитель по п.1, отличающийся тем, что концентрация эрбия в волокне, отнесенная к весу Er₂О₃, составляет 30 2000 ррм. 3. Усилитель по п.2, отличающийся тем, что концентрация эрбия в волокне, отнесенная к весу Еr₂О₃, составляет 30 1000 ррм. 4. Усилитель по п. 1, отличающийся тем, что активное волокно является одномодовым на длине волны сигнала передачи, но не длине волны накачки. 5. Усилитель по п. 1, отличающийся тем, что активное волокно является одномодовым на длине волны сигнала передачи и на длине волны накачки. 6. Усилитель по п.1, отличающийся тем, что в него дополнительно введен второй лазер накачки, причем лазеры накачки соединены с двумя концами активного волокна посредством соответствующих дихроических соединений, ориентированных так, что направление входа светового излучения лазеров накачки обращено в сторону активного волокна.