ВОЛОКОННЫЙ СВЕТОВОД ОПТИЧЕСКОГО КВАНТОВОГО УСИЛИТЕЛЯ Российский патент 1996 года по МПК H01S3/07 

Изобретение относится к технической физике, в частности к устройствам для усиления лазерного излучения, и может быть использовано для линейного усиления мощного лазерного излучения в волоконно-оптических линиях связи, сетях, информационно-измерительных системах, системах кабельного телевидения и т.п.

Усилители света на основе активированных волокон находят широкое применение в науке и технике. К преимуществам таких усилителей относятся возможность получать высокие коэффициенты усиления (до 20-30 дБ) при накачке лазерными диодами с мощностью излучения 10-50 мВт, большая ширина линии усиления, что позволяет усиливать импульсы пикосекундного и субпикосекундного диапазонов, хорошее геометрическое согласование с используемыми в линиях связи волоконными световодами, отсутствие зависимости усиления от поляризации усиливаемого излучения.

В последнее время возрос интерес к мощным волноводным лазерам и усилителям. Это обусловлено тем, что в волноводных системах легче решается проблема сохранения одномодовой структуры лазерного излучения, а использование в качестве волновода волоконного световода облегчает отвод тепла.

Мощные волоконные квантовые усилители оптического диапазона позволяют решить ряд практических задач увеличение расстояния мощу ретрансляторами в волоконной линии связи, расширение динамического диапазона аналоговых линий связи, разветвление оптического сигнала в большое число каналов, использование нелинейных оптических явлений в волоконном световоде для обработки информации.

Известен волоконный световод оптического квантового усилителя [1] состоящий из сердцевины и окружающей ее оболочки, причем упомянутая сердцевина легирована ионами Er³⁺. Волоконный световод выполнен на основе кварцевого стекла.

Данный волоконный световод оптического квантового усилителя работает следующим образом. Излучение накачки, введенное через один из торцов световода, распространяется вдоль световода. Энергия излучения накачки в основном сконцентрирована в сердцевине световода, что обеспечивает его хорошее перекрытие с легированной областью и эффективное поглощение излучения накачки активатором. Таким образом, за счет оптической накачки активатора в сердцевине создается среда с инверсной населенностью. Излучение сигнала вводится в сердцевину через любой из торцов световода. Энергия сигнальной волны, распространяющейся вдоль световода, сосредоточена в основном в сердцевине световода. Благодаря этому сигнальная волна эффективно взаимодействует с активатором, приводя к индуцированным переходам в основное состояние с излучением на длине волны сигнала, что и обуславливает усиление сигнальной волны.

Высокая интенсивность излучения накачки в сердцевине световода позволяет получать значительные коэффициенты усиления при сравнительно низкой мощности накачки. В данном волоконном световоде получено усиление 46,5 дБ при мощности накачки 133 мВт на длине волны 1,48 мкм.

Описанный волоконный световод обладает существенным недостатком. Рост мощности сигнального излучения приводит к насыщению усиления, что обуславливает падение коэффициента усиления даже при сравнительно малых мощностях сигнала. Так, малосигнальный коэффициент усиления этого волоконного световода составляет 46,5 дБ, он уменьшается на 3 дБ при мощности сигнала на выходе 32,4 мВт. Это обстоятельство препятствует реализации значительной средней интенсивности выходного сигнального излучения.

Известен волоконный световод для оптического квантового усилителя [2] выбранный нами за прототип и состоящий из сердцевины, коаксиально расположенной световедущей области, окружающей упомянутую сердцевину, и окружающей их оболочки, причем сердцевина легирована ионами Nd³⁺.

Данный волоконный световод оптического квантового усилителя работает следующим образом. Излучение накачки через один из торцов световода вводится в световедущую область. Оно распространяется вдоль световода и поглощается активатором вследствие перекрытия с легированной активатором сердцевиной. Таким образом, за счет оптической накачки активатора в сердцевине создается среда с инверсной населенностью. Излучение сигнала вводится через любой из торцов световода в сердцевину. Энергия сигнальной волны, распространяющейся вдоль световода, сосредоточена в основном в сердцевине световода, и благодаря этому сигнальная волна эффективно взаимодействует с активатором, приводя к индуцированным переходам в основное состояние с излучением на длине волны сигнала, что и обуславливает усиление сигнальной волны.

Преимуществом описанного волоконного световода является возможность осуществления накачки излучением мощного многомодового лазерного диода при сохранении одномодового режима распространения для сигнального излучения.

Устройство-прототип обладает существенными недостатками. Рост мощности сигнального излучения приводит к насыщению усиления, что обуславливает падение коэффициента усиления даже при сравнительно малых мощностях сигнала. Так, малосигнальный коэффициент усиления этого волоконного световода составляет 11 дБ, он уменьшается на 3 дБ при мощности сигнала на выходе 19 мВт. Это обстоятельство препятствует реализации значительной средней интенсивности выходного сигнального излучения. Поскольку световедущая область окружает сердцевину, она имеет сравнительно большую площадь поперечного сечения, что уменьшает интенсивность излучения накачки и приводит к увеличению пороговой мощности накачки, если сердцевина активирована ионами редкоземельного элемента, работающего по трехуровневой схеме. Последнее, в свою очередь, ведет к увеличению требуемой мощности накачки и снижению КПД усилителя.

Задача предлагаемого изобретения состоит в увеличении средней интенсивности выходного сигнального излучения J_max, насыщающего волоконно-оптический квантовый усилитель, без увеличения пороговой мощности накачки, когда усилитель выполнен на основе волоконного световода, легированного ионами редкоземельных элементов, работающих по трехуровневой схеме.

Данная задача решается благодаря тому, что в волоконном световоде оптического квантового усилителя, состоящем из сердцевины, световедущей области и окружающей их оболочки, согласно формуле изобретения упомянутая световедущая область легирована ионами редкоземельных элементов и расположена на расстоянии R от оси сердцевины, которое удовлетворяет соотношению

где J_max наперед заданное значение средней интенсивности выходного сигнального излучения, насыщающей усилитель, J_max ≥ (hcG₀lnγ)/((σ_s+ σ₁₂) τλ_s(G₀ - γ));;
γ заданное отношение коэффициента усиления в режиме малосигнального усиления к коэффициенту усиления при уровне средней интенсивности выходного сигнального излучения J_max;
G₀ малосигнальное усиление;
t время жизни на верхнем лазерном уровне;
l_s длина волны используемого лазерного перехода иона редкоземельного элемента;
σ_s сечение индуцированного излучения на длине волны λ_s;
σ₁₂ сечение поглощения на длине волны λ_s;
h постоянная Планка;
с скорость света в вакууме;
α_s(R) коэффициент перекрытия моды сигнального излучения с инверсией населенности, α_s(R) задается следующим выражением:

где функция, описывающая поперечное распределение энергии в моде усиливаемого излучения, распределение инверсии населенности в активированной области, координаты в плоскости поперечного сечения световода, z координата вдоль световода. Интегрирование в (2) выполняется по поперечному сечению волоконного световода.

Расстоянием R от оси сердцевины до световедущей области мы называем расстояние от оси сердцевины до ближайшей точки световедущей области в плоскости поперечного сечения световода.

Заметим, что форма световедущей области в поперечном сечении может быть произвольной. Например, она может иметь форму круга, кольца, ось которого совпадает с осью сердцевины, или может быть несколько световедущих областей.

Концентрация ионов редкоземельных элементов в световедущей области произвольна.

Доказательство существенности признаков.

Необходимость использования световедущей области, легированной ионами редкоземельных элементов, обусловлена тем, что в этом случае имеет место хорошее перекрытие между излучением накачки, распространяющемся в световедущей области, и активатором, что позволяет получить меньшую по сравнению с устройством-прототипом величину пороговой мощности накачки в случае, когда активатор работает по трехуровневой схеме.

Световедущая область должна быть расположена на расстоянии R от оси сердцевины для того, чтобы активатор находился в той части световода, где поле сигнальной волны, распространяющейся в сердцевине, уменьшается по отношению к его значению на оси сердцевины. Это приводит к уменьшению скорости опустошения верхнего лазерного уровня, а следовательно, насыщение усиления происходит при большей по сравнению с устройством-прототипом средней интенсивности выходного сигнального излучения без увеличения пороговой мощности накачки, когда усилитель выполнен на основе волоконного световода, легированного ионами редкоземельных элементов, работающих по трехуровневой схеме.

Расстояние R от оси сердцевины до световедущей области должно удовлетворять соотношению (1), которое получено авторами следующим образом.

Для мощности сигнального излучения на выходе усилителя, которая приводит к падению усиления в γ раз по отношению к малосигнальному усилению, авторами получено следующее выражение:

η квантовая эффективность, l_p длина волны излучения накачки, q = W_sσ_p/W_p(σ_s + σ₁₂), W_s и W_p площади поперечного сечения сигнальной моды и моды излучения накачки соответственно, σ_p сечение поглощения накачки активатором, P_p0 мощность излучения накачки на выходе усилителя в режиме малосигнального усиления, α_p коэффициент перекрытия между излучением накачки и инверсией населенности, α_p задается выражением

где функция, описывающая поперечное распределение энергии излучения накачки.

Мощность излучения накачки на выходе усилителя P_p0 не должна быть меньше порогового значения

Поскольку излучение накачки распространяется в световедущей области, где находится активатор, обеспечивается малая величина пороговой мощности накачки P_th и вместо (3) имеем

Тогда, если J_max наперед заданное значение максимальной средней интенсивности выходного сигнального излучения, положив J_max = P_sγ /W_s, из (4) получим выражение (1). Кроме того, поскольку α_s(R) ≅ 1, должно быть выполнено условие J_max ≥ (hcG₀lnγ)/((σ_s+ σ₁₂) τλ_s(G₀ - γ)).. Не выполнение условия (1) приведет к падению средней интенсивности выходного сигнального излучения.

Таким образом, каждый из признаков необходим, а все вместе они достаточны для решения поставленной задачи.

На момент подачи заявки из знания мирового уровня техники авторам не известна заявленная совокупность признаков, хотя по отдельности некоторые из них были отражены в публикациях. Так, например, известно техническое решение [2] в совокупность признаков которого входит наличие сердцевины, световедущей области и окружающей их оболочки, однако, находясь в другой, отличной от заявленной нами совокупности признаков, в [2] достигается и отличный от нашего положительный эффект, состоящий в том, что данный волоконный световод дает возможность осуществлять накачку излучением мощного многомодового лазерного диода при сохранении одномодового режима распространения для сигнального излучения.

Только вся заявленная нами совокупность признаков в результате их взаимовлияния позволила выявить новый технический эффект, состоящий в том, что описанный в формуле изобретения волоконный световод оптического квантового усилителя позволяет увеличить среднюю интенсивность выходного сигнального излучения, насыщающего волоконно-оптический квантовый усилитель, без увеличения пороговой мощности накачки, когда усилитель выполнен на основе волоконного световода, легированного ионами редкоземельных элементов, работающих по трехуровневой схеме. Причем упомянутый новый технический эффект не следует из сведений, входящих в уровень техники, и не очевиден, а установлен авторами в результате проведенных ими исследований.

Таким образом, изобретение является новым и имеет изобретательский уровень.

На фиг. 1 показано поперечное сечение заявленного волоконного световода оптического квантового усилителя. Световод содержит сердцевину 1, световедущую область 2, оболочку 3.

На фиг. 2 показано поперечное сечение волоконного световода оптического квантового усилителя, выбранного нами в качестве устройства-прототипа. Световод содержит сердцевину 1, световедущую область 2, оболочку 3.

Заявленный волоконный световод оптического квантового усилителя работает следующим образом. Излучение накачки вводится через один из торцов световода в световедущую область. Поскольку активатор сосредоточен в световедущей области, происходит эффективное поглощение излучения накачки активатором, за счет оптической накачки активатора в световедущей области создается среда с инверсной населенностью. Хорошее перекрытие между активатором и излучением накачки позволяет иметь малые пороговые мощности накачки в случае, если используется активатор, работающий по трехуровневой cхеме.

Через любой из торцов волокна в cepдцевину вводится сигнальное излучение, которое взаимодействует с активатором благодаря перекрытию сигнальной моды со световедущей областью и вызывает индуцированные переходы с верхнего лазерного уровня на нижний с испусканием кванта света на длине волны сигнала, что и приводит к усилению сигнального излучения. Т.к. активатор сосредоточен в световедущей области, а сигнальная мода имеет максимальное значение интенсивности на оси сердцевины, коэффициент перекрытия между сигнальной модой и инверсией населенности оказывается мал, что ведет к уменьшению скорости опустошения верхнего лазерного уровня сигнальным излучением. Причем уменьшение коэффициента перекрытия между сигнальной модой и инверсией населенности не сопровождается уменьшением коэффициента перекрытия между излучением накачки и инверсией населенности, поэтому не происходит увеличения пороговой мощности накачки в случае, если используется активатор, работающий по трехуровневой схеме.

Выбором параметров световода, включая расстояние между осью сердцевины и световедущей областью, можно выровнять скорости накачки и опустошения верхнего лазерного уровня для любого наперед заданного значения максимальной средней интенсивности выходного сигнального излучения J_max. Таким образом, при условии выполнения соотношения (1) обеспечивается малосигнальный режим работы усилителя для средней интенсивности выходного сигнального излучения в диапазоне от О до J_max.

Пример конкретного исполнения.

Волоконный световод оптического квантового усилителя изготовлен на основе кварцевого стекла. Световедущая область активирована ионами Er³⁺. Данный активатор работает по трехуровневой схеме. Длина волны лазерного перехода лежит в диапазоне 1,53 1,55 мкм.

Волоконный световод имеет следующие параметры. Диаметр сердцевины световода 6 мкм, числовая апертура 0,16. Световедущая область в поперечном сечении световода имеет форму круга диаметром 6 мкм, ее числовая апертура 0,16. Активатор равномерно распределен в поперечном сечении световедущей области. Внешний диаметр световода 125 мкм. Сигнальное излучение распространяется в основной моде сердцевины, излучение накачки распространяется в основной моде световедущей области. В этом случае α_p = 0,63, α_s = 1,5•10^-3.

Накачка осуществляется излучением с длиной волны λ_p 1,49 мкм, длина волны используемого лазерного перехода иона редкоземельного элемента λ_s 1,531 мкм. Параметры активатора имеют следующие значения: σ_p 2,5•10^-25 м², σ_s 8,1•10^-25 м², σ₁₂ = 0,59•σ_s, τ 10 мс, h 1. Пороговая мощность накачки на выходе усилителя P_th 1,1 мВт.

При мощности излучения накачки на входе усилителя 300 мВт малосигнальный коэффициент усиления составляет 8,2 дБ. Среднюю мощность сигнала на выходе усилителя, при которой усиление падает на 3 дБ, зададим равной 150 мВт, что соответствует J_max 6,6•10⁹ Вт/м², тогда соотношение (1) выполнено, если R 3,8 мкм. В устройстве-прототипе падение усиления на 3 дБ происходит при мощности сигнала на выходе 19 мВт.

Т. е. поставленная задача решена. Заявленный волоконный световод обеспечивает среднюю интенсивность выходного сигнального излучения, насыщающую усилитель, в 7,5 раз превышающую соответствующую характеристику устройства-прототипа, при этом не происходит увеличения пороговой мощности излучения накачки.

Дополнительным преимуществом заявленного волоконного световода является то, что он позволяет создавать усилители с КПД, более высоким по сравнению с устройством-прототипом.

Использование: в технической физике, в частности в устройствах для усиления лазерного излучения. Сущность изобретения: волокнистый световод оптического квантового усилителя выполнен в виде волоконного световода, состоящего из сердцевины, световедущей области и окружающей их оболочки. Световедущая область легирована ионами редкоземельных элементов. Расстояние от оси сердцевины до ближайшей точки световедущей области удовлетворяет определенному соотношению. Устройство увеличивает среднюю интенсивность выходного сигнального излучения, насыщающего волоконно-оптический квантовый усилитель, без увеличения пороговой мощности накачки, когда усилитель выполнен на основе волоконного световода, легированного ионами редкоземельных элементов,работающих по трехуровневой схеме. 2 ил.

Волоконный световод оптического квантового усилителя, состоящий из сердцевины, световедущей области и окружающей их оболочки, отличающийся тем, что световедущая область легирована ионами редкоземельных элементов и расположена на расстоянии R от оси сердцевины, которое удовлетворяет соотношению

где J_max наперед заданное значение средней интенсивности выходного сигнального излучения, насыщающей усилитель,

γ- заданное отношение коэффициента усиления в режиме малосигнального усиления к коэффициенту усиления при уровне средней интенсивности выходного сигнального излучения J_max;
G₀ малосигнальное усиление;
τ- время жизни на верхнем лазерном уровне;
длина волны используемого лазерного перехода иона редкоземельного элемента;
сечение индицированного излучения на длине волны λ_s;
σ₁₂- сечение поглощения на длине волны λ_s;
h постоянная Планка;
с скорость света в вакууме;
α_s(R) коэффициент перекрытия моды сигнального излучения с инверсией населенности.