ОПТИЧЕСКИЙ УСИЛИТЕЛЬ ДЛЯ ПРИЕМА СИГНАЛОВ ПЕРЕДАЧИ В ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКОЙ ЛИНИИ СВЯЗИ Российский патент 1997 года по МПК H04B10/12 H01S3/30 

Изобретение относится к оптическому усилителю для волоконно-оптических линий связи и более конкретно к оптическому предусилителю, имеющему высокую эффективность, определяемую усилением относительно входной мощности накачки, и малое значение шума.2 В области линий связи недавно внедрены оптические волокно, у которых входным сигналом является модулированный свет. Такие оптические системы весьма удобны, в частности, благодаря тому, что оптические волокна могут передавать сигнал на большие расстояния с очень малыми ослаблениями.

Чтобы далее повысить расстояние передачи сигнала, уже известны оптические усилители, которые снабжаются отрезком так называемого "активного" волокна, в которое подается световая энергия "накачки" с меньшей длиной волны, чем у энергии сигнала, и энергии накачки вызывает внутри активного волокна переход имеющихся в нем добавок в состояние лазерной эмиссии. Наличие сигнала, имеющего длину волны, соответствующую указанному состоянию лазерной эмиссии, вызывает повышение затухания атомов добавок из лазерного состояния в основное состояние, которое связано с излучением света, согласующееся с сигналом, таким образом, вызывая его усилие.

Указанный оптический усилитель позволяет получить усиление сигнала в волокне без участия электронного устройства, которое требует, чтобы сигнал был преобразован из оптического в электрический, затем электрически усилен и снова преобразован в оптический сигнал, вводя тем самым в линию связи все ограничения, присущие электронному устройству, и, в частности, ограничивая частоту передачи.

Для своей работы оптические усилители нуждаются в источнике света накачки определенной длины волны меньшей, чем длина волны передачи, который вводится в волокно, несущее сигнал, через дихроичное устройство связи или оптический мультиплексер и рассеивается внутри активного волокна с повышением ослабления его световой мощности вдоль волокна главным образом вследствие передачи энергии добавкам, возбуждаемым в состояние лазерной эмиссии.

Следовательно, световая энергия накачки, определяющая усиление усилителя, внутри активного волокна плавно понижается, так что использование свойств активного волокна вдоль его длины становится значительно хуже.

Минимальная световая мощность, которая требуется каждой секции активного волокна, чтобы можно было получить усиление, называется пороговой мощностью, выше которой имеет место инверсия плотности атомов, т.е. имеется большее число атомов в возбужденном состоянии лазерной эмиссии, нежели в основном состоянии, и поэтому фотоны сигнала могут вызывать переход из состояния лазерной эмиссии в основное состояние световой эмиссии, таким образом создавая подъем усиления.

Наоборот, когда световая мощность ниже порогового значения, выше плотность атомов в основном состоянии и весьма вероятно, что фотоны сигнала будут сами переходить в возбужденное состояние, так что вместо усиления возникает ослабление сигнала.

Поскольку также при излучении света независимо от сигнала имеется возможность самопроизвольных затуханий из возбужденного состояния в основное состояние, определяемое как "шум", при наличии малых усилений, т.е. при мощности накачки чуть больше пороговой мощности, имеется высокое отношение сигнал/шум, которое ухудшает качество передачи. Фактически, когда значения мощности накачки близки к пороговым, т.е. в условиях пониженной инверсии плотности атомов, большее число атомов подвергается самопроизвольному затуханию относительно тех, у которых возникает стимулированный переход, образующий источник усиления. В результате имеется ухудшение отношения сигнал/шум.

По поводу этого явления, следует учесть, что активное волокно выбирается значительно меньшей длины, чем длина, соответствующая достижению пороговой мощности на его концевом участке.

Однако, таким образом часть мощности накачки недоиспользуется, так что в дополнение ограничивается эффективность усилителя, поскольку эта мощность рассеивается в передающем волокне после усилителя. Это может создать неудобства, в частности, когда описанный усилитель является предусилителем на конце линии передачи, подключенной к приемному электронному устройству.

Поэтому необходимо создать оптический усилитель, имеющий пониженное "значение шума", т.е. имеющий максимальное соотношение выходного сигнала к шуму, и способный устранить недоисползование мощности накачки на выходе усилителя.

Следовательно, настоящее изобретение направлено на создание оптического усилителя с активным волокном вышеописанного типа, обладающего высокой эффективностью по отношению к мощности накачки и способного достичь максимального использования активного волокна, сохраняя значение мощности накачки, по существу, постоянным на всем протяжении волокна, в то же время избегая распространения света накачки за пределы самого активного волокна.

Целью настоящего изобретения является оптический усилитель с волокном активного типа, приспособленный для присоединения к оптическому волокну в оптической системе связи, который имеет участок активного волокна, содержащего вещество лазерного излучения, приемлемый для присоединения к оптическому волокну линии связи и принимающий оттуда свет с длиной волны передачи, питаемый также от источника света с длиной волны накачки ниже, чем длина волны передачи, причем свет накачки может поглощаться активным волокном, отличающийся тем, что активное волокно имеет длину, соответствующую частичному поглощению непосредственно вводимого света накачки, и тем, что после активного волокна имеется селективный зеркальный элемент, который отражает свет с длиной волны накачки и прозрачен для света с длиной волны передачи.

Зеркальный элемент имеет отражающую способность в пределах активного волокна ниже -40 дБ на длине волны передачи и выше -10 дБ на длине волны накачки.

В соответствии с одним примером реализации изобретения зеркальный элемент состоит из дискретных компонентов, содержащих дихроичное зеркало и две фокусирующие группы, соответственно приспособленные так, чтобы посылать свет от активного волокна к дихроичному зеркалу и от дихроичного зеркала к оптическому волокну связи.

Как вариант зеркальный элемент состоит из одного или более монолитных оптических волоконных элементов.

В предпочтительном примере реализации зеркальный элемент состоит из оптического демультиплексера, имеющего входное волокно, присоединенное к концу активного волокна и приспособленное принимать длину волны передачи, и волокно накачки, мультиплексированное в единое волокно, и два выходных волокна, причем демультиплексер приспособлен так, чтобы определять длину волны передачи на одно из выходных волокон, а длину волны накачки на другое выходное волокно, выходное волокно, несущее длину волны передачи, присоединено к волокну линии связи, а выходное волокно, несущее длину волны накачки, снабжено на своем конце зеркалом, приспособленным так, чтобы отражать, по меньшей мере, длину волны накачки.

В данном примере реализации зеркало представляет дихроичное зеркало, имеющее отражательную способность на длине волны сигнала менее -20 дБ и на длине волны накачки более -5 дБ, а демультиплексер имеет разделение между длинами волн передачи и накачки выше -10 дБ.

Больше подробностей возникает из последующего описания предпочтительного примера реализации изобретения и прилагаемых рисунков.

Рис. 1 изображает схему оптического усилителя в соответствии с известным уровнем техники.

Рис. 2 представляет диаграмму, изображающую изменение мощности накачки и соответствующий подъем усиления в активном волокне усилителя по рис.1.

Рис.3 изображает схему оптического усилителя в соответствии с изобретением, содержащего устройство отражения.

Рис.4 представляет схему усилителя, изображенного на рис.3, в соответствии с определенным примером реализации.

Рис. 5 представляет диаграмму, показывающую изменение мощности накачки и соответствующий рост усиления в активном волокне усилителя по рис.3.

Конструкция оптического усилителя с волокном активного типа схематически показана на рис.1.

Оптический усилитель содержит волокно 1 оптической линии связи, дихроичный элемент 2, источник 3 сигнала накачки, волокна 4, 5, 7, отрезок 6 активного оптического волокна, селективный зеркальный элемент 8, выполненный в виде оптического демультиплексера 9 с разделением по длинам волн и зеркало 10.

К оптической линии связи подается сигнал передачи S_t с длиной волны S. Поскольку указанный сигнал после определенной длины оптического волокна 1 ослабляется, то с целью его усиления он подается на вход дихроичного элемента 2 или оптического мультиплексера известного типа, который соединяется со светом накачки L_p с длиной волны p, генерируемым источником 3 и подаваемым на вход дихроичного элемента 2 через соответствующее волокно 4, причем две длины волны, соединенные в одном и том же волокне 5, выходят из дихроичного элемента 2 и вводятся в отрезок 6 активного волокна.

В отрезке 6 в присутствии мощности световой накачки возникает световая эмиссия, которая стимулируется на длине волны S, таким образом усиливая подаваемый в него сигнал передачи S_t. затем передаваемый сигнал вводится в волокно 7 передачи и направляется по нему к пункту своего назначения, которым может быть либо другой отрезок оптического кабеля, либо оконечное приемное устройство.

В первом случае усилитель называется линейным усилителем, тогда как во втором случае узел называется "предусилителем", т.е. устройством, приспособленным для поднятия интенсивности оптического сигнала на конце линии передачи перед его преобразованием в электрический сигнал.

Как показано на рис.2, мощность световой накачки P внутри отрезка 6 активного волокна по мере увеличения длины волокна 1 понижается и имеет, по существу, линейное изменение, начинающееся от входного значения P_i, поскольку оно в свою очередь поглощается волокном, так что содержащиеся в нем добавки приводятся в состояние лазерной эмиссии.

Пройдя участок l_s активного волокна, мощность накачки внутри него достигает значения мощности насыщения P_s, при котором энергетическое распределение внутри волокна таково, что оно вызывает не усиление передаваемого сигнала, т.е. подъем, а ослабление указанного сигнала вследствие перехода активных веществ волокна в возбужденное состояние с ущербом для самой световой энергии сигнала.

Количественное изменение усиления G, зависящего от длины отрезка 6 активного волокна, показано на рис.2. Как видно из диаграммы, для длин волокна близких к длине насыщения l_s усиление демонстрирует очень малый подъем, вплоть до значения G_max, тогда как для длин волокна больше l_s возникает спад усиления.

Поэтому для практических целей используется длина волокна l_u меньше, чем l_s, чтобы иметь достаточное усиление G_u для сигнала при введении минимального шума, вызываемого самопроизвольными переходами из состояния лазерной эмиссии в основное состояние.

Фактически шум пропорционален плотности атомов, имеющихся на верхнем лазерном уровне, и понижается вдоль волокна менее быстро, чем усиление по мере понижения мощности накачки в самом волокне.

Как показано на диаграмме рис.2, в активном волокне максимальная мощность накачки P_i, определяющая максимально достижимое усиление на единицу длины волокна имеет место только в начальной области самого волокна, тогда как далее мощность накачки становится заметно меньше, что вызывает пониженное использование имеющейся длины активного волокна для целей усиления, как подчеркнуто диаграммой усиления, представленной на рис.2.

В случае предусилителя, т.е. усилителя, расположенного в конце оптической линии сразу перед приемным элементом оптикоэлектронного преобразователя сигнала, можно достичь повышения приемной чувствительности, когда шум предусилителя ниже шума приемного устройства.

Поскольку шум усилителя пропорционален его усилению, имеется значение усиления, для которого два шумовых вклада одинаковы. Это значение является максимальным значением усиления, которое должно быть использовано в предусилителе для целей улучшения чувствительности на приеме.

С другой стороны, принятие более высоких усилителей предусилителя может быть по различным причинам более удобным, например, чтобы использовать после предусилителя менее дорогостоящее устройство, не воздействуя неблагоприятно на приемную чувствительность сигнала.

Поэтому, когда оптические усилители используются как предусилители, применяется отрезок волокна, способный создавать на конце волокна мощность накачки P, которая создает подъем общего усиления того же самого уровня, как и повышение чувствительности.

В соответствии с настоящим изобретением, как показано на рис.3, в устройстве усиления, содержащем дихроичный элемент 2, источник 3 накачки и отрезок 6 активного волокна, после активного волокна предусмотрен селективный (или дихроичный) зеркальный элемент 8, приспособленный так, чтобы отражать длину волны накачки p, позволяя длине волны передачи S проходить неизменной.

с выходом селективного зеркального элемента 8 соединено передающее волокно 7, несущее усиленный сигнал, рассчитанное на его передачу к пункту назначения.

Как показано на диаграмме рис.5, селективный зеркальный элемент 8 отражает остаточную мощность накачки P_r, имеющуюся на конце участка отрезка 6 активного волокна, назад внутрь активного волокна, так что отраженная мощность P_ref добавляется к мощности накачки P_dir, непосредственно излучаемой из лазера, создавая, таким образом, значение мощности накачки в активном волокне, которое становится высоким, почти постоянным или понижающимся с небольшим наклоном по всей длине используемого активного волокна, как показано штрих-пунктирной линией P_tof на рисунке.

Поэтому возможно поддерживать высокое значение инверсии плотности атомов во всем волокне, что вызывает улучшение усиления, причем шум, генерируемый усилителем, остается тем же.

Селективный зеркальный элемент 8 может быть выполнен в виде "микрооптики" путем использования селективного зеркала, образованного соответственно обработанной пластиной, отражающей только длину волны накачки, снабженного элементами фокусирующих линз или тому подобным, приспособленных передавать свет от оптического волокна к зеркалу и от зеркала снова к оптическому волокну перед зеркалом с длиной волны отражения, и к передающему волокну после зеркала с длиной волны пропускания. Как вариант возможно выполнить зеркальный элемент 8 в монолитном виде, используя одно и то же передающее оптическое волокно или несколько оптических волокон, что создает достоинства с точки зрения стабильности узла.

В соответствии с приемлемым примером реализации изобретения, показанного на рис. 4, селективный зеркальный элемент 8 состоит из второго дихроичного устройства связи или оптического демультиплексера 9, имеющего входное волокно 11 и два выходных волокна 12, 13, в которые селективно разделяются передача S и накачка р.

С выходным волокном 13 соединено оптическое волокно передачи после усилителя, а с концом волокна 12 соединено зеркало 10.

Как известно, в данной области техники, под демультиплексером понимается оптический элемент, приспособленный принимать свет, имеющий в одном входном волокне две различные длины волны, и излучать эти длины волн раздельно по двум выходным волокнам.

Реальный оптический демультиплексер 9 или устройство разделения, так же как и мультиплексер или дихроичное устройство связи, имеет определенную степень разделения между выходными длинами волн, т.е. в ветви волокна 12 демультиплексера можно обнаружить небольшую часть передаваемого сигнала. Такой сигнал, будучи отраженный зеркалом 10, мог бы быть опасным в линии передачи и оптическом волокне, так как он усиливался бы, а также мог бы вызвать явление интерференции с передаваемым сигналом.

Поэтому, если оптический демультиплексер 9 создает между длинами волн низкую степень разделения, т.е. ниже 20 дБ, необходимо предусмотреть устройство зеркала 10 дихроичного типа, т.е. такого, которое имеет пониженную отражательную способность на длине волны передачи, менее -20 дБ, так чтобы в селективном зеркальном элементе 8, выполненном по данному примеру реализации с оптическим демультиплексером 9 и дихроичным зеркалом 10, общее разделение во всех случаях на длине волны S было больше 40 дБ.

Следует указать, что свет с длиной волны S проходит через оптический демультиплексер 9 дважды: до отражения и после. Поэтому разделение оптического демультиплексера 9 действует дважды на ограничение световой мощности длины волны S, отражаемой зеркалом и вводимой в отрезок 6 и, следовательно, в линию передачи.

Если оптический демультиплексер 9 имеет степень разделения выше 20 дБ, указанный оптический демультиплексер 9 достаточен, чтобы гарантировать отсутствие в линии шумов отражения длины волны передачи и, следовательно, зеркало 10 может быть отражающим на всех используемых длинах волн.

Зеркало 10 может быть удобно получено путем металлизации конца волокна 12, отрезанного расщеплением, или в соответствии с другими известными методами, приспособленными для создания отражающей поверхности или области на конце волокна 12, имеющей установленные характеристики.

Конструкция примера реализации, изображенного на рис.4, особенно удобна, потому что она полностью выполнена из оптического волокна и поэтому прочна и нечувствительна к вибрациям и деформациям, которым с течением времени может подвергнуться миниатюризированное фокусирующее устройство, и потому что комбинация характеристик разделения, принадлежащих демультиплексеру, и селективной отражательной способности, принадлежащей дихроичному зеркалу, представляет большую свободу на этапе разработки, чтобы достигнуть наиболее приемлемого результата для специфического применения, предлагая, в частности, максимальное отражение на длине волны накачки, тогда как отражение на длине волны передачи минимально.

Для сравнения были изготовлены устройства усиления в соответствии с изобретением по схеме, изображенной на рис.4, и устройство усиления без отражающего элемента в соответствии со схемой на рис.1.

В обоих примерах использовалась линия передачи, имеющая сигнал S с длиной волны 1536 нм и лазерный диод накачки мощностью 10 мВт с длиной волны p 980 нм.

Был использован оптический мультиплексер или устройство связи 980-1536 нм со связью 90% на 980 нм и разделением 15 дБ.

В обоих испытаниях использовалось ступенчатое активное S_i. S_i/Ge отрезок 6 индексного типа, легированное ионами E⁺³.

В устройстве усиления в соответствии со схемой по рис.1 использовалось активное волокно длиной 9 м, а в устройстве усиления по рис.3 активное волокно имело длину 7 м.

В усилителе по рис.4 демультиплексер 980-1536 нм имел на 980 нм связь 90% и на 1536 нм связь 90% а в обоих выходных ветвях разделения 30дБ.

Зеркало 10 было получено золочением конца волокна оптического демультиплексера 9.

Конфигурация, изображенная на рис.1, с 9-метровым отрезком активного волокна дала усиление C₁ 20 дБ, а значение шума, определяемое как (S/N)_i/(S/N)_o 5 дБ.

Конфигурация, изображенная на рис. 7, с 7-метровым отрезком 6 активного волокна дала усиление C₂ 20 дБ, т.е. такое же как и предыдущее, а значение шума (S/N)_i/(S/N)_o=3 дБ, что означает уменьшение величины шума на 2 дБ.

Итак, было достигнуто важное усовершенствование качетсва передаваемого сигнала за счет малого шума вводимого в линию передачи из усилителя в соответствии с изобретением.

В дополнение, наличие оптического демультиплексера 9 позволяет изъять длину волны накачки из волокна 7, что исключает использование фильтров или аналогичных устройств.

Посредством усилителя по изобретению можно получить улучшенную чувствительность приемного устройства без повышения требуемой мощности накачки, что повлекло бы применение более мощных лазерных диодов или двух спаренных диодов, причем первое не всегда возможно и обладает высокой стоимостью, а последнее весьма подвержено поломкам и неисправностям.

В общем при усилителе в соответствии с изобретением в зависимости от определенных требований каждого специфического применения возможно либо улучшить значение шума при передачи для одной и той же мощности, либо достичь более высокого усиления, причем мощность накачки та же самая, либо, не изменяя полученное усиление, использовать источник света накачки меньшей мощности.

Хотя изобретение было раскрыто применительно к оптическому предусилителю, оно не ограничено до этого, поскольку применимо также к линейным усилителям и аналогичным устройствам, в которых легко достичь высокого уровня мощности накачки по всей длине используемого оптического волокна.

Без отделения от сути настоящего изобретения и его общих признаков можно выполнить многочисленные модификации и изменения настоящего изобретения.

Настоящее изобретение относится к малошумящему оптическому усилителю 2 с волокном активного типа, содержащим лазерное излучающее вещество 3, присоединяемому к оптическому волокну линии связи 1 и принимающему оттуда свет с длиной волны передачи, в котором активное волокно 6 также питается от источника света с длиной волны накачки и имеет длину, соответствующую частичному поглощению света накачки, непосредственно вводимого в него, причем после активного волокна 6 имеется селективный зеркальный элемент 8, который отражает свет с длиной волны накачки и прозрачен для света с длиной волны передачи, предпочтительно зеркальный элемент 8 состоит из оптического демультиплексера 9, приспособленного так, чтобы разделять длину волны передачи и длину волны накачки на два выходных волокна 11, 12, а на конце волокна 7, несущего длину волны накачки, имеется зеркало 13, отражающее, по меньшей мере, длину волны накачки. 6 з.п.ф-лы, 5 ил.

1. Оптический усилитель для приема сигналов передачи в волоконно-оптической линии связи, содержащий отрезок активного оптического волокна, выполненного на лазерном излучающем веществе, источник сигнала накачки, оптически соединенный с отрезком активного оптического волокна, причем длины волны сигнала накачки λ_н, меньше длины волны сигнала передачи λ_n, отличающийся тем, что длина отрезка активного оптического волокна выбрана меньше длины отрезка активного оптического волокна, в котором внутри него мощность накачки достигает значения мощности насыщения P_s к выходу отрезка активного оптического волокна подключен селективный зеркальный элемент прозрачный для сигнала передачи и отражающий сигнал накачки. 2. Усилитель по п.1, отличающийся тем, что отражательная способность селективного зеркального элемента на длине волны сигнала передачи ниже 40 дБ и на длине волны сигнала накачки выше 10 дБ. 3. Усилитель по п.1, отличающийся тем, что селективный зеркальный элемент содержит две линзовых фокусирующих группы и дихроичное зеркало, причем одна линзовая фокусирующая группа оптически связана с активным волокном и с зеркалом для фокусировки сигнала накачки на зеркало и от зеркала, другая линзовая фокусирующая группа оптически связана с активным волокном и с линией связи для фокусировки сигнала передачи в линии связи. 4. Усилитель по п.1, отличающийся тем, что селективный зеркальный элемент выполнен монолитным. 5. Усилитель по п.4, отличающийся тем, что селективный зеркальный элемент содержит оптический демультиплексор с разделением по длинам волн и зеркало, при этом вход оптического демультиплексора с разделением по длинам волн является входом селективного зеркального элемента, один вход оптического демультиплексора с разделением по длинам волн является выходом сигнала передачи, а другой выход оптического демультиплексора с разделением по длинам волн соединен с зеркалом, отражающим сигнал накачки. 6. Усилитель по п.5, отличающийся тем, что отражательная способность селективного зеркального элемента по длине волны сигнала передачи ниже 2дБ и по длине волны сигнала накачки выше 5 дБ. 7. Усилитель по п.5, отличающийся тем, что величина развязки между одним и другим выходом оптического демультиплексора с разделением по длинам волн выше 10 дБ.