СВЕТОВОЙ УСИЛИТЕЛЬ С МНОГОСТУПЕНЧАТЫМ ОПТИЧЕСКИМ ВЕНТИЛЕМ Российский патент 1999 года по МПК H01S3/07 

Настоящее изобретение относится к световым усилителям и, более конкретно, к световому усилителю, снабженному одним многоступенчатым оптическим вентилем, в котором реализуется многоступенчатая связь, в результате чего уменьшается его размер и отсекается обратный поток проходящего света.

Предшествующий уровень техники
Традиционный световой усилитель обычно состоит из первого оптического вентиля, связанного с модулятором с разделением волн, который, в свою очередь, связан с оптическим волокном, которое, в свою очередь, связано со вторым оптическим вентилем. Пример традиционного светового усилителя этого типа описан в патенте США 5.191.467 "Волоконный оптический вентиль и усилитель" от 02.03.93 г.

Свет, проходящий через первый оптический вентиль, модулируется в модуляторе с разделением по длинам волн вместе со светом от источника накачки. Свет усиливается оптическим волокном и затем проходит через второй оптический вентиль. Используется также пара модуляторов с разделением по длинам волн и источники накачки.

При использовании традиционных световых усилителей на основе двух или более оптических вентилей, существует проблема, так как оптический вентиль больше по размеру, чем другие элементы, что вызывает излишнее увеличение размеров и стоимости производства светового усилителя и иногда приводит к их излишней громоздкости.

Другая проблема относится к генерации высоких потерь между оптическим волокном и оптическим вентилем, каждая из которых слишком часто требует, чтобы в световом усилителе использовалось по меньшей мере два оптических вентиля.

Известен многоступенчатый оптический вентиль, содержащий два входных отверстия, расположенных на одной стороне вентиля, и два выходных отверстия, расположенных на другой стороне вентиля, для отсекания обратного потока проходящего света, когда проходящий входной свет входит в первое входное отверстие и когда выходящий свет входит во второе входное отверстие (см. например, патент США N 57408354 от 18.4.95).

Оптический вентиль разделяет луч на два луча, перпендикулярных друг другу в направлении поляризации и не параллельных друг другу в направлении распространения.

Магнитный оптический элемент имеет относительно большое поляризационное вращение на 225^o, в то время как в оптическом вентиле предпринимается попытка использовать только один двулучепреломляющий элемент. Кроме того, использование единственной линзы в оптическом вентиле требует наличия дополнительного зеркала и компенсатора.

Краткое описание существа изобретения.

В основу настоящего изобретения поставлена задача создания светового усилителя, в котором при использовании только одного многоступенчатого оптического вентиля, появляется возможность снизить потери связи между оптическим волокном и оптическим вентилем, уменьшить размер усилителя, снизить стоимость производства.

Поставленная задача решается тем, что в световом усилителе, содержащем
многоступенчатый оптический вентиль, содержащий два входных отверстия, расположенных на одной стороне вентиля, и два выходных отверстия, расположенных на другой стороне вентиля, для отсекания обратного потока проходящего света, когда проходящий входной свет входит в первое входное отверстие и когда выходящий свет входит во второе входное отверстие, согласно изобретению, вентиль содержит расположенные линейно в следующем порядке
первую линзу для фокусировки света внутри усилителя,
первую двулучепреломляющую линзу для расщепления светового пучка на вертикально и горизонтально поляризованные компоненты,
вращатель Фарадея, расположенный в непосредственной близости от первой двулучепреломляющей линзы для сдвига фазы светового пучка, расщепленного первой двулучепреломляющей линзой,
вторую двулучепреломляющую линзу, расположенную в непосредственной близости от вращателя Фарадея для фокусировки светового пучка с измененной фазой,
вторую линзу, расположенную в непосредственной близости от второй двулучепреломляющей линзы для направления светового пучка, сфокусированного второй двулучепреломляющей линзой, на соответствующее выходное отверстие,
при этом последовательно с вентилем подключены
источник накачки для генерирования света,
модулятор с разделением по длинам волн, связанный с источником накачки для модуляции с разделением по длинам волн света, генерированного источником накачки, и света, проходящего через многоступенчатый оптический вентиль,
оптическое волокно, связанное с модулятором и вентилем для получения усиленного светового пучка путем усиления светового пучка, принимаемого от модулятора и передачи усиленного светового пучка на первое входное отверстие многоступенчатого оптического вентиля.

Целесообразно, чтобы источник накачки содержал лазерный диод накачки, излучающий свет, имеющий длину волны 980 и 1480 нм.

Полезно, чтобы оптическое волокно было размещено вокруг многоступенчатого оптического вентиля и модулятора с разделением по длинам волн, а многоступенчатый оптический вентиль и модулятор с разделением по длинам волн были расположены в центре намотанного оптического волокна.

Полезно, чтобы оптическое волокно имело диаметр кривизны более 5 см.

Целесообразно, чтобы вращатель Фарадея сдвигал фазу света, проходящего через него, на 45^o.

Полезно, чтобы оптическое волокно было размещено вокруг многоступенчатого оптического вентиля и модулятора с разделением по длинам волн, а многоступенчатый оптический вентиль и модулятор с разделением по длинам волн были расположены в центре намотанного оптического волокна.

Целесообразно, чтобы оптическое волокно было намотано вокруг многоступенчатого оптического вентиля и модулятора с разделением по длинам волн, а многоступенчатый оптический вентиль и модулятор с разделением по длинам волн были расположены в центре намотанного оптического волокна.

Краткое описание чертежей
В дальнейшем изобретение поясняется конкретным вариантом его воплощения ос ссылками на сопровождающие чертежи, на которых:
фиг. 1 изображает схематично гипотетическое представление конструкции известного светового усилителя;
фиг. 2 изображает схему светового усилителя, использующего многоступенчатый оптический вентиль, согласно изобретению;
фиг. 3 изображает схему многоступенчатого оптического вентиля согласно изобретению;
фиг. 4 изображает схему прохождения света и расположение света внутри многоступенчатого оптического вентиля, согласно изобретению;
фиг. 5 изображает схему расположения оптического волокна и обратного светового потока из поперечного сечения ободка оптического волокна согласно изобретению;
фиг. 6 изображает схему направления и степени расщепления света внутри двулучепреломляющей линзы согласно изобретению;
фиг. 7 изображает диаграмму изменения угла расхождения между осью прохождения света и осью двулучепреломляющей линзы в градусах, как функцию дальности расхождения между обыкновенно и необыкновенно поляризованными компонентами согласно изобретению.

Подробное описание предпочтительного варианта осуществления изобретения.

Традиционный световой усилитель, например волоконный усилитель с добавкой эрбия (фиг.1), имеет по меньшей мере два оптических вентиля. Свет, входящий через входной терминал оптического волокна, проходит через оптический вентиль 1 таким образом, что обратный поток проходящего света отсекается. Свет, проходящий через оптический вентиль 1, модулируется вместе со светом от источника накачки 3 в модуляторе с разделением по длинам волн 2 и затем выходит в оптическое волокно 4, например волокно с добавкой эрбия. Длина волны света от источника накачки 3 составляет 980 или 1480 нм. Усиленный свет проходит через оптический вентиль 5 к выходу, причем оптический вентиль 5 используется таким же образом, что и оптический вентиль 1, связанный с входом. Оптический вентиль 5 отсекает обратный поток проходящего света на участке соединения между элементом и оптическим волокном и выводит проходящий свет.

Конструкция светового усилителя, использующего многоступенчатый оптический вентиль, соответствующий принципам настоящего изобретения, показана на фиг. 2. Многоступенчатый оптический вентиль 6 имеет два входных отверстия 7A и 7B и два выходных отверстия 8A и 8B для отсекания обратного потока проходящего света, когда проходящий входной свет направляется к первому входному отверстию 7A и когда выходящий свет направляется ко второму входному отверстию 7B. Источник накачки 3 генерирует свет, используемый для усиления входного слабого света. Модулятор с разделением по длинам волн 2 модулирует волны света, прошедшего через многоступенчатый оптический вентиль 6, и света, генерированного источником накачки 3. Оптическое волокно 7 усиливает свет от модулятора с разделением по длинам волн 2 и проводит усиленный свет из первого входного отверстия 7A многоступенчатого оптического вентиля 6.

Многоступенчатый оптический вентиль содержит первую линзу 9 (фиг. 3) для фокусировки входного света. Первая двулучепреломляющая линза 13 расщепляет сфокусированный свет на вертикально и горизонтально поляризованные компоненты. Вращатель Фарадея 11 сдвигает фазу поляризованного света, расщепленного первой двулучепреломляющей линзой 13, а вторая двулучепреломляющая линза 12 фокусирует свет с измененной фазой. Вторая линза 10 направляет свет, сфокусированный второй двулучепреломляющей линзой 12, на соответствующее оптическое волокно.

Работа осуществляется следующим образом.

Свет падает на второе входное отверстие 7B (фиг. 2), служащее в качестве входного отверстия многоступенчатого оптического вентиля, через оптическое волокно и попадает на один вход модулятора с разделением по длинам волн 2. Многоступенчатый оптический вентиль 6 используется для предотвращения прохождения света в обратном направлении, когда два оптических волокна или элемент и оптическое волокно связаны друг с другом.

Свет, проходящий через оптическое волокно, проходит через верхнюю часть первой линзы 9 (фиг. 3) и затем попадает на первую двулучепреломляющую линзу 13, выполненную из поляризационного материала TiO₂. Падающий свет проходит через первую двулучепреломляющую линзу 13 и расщепляется на вертикально (обыкновенно)/горизонтально (необыкновенно) поляризованные компоненты. Если длина первой двулучепреломляющей линзы составляет 5 миллиметров, то дальность расхождения световых компонент составляет максимум 500 мкм. Свет, расщепленный путем прохождения через первую двулучепреломляющую линзу 13, проходит через вращатель Фарадея 11, и его фаза сдвигается на 45^o. Свет с измененной фазой после прохождения через вращатель Фарадея 11 проходит через вторую двулучепреломляющую линзу 12. В результате световой пучок, который был расщеплен первой двулучепреломляющей линзой 13, объединяется путем сдвига фаз с помощью вращателя Фарадея 11 и проходит через вторую двулучепреломляющую линзу 12. Объединенный световой пучок входит в оптическое волокно 7, связанное со второй линзой 10. Свет, отраженный на поперечное сечение оптического волокна 7, проходит через вторую линзу 10 и затем снова расщепляется на вертикально (обыкновенно)/горизонтально (необыкновенно) поляризованные световые компоненты во второй двулучепреломляющей линзе 12. Расщепленный свет затем проходит через вращатель Фарадея 11. Свет, разделенный вращателем Фарадея 11, затем проходит через вторую двулучепреломляющую линзу 12. Затем свет разделяется на два направления по отношению к центру ободка оптического волокна, связанного с первым отверстием 7A многоступенчатого оптического вентиля 6 (фиг. 5) таким образом, чтобы предотвратить прохождение падающего света через вход.

Свет, проходящий через многоступенчатый оптический вентиль 6, вводится в модулятор с разделением по длинам волн 2 как один входной пучок. Так как входной свет является слабым, свет, входящий в модулятор с разделением по длинам волн 2 через источник накачки 3 модулируется в качестве второго пучка и выходит из модулятора с разделением по длинам волн 2. Свет, имеющий длину волны 980 или 1480 нм, идет от источника накачки 3. Модулированный выходной свет усиливается путем прохождения через оптическое волокно 7. Оптическое волокно 7 намотано вокруг модулятора с разделением по длинам волн 2 и вокруг многоступенчатого оптического вентиля 6, которые расположены в его центре. Диаметр кривизны оптического волокна 7 составляет более 5 сантиметров. Свет, усиленный путем прохождения через оптическое волокно 7, снова подводится к входному отверстию 7A многоступенчатого оптического вентиля 6.

Свет, падающий на многоступенчатый оптический вентиль 6, проходит через нижнюю часть первой линзы 9 и потом попадает на первую двулучепреломляющую линзу 13, выполненную из поляризационного материала TiO₂. Падающий свет расщепляется на вертикально (обыкновенно)/горизонтально (необыкновенно) поляризованные световые компоненты путем прохождения через нижнюю часть первой двулучепреломляющей линзы 13. Если длина первой двулучепреломляющей линзы 13 составляет 5 миллиметров, то дальность расхождения световых компонент составляет максимум 500 мкм. Свет, расщепленный первой двулучепреломляющей линзой 13, проходит через вращатель Фарадея 11, и его фаза сдвигается на 45^o. Свет с измененной фазой после прохождения через вращатель Фарадея 11 проходит через вторую двулучепреломляющую линзу 12. В результате световые компоненты, на которые был расщеплен свет с помощью первой двулучепреломляющей линзы 13, объединяются путем фазового сдвига, осуществляемого вращателем Фарадея 11 и затем пропускаются через вторую двулучепреломляющую линзу 12. Объединенный световой пучок входит в оптическое волокно 7, соединенное со второй линзой 10. Свет, отраженный на поперечное сечение оптического волокна 7, проходит через вторую линзу 10 и снова расщепляется на вертикально(обыкновенно) / горизонтально(необыкновенно) поляризованные компоненты во второй двулучепреломляющей линзе 12. Расщепленный вращателем Фарадея 11 свет проходит через первую двулучепреломляющую линзу 13. Световой пучок, проходящий через первую двулучепреломляющую линзу 13, расщепляется на два с разными направлениями по отношению к центру ободка оптического волокна, связанного со вторым отверстием 7B многоступенчатого оптического вентиля 6 (фиг. 5), тем самым предотвращается прохождение падающего света через вход.

Настоящее изобретение касается светового усилителя с одним многоступенчатым оптическим вентилем, в котором реализована многоступенчатая связь, в результате чего уменьшается его размер и отсекается обратный поток проходящего света. Согласно настоящему изобретению, многоступенчатая связь решает проблему, обнаруживаемую в современных конструкциях при использовании многоступенчатого оптического вентиля, который оказывается больше, чем другие элементы в установке, что является причиной того, что размер и стоимость производства светового усилителя становятся больше, чем необходимо, и проблема высоких потерь связи между оптическим волокном и оптическим вентилем приводит к использованию по меньшей мере двух оптических вентилей.

Световой усилитель содержит только один многоступенчатый оптический вентиль, что уменьшает его размер и снижает стоимость производства. Многоступенчатый оптический вентиль имеет два входных отверстия и два выходных отверстия для отсекания обратного потока проходящего света, когда проходящий входной свет входит в первое входное отверстие и когда выходящий свет входит во второе входное отверстие. Источник накачки генерирует свет, используемый для усиления слабого входного света. Модулятор с разделением по длинам волн модулирует свет, генерируемый источником накачки, и свет, прошедший через многоступенчатый оптический вентиль. Оптическое волокно усиливает свет из модулятора и излучает усиленный свет через первое отверстие многоступенчатого оптического вентиля. 6 з. п. ф-лы, 7 ил.

1. Световой усилитель, содержащий многоступенчатый оптический вентиль, содержащий два входных отверстия, расположенных на одной стороне вентиля, и два выходных отверстия, расположенных на другой стороне вентиля, для отсекания обратного потока проходящего света, когда проходящий входной свет входит в первое входное отверстие и когда выходящий свет входит во второе входное отверстие, отличающийся тем, что вентиль содержит расположенные линейно в следующем порядке: первую линзу для фокусировки света внутри усилителя, первую двулучепреломляющую линзу для расщепления светового пучка на вертикально и горизонтально поляризованные компоненты, вращатель Фарадея, расположенный в непосредственной близости от первой двулучепреломляющей линзы для сдвига фазы светового пучка, расщепленного первой двулучепреломляющей линзой, вторую двулучепреломляющую линзу, расположенную в непосредственной близости от вращателя Фарадея для фокусировки светового пучка с измененной фазой,
вторую линзу, расположенную в непосредственной близости от второй двулучепреломляющей линзы для направления светового пучка, сфокусированного второй двулучепреломляющей линзой на соответствующее выходное отверстие, при этом последовательно с вентилем подключены источник накачки для генерирования света, модулятор с разделением по длинам волн, связанный с источником накачки для модуляции с разделением по длинам волн света, генерированного источником накачки, и света, проходящего через многоступенчатый оптический вентиль, оптическое волокно, связанное с модулятором и вентилем для получения усиленного светового пучка путем усиления светового пучка, принимаемого от модулятора и передачи усиленного светового пучка на первое входное отверстие многоступенчатого оптического вентиля. 2. Усилитель по п.1, отличающийся тем, что источник накачки содержит лазерный диод накачки, излучающий свет, имеющий длину волны 980 и 1480 нм. 3. Усилитель по п.1, отличающийся тем, что оптическое волокно размещено вокруг многоступенчатого оптического вентиля и модулятора с разделением по длинам волн, а многоступенчатый оптический вентиль и модулятор с разделением по длинам волн расположены в центре намотанного оптического волокна. 4. Усилитель по п.1, отличающийся тем, что указанное оптическое волокно имеет диаметр кривизны более 5 см. 5. Усилитель по п.1, отличающийся тем, что вращатель Фарадея сдвигает фазу света, проходящего через него, на 45^o. 6. Усилитель по п.2, отличающийся тем, что оптическое волокно размещено вокруг многоступенчатого оптического вентиля и модулятора с разделением по длинам волн, а многоступенчатый оптический вентиль и модулятор с разделением по длинам волн расположены в центре намотанного оптического волокна. 7. Усилитель по п.5, отличающийся тем, что оптическое волокно намотано вокруг многоступенчатого оптического вентиля и модулятора с разделением по длинам волн, а многоступенчатый оптический вентиль и модулятор с разделением по длинам волн расположены в центре намотанного оптического волокна.