Область изобретения
Настоящее изобретение относится в целом к соединению или передаче световой энергии между источником излучения и оптическим проводником, а в частности - к устройствам для улучшения эффективности передачи энергии между источником излучения и оптическим волокном посредством промежуточного отрезка оптического волокна, когда коаксиальная подача к конечному оптическому волокну нежелательна или невозможна.
В частном предпочтительном варианте осуществления изобретения, который будет описан подробно, система работает как часть оптического усилителя. В этом случае источник излучения включает в себя многомодовый полупроводниковый лазерный диод - или множество таких диодов - излучающий излучение около определенной длины волны и действующий как источник накачки, а конечный оптический проводник включает одномодовую жилу, несущую бегущий сигнал (одномодовое излучение с длиной волны, отличной от длины волны накачки), который нужно усилить.
В вышеупомянутом предпочтительном варианте целью изобретения является, в частности, осуществление высокоэффективного соединения между отрезком многомодового оптического волокна и так называемым одномодовым с двойной оболочкой (SM-DC) оптическим волокном, хотя изобретение не следует считать ограниченным этим предпочтительным прикладным вариантом. "Одномодовое с двойной оболочкой" (SM-DC) оптическое волокно означает волокно, которое включает внутреннюю ("одномодовую") жилу диаметром в несколько микрон, первую оболочку (или многомодовую жилу) и вторую оболочку. На практике существует множество ситуаций, в которых волокно должно получать излучения от одного или нескольких источников некоаксиальным образом, т.е. не по продольной оси подающего волокна. Например, когда требуется передать два или несколько различных излучений вдоль одиночного проводника (излучений, различных по амплитуде, длине волны, виду сигнала или коду и т.д.), то требуется увеличение количества различных источников, которые также могут быть различных типов, и требуется определенное разделение оптических путей, входящих в конечный проводник. Кроме того, устройство некоаксиального соединения может потребоваться в волоконном лазерном устройстве, в котором осевая накачка требует специального зеркала (с определенной отражательной способностью), которое должно быть проницаемо к излучению накачки и иметь высокую отражательную способность к излучению лазера.
Другая ситуация, в которой требуется некоаксиальная подача, описана, например в заявке US-A-5170458, относящейся к оптическому усилителю, получающему излучение накачки косвенным путем.
Известны несколько устройств для соединения (дополнительного) источника излучения с оптическим волокном, которые включают одно или несколько следующих соединительных устройств:
- призму,
- вставку оптического проводника любого типа (цельного или состоящего из отдельных элементов),
- промежуточного оптического волокна, соединенного с конечным волокном посредством микро-оптического элемента связи (т.е. элемента связи, включающего микролинзы, или светоделители, или же другие отдельные микроскопические устройства),
- промежуточного оптического волокна, соединенного с конечным волокном посредством элемента связи из сплавленных волокон.
В первых трех примерах возникает существенная проблема механических допусков при совмещении устройств, что делает их исполнение очень дорогим и критически сложным с точки зрения технологии, как правило, при плохой эффективности соединения.
Обычно в телекоммуникационных системах, включающих оптико-волоконные усилители (OFA), т. е. отрезки соответствующим образом легированного одномодового оптического волокна, последовательно соединенные в коммуникационной линии, эти отрезки волокна питаются излучением от одного или нескольких одномодовых лазерных диодов посредством подходящих элементов связи из сплавленных волокон, каждый из которых, в свою очередь, соединяется с одним или несколькими лазерными диодами. Такие (одномодовые) элементы связи, образованные слиянием или сплавлением двух или нескольких кусков волокна, могут иметь эффективность соединения до 90%. В соединении лазерного кристалла при помощи соединительного отрезка обычно достигается эффективность менее 50%. Из-за ограниченной мощности, получаемой от одномодовых диодов, для получения высокой оптической мощности в систему приходится включать большое количество диодов, снижая надежность системы в целом.
Чтобы улучшить выходную мощность насыщения оптического усилителя без увеличения количества диодов накачки, было предложено (см. пример US-A-4829529, Кафка) использовать SM-DC оптическое волокно, активированное одной или несколькими диодными матрицами, соединенными оптическими элементами с торцом волокна.
Настоящее изобретение относится к устройству, которое позволяет использование многомодового лазерного диода (диодов) или диодной матрицы, соединенной с конечным волокном посредством промежуточного оптического волокна и элемента связи из сплавленных волокон. Преимущество такого устройства заключается в том, что многомодовые лазерные диоды могут давать более высокие уровни выходной мощности, чем одномодовые диоды, и обладают хорошими рабочими характеристиками и надежностью.
Как известно, многомодовый лазерный кристалл испускает излучение через узкую прорезь толщиной порядка 1 микрона и допустимой шириной в несколько десятков микрон, при этом луч света сильно расходится в поперечной плоскости и умеренно расходится в плоскости, параллельной ширине прорези. Например для лазерных диодов с шириной полосы 50 мкм, чтобы собрать как можно больше света, обычно применяется отрезок многомодового волокна диаметром около 60 мкм и числовой апертурой около 0,35, при этом числовая апертура (NA) оптического волокна представляет собой синус угла вершины максимального конуса меридиональных лучей, которые могут входить в оптическое волокно (или выходить из него).
Эта простая схема прямого соединения дает эффективность соединения максимум до 50%.
Предыстория изобретения
EP-A-0136871 описывает пару оптических волокон малого диаметра (12, 14), расположенных бок о бок, при этом первое волокно (12) образует пассивный проводник для излучения накачки, а второе волокно (14) изготовлено из такого материала как Nd-YAG, который имеет усиливающие свойства на сигнальной частоте. Сигнал, который должен быть усилен, проходит через второе волокно (14) и в результате усиливается. Первое волокно (12) накачивается с одного или обоих концов с использованием конусообразного стержня, связанного с ним оптически. Множество источников излучения накачки (60) установлено на торцевой поверхности (58) стержня (50) для ввода коллимированного излучения накачки в широкий конец (52) конусообразного стержня (50).
Известно улучшение эффективности соединения путем размещения цилиндрической линзы между лазерным кристаллом и одним концом соединительного отрезка волокна, при этом цилиндрическая линза фокусирует поперечную составляющую лазерного луча в жилу волокна. Здесь ссылкой может служить заявка EP-A-0565843, а также статья "Смешанный лазерно-волоконный элемент связи с цилиндрической линзой", Maeda М. et al., Applied Optics, Vol. 16, N 7, July 1977, pp 1966-1970.
Такая цилиндрическая линза не модифицирует отклонение луча в плоскости оси прорези, так что на определенном расстоянии от лазерного кристалла поперечное сечение луча существенно уменьшается и становится круглым, и поэтому он может быть легко соединен с жилой оптического волокна.
Далее, соединительный отрезок сплавляется с конечным волокном (т.е., в общем случае - с волокном, в которое должно подаваться излучение, или в частности - с волокном, несущим сигнал, который должен быть усилен) у другого конца питающего соединительного отрезка (Y - соединитель) или вдоль части питающего участка соединительного отрезка (X - соединитель). Коэффициент соединения такого связующего элемента пропорционален отношению квадрата диаметра жилы принимающего волокна к квадрату диаметра жилы принимающего волокна плюс квадрат диаметра жилы питающего волокна.
При использовании SM-DC-волоконной технологии может быть достигнута эффективная запитка жилы одномодового волокна посредством соединительного отрезка многомодового волокна. Если многомодовая жила SM-DC волокна имеет тот же диаметр, что и питающее волокно (т.е. 60 мкм), коэффициент соединения составляет около 0,5. Чтобы еще увеличить коэффициент соединения SM-DC волокна, необходимо уменьшить диаметр жилы питающего волокна. При диаметре менее 20 мкм коэффициент соединения теоретически может достигать величин более 0,9.
Однако при уменьшении диаметра жилы многомодового питающего волокна для улучшения эффективности передачи излучения элементом связи может чрезвычайно снизиться эффективность передачи излучения от лазера к питающему волокну, даже при использовании цилиндрической линзы.
Задача изобретения
В связи с этим задачей настоящего изобретения является создание усовершенствованного и высокоэффективного устройства для передачи энергии многомодового источника излучения к оптическому волокну в некоаксиальном направлении, которое не имеет вышеперечисленных недостатков.
Описание изобретения
Указанная задача решается при помощи изобретения, которое включает соединительное устройство для некоаксиальной передачи световой энергии между многомодовым источником излучения, пучок которого имеет по существу круглое поперечное сечение и угол расхождения αs, и многомодовым оптическим волокном с площадью поперечного сечения Ac, через отрезок промежуточного питающего многомодового оптического волокна, на конце которого участок поперечного сечения площадью Af соединен с упомянутым источником излучения, а одна часть сплавлена с упомянутым оптическим волокном,
и отличающееся тем, что упомянутое питающее волокно имеет сужающийся участок, то есть участок с постепенно уменьшающимся диаметром, и сплавлено с упомянутым многомодовым оптическим волокном FF в области сужающегося участка, и тем, что соотношение между углом приема αf питающего волокна и углом расхождения αs источника излучения выражается формулой
αf = kαs,
где k - положительная константа больше единицы.
Согласно изобретению, для передачи излучения с многомодового лазерного кристалла (или массива кристаллов) на отрезок многомодового питающего волокна используется цилиндрическая линза, таким образом, что угол расхождения излучаемого луча, распространяющегося вдоль волокна, меньше, чем угол приема самого волокна. Питающее волокно (или у дальнего конца, или по всей длине) сужается, т. е. нагревается и вытягивается, чтобы уменьшить его диаметр, а затем формируется элемент связи, например скручиванием и сплавлением такой суженной части волокна с принимающим волокном, а в частности - согласно предпочтительному промышленному варианту применения изобретения - с волокном, несущим сигнал.
Описанная выше последовательность операций не является обязательной. Например, сначала может быть сформирован элемент связи и затем соединен с многомодовым источником или, как альтернатива, склеен с уже сформированным соединительным отрезком многомодового источника. Возможны также другие комбинации.
Работа системы по изобретению поясняется далее.
Специалистам хорошо известно, что количество излучения, испускаемого единицей поверхности источника на единицу телесного угла (так называемая "яркость") не может быть увеличено пассивной оптикой, поэтому уменьшение размера жилы волокна приводит к увеличению угла расхождения луча, распространяющегося вдоль самого волокна. Пока этот угол остается меньше, чем NA волокна, потерь не возникает и поэтому существует возможность создания эффективного соединения между таким суженным волокном и несуженным волокном.
Соединительное устройство по EP-A-0136871 отличается от устройства по данному изобретению тем, что питающее волокно 12 в этом патенте не сплавляется с оптическим волокном 14, а проходит параллельно ему внутри соединительной оболочки 22. Далее, хотя питающее волокно 12 имеет постепенно сужающуюся (конической формы) часть у его первого конца для коллимации излучения от источника (источников) накачки, это не та сужающаяся часть, которая смежна с волокном 14 и используется для соединения с ним.
Более подробное пояснение содержится в описании прилагаемых рисунков.
Дополнительные и специфические преимущества описаны в прилагаемой формуле изобретения.
Краткое описание рисунков
Далее будут подробно описаны предпочтительные, но не ограничивающие варианты осуществления изобретения со ссылками на соответствующие рисунки, где:
- фиг. 1 схематически показывает в целом устройство для соединения источника излучения с оптическим волокном посредством отрезка промежуточного оптического волокна;
- фиг. 2 представляет собой схематический вид спереди многомодового лазерного кристалла, иллюстрирующий форму исходящего лазерного луча;
- фиг. 3 схематически показывает многомодовый источник излучения, включающий полупроводниковый лазерный диод и цилиндрическую линзу, соединенную с соединительным отрезком многомодового волокна;
- фиг. 4 показывает вариант осуществления изобретения, в котором промежуточное оптическое волокно сужено в области соединения и образует Y-соединитель;
- фиг. 5 в деталях показывает наматывание суженной жилы питающего волокна вокруг жилы принимающего волокна;
- фиг. 6 представляет собой поясняющий вид, показывающий промежуточное многомодовое оптическое волокно и оптический путь внутри него для иллюстрации общего принципа изобретения;
- фиг. 7 схематически показывает область соединения и световые пути для питания SM-DC оптического волокна, несущего сигнал в виде одномодового излучения с многомодовым лучом, несомым в многомодовой жиле;
- фиг. 8 показывает поперечное сечение конца области соединения;
- фиг. 9 показывает поперечное сечение конца области соединения в случае, если имеется оболочка двух волокон;
- фиг. 10 показывает поперечное сечение конца области соединения для по существу эллиптического принимающего волокна;
- фиг. 11 показывает поперечное сечение конца области соединения по существу прямоугольного принимающего волокна.
Подробное описание предпочтительного варианта осуществления изобретения
На всех рисунках используются одинаковые позиции для обозначения одинаковых или подобных компонентов.
Показанное на фиг. 1 соединительное устройство содержит многомодовый источник излучения LS с по существу круглым поперечным сечением пучка и углом расхождения αs, соединенный с одним концом промежуточного отрезка оптического волокна IF, имеющего угол приема αf. Часть промежуточного волокна IF склеена или сплавлена в области соединения CR с оптическим волокном FF, несущим информационный или подобный сигнал, образуя так называемый X-соединитель. Часть промежуточного волокна IF может быть, если необходимо, свернута, как показано на CF. Естественно, волокно IF может быть склеено на его другом конце с образованием так называемого Y-соединитель.
Как известно, угол приема αf оптического волокна является функцией показателей преломления его жилы и оболочки. Согласно изобретению, угол приема αf промежуточного волокна IF у его конца, соединяющегося с источником излучения LS, больше, чем угол расхождения αs самого многомодового источника излучения. Таким образом, может быть получена высокая эффективность соединения.
Фиг. 2 показывает вид спереди многомодового лазерного диода LD, не в масштабе, с толщиной около 1 микрона и шириной порядка 50 микрон. Как показано на рисунке, испускаемый пучок лазерного диода имеет по существу эллиптическое поперечное сечение с углом расхождения около 35-40 градусов в плоскости, перпендикулярной к светоизлучающему переходу (т.е. плоскости вдоль толщины 1 мкм), и углом расхождения около 10-15 градусов в плоскости светоизлучающего перехода (плоскости вдоль ширины 50 мкм).
Три последовательных следа B1, B2 и B3, постепенно отделяющиеся от источника луча (передней поверхности диода) показаны только в иллюстративных целях. Очевидно, что при большем угле расхождения в соответствии с меньшей стороной прямоугольника, на определенном расстоянии от поверхности диода поперечное сечение лазерного луча (здесь B2) будет по существу круглым, а далее этого расстояния относительные размеры эллипса меняются местами (то есть большая ось эллиптического луча поворачивается на 90 градусов).
Фиг. 3-7 иллюстрируют предпочтительное устройство по изобретению, которое особенно полезно при соединении многомодового источника излучения накачки с одним концом питающего оптического волокна, которое, в свою очередь, соединяется с отрезком SM-DC волокна, в качестве специфического компонента оптического усилителя.
На фиг. 3 полупроводниковый лазерный диод LD, испускающий многомодовое излучение или световой луч LB, соединяется посредством цилиндрической линзы CL с одним концом промежуточного многомодового оптического волокна IF.
Цилиндрическая линза CL расположена в эллиптическом световом луче LB между лазерным диодом LD и питающим волокном IF так, чтобы постепенно уменьшать расхождение поперечной составляющей лазерного луча до тех пор, пока оно не станет равным или, возможно, даже меньше, чем расхождение параллельной составляющей, таким образом формируя луч с по существу круглым поперечным сечением, который связывается с питающим волокном. Средства, при помощи которых компоненты позиционируются друг относительно друга, обычны для данной области техники и поэтому не показаны.
В соответствии с изобретением, угол расхождения αs луча, выходящего из цилиндрической линзы CL, меньше, чем угол приема αf питающего волокна, к которому она подсоединяется. В выражении числовой апертуры самого питающего волокна это означает, что NA волокна должна быть больше 0,3, чтобы принять луч с αs 35 градусов.
Другой конец питающего волокна IF (или дальняя часть питающего волокна) сплавляется вместе с оптическим волокном FF, как показано на фиг. 4. Область соединения, обозначенная CR, образует так называемый Y-соединитель, поскольку соединение с волокном FF происходит у конца питающего волокна IF.
Далее показано, что оптическое волокно FF может также быть активным волокном волоконного лазера.
Также в соответствии с изобретением, площадь поперечного сечения питающего волокна IF в области соединения CR постепенно уменьшается (так называемое адиабатическое уменьшение диаметра жилы), пока не достигнет величины от 0,8 до 0,1 первоначальной величины, т.е. диаметра в том месте, где луч света LB входит в волокно. Другими словами, квадрат соотношения диаметров находится между 1,5 и 100.
Предпочтительно соотношение между минимальной площадью поперечного сечения сужающегося питающего волокна IF и первоначальной площадью его поперечного сечения составляет 0,01-0,7, а наиболее предпочтительная величина составляет около 0,1.
Предпочтительно, чтобы сужающаяся часть питающего волокна была короткой, насколько возможно, чтобы волокно при сильном уменьшении его диаметра не потеряло прочности.
Это выполняется путем вытягивания волокна IF или по крайней мере его части при заданной температуре, затем наматывания суженной части на сигнальное волокно FF так, чтобы они были в контакте (фиг. 5), и затем слабого вытягивания волокон при подъеме температуры, чтобы они слиплись. Таким образом получается лучший контакт. Предпочтительно постепенно сужающаяся часть многомодового питающего оптического волокна IF, сплавленная с упомянутым многомодовым оптическим волокном FF, наматывается вокруг последнего в виде спирали.
Если используется X-соединитель, по крайней мере часть питающего волокна имеет диаметр, постепенно уменьшающийся в указанном выше диапазоне, и в этой части оно соединяется с принимающим волокном FF.
При помощи фиг. 6 будет показан принцип, на котором основано изобретение.
Как указано выше, угол расхождения и αs многомодового источника LS является частью угла приема αf промежуточного многомодового волокна IF, и αf связан с числовой апертурой NA волокна соотношением:
NA = sinαf
Благодаря сужению волокна угол продвижения лазерного излучения накачки, несомого питающим волокном, вдоль области сужения постепенно увеличивается.
Учитывая, что сплавление между питающим волокном IF и принимающим волокном FF происходит вдоль всего сужающегося участка питающего волокна IF, и что сужение оканчивается ничтожно малым диаметром, соотношение между конечным углом расхождения αc и первоначальным углом αs имеет вид:
αc = αs((Ac+Af)/Ac)1/2
где Ac и Af - площади поперечного сечения принимающего волокна FF и несуженного питающего волокна IF соответственно.
При условии, если заданные величины Ac и Af выбраны таким образом, что αc не превышает угла приема волокон (примем для простоты, что NA обоих волокон равны), уменьшение диаметра жилы питающего волокна осуществляется без потерь излучения из-за самого волокна благодаря увеличению угла продвижения излучения.
В случае, если сплавление двух волокон начинается не в том месте, где начинается сужение питающего волокна, а в другом месте в пределах сужающегося участка, с площадью поперечного сечения питающего волокна At, приведенное выше выражение приобретает вид:
α′c = αs(Af/At)1/2((At+Ac)/Ac)1/2
что соответствует большему увеличению угла расхождения.
Поэтому устройство, описанное ниже, является предпочтительным.
Фиг. 7 показывает в деталях область соединения CR в том случае, когда применяется SM-DC волокно, содержащее внутреннюю концентрическую одномодовую жилу, вдоль которой распространяется оптический сигнал, несущий информацию. Кроме того, рисунок схематически представляет световой путь излучения накачки при передаче последнего от многомодового питающего волокна IF на многомодовую жилу SM-DC волокна FF.
Чтобы поддерживалось эффективное соединение, числовая апертура многомодовой жилы принимающего волокна FF должна быть равна или больше, чем числовая апертура питающего волокна IF.
Следует отметить, что, как описано выше, наиболее эффективное соединение получается в том случае, если контакт между упомянутым многомодовым оптическим волокном FF и упомянутым питающим волокном IF осуществляется по существу вдоль всего сужающегося участка волокна IF.
Фиг. 8 показывает поперечное сечение области соединения CR (перед склеиванием двух волокон), где оба оптических волокна имеют по существу круглое поперечное сечение и не имеют оболочки в месте перехода. Для SM-DC волокна вторая (наружная) оболочка считается снятой.
Хотя оптимальное соединение получается при отсутствии слоев оболочек на обоих волокнах, изобретение применимо также к волокнам с несъемной оболочкой. В этом случае показатель эффективности соединения будет уменьшен на дополнительный постоянный коэффициент, который зависит от толщины оболочки.
Фиг. 9 показывает поперечное сечение области соединения CR с двумя круглыми волокнами, остающимися в наружных оболочках.
Фиг. 10 показывает многомодовое оптическое принимающее волокно, которое имеет по существу эллиптическое поперечное сечение, и наконец.
Фиг. 11 показывает многомодовое оптическое принимающее волокно, которое имеет по существу прямоугольное поперечное сечение. Естественно, что один или оба питающих волокна IF и оптическое волокно FF могут иметь одно из показанных выше поперечных сечений.
Из фиг. 8, 9, 10 и 11 очевидно, что соотношение площади жилы Ac у конца, соединяющегося с источником LS, и площади жилы Af у сплавляемого конца больше, чем соотношение αf/αs угла приема αf питающего волокна IF и первоначального угла расхождения αs источника излучения LS.
При использовании одномодовой жилы волокна жила предпочтительно легируется относительно большим количеством ионов редкоземельных металлов или ионов переходных металлов, или их сочетанием.
Например, упомянутая одномодовая жила может быть легирована ионами иттербия и эрбия, или ионами неодима, или только ионами иттербия, или ионами хрома.
Хотя здесь были описаны предпочтительные варианты осуществления изобретения, но в пределах идеи изобретения могут производиться различные изменения и преобразования.
Соединительное устройство для некоаксиальной передачи световой энергии предназначено для соединения многомодового источника излучения, имеющего практически круглый профиль эмиссии с углом расхождения αs, c многомодовым оптическим волокном с площадью поперечного сечения Ас через промежуточный отрезок питающего многомодового оптического волокна, на конце которого участок поперечного сечения площадью Af соединен с упомянутым источником излучения, а одна часть сплавлена с оптическим волокном. Питающее волокно имеет постепенно сужающийся участок и сплавлено с упомянутым многомодовым оптическим волокном (FF) в области постепенно сужающегося участка при следующем соотношении между углом приема αf питающего волокна и углом эмиссии αs источника излучения (LS): αf = kαs, где k - положительная константа больше единицы. Повышена эффективность передачи излучения. 25 з.п.ф-лы, 11 ил.
αf = kαs,
где k - положительная константа больше единицы.
((Af + Ac)/Ac)1/2,
где Af - площадь поперечного сечения питающего волокна (IF), соединенного с упомянутым источником излучения (LS);
Ac - площадь поперечного сечения многомодового волокна (FF).
5. Соединительное устройство по любому из предыдущих пунктов, отличающееся тем, что упомянутый источник излучения (LS) содержит многомодовый полупроводниковый лазерный диод (LD), имеющий по существу прямоугольную излучающую апертуру, и цилиндрическую линзу (CL), расположенную в световом луче (LB) упомянутого лазерного диода (LD), между упомянутым лазерным диодом (LD) и питающим волокном (IF).
| Захват двухканатного типа для штучных грузов | 1960 |
|
SU136871A1 |
| Установка для изготовления изделий из бетона и подобного материала | 1966 |
|
SU497140A1 |
| Деаэратор | 1973 |
|
SU497243A1 |
| СПОСОБ ОТВЕРЖДЕНИЯ КРЕМНИЙОРГАНИЧЕСКИХПОЛИМЕРОВ | 0 |
|
SU234665A1 |
| Световодный разветвитель | 1987 |
|
SU1545183A1 |
