Волоконный световод оптического квантового усилителя Советский патент 1993 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 при создании со- литонных волоконно-оптических линий связи и т.п..

Цель изобретения - увеличение средней интенсивности выходного сигнального излучения Imax насыщающей усилитель. В качестве критерия насыщения выбрано уменьшение усиления вследствие насыщения, при средней интенсивности выходного сигнального излучения Imax, в заданное число раз по отношению к величине малосигнального усиления.

Поставленная цель достигается тем, что в известном волоконном световоде оптического квантового усилителя, состоящем из сердцевины, окружающей ее оболочки и содержащем активированную область, согласно изобретению, активированная область представляет собой в поперечном сечении световода коаксиально расположенное кольцо, причем расстояние от оси световода до кольца R и ширина кольца Д должны удовлетворять соотношениям

, In/

lmax he «(R A):

I max h С/Г As ,

0)

где Imax - наперед заданное значение средней интенсивности выходного сигнального излучения, насыщающей усилитель; /3- заданное отношение коэффициента усиления в режиме малосигнального усиления к коэффициенту усиления при уровне средней интенсивности выходного сигнального излучения Imax,

cc(R, Д )-коэффициент перекрытия моды усиливаемого излучения с инверсией

00

g

О, VJ

4

GJ

населенности; т- время жизни на верхнем лазерном уровне; Л s - длина волны используемого лазерного перехода активной среды; crs - сечение индуцированного излучения на длине волны Л3; h - постоянная Планка, с - скорость света в вакууме.

Здесь и далее расстоянием от оси световода до активированной области называют.величину R - (Ri + R2)/2, а ее шириной - величину Л Ri - R2, где Ri, Ra - радиусы внутренней и внешней окружностей, ограничивающих активированную область.

Коэффициент перекрытия сигнальной волны с инверсией населенности определяется следующим выражением:

a(R.A))dr. (2) JsNv1(rr,z)dr

-

где фз(г)- функция, описывающая поперечное распределение энергии в моде усиливаемого излучения; NM(r,z) - распределение инверсии населенности в активированной области. Интегрирование в выражении (2) выполняется по поперечному сечению воло- коннного световода.

Активированная область должна представлять собой в поперечном сечения световода кольцо для того, чтобы активатор находился в той части световода, где поле сигнальной волны уменьшается по отношению к его значению на оси световода. Это приводит к уменьшению скорости опустошения верхнего лазерного уровня, а следо- вательно, заданное уменьшение коэффициента усиления, обусловленное опустошением верхнего лазерного уровня, наступает при большей, по сравнению с устройством-прототипом, средней интенсивности выходного сигнального излучения.

Коаксиальное расположение кольцевой активированной области обусловлено ци- линдрической симметрией световода и мод распространяющегося по нему излучения.

Соотношение (1), которому должны удовлетворять расстояние от оси световода до кольца R и ширина кольца А, получено следующим образом.

Решение уравнений, описывающих процесс усиления света в волоконном усилителе, дает для коэффициента усиления оптического квантового усилителя следующее выражение (для определенности рассмотрение проводится на примере четырехуровневого усилителя):

G - Goexp(- a tout/lo).

где Go - малосигнальный коэффициент усиления; lout интенсивность выходного сигнала; I о h с/т Я s С78 . Выражение (3) справедливо при Go 1. Задавая допустимое уменьшение усиления ft по отношению к малосигнальному усилению и значение средней интенсивности ВЫХОДНОГО СИГНаЛЬНОГО ИЗЛученИЯ Imax,

насыщающей усилитель, из выражения (3) получают соотношение (1). Аналогичное рассмотрение можно провести и для трехуровневого усилителя.

На фиг.1 показано поперечное сечение заявленного волоконного световода оптиче- скота квантового усилителя.

Световод содержит сердцевину 1, оболочку 2, активированную область 3.

На фиг.2 показано поперечное сечеьие волоконного световода оптического кванто- вого усилителя, выбранного в качестве устройства-прототипа.

Заявленный волоконный световод оптического квантового усилителя работает следующим образом. Излучение накачки

вводится в световод через один из его тор

цов. Распространяясь вдоль световода, оно полглощается активатором. В результате в активированной области возникает инверсная населенность.

30 Через любой из торцов волокна вводит-, ся сигнальное излучение, которое взаимодействует с активатором, вызывая индуцированные переходы с верхнего лазерного уровня на нижний с испусканием

35 кванта света на длине волны сигнала, что и приводит к усилению сигнальной волны. Распределение активатора в кольцевой области уменьшает коэффициент перекрытия сигнальной волны с лазерно-активной обла40 стью, что, в свою очередь, ведет к уменьшению скорости опустошения верхнего лазерного уровня сигнальной волной. Таким образом, при условии выполнения соотношения (1) обеспечивается малосигнальный

45 режим работы усилителя для средней интенсивности выходного сигнального излучения в диапазоне от 0 до Imax.

Пример. Волоконный световод для оптического квантового усилителя изготов50 Лен на основе кварцевого стекла и активирован ионами Nd3. Данный активатор работает по четырехуровневой схеме для сигнального излучения с длиной волны в диапазоне 1,06-1,08 мкм.

55 Волоконный световод имеет следующие параметры. Внешний диаметр световода 125 мкм, диаметр сердцевины световода 6 мкм. Активированная область представляет собой коаксиальное кольцо, расстояние

от оси световода до кольца R 5,625 мкм, ширина кольца Д 0,375 мкм. Прочие параметры имеют следующие значения: г 350 мкс; (7S 1,5-Ю 24 м2; As 1,08 мкм; квантовая эффективность у 0,5. Тогда о 3,49-108 Вт/м2.

Накачка усилителя осуществляется од- номодовым лазерным источником с длиной волны излучения Ар 810 нм. Мощность излучения накачки, введенная в волокон- ный световод, 400 мВт. Как сигнальное излучение, так и излучение накачки распространяются в основной моде световода.

Такой волоконный усилитель имеет еле- дующие характеристики: коэффициент перекрытия сигнального излучения с инверсией населенности а- 0,056; малосигнальное усиление Go 6,5 дБ; средняя интенсивность выходного сигнального из- лучения, насыщающая усилитель, Imax 2,03 109 Вт/м2(для (3 2); соответствующая мощность выходного сигнала Ртах 69,3 мВт.

Для сравнения могут быть приведены характеристики волоконного усилителя, аналогичного устройству-прототипу. Все параметры световода такие же, как в рассмотренном примере, но активатор распределен равномерно по поперечному сечению сердцевины световода.

Тогда волоконный усилитель имеет следующие характеристики: коэффициент перекрытия сигнального излучения с инверсией населенности а 0,73; малосиг- нальное усиление Go 40 дБ; средняя интенсивность выходного сигнального излучения, насыщающая усилитель, Imax 3,32 108 Вт/м2 (для ft 2); соответствующая мощность выходного сигнала Ртах - 11,4 мВт.

Заявленный волоконный световод обеспечивает среднюю интенсивность выходного сигнального излучения, насыщающую усилитель, в 6 раз превышающую соответствующую характеристику устройства, аналогичного прототипу.

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

Формула изобретения Волоконный световод оптического квантового усилителя, состоящий из сердцевины, окружающей ее оболочки и содержащий активированную область, отличающийся тем, что, с целью увеличения средней интенсивности выходного сигнального излучения, насыщающей усилитель, активированная область представляет собой в поперечном сечении световода коаксиально расположенное кольцо, причем расстояние R от оси световода до кольца и ширина кольца А удовлетворяют соотношению:

/ 1 max . he a(R,А) ;

I max h

As Ts

где Imax - заданное значение средней интенсивности выходного сигнального излучения, /3- заданное отношение коэффициента усиления в режиме малосигнального усиления к коэффициенту усиления при уровне средней интенсивности выходного сигнального излучения Imax, a(R, А)- коэффициент перекрытия моды усиливаемого излучения с инверсией населенности, г- время жизни на верхнем лазерном уровне, As -длина волны используемого лазерного перехода активной среды, (73 - сечение индуцированного излучения на длине волны А3 , h - постоянная Планка, с - скорость света.

Фиг.1

Использование: в устройствах для усиления лазерного излучения. Сущность изобретения: волоконный световод состоит из сердцевины, окружающей ее оболочки и содержит активированную область, представляющую собой в поперечном сечении световода коаксиально расположенное кольцо, причем расстояние от оси световода до кольца и ширина кольца должны удовлетворять определенному соотношению. 2 ил.

Фиг,2.