Волоконный световод оптического квантового усилителя

 

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.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (Я)5 Н 01 S 3/07

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К ПАТЕНТУ

riL s o з In

1вах ьс а р

I max > h С/ Г Х s 0 s (21) 4909679/25 (22) 12.02.91 (46) 23.03.93. Бюл. М 11 (71) Физико-технический институт им.

А.Ф. Иоффе (72) P.B.Êèÿí, Е.А.Кузин, М.П,Петров и

В.B.Ñïèðèí (73) Физико-технический институт им.

А.Ф,Иоффе РАН (56) Davison А.S., White I,Н, Highly efficient

linearly polarlsed Roman generation in a

germanium core optical slbre, Electron. Lett„

1987, vol.23, М 25, р.1343 — 1344.

t imura V. et аИ, 46.5 dB gain in Er-дород

fibre amplifier pumped by 1.48 mGalnAsP

laser diodes Electron. Lett., 1989, vol.25, N24. р.1656 — 1657.

Изобретение относится к технической физике, в частности к устройствам для усиления лазерною излучения, и может быть использовано для линейного усиления мощного лазерного излучения при создании солитонных 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 сигнальндго 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 содержащей активировэнную область, соглас„„5U„, 1804674 АЗ (54) ВОЛОКОННЫЙ СВЕТОВОД ОПТИЧЕСКОГО КВАНТОВОГО УСИЛИТЕЛЯ (57) 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. но изобретению, активированная область представляет собой в поперечном сечении световода коаксиально расположенное кольцо, причем расстояние от оси световодэ до кольца R и ширина кольца Л должны удовлетворять соотношениям где imax — наперед заданное значение средней интенсивности выходного сигнального излучения, насыщающей усилитель; P — заданное отношение коэффициента усиления в режиме малосигнэльного усиления к коэффициенту усиления при уровне средней интенсивности выходного сигнального излучения 1п,ах, а (R, Ь ) — коэффициент перекрытия моды усиливаемого излучения с инверсией

1804674

20

G Goexp(- а lout/lo), (3) 3 населенности; г- время жизни на верхнем лазерном уровне; il — длина волны используемого лазерного перехода активной среды; os — сечение индуцированного излучения на длине волны À s, h — постоянная Планка, с — скорость света в вакууме.

Здесь и далее расстоянием от оси световода до активированной области называют.величину R - (R< + Rz)/2, а ее шириной— величину b,- R> - Я, где R>, Rz — радиусы внутренней и внешней окружностей, ограничивающих активированную область.

Коэффициент перекрытия сигнальной волны с инверсией населенности определяется следующим выражением; где Qs(t) — функция, описывающая поперечное распределение энергии в моде усиливаемого излучения; N>(r,z) — распределение инверсии населенности в активированной области. Интегрирование в выражении (2) выполняется по поперечному сечению волоконнного световода.

Активированная область должна представлять собой в поперечном сечении 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 следовательно, 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 Я и ширина кольца b„, получено следующим образом.

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

55 где Go — малосигнальный коэффициент усиления; lout — интенсивность выходного сигнала; I o =h с/г Аs (Js, Выражение(3) справедливо при Gp» 1.

Задавая допустимое уменьшение усиления Р 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 оптического квантового усилителя.

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

На фиг.2 показано поперечное сечение волоконного световода оптического квантового усилителя, выбранного в качестве устройства-прототипа, Заявленный волоконный световод оптического квантового усилителя работает следующим образом. Излучение накачки вводится в световод через ьдин из его торцов. Распространяясь вдоль световода, оно полглощается активатором, В результате в активированной области возникает инверсная населенность.

Через любой иэ торцов волокна вводит-. ся сигнальное излучение, которое взаимодействует с активатором, вызывая индуцированные переходы с верхнего лазерного уровня на нижний с испусканием 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 областью, что, в свою очередь, ведет к уменьшению скорости опустошения верхнего лазерного уровня сигнальной волной. Таким образом, при условии выполнения соотношения (1) обеспечивается малосигнальный режим работы усилителя для средней интенсивности выходного сигнального излучения в диапазоне отОдо lmsx.

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

Волоконный световод имеет следующие параметры. Внешний диаметр световода 125 мкм, диаметр сердцевины световода

6 мкм. Активированная область представляет собой коаксиальное кольцо, расстояние

1804674

6 от оси световода до кольца R = 5,625 мкм, ширина кольца Л= 0,375 мкм. Прочие параметры имеют следующие значения: t = 350 мкс; о, 1,5 ° 10 м; Л, = 1,08 мкм; квантовая эффективность y = 0,5. Тогда

Io 3,49 ° 10 Вт/м .

Накачка усилителя осуществляется одномодовым лазерным источником с длиной волны излучения il р = 810 нм. Мощность излучения накачки, введенная в волоконный световод, 400 мВт, Как сигнальное излучение, так и излучение накачки распространяются в основной моде световода.

Такой волоконный усилитель имеет следующие характеристики: коэффициент перекрытия сигнального излучения с инверсией населенности a-- 0,056; малосигнальное усиление Go = 6,5 дБ, средняя интенсивность выходного сигнального излучения, насыщающая усилитель, Imax=2,03.10 Вт/м (для P= 2); соответствующая мощность выходного сигнала Р»» =

=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; малосигнальное усиление Оо = 40 дБ; средняя интенсивность выходного сигнального излучения, насыщающая усилитель, Imax-3,32 10 Вт/м (для /=2); соответствующая мощность выходного сигнала Pmax-11,4 мВт.

Заявленный волоконный световод обеспечивает среднюю интенсивность выходного сигнального излучения, насыщающую усилитель, в 6 раэ превышающую соответствующую характеристику устройства, аналогичного прототипу, 5 Дополнительным преимуществом заявленного волоконного световода является то, что он позволяет создавать усилители с

КПД, более высоким по сравнению с устройством-прототипом, 10 Формула изобретения

Волоконный световод оптического квантового усилителя, состоящий из сердцевины, окружающей ее оболочки и содержащий активированную область, о т л и ч à ю15 шийся тем, что, с целью увеличения средней интенсивности выходното сигнального излучения, насыщающей усилитель, активированная область представляет собой в поперечном сечении световода коаксиально

20 расположенное кольцо, причем расстояние

R от оси световода до кольца и ширина кольца Л удовлетворяю соотношению: гЛ,а, ь

25 " с а R,,с

1 max > и < . Л s т s где Imax — заданное значение средней интен30 сивности выходного сигнального излучения, ф — заданное отношение коэффициента усиления в режиме малосигнального усиления к коэффициенту усиления при уровне средней интенсивности

35 выходногосигнальногоиэлучения I®ax, a(R, Л) — коэффициент перекрытия моды усиливаемого излучения с инверсией населенности, т- время жизни на верхнем лазерном уровне, Л вЂ” длина волны используемого

40 лазерного перехода активной среды, у,— сечение индуцированного излучения на длине волны iLs, h — постоянная Планка, с — скорость света.

1804674

Составитель Р.Киян

Техред М.Моргентал

Корректор Л,филь

Редактор

Производственно-издательский комбинат "Патент". г, Ужгород, ул.Гагарина, 101

Заказ 1080 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб„4/5