Широкополосный оптический усилитель, двужильное активное оптическое волокно и способ его изготовления

 

Предметом данного изобретения является оптический усилитель, предназначенный, в частности для волоконно-оптических линий 1 телесвязи, рассчитанных на передачу в определенном диапазоне длин волн, причем такой усилитель содержит флюоресцентно активированное оптическое волокно 6 с добавкой эрбия, имеющее две сердцевидные жилы (11 и 12, 101 и 102), одна из которых (11, 101) соединена со световодным волокном 4, где передаваемый сигнал должен усиливаться и мультиплексироваться с энергией световой накачки, и с выходным волокном, предназначенным для передачи усиленного сигнала, в то время как вторая жила (12, 102) оптически связана с первой и способна поглощать спонтанное излучение эрбия, которое в противном случае являлось бы источником шума, что в конечном итоге дает возможность усиливать пропускаемый сигнал в полосе длин волн, соответствующей номинальному диапазону промышленно выпускаемых, коммерчески доступных лазерных сигналоизлучателей. 4 с. и 21 з.п. ф-лы, 13 ил.

Изобретение относится к оптическому волокну, содержащему флюоресцентные стимулирующие добавки, обеспечивающие усиление передаваемого оптического сигнала, воспринимаемого этим волокном, и устраняющие излучения с желательной длиной волны, генерируемые внутри него в результате спонтанной эмиссии.

Известно оптическое волокно, имеющее жилы (сердцевины) с редкоземельными лигирующими (активирующими) добавками и используемое в качестве оптических усилителей. Примером таких световодных средств являются жилы световодных кабелей, активированные эрбием, с накачкой от источника с соответствующей длиной волны (к примеру, 532, 670, 807, 980 или 1490 нм), которые могут использоваться в качестве волноводного линейного усилителя оптических сигналов для телесвязи в 1550-нанометровом диапазоне длин волн.

Такие волокна могут запитываться от источника света с определенной длиной волны, способного приводить атомы активирующих веществ-добавок (присадок) в возбужденное энергетическое состояние или же производить квантовую накачку, в результате которой атомы спонтанно переходят за очень короткое время в инверснозаселенное лазерно-эмиссионное состояние, в котором они могут находиться относительно большое время.

В том случае, когда через волокно, имеющее большое число атомов, находящихся в возбужденном состоянии на эмиссионном (излучательном) уровне, проходит световой сигнал с длиной волны, соответствующей такому лазерно-эмиссионному состоянию, этот сигнал вызывает переход возбужденных атомов на более низкий энергетический уровень с излучением света с той же длиной волны, что и у пропускаемого сигнала; следовательно, волокно такого типа может использоваться как усилитель оптического сигнала.

При нахождении атомов в возбужденном состоянии переход их электронов на более низкие уровни может происходить и спонтанно, что сопровождается ростом случайной высветки, создающей фоновый "шум", накладывающийся на стимулированное (организованное) излучение, соответствующее усиливаемому сигналу.

Световая эмиссия, создаваемая за счет "закачки" энергии оптического диапазона в "стимулированное" или активное волокно, может иметь место на нескольких длинах волн, характерных для стимулирующего вещества-добавки, в результате волокно приобретает соответствующий спектр флюоресценции.

Для обеспечения максимального усиления сигнала волокном вышеуказанного типа, а также для достижения высокого соотношения сигнал/шум в оптических системах телесвязи обычно применяют сигнал(сигналы), генерируемый лазерным излучателем с длиной волны, соответствующей максимуму кривой распределения спектра флуоресценции волокна, включающего соответствующую стимулирующую добавку.

Следует указать, что для усиления сигналов в оптической телесвязи достаточно широко используются "активные" волокна с сердцевиной, легированной стимулирующими ионами эрбия Er³⁺.

В то же время примечательно то, что кривая коэффициента усиления по спектру такой сердцевины, активированной эрбием, в оптическом усилителе вышеуказанного типа характеризуется наличием двух диапазонов. Один, достаточно узкий, диапазон сцентрирован по частоте 1530 нм, в то время как второй, более широкий, но с меньшими уровнями диапазон сцентрирован вокруг длины волны 1550 нм.

Пиковые значения длин волн в этих диапазонах изменения коэффициента усиления и их спектральные полосы зависят от состава стекломассы сердцевины. К примеру, сердцевины из кварцевого стекла, активированного (стимулированного) эрбием и окисью германия, имеют более высокое пиковое значение коэффициента усиления на медианальной частоте 1536 нм, в то время как сердцевина из этого же кварцевого стекла, но активированного эрбием и окисью алюминия, имеет увеличенный коэффициент усиления на частоте 1532 нм.

В обоих случаях диапазон увеличенного коэффициента усиления имеет 3-децибельную "линейную полосу" в диапазоне длин волн около 3-4 нм, при этом диапазон меньшего уровня (значений коэффициента усиления), зависящий от состава стекломассы, шире 3-децибельной полосы для длины волны 30 нм. Первый из двух указанных диапазонов имеет больший коэффициент усиления, чем последний; однако, в первом случае усиливаемый сигнал должен быть предельно стабильным со строго определенной длиной волны.

Это обстоятельство предопределяет использование в качестве источника передаваемого сигнала лазерного излучателя, работающего на строго определенной длине волны с ограниченным допуском, поскольку сигналы, выходящие за пределы такого допуска, не будут соответствующим образом усиливаться, при этом на пиковой длине волны будет проявляться сильная спонтанная эмиссия, следствием которой будет возрастание помехового шума, который может значительно ухудшить качество передачи сигналов.

Негативным обстоятельством в этом смысле является то, что лазерные излучатели, способные работать в режиме, соответствующем эмиссионному пику эбрия, являются дорогостоящей и малодоступной техникой, в то время как промышленность наиболее широко выпускает полупроводниковые лазерные излучатели (In, Ga, As), в целом удовлетворяющие потребностям телесвязи, но имеющие относительно большие допуски (разброс) по длине волны излучаемого сигнала, и только относительно небольшое число лазерных излучателей подобного типа дают излучение на вышеупомянутой пиковой длине волны.

В то время как в некоторых областях применимости оптической телесвязи, например, в подводной телесвязи, конкретным решением указанной проблемы может быть применение излучателей передаваемых сигналов, работающих на вполне определенной длине волны, что может быть реализовано за счет тщательного выбора лазерных излучателей из лазеров коммерческого качества так, чтобы использовать на практике только те из них, излучательная способность которых точно соответствует или близка к эмиссионному пику усилительного оптического волокна, эта процедура может оказаться неприемлемой с экономической точки зрения для линий связи других типов, таких как, например, муниципальные линии связи, для которых большое значение имеет сокращение исходных капиталовложений.

К примеру, эрбий активированное волокно, предназначенное для использования в системах лазерной телесвязи, имеет пик излучения на волне порядка 1535 нм, обладая в диапазоне 5 нм от этого значения высокой излучательной интенсивностью и может использоваться для усиления сигнала в том же диапазоне длин волн; однако, серийно производимые полупроводниковые лазеры, используемые в оптической телесвязи, обычно имеют длину волны в диапазоне 1520-1570 нм.

Как результат, большое число коммерчески доступных лазеров находится по своим характеристикам вне диапазона, соответствующего усилению эрбий - активированное волокно, а следовательно, не могут использоваться для генерирования телекоммуникационных сигналов в линиях с эрбий легированные усилители вышеуказанного типа.

С другой стороны, известно, что оптические волокна световоды, стимулированные эрбием, имеют вышеупомянутый второй диапазон усиления по эмиссионному спектру, для которого характерна относительно высокая и практически постоянная интенсивность светоусиления в диапазоне длин волн, смежном с вышеуказанным узким пиковым диапазоном и достаточно широким для охвата, перекрытия диапазона излучения упомянутых коммерчески доступных лазеров.

Однако в оптическом волокне данного типа сигнал, имеющий длину волны, приходящуюся на второй диапазон усиления, будет усиливаться не в полную меру, в то время как спонтанные переходы от состояния лазерной эмиссии (излучения) в волокне имеют место в исходном с излучением на длине волны узкого волнового диапазона усиления, равной 1536 нм, что приводит к генерированию "шумовой" помехи, которая будет дополнительно усиливаться на длине активного волокна и накладываться на полезный сигнал.

В принципе можно предусмотреть фильтрацию светоизлучения, образующего "шум" на конце усилительного волокна, пропуская в линию связи только длину волны передаваемого сигнала; для этого на конце активного световолокна необходим соответствующий фильтр.

Однако наличие спонтанной эмиссии (излучения) в волокне, приходящейся в основном на длину волны максимума усиления, будет сопровождаться вычитанием энергии накачки по отношению к усилению передаваемого сигнала, имеющего отличающуюся длину волны, вследствие чего волокно станет практически неактивным в смысле усиления сигнала.

Таким образом, применение активного оптического волокна в оптических усилителях, предназначенных для использования в сочетании с коммерчески доступными, серийными лазерными излучателями, встречает определенные трудности, обусловленные прежде всего значительными качественными ограничениями, накладываемыми на указанные излучатели.

Цель настоящего изобретения разработка стимулированного, активного светопроводного волокна, способного обеспечить удовлетворительное усиление в достаточно широком диапазоне длин волн для того, чтобы можно было использовать стандартные лазерные излучатели при отсутствии спонтанных излучений материала на нежелательной длине волны, ухудшающих усилительную способность волокна и создающих фоновый шум большой интенсивности по отношению к передаваемому сигналу.

Поставленная цель реализована в созданном в рамках данного изобретения оптическом усилителе, отличительные признаки которого сформулированы в ионном объеме в пунктах патентования.

На фиг. 1 дана схема оптического усилителя, использующего активное световодное волокно; фиг.2 схема энергетических переходов флюоресцентной стимулирующей добавки в волокне; на фиг.3 кривая стимулированного излучения оптического волокна на основе кварцевого стекла с добавкой; фиг. 4 в увеличенном масштабе схематизированный разрез оптического усилителя; фиг.5 - поперечное сечение активного волокна усилителя по секущей плоскости У-У; фиг. 6 график констант распространения света в жилах активного световодного волокна; на фиг. 7 схематизированный вид части световодного волокна; фиг.8 - поперечное сечение оптического волокна, имеющего усилительную и аттенюаторную жилы в общей оболочке, но с различным диаметром; на фиг. 9 эпюра показателя преломления двух жил оптического волокна, изображенного на фиг. 8; на фиг. 10 спектральная кривая распределения коэффициента усиления для различных длин волн усилительной жилы волокна, изображенного на фиг. 8; на фиг. 11 кривая затухания аттенюаторной жилы волокна, изображенного на фиг. 8; на фиг. 12 корреляционная кривая двух жил рассматриваемого оптического волокна; на фиг. 13 график переноса передачи энергии.

Для усиления сигналов в оптических системах телесвязи могут применяться волоконные усилители. Конструкция таких усилителей схематично показана на фиг. 1, где позицией 1 обозначено светопроводное волокно оптической телесвязи, в которое поступает передаваемый полезный сигнал, имеющий длину волны λ_s. Этот сигнал генерируется лазером 2.

Указанный сигнал, затухающий на определенной длине линии связи, поступает в дихроичный ответвитель 3, где он складывается при помощи прямолинейного параллельного волокна с сигналом накачки с длиной волны λ_p, генерируемым лазерным излучателем возбудителем 5. Активное светопроводящее волокно 6, связанное с волокном 4, отходящим от ответвителя, образует усилитель передаваемых сигналов, который затем переходит в линейное волокно 7, идущий к соответствующему пункту назначения.

Активное волокно, образующее усилительный светопроводный элемент линии связи, в предпочтительном варианте исполнения изобретения выполняется в виде кварцевого оптического волокна с добавкой E_r2O₃, присутствие которой позволяет существенным образом усиливать передаваемый сигнал за счет лазерных переходов в атомах эрбия.

Для реализации потребного показателя преломления волокна целесообразно использовать легирование его материала окисью германия или алюминия.

Как показано на схеме фиг. 2, относящейся к волокну рассматриваемого типа и иллюстрирующей возможные энергетические состояния иона эрбия в растворе в кварцевоосновной матрице, поступление в активное волокно световой энергии на длине волны накачки λ_p, меньшей длины волны λ_s передаваемого сигнала, приводит к тому, что определенное число ионов Er³⁺, присутствующих в матрице стекломассы, образующей волокно, в качестве стимулирующей добавки переходит в "возбужденное" энергетическое состояние 8, именуемое ниже как "область или зона накачки", из которого ионы спонтанно переходят на более низкий энергетический уровень 9, являющийся уровнем лазерного излучения (эмиссии).

На лазерно-эмиссионном уровне 9 ионы Er³⁺ могут оставаться относительно длительное время, прежде чем они претерпят спонтанный переход на устойчивый уровень 10.

Известно, что в то время как переход из области 8 на уровень 9 связан с термоэмиссией, энергия которой рассеивается наружу за пределы волокна (фоновое излучение), переход электронов с уровня 9 на основной уровень 10 сопровождается излучением света с длиной волны, соответствующей энергетическому показателю лазерно-эмиссионного (лазерно-излучательного) уровня 9.

Если через оптическое волокно, содержащее большое число ионов на лазерно-эмиссионном уровне, пропускается сигнал, длина волны которого соответствует указанному уровню, то этот сигнал вызывает стимулированный переход упомянутых ионов из лазерно-эмиссионного состояния в устойчивое, прежде чем произойдет их спонтанный переход. Подобный процесс стимулированной инверсии носит каскадно-ступенчатый характер и приводит к значительному усилению передаваемого сигнала на выходе активного волокна.

В отсутствии передаваемого сигнала будут происходить спонтанные переходы из лазерно-эмиссионных состояний, которые носят дискретный характер, типичный определенным образом для каждого вещества; в результате создается световое излучение с пиками интенсивности на различных частотах, соответствующих задействуемым уровням.

В частности, как показано на фиг. 3 или фиг. 10, волокно типа Si/Al или Si/Ge, активированное Er³⁺ и используемое в оптических усилителях, на длине волны 1536 нм имеет узкий эмиссионный (излучательный) пик большой интенсивности, в то время как при больших длинах волн, приблизительно 1560 нм, наблюдается область, в которой излучение имеет достаточно большую интенсивность, хотя и ниже чем интенсивность в пиковой зоне, образуя широкий эмиссионный пик.

При пропускании через волокно светового сигнала с длиной волны, соответствующей эмиссионному пику эрбия Er³⁺ при 1536 нм, происходит очень сильное усиление сигнала, в то время как фоновый шум, обусловленный спонтанным излучением эрбия, остается на достаточно низком уровне, что делает волокно в полной мере пригодным для использования в оптическом усилителе под сигнал этой длины волны.

Для генерирования сигнала в рассматриваемых системах телесвязи могут использоваться коммерчески доступные лазеры полупроводникового типа (In, Ga, As), имеющие номинальный диапазон волн от 1,52 до 1,57 мкм. Таким образом, принцип их действия, технические характеристики и технология производства не позволяют во всех выпускающихся образцах реализовать излучение полезного (передаваемого) сигнала с точно заданной частотой, соответствующей узкому эмиссионному пику (пику излучения) эрбий активированное волокно, применяемого в качестве оптического усилителя, но в то же время имеется реальная возможность подобрать значительное число образов, в которых излучаемый сигнал локализуется на участках эмиссионной кривой волокна, примыкающих к упомянутому узкому эмиссионному пику и соответствующих вышеупомянутым меньшему по интенсивности и более широкому по полосе эмиссионному пику.

Сигнал, генерируемый указанными лазерными эмиттерами, не может быть усилен достаточным образом в эрбий-стимулированном волоконнооптическом усилителе указанного типа, поскольку энергия накачки, вводимая в активное волокно, в большей степени будет использоваться на усиление фонового шума, генерирующегося в этом усилительном волокне вследствие спонтанной эмиссии (излучения) эрбия на длине волны 1536 нм.

С учетом отмеченного, решая задачу практического приспособления большинства стандартных лазерных излучателей упомянутого типа для работы в сочетании с волоконно-оптическими усилителями, активированными эрбием, что предполагает в целом возможность применения лазерных излучателей соответствующих типов в сочетании с флюоресцентными стимуляторами, дающими сильное фоновое излучение вследствие спонтанных переходов атомов из лазерно-излучательного состояния, в рамках данного изобретения было предложено использовать активное волокно с поперечным сечением, показанным на фиг. 4 и 5, имеющее две жилы (сердцевины) 11 и 12 соответственно, находящиеся в одной и той же оболочке 13.

Как схематично показано на фиг. 4, жила 11 рассматриваемого активного волоконного светопровода 6 связана одним концом с волокном 4, выходящим из дихроичного ответвителя, а противоположным концом с волокном 7 линии связи, в то время как жила 12 обрезана по концам светопровода 6, не имея каких-либо соединений.

Две жилы 11 и 12 волокна 6 выполнены таким образом, что соответствующие постоянные распространения света β₁ и β₂ по волокну, законы (кривые) изменения которых, зависящие от длины волны, показаны на фиг. 6, позволяют реализовать оптическую связь между этими жилами 11 и 12, когда длина волны пика излучения активаторной, стимулирующей добавки жилы 11 имеет максимум (в случае эрбия это 1536 нм) и находится в пределах между λ₁ и λ₂, при этом амплитуда указанного пика определяется наклоном кривых β₁ и β₂ и соответствует (фиг. 3) амплитуде узкого эмиссионного пика генерируемого фона.

Постоянные β₁, β₂ могут подбираться так, чтобы обеспечить необходимую связь при соответствующем подборе числовых апертур рассматриваемых жил, их диаметров и расстояния между ними.

В качестве примера приводятся формулы, определяющие оптическую связь по энергиям P₁ и P₂ между двумя различными жилами в общей оболочке: P₁(Z)=1-Fsin²CZ, (1) P₂(Z)=Fsin²CZ, (2) где F=1/[1-Bd(c)²] (3) c=(Bd² + N²)^1/2 (4) Bd=(β₁- β₂)/2(5) S_i= 1-(n_ce/n_ci)², (7) где индексы 1 и 2 относятся к соответствующим жилам;
C коэффициент связи контуров;
a_i радиус жилы i;
S_i числовая апертура жилы i;
β₁ постоянная распространения света соответствующей жилы;
n_ci и n_ce показатели преломления жилы и оболочки световодного волокна соответственно;
d расстояние между центрами жил;
U_i, V_i и W_i параметры, характеризующие жилу i.

Путем тщательного подбора (расчета) значений указанных параметров можно получить две жилы с оптикоэнергетической связью в заданном узком диапазоне, сцентрированном по заданной длине волны.

В частности предпочтительным волновым диапазоном связи между двумя волоконными жилами 11 и 12 в случае использования эрбия в качестве стимулирующей добавки в материале жилы 11 является диапазон длин волн λ₁= 1530 нм и λ₂= 1540 нм.

Итак, свет, имеющий длину волны порядка 1536 нм, распространяясь по активной жиле 12 и порождая фоновый "шум", обусловленный спонтанным излучением эрбия, периодически будет переходит из жилы 11 в жилу 12, что предопределяется известными законами оптического взаимодействия светопропускающих тел (журнал Оптического Общества Америки, т.2, N 1, январь 1985 г. с.84, 90).

Длина волокна L_В, на которой происходит полный переход энергии света на расчетной длине волны связи из одной жилы в другую (фиг. 7) и которую называют "базой перехода", зависит от характеристик двух жил, в частности от их диаметров, показателей преломления, числовой аппаратуры, расстояния между ними.

В том случае, когда передаваемый по жиле 11 сигнал имеет длину волны λ₃, отличную от длины волны, на которой осуществляется связь между жилами 11 и 12 (к примеру, 1550 нм), этот сигнал локализуется в жиле 11 без перехода в жилу 12; аналогичным образом световой луч накачки, вводимый в жилу 11 от ответвителя 3 и имеющий длину волны λ_p, например, 980 или 540 нм, будет иметь такие характеристики (физические условия) распространения по жиле 11, которые исключат возможность его перехода в жилу 12, т.е. в этом случае энергия накачки не будет реализована.

Обе рассматриваемые жилы 11 и 12 содержат стимулирующие, активирующие добавки, в частности жила, называемая ниже как "активная" или "усилительная", легирована эрбием, в то время как жила 12, идентифицированная ниже как "пассивная" жила, легирована добавкой, имеющей высокие светопоглощающие свойства во всем спектре или по меньшей мере на частоте пика излучения активатора жилы 11, который является, как указывалось, источником "шума", в частности при наличии пика на частоте 1536 нм, когда в качестве лазерного активатора используется эрбий.

Пригодные для этой цели вещества, имеющие высокую светопоглощающую способность в пределах соответствующего спектра, описаны, к примеру, в европейской патентной заявке N 88304182. и относятся в общем случае к элементам с переменной валентностью, таким как Ti, V, Cr, Fe в состоянии наименьшей их валентности Er³⁺
В качестве веществ, обладающих интенсивным светопоглощанием на соответствующей длине волны, т. е. на длине волны, соответствующей пику излучения стимулирующей добавки в "активной" зоне жилы 11, которое желательно подавить, целесообразно использовать ту же добавку; реально, флюоресцентное вещество при поступлении достаточно большой энергии накачки дает определенную высветку на соответствующей длине волны, однако это же вещество при отсутствии накачки поглощает свет с той же длиной волны, что и при излучении с наличием накачки. В частности при использовании легированной эрбием "активной" жилы 11 вторая жила с полным основанием может быть легирована тем же эрбием.

В этом случае благодаря тому, что кривая (закон) поглощения эрбия имеет вид, соответствующий кривой его флюоресценции или лазерной высветки (эмиссии), показанной на фиг. 3, наблюдается аналогия между пиком стимулированного излучения (на 1536 нм) и пиком поглощения света на той же волне.

В результате при возникновении флюоресценции на длине волны связи между жилами, т.е. на 1536 нм, которая проявляется при наличии световой накачки в жиле 11 вследствие спонтанного перехода на устойчивые нижние уровни (высветки) атомов активирующей добавки (эрбия) с верхнего лазерного уровня 9, она автоматически переходит к жиле 12; однако от жилы 12 это излучение не возвращается в жилу 11, внутри которой проходит передаваемый сигнал, поскольку в жиле 12 происходит практически полное ослабление входящего света, который поглощается активирующей добавкой, присутствующей в материале этой жилы.

Таким образом, компонента высветки на нежелательной длине волны как бы непрерывно "изымается" из жилы 11 и рассеивается внутри жилы 12, не возвращаясь обратно в жилу 11, а следовательно, не может усиливаться в последней с изъятием в результате этого энергии накачки из процесса усиления передаваемого сигнала и без наложения этой энергии на усиливаемый сигнал.

Следовательно, волокно, составляющее предмет притязаний настоящего изобретения, производит непрерывную фильтрацию света, присутствующего в жиле 11, по всей активной длине этого волокна, поглощая фотоны, излучаемые на волне 1536 нм в результате спонтанного энергопонижающего перехода ионов λ_s с лазерно-эмиссионного уровня, и препятствуя таким образом их распространению вперед по волокну, что будет приводить к дальнейшей высветке (уровнеэнергетическим переходам) при данной длине волны; в соответствии с этим указанное волокно пропускает по жиле 11 световое излучение только на волне полезного сигнала, рассеивая в той же жиле излучение на длине волны накачки.

Такой механизм позволяет осуществлять выбор длины пропускаемой волны λ₂ и λ₃ во всем диапазоне волн, в которой эрбий имеет заметную лазерную высветку, к примеру, между значениями α, показанными на фиг. 3 (соответствущим приблизительно диапазону 1540-1570 нм), что, в свою очередь, дает возможность легко подобрать лазерный излучатель под конкретный передаваемый сигнал без учета различий в конкретных режимах усиления сигналоизлучателей на различных волнах в пределах диапазона допусков, который широк настолько, что позволяет использовать большинство промышленно выпускаемых серий полупроводниковых лазеров (In, Ga, As).

Характеристики рассматриваемого двужильного оптического волокна, принцип действия которого позволяет реализовать связь между двумя жилами в потребном диапазоне длин волн, могут быть взяты из ранее упоминавшихся публикаций.

Относительное содержание эрбия, присутствующего в активной жиле 11 волокна, выбирается на основе потребного коэффициента усиления на заданной (используемой) рабочей длине (базе) усиления волокна; или активная длина волокна выбирается таким образом, чтобы реализовать заданный коэффициент усиления в соответствии с количеством эрбия, присутствующим в материале волокна; обычно суммарное содержание эрбия, применяемого в виде окиси (Er₂O₃) в активной жиле 11 волокна варьируется в пределах 10-1000 мас.ч. /млн.

Содержание активирующей добавки, обладающей интенсивным светопоглощением, в "пассивной" или аттенюаторной жиле 12 должно быть взаимосвязано с длиной L_В "перекрывающей" волны так, чтобы база p = p_oe^-α^L затухания в жиле 12, представляющая собой длину участка, на котором энергия света в волокне уменьшается на коэффициент 1(е) в соответствии с известным законом, описывающим распространение световой энергии в ослабляющей среде: λ_s была меньше хотя бы на порядок, чем длина L_В перекрывающей волны (что соответствует полному переходу световой энергии на длине волны связи из одной жилы в другую, как это показано на фиг. 7), т.е. L < (1/10)L_B желательно подбирать параметры жилы 12 и содержание в ней светопоглощающей добавки так, чтобы упомянутая база ослабления была на два порядка (в сотни раз) меньше, чем расчетная длина взаимоперекрытия (оптической связи) жил.

Относительное содержание указанной добавки или присадки в "пассивной", аттенюаторной жиле 12 может быть равна или превосходить содержание этой же добавки в усилительной жиле 11, доходя до 10000 мас.ч./млн. или более того в этом случае будет удовлетворяться вышеуказанное ограничение.

Активирующие добавки могут водиться в стекловолокно, к примеру, по известной технологии "растворного легирования", которая дает удовлетворительные результаты по качеству продукта, или какими-то другими хорошо известными способами, выбор применимости которых основывается на конкретно реализуемых свойствах волокна и технологических возможностях.

На фиг. 5 приведен один из возможных предпочтительных вариантов исполнения рассматриваемого волокна. Волокно 6, показанное в поперечном сечении, имеет жилу 11, по которой пропускается полезный оптический сигнал и которая одновременно воспринимает свет накачки, эта жила заключена в стеклянную оболочку (обкладку) 13. С некоторым эксцентриситетом относительно светопроводной жилы 11 расположена вторая жила 12.

Активное двухжильное волокно 6 соединяется (схема, фиг. 4) с одножильными оптическими волокнами 4 и 7, такое соединение может быть осуществлено традиционным способом, т.е. без применения каких-либо специальных переходников, а исключительно за счет торцевой стыковки соединяемых секций с использованием обычного волоконно-соединительного оборудования, обеспечивающего соосную стыковку соединяемых секций с контролем по их внешним поверхностям так, чтобы жила 11 после соединения находилась точно на одной оси с сердцевинами волокон 4 и 7 без каких-либо заметных потерь света в местах соединения; жила 12, которая смещена эксцентрично относительно жилы 11, не соединяется с другими световодными волокнами и соответственно обрезана по концам двужильного волокна 6, не требуя каких-либо дополнительных операций по ее стыковке.

Для обеспечения максимально высокой эффективности усиления желательно, чтобы жила 11 была монорежимной как по волне пропускаемого сигнала, так и по волне накачки; монорежимной хотя бы на волне Er³⁺ должна быть и жила 12.

Пример использования рассматриваемого двужильного волоконно-оптического усилителя в системе оптической телесвязи показан на схеме фиг.1. В данном случае двужильное активное световодное волокно 6, образующее упомянутый усилитель, состоит из Si/Al-стекла, легированного Er³⁺ с суммарным содержанием 80 мас.ч./млн. добавки Er₂O₃, распределенной в равных долях по двум жилам 11 и 12.

Жилы 11 и 12 имеют следующие параметры: a=3,1 мкм (радиус); S=0,105 (числовая апертура); n₁=1,462 (показатель преломления); d/a=3,5 (отношение между зазором d между двумя жилами 11 и 12 и радиусом a этих жил, фиг. 5).

Жила 11 соосна с телом волокна. Активная, рабочая длина волокна составляет 30 м.

В рассматриваемом примере в качестве источника накачки 5 был использован аргон-ионный лазер длиной волны 528 нм и мощностью 150 мВт, в то время как излучателем 2 передаваемого сигнала служил серийный полупроводниковый лазер (In, Ga, As) мощностью 1 мВт, измеренная длина волны излучения которого доходила до 1560 нм.

Такая экспериментальная установка имела на выходе усилителя коэффициент усиления порядка 27 дБ при ослаблении (затухании) входного сигнала на 0,5 мкВт.

Для моделирования реальных условий эксплуатации на входе усилителя с помощью переменного аттенюатора осуществлялось соответствующее ослабление передаваемого сигнала.

В отсутствие сигнала, как показали измерения, уровень спонтанного излучения на выходе усилителя составил 10 мкВт. Такое излучение, образующее фоновый "шум" усилителя, не влияет заметным образом на передаваемый сигнал, который усиливается до существенно более высоких уровней (порядка 250 мкВт).

В целях сравнения тот же самый лазерный излучатель 2 линии связи был использован совместно с оптическим усилителем такой же конструкции, что и в предыдущем к примере, но с тем отличием, что активное волокно 6 имело одну жилу (сердцевину) из Si/Al-стекла со "ступенчатым показателем", активированного d с содержанием 400 мас.ч./млн. длина активного волокна составляла 30 м.

Указанный усилитель, работая на передаваемом сигнале с длиной волны 1560 нм, показал коэффициент усиления менее 15 дБ, при этом спонтанная высветка (эмиссия) по уровню сравнима с выходным сигналом.

На фиг. 8-13 представлен альтернативный вариант исполнения рассматриваемого активно-усилительного волокна. Это волокно имеет следующие параметры: a₁=2 мкм; S₁ 0,196; a₂=4,45 мкм; S₂=0,135; d/a₁=9, где жила 101 усилительная, содержащая Er₂O₃ 150 мас.ч./млн. а жила 102 аттенюатор, содержащий Er₂O₃ 10000 мас.ч./млн. обе эти жилы заключены в общую оболочку 103. Помимо всего прочего жилы легировались германием, что признано целесообразным.

Данное волокно вытягивалось до стандартного внешнего диаметра 125 мкм. Параметры жилы 1 были подобраны таким образом, чтобы отсечь второй режим на длинах волн менее 980 нм и обеспечить функционирование на заданной длине волны накачки, составляющей 980 нм.

На фиг. 10 приведена спектральная эпюра коэффициента усиления усилительной жилы сердцевины волокна; в данном случае главный пик уже, чем пик, показанный на фиг. 3. На фиг. 11 показана рабочая спектральная характеристика аттенюаторной жилы.

На фиг. 12 проиллюстрировано различие в постоянных распространения света в жилах в зависимости от длины волны (т.е. β₁ и β₂ ), использованных в формуле (5). Анализ этого графика показывает, что длина волны синхронизации, при которой постоянные распространения света равны, соответствует 1536 нм, т.е. длине волны пика узкого диапазона.

На фиг. 13 приведен график коэффициента передачи мощности между жилами (т. е. Г, входящий в формулу (3)). Здесь снова пиковая связь на длине волны 1536 нм значительно слабее связи на длинах волн более широкого спектрального диапазона изменения коэффициента усиления, сцентрированного относительно 1550 нм.

Конструкция и параметры волокна, показанного на фиг. 8 (т.е. волокна с жилами различного диаметра), позволяет осуществлять фильтрацию в узком диапазоне.

Это обусловлено тем, что волновой диапазон передачи от жилы 101 к жиле 102 предельно узок, при этом отношение между полосой пропускания (без ослабления сигнала) и диапазоном запирания (ослабление) может задаваться необходимым образом за счет взаимосвязанного подбора диаметров двух жил.

В целом это позволяет получить волокно, в котором ширина диапазона запирания (полосы запирания) согласована с шириной пика по коэффициенту усиления эрбия усилительной жилы, так что можно полностью устранить источник шума, не заужая полезный диапазон, используемый для усиления.

Такое волокно оказывается практически крайне целесообразным в том случае, когда оно активируется германием, поскольку имеет очень узкий спектральный пик по коэффициенту усиления (фиг. 10), который может быть устранен без снижения этого коэффициента в полосе передачи полезного сигнала.

Конструкция, показанная на фиг. 5 (волокно с жилами одинакового диаметра), может работать как широкополосный фильтр, полоса пропускания (без ослабления сигнала) которого аналогична полосе запирания (ослабления).

Волокно, имеющее конструкцию типа того, что показано на фиг. 5, легче, технологичнее в производстве, чем волокно с жилами различного диаметра; такое волокно можно с успехом использовать в активных световодах с силами, легированными окисью алюминия, у которых главный спектральный пик по коэффициенту усиления, соответствующий эрбию, шире, чем у волокон, легированных германием (фиг. 3).

В этих волокнах ширина полосы запирания ослабительной жилы аналогична ширине пика эрбия, порождающего шум.

Конструктивно оптическое волокно, составляющее данное изобретение, может изготовляться посредством введения стержневых жил-сердцевин в отверстия, выполненные ультразвуковым способом в высокочистотном кварцевом стекле или каком-то другом относительно мягком стекле внешней оболочки.

Приемное отверстие под усилительную жилу располагается соосно со стержнем оболочки волокна, при этом отверстие под аттенюаторную жилу параллельно указанному отверстию усилительной жилы, но в то же время смещено относительно него с заданным эксцентриситетом.

Стержневые жилы волокна могут быть выполнены по технологии растворного легирования или из мягких стеклянных стержней, "выращиваемых" из расплава соответствующим образом легированного мягкого стекла. При изготовлении стержневых жил с использованием технологии растворного присадочного легирования их диаметр может контролироваться посредством травления или соответствующей механической обработки.

В альтернативном технологическом варианте может быть использована заранее изготавливаемая полузаготовка, состоящая из оболочкового стекла, окружающего усилительную жилу. В этом случае аттенюаторная жила вводится в отверстие, выполненное ультразвуковым способом в оболочковом стекле упомянутой полузаготовки.

Как следует из рассмотренных примеров, оптический усилитель из одножильного волокна имеет пониженный коэффициент усиления при наличии сигнала с длиной волны 1560 нм, создавая в дополнение к этому такой шум, который затрудняет прием сигнала, так что такой усилитель оказывается практически не пригодным; в отличие от этого усилитель на основе активного светопроводного волокна, выполненного согласно изобретению, как показано в первом из указанных примеров, способен производить усиление с достаточно высоким коэффициентом при наличии того же 1560-нанометрового сигнала, при этом побочный фоновый шум незначителен.

Таким образом, применение волоконнооптических усилителей данного изобретения в линиях телесвязи позволяет передавать по этим линиям сигналы, генерируемые стандартными, промышленно производимыми лазерными излучателями при допустимости их достаточно широкого разброса по длине волны, но, что положительно в данном изобретении, при обеспечении постоянства усилительной характеристики независимо от фактической интенсивности светоизлучения применяемого излучателя полезного сигнала.

Следует указать, что объем притязаний изобретения предполагает разнообразие вариантов его исполнения при соблюдении основных характеристик заявленных волоконно-оптических усилителей.

Формула изобретения

1. Широкополосный оптический усилитель, в частности, для оптического волокна линии связи, работающего с передаваемым сигналом в заранее заданном диапазоне длин волн, содержащий дихроичный ответвитель, пригодный для мультиплексирования передаваемого сигнала и световой энергии накачки в единственное выходное волокно и активное оптическое волокно, содержащее флюоресцентные примесные вещества, соединенное с волокном, выходящим из дихроичного ответвителя и поступающим к волокну линии связи, пригодному для приема и передачи усиленного передаваемого сигнала, отличающийся тем, что активное оптическое волокно образовано двумя жилами, одинаково размещенными в общей оболочке, где первая жила является усилительной жилой, содержащей флюоресцентную примесь лазерного излучения в диапазоне длин волн, включающем в себя диапазон длин волн передаваемого сигнала, и оптически соединена на одном конце с единственным выходным волокном, выходящим из дихроичного ответвителя, а на другом конце с волокном линии связи, а вторая жила активного оптического волокна является ослабляющей жилой и содержит примесное вещество, пригодное для поглощения световой энергии, и обрезана на концах, две жилы оптически связаны одна с другой в диапазоне длин волн, содержащем диапазон длин волн лазерного излучения первой жилы и отличном от диапазона длин волн передаваемого сигнала.

2. Усилитель по п.1, отличающийся тем, что вторая жила в активном оптическом волокне содержит примесное вещество с высоким световым поглощением в диапазоне лазерного излучения от примеси первой жилы.

3. Усилитель по п.2, отличающийся тем, что примесное вещество с высоким световым поглощением во второй жиле состоит из того же флюоресцентного примесного вещества, что и примесь, имеющаяся в первой жиле.

4. Усилитель по п.1, отличающийся тем, что примесное вещество во второй жиле является веществом с высоким световым поглощением по всему спектру, выбранным из титана, ванадия, хрома или железа, которые по меньшей мере частично присутствуют в своем состоянии наименьшей валентности.

5. Усилитель по п.1, отличающийся тем, что содержание примесного вещества с высоким световым поглощением во второй жиле и характеристики связи волоконных жил взаимосвязаны так, что приводят во второй жиле к длине ослабления меньше, чем 1/10 длины биений между связанными жилами в выбранном диапазоне связи жил.

6. Усилитель по п.1, отличающийся тем, что флюоресцентной примесью лазерного излучения, присутствующей в первой жиле, является эрбий.

7. Усилитель по п.5, отличающийся тем, что две жилы оптически соединены одна с другой в диапазоне длин волн между 1530 и 1540 нм.

8. Усилитель по п.1, отличающийся тем, что первая жила расположена коаксиально с наружной поверхностью общей оболочки соосно с жилой единственного выходного волокна, выходящего из дихроичного ответвителя, и с жилой волокна линии связи, к которой подключен усилитель, а вторая жила активного оптического волокна на своих концах обращена к оболочке единственного выходного волокна и волокна линии связи.

9. Усилитель по п.1, отличающийся тем, что из двух жил активного оптического волокна по меньшей мере усилительная жила пригодна для светового одномодового распространения на длине волны передачи и на длине волны накачки.

10. Усилитель по п.1, отличающийся тем, что активное оптическое волокно длиннее, чем половина расстояния биений его двух связанных жил в выбранном диапазоне оптической связи жил.

11. Двужильное активное оптическое волокно, содержащее флюоресцентные примесные вещества, в частности, для использования в оптических волоконных усилителях для оптического волокна линии связи, работающего с передаваемым сигналом в заранее заданном диапазоне длин волн, отличающееся тем, что имеет две оптические связанные жилы, одинаково размещенные в общей оболочке, в котором первая жила является усилительной жилой и содержит флюоресцентную примесь лазерного излучения со стимулированным излучением в диапазоне длин волн и пригодна для оптического подключения на одном конце к единственному выходному волокну, переносящему передаваемый сигнал и световую энергию накачки, мультиплексированные в одно и то же волокно, а на другом конце к упомянутому волокну линии связи, а вторая жила является ослабляющей жилой и содержит примесное вещество с высоким световым поглощением, максимальная оптическая связь двух жил имеет место в диапазоне длин волн, содержащемся в упомянутом диапазоне стимулированного излучения первой жилы и отличном от диапазона длин волн передаваемого сигнала.

12. Волокно по п.11, отличающееся тем, что примесное вещество с высоким световым поглощением во второй жиле состоит из того же флюоресцентного примесного вещества, что и примесь, имеющаяся в первой жиле.

13. Волокно по п.11, отличающееся тем, что примесное вещество во второй жиле является веществом с высоким световым поглощением по всему спектру, выбранным из титана, ванадия, хрома или железа, которые по меньшей мере частично присутствуют в своем состоянии наименьшей валентности.

14. Волокно по п. 11, отличающееся тем, что содержание примесного вещества с высоким световым поглощением во второй жиле и характеристики связи волоконных жил взаимосвязаны так, что приводят во второй жиле к длине ослабления меньше, чем 1/10 длины биений между связанными жилами в выбранным диапазоне связи жил.

15. Волокно по п.11, отличающееся тем, что примесь лазерного излучения, имеющаяся в первой жиле, является редкоземельной примесью.

16. Волокно по п.15, отличающееся тем, что усилительная жила легирована эрбием.

17. Волокно по п.16, отличающееся тем, что усилительная жила содержит 10 1000 ч. на 1 млн Er₂О₃.

18. Волокно по любому из пп.11 17, отличающееся тем, что ослабляющая жила содержит более чем 5000, а предпочтительно около 10000 ч. на 1 млн Er₂O₃.

19. Волокно по любому из пп. 11 18, отличающееся тем, что диаметр усилительной жилы равен диаметру ослабляющей жилы.

20. Волокно по любому из пп.11 19, отличающееся тем, что диаметр усилительной жилы меньше, чем диаметр ослабляющей жилы.

21. Волокно по п.16, отличающееся тем, что две жилы оптически связаны одна с другой в диапазоне между 1530 и 1540 нм.

22. Волокно по п.11, отличающееся тем, что первая жила расположена коаксиально с наружной поверхностью общей оболочки.

23. Волокно по п.11, отличающееся тем, что из двух жил активного оптического волокна по меньшей мере усилительная жила пригодна для светового одномодового распространения на длине волны передачи и на длине волны накачки.

24. Способ изготовления оптического волокна для широкополосного усилителя, заключающийся в том, что в заготовке из стекла внешней оболочки посредством ультразвука выполнены отверстия, в которые вводят соответствующие стержневые сердцевидные жилы и вытягивают их через заготовку.

25. Способ изготовления оптического волокна для широкополосного усилителя, заключающийся в том, что изготавливают заготовку, содержащую стеклянное покрытие, окружающее стекло для первой усилительной сердцевидной жилы, и вводят вторую сердцевидную жилу в отверстие, выполненное с помощью ультразвука в стекломассе стеклянного покрытия, и вытягивают волокно через заготовку.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9, Рисунок 10, Рисунок 11, Рисунок 12, Рисунок 13