RU2046483C1

RU2046483C1 - Optical power amplifier

Info

Publication number: RU2046483C1
Application number: SU4894351/25A
Authority: RU
Inventors: Грассо Джорджо; It]; Ригетти Альдо; Мели Фаусто
Original assignee: Пирелли Кави, С.п.А.
Priority date: 1991-01-22
Filing date: 1991-01-22
Publication date: 1995-10-20

Abstract

FIELD: communication. SUBSTANCE: optical power amplifier has active fibre with addition of fluorescent matter, in particular erbium, with pumping with the aid of pumping laser with output on wave length 980 nm. Active fibre includes Al₂O₃ as additive changing refractive index. EFFECT: high amplification efficiency close to maximum theoretical efficiency. 6 cl, 6 dwg

Description

Изобретение относится к оптическому силовому усилителю с активным волокном, который обладает высокой эффективностью усиления. The invention relates to an active fiber optical power amplifier that has high gain efficiency.

Для передачи сигнала на дальнее расстояние по линии связи с оптическим волокном необходимо, чтобы те же самые сигналы доходили до приемной станции на достаточном уровне, позволяющем распознавание и использование, поскольку при распространении по оптическому волокну имеется ослабление светового сигнала, поступающего на приемную станцию, находящуюся в десятках или сотнях километров, сигнал, первоначально поданный в волокно, должен иметь наивысший возможный уровень. To transmit a signal over a long distance through a communication line with an optical fiber, it is necessary that the same signals reach the receiving station at a sufficient level that allows recognition and use, since when propagating along the optical fiber, there is an attenuation of the light signal arriving at the receiving station located in tens or hundreds of kilometers, the signal originally fed into the fiber should be at the highest possible level.

Однако лазеры, используемые для генерирования сигнала передачи, имеют немного ограниченную мощность, то есть не более, чем несколько мВт, тогда как более мощные лазеры не могут генерировать такие сигналы, таким образом, есть острая необходимость применять мощные усилители, принимать сигналы, выработанные лазером, и усиливать их до заданного уровня. However, the lasers used to generate the transmission signal have a slightly limited power, that is, no more than a few mW, while more powerful lasers cannot generate such signals, so there is an urgent need to use powerful amplifiers, to receive signals generated by the laser, and strengthen them to a given level.

Известно, что оптические волокна, имеющие сердечник, легированный конкретными веществами, например редкоземельными ионами, дают возможность получить улучшенные выходные характеристики, подходящие для использования в качестве оптических усилителей. It is known that optical fibers having a core doped with specific substances, such as rare-earth ions, make it possible to obtain improved output characteristics suitable for use as optical amplifiers.

Такие волокна фактически могут поставляться с источниками света, называемыми "источником накачки", для конкретной длины волны, соответствующей пику спектра поглощения легирующего вещества, которое может переводить атомы легирующего вещества, находящиеся в одном энергетическом состоянии, или полосу накачки, из которого те же самые атомы переходят спонтанно в очень короткое время в лазерное состояние, где они остаются относительно более длительное время. Such fibers can actually be supplied with light sources called a “pump source” for a specific wavelength corresponding to a peak in the absorption spectrum of the dopant, which can translate dopant atoms in the same energy state, or a pump band from which the same atoms they pass spontaneously in a very short time to the laser state, where they remain for a relatively longer time.

Когда волокно, имеющее большое количество атомов в возбужденном состоянии на эмиссионном уровне, пересекается световым сигналом, имеющим длину волны, соответствующую такому состоянию эмиссии лазера, сигнал приводит к переходу возбужденных атомов на более низкий уровень, при этом световая эмиссия имеет ту же самую длину волны сигнала, поэтому волокно такого типа может использоваться для получения усиления оптического сигнала. When a fiber having a large number of atoms in an excited state at the emission level is crossed by a light signal having a wavelength corresponding to such a state of laser emission, the signal leads to a transition of excited atoms to a lower level, while light emission has the same signal wavelength therefore, a fiber of this type can be used to obtain optical signal amplification.

В частности, оптические усилители, использующие эрбий в качестве лазерно-эмиссионного материала, хорошо известны, и в них используется флуоресценция эрбия около 1550 нм для усиления сигнала в таком диапазоне, в котором имеются наилучшие характеристики передачи линейного волокна с точки зрения ослабления сигнала. In particular, optical amplifiers using erbium as a laser-emission material are well known and use erbium fluorescence of about 1550 nm to amplify a signal in a range that has the best linear fiber transmission characteristics in terms of signal attenuation.

Силовые оптические усилители, использующие волокна, легированные эрбием, описаны в [1] В [1] описан усилитель мощности, в котором используются волокна двуокиси кремния, легированные германием и эрбием, накачанные лазером Nd-YAG, с удвоением по частоте до 532 нм. Power optical amplifiers using erbium doped fibers are described in [1]. [1] describes a power amplifier in which germanium and erbium doped silica fibers pumped by an Nd-YAG laser with a frequency doubling up to 532 nm are used.

Однако такой усилитель имеет очень низкий коэффициент усиления (подразумеваемый как отношение между мощностью сигнала передачи на выходе по отношению к поданной мощности накачки), ниже 20% который очень далек от максимальной теоретической величины коэффициента усиления. However, such an amplifier has a very low gain (implied as the ratio between the power of the transmission signal at the output relative to the applied pump power), below 20%, which is very far from the maximum theoretical value of the gain.

В [2] описаны волокна типа Al/Er, в которых в качестве вещества, используемого для получения профиля показателя преломления, подходящего для направления света, взят Al₂O₃, волокна подходят для оптических усилителей с накачкой при длине волны 514,5 нм, например, с аргоновым лазером.In [2], Al / Er-type fibers were described, in which Al ₂ O _{3 was} taken as a substance used to obtain a refractive index profile suitable for directing light, the fibers are suitable for optical amplifiers pumped at a wavelength of 514.5 nm, for example, with an argon laser.

В соответствии с этой патентной заявкой применения волокон типа Al/Er приводит к предпочтению волокон Ge/Er, если производится накачка с указанной длиной волны 514,5 нм, потому что они позволяют исключить явление поглощения в возбужденном состоянии, которое наблюдается у волокон Ge/Er, при такой длине волны. In accordance with this patent application, the use of Al / Er fibers leads to the preference for Ge / Er fibers if pumping with a specified wavelength of 514.5 nm is performed because they exclude the absorption phenomenon in the excited state that occurs with Ge / Er fibers at this wavelength.

Для получения большого коэффициента усиления, с другой стороны, удобно использовать относительно большие длины волн накачки, в частности полезна длина волны 980 нм, потому что коэффициент усиления в усилителе мощности пропорционален длине волны накачки. To obtain a large gain, on the other hand, it is convenient to use relatively large pump wavelengths, in particular a wavelength of 980 nm is useful, because the gain in the power amplifier is proportional to the pump wavelength.

Смысл данного изобретения заключается в реализации усилителя мощности, который имеет большой коэффициент усиления в соответствии с относительно большой длиной волны накачки, которая составляет более 520 нм. The meaning of this invention is the implementation of a power amplifier, which has a large gain in accordance with a relatively large pump wavelength, which is more than 520 nm.

Данное изобретение относится к оптическому усилителю мощности, содержащему активное легированное волокно, содержащее в сердечнике Al₂O₃, изменяющее показатель преломления, и эрбий в качестве флуоресцентного покрытия, стимулированное с лазером накачки через соответствующий дихроичный соединитель и соединенное с генератором передающих сигналов через оптическую волоконную линию телесвязи, отличающемуся тем, что он эффективно связан с генератором для управления в условиях насыщения стимулированным выходом упомянутого выше флюоресцентного материала и вдоль него, причем лазер накачки возбужден длиной волны около 980 нм.This invention relates to an optical power amplifier containing an active doped fiber containing Al ₂ O ₃ in the core, which changes the refractive index, and erbium as a fluorescent coating, stimulated with a pump laser through an appropriate dichroic connector and connected to a transmit signal generator via an optical fiber line telecommunication, characterized in that it is effectively connected to a generator for controlling, under conditions of saturation, the stimulated output of the aforementioned fluorescence material along and along it, and the pump laser is excited by a wavelength of about 980 nm.

Концентрация эрбия в волокне: вес Er₂O₃ составляет от 30 до 2000 частей на миллион и предпочтительно от 30 до 1000 частей на миллион.Erbium concentration in fiber: Er ₂ O _{3 has a} weight of 30 to 2000 ppm, and preferably 30 to 1000 ppm.

Активное волокно может быть мономодальным на длине волны сигнала передачи, но не на длине волны накачки, для получения большой мощности накачки внутри всего сечения того же самого волокна. The active fiber can be monomodal at the wavelength of the transmission signal, but not at the pump wavelength, to obtain high pump power within the entire cross section of the same fiber.

Или же активное волокно может быть мономодальным на длине волны сигнала передачи и на длине волны накачки с целью снижения потерь соединения с дихроическим соединителем лазера накачки. Alternatively, the active fiber may be monomodal at the wavelength of the transmission signal and at the wavelength of the pump wave in order to reduce the loss of connection with the dichroic connector of the pump laser.

В предпочтительном варианте оптический усилитель мощности в соответствии с изобретением содержит два лазера накачки, соединенные с обоими концами активного волокна посредством соответствующих дихроических соединителей, ориентированных так, что входное направление мощного света, излученного лазером накачки, направлено в сторону того же самого активного волокна. In a preferred embodiment, the optical power amplifier in accordance with the invention comprises two pump lasers connected to both ends of the active fiber by means of corresponding dichroic connectors, oriented so that the input direction of the powerful light emitted by the pump laser is directed towards the same active fiber.

На фиг. 1 схема оптической линии телекоммуникации с усилителем мощности; на фиг. 2 схема оптического усилителя мощности, в котором используют активное волокно; на фиг. 3 схема энергетического перехода волокна для усилителя в соответствии со схемой на фиг. 2, подходящего для выработки стимулированного (лазерного) выхода; на фиг. 4 схема выходной мощности по отношению к мощности накачки в усилителе мощности, использующем активное волокно в соответствии с изобретением; на фиг. 5 соотношение выходной мощности и мощности накачки в усилителе мощности, использующем активное волокно типа Ge/Er; на фиг. 6 спектр флуоресценции волокна в соответствии с изобретением и волокна Ge/Er. In FIG. 1 diagram of an optical telecommunication line with a power amplifier; in FIG. 2 is a diagram of an optical power amplifier using an active fiber; in FIG. 3, a fiber energy transfer circuit for an amplifier in accordance with the circuit of FIG. 2, suitable for generating stimulated (laser) output; in FIG. 4 is a diagram of the output power with respect to the pump power in a power amplifier using an active fiber in accordance with the invention; in FIG. 5, the ratio of output power and pump power in a power amplifier using an active fiber of the Ge / Er type; in FIG. 6 shows the fluorescence spectrum of a fiber according to the invention and Ge / Er fibers.

Линия телекоммуникации с оптическими волокнами, схематически представленная на фиг. 1, в общем случае содержит установку 1 для излучения сигналов передачи, оптическую волоконную линию 2, подходящую для передачи на дальнее расстояние вводимых в нее сигналов, и приемную станцию 3, на которую прибывают сигналы. The optical fiber telecommunications line shown schematically in FIG. 1, in the general case, comprises an apparatus 1 for emitting transmission signals, an optical fiber line 2 suitable for transmitting the signals introduced into it over a long distance, and a receiving station 3 to which the signals arrive.

Для ввода оптических сигналов в линию 2 телекоммуникации на оптических волокнах, причем сигналы имеют начальный уровень мощности, который достаточно высок для достижения ими приемной станции 3, расположенной в сотнях или десятках километрах от источника 1, имеется достаточный уровень мощности для чувствительности приемного устройства, находящегося в ней, несмотря на неизбежное ослабление из-за дальней траектории внутри волокна, оптические сигналы, которые вырабатываются лазерным излучателем, находящимся в излучающей станции 1, соответствующим образом усиливаются посредством усилителя 4 мощности. To enter optical signals into optical telecommunication line 2, the signals have an initial power level that is high enough to reach the receiving station 3, located hundreds or tens of kilometers from the source 1, there is a sufficient power level for the sensitivity of the receiving device located in her, despite the inevitable weakening due to the long path inside the fiber, the optical signals that are generated by the laser emitter located in the emitting station 1, respectively Leica Geosystems manner are amplified by a power amplifier 4.

Фактически полезным лазером для генерирования сигналов передачи, работающим на длине волны, при которой характеристики передачи волокна являются наилучшими, то есть соответствуют так называемому третьему окну порядка 1500-1600 нм, является полупроводниковый лазер, модулированный и с хорошими спектральными характеристиками, но такие лазеры имеют уровень выходного сигнала немного низкий, не превышающий порядка 3 дБм (около 5 мВт), поэтому вырабатываемый ими сигнал должен быть соответственно усилен до более высокого уровня, например до 15-20 дБм перед его вводом в линию. In fact, a useful laser for generating transmission signals operating at a wavelength at which the transmission characteristics of the fiber are the best, that is, correspond to the so-called third window of the order of 1500-1600 nm, is a semiconductor laser, modulated and with good spectral characteristics, but such lasers have a level of the output signal is a little low, not exceeding about 3 dBm (about 5 mW), so the signal they produce should be accordingly amplified to a higher level, for example, up to 15-20 dBm before putting it in line.

Для осуществления оптического усиления сигналов, вводимых в линию с оптическими волокнами, для телекоммуникации используют усилители мощности с оптическими волокнами. For the implementation of optical amplification of signals introduced into a line with optical fibers, power amplifiers with optical fibers are used for telecommunications.

Структура усилителя с оптическим волокном показана схематически на фиг. 2, сигнал передачи, имеющий длину волны λ_s, отправляют на дихроический соединитель 5, где он входит в одиночное выходное волокно 6 с сигналом накачки длиной волны λ_p, выработанным лазером 7 накачки, активное волокно 8 соответствующей длины, соединенное с волокном 6, выходящим из соединителя, обусловливает усилитель сигнала, который вводится таким образом в линейное волокно 2, отправляясь к месту назначения.The structure of an optical fiber amplifier is shown schematically in FIG. 2, a transmission signal having a wavelength λ _s is sent to a dichroic connector 5, where it enters a single output fiber 6 with a pump signal of a wavelength λ _p generated by a pump laser 7, an active fiber 8 of a corresponding length connected to the fiber 6 exiting from the connector, determines the signal amplifier, which is thus introduced into the linear fiber 2, going to its destination.

В общем случае оптический усилитель описанного типа дает возможность использовать оптическое активное волокно 8 с добавкой двуокиси кремния в растворе с Er₂O₃, что согласуется с получением усиления сигнала передачи, при которой используют стимулированный переход эрбия.In the general case, an optical amplifier of the described type makes it possible to use an optical active fiber 8 with the addition of silicon dioxide in a solution with Er ₂ O ₃ , which is consistent with obtaining a transmission signal gain in which a stimulated erbium transition is used.

Как показано на диаграмме фиг. 3, представляющей в символическом виде имеющееся энергетическое состояние для иона эрбия в растворе в кристаллической решетке двуокиси кремния волокна, введение в активное волокно световой энергии с длиной волны накачки λ_d, меньшей, чем λ_s сигнала передачи, производит определенное число ионов Er³⁺, присутствующего в качестве легирующего вещества в стекловолоконной кристаллической решетке при возбужденном энергетическом состоянии 9, или полосе "накачки", от которой ионы спонтанно переходят на энергетический уровень 10, обусловливающий уровень эмиссии лазера.As shown in the diagram of FIG. 3, representing in a symbolic form the available energy state for an erbium ion in a solution in the crystal lattice of silicon dioxide, the introduction of light energy into the active fiber with a pump wavelength λ _d less than λ _{s of} the transmission signal produces a certain number of Er ³⁺ ions, present as an alloying substance in a glass fiber crystal lattice with an excited energy state 9, or “pumping” band, from which ions spontaneously transfer to an energy level 10, which determines Ram laser emission.

На выходном уровне 10 лазера ионы Er³⁺ могут оставаться относительно долгое время до спонтанного перехода на базовый уровень 11.At the output level 10 of the laser, Er ³⁺ ions can remain for a relatively long time until a spontaneous transition to the base level 11.

Как известно, во время перехода с полосы 9 на уровень 10 происходит выделение тепла, которое рассеивается вовне волокна (фотонное излучение), при переходе от уровня 10 к базовому уровню 11 вырабатывается световое излучение, состоящее из фотона с длиной волны, соответствующей энергетической величине уровня 10 лазерной эмиссии, если волокно, содержащее большое количество ионов на уровне лазерной эмиссии, пересекается сигналом с длиной волны, соответствующей такому уровню эмиссии, сигнал вызывает стимулированный переход нужных ионов с уровня эмиссии на базовый уровень перед их спонтанным распадом, связанным с соответствующим выходом фотонов в фазе с фотонами сигнала, что является началом явления "водопада", при котором на выходе активного волокна происходит эмиссия сигнала передачи с большим усилением. As you know, during the transition from band 9 to level 10, heat is released that is scattered outside the fiber (photon radiation), when moving from level 10 to base level 11, light radiation is generated consisting of a photon with a wavelength corresponding to an energy value of level 10 laser emission, if a fiber containing a large number of ions at the laser emission level intersects with a signal with a wavelength corresponding to such an emission level, the signal causes a stimulated transition of the desired ions from the e issii at baseline before their spontaneous decaying, associated with a corresponding output of photons in phase with the photons of the signal, which is the beginning of the phenomenon of "waterfall" in which the output of the active fiber the emission of the transmission signal occurs with a large gain.

При наличии сигналов на выходе активного волокна с низким уровнем энергии, например сигнала, который ослаблен после достижения большой дальности внутри оптического волокна, и при условиях малых выходных мощностей, световая энергия P_u сигнала передачи с длиной волны λ_s на выходе из активного волокна пропорциональна мощности Р_i того же самого сигнала на входе волокна и константа пропорциональности между ними определяется как коэффициент усиления G в соответствии с равенством P_u=G ˙ P_i.If there are signals at the output of the active fiber with a low energy level, for example, a signal that is weakened after reaching a long range inside the optical fiber, and under conditions of low output powers, the light energy P _{u of} the transmission signal with a wavelength of λ _s at the output of the active fiber is proportional to the power P _{i of} the same signal at the input of the fiber and the proportionality constant between them is defined as the gain G in accordance with the equality P _u = G ˙ P _i .

Такой рабочий режим является типичным для линейных усилителей, расположенных вдоль оптического волокна линии телекоммуникации, для восстановления до достаточного уровня сигнала, ослабленного после прохождения определенной траектории в волокне. Such an operating mode is typical for linear amplifiers located along the optical fiber of a telecommunication line to restore to a sufficient signal level, attenuated after a certain path in the fiber has passed.

В присутствии входного сигнала большой мощности и при большой выходной мощности, существенно большей, чем 5% вводимой мощности накачки, оптический усилитель работает в режиме насыщения и выдает выходную мощность, которая практически не зависит более от входной мощности, но только от мощности накачки, в присутствии большого числа фотонов внутри активного волокна фактически ограничена емкость волокна по отношению к эмиссии новых фотонов ввиду стимулированных переходов с уровня лазера 10 за счет возможности, коррелированной с вводимой мощностью накачки, создавать достаточное количество ионов эрбия на лазерном уровне 10 и она не зависит от числа фотонов во входном сигнале, то есть от входной мощности, вводимой в волокно. In the presence of an input signal of high power and with a large output power significantly greater than 5% of the input pump power, the optical amplifier operates in saturation mode and produces an output power that is practically independent of the input power, but only on the pump power, in the presence of a large number of photons inside the active fiber, the fiber capacity is actually limited in relation to the emission of new photons due to stimulated transitions from the laser level 10 due to the possibility correlated with the input power pumping spine, to create a sufficient number of Erbium ions in the laser level 10 and it does not depend on the number of photons in the input signal, i.e. the input power input into fiber.

Такие рабочие условия являются типичными для усилителей мощности и для них имеется соотношение P_u=K ˙P_p, где P_u является мощностью на выходе; Р_р является мощностью накачки и К является константой пропорциональности, которая представляет в веществе коэффициент усиления усилителя.Such operating conditions are typical of power amplifiers and for them there is a relation P _u = K ˙ _{P p} , where P _u is the output power; P _p is the pump power and K is the proportionality constant, which represents the gain of the amplifier in the material.

Максимальным КПД усилителя является теоретически КПД соответствующей ситуации, при которой для каждого фотона, поданного внутрь волокна при длине волны накачки λ_p, который вызывает переход примеси от базового уровня 11 на лазерный уровень 10, имеется фотонная эмиссия в присутствии сигнала на длине волны λ_s передачи, такие условия соответствуют КПД усиления, называемому квантовым КПД, то есть КПД, который является отношением между энергией фотона на выходе и энергией фотона на входе или, по определению, между длиной волны входного фотона, который является фотоном накачки, и длиной волны выходного фотона, который является фотоном перехода:
Е_q=λ_p/ λ_s.The maximum efficiency of the amplifier is theoretically the efficiency of the corresponding situation in which for each photon fed into the fiber at a pump wavelength λ _p , which causes the impurity to transfer from the base level 11 to the laser level 10, there is photon emission in the presence of a signal at a wavelength of λ _s transmission , such conditions correspond to the gain efficiency, called the quantum efficiency, that is, the efficiency, which is the ratio between the energy of the photon at the output and the energy of the photon at the input or, by definition, between the wavelength of the input photon, to which is the pump photon, and the wavelength of the output photon, which is the transition photon:
E _q = λ _p / λ _s .

В случае, когда длина волны сигнала передачи составляет порядка 1550 нм, а длина волны накачки составляет 980 нм, квантовый КПД составляет около 63%
Для получения высокого КПД усиления необходимо поэтому работать в соответствующих режимах с большим квантовым КПД, использовать относительно большую длину волны накачки, кроме того, достигая как можно больше квантовый КПД.In the case where the wavelength of the transmission signal is about 1550 nm and the pump wavelength is 980 nm, the quantum efficiency is about 63%
To obtain a high gain efficiency, it is therefore necessary to work in the corresponding modes with a large quantum efficiency, to use a relatively large pump wavelength, in addition, achieving as much quantum efficiency as possible.

В частности, использование малых длин волн накачки существенно ниже 520 нм дает очень низкую величину квантового КПД (ниже 33%) и очень слабый коэффициент усиления даже в лучших из случаев при использовании усилителей, имеющих КПД, равный квантовому КПД. In particular, the use of short pump wavelengths significantly below 520 nm gives a very low quantum efficiency (below 33%) and a very weak gain even in the best cases when using amplifiers having an efficiency equal to the quantum efficiency.

Для реализации усилителя мощности описанного выше типа мы установили, что активные волокна из двуокиси кремния, легированные Al₂O₃ для получения необходимого профиля показателя преломления, содержащие эрбий в качестве добавки при лазерной эмиссии, представляют очень высокий коэффициент усиления, идущий следом за описанным выше квантовым КПД, соответствующим длине волны накачки, большей 520 нм, и, в частности, в соответствии с пиком поглощения эрбия на 980 нм.To implement the power amplifier of the type described above, we found that active fibers made of silicon dioxide doped with Al ₂ O ₃ to obtain the required refractive index profile, containing erbium as an additive in laser emission, represent a very high gain following the quantum described above Efficiency corresponding to a pump wavelength greater than 520 nm, and, in particular, in accordance with the peak absorption of erbium at 980 nm.

Описанные выше волокна получены с помощью технологии растворной добавки, хорошо известной в технике, посредством которой главная добавка, то есть Al₂O₃ и флуоресцентная добавка, то есть Еr³⁺, включены в сердечник волокна путем погружения в водный раствор, соответствующий по содержанию солей, причем трубчатая предварительная форма имеет один внутренний сплавленный слой, который затем спекается и оседает, вытягивая из него волокно.The fibers described above were obtained using a mortar additive technology well known in the art whereby the main additive, i.e.Al ₂ O ₃ and the fluorescent additive, i.e. Er ³⁺ , are incorporated into the fiber core by immersion in an aqueous solution corresponding to the salt content moreover, the tubular pre-form has one inner fused layer, which is then sintered and settles, drawing fiber from it.

Описание волокон такого типа и соответствующего способа реализации содержится в патентной заявке Великобритании N 8813769. A description of this type of fiber and the corresponding implementation method is contained in UK patent application N 8813769.

Для реализации усилителей мощности в соответствии с данным изобретением волокна, дополненные Al₂O₃, содержат некоторое количество эрбия, выраженное как концентрация веса Еr₂O₃, между 30 частями на миллион и 2000 частями на миллион и предпочтительно от 30 до 1000 частей на миллион, содержимое добавки, изменяющей показатель преломления, то есть Al₂O₃, и радиальный профиль показателя преломления в колонке могут выбираться на основе специфических острых потребностей применения и не обусловлены целями данного изобретения.To implement the power amplifiers in accordance with this invention, the fibers supplemented with Al ₂ O ₃ contain a certain amount of erbium, expressed as a weight concentration of Er ₂ O ₃ , between 30 ppm and 2000 ppm, and preferably from 30 to 1000 ppm , the contents of the additive that changes the refractive index, that is, Al ₂ O ₃ , and the radial profile of the refractive index in the column can be selected based on specific acute needs of use and are not caused by the objectives of the present invention.

В частности, числовое отверстие и модовый диаметр волокна своевременно выбирают так, чтобы происходило согласование соединения с низкими потерями в линейном волокне, тогда как содержание эрбия и его радиальное распределение в волокне могут выбираться в соответствии с длиной выбранного активного волокна входной мощностью и т.п. в соответствии с известными критериями. In particular, the numerical hole and mode diameter of the fiber are selected in a timely manner so that a low-loss compound in the linear fiber is matched, while the erbium content and its radial distribution in the fiber can be selected in accordance with the length of the selected active fiber, input power, and the like. according to known criteria.

Активное волокно является волокном мономодальным на длине волны накачки с целью согласования входа волокна с большим возможным количеством энергии накачки, распределенным по всему сечению, использование волокна, мономодального на длине волны λ_p накачки, может, однако, быть подходящим для упрощения и снижения потерь соединения волокна с дихроическим соединителем 5.The active fiber is monomodal fiber at the pump wavelength in order to match the fiber input with the largest possible amount of pump energy distributed over the entire cross section, using a fiber monomodal at the pump wavelength λ _p may, however, be suitable to simplify and reduce the loss of fiber connection with dichroic connector 5.

При использовании таких волокон имеется возможность создать усилитель мощности в соответствии со схемой, показанной на фиг. 2 и в предшествующем описании, с целью поддержания большой величины мощности накачки по всей длине активного волокна 8 и увеличения общей мощности накачки, вводимой в волокно, можно создать второй лазер 12 накачки далее по ходу от активного волокна, причем соответствующий дихроический соединитель 13 ориентирован в сторону того же самого волокна. Using such fibers, it is possible to create a power amplifier in accordance with the circuit shown in FIG. 2 and in the foregoing description, in order to maintain a large pump power over the entire length of the active fiber 8 and increase the total pump power introduced into the fiber, it is possible to create a second pump laser 12 downstream of the active fiber, the corresponding dichroic connector 13 being oriented to the side the same fiber.

Это позволяет, в частности, использовать лазер накачки при не слишком большой мощности с целью неполучения соответствующего ухудшения сигнала, в то же время подавая всю необходимую мощность на активное волокно. This allows, in particular, to use a pump laser at not too high power in order to not receive the corresponding signal degradation, while at the same time applying all the necessary power to the active fiber.

За счет применения волокна, легированного Аl₂О₃ и Еr³⁺ с накачкой при 980 нм ( ±5 нм), можно получить очень большой коэффициент усиления, близкий к упомянутому квантовому КПД, но, однако, больший 60% этой величины, традиционные волокна с добавкой германия имеют очень низкий коэффициент усиления: ниже 30% квантового КПД.Due to the use of fiber doped with Al ₂ O ₃ and Er ³⁺ pumped at 980 nm (± 5 nm), a very high gain can be obtained, close to the mentioned quantum efficiency, but, however, more than 60% of this value, traditional fibers with germanium, they have a very low gain: below 30% of the quantum efficiency.

На фиг. 4 показана диаграмма выходной мощности Рu в функции мощности накачки Рр для усилителя, реализованного с применением волокна в соответствии с изобретением (AlEr), причем волокно имело следующие характеристики:
Числовая апертура 0,16; содержание эрбия (вес от Er₂О₃) 350 частей на миллион; длина волны отсечки ( λ отсечки) 930 нм; диаметр моды поля (МFD) при 1536 нм 8,14 мкм.In FIG. 4 is a diagram of the output power Pu as a function of the pump power PP for an amplifier implemented using a fiber according to the invention (AlEr), the fiber having the following characteristics:
Numerical aperture 0.16; erbium content (weight from Er ₂ O ₃ ) 350 ppm; cutoff wavelength (cutoff λ) 930 nm; field mode diameter (MFD) at 1536 nm 8.14 μm.

На входе усилителя мощность сигнала передачи, имеющего длину волны λ_s= 1536 нм, составляла Р_i=-2 дБм, длина волны накачки λ_p составляла λ_p=980 нм, и активное волокно имело длину 3,7 м.At the input of the amplifier, the power of the transmission signal having a wavelength λ _s = 1536 nm was P _i = -2 dBm, the pump wavelength λ _p was λ _p = 980 nm, and the active fiber was 3.7 m long.

При таких условиях мы получили коэффициент усиления, по существу равный квантовому КПД. Under these conditions, we have obtained a gain substantially equal to the quantum efficiency.

Для сравнения на фиг. 5 показана диаграмма выходной мощности Рu от мощности накачки Рр для усилителя, реализованного с использованием традиционного волокна (Ge/Er), при этом волокно имело следующие характеристики:
Числовая апертура 0,21; (содержание эрбия (вес Еr₂О₃) 300 частей на миллион.For comparison, in FIG. 5 is a diagram of the output power Pu versus pump power PP for an amplifier implemented using conventional fiber (Ge / Er), the fiber having the following characteristics:
Numerical aperture 0.21; (erbium content (Er ₂ O ₃ weight) 300 ppm.

Длина волны отсечки ( λ отсечки) 980 нм. The cut-off wavelength (cut-off λ) is 980 nm.

Диаметр моды поля (МFD) при 1536 нм 5,82 мкм. The diameter of the field mode (MFD) at 1536 nm is 5.82 μm.

На входе усилителя мощность сигнала передачи, имеющего длину волны λ_s= 1536 нм, составляла Р_i=0 дБм, длина волны накачки составляла λ_p=980 нм, и длина активного волокна составляла 4 м.At the input of the amplifier, the power of the transmission signal having a wavelength λ _s = 1536 nm was P _i = 0 dBm, the pump wavelength was λ _p = 980 nm, and the length of the active fiber was 4 m.

Полученный КПД усиления составлял в данном случае 16% что примерно равно 25% квантового КПД. The gain obtained in this case was 16%, which is approximately equal to 25% of the quantum efficiency.

При сравнении диаграмм можно сделать вывод, что волокно Аl/Er имеет лучшие характеристики, чем волокно Ge/Er. When comparing the diagrams, we can conclude that the Al / Er fiber has better characteristics than the Ge / Er fiber.

Волокно Аl/Er имеет спектр флуоресценции более широкий, чем у волокна Ge/Er, что видно на кривых А и G на фиг. 6, за счет этого такой источник активного волокна имеет больший шум по сравнению с волокном Ge/Er ввиду спонтанного распада ионов эрбия, при котором получается другая длина волны в отличие от длины волны сигнала, в случае их применения в качестве линейных усилителей, имеющих низкую выходную мощность по сравнению с мощностью накачки. Al / Er fiber has a wider fluorescence spectrum than Ge / Er fiber, as can be seen in curves A and G in FIG. 6, due to this, such an active fiber source has a higher noise than Ge / Er fiber due to spontaneous decay of erbium ions, which results in a different wavelength as opposed to the signal wavelength, if used as linear amplifiers having a low output power compared to pump power.

Для использования в качестве усилителей мощности мы установили, что волокна Al/Er не имеют существенного выходного шума по сравнению с волокнами Ge/Er, мы считаем, что это происходит потому, что в режиме насыщения, описанном выше, в котором работает усилитель мощности, в волокнах Al/Er, по существу все ионы эрбия, переведенные на лазерный уровень, распадаются на базовый уровень фотоном сигнала, что подтверждает КПД усиления, близкий к квантовому КПД, у данных волокон, и таким образом практически не подвергается спонтанному распаду, вызывающему шум, и, кроме того, можно пренебречь в любом случае уровнем выходной мощности сигнала. For use as power amplifiers, we found that Al / Er fibers do not have significant output noise compared to Ge / Er fibers, we believe that this is because in the saturation mode described above, in which the power amplifier operates, Al / Er fibers, essentially all erbium ions transferred to the laser level decay to the base level by the photon of the signal, which confirms the gain close to the quantum efficiency of these fibers, and thus practically does not undergo spontaneous decay causing noise , and, in addition, in any case, the level of output power of the signal can be neglected.

Расширение спектра флуоресценции волокна, кроме того, приводит к согласованию в выборе с большей степенью свободы длины волны передачи, что позволяет, например, принять больший по ширине рабочий допуск в сигнале лазера. The expansion of the fluorescence spectrum of the fiber, in addition, leads to a matching in the choice with a greater degree of freedom of the transmission wavelength, which allows, for example, to take a wider working tolerance in the laser signal.

Волокна в соответствии с данным изобретением оказываются особенно выгодными для применения в качестве оптических усилителей с силовым волокном, что дает КПД усиления заметно больший, чем у известных волокон. The fibers in accordance with this invention are particularly advantageous for use as optical amplifiers with a power fiber, which gives a gain much greater than that of known fibers.

Могут быть произведены различные изменения без отхода от объема данного изобретения в его основных характеристиках. Various changes may be made without departing from the scope of the present invention in its basic characteristics.

Claims

1. OPTICAL POWER AMPLIFIER containing an active doped fiber containing Al ₂ O ₃ in the core as a dopant that changes the refractive index, and erbium as a fluorescent dopant, excited by a pump laser through an appropriate dichroic connector and connected to the transmit signal generator via optically -fiber telecommunication line, characterized in that it is effectively connected to a generator for controlling, under saturation conditions, the stimulated output of the above-mentioned fl of a doped core material, while the pump laser excites at a wavelength of about 980 nm.

2. The amplifier according to claim 1, characterized in that the concentration of erbium in the fiber, referred to the weight of Er ₂ About ₃ , is 30 2000 ppm.

3. The amplifier according to claim 2, characterized in that the concentration of erbium in the fiber, referred to the weight of Er ₂ O ₃ , is 30 1000 ppm.

4. The amplifier according to claim 1, characterized in that the active fiber is single-mode at the wavelength of the transmission signal, but not the pump wavelength.

5. The amplifier according to claim 1, characterized in that the active fiber is single-mode at the wavelength of the transmission signal and at the pump wavelength.

6. The amplifier according to claim 1, characterized in that a second pump laser is additionally introduced into it, wherein the pump lasers are connected to the two ends of the active fiber by means of corresponding dichroic compounds, oriented so that the direction of the light radiation input of the pump lasers is turned towards the active fiber.