RU2100864C1

RU2100864C1 - Broad-band optical amplifier, active twin optical fibre and process of its manufacture

Info

Publication number: RU2100864C1
Authority: RU
Inventors: Грассо Джорджо; Лоренс Скривенер Пол; Пол Эпплйярд Эндрю
Original assignee: Пирелли Кави С.п.А.
Priority date: 1989-08-11
Filing date: 1990-08-10
Publication date: 1997-12-27
Also published as: DD295461A5; GB8918377D0

Abstract

FIELD: optical fibres. SUBSTANCE: proposed optical amplifier is meant for fibre-optical telecommunication lines designed to transmit signal within certain range of wave lengths. This amplifier includes fluorescence-activated optical fibre 6 with addition of erbium composed of two cores 11 and 12, 101 and 102. One of cores 11, 101 is connected to light guiding fibre 4 where transmitted signal should be amplified and multiplexed with energy of light pumping and to output fibre intended for transmission of amplified signal. Second core 12, 102 is optically coupled to first core and is capable of absorption of spontaneous radiation of erbium which in opposite case would be source of noise that in the long run gives possibility to amplify passed signal within band of wave lengths corresponding to rated range of industrially manufactured and commercially accessible laser signal radiators. EFFECT: improved operational characteristics of amplifier. 25 cl, 13 dwg

Description

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. The invention relates to an optical fiber containing fluorescent stimulating additives, providing amplification of the transmitted optical signal perceived by this fiber, and eliminating radiation with a desired wavelength generated inside it as a result of spontaneous emission.

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. Known optical fiber having conductors (cores) with rare-earth ligating (activating) additives and used as optical amplifiers. An example of such optical fiber means are Erbium-activated optical fiber cores pumped from a source with an appropriate wavelength (e.g. 532, 670, 807, 980 or 1490 nm), which can be used as a waveguide linear optical signal amplifier for telecommunications in 1550 -nanometer wavelength range.

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. Such fibers can be fed from a light source with a certain wavelength, capable of bringing atoms of activating additive substances (additives) into an excited energy state or producing quantum pumping, as a result of which atoms spontaneously pass in a very short time into an inversely populated laser-emission state, in which they can be relatively long time.

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. In the case when a light signal with a wavelength corresponding to such a laser-emission state passes through a fiber having a large number of atoms in an excited state at the emission (radiative) level, this signal causes the transition of excited atoms to a lower energy level with radiation of light with the same wavelength as the transmitted signal; therefore, this type of fiber can be used as an optical signal amplifier.

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. When atoms are in an excited state, the transition of their electrons to lower levels can occur spontaneously, which is accompanied by an increase in random exposure, creating a background "noise" superimposed on stimulated (organized) radiation corresponding to the amplified signal.

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. Light emission created by "pumping" the energy of the optical range into a "stimulated" or active fiber can occur at several wavelengths characteristic of the stimulating additive substance, as a result, the fiber acquires the corresponding fluorescence spectrum.

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. To ensure maximum signal amplification with a fiber of the above type, as well as to achieve a high signal to noise ratio, optical signaling systems typically use a signal (s) generated by a laser emitter with a wavelength corresponding to the maximum of the distribution curve of the fiber fluorescence spectrum, including the corresponding stimulating additive.

Следует указать, что для усиления сигналов в оптической телесвязи достаточно широко используются "активные" волокна с сердцевиной, легированной стимулирующими ионами эрбия Er³⁺.It should be noted that in order to amplify signals in optical telecommunications, “active” fibers with a core doped with Er ³⁺ stimulating erbium ions are widely used.

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. At the same time, it is noteworthy that the gain curve over the spectrum of such an erbium-activated core in an optical amplifier of the above type is characterized by the presence of two ranges. One, rather narrow, range is centered on the frequency of 1530 nm, while the second, wider, but with lower levels range is centered around the wavelength of 1550 nm.

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. Peak wavelengths in these ranges of gain and their spectral bands depend on the composition of the glass mass of the core. For example, cores made of quartz glass activated (stimulated) by erbium and germanium oxide have a higher peak gain value at a median frequency of 1536 nm, while the core of the same quartz glass, but activated by erbium and aluminum oxide, has an increased gain at a frequency of 1532 nm.

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. In both cases, the range of the increased gain has a 3-decibel "linear band" in the wavelength range of about 3-4 nm, while the range of the lower level (gain), depending on the composition of the glass mass, is wider than the 3-decibel band for wavelength 30 nm The first of the two indicated ranges has a greater gain than the last; however, in the first case, the amplified signal must be extremely stable with a strictly defined wavelength.

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. This circumstance predetermines the use of a laser emitter operating at a strictly defined wavelength with a limited tolerance as the source of the transmitted signal, since signals outside the limits of such a tolerance will not be amplified accordingly, and strong spontaneous emission will appear at the peak wavelength, resulting in which will increase interference noise, which can significantly degrade the quality of signal transmission.

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. A negative circumstance in this sense is that laser emitters capable of operating in a mode corresponding to the emission peak of ebria are an expensive and inaccessible technique, while industry most widely produces semiconductor laser emitters (In, Ga, As), which generally satisfy telecommunication needs, but having relatively large tolerances (scatter) along the wavelength of the emitted signal, and only a relatively small number of laser emitters of this type give radiation to the aforementioned of the peak wavelength.

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. While in some areas of applicability of optical telecommunications, for example, in underwater telecommunications, a specific solution to this problem can be the use of emitters of transmitted signals operating at a very specific wavelength, which can be realized through careful selection of laser emitters from commercial-quality lasers so in order to use in practice only those of them whose emissivity exactly matches or is close to the emission peak of the amplifying optical fiber, this edura may be unacceptable from the economic point of view for other types of communication lines, such as for example municipal communication lines, to which great importance is reducing the initial investment.

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. For example, erbium activated fiber, intended for use in laser telecommunication systems, has a radiation peak at a wavelength of about 1535 nm, having a high emitting intensity in the range of 5 nm from this value and can be used to amplify a signal in the same wavelength range; however, commercially available semiconductor lasers used in optical telecommunications typically have a wavelength in the range of 1520-1570 nm.

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. As a result, a large number of commercially available lasers, according to their characteristics, are outside the range corresponding to erbium amplification — activated fiber, and therefore cannot be used to generate telecommunication signals in lines with erbium-doped amplifiers of the above type.

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. On the other hand, it is known that erbium-stimulated optical fibers have the aforementioned second emission range for the emission spectrum, which is characterized by a relatively high and almost constant light gain in the wavelength range adjacent to the narrow peak range mentioned above and wide enough to cover overlapping the emission range of said commercially available lasers.

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. However, in an optical fiber of this type, a signal having a wavelength falling in the second amplification range will not be fully amplified, while spontaneous transitions from the state of laser emission (radiation) in the fiber take place in the initial one with radiation at a narrow wavelength gain wavelength range of 1536 nm, which leads to the generation of "noise" interference, which will be further amplified along the length of the active fiber and superimposed on the useful signal.

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. In principle, it is possible to provide filtering of light emitting “noise” at the end of the amplifier fiber, passing only the wavelength of the transmitted signal into the communication line; For this, an appropriate filter is needed at the end of the active fiber.

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. However, the presence of spontaneous emission (emission) in the fiber, which falls mainly on the wavelength of the gain maximum, will be accompanied by a subtraction of the pump energy relative to the amplification of the transmitted signal having a different wavelength, as a result of which the fiber will become practically inactive in the sense of signal amplification.

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. Thus, the use of active optical fiber in optical amplifiers intended for use in conjunction with commercially available, serial laser emitters meets certain difficulties, primarily due to significant qualitative limitations imposed on these emitters.

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. The purpose of the present invention is the development of a stimulated, active light guide fiber capable of providing satisfactory amplification in a sufficiently wide wavelength range so that standard laser emitters can be used in the absence of spontaneous emissions of material at an undesirable wavelength that degrade the amplification ability of the fiber and generate high-intensity background noise in relation to the transmitted signal.

Поставленная цель реализована в созданном в рамках данного изобретения оптическом усилителе, отличительные признаки которого сформулированы в ионном объеме в пунктах патентования. The goal is realized in an optical amplifier created within the framework of the present invention, the distinguishing features of which are formulated in the ionic volume at patent points.

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. In FIG. 1 shows a diagram of an optical amplifier using an active fiber; figure 2 diagram of the energy transitions of a fluorescent stimulating additive in the fiber; figure 3 curve of the stimulated emission of an optical fiber based on silica glass with an additive; FIG. 4 is an enlarged diagrammatic sectional view of an optical amplifier; 5 is a cross section of the active fiber of the amplifier along the secant plane UY; FIG. 6 is a graph of light propagation constants in the veins of an active fiber; in FIG. 7 is a schematic view of a portion of a light guide fiber; Fig. 8 is a cross section of an optical fiber having amplifying and attenuating veins in a common sheath, but with a different diameter; in FIG. 9 is a plot of the refractive index of two cores of the optical fiber shown in FIG. eight; in FIG. 10 is a spectral gain distribution curve for various wavelengths of the fiber reinforcement core shown in FIG. eight; in FIG. 11 the attenuation curve of the attenuator core of the fiber shown in FIG. eight; in FIG. 12 correlation curve of two veins of the considered optical fiber; in FIG. 13 energy transfer transfer schedule.

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.Fiber amplifiers can be used to amplify signals in optical telecommunication systems. The design of such amplifiers is shown schematically in FIG. 1, where 1 denotes a light guide optical fiber telecommunication, which receives the transmitted useful signal having a wavelength λ _s . This signal is generated by laser 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.The specified signal attenuating at a certain length of the communication line enters the dichroic coupler 3, where it is folded using a rectilinear parallel fiber with a pump signal with a wavelength λ _p generated by the laser emitter by the pathogen 5. Active light guide fiber 6 connected to the fiber 4, the outgoing from the coupler, forms the amplifier of the transmitted signals, which then passes into the linear fiber 7, going to the corresponding destination.

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.The active fiber forming the reinforcing fiber optic link element, in a preferred embodiment of the invention is performed in a quartz optical fiber additive E _r2 O _3, whose presence allows substantially enhance the transmitted signal due to laser transitions of erbium atoms.

Для реализации потребного показателя преломления волокна целесообразно использовать легирование его материала окисью германия или алюминия. To implement the required refractive index of the fiber, it is advisable to use alloying of its material with germanium or aluminum oxide.

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).As shown in the diagram of FIG. 2, related to the fiber of the type under consideration and illustrating the possible energy states of the erbium ion in solution in a quartz-based matrix, the arrival of light energy in the active fiber at a pump wavelength λ _p shorter than the transmitted signal wavelength λ _s leads to a certain number of Er ions ^{3+ ions} present in the glass matrix forming fiber as additive enabling becomes "excited" energetic state 8, hereinafter referred to as "pumping area or zone", from which ions spontaneously n Passing to a lower energy level 9, which is the level of laser radiation (emission).

На лазерно-эмиссионном уровне 9 ионы Er³⁺ могут оставаться относительно длительное время, прежде чем они претерпят спонтанный переход на устойчивый уровень 10.At the laser emission level 9, Er ³⁺ ions can remain for a relatively long time before they undergo a spontaneous transition to a stable level 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. It is known that while the transition from region 8 to level 9 is associated with thermionic emission, the energy of which is scattered outside the fiber (background radiation), the transition of electrons from level 9 to the main level 10 is accompanied by the emission of light with a wavelength corresponding to the laser energy index -emission (laser-emitting) level 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. If a signal whose wavelength corresponds to the specified level is passed through an optical fiber containing a large number of ions at the laser emission level, this signal causes a stimulated transition of the mentioned ions from the laser emission state to a stable state before their spontaneous transition occurs. Such a process of stimulated inversion is of a cascade-step nature and leads to a significant increase in the transmitted signal at the output of the active fiber.

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. In the absence of a transmitted signal, spontaneous transitions from laser-emission states will occur, which are discrete, typical in a certain way for each substance; as a result, light radiation is generated with intensity peaks at various frequencies corresponding to the levels involved.

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.In particular, as shown in FIG. 3 or FIG. 10, a fiber of the type Si / Al or Si / Ge activated by Er ³⁺ and used in optical amplifiers at a wavelength of 1536 nm has a narrow emission (emitting) peak of high intensity, while at large wavelengths of approximately 1560 nm, a region is observed in which the radiation has a sufficiently high intensity, although lower than the intensity in the peak zone, forming a broad emission peak.

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.When a light signal with a wavelength corresponding to the emission peak of erbium Er ³⁺ at 1536 nm is transmitted through the fiber, a very strong signal amplification occurs, while the background noise caused by spontaneous emission of erbium remains at a sufficiently low level, which makes the fiber at full least suitable for use in an optical amplifier for a signal of this wavelength.

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. To generate a signal in the considered telecommunication systems, commercially available semiconductor-type lasers (In, Ga, As) having a nominal wavelength range from 1.52 to 1.57 μm can be used. Thus, the principle of their action, technical characteristics and production technology do not allow in all produced samples to realize the radiation of a useful (transmitted) signal with a precisely specified frequency corresponding to a narrow emission peak (emission peak) of erbium activated fiber, used as an optical amplifier, but in at the same time, there is a real possibility to select a significant number of images in which the emitted signal is localized in the areas of the emission curve of the fiber adjacent to the mentioned that narrow emission peak and corresponding to the aforementioned lower in intensity and wider in band emission peak.

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. The signal generated by these laser emitters cannot be amplified sufficiently in an erbium-stimulated fiber optic amplifier of the indicated type, since the pump energy introduced into the active fiber will be used to a greater extent to amplify the background noise generated in this amplifier fiber due to spontaneous emission ( radiation) erbium at a wavelength of 1536 nm.

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. In view of the foregoing, solving the problem of practical adaptation of most standard laser emitters of the aforementioned type for operation in combination with erbium-activated fiber optic amplifiers, which suggests, on the whole, the possibility of using laser emitters of the corresponding types in combination with fluorescent stimulators that produce strong background radiation due to spontaneous transitions atoms from the laser-emitting state, in the framework of this invention it was proposed to use an active fiber with the cross section shown in FIG. 4 and 5, having two cores (cores) 11 and 12, respectively, located in the same shell 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. As schematically shown in FIG. 4, the core 11 of the active fiber optic fiber 6 under consideration is connected at one end to a fiber 4 exiting the dichroic coupler, and the opposite end to a fiber 7 of the communication line, while the core 12 is cut off at the ends of the optical fiber 6 without any connections.

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.Two cores 11 and 12 of fiber 6 are designed in such a way that the corresponding light propagation constants β ₁ and β ₂ along the fiber, whose laws (curves) of change, depending on the wavelength, are shown in FIG. 6 allow optical coupling between these cores 11 and 12 to be realized when the wavelength of the radiation peak of the activator, stimulating additive of cores 11 has a maximum (in the case of erbium, this is 1536 nm) and is between λ ₁ and λ ₂ , while the amplitude of the indicated peak is determined by the slope of the curves β ₁ and β ₂ and corresponds (Fig. 3) to the amplitude of the narrow emission peak of the generated background.

Постоянные β₁, β₂ могут подбираться так, чтобы обеспечить необходимую связь при соответствующем подборе числовых апертур рассматриваемых жил, их диаметров и расстояния между ними.The constants β ₁ , β ₂ can be selected so as to provide the necessary connection with an appropriate selection of the numerical apertures of the conductors under consideration, their diameters and the distance between them.

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.As an example, formulas are given that determine the optical coupling in energies P ₁ and P ₂ between two different conductors in a common sheath:
P ₁ (Z) = 1-Fsin ² CZ, (1)
P ₂ (Z) = Fsin ² CZ, (2)
Where
F = 1 / [1-Bd (c) ² ] (3)
c = (Bd ² + N ² ) ^1/2 (4)
Bd = (β ₁ - β ₂ ) / 2 (5)

S _i = 1- (n _ce / n _ci ) ² , (7)
where

indices

1 and 2 refer to the respective cores;
C is the coupling coefficient of the circuits;
a _i radius of core i;
S _i numerical aperture of core i;
β ₁ light propagation constant of the corresponding core;
n _ci and n _{ce are} the refractive indices of the core and fiber sheath, respectively;
d distance between the centers of the veins;
U _i , V _i and W _i parameters characterizing the core i.

Путем тщательного подбора (расчета) значений указанных параметров можно получить две жилы с оптикоэнергетической связью в заданном узком диапазоне, сцентрированном по заданной длине волны. By carefully selecting (calculating) the values of the indicated parameters, two conductors with optic-energy coupling can be obtained in a given narrow range centered at a given wavelength.

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.In particular, the preferred wavelength range of the bond between the two fiber cores 11 and 12 in the case of using erbium as a stimulant in the core material 11 is the wavelength range λ ₁ = 1530 nm and λ ₂ = 1540 nm.

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). So, light having a wavelength of about 1536 nm, propagating through active core 12 and generating background “noise” caused by spontaneous emission of erbium, will periodically pass from core 11 to core 12, which is predetermined by the known laws of optical interaction of light-transmitting bodies (Optical Society journal America, vol. 2, N 1, January 1985, p. 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.The fiber length L _B , at which the complete transition of light energy at the calculated wavelength of the connection from one core to another (Fig. 7) and which is called the "transition base", depends on the characteristics of the two veins, in particular on their diameters, refractive indices, numerical equipment, the distance between them.

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.In the case when the signal transmitted through the core 11 has a wavelength of λ ₃ different from the wavelength at which the communication between the cores 11 and 12 (for example, 1550 nm) occurs, this signal is localized in the core 11 without going to the core 12; similarly, a pumping light beam introduced into the core 11 from the coupler 3 and having a wavelength λ _p , for example, 980 or 540 nm, will have such characteristics (physical conditions) of propagation through the core 11 that exclude the possibility of its transition to the core 12, t .e. in this case, the pump energy will not be realized.

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. Both cores 11 and 12 under consideration contain stimulating, activating additives, in particular, cores, referred to below as “active” or “reinforcing”, are doped with erbium, while cores 12, identified below as “passive”, are doped with an additive having high light-absorbing properties throughout the spectrum or at least at the frequency of the emission peak of the activator of the core 11, which is, as indicated, a source of "noise", in particular in the presence of a peak at a frequency of 1536 nm, when erbium is used as a laser activator.

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.Suitable substances for this purpose having high light absorption within the corresponding spectrum are described, for example, in European patent application N 88304182. and generally relate to elements with variable valency, such as Ti, V, Cr, Fe in the lowest state their valencies Er ³⁺
As substances with intense light absorption at the appropriate wavelength, that is, at a wavelength corresponding to the peak radiation of the stimulating additive in the "active" zone of the core 11, which it is desirable to suppress, it is advisable to use the same additive; realistically, a fluorescent substance, upon receipt of a sufficiently large pump energy, gives a certain illumination at the corresponding wavelength, however, in the absence of pumping, the same substance absorbs light with the same wavelength as in the case of radiation with the presence of a pump. In particular, when using the “active” core 11 doped with erbium, the second core can be doped with the same erbium with full justification.

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. In this case, due to the fact that the erbium absorption curve (law) has the form corresponding to its fluorescence or laser emission (emission) curve shown in FIG. 3, there is an analogy between the peak of stimulated radiation (at 1536 nm) and the peak of light absorption at the same wavelength.

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. As a result, when fluorescence occurs at the wavelength of the bond between the conductors, i.e. at 1536 nm, which manifests itself in the presence of light pumping in the core 11 due to a spontaneous transition to stable lower levels (highlights) of the atoms of the activating additive (erbium) from the upper laser level 9, it automatically goes to the core 12; however, from the core 12, this radiation does not return to the core 11, inside which the transmitted signal passes, since in the core 12 there is an almost complete attenuation of the incoming light, which is absorbed by the activating additive present in the material of this core.

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. Thus, the illumination component at an undesirable wavelength is continuously “removed” from the core 11 and scattered inside the core 12 without returning to the core 11, and therefore, cannot be amplified in the latter with the removal of the pump energy from the amplification process transmitted signal and without applying this energy to the amplified signal.

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.Therefore, the fiber constituting the subject of the claims of the present invention continuously filters the light present in core 11 along the entire active length of this fiber, absorbing photons emitted at a wavelength of 1536 nm as a result of a spontaneous energy-reducing transition of λ _s ions from the laser-emission level, and thus preventing them from spreading forward along the fiber, which will lead to further exposure (level energy transitions) at a given wavelength; in accordance with this, the specified fiber transmits light radiation through the core 11 only on the wave of the useful signal, scattering radiation in the same core at the pump wavelength.

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).Such a mechanism allows the selection of the transmitted wavelength λ ₂ and λ ₃ over the entire wavelength range in which erbium has a noticeable laser flash, for example, between the values of α shown in FIG. 3 (corresponding approximately to the range 1540-1570 nm), which, in turn, makes it possible to easily select a laser emitter for a specific transmitted signal without taking into account differences in specific amplification modes of signal emitters at different waves within the tolerance range, which is so wide that it allows using most industrial series of semiconductor lasers (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. The characteristics of the considered two-core optical fiber, the principle of which allows the connection between two veins in the required wavelength range, can be taken from the previously mentioned publications.

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.The relative content of erbium present in the active core 11 of the fiber is selected based on the required gain on a given (used) working length (base) of fiber reinforcement; or the active fiber length is selected so as to realize a given gain in accordance with the amount of erbium present in the fiber material; usually the total content of erbium used in the form of oxide (Er ₂ O ₃ ) in the active core 11 of the fiber varies between 10-1000 parts by weight / million

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^-αL 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.The content of the activating additive with intense light absorption in the "passive" or attenuator core 12 should be interconnected with the length L _{B of the} "overlapping" wave so that the base p = p _o e ^-αL attenuation in the core 12, which is the length of the section on which the light energy in the fiber decreases by a factor of 1 (e) in accordance with the well-known law that describes the propagation of light energy in a weakening medium: λ _s was at least an order of magnitude smaller than the length L _{B of the} overlapping wave (which corresponds to a complete transition of light energy to and the communication wavelength from one core to another, as shown in Fig. 7), i.e. L <(1/10) L _B, it is desirable to select the parameters of the core 12 and the content of the light-absorbing additive in it so that the said attenuation base is two orders of magnitude (hundreds of times) less than the calculated length of the mutual overlap (optical connection) of the wires.

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. The relative content of the specified additive or additive in the "passive", attenuator core 12 may be equal to or higher than the content of the same additive in the reinforcing core 11, reaching 10,000 parts by weight per million. or more, in this case, the above limitation will be satisfied.

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. Activating additives can be found in glass fiber, for example, according to the well-known technology of "mortar alloying", which gives satisfactory results on the quality of the product, or by some other well-known methods, the choice of applicability of which is based on the specifically realized properties of the fiber and technological capabilities.

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. In FIG. 5 shows one of the possible preferred embodiments of the fiber in question. The fiber 6, shown in cross section, has a core 11 through which a useful optical signal is transmitted and which simultaneously receives pumping light, this core is enclosed in a glass sheath (lining) 13. With a certain eccentricity relative to the light guide core 11, the second core 12 is located.

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. The active two-core fiber 6 is connected (circuit, Fig. 4) with single-core optical fibers 4 and 7, such a connection can be carried out in the traditional way, i.e. without the use of any special adapters, but exclusively due to the end docking of the joined sections using conventional fiber-connecting equipment, providing coaxial docking of the connected sections with control on their external surfaces so that the core 11 after connection is exactly on the same axis with the fiber cores 4 and 7 without any noticeable loss of light at the junctions; the core 12, which is offset eccentrically relative to the core 11, is not connected to other light guide fibers and is accordingly cut off at the ends of the twin-core fiber 6, without requiring any additional operations for its joining.

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.To ensure the highest possible amplification efficiency, it is desirable that core 11 be mono-mode both in the wave of the transmitted signal and in the pump wave; mono mode at least on the wave Er ³⁺ should be and lived 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.An example of the use of the considered two-core fiber optic amplifier in an optical telecommunication system is shown in the diagram of figure 1. In this case, the two-core active optical fiber 6 forming the aforementioned amplifier consists of Si / Al glass doped with Er ³⁺ with a total content of 80 parts per million. Er ₂ O ₃ additives distributed in equal proportions over two cores 11 and 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).Cores 11 and 12 have the following parameters: a = 3.1 μm (radius); S = 0.105 (numerical aperture); n ₁ = 1,462 (refractive index); d / a = 3.5 (the ratio between the gap d between the two cores 11 and 12 and the radius a of these cores, Fig. 5).

Жила 11 соосна с телом волокна. Активная, рабочая длина волокна составляет 30 м. Vein 11 is coaxial with the fiber body. Active, working fiber length is 30 m.

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. In this example, an argon-ion laser with a wavelength of 528 nm and a power of 150 mW was used as a pump source 5, while a serial semiconductor laser (In, Ga, As) with a power of 1 mW and a measured radiation wavelength served as the emitter 2 of the transmitted signal which reached 1560 nm.

Такая экспериментальная установка имела на выходе усилителя коэффициент усиления порядка 27 дБ при ослаблении (затухании) входного сигнала на 0,5 мкВт. Such an experimental setup had a gain of about 27 dB at the amplifier output when the input signal was attenuated (attenuated) by 0.5 μW.

Для моделирования реальных условий эксплуатации на входе усилителя с помощью переменного аттенюатора осуществлялось соответствующее ослабление передаваемого сигнала. To simulate real operating conditions at the amplifier input using a variable attenuator, a corresponding attenuation of the transmitted signal was carried out.

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). In the absence of a signal, as shown by measurements, the level of spontaneous emission at the amplifier output was 10 μW. Such radiation, which forms the background “noise” of the amplifier, does not noticeably affect the transmitted signal, which is amplified to significantly higher levels (of the order of 250 μW).

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. For comparison purposes, the same laser emitter 2 of the communication line was used together with an optical amplifier of the same design as in the previous example, but with the difference that the active fiber 6 had one core (core) of Si / Al glass with "step indicator", activated d with a content of 400 parts by weight per million. the length of the active fiber was 30 m

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. The specified amplifier, working on a transmitted signal with a wavelength of 1560 nm, showed a gain of less than 15 dB, while spontaneous illumination (emission) is comparable in level with the output signal.

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.In FIG. 8-13 show an alternative embodiment of the active reinforcing fiber in question. This fiber has the following parameters: a ₁ = 2 microns; S ₁ 0.196; a ₂ = 4.45 μm; S ₂ = 0.135; d / a ₁ = 9, where there was 101 amplification conductor containing Er ₂ O ₃ 150 parts by weight per million. and there was a 102 attenuator containing Er ₂ O ₃ 10,000 ppm. both of these veins are enclosed in a common sheath 103. Among other things, the veins are alloyed with germanium, which is deemed appropriate.

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. This fiber was extruded to a standard outer diameter of 125 microns. The parameters of core 1 were selected so as to cut off the second mode at wavelengths less than 980 nm and to ensure operation at a given pump wavelength of 980 nm.

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. In FIG. 10 shows a spectral plot of the gain of an amplification core core of a fiber; in this case, the main peak is narrower than the peak shown in FIG. 3. In FIG. 11 shows the working spectral characteristic of an attenuator core.

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.In FIG. 12 illustrates the difference in the light propagation constants in the veins depending on the wavelength (i.e., β ₁ and β ₂ ) used in formula (5). An analysis of this graph shows that the synchronization wavelength at which the light propagation constants are equal corresponds to 1536 nm, i.e. narrow peak wavelength.

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. In FIG. 13 is a graph of the power transfer coefficient between the conductors (i.e., G included in formula (3)). Here again, the peak coupling at a wavelength of 1536 nm is much weaker than the coupling at wavelengths of a wider spectral range of the gain, centered around 1550 nm.

Конструкция и параметры волокна, показанного на фиг. 8 (т.е. волокна с жилами различного диаметра), позволяет осуществлять фильтрацию в узком диапазоне. The design and parameters of the fiber shown in FIG. 8 (i.e., fibers with cores of various diameters) allows filtering in a narrow range.

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. This is due to the fact that the wave transmission range from the core 101 to the core 102 is extremely narrow, while the ratio between the passband (without attenuation of the signal) and the locking range (attenuation) can be set as necessary due to the interconnected selection of the diameters of the two wires.

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. In general, this makes it possible to obtain a fiber in which the width of the locking range (locking strip) is consistent with the peak width in terms of the gain of the erbium of the amplification core, so that the noise source can be completely eliminated without narrowing the useful range used for amplification.

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. Such a fiber is practically extremely expedient in the case when it is activated by germanium, since it has a very narrow spectral peak in gain (Fig. 10), which can be eliminated without reducing this coefficient in the transmission band of the useful signal.

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). The construction shown in FIG. 5 (fiber with veins of the same diameter), can work as a broadband filter, the passband (without attenuation of the signal) which is similar to the blocking (attenuation) band.

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). A fiber having a structure such as that shown in FIG. 5, easier, more technologically advanced in production than fiber with veins of various diameters; such a fiber can be successfully used in active fibers with forces doped with aluminum oxide, in which the main spectral peak in gain, corresponding to erbium, is wider than that of germanium-doped fibers (Fig. 3).

В этих волокнах ширина полосы запирания ослабительной жилы аналогична ширине пика эрбия, порождающего шум. In these fibers, the width of the locking strip of the weakening core is similar to the width of the erbium peak generating noise.

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. Structurally, the optical fiber constituting the present invention can be manufactured by introducing rod core cores into holes made by ultrasound in high-purity quartz glass or some other relatively soft glass of the outer shell.

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. The receiving hole for the reinforcing core is located coaxially with the core of the fiber sheath, while the hole for the attenuating core is parallel to the specified opening of the reinforcing core, but at the same time offset relative to it with a given eccentricity.

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. The core strands of fiber can be made using mortar alloying technology or from soft glass rods "grown" from a melt of suitably doped soft glass. In the manufacture of core cores using mortar filler alloying technology, their diameter can be controlled by etching or appropriate machining.

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. In an alternative technological embodiment, a prefabricated semi-finished product can be used, consisting of shell glass surrounding the reinforcing core. In this case, the attenuator core is introduced into the hole, made by ultrasound in the shell glass of the said half-finished product.

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. As follows from the considered examples, a single-fiber optical amplifier has a reduced gain in the presence of a signal with a wavelength of 1560 nm, creating in addition to such noise that makes signal reception difficult, so such an amplifier is practically unsuitable; in contrast, an amplifier based on an active light guide fiber made according to the invention, as shown in the first of these examples, is capable of amplifying with a sufficiently high coefficient in the presence of the same 1560-nanometer signal, while the background noise is negligible.

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. Thus, the use of fiber-optic amplifiers of the present invention in telecommunication lines allows you to transmit along these lines the signals generated by standard, industrially produced laser emitters with the permissible wide enough spread over the wavelength, but, what is positive in this invention, while ensuring the constant amplification characteristics regardless actual light emission intensity of the useful signal emitter used.

Следует указать, что объем притязаний изобретения предполагает разнообразие вариантов его исполнения при соблюдении основных характеристик заявленных волоконно-оптических усилителей. It should be noted that the scope of the claims of the invention implies a variety of options for its implementation, subject to the main characteristics of the claimed fiber optic amplifiers.

Claims

1. A broadband optical amplifier, in particular for an optical fiber of a communication line operating with a transmitted signal in a predetermined wavelength range, comprising a dichroic coupler suitable for multiplexing the transmitted signal and pumping light energy into a single output fiber and an active optical fiber containing fluorescent impurity substances connected to the fiber emerging from the dichroic coupler and entering the fiber of the communication line suitable for receiving and transmitting amplified an input signal, characterized in that the active optical fiber is formed by two veins equally spaced in a common sheath, where the first core is an amplification core containing a fluorescent admixture of laser radiation in the wavelength range including the wavelength range of the transmitted signal and is optically connected to at one end with a single output fiber coming from the dichroic coupler, and at the other end with a communication fiber, and the second core of the active optical fiber is a weakening core and contains an impurity substance suitable for absorbing light energy, and is cut off at the ends, the two cores are optically connected to each other in the wavelength range containing the wavelength range of the laser radiation of the first core and different from the wavelength range of the transmitted signal.

2. The amplifier according to claim 1, characterized in that the second core in the active optical fiber contains an impurity substance with high light absorption in the laser range from the impurity of the first core.

3. The amplifier according to claim 2, characterized in that the impurity substance with high light absorption in the second core consists of the same fluorescent impurity substance as the impurity present in the first core.

4. The amplifier according to claim 1, characterized in that the impurity in the second core is a substance with high light absorption over the entire spectrum selected from titanium, vanadium, chromium or iron, which are at least partially present in their state of least valence.

5. The amplifier according to claim 1, characterized in that the content of the impurity substance with high light absorption in the second strand and the bonding characteristics of the fiber strands are interconnected so that they lead in the second strand to an attenuation length of less than 1/10 of the length of the beats between the connected strands in the selected communication range lived.

6. The amplifier according to claim 1, characterized in that the fluorescent impurity of the laser radiation present in the first core is erbium.

7. The amplifier according to claim 5, characterized in that the two cores are optically connected to each other in the wavelength range between 1530 and 1540 nm.

8. The amplifier according to claim 1, characterized in that the first core is located coaxially with the outer surface of the common shell coaxially with the core of a single output fiber coming out of a dichroic coupler, and with a core fiber of a communication line to which the amplifier is connected, and the second core of the active optical the fibers at their ends face the sheath of a single output fiber and the fiber of the communication line.

9. The amplifier according to claim 1, characterized in that of the two active optical fiber strands, at least the amplification core is suitable for single-mode light propagation at a transmission wavelength and a pump wavelength.

10. The amplifier according to claim 1, characterized in that the active optical fiber is longer than half the beat distance of its two connected cores in a selected range of optical communication cores.

11. A twin-core active optical fiber containing fluorescent impurities, in particular for use in optical fiber amplifiers for an optical fiber communication line operating with a transmitted signal in a predetermined wavelength range, characterized in that it has two optical coupled wires, equally spaced in a common shell in which the first core is an amplification core and contains a fluorescent admixture of laser radiation with stimulated radiation in the wavelength range and is suitable for optical connection at one end to a single output fiber carrying the transmitted signal and pumping light energy multiplexed into the same fiber, and at the other end to the mentioned fiber of the communication line, and the second core is an attenuating core and contains impurity with high light absorption , the maximum optical coupling of the two cores takes place in the wavelength range contained in the aforementioned stimulated emission range of the first core and different from the transmitted signal wavelength range .

12. The fiber according to claim 11, characterized in that the impurity substance with high light absorption in the second core consists of the same fluorescent impurity substance as the impurity present in the first core.

13. The fiber according to claim 11, characterized in that the impurity in the second core is a substance with high light absorption over the entire spectrum, selected from titanium, vanadium, chromium or iron, which are at least partially present in their state of least valence.

14. The fiber according to claim 11, characterized in that the content of the impurity substance with high light absorption in the second strand and the bonding characteristics of the fiber strands are interconnected so as to lead in the second strand to a length of attenuation of less than 1/10 of the length of the beats between the connected strands in Selected communication range

15. The fiber according to claim 11, characterized in that the laser impurity present in the first core is a rare-earth impurity.

16. The fiber according to item 15, wherein the reinforcing core is doped with erbium.

17. The fiber according to clause 16, wherein the reinforcing core contains 10 1000 hours per 1 million Er ₂ About ₃ .

18. The fiber according to any one of paragraphs.11-17, characterized in that the attenuating vein contains more than 5000, and preferably about 10,000 hours per 1 million Er ₂ O ₃ .

19. The fiber according to any one of paragraphs. 11 18, characterized in that the diameter of the reinforcing core is equal to the diameter of the attenuating core.

20. The fiber according to any one of paragraphs.11 to 19, characterized in that the diameter of the reinforcing core is less than the diameter of the attenuating core.

21. The fiber according to clause 16, wherein the two cores are optically coupled to each other in the range between 1530 and 1540 nm.

22. The fiber according to claim 11, characterized in that the first core is located coaxially with the outer surface of the common sheath.

23. The fiber according to claim 11, characterized in that of the two active optical fiber strands, at least the amplification core is suitable for single-mode light propagation at a transmission wavelength and a pump wavelength.

24. A method of manufacturing an optical fiber for a broadband amplifier, which consists in the fact that holes are made in the glass blank of the outer shell by means of ultrasound into which the corresponding core core veins are introduced and pulled through the blank.

25. A method of manufacturing an optical fiber for a broadband amplifier, which consists in the manufacture of a preform containing a glass coating surrounding the glass for the first amplifying core core, and introducing the second core core into the hole made using ultrasound in the glass melt of the glass coating, and the fiber is pulled through the workpiece.