Способ обеспечения управления отношением оптический сигнал/шум в приемнике, способ оптической телекоммуникации (варианты), система телекоммуникации, оптический усилитель и активное оптоволокно

Способ обеспечения управления отношением оптический сигнал/шум в приемнике, способ оптической телекоммуникации (варианты), система телекоммуникации, оптический усилитель и активное оптоволокно

Реферат

 

Изобретение относится к системе телекоммуникации, включающей оптические усилители, включенные каскадно, и предназначенной в основном для мультиплексной передачи с разделением длин волн, при этом комбинация допантов в оптическом волокне позволяет достигать высокого отношения сигнал/шум для всех каналов в заданном диапазоне длин волн даже при наличии нескольких сигналов, одновременно вводимых в волокно, что и является достигаемым техническим результатом. 6 c. и 39 з.п. ф-лы, 16 ил., 1 табл.

Настоящее изобретение относится к системам дальней связи, имеющим в своем составе оптические усилители и способным работать в режиме передачи с частотным разделением и уплотнением каналов (мультиплексирование) (далее в тексте М-передача).

Для WDM-передачи необходимы несколько каналов или передаваемых сигналов, независимых друг от друга и пересылаемых по одной и той же волоконно-оптической линии путем уплотнения каналов (мультиплексирования) в оптическом диапазоне частот; передающие каналы, которые могут быть как цифровыми, так и аналоговыми, отделены друг от друга, т.к. каждый из них работает на своей особой частоте.

При таком виде передачи различные каналы должны быть, в основном, эквивалентны друг другу, т.е. ни один из них не должен иметь каких-либо привилегий относительно других каналов с точки зрения уровня сигнала или качества его.

При использовании усилителей, в частности оптических усилителей, к ним предъявляется требование идентичности частотных характеристик всех каналов передачи; кроме того, для обеспечения передачи по большому количеству каналов полоса частот, в которой работает усилитель, должна быть достаточно широкой.

Работа оптического усилителя базируется на свойстве флюоресцирующего допанта (легирующей примеси), в частности эрбия, введенного в тело волоконно-оптического световода. Эрбий, возбуждаемый путем подкачки световой энергии, приобретает высокий уровень эмиссии в диапазоне длин волн, соответствующих минимальному ослаблению света в оптических волокнах на основе кремния.

Когда сквозь оптическое волокно с введенным в него эрбием, который поддерживается в возбужденном состоянии, проходит световой сигнал, имеющий длину волны, соответствующую такому высокому уровню эмиссии, он вызывает переход атомов возбужденного эрбия на нижний энергетический уровень, и световая эмиссия стимулируется на длине волны этого сигнала, чем создается эффект усиления сигнала.

На уровнях ниже возбужденного состояния имеет также место спонтанное затухание энергии атомов эрбия, в результате чего возникает хаотическая (случайная) эмиссия, создающая "фоновый шум", перекрывающий диапазон вынужденной эмиссии, соответствующей эффекту усиления сигнала.

Световая эмиссия, создаваемая накачкой световой энергии в активизированное легирующей примесью оптическое волокно, может иметь место на нескольких длинах волн, характерных для таких легированных веществ, в результате чего возникает источник спектра флюоресценции в волокне.

В целях достижения наибольшего усиления сигнала в волокне рассматриваемого типа наряду с обеспечением высокого отношения сигнал/шум, приемлемого для уверенного приема самого сигнала, в оптической дальней связи используется также сигнал, генерируемый лазерным источником с длиной волны, соответствующей максимуму (в предполагаемой полосе частот) кривой спектра флюоресценции в волокне, содержащем легирующую примесь, или пику эмиссии.

С другой стороны, волокна, легированные эрбием, характеризуются спектром эмиссии с пиком ограниченной ширины, параметры которого изменяются в зависимости от свойств стекловидной системы, в которую эрбий вводится в качестве легирующей примеси, и от области спектра столь высокой интенсивности в представляющем интерес диапазоне длин волн, близкой к упомянутому пику, что дает основания считать возможным использование оптических усилителей для усиления сигналов в широкой полосе частот.

Однако для волокон, легированных эрбием, характерна неравномерность спектра эмиссии, которая определяет возможности достижения равномерного усиления во всей требуемой полосе частот.

Для обеспечения существенно "плоской" характеристики усиления, т.е. как можно более постоянного усиления при различных длинах волн путем устранения источников шума из-за спонтанной эмиссии, могут быть использованы фильтрующие элементы, подобные тем, что описаны, например, в патентах EP 426222, EP 441211 и EP 417441, автором которых является настоящий Заявитель.

В этих патентах, однако, не описывается функционирование усилителей в режиме частотного разделения и уплотнения (мультиплексирования) каналов, а также не рассматривается работа нескольких усилителей, включенных каскадно относительно друг друга.

Форма спектра эмиссионного излучения в большой степени зависит от легирующей примеси (допанта), присутствующей в сердцевине оптоволокна с целью увеличения показателя преломления, что, например, показано в патенте США 5282079, где установлено, что спектр флуоресценции оптоволокна, легированного алюминием/эрбием, имеет менее отчетливо выраженный пик, чем спектр оптоволокна, легированного германием-эрбием; кроме того, этот пик сдвинут в область меньших длин волн (максимум расположен около 1532 нм). Такое волокно имеет числовую апертуру (ЧА), равную 0,15.

В материалах ECOC'93. ThC12.1, стр. 1-4, рассматривалось волокно для оптического усилителя, легированное Al и La и имеющее очень низкую чувствительность к водороду; описанное оптоволокно с добавками Al имело числовую апертуру 0,16, а волокно с добавками Al и La - 0,30.

В материалах ECOC'93, Th4, стр. 181-184, рассматривались оптические усилители с оптоволокном, легированным эрбием; также описывались эксперименты, проводимые с волокнами, сердцевина которых была легирована алюминием, алюминием-германием и лантаном/алюминием. Наилучшие результаты, по-видимому, достигались с волокнами, легированными Al/La.

В журнале Electronics Letters, 6 june 1991, vol. 27, N 12, стр. 1065 - 1067 указывалось, что в оптических усилителях на волокне, легированном эрбием, внесение добавок корунда позволяет получить характеристику усиления более плоской формы и большей величины; в статье сравнивались усилители на волокне, легированном алюминием, германием и эрбием, с усилителями на волокне с добавками лантана, германия и эрбия и утверждалось, что в последнем случае достигается наибольшее выравнивание характеристики усиления.

В материалах ECOC'91, TuPSl-3, стр. 285-288 описано использование оптоволокна типа Al₂O₃ - SiO₂ с добавками Er и La для получения более высокого показателя преломления и уменьшения образования кластеров, содержащих ионы эрбия. Было установлено, что спектры флюоресценции и поглощения у оптоволокна с добавками Er/La являются очень похожими на аналогичные спектры оптоволокна типа Al₂O₃ - SiO₂ с добавками эрбия; была получена числовая апертура (ЧА) 0,31 и концентрация эрбия 2310¹⁸ см^-3.

В материалах ECOC'89, поступивших в последнюю очередь, PDA-8, стр. 33-36, 10-14 сентября 1989, описывался эксперимент с двенадцатью оптическими усилителями на эрбиевом волокне, соединенными по каскадной схеме; использовался одиночный сигнал с длиной волны 1,536 мкм. Отмечалось, что для устойчивой работы требуется возможность регулирования длины волны сигнала в пределах 0,01 нм с учетом того, что значения двоичного коэффициента ошибок (ДКО) быстро спадают с ее изменением.

В патенте США 5117303 описана система оптической передачи, состоящая из синхронизованных оптических усилителей, которые, как следует из приведенных вычислений, при работе в режиме насыщения обеспечивают высокое отношение сигнал/шум.

Описанные усилители включали легированное эрбием оптоволокно с сердцевиной Al₂O₃ - SiO₂; при этом предусматривалось использование фильтров. Расчетные характеристики были получены для отдельной длины волны; подача сигналов в широком диапазоне длин волн с целью получения таких же характеристик не проводилась.

Согласно настоящему изобретению было обнаружено, что при определенном сочетании добавок, введенных в тело активного оптоволокна, становится возможным получение оптоволокна, обеспечивающего высокое значение числовой апертуры и такой спектр излучения, который делает возможным создание таких оптических усилителей (в частности, в рамках систем с частотным мультиплексированием), которые имеют однородные характеристики для отдельно стоящего усилителя, так и для группы усилителей, соединенных по каскадной схеме.

Первый аспект настоящего изобретения относится к методам обеспечения возможности управления отношением сигнал/шум оптического сигнала по приему в заранее заданном диапазоне длин волн для оптической телекоммуникационной системы, содержащей - оптический передатчик, - оптический приемник, - оптоволоконную линию, соединяющую вышеуказанные передатчик и приемник, и - по меньшей мере один оптический усилитель на активном оптоволокне, расположенный вдоль вышеуказанной линии, где вышеуказанное активное оптоволокно имеет линию излучения, характеризующуюся зоной высокого излучения в области некоторых длин волн, в которую входит вышеупомянутый заранее заданный диапазон длин волн и в пределах которой по сравнению со смежными участками имеется участок пониженной эмиссии.

Настоящее изобретение позволяет улучшить характеристику излучения за счет выбора или дозировки допантов в активном волокне.

В частности, вышеуказанный заранее заданный диапазон длин волн находится между 1530 и 1560 нм; более предпочтительным является диапазон между 1525 и 1560 нм.

В предпочтительном исполнении отношение сигнал/шум для оптического сигнала, измеренное при ширине фильтра 0,5 нм, превышало 15 дБ.

В предпочтительном исполнении изобретения вышеуказанная система содержит по меньшей мере два оптических усилителя на активном оптоволокне, расположенных последовательно вдоль вышеуказанной оптоволоконной линии.

В предпочтительном исполнении изобретения метод выбора допанта для оптоволокна включает в себя использование основного флуоресцентного допанта и по меньшей мере одного дополнительного допанта, взаимодействующего с вышеуказанным основным допантом в стеклянной решетке активного оптоволокна, с целью снижения уровня вышеуказанного участка пониженной эмиссии до значения менее чем 1 дБ по отношению к величине излучения в по меньшей мере одной из смежных зон в вышеупомянутом диапазоне. В качестве основного допанта наиболее предпочтительным является выбор эрбия (в виде оксида), а в качестве дополнительных допантов - германия, алюминия и лантана (в виде соответствующих оксидов).

Второй аспект настоящего изобретения относится к способу оптической связи, включающий этапы: - генерации по меньшей мере одного оптического сигнала с заранее заданной длиной волны из соответствующего диапазона длин волн; - посылки вышеуказанного сигнала по оптоволокну оптической телекоммуникационной линии, - по меньшей мере однократного усиления вышеуказанного оптического сигнала по меньшей мере одним оптическим усилителем на активном волокне и - приема вышеуказанного сигнала при помощи приемника, характеризующегося тем, что активное оптоволокно в по меньшей мере одном из вышеуказанных усилителей содержит основной флуоресцентный допант и по меньшей мере один дополнительный допант, взаимодействующий с вышеуказанным основным допантом в стеклянной решетке активного оптоволокна, что приводит к возникновению эффекта усиления для вышеуказанного оптического сигнала на вышеуказанной заранее заданной длине волны в вышеуказанном оптическом усилителе на активном оптоволокне. В отсутствие средств фильтрации усиление, будучи измерено при входной мощности -20 дБм, отличается меньше чем на 1,6 дБ от соответствующего усиления сигнала при другой длине волны в вышеуказанном диапазоне.

В соответствии с третьим аспектом способ, описанный в настоящем изобретении, характеризуется тем, что отношение сигнал/шум для оптического сигнала в приемнике, измеренное при ширине фильтра 0,5 нм, составляет не менее 15 дБ как для одиночного сигнала из вышеуказанного диапазона, так и в присутствии двух или более сигналов, имеющих различные длины волн, входящие в указанный диапазон, которые одновременно подаются на вход вышеуказанного усилителя, причем это выполняется для каждого из указанных оптических сигналов.

В частности, этот метод включает процедуру по меньшей мере двухэтапного усиления вышеуказанного оптического сигнала при помощи соответствующих оптических усилителей на активном волокне, расположенных вдоль вышеуказанной оптоволоконной линии связи.

Используемый при таком методе вышеуказанный оптический усилитель содержит активное оптоволокно, сердцевина которого легирована эрбием, выполняющим роль основного флуоресцентного допанта. Кроме того, сердцевина легирована по меньшей мере двумя дополнительными допантами, которые взаимодействуют с вышеуказанным основным допантом. В предпочтительном исполнении ими служат алюминий, германий и лантан (в виде соответствующих оксидов).

Четвертый аспект настоящего изобретения относится к телекоммуникационной системе, содержащей - передающую станцию, генерирующую оптические сигналы в заданном диапазоне длин волн, - принимающую станцию, - оптоволоконную линию, соединяющую вышеуказанные передающую и принимающую станции, и - по меньшей мере два оптических усилителя на активном оптоволокне, соединенных последовательно вдоль вышеуказанной линии, которые соединены друг с другом с целью обеспечения прохождения вышеуказанных оптических сигналов от вышеуказанной передающей станции к вышеуказанной принимающей станции и характеризуются тем, что по меньшей мере один из них содержит активное оптоволокно на основе кремния с сердцевиной, легированной по меньшей мере одним дополнительным допантом. Указанные усилители соединены друг с другом таким образом, чтобы обеспечивать на принимающей станции отношение сигнал/шум, измеренное при ширине фильтра 0,5 мм, не менее 15 дБ для сигналов с длинами волн из указанного диапазона; причем как для одиночного сигнала из этого диапазона, так и в присутствии двух или более сигналов, имеющих различные длины волн, входящие в указанный диапазон, которые одновременно подаются на вход вышеуказанного усилителя, причем это выполняется для каждого из указанных оптических сигналов.

В качестве основного допанта наиболее предпочтительным является выбор эрбия (в виде оксида), а в качестве дополнительных допантов - германий, алюминий и лантан (в виде соответствующих оксидов).

Наиболее предпочтительной является ситуация, когда полоса передачи лежит в пределах от 1530 до 1560 нм.

В предпочтительном исполнении оптоволоконная линия, описываемая в настоящем изобретении, содержит по меньшей мере три последовательно соединенных оптических усилителя; по меньшей мере один из них содержит активное оптоволокно, сердцевина которого легирована алюминием, германием, лантаном и эрбием (в виде соответствующих оксидов).

Пятый аспект настоящего изобретения относится к оптическому усилителю на активном оптоволокне, содержащему - по меньшей мере один отрезок активного волокна на основе кремния, - средства накачки для вышеуказанного активного волокна, обеспечивающего подачу оптической энергии накачки на длине волны накачки, - средства сопряжения между указанным активным волокном с оптической накачкой и одним или несколькими передаваемыми сигналами с длинами волн, входящими в заранее заданный диапазон передачи, характеризующиеся тем, что вышеуказанное оптическое активное волокно имеет легированную сердцевину с по меньшей мере одним основным флуоресцентным допантом и по меньшей мере одним дополнительным допантом, находящимися в функциональной связи, благодаря которой в отсутствие средств фильтрации, расположенных вдоль указанного активного волокна, максимальное изменение усиления для двух сигналов при передаче на различных длинах волн из указанного диапазона, измеренные при входной мощности -20 дБм, меньше, чем 2,5 дБ.

В предпочтительном исполнении вышеуказанного усилителя основным флуоресцентным допантом является эрбий в виде оксида, а дополнительными допантами - алюминий, германий и лантан (в виде соответствующих оксидов).

В частности, вышеуказанный оптический усилитель на активном оптоволокне имеет в вышеуказанном заранее заданном диапазоне длин волн (в котором была обеспечена коррекция снижения усиления) характеристику эмиссии, уровень которой превышает 1 дБ по отношению к уровню эмиссии в по меньшей мере одной из смежных областей в указанном диапазоне, который в предпочтительном исполнении не превышает 0,5 дБ.

Вышеуказанный заранее заданный диапазон длин волн находится между 1530 и 1560 нм; более предпочтительным является диапазон между 1525 и 1560 нм.

В предпочтительном исполнении указанное активное оптоволокно имеет числовую апертуру больше 0,15.

Следующий аспект настоящего изобретения относится к активному оптоволокну, в частности, для оптических усилителей телекоммуникационных систем, характеризующемуся тем, что оно имеет числовую апертуру, большую 0,15, и легированную сердцевину с по меньшей мере одним основным флуоресцентным допантом и по меньшей мере одним дополнительным допантом, находящимися в функциональной связи, благодаря которой эмиссионная характеристика указанного волокна в указанном диапазоне длин волн при накачке самого волокна световой энергией избавлена от участка с пониженными значениями (более чем на 1 дБ по сравнению с уровнем эмиссии в хотя бы одной из смежных зон в указанном диапазоне) и в предпочтительном исполнении не превышает 0,5 дБ.

Для вышеуказанного активного оптоволокна в качестве основного флуоресцентного допанта наиболее предпочтительным является выбор эрбия (в виде оксида), а в качестве дополнительных допантов - германий, алюминий и лантан (в виде соответствующих оксидов).

В предпочтительном исполнении содержание лантана в сердцевине оптоволокна (в виде оксида) превышает 0,1% на моль, более желательно содержание не менее 0,2% на моль.

В предпочтительном исполнении содержание германия в сердцевине оптоволкна (в виде оксида) превышает 5% и молярное отношение между содержимым германия и лантана (в виде оксидов) в сердцевине оптоволокна лежит в пределах от 10 до 100, более желательно отношение равно 50.

В предпочтительном исполнении содержание алюминия в сердцевине оптоволокна (в виде оксида) превышает 1% на 1 моль, более желательно содержание, превышающее 2% на 1 моль.

В предпочтительном исполнении содержание эрбия в сердцевине оптоволокна (в виде оксида) лежит между 20 и 5000 ppm на 1 моль, более желательно содержание от 100 до 1000 ppm на 1 моль.

В предпочтительном исполнении числовая апертура оптоволокна превышает 0,18.

На фиг. 1 изображена схема усилителя.

На фиг. 2 изображена схема усилителя с узкополосным режекторным фильтром.

На фиг. 3 изображена схема экспериментальной установки для определения спектральных эмиссионных кривых для различных типов оптоволокна.

На фиг. 4 изображены спектральные эмиссионные кривые для различных типов оптоволокна, полученные при помощи экспериментальной установки, изображенной на фиг. 3.

На фиг. 5 изображены характеристики усиления усилителя, показанного на фиг. 1, для сигналов, имеющих разные длины волн и два различных уровня исходной мощности, и для волокна, описываемого в настоящем изобретении.

На фиг. 6 изображены характеристики усиления усилителя, показанного на фиг. 2, для сигналов, имеющих разные длины волн и три различных уровня входной мощности, и для волокна, описываемого в настоящем изобретении.

На фиг. 7 изображены характеристики усиления усилителя, показанного на фиг. 2, для сигналов, имеющих разные длины волн и три различных уровня входной мощности, и для известного волокна.

Фиг. 8 представляет собой экспериментальную схему передающей установки, содержащей несколько каскадов усилителей, которая обеспечивает мультиплексирование двух сигналов с различными длинами волн в одной линии связи.

На фиг. 9 изображены кривые, характеризующие значения двоичного коэффициента ошибок (ДКО), измеренные с помощью экспериментальной установки, показанной на фиг. 8. Использовались различные усилители.

На фиг. 10 изображена экспериментальная схема передающей установки, содержащая несколько каскадов усилителей, которая обеспечивает мультиплексирование четырех сигналов с различными длинами волн в одной линии связи.

На фиг. 11 изображены уровни мощности сигнала на выходе первого каскада усиления в экспериментальной установке, показанной на фиг. 10. Использовались усилители, описанные в настоящем изобретении.

На фиг. 12 изображены уровни мощности сигнала на выходе второго каскада усиления в экспериментальной установке, показанной на фиг. 10.

На фиг. 13 изображены уровни мощности сигнала на выходе третьего каскада усиления в экспериментальной установке, показанной на фиг. 10.

На фиг. 14 изображены уровни мощности сигнала на выходе четвертого каскада усиления в экспериментальной установке, показанной на фиг. 10.

На фиг. 15 изображены уровни мощности сигнала на выходе предусилителя в экспериментальной установке, показанной на фиг. 10.

На фиг. 16 изображены уровни мощности сигнала на выходе предусилителя в экспериментальной установке, показанной на фиг. 10.

Использовались усилители известного типа.

Как показано на фиг. 1, усилитель, используемый в качестве усилителя оптоволоконной линии, содержит один оптоволоконный световод 1, легированный эрбием, с соответствующим лазером накачки 2, связанный, кроме этого, с дихроичным соединителем 3; один оптический вентиль 4 расположен до световода 1 (на пути усиливаемого сигнала), тогда как второй оптический вентиль 5 расположен после активного оптоволоконного световода.

Обычно (хотя необязательно) дихроичный соединитель 3 располагается после активного световода (как и показано на фигуре), обеспечивая подачу энергии накачки в противотоке с сигналом.

Кроме того, усилитель содержит второй легированный эрбием оптоволоконный световод 6, соединенный с соответствующим лазером накачки 7 посредством дихроичного соединителя 8, который на приведенном примере также соединен с источником накачки во встроечном направлении, таким образом, оптический вентиль 9 расположен после оптоволоконного световода 6.

Лазеры накачки 2, 7 представляют собой лазеры на структурах с квантовыми ямами и имеют следующие характеристики: - линия излучения _p = 980 нм, - максимальная выходная оптическая мощность P_u = 89 мВ.

Лазеры такого типа производятся, например, компанией LASERTRON INC., 37, North Avenue, Burlington., MA (US).

Дихроичные соединители 3, 8 изготавливаются путем плавления оптоволокна из одномодовых волокон с длиной волны 980 нм и шириной полосы 1530-1560 нм. Колебания выходной оптической мощности < 0,2 дБ в зависимости от поляризации.

Дихроичные соединители вышеупомянутого типа хорошо известны и распространены на рынке. Они, например, выпускаются компаниями GOULD Inc., Fibre Optic Division, Baymeadow Drive, Gelm Burnie, MD (US) и SIFAM Ltd., Fibre Optic Division, Woodland Road, Torguay, Devon (GB).

У оптических вентилей 4, 5, 9 управление поляризацией не зависит от поляризации передаваемого сигнала. Они характеризуются параметром изолирования, превышающим 35 дБ, и отражательной способностью менее - 50 дБ.

Использовались вентили моделей MDL 1-15 PIPT-A SIN 1016 компании ISOWAVE, 64 Hording Avenue, Dover, New Jersey, US.

На фиг. 2 приведена схема альтернативного исполнения усилителя, в котором соответствующие элементы имеют те же номера, что и на фиг. 1.

В этом усилителе, элементы которого выполняют те же функции, что и в усилителе, описанном выше, включен узкополосный режекторный фильтр. Этот фильтр состоит из отрезка оптоволокна, имеющего связанные оптическим путем сердцевины двух типов. Одна из них является коаксиальной относительно подключенных к фильтру оптоволоконных световодов, а другая сдвинута относительно центра и обрезана по краям. Подробное описание дано в патентах EP 441211 и EP 417441, которые используются в настоящей работе в качестве справочного материала.

Этот фильтр имеет такие размеры, чтобы обеспечить связь со смещенной относительно центра сердцевиной для длин волн, соответствующих части эмиссионного спектра усилителя; граничная отсечка смещенной относительно центра сердцевины обеспечивает рассеяние попавшего излучения в оболочке волокна, прерывая связь с основной сердцевиной.

В приведенном примере двухсердцевиннный фильтр 10 имеет следующие характеристики: диапазон длин волн, для которого обеспечивается связь во второй сердцевине BW (-3 дБ) - 8-10 нм; длина фильтра - 35 мм.

Размеры фильтра выбраны таким образом, что обеспечивается максимальное ослабление пика эмиссии активного волокна.

В качестве альтернативы в проводимых экспериментах использовались фильтры со следующими характеристиками: ослабление при _s 1530 нм - 5 дБ или ослабление при _s 1532 нм - 11 дБ.

Этот фильтр предназначен для уменьшения интенсивности в указанном диапазоне длин волн, в частности в области максимума эмиссионного излучения оптоволокна, с целью получения максимально возможно постоянной (или "плоской") характеристики усиления усилителя для различных значений длин волн.

Это требование является особенно важным для задач ОМ - передачи, при которой необходимо максимально равномерное усиление для каждого канала.

В вышеуказанных усилителях были использованы различные типы активных волокон, легированных эрбием. Их состав и оптические характеристики приведены в таблице.

Анализ состава проводился на предварительном этапе (до вытягивания волокна) при помощи микрозонда в сочетании со сканирующим электронным микроскопом (SEM Hitachi).

Анализ проводился при 1300 увеличениях в дискретных точках, расположенных вдоль диаметра и отстоящих друг от друга на 200 мкм.

Упомянутые волокна были изготовлены по методу вакуумной металлизации в трубке из кварцевого стекла.

В упомянутых волокнах введение германия в качестве допанта в матрицу SiO₂ в сердцевине волокна производилось на этапе синтеза.

Введение эрбия, корунда и лантана в сердцевину волокна производилось по методу "легирования раствором", при котором водный раствор хлорида допанта контактирует с синтезируемым в сердцевине волокна веществом, находящимся там в виде макрочастиц, до затвердевания волокна.

Более подробно метод легирования раствором описан, например, в патенте США 5282079, который используется в настоящей работе в качестве справочного материала.

Большее значение числовой апертуры (ЧА) у волокна A по сравнению с другими волокнами было вызвано тем фактом, что при изготовлении сердцевины волокна не производилась модификация жидкого реактива, используемого при изготовлении волокна C (Al/Ge/Er), в частности не производилась герметизация источника германия.

Таким образом, последовательное введение лантана и алюминия по методу легирования раствором приводит к более высокому значению показателя преломления, чем ожидалось. Вдобавок к этому имеют место другие неожиданные улучшения параметров усиления и передачи, которые будут описаны в дальнейшем.

На фиг. 3 изображена схема экспериментальной установки для определения спектральных эмиссионных кривых для различных типов оптоволокна: спектральные эмиссионные кривые, измеренные для активных волокон A, B, C, D, приведены на фиг. 4.

Лазерный диод накачки 11, работающий на длине волны 980 нм, был подключен через дихроичный соединитель 12 (длина волны 980 нм, ширина полосы 1550 нм) к активному тестовому волоконному световоду 13; эмиссия волокна измерялась при помощи оптического спектроанализатора 14.

Лазерный диод 11 имел мощность около 60 мВ (в волоконном световоде 13). Активный световод 13 имел длину, соответствующую эффективному усилению для выбранной мощности накачки; для исследуемых волокон, каждое из которых имело одинаковое содержание эрбия, такая длина соответствовала 11 м.

Для волокон с другим содержанием эрбия соответствующая длина может быть определена исходя из известных критериев.

Оптический спектроанализатор представлял собой модель TQ8345 фирмы ADVANTEST CORPORATION, Shinjuku - NS Bldg. 2 - 4-1 Nishi Shinjuku, Shinjuku - ku Tokyo (JP).

Измерения проводились при накачке оптоволокна излучением с длиной волны 980 нм; регистрировался спектр спонтанной эмиссии волокна.

Полученные результаты показаны на фиг. 4, где кривая 15 соответствует волокну A, кривая 16 - волокну B, кривая 17 - волокну C и кривая 18 - волокну D.

Как следует из этих графиков, спектр эмиссии для волокон B, C и D имеет основной максимум интенсивности на длине волны 1532,5 нм и последующую зону высокой эмиссии в области больших длин волн до примерно 1560-1565 нм, в которую входит второй сильно уширенный пик.

Сравнительный анализ кривых 16 и 17 (волокон B и C соответственно) показывает, что большее содержание корунда в волокне превышает уровень указанной зоны высокой эмиссии; замена лантана на германий (волокно D, кривая 18) приводит к более высокому уровню излучения в диапазоне 1535-1560.

С другой стороны, для всех волокон B, C и D снижение уровня эмиссии наблюдалось в области спектра d (расположенной приблизительно между 1535 и 1540 нм) между основным и вторым эмиссионным пиком; в этой области уровень эмиссии ниже максимального уровня в смежных зонах (включающих основной и второй пики) по крайней мере на 2 дБ. Это отмечено на фигуре ссылкой h для кривой 16 и хорошо видно для кривых 17 и 18.

Напротив, из кривой 15 следует, что в указанных условиях эксперимента для волокон A в зоне d не имеет место значительное снижение уровня излучения (или там, где оно все же различимо, оно во всех случаях ниже 0,5 дБ).

Кроме того, из кривой 15 видно, что максимум эмиссии для волокна A имеет место при меньших длинах волн, чем для волокон B, C и D. Этот максимум расположен приблизительно на 1530 нм; волокно обладает высоким уровнем эмиссии, вплоть до 1520 нм.

Усилители, схема которых приведена на фиг. 1 и 2, были изготовлены на волокне A.

Первый активный оптоволоконный световод 1 был около 8 м длиной, тогда как второй активный световод 6 имел длину около 15 и 13 метров соответственно для усилителей, показанных на фиг. 1 и 2.

На фиг. 5 приведены характеристики усиления при различных длинах волн для двух различных уровней мощности входного сигнала для усилителя, показанного на фиг. 1. На фиг. 6 приведены характеристики усиления при различных длинах волн для трех различных уровней мощности входного сигнала для усилителя, показанного на фиг. 2.

В частности, кривая 19 на фиг. 5 соответствует входной мощности усилителя, показанного на фиг. 1, равной -20 дБм, в то время как кривая 20 соответствует входной мощности -25 дБм.

В свою очередь кривая 21 на фиг. 6 соответствует входной мощности усилителя, показанного на фиг. 2, равной - 20 дБм, в то время как кривая 22 соответствует входной мощности - 25 дБм, а кривая 23 - 30 дБм.

Как следует из этих фигур, в частности из сравнения кривых 19 и 21, соответствующих уровню мощности - 20 дБм, который является особенно интересным для телекоммуникационных задач, как в отсутствие, так и при наличии фильтра, использование волокна с сердцевиной, легированной (дополнительно к эрбию) корундом, германием и лантаном, приводит к значительному выравниванию характеристики усиления, особенно в области между 1536 и 1540 нм. Этот результат достигается и в отсутствие фильтра.

В частности, в отсутствие фильтра при - 20 дБм разница в усилении между сигналами с различными длинами волн составляла менее чем 1,6 дБ, в то время как с фильтром при - 20 дБм эта разница была менее чем 0,9 дБ.

На фиг. 7 приведены характеристики усиления усилителя, показанного на фиг. 2 и изготовленного из волокна C (Al/Ge/Er), для сигналов, имеющих разные длины волн и три различных уровня входной мощности.

В частности, кривая 24 на фиг. 6 соответствует мощности входного сигнала, равной - 20 дБм, кривая 25 соответствует мощности - 25 дБм, а кривая 26 - 30 дБм.

При - 20 дБм разница в усилении для сигналов с различными длинами волн составляла около 2,1 дБ.

Сравнение полученных результатов позволяет сделать вывод, что использование волокна A (Al/Ge/La/Er) в усилителе без фильтра приводит к гораздо более равномерной характеристике усиления, чем использование волокна C (Al/Ge/Er) в усилителе с фильтром.

Проводились эксперименты по передаче сигналов на большие расстояния. В них использовались усилители, показанные на фиг. 1 и 2, выполненные либо из волокна A (Al/Ge/La/Er), либо из волокна C (Al/Ge/Er), соединенные по каскадной схеме, то есть последовательно. Одна из используемых экспериментальных установок показана на фиг. 8.

Первый и второй сигналы 27, 28 с длинами волн ₁ = 1536 нм и ₂ = 1556 нм подавались через мультиплексор 30 на оптоволоконный световод 29.

Первый аттенюатор 31 располагался после усилителя мощности 32a; следующие идентичные аттенюаторы 31 были выстроены в линию, вдоль которой, перед приемником 33, помещались четыре усилителя 32, 32', 32'', 32'''.

Приемник 33 располагался после оптического демультиплексора 34, содержащего интерференционный фильтр с шириной полосы 1 нм при 3 дБ, при помощи которого осуществлялась селекция регистрируемого сигнала.

Сигналы 27, 28, генерируемые соответствующими лазерами, имели мощность 0 дБм каждый; суммарная мощность, коммутируемая в световоде 29, составляла 0 дБм (с учетом потерь в соединительных звеньях, равных 3 дБ).

Мультиплексор 30, являвшийся "коммутатором 1х2", был изготовлен компанией E-TEK DYNAMICS INC., 1885 Lundy Aven., San Jose, GA (US).

Усилитель мощности 32a представлял собой оптоволоконный усилитель, который является коммерческим продуктом и имеет следующие характеристики: входная мощность от -5 до +2 дБм; выходная мощность -13 дБм; рабочая длина волны 1530-1560 нм.

Этот усилитель мощности не имел узкополосного режекторного фильтра.

Использовалась модель TPA/E-12, имеющаяся у заявителя. Усилитель содержал активное оптоволокно типа C, легированное эрбием (Al/Ge/Er).

Предполагалось, что усилитель мощности работает в режиме насыщения, в котором выходная мощность напрямую зависит от мощности накачки, что подробно описано в патенте EP 439867, используемом в настоящей работе в качестве справочного материала.

После первого аттенюатора 31 на входе усилителя 32 суммарная оптическая мощность составляла примерно - 18 дБм.

В качествен аттенюаторов 31 использовались устройства компании JDS FITEL INC., 570 Heston Drive, Nepean (Ottawa), Ontario (CA) модели Va5. Каждый аттенюатор обеспечивал ослабление, соответствующее примерно 100 км оптоволокна.

Усилители 32, 32', 32'', 32''' были идентичны и каждый из них обеспечивал усиление около 30 дБ на обеих длинах волн ₂,₃ при общей выходной мощности +12 дБм.

Сигнал 27 с длиной волны = 1536 нм непосредственно модулировался при 2,5 гбит/с, генерировался ГГВ лазером, входящим в состав терминала SDH модели SIX-1/16, выпускаемого фирмой Филипс Нидерланд BV, 2500B, Гравенхейдж 6 (Нид), с приемником 33.

Сигнал 28 с длиной волны = 1556 нм есть непрерывный сигнал (СВЧ) и генерировался ОГВ лазером модели MG094813 с уровнем мощности 0 дБм, выпускаемым фирмой Аницу Корпоратиейшн, Минато-ку 5-10-27, Токио, Япония. Использовался интерференционный фильтр 34 модели TB4500, выпускаемый упоминавшейся выше фирмой JDS Фител, Инк.

Эксперимент 1.

В первом эксперименте использовались усилители на волокне A (Al/Ge/La/Er), схема которых показана на фиг. 1 и в которых отсутствует режекторный фильтр 10.

Эксперимент 2.

В этом эксперименте использовались усилители на волокне A (Al/Ge/La/Er), схема которых приведена на фиг. 2 и снабженные режекторным фильтром 10.

Коэффициент (частота) ошибок по битам в усилителе 33 измерялась при изменении средней принимаемой мощности сигнала с длиной волны ₁ (1536 нм).

Результаты экспериментов привед