Малошумний волоконно-оптичний підсилювач

Малошумний волоконно-оптичний підсилювач, що містить рознімний оптичний з'єднувач, пристрій об'єднання, вентиль оптичний, лазер на Корисна модель відноситься до квантової електронної техніки. Може бути використана в техніці оптичного зв'язку як пост-підсилювачі (бустерні) для збільшення вихідної оптичної потужності сигналів, проміжних лінійних підсилювачів у волоконно-оптичних лініях зв'язку великої довжини та як попередні оптичні підсилювачі, що включаються перед фотоприймальними пристроями з метою збільшення чутливості приймальних пристроїв, коли до них ставляться особливо жорсткі вимоги за рівнем шумів чи співвідношенням сигнал/шум. Класичний квантовий принцип роботи волоконно-оптичних підсилювачів (ВОП), їх накачування й утворення спонтанних шумів у них докладно описані в багатьох джерелах, наприклад [1]. Схема волоконно-оптичного підсилювача, що пояснює його роботу, подана на Фіг.1, де введені наступні позначення: 1 - рознімний оптичний з'єднувач; 2 пристрій об'єднання (спрямований відгалужувач зі спектральними властивостями чи просторово розділовий фільтр); 3 - лазер накачування; 4 - вентиль (ізолятор) оптичний; 5 - активне оптичне волокно (АОВ), як правило одномодове, серцевина якого легована рідкоземельними хімічними елементами (ербієм, тулієм, ітербиєм), атоми яких збуджуються випромінюванням лазера накачування, що поширюється в основному усередині серцевини активного оптичного волокна, довжиною хвилі 1480 або 980 нанометрів. Подаваний на вхід волоконно-оптичного підсилювача інформаційний сигнал спектром 1530...1565 нанометрів і більш, поширюється також уздовж активного оптичного качування, активне оптичне волокно, який відрізняється тим, що активне оптичне волокно укладене на плоскі диски в канавки (борозенки), радіус кривизни більший від мінімально припустимого на злам оптичного волокна, ширина і глибина яких з урахуванням температурних змін навколишнього середовища більша від діаметра активного оптичного волокна з захисним його покриттям, а сумарна довжина канавок дорівнює або більша від довжини активного оптичного волокна. волокна, стимулює емісію квантів збуджених атомів, підсилюється, поглинаючи їхню енергію. Активний оптичний підсилювач, довжиною кілька десятків метрів, звичайно згинається й укладається круглою бухтою усередині корпуса самого оптичного підсилювача. Зазначене найбільш близьке по суті технічне рішення, прийняте за прототип, має великий рівень шумів, які є результатом електродинамічних особливостей поширення хвиль у їхніх вигнутих активних оптичних волокнах. Авторами пропонованого рішення доведено, що при укладанні одномодових оптичних волокон (ОВ) на деякий круговий циліндр по спіральних лініях, зокрема по дузі кола, у них спостерігаються метрична і діелектрична анізотропії [2], які виявляються в двопроменезаломленні [3], різних фазових швидкостях поширення основних незвичайної HEfi і звичайної Н Е ^ хвиль із взаємноортогональними поляризаціями [4]. Крім того, завдяки зазначеній анізотропії, у спіральних одномодових оптичних волокнах (СОМОВ) спостерігається невзаємне перетікання потужностей у площині поперечного перерізу між зазначеними хвилями [5]. Ці потоки потужностей невзаємного зв'язку між зазначеними хвилями визначаються координатами поперечного перерізу оптичного волокна, кроку р і радіуса R вигнутої по спіралі осі оптичного волокна. Саме ці потоки потужностей невзаємного зв'язку зазначених хвиль породжують основні шуми у волоконнооптичному підсилювачі шляхом емісії квантів збу со CM со со 6342 джених атомів рідкоземельних хімічних елементів (ербія, тулія, ітербія тощо), які легують серцевину активного оптичного волокна. Особливості невзаємних впливів між зазначеними хвилями в залежності від співвідношення 0 : p/4rcR: « досліджені в роботах [6, 7], де, зокрема, показано, що у вигнутому по дузі кола OB (p/4^R = 0) невзаємні впливи між зазначеними хвилями цілком відсутні, тобто в поперечному перерізі такого спірального одномодового оптичного волокна немає поперечних потоків потужностей між розглянутими взаємоортогональними хвилями, отже, немає стимульованої ними емісії квантів збуджених атомів. При цьому будуть мінімальними шуми на виході волоконно-оптичного підсилювача. Разом з тим, при невеликих змінах співвідношення р/4л в межах 0 : p/47iR; 0,05 відносні потужності невзаємних впливів швидко зростають від -оо до -20дБм відповідно. Це супроводжується збільшенням потужності шумів на виході волоконно-оптичного підсилювача до -(22...18)дБм [1, стор.93]внаслідок стимульованої емісії квантів збуджених атомів. Відомі публікації з описами і фотографіями укладання активного волокна у волоконнооптичному підсилювачі в круглі бухти, у яких розкид значень радіусів активного оптичного волокна складає R = 12,9...26,4мм, а кроків активного оптичного волокна в бухті - р = 0...13,5мм [8]. Цей розкид забезпечує зміни співвідношення 0 : p/4n;R: 0,05, і отже, вищенаведені значення шумів на виході волоконно-оптичного підсилювача. Поставлена задача зменшення рівня шумів на виході волоконно-оптичного підсилювача. Пропонований малошумний оптичний підсилювач містить ті ж самі елементи, що і прототип, а саме: рознімний оптичний з'єднувач, пристрій об'єднання, вентиль (ізолятор) оптичний, лазер накачування, активне оптичне волокно (див. Фіг.1). Технічним рішенням даної задачі є укладання активного оптичного волокна в канавки (борозенки) на плоских дисках по спіралях Архімеда, праобразом яких може бути грамофонні диски з отвором радіуса г0 у центрі. Укладання активного оптичного волокна на диску може бути як одностороннє, так і двостороннє, праве з однієї сторони і ліве - з іншої або навпаки, що несуттєво. Укладання активного оптичного волокна варто починати з зовнішнього радіуса диска, а перехід на іншу сторону диска здійснювати при малих внутрішніх радіусах (див. Фіг.2, виконану схематично): а) - вид укладання активного оптичного волокна по спіралі Архімеда в плані; б) - вид А переходу активного оптичного волокна на іншу сторону диска з ребра, де 1 - диск із канавками з двох сторін; 2 - активне оптичне волокно, покладене в канавки з верхньої сторони диска; 3 - місце переходу активного оптичного волокна з верхньої сторони на нижню сторону; 4 - активне оптичне волокно, покладене в канавки з нижньої сторони диска; 5 - початок активного оптичного волокна; 6 - кінець активного оптичного волокна. 4 Глибина і ширина канавок В з урахуванням температурних змін повинні бути трохи більше діаметра волокна (2в « 120-130мкм із захисним покриттям товщиною 2Л = 20мкм і більш із запасом) і складати В « 1 мм. Довжина спіральної канавки, чи активного оптичного волокна, L може бути визначена як сума довжин М витків, покладених на диску. Довжина окремого і-го витка активного оптичного волокна приблизно дорівнює €, = 2 г,,. Тоді вся необхідна довжина активного оптичного волокна визначається у виді: І_ = 2 (го+Гі+г2+...+гм), де г0 - мінімальний радіус витка активного оптичного волокна на диску, а різниця радіусів сусідніх витків г,+і-Гі = В; радіус довільного витка Гм = го+В(М-1). Сума членів у дужках, що представляють арифметичну прогресію, дорівнює М(го+гм)/2. Звідси випливає, що І_= М[2го+В(М-1)]. (1) З іншого боку, довжина L активного оптичного волокна визначається необхідною величиною підсилення на виході волоконно-оптичного підсилювача, тобто ступенем легування матеріалу активного оптичного волокна ербієм і потужністю накачування. Невідомими конструктивними параметрами, таким чином, є число витків спіралі Архімеда М і мінімальний радіус витка г0, який повинен бути більше мінімально припустимого по розуміннях міцності оптичного волокна на злам (го>3,41 Зв [9]). Тоді квадратне рівняння (1) відносно М подається у виді: М 2 В+(2 г 0 - В)М-І_=О, позитивний корінь якого дорівнює ь м -(2яг о -яВ) + - л;В)2 + 4LKB 2тсВ Наведемо деякі розрахунки. Звичайно довжина L = 20м. Тоді при г0 = 5мм одержимо: М « 146 витків, що, якщо укласти на диску з однієї сторони в один шар, утворять зовнішній радіус диска, який дорівнює Ri = Го+МВ ~ 151мм. Доцільно використовувати двостороннє, праве і ліве укладання довжин L/2 по М 2 = 52 витки активного оптичного волокна на кожній зі сторін диска зовнішнього радіуса R2 ~ 57мм. Якщо використовувати два диски з двостороннім укладанням по 5м активного оптичного волокна і по 36 витків на кожній зі сторін, то зовнішній радіус дисків зменшується до R4 = 40,6мм. Укладання активного оптичного волокна на диску визначають поляризацію звичайної хвилі, що поширюється, НЕ?і, перпендикулярну площини диска. Тому плавні локальні вигини активного оптичного волокна в площині перпендикулярній тонким дискам, зв'язані з необхідністю переходу волокна на іншу його сторону, не критичні, тобто не викликають додаткового зв'язку взаємноортогональних хвиль, і отже, шумів. Тому можна збільшувати число дисків, зменшуючи їхній зовнішній радіус і збільшуючи внутрішній радіус г0. З урахуванням конструктивних неоднорідностей, що практично завжди існують, збільшення г0 призводить до 6342 зменшення обміну потужностями між розглянутиВикористана література. ми хвилями в активному оптичному волокні [6, 7], 1. Убайдуллаев P.P. Волоконно-оптические що дуже істотно для мінімізації шумів у ньому. сети. - М.: Радио и связь, 1998. - 267с. 2. Макаров Т.В. Анизотропия изогнутых волоНаприклад, якщо вибрати г0 = 10мм, то для уклаконных световодов. // Труды УНИИРТ. - Одесса. дання 20м активного оптичного волокна буде по№1, 1995, с.103-106. трібно: 3. Макаров Т.В. Лучепреломления изогнутых и - при односторонньому укладанні 71 виток на скрученных волоконных световодах. // Труды один диск із зовнішнім радіусом Ri ~ 81мм; УНИИРТ. - Одесса. №2, 1995, с.93-96. - при двосторонньому укладанні по 48 витків 4. Макаров Т.В. Метод определения волн в на кожній стороні одного диска і зовнішнім радіуизогнутых световодах. // Труды УНИИРТ. -Одесса. сом R2 ~ 58мм; №1 (5), 1996, с.82-91. - при двосторонньому укладанні по 31,5 витків 5. Макаров Т.В. Потоки мощностей сигналов в на кожній з сторін двох дисків радіусами по FU ~ спиральных одномодовых волоконных светово41,5мм кожний. дах. // Труды УНИИРТ. - Одесса. №2 (30), 2003, При цьому диски можна насаджувати на єдину с.39-44. вісь. 6. 7. Макаров Т.В. Невзаимные влияния волн и Важливо, щоб при укладанні активного оптичсигналов в спиральных одномодовых волоконных ного волокна в канавки на диски, воно не здобувасветоводах. Части 1,2.// Труды УНИИРТ. - Одесса ло додаткового неконтрольованого крутіння, тому (в печати). що крутіння матеріалу волокна призводить до пе8. Zyskind. J.L., Giles C.R., Simpson J.R., Digioретікання потужностей між взаємноортогональниvanni D.J. Erbium - doped fibre amplifier technology. ми хвилями [6, 7] і, отже, до зростання стимульо// Trends in Telecommunications, vol.8, №3, 1993, ваних цим шумів на виході волоконно-оптичного pp.37-42. підсилювача. Двостороннє укладання активного 9. Макаров Т.В. Динамика и структура изломов оптичного волокна на диск краще, тому що ненаволоконных световодов. // Электросвязь. - М. №9, вмисне, наприклад, праве крутіння волокна на 1995, с. 1-5. одній стороні диска компенсується ненавмисним лівим його крутінням на іншій стороні диска. Вихід ФІГ. 1 6342 І Фіг. 2 Комп'ютерна верстка А. Рябко Підписне Тираж 28 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП "Український інститут промислової власності", вул. Глазунова, 1, м. Київ - 4 2 , 01601