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

Формула изобретения

1. Способ обеспечения управления отношением оптический сигнал/шум при приеме в заранее заданном диапазоне длин волн в оптической телекоммуникационной системе, содержащей оптический передатчик для передачи по меньшей мере двух сигналов различных длин волн, заключенных в указанном диапазоне длин волн, оптический приемник, оптоволоконную линию, соединяющую указанные передатчик и приемник для передачи указанных по меньшей мере двух сигналов, и по меньшей мере один оптический усилитель на активном оптоволокне, расположенный вдоль указанной линии, причем указанное активное оптоволокно имеет кривую эмиссии с зоной высокой эмиссии в диапазоне длин волн, включающем указанный заранее заданный диапазон длин волн, в пределах которого имеется спад эмиссии по сравнению со смежными зонами, отличающийся тем, что исключают или уменьшают указанный спад кривой эмиссии путем выбора и дозирования легирующих примесей в активном оптоволокне.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что заранее задаваемый участок длин волн выбирают между 1530 и 1560 нм.

3. Способ по п.2, отличающийся тем, что заранее задаваемый участок длин волн выбирают между 1525 и 1560 нм.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что отношение оптический сигнал/шум, составляющее более 15 дБ, измеряют фильтром с полосой 0,5 нм.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что система телекоммуникации содержит по меньшей мере два оптических усилителя на активном оптоволокне, расположенных последовательно вдоль указанной оптоволоконной линии.

6. Способ по п.1, отличающийся тем, что для оптоволокна выбирают основную флюоресцентную легирующую примесь и по меньшей мере одну дополнительную легирующую примесь, взаимодействующую с основной легирующей примесью в стеклянной решетке активного оптоволокна для уменьшения спада эмиссии до значения менее 1 дБ относительно величины эмиссии по меньшей мере в одной из смежных зон в упомянутом диапазоне.

7. Способ по п.6, отличающийся тем, что в качестве основной легирующей примеси выбирают эрбий в виде его оксида и по меньшей мере две дополнительные легирующие примеси, взаимодействующие с основной легирующей примесью в теле активного оптоволокна.

8. Способ по п.7, отличающийся тем, что в качестве основной легирующей примеси для оптоволокна выбирают эрбий, а в качестве дополнительных легирующих примесей - германий, алюминий и лантан в виде их оксидов, взаимодействующих с основной легирующей примесью в теле активного оптоволокна.

9. Способ оптической телекоммуникации, в котором генерируют по меньшей мере один оптический сигнал с заранее заданной длиной волны в диапазоне волн, подают этот сигнал в оптическое волокно оптической линии телекоммуникации, усиливают оптический сигнал по меньшей мере однажды по меньшей мере одним оптическим усилителем на активном оптоволокне и принимают упомянутый сигнал приемником, отличающийся тем, что активное оптоволокно по меньшей мере одного из оптических усилителей содержит основную флюоресцентную легирующую примесь и по меньшей мере одну дополнительную легирующую примесь, которая взаимодействует с основной легирующей примесью в стеклянной решетке активного оптоволокна, при этом оптический сигнал усиливают на заданной длине волны оптическим усилителем на активном оптоволокне, измеряют входную мощность, составляющую -20 дБм, причем усиление отличается менее чем на 1,6 дБ от соответствующего усиления сигнала на другой длине волны в упомянутом диапазоне при отсутствии фильтрующего средства.

10. Способ оптической телекоммуникации, в котором генерируют по меньшей мере один оптический сигнал на заданной длине волны в определенной полосе частот, подают этот сигнал в оптическое волокно оптической линии телекоммуникации, усиливают оптический сигнал по меньшей мере однажды по меньшей мере одним оптическим усилителем на активном оптоволокне, принимают сигнал приемником, отличающийся тем, что по меньшей мере один оптический усилитель на активном оптоволокне содержит активное оптоволокно на кремниевой основе, в тело которого вводят по меньшей мере одну основную флюоресцентную легирующую примесь и по меньшей мере одну дополнительную легирующую примесь, которые выбирают и дозируют так, что отношение оптический сигнал/шум в приемнике, измеренное фильтром с полосой 0,5 нм, имеет величину не менее 15 дБ для сигналов с длиной волны, входящей в упомянутый диапазон.

11. Способ по п. 10, отличающийся тем, что отношение оптический сигнал/шум в приемнике, измеренное фильтром с полосой 0,5 нм, имеет величину не менее 15 дБ в присутствии по меньшей мере двух сигналов с различными длинами волн, которые одновременно подают на усилитель, что относится к каждому из оптических сигналов.

12. Способ по п.9 или 10, отличающийся тем, что включает операции усиления оптического сигнала по меньшей мере дважды соответствующими оптическими усилителями на активных оптоволокнах, которые включают последовательно в оптоволоконную линию.

13. Способ по пп.9 и 10, отличающийся тем, что рабочий диапазон длин волн выбирают между 1530 и 1560 нм.

14. Способ по п.13, отличающийся тем, что рабочий диапазон длин волн выбирают между 1525 и 1560 нм.

15. Способ по п.9 или 10, отличающийся тем, что оптический усилитель на активном оптоволокне содержит эрбий в качестве основной легирующей примеси и по меньшей мере две дополнительные легирующие примеси, которые взаимодействуют с основной легирующей примесью.

16. Способ по п.15, отличающийся тем, что в качестве дополнительных легирующих примесей, которые взаимодействуют с основной легирующей примесью, выбирают алюминий, германий и лантан в виде их оксидов.

17. Система телекоммуникации, содержащая передающую станцию, генерирующую оптические сигналы в заданном диапазоне длин волн, приемную станцию, оптоволоконную соединительную линию между передающей и приемной станциями, по меньшей мере два оптических усилителя на активных оптических волокнах, включенных последовательно в линию связи и соединенных друг с другом для передачи оптических сигналов от передающей станции к приемной станции, отличающаяся тем, что по меньшей мере один из оптических усилителей содержит активное оптоволокно на основе кремния, в теле которого содержится по меньшей мере одна основная флюоресцентная легирующая примесь и по меньшей мере одна дополнительная легирующая примесь, причем усилители связаны друг с другом и выполнены с возможностью обеспечения на приемной станции отношения оптический сигнал/шум, измеряемого фильтром с полосой 0,5 нм и имеющего величину не менее 15 дБ для сигналов с длиной волны, входящей в рабочий диапазон.

18. Система по п. 17, отличающаяся тем, что отношение оптический сигнал/шум на приемной станции, измеренное фильтром с полосой 0,5 нм, имеет величину не менее 15 дБ в присутствии по меньшей мере двух сигналов с различными длинами волн, входящими в рабочий диапазон, одновременно подаваемыми на усилитель, для каждого из сигналов.

19. Система по п.17, отличающаяся тем, что основной легирующей примесью является эрбий в виде его оксида.

20. Система по п.17, отличающаяся тем, что дополнительными легирующими примесями являются алюминий, германий и лантан в виде их оксидов.

21. Система по п.17, отличающаяся тем, что заданный диапазон передачи выбран между 1530 и 1560 нм.

22. Система по п.17, отличающаяся тем, что по меньшей мере три оптических усилителя включены последовательно в соединительную линию.

23. Система по п.22, отличающаяся тем, что по меньшей мере один из последовательно включенных усилителей имеет активное оптоволокно, в которое в качестве легирующих примесей введены алюминий, германий, лантан и эрбий в виде их оксидов.

24. Оптический усилитель на активном оптоволокне, содержащий по меньшей мере один отрезок активного волокна на основе кремния, средство накачки для активного оптоволокна, выполненное с возможностью ввода оптической энергии и накачки на длине волны накачки, соединительное средство для оптической мощности накачки в активном оптоволокне и один или более сигналов передачи с длинами волн передачи, входящими в диапазон передачи, отличающийся тем, что активное оптоволокно содержит по меньшей мере одну основную флюоресцентную легирующую добавку и по меньшей мере одну дополнительную легирующую добавку, связанные функциональным соотношением друг с другом до такой степени, что различия в усилении двух сигналов, имеющих различные длины волн передачи в пределах упомянутого диапазона, измеренные при входной мощности -20 дБм, составляют менее 2,5 дБ при отсутствии фильтрующего средства, связанного с активным оптоволокном.

25. Оптический усилитель по п.24, отличающийся тем, что в качестве основной флюоресцентной легирующей примеси выбран эрбий в виде его оксида.

26. Оптический усилитель по п.25, отличающийся тем, что в качестве дополнительных легирующих примесей выбраны алюминий, германий и лантан в виде их оксидов.

27. Оптический усилитель по п.24, отличающийся тем, что имеет кривую эмиссии без спадов в заданном диапазоне длин волн, которые превышали бы 1 дБ относительно величины эмиссии по меньшей мере в одной из смежных зон в данном диапазоне.

28. Оптический усилитель по п.27, отличающийся тем, что кривая эмиссии имеет спады величиной не более 0,5 дБ относительно величины эмиссии по меньшей мере в одной из смежных зон данного диапазона.

29. Оптический усилитель по п.24, отличающийся тем, что заданный диапазон длин волн передачи выбран между 1530 и 1560 нм, предпочтительнее между 1525 и 1560 нм.

30. Оптический усилитель по п.24, отличающийся тем, что активное оптоволокно имеет числовую апертуру более 0,15.

31. Оптический усилитель по п.24, отличающийся тем, что содержит два активных оптоволокна на основе кремния, снабженных соответствующими средствами накачки, по меньшей мере одно из которых содержит по меньшей мере одну из основных флюоресцентных легирующих примесей и по меньшей мере одну из дополнительных легирующих примесей, функционально связанных друг с другом до такой степени, что различия в максимальном усилении между двумя сигналами с разными длинами волн передачи, измеренные при входной мощности -20 дБм, не превышают 2,5 дБ при отсутствии средства фильтрации, связанного с активным оптоволокном.

32. Активное оптоволокно, в частности, для оптических усилителей телекоммуникации, отличающееся тем, что имеет числовую апертуру более 0,15 и содержит по меньшей мере одну основную флюоресцентную легирующую примесь и по меньшей мере одну дополнительную легирующую примесь, функционально связанные друг с другом, при этом кривая эмиссии волокна в заранее заданном диапазоне длин волн при наличии накачки световой энергией, подаваемой в волокно, не имеет спадов величиной более 1 дБ относительно величины эмиссии по меньшей мере в одной из соседних зон данного диапазона.

33. Активное оптоволокно по п.32, отличающееся тем, что кривая эмиссии имеет спады величиной не более 0,5 дБ относительно величины эмиссии по меньшей мере в одной из смежных зон данного диапазона.

34. Активное оптоволокно по п.32, отличающееся тем, что в качестве основной флюоресцентной легирующей примеси выбран эрбий в виде его оксида.

35. Активное оптоволокно по п.34, отличающееся тем, что в качестве дополнительных легирующих примесей выбраны алюминий, германий и лантан в виде их оксидов.

36. Активное оптоволокно по п.34, отличающееся тем, что содержание лантана в теле волокна в виде его оксида составляет более 0,1% на 1 моль.

37. Активное оптоволокно по п.35, отличающееся тем, что содержание лантана в виде его оксида в теле волокна равно или более 0,2% на 1 моль.

38. Активное оптоволокно по п.34, отличающееся тем, что содержание германия в теле волокна в виде его оксида составляет 5% на 1 моль.

39. Активное оптоволокно по п.38, отличающееся тем, что молярное отношение содержания лантана к содержанию германия в виде их оксидов в теле волокна составляет 10 - 100.

40. Активное оптоволокно по п.38, отличающееся тем, что молярное отношение содержания лантана к содержанию германия в виде их оксидов в теле волокна составляет около 50.

41. Активное оптоволокно по п.34, отличающееся тем, что содержание алюминия в виде его оксида в теле волокна составляет более 1% на 1 моль.

42. Активное оптоволокно по п.41, отличающееся тем, что содержание алюминия в виде его оксида в теле волокна составляет более 2% на 1 моль.

43. Активное оптоволокно по п.34, отличающееся тем, что содержание эрбия в виде его оксида в теле волокна составляет 20 - 5000 ppm на 1 моль.

44. Активное оптоволокно по п.43, отличающееся тем, что содержание эрбия в виде его оксида в теле волокна составляет 100 - 1000 ppm на 1 моль.

45. Активное оптоволокно по п.34, отличающееся тем, что волокно имеет числовую апертуру более 0,18.

Описание изобретения к патенту

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 приведены на графике фиг. 9, где кривая 35 относится к эксперименту 1, а кривая 36 - к эксперименту 2.

Как показано на графике фиг. 9, усиление одиночного усилителя на волокне A (Al/Ge/La/Er), снабженного режекторным фильтром, оказывается таким же и даже более равномерным, как и усилителя на волокне A без режекторного фильтра 10 и с каскадным включением, при этом сигнал с длиной волны 1536 нм имеет значительно более высокий коэффициент ошибок по битам при равной принимаемой мощности.

Эксперимент 3.

Вторая экспериментальная схема представлена на фиг. 10. Здесь четыре тест-сигнала 37, 38, 39, 40 с длинами волн = 1536 нм, = 1556 нм, = 1550 нм и = 1544 нм подаются на волокно 41 через волновой мультиплексор 42.

Уровень сигнала на входе регулируется предэквалайзером (корректором) 43. С усилителя мощности 44 сигналы подаются в тракт, содержащий четыре линейных усилителя 45, 45", 45"", 45""", между которыми включены аттенюаторы 46 для имитации длин оптического волокна.

Приемное устройство содержит предусилитель 47, оптический демультиплексор 48 и собственно приемник 49.

Сигналы генерируются соответственно ПГВ лазером (с распределенной обратной связью) с длиной волны 1536 нм, который модулируется непосредственно при 2,5 Гбит/сек, входящим в состав терминала, представляющего собой приемник 49; DFB лазером с длиной волны 1556 нм с непрерывной эмиссией, выпускаемым фирмой АНИЦУ; DFB лазером с длиной волны 1550 нм и непрерывной эмиссией, также выпускаемого фирмой АНИЦУ; ECL лазером (с эмиттерными связями) с изменяемой длиной волны, заранее установленным на волну 1544 нм, с непрерывной эмиссией, модели HP81678A, выпускаемой фирмой Хьюлетт Паккард, Реквел (США).

Предэквалайзер 43 состоит из четырех аттенюаторов, выпускаемых фирмой JDS, в которых ослабление устанавливается в зависимости от оптической мощности в соответствующем канале.

Мультиплексор 42 выполнен на разветвителе 1х4, выпускаемом упомянутой выше фирмой Е-ТЕК ДАЙНЭИМИКС.

Усилитель мощности представляет собой модель TPA/E-13, имеется в продаже и поставляется упомянутыми выше поставщиками.

Усилители 45, 45", 45"", 45""" идентичны друг другу и каждый обладает усилением около 30 дБ при общей выходной мощности +12 дБм.

Схема усилителей приведена на фиг. 1; они построены на волокне A (Al/Ge/La/Er).

Каждый из аттенюаторов 46 обеспечивает ослабление 30 дБ, что соответствует длине оптоволокна 100 км.

Здесь используются оптические аттенюаторы модели VA5, выпускаемые упоминавшейся выше фирмой JDS FITEL.

В качестве предусилителя использован имеющийся в продаже предусилитель, имеющий следующие характеристики: усиление - 22 дБ; шум-фактор - 4,5 дБ; выходная мощность - от -26 до -11 дБ; рабочая длина волны - 1530-1560 нм.

Здесь использована модель RPA/E-F, свободно продаваемая Поставщиком и построенная на активном оптоволокне C (Al/Ge/Er).

Предусилитель предназначается для приема сигналов с очень низким уровнем (например, -50 дБ) и усиления их до уровня мощности (до подачи на приемное устройство), обеспечивающего необходимую амплитудно-частотную характеристику.

Оптический демультиплексор 48 представляет собой перестраиваемый фильтр Фабри-Перо, имеющий полосу пропускания 0,8 нм по уровню -3 дБ, включенный в состав предусилителя 47.

При проведении эксперимента фильтр Фабри-Перо был настроен на длину волны = 1536 нм (называемую критической длиной волны) по пилот-сигнальному тону, который генерируется передатчиком 37.

Приемник 49 представляет собой оконечное SDH устройство модели SIX-1/16, продаваемое фирмой Филипс Нидерланд BV, 2500B, Гравенхейдж (Нид.).

На фиг. от 11 до 15 показано поведение сигналов в последовательных каскадах, в частности на входах усилителей 45, 45", 45"" и 45""" соответственно, а также на входе предусилителя 47.

Предэквалайзер 43 выполняет максимальную начальную предварительную коррекцию около 7 дБ между различными каналами, как показано на фиг. 11, такое предварительное выравнивание направлено на компенсацию эффектов насыщения на малых длинах волн, имеющих место в каскадных усилителях.

Такая коррекция выполнялась таким образом, чтобы было обеспечено выравнивание оптического отношения сигнал/шум на выходе предусилителя 47.

В последовательных каскадах усиления можно наблюдать снижение уровня кривой усиления в диапазоне малых длин волн вследствие упомянутого выше эффекта насыщения, тогда как оптическое отношение сигнал/шум в каждом из каналов остается высоким (С/Ш15 дБ при = 0,5 нм) до выхода предусилителя 47.

При эксперименте, проведенном с использованием усилителей по схеме фиг. 2, имеющих активное волокно типа C и режекторный фильтр, было обнаружено значительное снижение мощности сигнала на волнах 1536 и 1544 нм, а также сильный разбаланс оптических отношений сигнал/шум между различными каналами, что видно из графика фиг. 16, где показаны мощности сигналов в различных каналах на входе предусилителя; еще более значительное ухудшение обнаружено в канале с длиной волны = 1540 нм.

В этом случае предварительная коррекция позволила бы сократить разбаланс между каналами (усиление некоторых из которых по отношению к другим оказалось весьма сильно сниженным, в частности тех, что работают на волнах 1535 и 1540 нм); однако при выполнении такой коррекции не во всех случаях можно добиться приемлемого отношения сигнал/шум для всех сигналов в рабочем диапазоне длин волн. Так, для обеспечения возможности такой коррекции каналов пришлось бы задавать весьма высокое начальное ослабление в большинстве наиболее важных каналов (с = 1550 и 1556 нм), что привело бы к весьма низким значениям отношения сигнал/шум (порядка 8-10 дБ), что сделает невозможным качественный прием самих сигналов.

Более высокие результаты достигаются при использовании усилителей с режекторным фильтром и оптоволокном Al/Ge/Er, причиной чего считают тот факт, что волокно A имеет кривую эмиссии, практически свободную от спадов или местных минимумов значительной величины, и в частности от минимума в диапазоне длин волн, близком к пику эмиссии на волне 1535-1540 нм.

Фактически считается, что когда несколько сигналов с различными длинами волн одновременно подаются в оптоволокно, наличие спадов или местного минимума в кривой эмиссии (явно присутствующие в спектре в противоположность другим волокнам, с которыми производится сравнение) вызывает пониженное усиление сигналов, соответствующих таким спадам, по сравнению с сигналами в соседних диапазонах.

В соответствии с приведенными выше рассуждениями повышенное усиление сигнала на длинах волн соседних диапазонов отбирает энергию накачки к самому сигналу, который насыщается при низком выходном значении (т.е. этот уровень после усиления уже больше не зависит от его входного значения, а зависит только от мощности накачки, присутствующей в волокне, что приводит к приращениям разности уровней различных сигналов).

В случае использования каскадных усилителей и широкополосного режима передачи такой эффект приращения имеет место в каждом каскаде и считают, что служит причиной появляющихся неравномерностей в АЧХ, которые не могут быть скомпенсированы путем предварительной коррекции или другими методами, упоминавшимися выше.

Было отмечено, что вышеупомянутый эффект имеет место для сигналов на спадах кривой эмиссии вследствие конкуренции усиления сигналов на длинах волн, смежных с волнами на спаде, тогда как он (эффект) отсутствует в отношении сигналов с длинами волн, лежащих на границах полезного диапазона (по меньшей мере, до известной степени), хотя на таких длинах волн величина эмиссии может быть абсолютно такой же или ниже, чем величина упомянутого спада.

В соответствии с настоящим изобретением введение в Al/Ge/Er волокно позволило в неожиданной степени снизить такой местный минимум эмиссии, хотя этого и нельзя было предсказать на основании имевшихся данных о волокнах Al/La/Er и Al/Ge/Er.

На самом деле как Al/La/Er, так и Al/Ge/Er волокно имеют значительный спад эмиссии в области волн 1535-1540 нм, и потому на основании сведений о параметрах таких известных волокон должен был бы быть исключен вывод о возможности полезных моментов в поведении волокна Al/Ge/La/Er, но в то же время такое волокно способно было бы обеспечить мультиплексную передачу с усилением сигнала на определенной длине волны.

Однако неожиданно в соответствии с другим и еще более важным аспектом было выявлено, что при наличии пика внутри зоны с высокой эмиссией наличие упомянутого спада вблизи такого пика или в любом случае при функциональном соотношении (отрицательном) со смежными зонами служило причиной недостаточно высокого значения отношения cигнал/шум для сигналов, относящихся к этому спаду, и того, что активное волокно обнаруживает присущую ему способность устранения или уменьшения такого спада, это помогает решить проблему обеспечения широкополосной передачи при наличии одного или нескольких усилителей.

Поэтому в соответствии с настоящим изобретением было выявлено, что активное волокно, допанты которого обеспечивают кривую эмиссии с относительно высокими показателями в полосе частот, в основном свободную от местных спадов в пределах такой полосы частот при функциональной связи с остальными областями упомянутой полосы (что было бы причиной возникновения значительной разницы сигналов связи на различных длинах волн в пределах упомянутой полосы длин волн, мультиплексируемых в самом волокне), дает возможность образования усилителей, особенно пригодных для использования в линии связи, содержащей по меньшей мере два последовательно соединенных оптических усилителя с частотным разделением мультиплексируемых сигналов, что обеспечивает высокие эксплуатационные показатели.

В соответствии с другим аспектом настоящего изобретения было выявлено, что управление отношением сигнал/шум в рассматриваемых здесь системах передачи может осуществляться не только путем использования фильтров или допущения суженной полосы частот сигналов передачи (что позволяет избежать включения нежелательных зон длин волн), но и путем выбора допанта и его дозировки в теле активного оптоволокна усилителя, благодаря чему кривая эмиссии может быть сосредоточена в достаточно широкой полосе (т.е. расширена до 1526-1560 нм или по крайней мере до 1530-1560 нм), не создавая подъема усиления сигнала до нежелательного уровня в одной или более конкретных зонах кривой эмиссии, хотя при этом имеет место пик эмиссии в упомянутой полосе.

В функциональном отношении принято считать, что, как уже разъяснялось выше, наличие повышенной эмиссии в зонах, смежных с участком спада, и в особенности при пике эмиссии, а также наличие сигнала в этих смежных зонах вызывают ухудшение усиления сигнала на длинах волн, соответствующих такому спаду.

В отношении эмиссионной (или спектральной) кривой, имеющей относительно высокие значения, считают, что в данной полосе оптоволокно обладает эмиссией, величина которой превышает эмиссию вне такой полосы, обеспечивающей усиление сигнала в упомянутой полосе; в виде показателя такая зона определяется как зона, заключенная между двумя граничными величинами, при которых эмиссия на 3 дБ ниже, чем на длине волны, заключенной в этом интервале или полосе (предпочтительно в практически постоянной зоне интервала). Фактически такая полоса соответствует области, в которой может быть получено полезное усиление.

В отношении пика эмиссии считают его величиной эмиссии в диапазоне длин волн, которая значительно выше, чем в зонах спектра вне этого диапазона, в результате чего имеет место различный характер сигналов, подаваемых в оптоволокно при длинах волн как внутри, так и вне этого диапазона.

Что касается различия в усилениях, то считается, что имеет значение различия более чем в 2 дБ между сигналами на наиболее важных и менее важных длинах волн в указанной полосе (при входной мощности, равное или менее - 20 дБм).

Относительно местных спадов кривой эмиссии считают, что имеет значение диапазон длин волн внутри указанной полосы частот, в котором наблюдается вторичный минимум эмиссии, величина которого меньше, чем значение эмиссии на любой из границ упомянутого диапазона, и значение, которое меньше на заданную величину, чем максимальные значения эмиссии в непрерывных диапазонах длин волн (в частности, как главный пик эмиссии эрбия на длинах волн ниже спада, так и вторичный пик на более высоких длинах волн), согласно настоящему изобретению считается также, что заданная величина спада, которая больше 0,5 дБ, в частности больше 1 дБ, приводит к заметным эффектам.

Было также выявлено, что в линейном усилителе, используемом в системе, снабженной несколькими каскадными усилителями, использование режекторного фильтра, который способен снижать интенсивность главного пика эмиссии путем образования в большой степени плоской кривой усиления отдельных усилителей, не дает возможности избежать описанного выше эффекта.

Фактически режекторный фильтр в схеме, включающей несколько каскадных усилителей, представляет собой аттенюаторный элемент, работающий в зоне рабочей полосы, лежащей ниже центра, и эффект, создаваемый им, неизбежно расширяется в сторону зоны спада кривой эмиссии; такой эффект ослабления возникает в дополнение к описанному выше эффекту насыщения и вызывает дальнейшее ухудшение параметров сигнала в зоне спада или местного минимума.

Использование эквивалентного фильтру средства, способного ослаблять или как-либо иначе ограничивать эмиссию главного пика, таких как описанные в патенте EP 426222, не приводит к значительным различиям в эксплуатационных характеристиках.

Наконец, в соответствии с настоящим изобретением следует содержание лантана в теле оптоволокна в предпочтительном количестве более 0,1% на моль и содержание германия в количестве более 5% на моль, а также соотношение Ge/La предпочтительно поддерживать на уровне 50 (но в любом случае в пределах от 10 до 2100).

Наличие лантана в волокне позволяет увеличить содержание в нем германия и алюминия, в результате чего достигается большая числовая апертура (более 0,18 и предпочтительно не менее 0,2), что приводит к важному преимуществу с точки зрения эффективности усиления и более равномерной амплитудно-частотной характеристики в рабочей полосе.

Кроме того, наличие лантана позволяет увеличить содержание в волокне эрбия без увеличения эффекта вкраплений, содержание эрбия может достигать от 20 до 5000 ppm и даже более, но предпочтительно от 100 до 1000 ppm.

При подробном рассмотрении в отношении использования линейных усилителей оптоволокна в соответствии с настоящим изобретением могут обычно использоваться также и в предусилителе, т.е. в усилителе, рассчитанном на прием сигнала весьма малой интенсивности (например, -50 дБм) и усиления его перед подачей его на приемное устройство.

Кроме этого, следует отметить, что хотя здесь описывались двухкаскадные усилители с использованием двух последовательных и отдельно накачиваемых частей активного волокна, в соответствии с настоящим изобретением в нем могут также работать и однокаскадные усилители, например, соответствующие схемам, приведенным в упоминавшихся патентах EP 426222 и EP 439867, а также усилители, отличающиеся друг от друга по своему типу, например однокаскадные и двухкаскадные усилители могут использоваться совместно в одной и той же схеме. Кроме этого, при наличии специальных требований в двухкаскадных усилителях один из них может быть выполнен на оптоволокне по настоящему изобретению.

С другой стороны, специалист в данной области техники, принимая во внимание приведенные выше соображения, сможет определить конкретные рабочие условия и конкретные содержания допанта, соответствующие предполагаемому применению для достижения требуемых характеристик.

При использовании настоящего изобретения специалист, работающий с волокнами, содержащими основной допант (предпочтительно эрбий, где это касается средств телекоммуникации), который флюоресцирует в требуемом диапазоне длин волн, сможет в комбинации со вторичными допантами, взаимодействующими между собой, определить конкретные допанты и их дозировки для получения требуемой формы кривой эмиссии оптоволокна и соответствующих рабочих характеристик усилителей и усилительных систем (лазеров, оптических гороскопов и т.п.), а также получения необходимого отношения сигнал/шум в рабочей полосе частот.

Для конкретной области техники, которая представляет интерес для Заявителя, он ограничился исследованиями случая использования эрбия в качестве основного допанта и германия, алюминия и лантана, вводимых в волокно в виде их оксидов, в качестве вторичных допантов, поскольку результаты таких исследований были достаточными для решения технических проблем.

Сведения, содержащиеся в настоящем описании изобретения, могут быть использованы лицами средней квалификации для решения интересующих их проблем, которые могут быть аналогичны или отличаться от описанных выше, при условии, что они имеют те же технические основы, путем при этом исследования различных допантов или их конкретных дозировок, пользуясь результатами описанных здесь экспериментов, а также функциональными соотношениями между результатами и используемыми средствами.

Специалистам в данной области техники не рекомендуется окончательно отказываться от отдельных допантов или комбинаций их, если, будучи исследованы по отдельности, они дают неудовлетворительные результаты в системах, их содержащих, с точки зрения отношения сигнал/шум, поскольку некоторые их комбинации могут привести к более высоким показателям, что видно на примере настоящего изобретения.