PT96736B

PT96736B - Amplificador optico com uma fibra activa curva mono-modal

Info

Publication number: PT96736B
Application number: PT96736A
Authority: PT
Inventors: Giorgio Grasso; Aldo Righetti
Original assignee: Pirelli Cavi E Sistemi Spa
Priority date: 1990-02-12
Filing date: 1991-02-11
Publication date: 2001-08-30
Also published as: EP0442553A1; KR0178393B1; IE67357B1; HK2596A; IT9019341A1; NO302326B1; HU216235B; KR910015871A; FI910649A; ES2072523T3; NO910530L; HUT60398A; FI910649A0; ATE119690T1; HU910420D0; AU7081891A; PL164373B1; AU642698B2; CZ280356B6; JPH04298724A

Description

DESCRIÇÃO

DA

PATENTE DE INVENÇÃO

96.736 C

REQUERENTE: SOCIETÀ CAVI PIRELLI S.p.A.

EPÍGRAFE: AMPLIFICADOR ÓPTICO COM UMA FIBRA ACTIVA CURVA M3NO-MODAL

INVENTORES: Giogio GRASSO e Aldo RIGHEITI, ambos residentes em Itália

Reivindicação do direito de prioridade ao abrigo do artigo 4.° da Convenção de Paris de 20 de Março de 1883.

Itália, 12/02/90 ; Nr. 19341 A/90

INPI. MOO. 113 RF 10732

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Ref: MM/91001/NV/PT

RESUMO

AMPLIFICADOR 0PTICO COM UMA FIBRA ACTIVA CURVA MONO-MODAL

Descreve-se um amplificador óptico, especialmente para linhas de telecomunicações de fibra óptica, compre endendo uma fibra activa (7) que contém um dopante fluorescente no respectivo núcleo óptico, com uma emissão no compri mento de onda do sinal de transmissão a ser amplificado, fibra óptica essa em que é introduzido um sinal de bombagem luminoso, em que a fibra óptica activa (7) é uma fibra que numa configuração substancialmente rectilinea permite a propagação da luz mono-modal no comprimento de onda de transmissai e a propagação da luz multi-modal no comprimento de onda de bombagem, e está disposta, pelo menos ao longo de 70% da sua extensão numa configuração curva (11), com um raio de curvatura correspondente á propagação no interior da própria fibra apenas do modo fundamental no comprimento de onda de bombagem reduzindo assim o diâmetro do modo no comprimento de onda de transmissão sem, no entanto, transmitir modos mais elevados para o sinal de bombagem.

Fio. 1

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Mod. 71 20.000 eu. · 90/08 presente invento refere-se a um amplificador óptico, em particular para linhas de telecomunicações, que use uma fibra activa mono-modal apenas no comprimento de onda de transmissão.

E sabido que as fibras ópticas com um núcleo dopado obtido através da utilização de substâncias particulares, tais como iões de terra raros, têm características de emissão estimulada adaptadas para uso como focos de laser e amplificadores ópticos.

De facto, essas fibras podem ser alimentadas com um foco de luz de um comprimento de onda particular, referido como comprimento de onda de bombagem, o qual é capaz de levar os átomos dopantes a um estado energético de excitação, ou faixa de bombagem, a partir do qual os átomos decaien espontaneamente, num muito curto período de tempo, para um estado de emissão laser, no qual se mantêm durante um períodc de tempo relativamente longo.

Quando uma fibra com um elevado número de átomos no estado de excitação ao nível de emissão laser é atravessada por um sinal de luz com um comprimento de onda correspondente a esse estado de emissão laser, o sinal origina a transição' dos átomos excitados para um nível inferior, tendo a emissão de luz o mesmo comprimento de onda do sinal; por conseguinte, uma fibra do tipo acima indicado pode ser usada para se obter a amplificação do sinal e, em particular, para por exemplo, se conseguirem amplificadores de linha óptica adaptados para fazer um sinal óptico de transmissão atenuada regressar a um nível elevado, depois de um longo trajecto através de uma fibra numa linha de telecomunicações.

Amplificadores ópticos do tipo acima indicado são, por exemplo, conhecidos através do Pedido de Patente Italiana No. 22120 A/89, em nome do mesmo requerente e apresentado em 24 de Outubro de 1989, nos quais a fibra activa está preparada para ser do tipo mono-modal, tanto no comprimento de onda de transmissão como no comprimento de onda de

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t

Mod. 71 * 20.000 ex. * 90/08 bombagem.

Contendo estas fibras ópticas, que tanto são mono-modais no comprimento de onda de transmissão como no comprimento de onda de bombagem, têm uma distribuição diferente de energia luminosa na secção da fibra; e sobretudo, a energia luminosa do sinal de transmissão é distribuída por uma maior área da secção de fibra do que a área na qual a energi; de bombagem está presente.

dopante fluorescente, responsável pela amplificação do sinal de transmissão, está concentrado no núcleo da fibra, e a fibra em amplificadores conhecidos é comcebida de forma que a energia de bombagem fique também confinada à referida área, de maneira que possa ser inteiramente utilizada para excitar o dopante fluorescente no nível de emissão laser; porque, no entanto, parte de energia do sinal de transmissão é transmitida à fibra fora da área na qual o dopante fluorescente e a energia de bombagem estão presentes, resulta que só parte do referido sinal é utilizável na área da fibra em que pode ser amplificado.

fenómeno acima descrito representa uma limitação na eficiência de amplificação do amplificador, tido como o ganho do sinal de transmissão por unidade de energia de bon bagem.

Consequentemente, existe o problema de aumentar a referida eficiência no que diz respeito a amplificadores conhecidos.

presente invento visa proporcionar um amplificador rio qual a energia do sinal de transmissão e a energia de bombagem tenham uma distribuição substancialmente idêntics na secção da fibra activa, e estejam, também, concentradas ns área da fibra em que o dopante fluorescente está presente.

Constitui objecto do presente invento providenciar um amplificador óptico, em particular para linhas de telecomunicações de fibra óptica inseríveis em séries na fibra óptica da linha, compreendendo, pelo menos, uma fonte de bom63130

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bombagem luminosa, um acoplador dicróico com duas entradas lj gadas à fibra da linha óptica que transporta um sinal de transmissão e à fonte de bombagem luminosa, respectivamente, e uma saída ligada a uma extremidade de fibra activa, contendo um dopante fluorescente no respectivo núcleo óptico, com emissão no âmbito do comprimento de onda do sinal de transmissão e para ser bombeado no comprimento de onda da fonte d< bombagem; caracterizado pelo facto da fibra óptica activa sei uma fibra que, numa configuração substancialmente rectilínea permite a propagação luminosa mono-modal no comprimento de onda de transmissão e a propagação luminosa multi-modal no comprimento de onda de bombagem, e está disposta numa configuração curva pelo menos ao longo de 70% do seu comprimento total, çom um raio de curvatura correspondendo à propagação na fibra de apenas o modo fundamental no comprimento de onda raio de curvatura da fibra activa curva é de cerca de 20 a 140 mm, situando-se, preferivelmente, entre 35 e 100 ir.m.

Numa realização preferida do invento, o comprimento de onda de transmissão situa-se entre 1520 e 1570 nm, e o comprimento de onda de bombagem é de 980 nm (i 10 nm) e o dopante fluorescente na fibra activa é érbio.

Em particular, a fibra activa tem, pelo menos, uma porção curva com um raio de curvatura correspondendo à propagação, na própria fibra, apenas do modo fundamental, no comprimento de onda de bombagem, porção essa que é contígua ás porções de fibra não-curvas, sendo o comprimento da porção curva ou a soma dos comprimentos da porção curva superior a 70% do comprimento total da fibra .activa.

Preferivelmente, a fibra activa exibe uma porçãc curva contígua simples com um raio de curvatura correspondendo à propagação, na própria fibra, apenas do modo fundamental, no comprimento de onda de bombagem, estando as porções da fibra não-curva situadas numa ou em ambas as extremidades da fibra activa.

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-9 FE’-'. !9Ί1

Mod. 71 · 20.000 ex. · 90/08

Numa realização especialmente preferida de um amplificador óptico de acordo com o invento, a fibra activa é curva, com um raio de curvatura que, correspondendo à propagação,na própria fibra, de apenas o modo fundamental, no comprimento de onda de bombagem, se alonga pelo seu comprimento total, com excepção das extremidades substancialmente destituídas de curva, que têm, cada uma, um comprimento inferior a 400 mm; de preferência, o comprimento das extremidades substancialmente destituídas de curva é inferior a 200mm.

Apresentar-se-ão outros pormenores com a subsequente descrição do invento, feita com referência aos desenhos que a acompanham, nos quais:

- Fig. 1 é um diagrama mostrando um amplificador óptico que usa uma fibra activa;

- Fig. 2 é um diagrama mostrando as transições energéticas de uma fibra do tipo a utilizar num amplificador de acordo com o diagrama da Fig. 1, transições essas que estão adaptadas para gerar uma emissão estimulada (laser),

- Fig. 3 é um diagrama mostrando as disposições relacionadas com a bombagem, transmissão e corte de comprimentos de onda;

- Fig. 4 é um diagrama mostrando a distribuição radial da intensidade da luz numa fibra óptica;

- Fig. 5 é um esboço da disposição de uma fibra activa num amplificador, de acordo com o invento; .

- Fig. 6 é uma vista frontal da fibra mostrada na Fig.5;

- Fig. 7 é um diagrama mostrando as variações nc diâmetro do modo numa fibra, dependendo do comprimento dè onda;

- Fig. 8 é um diagrama mostrando o ganho num amplificador óptico, dependendo do comprimento da fibra óptica usada.

Com o fim de amplificar sinais em fibra de telecomunicações ópticas, podem ser convenientemente usados ampli

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Mod. 71 - 20.000 ex.-90/08 ficadores empregando fibras ópticas; a estrutura dos referidos amplificadores está diagramaticamente mostrada na Fig. 1, em que 1 significa uma fibra de telecomunicações ópticas para a qual é enviado um sinal de transmissão de um comprimento de onda ^_g, gerado por um emissor de sinal laser 2; estando atenuado depois de um certo comprimento de linha, o sinal é enviado para um amplificador óptico 3, que consiste, substancialmente, num acoplador dicróico 4, onde se junta, numa fibra de saída simples, 5, a um sinal de bombagem do comprimento de onda Jí ρ, gerado por um emissor de bombagem laser 6; uma fibra activa7, ligada à fibra 5, saindo do acoplador, constitui o elemento do amplificador de sinal que é, então, novamente introduzido na linha de fibra 1 e segue em direcção ao seu próprio destino.

Para produzir uma fibra activa 7 gerando a amplificação do sinal de luz, usa-se uma fibra óptica baseada em sílica, que é dopada com um material fluorescente adaptado para gerar uma emissão de luz que é estimulada na presença de um sinal de luz que é, então, amplificado desse modo.

Como material fluorescente, é conveniente usar ΕΓ2θβ que pode ter transições estimuladas, também referidas como transições ''laser'', em comprimentos de onda que são convenientes para a transmissão remota de sinais de telecomuni cações.

Como se mostra no diagrama da Fig. 2, relacionado com uma fibra do tipo acima referido, representando simbolicamente os estados energéticos disponíveis para uma soluçãc de uma ião de érbio na matrix da fibra baseado em sílica, a introdução de uma energia de luz na fibra activa, a um compri mento de onda de ''bombagem'' ^p, inferior ao comprimento de onda |_s, do sinal de transmissão, coloca um determinado número de iões Er^⁺, presentes como dopante na matrix da fibra baseada em vidro, num estado energético ''excitado'' 8, referido como fita de ''bombagem¹', do qual os iões decaiem espontaneamente para um nível energético 9 que constitui um ní63130

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80(04 - ·»» 000'« · ΙΖ ’P°W vel de emissão laser.

Ê sabido que, enquanto a transição da fita, 8 pa ra o nível 9 está associada com uma emissão de tipo térmico, que se dispersa para fóra da fibra (radiação fonon), a transi ção do nível 9 para o nível base 10 gera uma emissão de luz de um comprimento de onda correspondendo ao valor energético do nível de emissão laser 9; se uma fibra contendo uma elevada quantidade de iões no nível de emissão laser é atravessada por um sinal de um comprimento de onda correspondendo a um tal nível de emissão, o sinal causa a transição estimulada dos iões em questão do estado de emissão para o estado de base, antes da sua decadência espontânea, acompanhada de um fe_ nómeno de cascada que produz a emissão de um sinal de transmissão altamente amplificado à saída da fibra activa.

Diagramáticamente mostrada na Fig. 4 está a extremidade de uma fibra vista numa secção axial e indicada poi 11, para tal fibra definem-se um núcleo 12 e uma cobertura 13, que são identificados por índices refratários diferentes.

Para fins de utilização da fibra activa num amplificador, o dopante, que é Er3⁺, está presente dentro do núcleo 12.

Para alcançar um elevado ganho de amplificação, é conveniente que a fibra activa 7 no amplificador seja do tipo de mono-modal, tanto no comprimento de onda de transmissão como no comprimento de onda de bombagem, como é referido no pedido de patente italiano No. 22120 A/89, em nome do mesmo requerente.

Isto significa, como se mostra na Fig. 3, que, com base nos ensinamentos contidos na referida patente, a fibra activa tem uma tal dimensão que o comprimento de onda de corte ^_c, também referido como corte 7 , acima do qual ocorre a propagação do modo fundamental sozinho na fibra, é inferior tanto ao comprimento de onda do sinal de transmissão _s, como ao comprimento de onda da radiação de bombagem

As medições importantes para o objetivo de seleu

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-Ο ΓΓ'ί 100 ζ ! L-. :ζ ✓ « S

cionar ο comprimento de onda de corte da fibra são substancialmente o diafragma numérico NA e o diâmetro do seu núcleo diafragma numérico NA da fibra, tendo um perfil de índice refractário substancialmente do tipo ''índice passo'' ou semelhante, define-se como:

Mod. 71 · 20.000 βχ. · 90/08

1/2

NA= (n| - n² ) em que n| é o índice refractário do núcleo da fibra e n2 é o índice refractário do tecido da fibra.

É sabido que os índices refractários desejáveis do núleo da fibra e do tecido podem ser conseguidos seleccio nando a concentração nos próprios núcleos e tecido do dopant primário, ou dopante variável do índice, introduzido na forma inincial pela qual a fibra é obtida segundo técnicas bem conhecidas.

Os dopantes usados para este fim consistem, geralmente, em Ge02 ou AI2O3.

Dentro da fibra, uma radiação de luz tendo um, comprimento de onda para o qual há uma propagação mono-modal na fibra, que é superior ao comprimento de onda de corte da fibra, exibe uma distribuição radial da intensidade da luz do tipo mostrado na Fig. 4 pelas curvas P e S, cujo desenvol vimento é substancialmente do tipo Gauss, com Uma intensidad máxima de I_max ao longo do eixo da fibra e valores que decrescem até 0 para a periferia da fibra.

Baseado na distribuição acima um diâmetro de mo do 0_m define-se como o diâmetro no qual há uma intensidade d luz I (0_m) na fibra:

I(0_m)

1_ e2

I max, em que I é a intensidade máxima da luz na fibra, baseada max em especificações CCITT G.652 (Consultive Comittee International Telegram and Telephone).

Como é de notar no desenho, a maior parte da

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Mod. 71 - 20.000 ex. -90/08 energia da luz transmitida está substancialmente confinada ao diâmetro do modo.

Para se conseguir uma amplificação eficiente é de grande importância ter uma densidade elevada de energia de bombagem no núcleo da fibra 12, onde o dopante fluorescente está presente, de modo a que para manter-se uma populacional elevada no dopante, que é uma alta percentagem de átomoE de dopante disponíveis para amplificação ao mais elevado nível de laser 9, em comparação com aqueles do estado de base 10; a energia de bombagem transmitida fora do núcleo onde nãc existe nenhum dopante, é substancialmente inactiva para os fins da inversão de dopante no nível de laser mais elevado.

sinal de transmissão, por uma vez deveria ter uma intensidade de distribuição radial na fibra semelhante à do sinal de bombagem, para o objectivo de ser transmitido à região da fibra na qual está presente a maior parte da energia de bombagem luminosa, de forma a poder ser eficientemente amplificado.

Para este fim, os diâmetros do modo do sinal de bombagem e do sinal de transmissão deveriam ser o mais parecidos possível.

Numa fibra óptica do tipo que tem o núcleo 12, e a cobertura 13 que se mostram na Fig. 4 no alinhamento com os diagramas da distribuição da intensidade da luz radial do£ sinais de bombagem e de transmissão, o diâmetro do modo 0 no comprimento de onda de transmissão θ, cuja curva de distribuição da intensidade da luz radial está representada na figura por linha S, é notavelmente maior do que o diâmetro do modo 0_p no comprimento de onda de bombagem ^p, com a curva de intensidade P e correspondendo substancialmente ao diâmetro do núcleo 12; isto significa que uma parte importante do sinal de luz não se propaga na área da fibra activa que é alimentada com a energia de bombagem e na qual o dopante este presente.

De facto, deve notar-se que o diâmetro do modo

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I

Γ/v <99f que, para valores de comprimento de onda próximos do comprimento de onda de corte da fibra, é substancialmente constante e não muito diferente do diâmetro do núcleo da própria fibra, cresce grandemente com valores ) maiores, como se mostra na Fig. 7: assim, para se ter a certeza de que a fibra é mono-modal no comprimento de onda de bombagem p, por exemplo no caso dos amplificadores que têm uma fibra activa dopada de érbio, a 980nm (í 10%) tem de se usar uma fibra activa com um comprimento de onda de corte inferior a 980 nm, e, consequentemente, conseguir um diâmetro do modo muito elevado no comprimento de onda de transmissão $ _s> o qual é, sen dúvida, maior do que o diâmetro do modo no comprimento de on da de bombagem β para que a maior parte do sinal de transmissão não se propague dentro da área da fibra na qual pode ser amplificado.

comprimento acima descrito ocorre quando a fibra activa tem uma configuração rectilínea ou substancialmente rectilínea, significando o termo ''configuração substar cialmente rectilínea'' que a fibra não é submetida a deformações geométricas capazes de lhe modificar significativamente o comportamento óptico; por essa razão, de acordo com as especificações (CCITT, Instrução G. 652), consegue-se avaliar o comprimento de onda teórico de corte com base no perfil do índice de refracção na fibra, e comprimentos de onda de corte nas condições de operação.

Em particular, as referidas especificações têm em conta a possibilidade de se medir um comprimento de onda de corte para uma fibra de linha, sendo a medição feita num anel de fibra única com um raio de 140 mm; a variação detectada no comprimento de onda de corte nestas condições, em comparação com o valor teórico é, por outro lado, bastante pequeno, sendo esperada uma diferença inferior, a 5% relativamente ao comprimento de onda de corte teórico.

De acordo com o presente invento, a fibra activa do amplificador é seleccionada do tipo mono-modal apenas

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Mod. 71 · 20.000 βχ. · 90/08 no comprimento de onda de transmissão Ç _s; isto é tendo valor de comprimento de onda de corte ç₂ inferior a Ç , mas substancialmente superior a Ji , como se mostra na Fig.3 Com a referida fibra, o diâmetro do modo no comprimento de onda de transmissão, particularmente na gama dos 1520 e 1570 nm, adaptado para utilização de amplificadores que têm uma fibra activa dopada de érbio, sendo o comprimento de onda de transmissão próximo do comprimento de onda de corte, parece ser suficientemente pequeno, substancialmente pró ximo do diâmetro do núcleo da fibra; por sua vez, o modo fun damental do sinal de bombagem, tem um diâmetro próximo do do núcleo da fibra e, assim, a energia do sinal de transmissão mantém-se substancialmente confinada à área da fibra na qual o sinal de bombagem e o dopante activo estão presentes.

A fibra activa está desposta numa configuração curva ao longo de todo o seu comprimento, sob a forma de espi ras que constituem o amplificador, como mostram as Figs. 5 e 6, e que se enrolam, por exemplo, à volta de um suporte cilíndrico ou similar: a curvatura da fibra é seleccionada, de acordo com o presente invento, com um raio R_c substancialmente inferior a 140 mm, de forma a permitir a propagação apenas do modo fundamental na fibra, mesmo para comprimentos de onda inferiores ao comprimento de onda _c2 ^acima menciona do e, em particular, mesmo para o comprimento de onda de bombagem _p.

um

A curvatura da fibra, de facto, causa o mesmo pa ra transmitir apenas o modo fundamental para comprimentos de onda que são cada vez menores à medida que a curvatura dada à fibra se torna mais marcadas; isto é, à medida que R_c se torna mais pequeno; assim, é possível definir um raio de curvatura Rp sob o qual, para um dado comprimento de onda e, em particular, para o comprimento de onda de bombagem, só é possível a propagação do modo fundamental na fibra.

raio de curvatura R_c adaptado para a fibra activa deve, portanto, ser inferior ou igual ao raio acima re

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Mod. 71 - 20.000 ex. · 90/08 ferido R_p; na prática , como a curvatura pode ser causada poi um enfraquecimento mecânico da estrutura da fibra, tornando-e susceptível a quebras ou fendas, usa-se, preferivelmente, um raio de curvatura igual a R_p ou aproximado.

A escolha de um valor apropriado para a referida curvatura permite que modos maiores do que o comprimento de onda de bombagem sejam eliminados da fibra activa, de forma que dentro da fibra só passa o modo fundamental do sinal de bombagem, enquanto se mantém um comprimento de onda de coi te que dá origem a um pequeno diâmetro do modo na fibra, no comprimento de onda de transmissão.

Desta forma, é possível obter uma eficiência de amplificação particularmente elevada, que representa um ganhe de amplificação elevado por unidade de energia de bombagem fornecida, pelo que é possível utilizar uma fibra de menor comprimento para se alcançar a amplificação desejada, como se mostra na Fig. 8, na qual se pode ver que se pode conseguir c ganho G_q com uma fibra activa de comprimento , usando uma fibra de comprimento de corte 7 _c2> 980 nm, bastante inferioi ao comprimento % necessário para se alcançar o mesmo ganho com uma fibra tendo um comprimento de onda de corte <980 nm.

No acoplador dicróico 4 produzido na base dos ensinamentos apresentados no mencionado pedido de patente Italiana No. 22120 A/89, a fibra de transporte 5 dos sinais de transmissão ligados ao sinal de bombagem é do tipo mono-modal em ambos os comprimentos de onda; esta fibra tem, assim, um diâmetro de modo no comprimento de onda de transmissão superior ao diâmetro do modo na fibra activa, de aco:

do com o invento; a soldagem entre as fibras 5 e 11 apresenta uma atenuação no comprimento de onda de transmissão, devida a uma tal diferença de diâmetros.

Ocorre uma outra atenuação de luz no ponto de soldagem ligação entre a fibra activa e a fibra de linha 1; de facto, en bora as fibras corr.ercialmer.te disponíveis usadas comc fibras de linha S£

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Mod. 71 · 20.000 ««. - 90/08 jam apenas do tipo mono-modal no comprimento de onda de transmissão, na referida gama dos 1520 a 1570 nm, têm um diâmetro do modo bastante alto para a finalidade de se efectuarem fáceis ligações e similares, igual ou superior ao diâmetro do modo da fibra de junção 5.

O ganho, total G_gx num amplificador é dado pelo ganho inerente à fibra activa G_in, menos as perdas ou atenuações A_g devidas às ligações soldagens entre as diferentes fibras: para conseguir este resultado, por conseguinte, é necessário um ganho G^_n = G_gx + A_g para a fibra activa.

A utilização de uma fibra de acordo com o presente invento, tendo um diâmetro de modo muito pequeno, implica maiores perdas devidas às ligações soldagens do que as fibras activas conhecidas, que são também mono-modais no comprimento de onda lp ; mas estas perdas adicionais são geralmente insignificantes quando comparadas com o aumento da eficiência obtida.

raio mínimo de curvatura R_c da fibra activa de utilização apropriada é maior do que cerca de 20mm; abaixo deste raio, a força mecânica da fibra curva torna-se crítica e, além disso, as perdas de soldagem nas junções assi. mem valores importantes, devido a grande diferença entre os diâmetros do modo da fibra activa e da fibra de linha ou da fibra que provém do acoplador; por outro lado, os raios de curvatura superiores a lAOmm são de pequena utilidade para sc alcançar um deslocamento importante do comprimento de onda dc corte; preferivelmente, R_c > 35 mm e, mais preferivelmente, mm ( R_c ( 100 mm.

Em ligação com os referidos raios de curvatura, o valor máximo do comprimento de onda de corte em condições recti-líneas, permitindo que se consiga a propagação mono-modal do sinal de bombagem a 980 nm quando a fibra é curvada por um raio de curvatura correspondente, sem que se atinjam os referidos valores críticos quanto à força mecânica da própria fibra, é de Y_c ⁼ cerca de 1280 nm, correspon12

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Mod. 71 >20.000 ex. · 90/08 dendo a um diâmetro do modo de cerca de 4 /im; com um raio de curvatura R_c de 50 mm, o referido valor do comprimento de onda de corte é Ç = cerca de 1100 nm, sendo o diâmetro do modo igual a cerca de 5.3 jnm, enquanto que o modo fundamental do sinal de bombagem tem um diâmetro de cerca de 3.8 +4 pm.

Para uma fibra mono-modal em condições rectilíneas no comprimento de onda de bombagem, o diâmetro de modo no comprimento de onda do sinal de transmissão é mais elevado do que 6 pm.

Para melhor utilização das qualidades da fibra activa no amplificador, de acordo com o invento, é o comprimento total da fibra activa que deve ser curvado, preferêncialmente, segundo o raio de curvatura estabelecido; isto é, a fibra activa deve ser disposta numa configuração curva, por exemplo, curvada para formar esferas em torno do respectivo suporte, como se mostra diagramaticamente na Fig. 5; imediatamente a seguir à função por soldagem 15 à fibra de junção 5.

£

Se a configuração acima indicada não for □ossível ou desejável, por exemplo para evitar que as tensões de dobragem devidas à configuração curva da fibra activa sejam transmitidas à soldagem 15, que geralmente constitui um ponto de enfraquecimento mecânico na fibra, como se mostra ns Fig. 6, pode aceitar-se a presença de uma porção não-curva 16 de fibra activa,; este expediente não involve uma redução substancial nas vantagens dadas pela curvatura da fibra activa.

Preferivelmente, o comprimento _r da porção da fibra activa rectilinea ou substancialmente rectilinea 16, que tem um raio de curvatura superior a R_c, como se definiu acima, imediatamente a jusante do acoplador, é inferior a 400 mm e, mais preferivelmente, 200 mm, um tal comprimento da fibra substancialmente rectilinea e também aceitável na extremidade oposta da fibra activa, perto da sua junção à fibra da linha, sem que a eficiência da amplificação seja muito prejudicada.

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?99j

Mod. 71 -20.000 ex. · 90/08

De facto, a ligação dos modos mais elevados na fibra tem lugar proporcionalmente ao comprimento da deslocação na própria fibra e, por conseguinte, depois de uma porçãc do comprimento estabelecido, não ocorre mais nenhuma da energia de bombagem importante na fibra activa, do modo fundamental para modos mais elevados.

Por outro lado, também podem obter-se resultados úteis, como sejam um aumento na eficiência da amplificação relativamente a amplificadores tendo uma fibra activa mono-modal no comprimento de onda de bombagem com uma fibra activa que, de acordo com o presente invento, é apenas curvada ao longo de uma porção do seu comprimento, desde que isso seja necessário para se responder a exegências de origem di_fe rente, e desde que a porção da fibra dobrada segundo o raio de curvatura correspondendo à propagação apenas do modo fundamental da energia de bombagem seja superior a 70% do comprimento total da fibra.

Para fins de construção, e em particular para manter o volume da estrutura do amplificador dentro de limites reduzidos, a porção da fibra curva constitui a porção intermédia da fibra activa , enquanto que as porções da fibra inicial e final, contíguas às extremidades de soldagem da própria fibra, podem também ter uma extensão rectilínea; contudo, devido a exigências particulares, a fibra activa pode também ter várias porções curvas alternando com porções substancialmente rectilíneas.

A título exemplificativo, preparou-se uma fibra activa dopada de érbio com as seguintes características:

Diâmetro do núcleo.....................3,6 pm

Abertura numérica (n’ - n*)^ θ _c (comprimeito de onda de corte teórico).. .1100 nm

Diâmetro de modo de sinal..............5.3 pm

Conteúdo de érbio (peso de E^O^).........350 ppm

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-9 ΓΓ/1991

Com a fibra acima descrita, fez-se um amplificador de acordo com o diagrama mostrado na Fig. 1, o qual a fibra foi dobrado para formar espiras contínuas tendo um raie de curvatura R=50mm ao longo do seu comprimento total, nestas condições, mediu-se um valor de comprimento de onda de corte:

_c (R) (comprimento de onda de corte no raio R)

980 nm eoloi ** οοοόζ - iz p°w amplificador de utilização da fibra tinha as seguintes caracteristicas:

Energia de bombagem................ 17mw

Comprimento da fibra activa........ 8.4 m amplificador foi ligado a uma fibra de linha tendo um comprimento de onda de corte γ_c (F) = 1100 nm, e dando um sinal de transmissão para ser amplificado em energia:

Energia de sinal de entrada ........ -45 dBm acoplador óptico do amplificador tinha a fibra transportando o sinal de transmissão e o sinal de bombagem de um comprimento de onda de corte

Ç _c < A ) = 9 80 nm

Em virtude da configuração descrita, obteve-se c seguinte ganho de àmplificação:

30dB

Para comparação, fez-se um amplificador com a mesma organização estrutural, usando uma fibra activa com as seguintes caracteristicas:

Diâmetro do núcleo ....................... 3.6 jjm

Abertura numérica (n^ - )V?·............. 0.21 (f _c (comprimento de onda de corte teórico). 980 nm

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Ref: MM/91001/NV/PT

Diâmetro do modo de sinal .................. 6.2 jim

Conteúdo de érbio (peso de Ε^Οβ)........... 350 ppm

A fibra foi usada no amplificador em condições _ substancialmente rectilíneas, no sentido anteriormente apreO sentado de modo a provocar variações importantes no correspondente comprimento de onda de corte.

amplificador tinha as seguintes caracteristicas:

Energia de bombagem ................... 200 nw

Mod. 71 - 20.000 ex. · 90/08

Comprimento da fibra activa ........... 10 m sinal a ser amplificado, conduzido por uma fibra activa similar à do exemplo precedente, tinha a energia seguinte:

Energia do sinal de entrada.......... -45 dBm

Obteve-se o seguinte ganho da amplificação:

G£ 30dB

Como pode ser-se, o amplificador de acordo com o invento foi capaz de assegurar o mesmo ganho de amplifica-

ção que o amplificador comparativo que utilizam uma fibra substancialmente rectilínea, apesar dé se ter usado uma porção de fibra activa de comprimento inferior e de menor energia de bombagem, o que demonstra uma eficiência significativj mente maior.

A estrutura de suporte para as espiras da fibra curva, adaptada para as manter no raio de curvatura estabelecido, pode ser de qualquer espécie, também dependendo das caracterí sticas estruturais do invólucro do amplificador, e nãc é, por conseguinte, descrito em pormenor.

Podem fazer-se inúmeras variações sem afastamen to do âmbito e objectivos das caracterlsticas gerais do presente invento.

Claims

REIVINDICAÇÕES

I^a. - Amplificador óptico, especialmente para li nhas de telecomunicações de fibra óptica inseriveis em série numa fibra óptica de uma linha, compreendendo pelo menos uma fonte de bombagem luminosa (6), um acoplador dicróico (4) com duas entradas ligadas à fibra óptica da linha que transporta um sinal de transmissão e á fonte de bombagem luminosa respectivamente, e uma saída (5) ligada a uma extremidade de uma fibra activa (7) contendo um dopante fluorescente no respecti^ vo núcleo óptico, com emissão nos limites do comprimento de onda do sinal de transmissão e a ser bombeado no comprimento de onda da fonte de bombagem, caracterizado pelo facto de a fibra activa óptica (7) ser uma fibra que, numa configuração * substancialmente rectilinea, permite a propagação de mono-modo luminoso no comprimento de onda de transmissão e a propagação de multi-modo luminoso no comprimento de onda de bombagem e que está disposto numa configuração curva em pelo menos 70% do seu comprimento total, com um raio de curvatura corres pondente à propagação na fibra apenas do modo fundamental no comprimento de onda de bombagem.
2^S. - Amplificador óptico de acordo com a reivin dicação 1, caracterizado pelo facto de a fibra activa (7) ser curvada de modo a ter o seu raio de curvatura dentro dos limites de 20 a 140 mm.
3^a. - Amplificador óptico de acordo com a reivin dicação 2, caracterizado pelo facto de o raio de. curvatura da fibra activa variar entre 35 e 100 mm. ;
4^a. - Amplificador óptico de acordó com a reivin dicação 1, caracterizado pelo facto de o comprimento de onda de transmissão se situar na gama dos 1520 a 1570 nm e o comprimento de onda de bombagem ser de 980 nm (±10nm) e o dopante fluorescente na fibra activa ser èrbio.
5^a. - Amplificador óptico de acordo com a reivin dicação 1, caracterizado pelo facto de a fibra activa (7) exi

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Ref: MM/91OO1/NV/PT

Mod. 71 - 20.000 ex. * 90/08 bir pelo menos uma porção curvada (11) com um raio de curvatu ra correspondente à propagação na própria fibra de modo funda mental no comprimento de onda de bombagem porção essa que é contígua, a porção fibrosas não curvadas (16) sendo o comprimento da porção curvada ou a soma dos comprimentos da porção curvada superior a 70% do comprimento geral da fibra activa.
6®. - Amplificador óptico de acordo com a reivin dicação 5, caracterizado pelo facto de a fibra activa (7) exibir uma porção curva continua unica (11), com um raio de curvatura correspondente à propagação na própria fibra apenas do modo fundamental, no comprimento de onda, estando presentes porções de fibras não curvadas (16) em cada uma ou em ambas as extremidades da fibra activa.
7®. - Amplificador óptico de acordo com a reivin dicação 6, caracterizado pelo facto de a fibra activa (7) ser curvada de acordo com um raio de curvatura correspondente à propagação na própria fibra apenas do modo fundamental no com primento de onda de bombagem sobre toda a sua extensão, aparte das porções terminais (16), que são substancialmente desprovidas de curvatura e que têm cada um delas um comprimento inferior a 400 mm.
8®. - Amplificador óptico de acordo com a reivin dicação 7, caracterizado pelo facto de as porções terminais (16) que são substancialmente desprovidas de curvatura, terem um comprimento inferior a 200 mm.