СИСТЕМА И СПОСОБ НА ОСНОВЕ ВОЛОКОННОГО ЛАЗЕРА С НАКАЧКОЙ ДЛЯ ПОДВОДНОГО ОПТИЧЕСКОГО РЕТРАНСЛЯТОРА
SYSTEM AND METHOD BASED ON PUMPED FIBER LASER FOR UNDERWATER OPTICAL REPEATER

Область техники настоящего изобретения
Область техники относится, в общем, к применению систем волоконных лазеров с накачкой в подводных оптических ретрансляторах.
Уровень техники настоящего изобретения
Оптический усилитель или ретранслятор представляет собой устройство, которое усиливает оптический сигнал непосредственно в пределах оптической области без преобразования оптического сигнала в соответствующий электрический сигнал. Оптические усилители находят широкое применение в области оптической связи, включая подводные волоконно-оптические телекоммуникационные системы. Для оптической связи на дальнем расстоянии, составляющем, например, более чем несколько сотен километров, оптический сигнал должен подвергаться периодическому усилению для компенсации тенденции к ослаблению информационного сигнала.
Оптический усилитель одного типа представляет собой легированный волоконный усилитель (т.е. оптический волоконный усилитель), такой как легированный эрбием волоконный усилитель (EDFA). В процессе эксплуатации сигнал, подлежащий усилению, и пучок накачки уплотняются в легированном волокне. Пучок накачки возбуждает ионы легирующего элемента, и усиление сигнала достигается посредством стимулированного излучения фотонов из возбужденных ионов легирующего элемента
Подводный волоконно-оптический кабель состоит из множества двунаправленных волоконных пар. В традиционной подводной волоконно-оптической телекоммуникационной передаче каждую двунаправленную волоконную пару обслуживают два усилителя с накачкой от пары лазеров с накачкой, как представляет схематическая диаграмма на фиг. 1. Выходы из всех лазеров с накачкой объединяются, а затем расщепляются с применением направленного соединителя мощностью 3 дБ, и каждый выпуск соединителя мощностью 3 дБ используется для накачки одного из усилителей. Таким образом, световое излучение накачки, которое поступает в каждый усилитель, представляет собой сочетание в соотношении 50:50 выхода лазера с накачкой A и выхода лазера с накачкой B, которые представляют собой одномодовые лазерные диоды (SM). В этой конфигурации предусмотрена схема резервирования по принципу избыточности, посредством которой неисправность одного лазера не приведет к потере сигнала через усилители. В том случае, где неисправным оказывается один диод, мощность накачки для каждого усилителя уменьшается наполовину. При этом система все же может функционировать, но существует недостаток, заключающийся в том, что усилители будут функционировать при пониженном усилении и повышенном коэффициенте шума (NF) и проявлять наклон спектра усиления. Лазеры с накачкой, используемые в приложениях, для которых требуется высокий уровень надежности, таких как подводная оптическая связь, функционируют на уровнях, значительно сниженных по сравнению с соответствующими максимальными уровнями, для целей продления своего срока эксплуатации. Таким образом, когда один лазерный диод оказывается неисправным, выходная мощность оставшихся в рабочем состоянии лазеров с накачкой не может быть увеличена в такой степени, чтобы составлять 100% их соответствующей доступной мощности, в целях компенсации потери вышедшего из строя лазера с накачкой, без сопровождающего сокращения их соответствующего срока эксплуатации. Таким образом, сниженное усиление, повышенный NF и нежелательный наклон спектра усиления не будут преодолены, но будут ухудшать эксплуатационные характеристики. Таким образом, уровень надежности, требуемый для лазеров с накачкой, является весьма высоким для целей ограничения числа таких неисправностей в течение действующего срока службы усилителя.
Непрерывные нововведения в технологии связи усиливают способности указанных систем в отношении возможной скорости передачи информации, а также суммарного объема передаваемой информации. По мере улучшения указанных способностей также увеличивается спрос на дополнительные возможности связи, что, в свою очередь, стимулирует потребность в обеспечении дополнительной мощности. Для подводных волоконно-оптических кабельных систем это способствует увеличению числа двунаправленных пар оптических волокон. Однако электрическая мощность всего кабеля должна передаваться по кабелю, и, таким образом, способности выдерживать увеличение числа пар оптических волокон может препятствовать ограниченный уровень доступной мощности.
Кроме того, для простого увеличения размера корпуса ретранслятора не только потребовались бы процедурные модификации в целях обслуживания, интеграции и исследования более крупных корпусов ретрансляторов, но также возникли бы проблемы для существующих систем, предназначенных для транспортировки, хранения и размещения корпусов ретрансляторов. Например, в результате увеличения длины корпуса ретранслятора удлиненный корпус ретранслятора не смог бы надлежащим образом находиться в контакте с поверхностью существующих кабельных барабанов, используемых для укладки кабеля с применением судна-кабелеукладчика.
Таким образом, существует настоятельная потребность в подводном оптическом ретрансляторе, который способен усиливать увеличенное число волоконных пар с применением такого же уровня доступной мощности и без превышения размера существующих ретрансляторов.
Краткое раскрытие настоящего изобретения
Аспекты и варианты осуществления относятся к способу и системе для повышения надежности одноступенчатого усилителя EDFA с применением волоконных лазерных систем с накачкой и улучшения эксплуатационных характеристик оптического ретранслятора, в котором содержится EDFA.
В соответствии с одним аспектом предложена оптическая система связи. Оптическая система связи содержит первую волоконную лазерную систему с накачкой, имеющую первый одномодовый волоконный выход, выполненный с возможностью выпуска излучения первого лазера с накачкой, вторую волоконную лазерную систему с накачкой, имеющую второй одномодовый волоконный выход, выполненный с возможностью выпуска излучения второго лазера с накачкой, причем каждая из первой и второй волоконных лазерных систем с накачкой содержит по меньшей мере два лазерных диода, активное волокно, оптически присоединенное по меньшей мере к двум лазерным диодам, и многомодовое пассивное волокно (MM), расположенное между по меньшей мере двумя лазерными диодами и активным волокном, по меньшей мере один элемент комбайнера-сплиттера, выполненный с возможностью объединения излучения первого лазера с накачкой и излучения второго лазера с накачкой и передачи N частей лазерного излучения с накачкой, и N легированных волоконных усилителей, где число N составляет по меньшей мере четыре, и каждый легированный волоконный усилитель выполнен с возможностью приема одной части из N частей лазерного излучения с накачкой и входного оптического сигнала, подлежащий усилению, усиления входного оптического сигнала, преобразуемого в усиленный оптический сигнал, и передачи усиленного оптического сигнала.
В качестве одного примера, каждый лазерный диод выполнен с возможностью обеспечения мощности, составляющей приблизительно 1 Вт. В качестве другого примера, оптическая система связи дополнительно содержит контроллер, выполненный с возможностью регулирования по меньшей мере двух лазерных диодов таким образом, что каждый лазерный диод обеспечивает мощность, составляющую от 1/3 до 1/2 Вт. В качестве другого примера, каждая из первой и второй волоконных лазерных систем с накачкой выполнена с возможностью обеспечения выходной мощности, составляющей по меньшей мере 2 Вт. В качестве следующего примера, каждая из первой и второй волоконных лазерных систем с накачкой выполнена с возможностью эксплуатации таким образом, что каждая система обеспечивает выходную мощность, составляющую менее чем 1 Вт.
В качестве одного примера, каждая из первой и второй волоконных лазерных систем с накачкой дополнительно содержит входное пассивное волокно, расположенное между многомодовым пассивным волокном и активным волокном, причем многомодовое пассивное волокно имеет конический свободный конец с диаметром модового поля (MFD), который соответствует значению MFD входного конца входного пассивного волокна. В качестве другого примера, каждая из первой и второй волоконных лазерных систем с накачкой дополнительно содержит выходное одномодовое пассивное волокно, присоединенное к выходному концу активного волокна и выполненное с возможностью выпуска соответствующего первого и второго излучения накачки. В качестве другого примера, многомодовое пассивное волокно, входное пассивное волокно и активное волокно состоят из фотонного кристаллического волокна.
В качестве одного примера, первая волоконная лазерная система с накачкой выполнена с возможностью выпуска первого излучения накачки при длине волны, составляющей приблизительно 978 нм, и вторая волоконная лазерная система с накачкой выполнена с возможностью выпуска излучения второго лазера с накачкой при длине волны, составляющей приблизительно 983 нм. В качестве другого примера, каждая из первой и второй волоконных лазерных систем с накачкой содержит N лазерных диодов.
В качестве одного примера, оптическая система связи дополнительно содержит N соединителей спектрального уплотнения каналов (WDM), причем каждый соединитель WDM расположен между по меньшей мере одним элементом комбайнера-сплиттера и легированным волоконным усилителем из N легированных волоконных усилителей и выполнен с возможностью соединения входного оптического сигнала и одной части из N частей лазерного излучения с накачкой в выход, которым оборудован легированный волоконный усилитель из N легированных волоконных усилителей.
Согласно другому аспекту предложен способ создания сигнала накачки волоконного лазера в оптической системе связи. Способ включает обеспечение первой и второй волоконных лазерных систем с накачкой, причем каждая из первой и второй волоконных лазерных систем с накачкой содержит по меньшей мере два лазерных диода, активное волокно, оптически присоединенное по меньшей мере к двум лазерным диодам, и многомодовое пассивное волокно, расположенное между по меньшей мере двумя лазерными диодами и активным волокном, генерирование одномодового излучения первого и второго лазеров с накачкой в соответствующих первой и второй волоконных лазерных система с накачкой, объединение одномодового излучения первого и второго лазеров с накачкой с получением объединенного излучения лазеров с накачкой, расщепление объединенного излучения лазеров с накачкой с образованием N частей лазерного излучения с накачкой, где число N составляет по меньшей мере четыре, и направление входного оптического сигнала, подлежащего усилению, и каждой части лазерного излучения с накачкой в легированный волоконный усилитель, причем легированный волоконный усилитель выполнен с возможностью приема входного оптического сигнала и части лазерного излучения с накачкой и усиления входного оптического сигнала, преобразуемого в усиленный оптический сигнал.
В качестве одного примера, способ дополнительно включает регулирование по меньшей мере двух лазерных диодов таким образом, что каждый лазерный диод обеспечивает мощность, составляющую от 1/3 до 1/2 Вт. В качестве другого примера, способ дополнительно включает регулирование каждой из первой и второй волоконных лазерных систем с накачкой для обеспечения выходной мощности, составляющей менее чем 1 Вт.
В качестве одного примера, способ дополнительно включает обеспечение многомодового пассивного волокна с коническим свободным концом, имеющего диаметр модового поля (MFD), который соответствует значению MFD входного конца входного пассивного волокна, имеющего выходной конец, сращенный с активным волокном.
В качестве другого примера, способ дополнительно включает обеспечение многомодового пассивного волокна, активного волокна и входного пассивного волокна, представляющих собой фотонные кристаллические волокна.
В качестве другого примера, способ дополнительно включает обеспечение по меньшей мере одного элемента комбайнера-сплиттера, выполненного с возможностью осуществления объединения и расщепления, причем способ дополнительно включает присоединение одномодового излучения первого и второго лазеров с накачкой, генерируемого соответствующими первой и второй волоконными лазерными системами с накачкой, по меньшей мере к одному комбайнеру-сплиттеру.
В соответствии со следующим аспектом, предложена погружаемая волоконная лазерная система с накачкой для легированного эрбием усилителя, выполненного с возможностью усиления входных оптических сигналов в волоконно-оптической подводной системе связи. Погружаемая волоконная лазерная система с накачкой содержит многомодовый гибкий диодный лазерный модуль, который содержит N лазерных диодов, заключенных в корпус, где число N составляет по меньшей мере два, и N лазерных диодов выполнены с возможностью генерации светового излучения накачки при первой длине волны, и входное многомодовое волокно оптически присоединено к N лазерным диодам и сконфигурировано как фотонное кристаллическое волокно с коническим свободным концом, и легированный иттербием волоконный усилитель, выполненный с возможностью усиления светового излучения накачки и имеющий пассивный входной конец и пассивный выходной конец, причем пассивный входной конец сращен с коническим свободным концом входного многомодового волокна, при этом легированный иттербием волоконный усилитель выполнен с возможностью генерации усиленного светового излучения накачки при второй длине волны, которая составляет более чем первая длина волны, и представляет собой выпуск из пассивного выходного конца.
В качестве одного примера, предложен оптический ретранслятор, в котором содержатся по меньшей мере четыре погружаемые волоконные лазерные системы с накачкой. В качестве следующего примера, две из четырех погружаемых волоконных лазерных систем с накачкой выполненный с возможностью накачки четырех легированных волоконных усилителей, оптически присоединенных к входным оптическим сигналам, распространяющимся в первом направлении, и остальные две из четырех волоконных лазерных систем с накачкой выполнены с возможностью накачки четырех легированных волоконных усилителей, оптически присоединенных к входным оптическим сигналам, распространяющимся во втором направлении, которое является противоположным по отношению к первому направлению.
В соответствии со следующим аспектом, предложен оптический ретранслятор. Оптический ретранслятор содержит поддонную установку усилителя, имеющую поверхность, сконфигурированную по меньшей мере с одним углублением, размеры которого обеспечивают размещение модуля блока усиления, множество волоконных лазерных систем с накачкой, причем каждая волоконная лазерная система с накачкой содержит многомодовый гибкий диодный лазерный модуль, содержащий N лазерных диодов, где число N составляет по меньшей мере два, и N лазерных диодов выполнены с возможностью генерации светового излучения накачки при первой длине волны, и входное многомодовое волокно, оптически присоединенное к N лазерным диодам и сконфигурированное как фотонное кристаллическое волокно с коническим свободным концом, и легированный иттербием волоконный усилитель, выполненный с возможностью усиления светового излучения накачки и имеющий пассивный входной конец и пассивный выходной конец, причем пассивный входной конец сращен с коническим свободным концом входного многомодового волокна, причем усилитель выполнен с возможностью генерации усиленного светового излучения накачки при второй длине волны, которая составляет более чем первая длина волны, и представляет собой выход из пассивного выходного конца, и поддонная установка лазера имеет поверхность, сконфигурированную с множеством углублений, причем каждый углубление имеет размеры, обеспечивающие размещение волоконной лазерной системы с накачкой из множества волоконных лазерных систем с накачкой.
В качестве одного примера, оптический ретранслятор дополнительно содержит по меньшей мере один модуль блока усиления, причем по меньшей мере один модуль блока усиления содержит множество установок блоков усиления, каждая установка блоков усиления содержит вход, выход и легированное эрбием (Er) волокно, расположенное между входом и выходом, при этом вход оптически присоединен к пассивному выходному концу по меньшей мере одной волоконной лазерной системы с накачкой. В качестве другого примера, пассивный выходной конец легированного иттербием волоконного усилителя содержится в одномодовом подводящем волокне, и поверхность поддонной установки лазера содержит множество каналов с размерами, подходящими для размещения по меньшей мере одного одномодового подводящего волокна.
В качестве одного примера, оптический ретранслятор дополнительно содержит направляющую установку для волокон, прикрепленную на противоположных концевых частях поддонной установки усилителя, причем каждая направляющая установка для волокон содержит направляющие каналы, выполненные с возможностью присоединения по меньшей мере к одному из множества каналов и к входу по меньшей мере одной установки блоков усиления из множества установок блоков усиления.
В качестве другого примера, оптический ретранслятор дополнительно содержит теплопроводный керамический компонент, расположенный между поддонной установкой усилителя и поддонной установкой лазера.
В качестве другого примера, оптический ретранслятор дополнительно содержит печатную монтажную плату, имеющую противоположные наружные поверхности и сконфигурированную таким образом, что множество фотодетекторных диодов расположены на одной из противоположных наружных поверхностей, и одна из противоположных наружных поверхностей расположена на поверхности поддонной установки лазера. В качестве следующего примера, поддонная установка усилителя, поддонная установка лазера, множество волоконных лазерных систем с накачкой, по меньшей мере один модуль блока усиления, направляющая установка для волокон, теплопроводный керамический компонент и печатная монтажная плата образуют по меньшей мере часть модуля легированного эрбием волоконного усилителя (EDFA), и оптический ретранслятор выполнены с возможностью содержания трех модулей EDFA, расположенных в треугольной конфигурации. В качестве следующего примера, в каждом модуле EDFA содержатся четыре волоконные лазерные системы с накачкой и модуль блока усиления, содержащий восемь установок блоков усиления, причем модуль EDFA сконфигурирован таким образом, что две из четырех волоконных лазерных систем с накачкой обеспечивают накачку четырех из восьми установок блоков усиления, и остальные две из четырех волоконных лазерных систем с накачкой обеспечивают накачку остальных четырех из восьми установок блоков усиления.
В качестве одного примера, оптический ретранслятор содержит по меньшей мере один вход, выполненный с возможностью размещения по меньшей мере 12 волоконных пар входных сигнальных оптических волокон.
В качестве одного примера, оптический ретранслятор имеет усиление, составляющее по меньшей мере 14 дБ, и выходную мощность, составляющую приблизительно +17 дБ.
При этом ниже обсуждаются подробно другие аспекты, варианты осуществления и преимущества указанных примерных аспектов и вариантов осуществления. Кроме того, следует понимать, что как приведенная выше информация, так и следующее подробное описание представляют собой просто иллюстративные примеры разнообразных аспектов и вариантов осуществления и предназначены для обеспечения обзора или основы для понимания природы и характера заявленных аспектов и варианты осуществления. Варианты осуществления, которые описаны в настоящем документе, могут быть объединены с другими вариантами осуществления, и присутствующие термины «вариант осуществления», «пример», «некоторые варианты осуществления», «некоторые примеры», «альтернативный вариант осуществления», «разнообразные варианты осуществления», «один вариант осуществления», «по меньшей мере один вариант осуществления», «этот и другие варианты осуществления», «определенные варианты осуществления» или аналогичные термины не должны быть обязательно взаимоисключающими, но предназначены для указания, что конкретные описанные признаки, конструкции или характеристики могут быть включены по меньшей мере в один вариант осуществления. Присутствие таких терминов в настоящем документе не должно обязательно относиться к одному и тому же варианту осуществления.
Краткое описание фигур
Далее разнообразные аспекты по меньшей мере одного варианта осуществления обсуждаются со ссылкой на сопровождающие фигуры, которые не должны обязательно соответствовать действительному масштабу. Эти фигуры представлены, чтобы обеспечить иллюстрацию и дополнительное понимание разнообразных аспектов и вариантов осуществления, и присутствуют в качестве части настоящего описания, но не предназначены в целях установления пределов любого конкретного варианта осуществления. Вместе с остальной частью настоящего описания эти фигуры служат для разъяснения принципов и операций описанных и заявленных аспектов и вариантов осуществления. На фигурах все идентичные или почти идентичные компоненты, которые проиллюстрированы на различных изображениях, представлены аналогичными условными номерами. Для целей ясности, не каждый компонент может быть обозначен на каждой фигуре. В числе фигур:
на фиг. 1 представлена схематическая иллюстрация традиционной конфигурации накачки для обеспечения резервирования мощности накачки оптических волоконных усилителей;
на фиг. 2A представлена схематическая иллюстрация одного примера оптической системы связи, имеющей одну конфигурацию элементов комбайнера-сплиттера, в соответствии с одним или несколькими аспектами настоящего изобретения;
на фиг. 2B представлена оптическая система связи, проиллюстрированная на фиг. 2A, имеющая другую конфигурацию элемента комбайнера-сплиттера, в соответствии с одним или несколькими аспектами настоящего изобретения;
на фиг. 3 представлена схематическая иллюстрация другого примера оптической системы связи в соответствии с одним или несколькими аспектами настоящего изобретения;
на фиг. 4 представлена схематическая иллюстрация следующего примера оптической системы связи в соответствии с одним или несколькими аспектами настоящего изобретения;
на фиг. 5 представлена оптическая схема части оптической системы связи, проиллюстрированной на фиг. 2A;
на фиг. 6 представлена оптическая схема одного примера волоконной лазерной системы с накачкой в соответствии с аспектами настоящего изобретения;
на фиг. 7A представлена одна схематическая иллюстрация волоконных частей волоконной лазерной системы с накачкой в соответствии с аспектами настоящего изобретения;
на фиг. 7B представлена другая схематическая иллюстрация волоконных частей волоконной лазерной системы с накачкой в соответствии с аспектами настоящего изобретения;
на фиг. 8A представлена схематическая иллюстрация поперечного сечения одного примера фотонного кристаллического волокна в соответствии с аспектами настоящего изобретения;
на фиг. 8B представлена схематическая иллюстрация поперечного сечения другого примера фотонного кристаллического волокна в соответствии с аспектами настоящего изобретения;
на фиг. 9 представлена схематическая иллюстрация профиля показателя преломления по диаметру фотонного кристаллического волокна, проиллюстрированного на фиг. 8;
на фиг. 10A представлено перспективное изображение пары модулей блока усиления и одной стороны поддонной установки, используемый в первом примере оптического ретранслятора в соответствии с аспектами настоящего изобретения;
на фиг. 10B представлено перспективное изображение пары модулей блока усиления, проиллюстрированных на фиг. 10A, вставленных в поддонную установку;
на фиг. 11 представлено перспективное изображение печатной монтажной платы, используемой в первом примере оптического ретранслятора в соответствии с аспектами настоящего изобретения;
на фиг. 12 представлено перспективное изображение второй стороны поддонной установки, проиллюстрированной на фиг. 10A;
на фиг. 13 представлено перспективное изображение печатной монтажной платы, проиллюстрированной на фиг. 11, расположенной с поддонной установкой, проиллюстрированной на фиг. 12;
на фиг. 14A представлено перспективное изображение направляющей установки для волокон, расположенной с поддонной установкой, проиллюстрированной на фиг. 10B;
на фиг. 14B представлено перспективное изображение керамической пластины и направляющей установки для волокон, расположенной с поддонной установкой, проиллюстрированной на фиг. 13;
на фиг. 14C представлено перспективное изображение керамической пластины и направляющей установки для волокон, проиллюстрированной на фиг. 14A;
на фиг. 15 представлено перспективное изображение части первого примера оптического ретранслятора в соответствии с аспектами настоящего изобретения;
на фиг. 16 представлено изображение поперечного сечения первого примера оптического ретранслятора в соответствии с аспектами настоящего изобретения;
на фиг. 17 представлено перспективное изображение первого примера оптического ретранслятора в соответствии с аспектами настоящего изобретения;
на фиг. 18 представлено перспективное изображение оптического ретранслятора, проиллюстрированного на фиг. 17, в сочетании с одной перегородкой и концевой пластиной монтажной стойки;
на фиг. 19 представлено перспективное изображение полностью собранного первого примера оптического ретранслятора, расположенного внутри круглого кожуха, в соответствии с аспектами настоящего изобретения;
на фиг. 20 представлены примерные операции для оптической системы связи с повышенной надежностью в соответствии с аспектами настоящего изобретения;
на фиг. 21A представлено перспективное изображение модуля блока усиления и одной стороны поддонной установки, используемой во втором примере оптического ретранслятора, в соответствии с аспектами настоящего изобретения;
на фиг. 21B представлено перспективное изображение модуля блока усиления, проиллюстрированного на фиг. 21A, вставленного в поддонную установку;
на фиг. 22 представлено перспективное изображение печатной монтажной платы, используемой во втором примере оптического ретранслятора, в соответствии с аспектами настоящего изобретения;
на фиг. 23 представлено перспективное изображение второй стороны поддонной установки, проиллюстрированной на фиг. 21A, с печатной монтажной платой, проиллюстрированной на фиг. 22;
на фиг. 24 представлен перспективное изображение в частичном разрезе поддонной установки, используемой во втором примере оптического ретранслятора;
на фиг. 25A представлено перспективное изображение одной стороны части второго примера оптического ретранслятора;
на фиг. 25B представлено перспективное изображение противоположной стороны части оптического ретранслятора, проиллюстрированной на фиг. 25A;
на фиг. 26A представлено перспективное изображение одной стороны второго примера оптического ретранслятора;
на фиг. 26B представлено перспективное изображение другой стороны оптического ретранслятора, проиллюстрированного на фиг. 27A; и
на фиг. 27 представлено перспективное изображение одного конца второго примера оптического ретранслятора.
Подробное раскрытие настоящего изобретения
Системы и способы, описанные в настоящем документе, являются подходящими для передачи оптических сигналов на длинные расстояния и выполнены с возможностью обеспечения мощности накачки, используемой для усиления входного оптического сигнала. Мощность накачки обеспечивается посредством волоконных лазерных систем с накачкой, которые содержат источники накачки лазерных диодов и волоконный резонатор (активное волокно). Многочисленные источники накачки лазерных диодов могут быть совместно уплотнены в волоконный резонатор, что позволяет увеличивать число лазерных диодов до любого желательного уровня. В отличие от системы, представленной на фиг. 1, где два лазерных диода обеспечивают накачку двух усилителей, волоконные лазерные системы с накачкой, которые описаны в настоящем документе, повышают надежность (и возможность резервирования) оптической системы связи в том смысле, что потеря одного лазерного диода приводит к меньшей потере мощности накачки для усилителя. Например, вместо каждой двунаправленной волоконной пары, имеющей свою пару источников накачки, схемы накачки, которые представлены в настоящем документе, позволяют источникам накачки осуществлять накачку множества двунаправленных (или однонаправленных) пар. Согласно одному примеру, описанные системы могут обеспечивать две волоконные системы накачки, способные осуществлять накачку четырех усилителей (как представлено на фиг. 2A и 2B и подробно обсуждается ниже). Для предложенной системы согласно описанию настоящего изобретения, в которой присутствуют две волоконные лазерные системы с накачкой, каждая из которых содержит N/2 диодов, которые осуществляют накачку N усилителей, неисправность одного диода приводит к потере 1/N мощности накачки для каждого усилителя. Кроме того, чтобы восстановить полную мощность накачки, остальные источники накачки должны увеличивать свою мощность накачки в 1/(N-1) раз. При увеличении числа N воздействие неисправности одного диода уменьшается, а также снижается требуемый уровень мощности от каждого оставшегося лазерного диода, который необходим для восстановления полной мощности накачки. Это позволяет эксплуатировать оставшиеся работоспособными лазерные диоды с накачкой на уровне, составляющем менее чем 100% их соответствующий допустимой мощности, что не приводит к сокращению их действующего срока эксплуатации.
Предложенная схема накачки может быть легко масштабирована таким образом, что при увеличении числа волокон мощность накачки может быть увеличена без значительного увеличения помещения, занимаемого волоконным источником накачки или ретранслятором. Это означает, что размер корпуса ретранслятора не должен увеличиваться при создании дополнительной мощности, таким образом, могут быть использованы существующие кабельные барабаны и другие компоненты, которые использует судно-кабелеукладчик, выполненное с возможностью укладки кабеля.
Оптический ретранслятор, в котором используются волоконные лазерные системы с накачкой, описанные в настоящем документе, способны обеспечивать усиление для большего числа волоконных пар с использованием такого же уровня доступной мощности по сравнению с существующими подводными ретрансляторами. Кроме того, описанный оптический ретранслятор имеет такие размеры, которые не превосходят размеры существующих подводных ретрансляторов.
Одна примерная оптическая системы связи в соответствии с аспектами настоящего изобретения обозначена в целом условным номером 100 на схематической иллюстрации, приведенной на фиг. 2A. Система 100 содержит по меньшей мере одну волоконную лазерную систему с накачкой 110, а в примере, который представлен на фиг. 2A, присутствуют два волоконные лазерные системы с накачкой, обозначенные условными номерами 110a и 110b, хотя следует понимать, что системы, в которых содержатся более чем две волоконные лазерные системы с накачкой, также находятся в пределах объема настоящего изобретения. Система 100 также содержит по меньшей мере один элемент комбайнера-сплиттера 132, который сконфигурирован в примере на фиг. 2A как ряд элементов комбайнеров-сплиттеров 130, в котором присутствуют элементы комбайнеров-сплиттеров 132a, 132b и 132c. Система 100 также содержит N легированных волоконных усилителей 120, где число N составляет 4, которые обозначены условными номерами 120a, 120b, 120c и 120c, например, как представлено на фиг. 2A. Что касается числа волоконных лазерных систем с накачкой, следует понимать, что число легированных волоконных усилителей может составлять более чем 4 в зависимости от конфигурации системы.
Каждая из первой и второй волоконных лазерных систем 110a и 110b с накачкой сконфигурирована таким образом, в ней присутствует соответствующий одномодовый волоконный выход 119a и 119b, и каждый из них выпускает соответствующее излучение первого и второго лазеров с накачкой. При использовании в настоящем документе термином «мода» обозначена направляемая мода, и одномодовое волокно представляет собой оптическое волокно, предназначенное, главным образом, для поддержки единственной моды, в то время как многомодовое оптическое волокно предназначено, главным образом, для поддержки основной моды и по меньшей мере одной моды высшего порядка. При использовании в настоящем документе термины «одномодовый» и «многомодовый» означают поперечные моды.
1
2
j
Оптическая схема одной примерной волоконной лазерной системы 110 с накачкой представлена на фиг. 6. Конфигурация, представленная на фиг. 6, иллюстрирует концевую конфигурацию накачки, но боковая конфигурация накачки также находится в пределах объема настоящего изобретения. Волоконная лазерная система 110 с накачкой содержит лазерный диодный модуль 107, расположенный в корпусе, в котором находится источник излучения, содержащий по меньшей мере два лазерных диода 112 и 112, причем возможно присутствие вплоть до j лазерных диодов (112). Число лазерных диодов 112 может зависеть от одного или нескольких факторов, представляющих собой конкретное применение (например, расстояние, которое должен покрывать подводный ретранслятор), допустимую выходную мощность лазерного диода и желательный уровень резервирования. Согласно одному варианту осуществления волоконная лазерная система 110 с накачкой содержит два лазерных диода. Согласно другим вариантам осуществления волоконная лазерная система 110 с накачкой содержит более чем два лазерных диода. Согласно некоторым вариантам осуществления волоконная лазерная система 110 с накачкой может содержать N/2 лазерных диодов, где число N имеет значение, составляющее по меньшей мере четыре и делящееся на два. Следует понимать, что число лазерных диодов можно масштабировать, чтобы соответствовать желательной мощности накачки.
1
j
Каждый лазерный диод от 112 до 112 выпускает свет, который фокусируется посредством линзы объектива 117 на расположенный выше по потоку конец выходного волокна 115 диодного модуля. В соответствии с разнообразными аспектами, лазерный диодный модуль 107 в сочетании с выходным волокном 115 диодного модуля называется термином «многомодовый гибкий диодный лазерный модуль». Выходное волокно 115 диодного модуля направляет свет, излученный из диодного модуля 107 во входное пассивное волокно 118, которое содержит полностью отражающее зеркало 8, которое составляет часть блока усиления, в котором также присутствуют активное волокно 114 и частично отражающее зеркало 9, вписанное в выходное пассивное волокно 119.
Согласно одному варианту осуществления каждый лазерный диод 112 может быть выполнен с возможностью обеспечения мощности (т.е. максимальной мощности), составляющей приблизительно 1 Вт. Однако в течение фактической эксплуатации лазерный диод 112 может быть выполнен с возможностью обеспечения менее чем максимальной мощности, такой как мощность, составляющая от 1/3 до 1/2 Вт. Например, контроллер 160 (который представлен на фиг. 2A) может регулировать эксплуатацию лазерного диода 112 на уровне, составляющем менее чем 100% максимальной возможной выходной мощности, что, как разъясняется выше, увеличивает срок эксплуатации лазерного диода. Каждый лазерный диод 112 выполнен с возможностью выпуска многомодового лазерного излучение при такой длине волны, что оно способно поглощаться активным легирующим веществом в сердцевине активного волокна 114. В тех случаях, где иттербий используется для легирования сердцевины активного волокна 114, лазерные диоды 112 могут излучать свет при длине волны в диапазоне от 910 нм до 950 нм, и согласно некоторым вариантам осуществления лазерные диоды 112 могут излучать свет при длине волны в диапазоне от 915 до 925 нм.
Контроллер 160 может содержать один или несколько процессоров с обратной связью и схемой управления для измерения или иной оценки выходной мощности каждого из лазерных диодов 112 и обеспечения управления с обратной связью в отношении выходной мощности каждого лазерного диода. Таким образом, контроллер 160 способен определять, когда лазерный диод выходит из строя, и, следовательно, может обеспечивать соответствующий ответ (например, увеличивать выходную мощность остальных лазерных диодов).
Выходное волокно 115 диодного модуля волоконной лазерной системы 110 с накачкой расположено между лазерными диодами 112 и входным пассивным волокном 118 блока усиления, в котором также присутствует активное волокно 114. Активное волокно 114 волоконной лазерной системы 110 с накачкой образовано из волоконной секции, имеющей сердцевину, которая легирована ионами иттербия (Yb), причем в некоторых случаях она может быть дополнительно легирована эрбием (Er). Волоконная лазерная система 110 с накачкой также содержит входное 118 и выходное 119 пассивные оптические волокна, расположенные на любом конце активного волокна 114, причем в каждом из них присутствует брэгговская отражательная дифракционная решетка 8 и 9, соответственно. Отражательные дифракционные решетки 8 и 9 функционируют как лазерные объемные резонаторные зеркала, как смогут понять специалисты в данной области техники, и определяют выходную длину волны волоконной лазерной системы 110 с накачкой. Волоконная брэгговская дифракционная решетка 8 сконфигурирована как полностью отражающая волоконная брэгговская дифракционная решетка (HR FBG), а волоконная брэгговская дифракционная решетка 9 сконфигурирована как частично отражающая волоконная брэгговская дифракционная решетка (PR FBG).
1
j
Согласно одному варианту осуществления выходное волокно 115 диодного модуля сконфигурировано как многомодовое пассивное волокно. Выходной пучок от линзы объектива 117 лазерного диодного модуля 107 составляют пространственно уплотненные индивидуальные световые пучки от лазерных диодов от 112 до 112. Это многомодовое выходное излучение лазерного диода направляется в расположенный выше по потоку (или входной) конец многомодового пассивного волокна 115, которое имеет оболочку, диаметр которой по своему размеру практически соответствует поперечно и боковой ширине выходного пучка от многомодовых лазерных диодов. Как представлено на фиг. 7A, многомодовое пассивное волокно 115 сконфигурировано с коническим свободным концом 116 (подробно обсуждается ниже), который имеет меньший диаметр, чем диаметр расположенного выше по потоку или входного конца. Выходной диаметр адиабатически конического свободного конца 116 многомодового пассивного волокна 115 сконфигурирован таким образом, что диаметр модового поля (MFD) соответствует поперечному сечению оболочки входного пассивного волокна 118, сращенного с выходным концом многомодового пассивного волокна 115.
Что касается общей структуры, сердцевина и оболочка многомодового пассивного волокна 115 сконфигурированы как поперечное сечение в форме бутылочного горлышка при наблюдении в направлении продольной оси волокна. Поперечное сечение соответствующей сердцевины и оболочки содержит имеющие одинаковые размеры входную концевую область и среднюю область, а также имеющую сужающиеся размеры выходную концевую область (расположенную у вершины конуса). Сердцевина имеющих одинаковые размеры входной области и средней области имеет диаметр, который составляет более чем диаметр сердцевин выходной концевой области. Как представлено на фиг. 7A, усеченно-коническая выходная область соединяется со средней и выходной областями. Оболочка многомодового пассивного волокна 115 может иметь комплементарное поперечное сечение по отношению к поперечному сечению сердцевины (как представлено на фиг. 7A) или может иметь однородное поперечное сечение. Согласно определенным аспектам концевая область в форме бутылочного горлышка может быть значительно короче, чем средняя область, и иметь такие размеры, чтобы предотвращать проявление нелинейных эффектов.
Входной (расположенный выше по потоку) конец пассивного входного волокна 118 имеет торцевое сращивание с коническим свободным концом 116 многомодового пассивного волокна 115, и выходной (расположенный ниже по потоку) конец пассивного входного волокна 118 имеет торцевое сращивание с активным волокном 114, как представлено на фиг. 7A. Входное пассивное волокно 118 сконфигурировано с одномодовой сердцевиной и многомодовой оболочкой, причем решетка HR FBG 8 вписана в одномодовую сердцевину. Активное волокно 114 (также называемая термином «активное усиливающее волокно») сконфигурировано с одномодовой сердцевиной и многомодовой оболочкой. Многомодовое излучение, распространяющееся через многомодовое пассивное волокно 115, проходит через многомодовую оболочку пассивного входного волокна 118 и распространяется через область сращивания в активное волокно 114, причем многомодовая оболочка активного волокна 114 направляет многомодовое излучение накачки, и одномодовый сердцевина поглощает многомодовое излучение накачки по длине активного волокна 114, что должны понимать специалисты в данной области техники. Выходное пассивное волокно 119 сконфигурировано с одномодовой сердцевиной и также может быть упомянуто как одномодовое подводящее или выходное волокно волоконной лазерной системы 110 с накачкой. Одномодовое выходное волокно 119 имеет торцевое сращивание с выходным концом активного волокна 114. Остаточное многомодовое излучение накачки, распространяющееся в многомодовой оболочке активного волокна 114, рассеивается в область сращивания между активным волокном 114 и одномодовым выходным волокном 119, в то время как одномодовое излучение накачки распространяется через область сращивания между указанными волокнами таким образом, что одномодовое излучение выходит из волоконной лазерной системы 110 с накачкой.
Одномодовые сердцевины входного пассивного волокна 118, активного волокна 114 и выходного пассивного волокна 119 выполнены с возможностью оптического соответствия друг другу для целей сокращения до минимума оптических потерь. Пассивные волокна 118 и 119 и активное волокно 114 сконфигурированы с соответствующими значениями MFD, которые практически соответствуют друг другу. Сердцевина активного волокна 114 имеет такие размеры, что MFD входного пассивного волокна 118, который поддерживает одномодовый свет, практически соответствует значению MFD активного волокна 114. Аналогичным образом, MFD активного волокна 114 практически соответствует значению MFD одномодового выходного волокна 119, таким образом, что свет, распространяющийся через область торцевого сращивания между волокнами 114 и 119, не испытывает какую-либо существенную потерю мощности.
Геометрические формы, т.е. формы поперечного сечения сердцевины и оболочки входного пассивного волокна 118, активного волокна 114 и выходного пассивного волокна 119 также сконфигурированы таким образом, чтобы соответствовать друг другу. Как представлено на фиг. 7A, диаметры сердцевины и оболочки активного волокна 114 совпадают с соответствующими диаметрами сердцевины и оболочки пассивных входных и выходных волокон 118 и 119. Торцевое сращивание осуществляется таким образом, что одномодовые сердцевины волокон 118 и 119 оказываются ориентированными по отношению к одномодовой сердцевине активного волокна 114. Кроме того, на фиг. 7A представлено, что диаметры сердцевины и оболочки многомодового пассивного волокна 115 сужаются вследствие формы бутылочного горлышка, что совпадает с соответствующими диаметрами сердцевины и оболочки пассивного одномодового волокна 118. Входной и выходной концы активного волокна 114 сконфигурированы таким образом, чтобы совпадать в геометрическом и оптическом (MFD) отношениях с соответствующими выходным концом пассивного входного волокна 118 и входным концом одномодового выходного волокна 119.
Определенные волокна, используемые в волоконной лазерной системе с накачкой 110, сконфигурированы как фотонное кристаллическое волокно (PCF). В частности, многомодовое пассивное волокно 115, входное пассивное одномодовое волокно 118 и активное волокно 114 сконфигурированы как PCF.
2
2
5
2
Согласно одному варианту осуществления волокно PCF сконфигурировано как имеющее двойную оболочку волокно PCF, для которого одно примерное поперечное сечение представлено на фиг. 8A. Первая оболочка 104 окружает сердцевину 102, и вторая (содержащая воздушные отверстия) оболочка 106 окружает первую оболочку 104. Согласно некоторым вариантам осуществления сердцевина 102 состоит из двойного оксида кремния и фосфора (SiO-PO), а в случае активного волокна 114 сердцевина легирована иттербием, как обсуждается выше. Согласно другим вариантам осуществления сердцевина представляет собой алюмосиликатный материал. Первый оболочка 104 содержит кварц, который легирован одним или несколькими материалами, воздействующими на показатель преломления, такими как германий (Ge), фосфор (P), фтор (F) и т. д., а также оксиды указанных элементов. Согласно некоторым вариантам осуществления один или несколько уменьшающих показатель преломления материалов (например, Ge и/или P и/или соответствующие оксиды) используются в качестве легирующих материалов, вводимых в (SiO) первой оболочки 104. Легирование осуществляется таким образом, что показатель преломления первой оболочки 104 составляет менее чем показатель преломления сердцевины 102. Множество воздушных отверстий образуют вторую оболочку 106. Воздушные отверстия сконфигурированы как ориентированные в продольном направлении и наполненные воздухом капилляры, которые проходят параллельно по отношению к сердцевине 102. Наружная оболочка 108 из полимерного материала окружает воздушные отверстия второй оболочки 106. Поперечное сечение, которое проиллюстрировано на фиг. 8A, представляет собой пример входного пассивного волокна 118 и активного волокна 119.
Поперечное сечение волокна PCF, которое образует многомодовое пассивное волокно 115, представлено на фиг. 8B. Многомодовую сердцевину 101 окружает имеющая воздушные отверстия оболочку 106, которую, в свою очередь, окружает наружная оболочка 108.
Профиль показателя преломления (идеализированный) по диаметру активного волокна PCF 114 (и пассивного входного волокна 118) представлен на фиг. 9. Волокно имеет базовый профиль показателя преломления, заключающийся в том, что первая оболочка 104 имеет показатель преломления, который составляет менее чем показатель преломления сердцевинной области 102, и вторая (содержащая воздушные отверстия) оболочка 106 имеет показатель преломления, который составляет менее чем показатели преломления первой оболочки 104 и сердцевины 102. Таким образом, показатель преломления уменьшается постепенным образом в направлении наружу от сердцевины к первой и второй оболочкам 102 и 104.
Оптическая схема, проиллюстрированная на фиг. 7B, представляет собой одну примерную конфигурацию для тех случаев, когда волокна PCF используются в волоконной лазерной системе с накачкой 110. Многомодовое излучение от лазерных диодов 112 направляется в сердцевину 101 и оболочку 106 пассивного волокна 115. Это световое излучение накачки многомодового лазерного диода затем направляется оболочкой многомодового пассивного волокна 115 в оболочку входного пассивного волокна 118. Как представлено на фиг. 7B, многомодовое пассивное волокно имеет конический свободный конец 116, выпуск которого сконфигурирован таким образом, что диаметр модового поля (MFD) соответствует значению MFD входного пассивного волокна 118, сращенного с выходным концом многомодового пассивного волокна 115. Это многомодовое излучение накачки затем направляется в активное волокно 114, где его поглощает одномодовая легированная сердцевина. Пассивное выходное волокно 119 не сконфигурировано как PCF, и, таким образом, остаточное многомодовое излучение, направляемое из активного волокна 114, прекращается у входного конца пассивного выходного волокна 119 и рассеивается в сращивании между активным волокном 114 и пассивным выходным волокном 119. Одномодовое излучение накачки, которое распространяется посредством волоконной лазерной системы 110 с накачкой через одномодовое пассивное выходное волокно 119, генерирует объемный резонатор Фабри-Перо, который образуют решетка HR FBG 8, вписанная в пассивное входное волокно 118, активное волокно 114, и решетка PR FBG 9, вписанная в одномодовое пассивное выходное волокно 119.
Применение PCF в качестве активного волокна 114 допускает, что длина активного волокна 114 может быть короче, чем в системах, в которых используются боковые конфигурации накачки или концевые конфигурации накачки без применения PCF. Помимо обеспечения меньшего размера, сокращение длины усиливающей среды повышает порог для нежелательных нелинейных эффектов.
Одномодовое излучение волоконной накачки, которое генерирует волоконная лазерная система 110 с накачкой через пассивное выходное волокно 119, может иметь мощность, составляющую по меньшей мере 2 Вт. Однако в течение эксплуатации волоконная лазерная система 110 с накачкой может обеспечивать выходную мощность, составляющую менее чем 1 Вт. Один или несколько контроллеров 160 (проиллюстрированных, например, на фиг. 2A) регулируют выходную мощность волоконной лазерной системы 110 с накачкой. Согласно одному варианту осуществления волоконная лазерная система 110 с накачкой имеет эффективность преобразования электрической энергии в оптическую, составляющую приблизительно 20% в диапазоне выходной мощности от 400 мВт до 800 мВт, а при повышении тока возбуждения это значение может быть дополнительно увеличено.
Конфигурация, в которой, например, присутствует волоконный лазер в источнике накачки волоконной лазерной системы 110 с накачкой, допускает более высокую мощность световое излучение накачки при длине волны накачки, с которой должна сочетаться сердцевина легированного волоконного усилителя 120 (EDFA) по сравнению с лазерными диодами, которые самостоятельно обеспечивают мощность накачки. Многомодовое волокно 115 обладает способностью направления светового излучения накачки, имеющего более высокую оптическую мощность, которое затем распространяется как высокоинтенсивное излучение в сердцевину активного волокна 114, и в результате этого увеличивается мощность, которую обеспечивает волоконная лазерная система 110 с накачкой. Концевая накачка сердцевины легированного волоконного усилителя 120 с этой более высокой мощностью накачки упрощает более эффективное поглощение ионами легирующего вещества усилителя, и, таким образом, повышается способность усиления (по сравнению с индивидуальными лазерными диодами). Таким образом, большее число усилителей и, следовательно, большее число (входных) волоконных пар может быть размещено без изменения входной мощности, требуемой для накачки.
Оптическая система связи 100 также содержит по меньшей мере один элемент комбайнера-сплиттера 132, который сконфигурирован как сварной волоконно-оптический соединитель, который своим действием объединяет излучение лазера с накачкой, передаваемое волоконными лазерными системами с накачкой 110a и 110b, которые расщепляют объединенный оптический сигнал на желательные части. В примере, представленном на фиг. 2A, присутствует ряд элементов комбайнеров-сплиттеров 130, в числе которых присутствует первый элемент комбайнера-сплиттера 132a, который находится в оптическом соединении с излучением накачки 119a выходного волокна волоконной лазерной системы 110a с накачкой и излучением накачки 119b выходного волокна волоконной лазерной системы 110b с накачкой. Первый элемент комбайнера-сплиттера 132a объединяет излучение накачки 119a и 119b (оптические сигналы) выходного волокна и выпускает первую часть 125a и вторую часть 125b излучения лазера с накачкой. Согласно некоторым вариантам осуществления каждый элемент комбайнера-сплиттера 132 сконфигурирован как соединитель в соотношении 50/50, который известен в технике. Согласно другим вариантам осуществления один или несколько комбайнеров-сплиттеров 132 могут быть выполнены с возможностью расщепления излучения лазера с накачкой на неравные части.
Первая и вторая части 125a и 125b излучения лазера с накачкой могут быть введены в пару элементов комбайнеров-сплиттеров 132b и 132c, которые расположены ниже по потоку по отношению к элементу комбайнера-сплиттера 132a. В примере, представленном на фиг. 2A, элемент комбайнера-сплиттера 132b сконфигурирован как сплиттер, который принимает первую часть 125a лазерного излучения с накачкой и расщепляет ее для выпуска третьей части 126a лазерного излучения с накачкой и четвертой части 126b лазерного излучения с накачкой. Аналогичным образом, элемент комбайнера-сплиттера 132c также сконфигурирован как сплиттер, который принимает вторую часть 125b лазерного излучения с накачкой, которая расщепляется на пятую и шестую части 126c и 126d излучения лазера с накачкой, соответственно. Каждая из третьей, четвертой, пятой и шестой частей 126a, 126b, 126c и 126d излучения лазера с накачкой, соответственно, используется для накачки одного из N легированных волоконных усилителей 120 (в данном примере 120a, 120b, 120c и 120d, соответственно) оптической системы связи 100.
Далее снова рассмотрим фиг. 2B, где оптическая система 100 является идентичной системе, которая представлена на фиг. 2A, за исключением того, что согласно этому примеру по меньшей мере один элемент комбайнера-сплиттера 132 изготовлен в конфигурации 2xN. Комбайнер-сплиттер 2xN находится в оптическом соединении с излучением накачки 119a выходного волокна волоконной лазерной системы 110a с накачкой и излучением накачки 119b выходного волокна волоконной лазерной системы 110b с накачкой и выходами N частей 126a, 126b, 126c и 126d (число которых в данном примере равно четырем) излучения лазера с накачкой, которые затем используются для накачки легированных усилителей 120a, 120b, 120c и 120d, соответственно.
Каждая из волоконных лазерных систем 110a и 110b с накачкой генерирует излучение накачки при длине волны, подходящей для накачки легированного волоконного усилителя 120, который, как правило, легирован эрбием. Таким образом, каждая из волоконных лазерных систем 110a и 110b с накачкой может генерировать излучение накачки при длине волны в диапазоне с центром приблизительно при 980 нм. Согласно по меньшей мере одному варианту осуществления волоконная лазерная система 110 с накачкой генерирует излучение при длине волны в диапазоне от 975 нм до 985 нм. Согласно одному варианту осуществления волоконная лазерная система 110 с накачкой генерирует излучение при длине волны в диапазоне от 976 нм до 983 нм.
В соответствии с некоторыми вариантами осуществления волоконные лазерные системы 110a и 110b с накачкой могут быть выполнены с возможностью выпуска излучения накачки при различных значениях длины волны. Например, волоконная лазерная система 110a с накачкой может быть выполнена с возможностью выпуска излучения накачки при длине волны, составляющей приблизительно 978 нм, и волоконная лазерная система 110b с накачкой может быть выполнена с возможностью выпуска излучения накачки при длине волны, составляющей приблизительно 983 нм. В зависимости от конфигурации, после объединения посредством по меньшей мере одного элемента комбайнера-сплиттера 132 части излучение лазера с накачкой имеют длину волны, составляющую приблизительно 980 нм. Это также иллюстрирует оптическая схема на фиг. 5, которая представляет собой частичную схему.
Система 100 также содержит N селективных соединителей 150 по длине волн, причем в примере, представленном на фиг. 2A и 2B, присутствуют четыре селективных соединителя 150a, 150b, 150c и 150d по длине волн. Каждый селективный соединитель 150 по длине волн расположен между по меньшей мере одним элементом комбайнера-сплиттера 132 и легированным волоконным усилителем 120 и выполнен с возможностью соединения входного оптического сигнала 105, который подлежит усилению, и излучения лазера с накачкой 126 в выход, который содержит легированный волоконный усилитель 120, таким образом, что входной оптический сигнал 105 и излучение лазера с накачкой 126 могут распространяться одновременно через легированный волоконный усилитель 120. Например, входной оптический сигнал 105a и часть лазерного излучения с накачкой 126a соединяют посредством волоконного комбайнера 150a и направляют в легированный волоконный усилитель 120a. Согласно по меньшей мере одному варианту осуществления селективный соединитель 150 по длине волн сконфигурирован как соединитель спектрального уплотнения каналов (WDM), который известен в технике.
Легированный волоконный усилитель 120 сконфигурирован как одномодовое волокно с сердцевиной, которая легирована эрбием (Er), и которая в некоторых случаях может быть дополнительно легирована иттербием (Yb). Хотя это специально не представлено на фигурах, пассивное одномодовое входное волокно от соединителя WDM 150 сращено с входным концом легированное эрбием волокно 120, и пассивное одномодовое выходное волокно сращено с выходным концом легированного эрбием волокна 120 (в результате чего образуется блок усиления). Легированное эрбием волокно 120 усиливает входной оптический сигнал 105 с применением излучения лазера с накачкой 126, которое обеспечено при длине волны, составляющей 980 нм. Согласно некоторым вариантам осуществления усилитель EDFA имеет оптическую выходную мощность, составляющую по меньшей мере +15 дБ, и согласно одному варианту осуществления она составляет +17 дБ.
Входной сигнал 105 имеет широкий диапазон длины волны, составляющий, например, 40 нм, и согласно одному примеру входной сигнал может иметь длину волны в диапазоне от 1528 нм до 1566 нм. Таким образом, усилитель EDFA выполнен с возможностью генерировать усиление в спектральном диапазоне, ширина которого составляет по меньшей мере 30 нм.
Система 100 также содержит один или несколько оптических изоляторов 140, которые известны в технике. Изолятор 140 может быть расположен ниже по потоку по отношению к усилителю EDFA 120, чтобы предотвращать направление обратного отражения назад вверх по потоку в усилитель и/или лазерные диоды. Система 100 также содержит один или несколько сглаживающих фильтров спектра усиления (GFF) 145, которые известны в технике и расположены ниже по потоку по отношению к изолятору 140. GFF расположен после выходного изолятора, чтобы сглаживать спектр усиления.
Усиленный световой сигнал выходит через подводящее или передающее волокно 155. Блок усиления EDFA 124 (каждый представлен как 124a, 124b, 124c и 124d на фиг. 2A и 2B) своим действием усиливает входной оптический сигнал 105 и может содержать уплотнитель 150, легированный волоконный усилитель 120, изолятор 140 и GFF 145 с подводящим волокном 155 в качестве выхода блока усиления 124.
a
b
ab
ab/2
ab/2
ab/2
Pab/4
ab/4
Далее рассмотрим фиг. 5, где представлена оптическая схема части оптической системы связи 100, описанной выше по отношению к фиг. 2A. Согласно определенному варианту осуществления волоконная лазерная система 110a с накачкой выполнена с возможностью выпуска излучения накачки при длине волны, составляющей приблизительно 978 нм, и волоконная лазерная система 110b с накачкой выполнена с возможностью выпуска излучения накачки при длине волны, составляющей приблизительно 983 нм. После объединения посредством по меньшей мере одного элемента комбайнера-сплиттера 132a излучение лазера с накачкой имеет длину волны, составляющую приблизительно 980 нм (допуская расщепление в соотношении 50/50). Излучение лазера с накачкой, имеющее мощность P от волоконной лазерной системы 110a с накачкой, и излучение лазера с накачкой, имеющее мощность P от волоконной лазерной системы 110b с накачкой, объединяются посредством комбайнера-сплиттера 132a в излучение лазера с накачкой P, которое расщепляется на две части P (1) (что представлено как 125a на фиг. 5) и P (2), каждая из которых распространяется при длине волны, составляющей 980 нм. Таким образом, излучение волоконного лазера с накачкой часть 125a имеет мощность P, которая снова расщепляется сплиттером 132b еще на две части  (1) (что представлено как 126a на фиг. 5) и P (2), каждая из которых имеет длину волны, составляющую 980 нм, и мощность (допуская расщепление в соотношении 50/50), которая составляет одну четверть объединенной мощности накачки от 110a и 110b. Это излучение накачки вводится в легированный эрбием усилитель 120a вместе с входным сигналом 105a, который усиливают и затем выпускают через подводящее волокно 155a. Усиление EDFA может находиться в диапазоне, составляющем приблизительно от 10 до 20 дБ, и в некоторых случаях оно может составлять более чем 20 дБ. Например, согласно одному варианту осуществления усиление EDFA составляет 22 дБ.
Оптические системы связи 100 на фиг. 2A и 2B сконфигурированы как двунаправленные, таким образом, что по меньшей мере один входной оптический сигнал (например, 105a, 105c), принятый одним из легированных волоконных усилителей 120, распространяется в первом направлении, и по меньшей мере один входной оптический сигнал (например, 105b, 105d), принятый другим легированным волоконным усилителем распространяется во втором направлении, которое отличается и в некоторых случаях является противоположный, первый направление. Согласно другие варианты осуществления, оптическая система связи может быть сконфигурирована как однонаправленная, как представлено в оптических системах связи 200 и 300 на фиг. 3 и 4, соответственно. Согласно другим вариантам осуществления две или более оптических систем связи могут содержаться в оптическом ретрансляторе, где один система усиливает входные оптические сигналы из одного направления, а другая система усиливает входные оптические сигналы из другого направления. Например, обе системы 200 и 300 могут содержаться в едином ретрансляторе. Таким образом, одна пара или набор волоконных лазерных систем с накачкой будет усиливать входные сигналы из одного направления, и вторая пара или набор лазерных систем с накачкой будет усиливать входные сигналы из противоположного направления.
В соответствии с другим аспектом настоящего изобретения, компоненты оптической системы связи, которая обсуждается выше, может содержаться в подводном оптическом ретрансляторе. Оптический ретранслятор может содержать множество волоконных лазерных систем с накачкой 110 и множество установок блоков усиления 124, которые описаны выше. Один пример такого оптического ретранслятора представлен на фиг. 10-19, причем перспективные изображения оптического ретранслятора 1070 представлены на фиг. 17-19. Как подробно описано ниже, компоненты оптического ретранслятора, которые представлены на фиг. 10-14, выполнены с возможностью приема шести волоконных пар и усиления содержащихся в них входных сигналов с применением шести модулей блоков усиления, в каждом из которых присутствуют два EDFA с накачкой от двух волоконных лазерных систем с накачкой. Оптический ретранслятор в конфигурации с шестью волоконными парами имеет усиление, составляющее 14 дБ, и выходную мощность, составляющую +17 дБ. Однако следует понимать, что оптические ретрансляторы, выполненные с возможностью приема более чем шести волоконных пар, в том числе 12, 16, 18, 24 и более волоконных пар, также находятся в пределах объема настоящего изобретения на основании описания в настоящем документе. Например, на фиг. 21-27 представлен оптический ретранслятор, имеющий конфигурацию с 12 волоконными парами и сконструированный согласно описанию, которое содержится в настоящем документе. Число лазерных диодов 112, которые содержатся в волоконной лазерной системе с накачкой 110, может быть увеличено, и/или число волоконных лазерных систем с накачкой 110 и/или число усилителей EDFA в расчете на модуль EDFA может быть увеличено (как подробно описано ниже) в ретрансляторе для размещения увеличенного числа волоконных пар.
Далее рассмотрим фиг. 10A и 10B, где представлена поддонная установка усилителя 1072 в сочетание с двумя модулями блоков усиления 1028. Поддонная установка усилителя 1072 имеет первую сторону или поверхность 1074, содержащую множество углублений 1075, причем каждое из них имеет такие размеры, которые обеспечивают размещение модуля блока усиления 1028. На фиг. 10B представлены модули блоков усиления 1028, расположенные в соответствующих углублениях 1075. В данном примере каждый модуль блока усиления 1028 содержит по меньшей мере две установки блоков усиления EDFA 124 (которые не представлены определенным образом на фигурах), как описано выше. Например, каждая установка блоков усиления EDFA содержит легированное эрбием волокно 120, изолятор 140, GFF 145 и по меньшей мере один WDM 150. Модуль блока усиления 1028 также содержит элементы комбайнеров-сплиттеров 132, которые описаны выше.
Хот в примере, представленном на фиг. 10A и 10B, присутствуют два модуля блоков усиления, и в каждом из них содержатся две установки блоков усиления EDFA, следует понимать, что в других конфигурациях могут присутствовать более чем два модуля блоков усиления и/или модули блоков усиления, в которых содержатся более чем две установки блоков усиления EDFA.
На фиг. 11 представлена печатная монтажная плата 1080, которая содержится в оптическом ретрансляторе. Печатная монтажная плата (PCB) 1080 имеет противоположные наружные поверхности 1081a и 1081b и содержит множество фотодетекторных диодов 1083, которые расположены на одной из наружных поверхностей (в частности, в примере, представленном на фиг. 11, фотодетекторные диоды 1083 расположены на наружной поверхности 1081a). Фотодетекторные диоды 1083 своим действием обнаруживают входной сигнал 105 перед усилением.
Оптический ретранслятор также содержит поддонную установку лазера 1073, выполненную с возможностью содержания компонентов волоконной лазерной системы 110 с накачкой, которые обсуждаются выше, причем соответствующий пример представлен на фиг. 12. На одной стороне или поверхности 1076 поддонной установки лазера 1073 содержится множество углублений 1077, каждое из которых имеет размеры, обеспечивающие размещение волоконной лазерной системы 110 с накачкой. Множество каналов 1078 также расположено на поверхности 1076 поддонной установки лазера 1073, и указанные каналы 1078 выполнены с возможностью приема по меньшей мере одного из одномодовых подводящих волокон 119 волоконной лазерной системы 110 с накачкой. Каналы 1078 могут иметь такие формы и размеры, чтобы не только направлять волокно и удерживать его внутри канала, но также чтобы предотвращать неблагоприятные воздействия на волокно. Например, каналы 1078 могут иметь такие формы, чтобы в них присутствовали углы и/или радиусы кривизны, которые составляют менее чем максимальный радиус изгиба волокна. Углубления 1077, в которых содержатся волоконные лазерные системы 110 с накачкой, также могут быть расположены таким образом, что одномодовые подводящие волокна 119 могут выходить из двух (или большего числа в других конфигурациях) индивидуальных волоконных лазерных систем с накачкой 110 и объединенных в единый канал. В данном примере каждое из углублений 1077 расположено под углом.
Направляющая установка для волокон 1084 прикреплена по меньшей мере к части противоположных боковых поверхностей или концевых частей поддонной установки усилителя 1073 и представлена на фиг. 14A-14C. Направляющая установка для волокон 1084 содержит направляющие каналы 1086, которые присоединены к каналам 1078 на поверхности 1076 поддонной установки лазера 1073. Направляющая установка для волокон 1084 своим действием направляет (через направляющие каналы 1086) одномодовые подводящие волокна 119 по меньшей мере в один из модулей блоков усиления 1028, расположенных на поверхности 1074 поддонной установки усилителя 1072. Например, направляющая установка для волокон 1084 содержит две секции 1084a и 1084b (см. фиг. 14B и 14C), причем эти секции расположены на противоположных концах поддонной установки усилителя 1072. Секция 1084a содержит направляющие каналы 1086a, которые направляют волокно, содержащее оптическую энергию от двух (или большего числа в других конфигурациях) соответствующих волоконных лазерных систем с накачкой 110, по меньшей мере в один из модулей блоков усиления 1028, которые расположены на поверхности 1074 поддонной установки усилителя 1072. Секция 1084b имеет аналогичную конфигурацию.
Конфигурация, представленная на фиг. 10A, 10B, 12 и 14A-14C выполнена с такой возможностью, чтобы две волоконные лазерные системы 110 с накачкой осуществляли накачку одного модуля блока усиления 1028 (и, таким образом, двух установок блоков усиления 124). Однако согласно настоящему изобретению также являются возможными и другие конфигурации, в одном примере из которых присутствуют модули блоков усиления 1028, в которых размещены четыре установки блоков усиления 124, накачку которых обеспечивают две волоконные лазерные системы 110 с накачкой.
Поверхность 1076 поддонной установки лазера 1073 также содержит щели 1079, как представлено на фиг. 13, для размещения PCB 1080. В данном примере щели 1079 образуют внешние границы продольных сторон поверхности 1076 поддонной установки лазера 1073. Противоположная наружная поверхность 1081b (т.е. поверхность, на которой отсутствуют фотодетекторные диоды 1083) PCB 1080 может быть расположена напротив второй стороны 1076 поддонной установки лазера 1073, и, таким образом, она «покрывает» волоконные лазерные системы 110 с накачкой, когда оптический ретранслятор находится в сборе.
Кроме того, оптический ретранслятор содержит теплопроводный керамический компонент (также называется просто «керамический компонент»), пример которого представлен под условным номером 1088 на фиг. 14B и 14C. Каждая секция направляющей установки для волокон 1084a и 1084b также прикреплена к концевым частям керамического компонента 1088, как представлено на фиг. 14C. Теплопроводный керамический компонент 1088 описан в принадлежащей тому же заявителю и находящейся на рассмотрении патентной заявке США № 62/653,980, озаглавленной «Подводный оптический ретранслятор с высоковольтной изоляцией» и поданной 06 апреля 2018 года, которая включена в настоящий документ посредством ссылки и обозначена в настоящем документе как «заявка ‘980». Керамический компонент 1088 отделяет поддонную установку усилителя 1072 от поддонной установки лазера 1073. Одна сторона продольной поверхности керамического компонента 1088 расположена рядом с противоположной стороной поверхности 1074 поддонной установки усилителя 1072, в которой содержатся модули блоков усиления 1028. Противоположная сторона продольной поверхности керамического компонента 1088 расположена рядом с противоположной стороной поверхности 1076 поддонной установки лазера 1073, в которой содержатся волоконные лазерные системы 110 с накачкой. В некоторых случаях одна или обе из соответствующих поддонных установок усилителя и лазера 1072 и 1073 непосредственно прикреплены к керамическому компоненту 1088.
Как разъясняется в заявке ‘980, керамический компонент 1088 представляет собой плоскую конструкцию, которая своим действием обеспечивает электрическую изоляцию высоковольтных ретрансляторов от окружающей воды, а также термическое соединение ретранслятора с окружающей водой для целей поддержания температуры эксплуатации ретранслятора в пределах приемлемого температурного диапазона, т.е. упрощает теплоперенос от ретранслятора через керамический материал к окружающей воде. Керамический компонент 1088 изготовлен из материала, который имеет относительно высокую теплопроводность и относительно высокую диэлектрическую проницаемость. Неограничительные примеры такого материала представляют собой нитрид алюминия и оксид бериллия. Согласно вариантам осуществления каждый из керамических компонентов 1088 может иметь теплопроводность, составляющую более чем приблизительно 25 ватт/метр⋅кельвин (Вт/м⋅K); более чем приблизительно 50 Вт/м⋅K; более чем приблизительно 100 Вт/м∙K; более чем приблизительно 125 Вт/м⋅K; более чем приблизительно 150 Вт/м⋅K; более чем приблизительно 175 Вт/м⋅K; более чем приблизительно 200 Вт/м⋅K; более чем приблизительно 250 Вт/м⋅K или более чем приблизительно 300 Вт/м⋅K. Согласно вариантам осуществления каждый из керамических компонентов 1088 может иметь диэлектрическую проницаемость, составляющую более чем приблизительно 50 киловольт/сантиметр (кВ/см); более чем приблизительно 75 кВ/см; более чем приблизительно 100 кВ/см; более чем приблизительно 125 кВ/см; более чем приблизительно 150 кВ/см или более чем приблизительно 175 кВ/см.
Применение керамического компонента 1088 обеспечивает значительное улучшение по сравнению с предшествующими системами оптических ретрансляторов, в которых используется электрический изолятор, имеющий относительно низкую теплопроводность, чтобы изолировать относительно высоковольтные компоненты, такие как оптические соединители и схемы энергопитания, от окружающей воды при относительно низком напряжении на поверхности земли. Для таких предшествующих систем требуется значительно увеличенная площадь поверхности в целях эффективного рассеяния тепла, которое производят оптические ретрансляторы.
На фиг. 15 представлена часть оптического ретранслятора 1070, которая содержит поддонную установку усилителя 1072, поддонную установку лазера 1073, PCB 1080, направляющую установку для волокон 1084 и керамический компонент 1088, которые обсуждаются выше. Оптический ретранслятор 1070 также содержит энергораспределительный компонент 1082, который также обсуждается в заявке ‘980. Энергораспределительный компонент 1082 своим действием обеспечивает энергию для компонентов оптического ретранслятора 1070, включая диодный модуль 107 волоконной лазерной системы 110 с накачкой.
Согласно некоторым вариантам осуществления керамические компоненты 1088 могут быть расположены (вместе с другими компонентами) так, что образуется треугольная полая конструкция, как видно на изображении поперечного сечения оптического ретранслятора 1070, которое представлено на фиг. 16. Конфигурация этого типа также обсуждается в заявке ‘980. Каждая сторона треугольника изготовлена аналогичным образом и представляет собой усилитель или модуль EDFA 1098, в котором содержатся керамический компонент 1088, поддонная установка усилителя 1072 (и соответствующее содержимое), поддонная установка лазера 1073 (и соответствующее содержимое), PCB 1080, направляющая установка для волокон 1084, покровная панель 1090 (описанная ниже) и фланцы 1095 (описанные ниже). Как представлено на фиг. 16, каждая поддонная установка лазера 1073 может присоединяться к другой поддонной установке лазера вдоль наружного (продольного) края, хотя в альтернативных конфигурациях соединитель может механически присоединять одну поддонную установку к другой поддонной установке. Во внутреннем объеме треугольной конструкции также содержится энергораспределительный компонент 1082.
Перспективное изображение оптического ретранслятора 1070 также представлено на фиг. 17. Покровная панель 1090, изготовленная из теплопроводного материала прикреплена к наружной поверхности конструкции и также описана в заявке ‘980. Покровная панель 1090 способствует передаче тепловой энергии от компонентов и/или схемы, которые расположены внутри, на поверхности или вокруг полой треугольной конструкции, которую образуют керамические компоненты 1088, и поддерживается при потенциале или напряжении окружающей среды, например, при потенциале поверхности земли. В примере, который представлен на фиг. 17, покровная панель 1090 прикреплена к направляющей установке для волокон 1084 и поверхности 1074 поддонной установки усилителя 1072 и расположена рядом с модулями блоков усиления 1028 каждого модуля EDFA 1098, который образует одну сторону треугольника. Покровная панель 1090 изготовлена в форме, которую может принимать круглый кожух или корпус (например, кожух 1097 на фиг. 19), который дополнительно окружает оптический ретранслятор 1070. Например, наружная поверхность покровной панели 1090 может быть изогнутой. Согласно разнообразным вариантам осуществления теплопроводный материал 1090 может содержать любое число и/или сочетание доступных в настоящем и/или будущем времени разработанных материалов, способных эффективно и производительно передавать тепловую энергию от керамических компонентов 1088 к корпусу 1097. Согласно вариантам осуществления покровная панель 1090 может содержать один или несколько теплопроводный и электроизоляционных материалов, таких как оксид алюминия, и/или другие керамические материалы, у которых теплопроводность составляет более чем приблизительно 25 ватт/метр⋅кельвин (Вт/м⋅K); более чем приблизительно 50 Вт/м⋅K; более чем приблизительно 100 Вт/м⋅K; более чем приблизительно 125 Вт/м⋅K; более чем приблизительно 150 Вт/м⋅K; более чем приблизительно 175 Вт/м⋅K; более чем приблизительно 200 Вт/м⋅K; более чем приблизительно 250 Вт/м⋅K или более чем приблизительно 300 Вт/м⋅K.
Наружная поверхность покровной панель 1090 также включает фланцевые компоненты 1095, расположенные вдоль по меньшей мере части продольной оси оптического ретранслятора 1070. Фланцевые компоненты 1095 своим действием устанавливают положение ретранслятора 1070 и удерживают его на месте внутри круглого кожуха 1097, а также передают тепло наружному корпусу 1097 (который затем передает тепло окружающей среде). Фланцевые компоненты 1095 может быть изготовлена из металлического материала, такого как медь или медный сплав, такой как сплав меди и бериллия. В некоторых случаях фланцевый компонент 1095 может иметь двойную фланцевую конфигурацию, как представлено на фиг. 17.
Оптический ретранслятор 1070 также содержит концевую пластину монтажной стойки 1096, как представлено на фиг. 18. Концевая пластина монтажной стойки 1096 прикреплена к одной концевой части оптического ретранслятора и присоединена к установкам направляющих волокон 1084 и покровным панелям 1090 (каждой стороны треугольной конфигурации) и может быть использована для агрегации оптических волокон от каждого модуля EDFA 1098 и их расположения для направления через концевую часть ретранслятора. Обе концевые части оптического ретранслятора 1070 также содержат перегородку 1092, как представлено на фиг. 18 и 19. Перегородка 1092 может содержать концевую пластину (см., например, фиг. 18), и ее используют, чтобы закрывать корпус 1097 (описанный ниже) от окружающей среды. Таким образом, перегородка 1092 взаимодействует с корпусом 1097, образуя напорный резервуар, который содержит модули EDFA 1098 и энергораспределительный компонент 1082 и сконструирован таким образом, чтобы выдерживать высокие гидростатические давления, которые существуют в подводной среде. Кроме того, перегородка 1092 своим действием обеспечивает водонепроницаемое питание (герметическое уплотнение) для оптических волокон и источников энергопитания, проходящих от наружного кабеля внутрь напорного резервуара (и наоборот).
На фиг. 19 также представлен оптический ретранслятор 1070, расположенный внутри круглого кожуха или корпуса 1097, который своим действием защищает ретранслятор в течение установки и эксплуатации. Согласно некоторым вариантам осуществления корпус 1097 может своим действием обеспечивать герметическую защиту оптического ретранслятора от окружающей среды. Корпус 1097 может быть изготовлен из одного или нескольких металлов, неограничительные примеры которых представляют собой алюминий и/или содержащие алюминий композиции, нержавеющая сталь, бериллий и/или содержащие бериллий композиции, титан и/или содержащие титан композиции, а также аналогичные материалы. Согласно вариантам осуществления корпус 1097 может иметь теплопроводность, которая является такой же или составляет более чем теплопроводность керамического компонента 1088.
Второй пример оптического ретранслятора представлен на фиг. 21-27, причем перспективные изображения оптического ретранслятора 2070 представлены на фиг. 26A, 26B и 27. Согласно этому примеру оптический ретранслятор 2070 выполнен с возможностью приема 12 волоконных пар и усиления входных сигналов, содержащихся в них. Внутри ретранслятора 12 волоконных пар разделены на три набора по четыре волоконные пары. Каждый набор из четырех волоконных пар усилен посредством усилителей в поддоне аналогично тому, что представлено на фиг. 21A и 21B (ниже описано более подробно). Четыре волоконные лазерные системы с накачкой используются для накачки восьми усилителей EDFA в данном поддоне. Накачку каждой группы из четырех усилителей EDFA осуществляют две волоконные лазерные системы с накачкой (в такой конфигурации, которая указана на фиг. 2A). Оптический ретранслятор, имеющий конфигурацию из 12 волоконных пар, имеет усиление в диапазоне от 14 до 22 дБ и выходную мощность, составляющую +17 дБ.
Рассмотрим фиг. 21A и 21B, где поддонная установка усилителя 2072 представлена в сочетании с одним модулем блока усиления 2028. Поддонная установка усилителя 2072 имеет первую сторону или поверхность 2074, сконфигурированную с углублением 2075, размеры которого обеспечивают размещение модуля блока усиления 2028. На фиг. 21B представлен модуль блока усиления 2028, расположенный в соответствующем углублении 2075. В данном примере каждый модуль блока усиления 2028 содержит по меньшей мере восемь установок блоков усиления EDFA 124 (которые не представлены непосредственно на фигурах) и элементы комбайнеров-сплиттеров, которые описаны выше. Четыре установки усиления EDFA могут быть расположены на каждой стороне модуля блока усиления 2028.
На фиг. 22 представлена печатная монтажная плата 2080, которая содержится в оптическом ретрансляторе. Печатная монтажная плата 2080 имеет противоположные наружные поверхности 2081a и 2081b и множество фотодетекторных диодов 2083, которые расположены на наружной поверхности 2081a таким же образом, как описано выше в отношении фиг. 11.
Оптический ретранслятор также содержит поддонную установку лазера 2073, выполненную с возможностью содержания компонентов волоконной лазерной системы 110 с накачкой, которая обсуждается, причем соответствующий пример представлен на фиг. 23. Одна сторона или поверхность 2076 поддонной установки лазера 2073 содержит множество углублений 2077, каждое из которых имеет размеры, обеспечивающие размещение волоконной лазерной системы 110 с накачкой. Множество каналов 2078, выполненных с возможностью приема по меньшей мере одного из одномодовых подводящих волокон 119 волоконных лазерных систем с накачкой 110, также расположены на поверхность 2076 поддонной установки лазера 2073. Как упомянуто выше, каналы 2078 могут иметь такие формы и размеры, чтобы направлять волокно и при этом предотвращать неблагоприятные воздействия на волокно. В отличие от конфигурации, представленной на фиг. 12, указанные углубления 2077 расположены в линейной конфигурации.
Поверхность 2076 поддонной установки лазера 2073 также включает канавки или щели 2079, проходящие в продольном направлении, которые имеют размеры, подходящие для размещения PCB 2080. Как показано на фиг. 23, наружная поверхность 2081a платы PCB 2080 (т.е. поверхность, на которой находятся фотодетекторные диоды 2083) расположена напротив поверхности 2076 поддонной установки лазера. Таким образом, эта поверхность 2076 содержит углубления или другие элементы для содержания фотодетекторных диодов 2083. Эта конфигурация проиллюстрирована в вырезе противоположной стороны поддонной установки лазера 2073, как представлено на фиг. 24. Таким образом, противоположная наружная поверхность 2081b платы PCB 2080 может быть расположена снаружи поддонной установки лазера 2073, как показано на фиг. 23.
Направляющая установка для волокон 2084 прикреплена по меньшей мере к части противоположных концевых частей поддонной установки усилителя 2073 и представлена на фиг. 25A и 25B. Направляющая установка для волокон 2084 содержит направляющие каналы 2086, которые присоединены к каналам 2078 на поверхности 2076 поддонной установки лазера 2073, и каналы, которые расположены на поверхности 2074 (и на других поверхностях) поддонной установки усилителя 2072, и таким образом, функционируют таким же образом, как направляющая установка для волокон 1084, которая описана выше, в целях направления волокон, содержащих энергию накачки от волоконных лазерных систем с накачкой 110, в модуль блока усиления 2028. На поверхностях поддонной установки усилителя 2072 и поддонной установка лазера 2073 также присутствуют каналы для направления волокон.
Керамический компонент 2088, аналогичный керамическому компоненту 1088, который описаны выше и в заявке '980, также содержится в оптическом ретрансляторе и проиллюстрирован на фиг. 25A и 25B. Каждая секция направляющей установки для волокон 2084a и 2084b также прикреплена к концевым частям керамического компонента 2088, как показано на фиг. 25B. Таким же образом, как описано выше в отношении керамического компонента 1088, керамический компонент 2088 занимает промежуточное положение и отделяет поддонную установку усилителя 2072 от поддонной установки лазера 2073. Как можно видеть наиболее четко на фиг. 25A, рядом с одной стороной продольной поверхности керамического компонента 2088 расположена «обратная» сторона поддонной установки усилителя 2072 (т.е. противоположная сторона поверхности 2074, на которой находится модуль блока усиления 2028). Как представлено наилучшим образом на фиг. 26A, рядом со второй противоположной стороной продольной поверхности керамического компонента 2088 расположена «обратная» сторона поддонной установки лазера 2073 (т.е. противоположная сторона поверхности 2076, на которой находятся волоконные лазерные системы 110 с накачкой. Одна или обе установки из поддонных установок усилителя и лазера 2072 и 2073 могут быть непосредственно прикреплены к керамическому компоненту 2088.
Часть оптического ретранслятора 2070 проиллюстрирована на двух перспективных изображениях, которые представлены на фиг. 26A и 26B. Как и в случае оптического ретранслятора 1070, который описан выше и проиллюстрирован на фиг. 10-19, оптический ретранслятор 2070 может быть изготовлен в форме треугольной конструкции, которую составляют три отдельных модуля EDFA 2098 (см. фиг. 27). На фиг. 26A и 26B представлены изображения того, как поддонная установка усилителя 2072, поддонная установка лазера 2073, PCB 2080, направляющая установка для волокон 2084 и керамический компонент 2088 могут быть смонтированы друг с другом. Во внутреннем объеме треугольной конструкции содержится энергораспределительный компонент, как описано выше (но не представлено определенным образом на фиг. 26A и 26B). Как показано на фиг. 27A и 27B, во внутреннем объеме оптического ретранслятора 2070 также могут содержаться платы PCB (отдельно от PCB 2080).
Как представлено на фиг. 27, каждый модуль EDFA 2098 образует одну сторону треугольной конфигурации, в нем содержатся керамический компонент 2088, поддонная установка усилителя 2072 (и соответствующее содержимое), поддонная установка лазера 2073 (и соответствующее содержимое), плата PCB 2080, направляющая установка для волокон 2084, покровная панель 2090 (аналогичная тому, что было описано выше в отношении покровной панели 1090) и фланцы 2095 (аналогичные тому, что было описано выше в отношении фланцев 1095). Каждая поддонная установка лазера 2073 может присоединяться к другой поддонной установке лазера вдоль наружного (продольного) края, и каждая поддонная установка усилителя 2072 может присоединяться к другой поддонной установке усилителя посредством механического соединителя, как представлено на фиг. 27. Покровная панель 2090 представляет собой изогнутую конструкцию, которая изготовлена из теплопроводного материала (как описано выше), и присоединяется к наружной поверхности конструкции ретранслятора. В примере, который представлен на фиг. 27, покровная панель 2090 прикрепляется к поддонной установке усилителя 2072 и находится рядом с модулем блока усиления 2028 каждого модуля EDFA 2098. На наружной поверхности покровной панели 2090 также присутствуют фланцевые компоненты 2095, расположенные вдоль по меньшей мере части продольной оси оптического ретранслятора 2070. Как показано на фиг. 27, фланцевые компоненты 2095 также прикреплены к наружной поверхности поддонной установки усилителя 2072.
Наружная поверхность оптического ретранслятора 2070 имеет такую форму, чтобы ее мог принимать круглый кожух или корпус, аналогичный кожуху 1097 на фиг. 19, который дополнительно окружает оптический ретранслятор 2070. В конструкции оптического ретранслятора 2070 также присутствуют перегородки и концевые пластины, аналогичные тем, которые описаны выше и проиллюстрированы на фиг. 18 и 19 и не описаны здесь подробно для целей краткости.
Как обсуждается выше, способность и простота введения большего числа лазерных диодов 112 в волоконную лазерную систему с накачкой 110 обеспечивает возможность масштабирования схемы накачки. При введении увеличенного числа волокон мощность накачки может быть увеличена практически без увеличения размера волоконной системы накачки или оптического ретранслятора, в котором содержатся указанные системы с накачкой. Оптический ретранслятор 1070, а также другие конфигурации, которые согласуются с описанием настоящего изобретения, могут иметь такие размеры, представляющие собой длину и диаметр, которые обеспечивают размещение существующих подводных ретрансляторных распределительных систем, таких как кабелеукладочные компоненты, которые содержит судно-кабелеукладчик, кабельные барабаны для оптических волокон, энергопитающее оборудование и компоненты для извлечения кабеля. Например, карданные подвесы, которые прикреплены к каждому продольному концу оптических ретрансляторов 1070 и 2070, функционируют как ограничивающие изгиб устройства, которые ограничивают максимальный угол, под которым соединяющийся волоконно-оптический кабель может изгибаться в процессе операций по укладке (и извлечению). Карданные подвесы позволяют оптическому ретранслятору образовывать шарнирное соединение вокруг носового шкива кабельного судна, который может иметь диаметр, составляющий три метра. В зависимости от максимального угла изгиба карданного подвеса (составляющего, например, от 40 до 60 градусов), ретранслятор имеет такие размеры, чтобы существовала возможность его размещения в носовом шкиве. Современные ретрансляторы могут составлять несколько футов в длину и менее чем один фут в диаметре.
Оптические ретрансляторы 1070 и 2070, а также другие конфигурации, которые согласуются с описанием настоящего изобретения, также выполнены с возможностью размещения большего числа волоконных пар, чем существующие оптические ретрансляторы, в которых не содержится волоконная лазерная система 110 с накачкой, но при этом используется такой же уровень мощности. Например, традиционный оптический ретранслятор, содержащий два усилителя EDFA с накачкой от двух лазерных диодов, выполнен с возможностью приема одной волоконной пары, и определенный энергопитающий ток может быть заменен оптическим ретранслятором, который описан в настоящем документе и имеет модульную конструкцию, в которой в одном модуле накачку четырех усилителей EDFA обеспечивают две волоконные лазерные системы с накачкой, и существует возможность приема двух волоконных пар с применением питающего тока, имеющего такой же уровень мощности.
На фиг. 20 проиллюстрирован примерный способ, обозначенный в целом условным номером 2000, для оптической системы связи, имеющей повышенную надежность и совместимость с настоящим изобретением. В операции 2010 могут быть обеспечены первая и вторая волоконные лазерные системы с накачкой. Каждая волоконная лазерная система с накачкой может содержать, например по меньшей мере два лазерных диода, активное волокно, оптически присоединенное по меньшей мере к двум лазерным диодам, и многомодовое пассивное волокно, расположенное между по меньшей мере двумя лазерными диодами и активным волокном. Кроме того, волоконная лазерная система с накачкой может содержать входное одномодовое пассивное волокно и выходное одномодовое пассивное волокно. Входной конец входного одномодового пассивного волокна присоединен к многомодовому пассивному волокну, и выходной конец входного одномодового пассивного волокна присоединен к входному концу активного волокна. Многомодовое пассивное волокно имеет конический свободный конец, имеющий диаметр, который соответствует диаметру оболочки входного одномодового пассивного волокна. Входной конец выходного одномодового пассивного волокна присоединен к выходному концу активного волокна. Многомодовое пассивное волокно, активное волокно и входное одномодовые пассивные волокна в каждом случае представляют собой фотонные кристаллические волокна.
Одномодовое излучение лазера с накачкой от каждой из первой и второй волоконных лазерных систем с накачкой производится в операции 2015. Излучение первого и второго лазеров с накачкой объединяется в операции 2020 и расщепляется в операции 2025 на N частей, где число N составляет по меньшей мере четыре. Каждая часть лазерного излучения с накачкой может быть направлена в легированный волоконный усилитель в операции 2030.
Хотя на фиг. 20 проиллюстрированы разнообразные операции согласно варианту осуществления, следует понимать, что не все операции, которые представлены на фиг. 20, являются необходимыми для других вариантов осуществления. По существу, в настоящем документе в полной мере предусмотрено, что согласно другим вариантам осуществления настоящего изобретения операции, которые представлены на фиг. 20, и/или другие операции, описанные в настоящем документе, могут быть объединены таким способом, который не представлен определенным образом на каких-либо фигурах, но все же в полной мере согласуется с настоящим изобретением. Таким образом, формула изобретения относится к признакам и/или операциям, которые не представлены определенным образом на какой-либо фигуре, но считаются находящимися в пределах объема и содержания настоящего изобретения.
Таким образом, аспекты настоящего изобретения относятся к оптическим системам связи ограниченно мощности, имеющим повышенную усилительную способность и надежность. Как правило, оптическая система связи может быть сконфигурирована с возможностью увеличения информационной емкости волоконных лазерных систем с накачкой (т.е. увеличения числа волоконных пар) и надежности по сравнению с информационной емкостью и надежностью существующей оптической системы связи при сохранении потребляемой мощности на таком же уровне, как в случае существующей оптической системы связи. Кроме того, оптические ретрансляторы, сконфигурированные с волоконной лазерной системы с накачкой, имеют такие размеры, чтобы обеспечивать совместимость с существующим кабелеукладочным распределительным оборудованием. Для осуществления таких улучшений в примере усилителя EDFA может быть использована волоконная система накачки, содержащая активное волокно и по меньшей мере два волоконных лазерных диода, к которым присоединено многомодовое пассивное волокно, имеющее конический свободный конец. Дополнительная мощность, которую производит эта волоконная система накачки, упрощает увеличение усилительной способности. Волоконная система накачки также повышает надежность системы посредством уменьшения процентной потери мощности накачки при прекращении функционирования лазерного диода.
Аспекты в соответствии с настоящим изобретением, которое описано в настоящем документе, не ограничиваются их применением в деталях конструкции и конфигурации компонентов, представленных в приведенном выше описании или проиллюстрированных на сопровождающих фигурах. Указанные аспекты способны допускать другие варианты осуществления и могут быть практически реализованы или осуществлены разнообразными способами. Примеры конкретных вариантов осуществления представлены в настоящем документе исключительно для иллюстративных целей и не предназначены в качестве ограничительных. В частности, операции, компоненты, элементы и признаки, которые обсуждаются в связи с каким-либо одним или несколькими вариантами осуществления, не предназначены для исключения из аналогичной роли в каких-либо других вариантах осуществления.
Кроме того, фразеология и терминология, которые используются в настоящем документе, представлены для цели описания, и их не следует рассматривать в качестве ограничительных. Любые упоминания примеров, вариантов осуществления, компонентов, элементов или операций систем и способов в настоящем документе, которые представлены в единственном числе, также могут распространяться на варианты осуществления, в которых присутствует множественное число, и любые упоминания во множественном числе любых примеров, вариантов осуществления, компонентов, элементов или операций в настоящем документе также могут распространяться на варианты осуществления, в которых присутствует только единственное число. Применение грамматических форм единственного или множественного числа не предназначено для ограничения описанных в настоящем документе систем или способов, их компонентов, операций или элементов. Применение терминов «включающий», «охватывающий», «имеющий», «содержащий», «использующий» и их грамматических форм в настоящем документе предназначено для распространения на предметы, перечисленные после них и соответствующие эквиваленты, а также дополнительные предметы. Применение союза «или» может быть истолковано как включение, таким образом, что любые термины, описанные с применением союза «или» могут означать любой из единственного, нескольких и всех из описанных терминов. Кроме того, в случае несогласованных значений термина в настоящем документе и в документах, которые включены в настоящий документ посредством ссылки, значение термина во включенном документе считается дополнительным к применению данного термина в настоящем документе; в случае неразрешимых противоречий между значениями термина преобладающую силу имеет его значение в настоящем документе. Кроме того, в настоящем описании для удобства чтения могут быть использованы заголовки или подзаголовки, которые не должны влиять на объем настоящего изобретения.
Таким образом, на основании описания нескольких аспектов по меньшей мере одного примера следует понимать, что разнообразные изменения, модификации и улучшения будут вполне доступными для специалистов в данной области техники. Например, примеры, описанные в настоящем документе, также могут быть использованы в другом контексте. Такие изменения, модификации и улучшения предназначены для того, чтобы составлять части настоящего изобретения и находиться в пределах объема примеров, обсуждаемых в настоящем документе. Соответственно, приведенное выше описание и сопровождающие фигуры представлены исключительно в качестве примеров.