Підсилювачі на домішковому волокні. Волоконно-оптичні підсилювачі

Волоконно-оптичні підсилювачі (ВОУ) найбільш розповсюджений у ВОСП тип підсилювача і є ключовим елементом у технологіях повністю оптичних мереж, оскільки дозволяє підсилювати світловий сигнал у широкому спектральному діапазоні.

Активним середовищем підсилювача є одномодове волокно, серцевина якого легована рідкоземельним елементом. На рисунку 6.2.1 зображена схема енергетичних рівнів ОВ легованого .

Ця схема – стандартна схема трирівневого квантового підсилювача. Ширина метастабільного рівня 2 ЕР ширше, ніж ширина рівня 3 ЕР. Розширення рівня 2 ЕР відбувається за рахунок так званого ефекту Штарка. Цей ефект полягає в розщепленні енергетичних рівнів під дією сильного електричного поля.

Відомо, що в зоні ядра існує сильне магнітне поле. Оскільки напруженість електричного поля швидко спадає при збільшенні відстані до ядра, то найбільше розщеплюється саме метастабільний рівень, який розпадається на декілька підрівнів. Таке розширення врешті-решт призводить до збільшення області спектра випромінювання, в якій може виникати індуковане випромінювання.

Час життя електронів на метастабільних підрівнях зменшується при збільшенні відстані до ядра. Отже підрівні із самою високою енергією володіють найменшим часом життя. Середній час життя на рівні 2 ЕР приблизно 10 мкс.

Якщо така система буде збуджуватися випромінюванням лазера накачування із 980 нм (довжина хвилі необхідна для досягнення оптимального коефіцієнта підсилення), то відбудеться перехід електронів із рівня 1 ЕР на рівень 3 ЕР. Після цього електрони релаксують на метастабільний рівень 2 ЕР. Цей процес супроводжується випромінюванням у довгохвилевій області спектра або без випромінювання з народженням акустичних фононів. Час життя електронів на рівні 2 ЕР значно більше, ніж на рівні 3 ЕР. Отже, на рівні 2 ЕР створюється інверсійна заселеність електронів.

Природно, що у відсутності інформаційного оптичного сигналу з довжиною хвилі, яка лежить в інтервалі 1530 – 1565 нм відбувається спонтанне випромінювання в цьому інтервалі спектра. Як і всяке спонтанне випромінювання, це випромінювання має випадковий характер (різні довжини хвиль, різні напрямки розповсюдження фотонів). Якщо в таке середовище направити спрямований потік фотонів, які відповідають інформаційному сигналу, то починається процес вимушеного випромінювання (фотонів-близнюків), які у свою чергу викликають чергові акти вимушеного випромінювання. Тобто маємо лавинне підсилення сигналу.

Додамо, що система може бути також збуджена випромінюванням із довжиною хвилі 1480 нм (дворівнева система), але такий тип накачування характеризується високим рівнем шумового спонтанного випромінювання.

Як трирівневу систему, накачування можна здійснювати також довжинами хвиль 665, 807 нм. Але накачування випромінюванням із довжиною хвилі 980 нм є найбільш ефективною (найменший рівень спонтанних шумів).

Такі підсилювачі отримали назву ербієвих підсилювачів (EDFA).

Через залежність імовірності переходу з метастабільного рівня від відстані метастабільного рівня від стабільного, ця ймовірність збільшується при збільшенні цієї відстані. Коефіцієнт підсилення буде різний для різних довжин хвиль. Характерна залежність коефіцієнта підсилення від довжини хвилі наведена на рисунку 6.2.2.

Підсилення в іншому вікні прозорості можна отримати за рахунок легування ОВ за допомогою домішок празеодимію. Але такі підсилювачі не знайшли широкого розповсюдження.

Таблиця 12

Можна довести, що для підвищення ефективності накачування активне волокно повинно мати підвищену числову апертуру (NA) (більше енергії лазера накачування попадає у волокно). Отже, з цією метою серцевину ОВ додатково легують окисами германію та алюмінію . У відповідності до цих домішок для EDFA виробляються два типи волокон. У таблиці 12 наведені характеристики EDFA з волокнами обох типів.

Згідно з цими даними найбільшим коефіцієнтом підсилення на 1 мВт володіє волокно 1-го типу при накачці довжиною хвилі 980 нм. Мінімальна порогова потужність притаманна волокнам 2-го типу при накачці довжиною хвилі 1480 нм. Хоча з таблиці випливає, що мінімальна потужність необхідна для збудження волокна 1-го типу на хвилі 980 нм, проте у першому випадку потужність 14 мВт вводиться при меншій числовій апертурі.