Классификация оптических усилителей

ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ

Кафедра № 59

ЛЕКЦИЯ

по учебной дисциплине “Квантовая и оптическая электроника”

Тема № 02. Лазеры и квантовые усилители

Занятие № 07. Оптические усилители

Специальность: Информационная безопасность телекоммуникационных сетей

Обсуждено на заседании кафедры (ПМК)

Протокол № ______ от

“_____” _________________ 2013 г.

Санкт-Петербург

I. Учебные цели

Ознакомить с предметом и содержанием учебной дисциплины «Квантовая и оптическая электроника». Рассмотреть основные свойства и параметры оптических усилителей.

II. Воспитательные цели

Вызвать у студентов интерес к изучению дисциплин кафедры, в том числе и «Квантовая и оптическая электроника», составляющих важную теоретическую и практическую основу их будущей специальности.

III. Расчет учебного времени

IV. Литература

Основная литература:

1. Пихтин А.Н. Оптическая и квантовая электроника: Учеб. для вузов. – М.: Высш. шк., 2001.-573с.
2. Электронные квантовые приборы и микроэлектроника. /Под ред. Н.Д.Федорова. – М.: Радио и связь, 1998.-560с.
3. Оптоэлектронные элементы и устройства. /Под ред. Ю.В.Гуляева. М.: Радио и связь, 1998.-336с.
4. Быстров Ю.А. Оптоэлектронные приборы и устройства: Учебное пособие. – М.: ИП РадиоСофт, 2001.-256с.
5. Мартынов В.Н., Кольцов Г.И. Полупроводниковая оптоэлектроника.: Учебное пособие для вузов. – М.: МИСИС,1999

Дополнительная литература:

1. Убайдуллаев Р.Р. Волоконно-оптические сети. – М.: ЭкоТрендз, 1998.-272с.
2. Бутусов М.М. и др. Волоконно-оптические системы передачи. - М.: Радио и связь, 1992.-416с.
3. Яременко Ю.И. Волоконно-оптические системы передачи. - СПб.: ВАС, 1998.-140с.
4. Слепов Н.Н. Современные технологии цифровых оптоэлектронных сетей связи. - М.: Радио и связь, 2000.-468с.

V. Учебно-материальное обеспечение

Демонстрационная программа на ПЭВМ.

VI. Текст лекции

Введение

Усиление оптических сигналов рассматривалось первоначально (60-е годы) как сопутствующее явление, наблюдаемое при исследовании процессов в лазерных устройствах. Однако уже в начале 80-х годов в связи с развитием волоконно-оптической техники и технологии оно стало самостоятельным направлением развития оптической техники. В это время наметились несколько направлений в создании оптических усилителей:

УЧЕБНЫЕ ВОПРОСЫ

Классификация оптических усилителей

Классификация ОУ представлена на рис.

Принцип действия оптического усилителя можно пояснить следующим образом. Если существует некаяактивная среда, имеющая только два энергетических состояния E₁и Е₂(см. рис.), причем Е₂ >E₁, т.е. Е₂является возбужденным по отношению к Е₁ состоянием, то в равновесных условиях, число рабочих частиц (электронов, ионов или молекул - потенциальных усилительных агентов среды) распределено по статистике Больцмана так, что N₂ < n₁. В результате, если на вход такой среды попадает фотон, то он с большей вероятностью будет поглощен этой средой, что может сопровождаться переходом частицы с уровня Е₁ на уровень Е₂, если энергия фотона w > (Е₂ – Е₁). Усиление в такой среде невозможно, хотя и существует некоторая вероятность эмиссии (испускания) фотона, если электрон спонтанно перейдет с верхнего возбужденного уровня на нижний релаксационный уровень.

Рис. 1 Схемы двухуровневой (а) и трехуровневой (б) моделей функционирования активной среды

Усиление станет возможным, если удастся создатьинверсию населенностей уровней, когда N₂ > n₁. Для этого используется система энергетическойнакачки. В качестве накачки можно использовать инжекцию электронов или излучение лазера соответствующей длины волны для создания фотонов нужной энергии. В результате накачки и создания определенной инверсии населенности активная среда становится способной генерировать вторичные фотоны (той же частоты и направления распространения) с коэффициентом размножения k при попадании на ее вход возбуждающего фотона из светового потока усиливаемого сигнала. В результате осуществляется его усиление за счетвозбуждаемой эмиссии.