Оптические усилители на ОВ, легированном РЗЭ

Оптические усилители, использующие в качестве активного материала редкоземельные элементы РЗЭ (или лантаниды - элементы с 57 по 71 в Периодической таблице Д.И.Менделеева), были известны достаточно давно. Однако активное исследование этого типа усилителей началось - только с конца 80-х годов и активизировалось с появлением высококачественного ОВ и систем WDM.

Особенности работы ОУ

Объяснение принципа действия таких усилителей базируется на следующем. В процессе изготовления основной материал (в нашем случае стекло ОВ) легируется (т.е. к нему добавляются) редкоземельными металлами, ионы которых создают активную среду для усиления в определенных полосах длин волн, соответствующим полосам поглощения легирующего материала. Ионы в этих полосах длин волн могут быть легко возбуждены (переведены на более высокий энергетический уровень) излучением лазерной накачки соответствующих длин волн и далее относительно легко могут (под действием принятого информационного светового сигнала) сбросить возбужденные электроны на нижний уровень в процессе релаксации.

Этот процесс может не укладываться в двухуровневую модель взаимодействия, принятую ранее в качестве основной, так как он может проходить как без излучения, так и с излучением фотонов. В первом случае создаются фононы (энергия перехода вызывает акустические колебания окружающего материала среды). Во-втором, происходит возбуждение фотонов. Причем переход с возбужденного уровня ионов на уровень релаксации происходит через промежуточный метастабилъный уровень, обусловленный верхним уровнем лазерной накачки. То есть, модель взаимодействия становится трехуровневой. В любом случае для нормального взаимодействия энергия падающего фотона в потоке сигнала должна быть равна разности энергий возбужденного уровня и уровня релаксации.

Для легирования с целью последующего усиления до недавнего времени использовали, как правило, только три РЗЭ:

- неодим (Nd) и празеодим (Рг) - для усиления сигналов в окне 1300 нм,

- эрбий (Ег) - для усиления сигналов в окне 1550 нм.

В последнее время к ним добавился иттербий (Yb), используемый совместно с Ег для расширения спектра поглощения в области 700-1100 нм, что позволяет использовать новые более мощные источники накачки. Спектры поглощения этих металлов позволяют определить длины волн возможных источников накачки. Ими могут быть известные типы лазеров, генерирующих длины волн 797 и 1053 нм (например, DPSS-лазер на структуре Nd:YLF {неодим: флюорид иттрий-лития), позволяющий увеличить эффективность преобразования накачки до 85%.