2.5 Оптические усилители, легированные эрбием

Оптические усилители, использующие в качестве активного материала редкоземельный элемент эрбий за отсутствие преобразования в электрический сигнал, возможность одновременного усиления сигналов с разными длинами волн (что обуславливает возможность усиления спектрально-мультиплексированного сигнала), практически точное соответствие рабочего диапазона эрбиевых усилителей области минимальных оптических потерь световодов на основе кварцевого стекла, сравнительно низкий уровень шума и простота включения в волоконно-оптическую систему. позволяет эффективно использовать в качестве ретранслятор в ВОЛС [16].

Схема простого легированного эрбием волоконного усилителя (EDFA) показана на рис 8. Основная составляющая усилителя - легированное ионами эрбием оптоволокно, которое, как правило, является одномодовым волокном. В показанной на рис.8 схеме активное волокно накачивается светом двух лазерных диодов (двунаправленная накачка), хотя однонаправленная накачка в прямом или обратном направлении (cонаправленная и противонаправленная накачка) также очень распространены. Накачка производится, как правило, на длине волны приблизительно 980 нм и иногда на 1450 нм.

Рисунок 8 - Схема усиления на оптическом усилителе, легированного эрбием

Рисунок 9 - Упрощенная трехуровневая схема уровней энергии ионов эрбия

Накачка переводит ионы эрбия (Er^{3 +}) в возбужденное состояние ⁴I_13/2 (в случае накачки 980 нм через состояние  ⁴I_11/2) (рис.9.). Возбужденная среда может усиливать свет в диапазоне длины волны 1.5-μm посредством стимулированного вынужденного излучения. При этом возбужденные ионы переходят обратно в основное состояние ⁴I_15/2.

 Усилитель, показанный на рис. 8, содержит два оптических изолятора с присоединенными волоконными выходами (так называемые компоненты  “pig-tailed” - "со свиными хвостиками" или "с косичками"). Изолятор на входе усилителя не позволяет свету из усилителя выйти в обратном направлении, чтобы не нарушить работу предыдущих каскадов усиления. Также, иногда изолятор ставится на выходе усилителя - чтобы  обратно отраженное излучение от оптических компонентов на выходе не нарушили работу самого усилителя.

Форма спектра усиления эрбия зависит от сечений поглощения и излучения, которые зависят от стекла матрицы. Кроме того, спектральная форма усиления, и не только ее величина, существенно зависит от средней степени возбуждения ионов эрбия, поскольку генерация осуществляется по "квази-трехуровневый" переход. На Рис. 10 показан спектр усиления для наиболее распространенного типа стекла, который является некоторой разновидностью кварца с дополнительными примесями, например, чтобы избежать кластеризации ионов эрбия. В других стеклах спектр может существенно отличаться.

 Сильный трехуровневый режим (с прозрачностью, достигаемой при уровне возбуждения более 50 %), наблюдается на 1535 нм. В этом спектральном диапазоне ненакачанное волокно показывает существенные потери, но высокое поперечное сечение перехода обеспечивает высокое усиление при сильном возбуждении. На более длинных волнах (например, 1580 нм), для получения усиления требуется более низкий уровень возбуждения, но при этом максимальное усиление меньше. Максимальное усиление, как правило, наблюдается в диапазонах длин волн приблизительно 1530-1560 нм.

 

Рисунок 10 - Спектр усиления эрбиевого оптоволокна

Локальный уровень возбуждения зависит от сечений поглощения и испускания, от уровня накачки и интенсивности задающего сигнала. Средний уровень возбуждения по всей длине волокна зависит от накачки и мощности задающего сигнала, но также и от длины волокна и концентрации ионов эрбия. Выбор этих параметров (вместе с выбором стекла) используются, чтобы оптимизировать EDFAs для заданной области длины волны, например для областей L или C.

 Равномерность (плоская форма спектра) усиления в широком диапазоне длин волн, как требуется, например, для спектрального уплотнения передаваемой информации, может быть получена при использовании оптимизированных стеклянных матриц (например, теллуридных или фторидных волокон или некоторой комбинации нескольких секций усилителя с различными стеклами) или комбинацией с соответствующими оптическими фильтрами, такими как длиннопериодными брэгговскими решетками.

Волоконно-оптический усилитель на оптическом волокне, легированном ионами эрбием носят названия EDFA, и имеют следующие параметры:

• мощность насыщения;

• коэффициент усиления;

• мощность усиленного спонтанного излучения;

• шум-фактор.

Мощность насыщения определяет максимальную выходную мощность усилителя. Большее значение мощности позволяет увеличивать расстояние безретрансляционного участка. Этот параметр варьируется в зависимости от модели оптического усилителя. У мощных EDFA он может превосходить 36 дБм (4 Вт).

Коэффициент усиления определяется из соотношения:

где: и - мощности (полезных) сигналов на входе и выходе усилителя, а логарифмический эквивалент определяется по формуле . Величина коэффициента усиления зависит от входной мощности и стремиться к своему максимальному пределу по мере уменьшения мощности входного сигнала.

В отсутствии входного сигнала EDFA является источником спонтанного излучения фотонов. Спектр излучения зависит от формы энергетической зоны атомов эрбия и от статистического распределения заселенностей уровней зоны. Спонтанно образованные фотоны, распространяясь по волокну в активной зоне усилителя EDFA, тиражируются, в результате чего создаются вторичные фотоны на той же длине волны, с той же фазой, поляризацией и направлением распространения. Результирующий спектр спонтанных фотонов называется усиленным спонтанным излучением. Его мощность нормируется в расчете на 1 Гц и имеет размерность Вт/Гц.

Если на вход усилителя подается сигнал, от лазера, то определенная доля энергетических переходов, ранее работавшая на усиленное спонтанное излучение, начинает происходить под действием сигнала от лазера, усиливая входной сигнал. Таким образом происходит не только усиление полезного входного сигнала, но и ослабление ASE.

При подаче на вход мультиплексного сигнала происходит дальнейший отток мощности от ASE в пользу усиливаемых мультиплексных каналов. Обычно усилители работают в режиме насыщения по отношению к сигналу на выходе. Это создает естественное выравнивание уровней сигналов в каналах, что крайне желательно особенно для протяженных линиях с большим числом последовательных усилителей.

Если лазер, предшествующий усилителю, генерирует излучение в спектральном окне и соответственно в этом же окне пропускает сигнал фильтр в приемном оптоэлектронном модуле, то вклад в мощность шума на выходе благодаря усиленному спонтанному излучению будет равен .Таким образом, оптические линии с каскадом EDFA проявляют себя лучше, когда мультиплексный сигнал представлен более узкими в спектральном отношении отдельными каналами. Использование узкополосных фильтров непосредственно перед приемным оптоэлектронным модулем, настроенных на рабочую длину волны, также помогает уменьшить уровень шума от усиленного спонтанного излучения.

Рисунок 11 - Выходной спектр EDFA, снятый спектральным анализатором (ASE - спектральная плотность шума)

Большие собственные временные постоянные EDFA - постоянная времени перехода в метастабильное состояние ~1 мкс, время жизни метастабильного состояния ~10 мкс - устраняют кросс-модуляцию ASE в усилителе и делает более стабильной работу каскада оптических усилителей. Мощность усиленного спонтанного излучения связана к коэффициентом усиления формулой:

где:

- постоянная планка, равная 6,6252 x 10^-34 Втс²;

- частота (Гц), соответствующая длине волны  из диапазона 1530-1560 нм;

- коэффициент спонтанной эмиссии;

 - квантовая эффективность. В идеальном случае при отнесенная ко входу мощность усиленного спонтанного излучения идеального квантового усилителя просто равна , что при = 1550 нм составляет 1.28 x 10^-19 Вт/Гц в расчете на спектральную полосу 1 Гц.

Размеру окна анализатора в 0,8 нм соответствует спектральное окно в 100 ГГц, что определяет приведенную к входу величину эффективной мощности усиленного спонтанного излучения 1.28 x 10^-8 Вт или -48,9 дБм).

Шум-фактор определяется как отношение сигнал/шум на входе ( ) к отношению сигнал/шум на выходе ( ):

Важно отметить, что мощность шума на входе является квантово-ограниченной минимальной величиной и определяется нулевыми флуктуациями вакуума .Мощность шума на выходе состоит из суммы мощности усиленного спонтанного излучения и мощности шума нулевых флуктуаций вакуума, которые проходят через усилитель без изменения: . Если учесть, что:

то шум-фактор можно выразить через коэффициент усиления и мощность усиленного спонтанного излучения:

Часто при описании EDFA значение шум-фактора указывается в дБ: . Минимальный шум-фактор равен 1 (0 дБ) и достигается при или при G=1. Это означает, что усилитель вносит минимальный шум, равный шуму идеального оптического усилителя. На практике сразу на 3 дБ необходимо увеличить nf, так как существует два направления поляризации (две моды), в связи с чем , а типичные значения составляют 5,5 дБ.

Чем ближе к 1 значение шум-фактора, тем меньше дополнительный шум вносит усилитель. В тоже время при использовании каскада из нескольких усилителей полный шум-фактор возрастает.