10.1.4. 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 [194]. Однако активное исследование этого типа усилителей началось только с конца 80-х годов и активизировалось с появлением высококачественного ОВ и систем WDM.

10.1.4.1. 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). Bo-втором, происходит возбуждение фотонов. Причем переход с возбужденного уровня ионов на уровень релаксации происходит через промежуточный мета-стабильный 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 [191]:

• 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 [201]. 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-пития), позволяющий увеличить эффективность преобразования накачки до 85%.

■

10.1.4.2. Усилители для окна 1300 нм

Из указанных первых двух РЗЭ оптический усилитель на ОВ, легированном неодимом ОУЛН (NDFA), работает на длине волны порядка 1340 нм и едва ли может быть использован для получе­ния существенного усиления на рабочей длине волны синхронных систем связи 1310 нм.

Более удачным, в этом плане, можно считать оптический усилитель на ОВ, легирован­ном празеодимом ОУЛП (PDFА). Основными особенностями усилителей этого диапазона являет­ся то, что материалом для легирования обычно является флюоритовое, а не кварцевое стекло, а также низкая эффективность накачки (не выше 4 дБм/мВт). Согласно [191], опытные результаты дают усиление порядка 34 дБм при мощности насыщения порядка 200 мВт.