9. Оптические усилители. Классификация. Требования. Принцип действия волоконно- оптического усилителя.

ОУ- устройство, обеспечивающее внутреннее усиление оптического сигнала без его преобразования в эл форму.

Существует 5 типов ОУ:

6. усилитель с полостью Ф-П – усиление одного канала (одной длины волны).

7. усилитель на волокне, использующие бриллюэновское рассеяние – усиление одного канала.

8. усилитель на волокне, использующие рамановское рассеяние – усиление нескольких каналов одновременно.

9. полупроводниковые лазерные усилители – усиление большого числа каналов в широкой области длин волн одновременно.

10. усилители на примесном волокне- усиление большого числа каналов в широкой области длин волн одновременно.

Принцип действия:

ОУ, аналогично лазерам, используют принцип индуцированного излучения.

N₂

N₂ >> N₁

N₁

E₁

Если существует низкая активная среда, имеющая только 2 энергетических состояния E₁ и E₂, причем

E₁ < E₂, т.е. E₂ является возбужденным по отношению к E₁ состоянию, то в равновесных условиях, число рабочих частиц ( электронов, ионов или молекул- потенциальных усилительных агентов среды) распространено по статистике Больцмана так, что N₂<N₁. В результате, если на вход такой среды попадает фотон, то он большей вероятностью будет поглащен этой средой, что может сопровождаться переходом частицы с уровня E₁ на E₂, если энергия фотона ω> (E₂-E₁). 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.

Усиление станет возможным, если удастся создать инверсию населенности уровней, когда N₂>N₁. для этого используется система энергетической накачки. 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 счет возбуждаемой эмиссии.

Усиление неизбежно сопровождается 2мя другими процессами: поглощением энергии светового сигнала, который обычно носит экспоненциальный характер, возрастая с ростом L, и спонтанной эмиссией вторичных фотонов, которая м.б. усилена приводя к появлению так называемого усиленного спонтанного излучения.

Некоторые типы ОУ, использующие для накачки лазеры, требуют рассмотрения более сложной 3х уровневой схемы взаимодействия, где третий, так называемый метастабильный уровень E₃ лежит между 1 и 2 уровнями. Схема создания инверсии населенности при этом такова: с 1го уровня частицы накачкой переводятся на 2ой, с которого они в результате релаксации переходят на 3ий (метастабильный) уровень, время жизни которого ( среднее время до спонтанного испускания фотона) достаточно велико. На этом 3ем уровне частицы накапливаются и создается достаточный уровень (не менее 2х кратного) инверсии населенностей по отношению к 1уровню (N₃>N₁ ).

N₂

E₂