25 Волоконно-оптические усилители

Принцип действия

В основу работы ВОУ положен принцип стимулированного (вынужденного) излучения, аналогичный лазерному. Активной средой является отрезок кварцевого или фтор-цирконатного волокна сердцевина которого легирована ионами редкоземельного элемента эрбия Er или празеодима Pr.

Рассмотрим принцип действия наиболее распространенного ВОУ на основе кремниевого волокна легированного ионами эрбия . На диаграмме энергетических уровней эрбия (рис. 11.1) показано, что при поглощении энергии излучения накачки с длиной волны 0,98 или 1,48 мкм, ионы эрбия возбуждаются и переходят со стационарного уровня А на высшие энергетические уровни (Б или В), создавая инверсию населенности. При переходе в основное (стационарное) состояние излучаются фотоны с длиной волны в интервале 1,53…1,56 мкм. Излучение происходит либо спонтанно (отсутствует какое либо внешнее воздействие), либо стимулировано (при поступлении в активную среду фотонов сигнала подлежащего усилению).

Таким образом, в активной среде происходит усиление как сигнального, так и спонтанного (шумового) излучения – его на-зывают усиленным спонтанным излучением (УСИ). Оно приво-дит к увеличению коэффициента шума ВОУ. Важно оптими-зировать направление подачи и длину волны излучения накачки для увеличения коэффициента усиления и снижения уровня УСИ (особенно при использовании ВОУ в многоканальных системах передачи). Кроме того, для увеличения коэффициента усиления эрбиевого волокна необходимо добиться наилучшего согласования полей сигнала и накачки, путем соответствующего распределения легирующей примеси в активном материале. Желательно использовать волокна с большой числовой апертурой и малым диаметром сердцевины.

На рис. 11.2 приведена функциональная схема ВОУ. Она содержит пять основных элементов: 1 – устройство спектрального мультиплексирования, 2 – лазерный источник накачки, 3 – активное волокно, 4 – оптический вентиль, 5 – оптический фильтр. Аналогичная схема усилителя применяется и во втором окне прозрачности. Наиболее перспективным активным материалом, кроме празеодима, здесь являются флюоридное стекло (кварц, легированный соединением ZnF₄ или BaF₂) .

Источник накачки (полупроводниковый лазерный диод) обеспечивает энергию, необходимую для достижения инверсии населенности в активном волокне. Излучение накачки эффективно поглощается эрбием на длинах волн 980 нм или 1480 нм, однако лазеры для этих диапазонов имеют очень высокую стоимость. Возможна альтернативная длина волны 820 нм, на которой обеспечиваются удовлетворительные значения параметров ВОУ, но с помощью более дешевых ЛД на основе AlGaAs. Длина волны накачки эффективно поглощающаяся в усилителе на волокне, легированном празеодимом (PDFA), составляет 1017 нм .

Активное волокно из двуокиси кремния имеет сердцевину, легированную эрбием Er³⁺. Степень легирования не велика – менее 1%. Длина волокна около 15…20 м. ВОУ, работающие в третьем окне прозрачности называют усилителями на волокне, легированном эрбием (EDFA). Для того, чтобы сделать плоской зависимость коэффициента усиления от длины волны и расширить спектральный диапазон усиления в сердцевину также добавляют алюминий.

Характеристики и параметры ВОУ

Основные нормируемые характеристики и параметры ВОУ приведены на рис. 11.4. Их условно можно разделить на сигнальные и шумовые. К сигнальным относят: рабочий диапазон усиливаемых длин волн ₁…_n, коэффициент усиления по мощности К_р и выходную мощность насыщения Р_нас. Шумовые параметры включают: ОСШ на входе ОСШ_вх, выходе ОСШ_вых и самого ВОУ ОСШ_воу, коэффициент шума К_ш и мощность УСИ Р_уси.