Принцип работы волоконно-оптических усилителей

Волоконно-оптические усилители являются одним из ярких приложений квантовой электроники в современную телекоммуникационную технологию. В рассматриваемом случае активной средой служит оптическое волокно, сердцевина которого легирована редкоземельным элементом. Широкое применение получили волоконно-оптические усилители, легированные атомами эрбия (EDFA-erbium-doped fiber amplifier), которые позволяют получить усиление оптического излучения в области длин волн 1,53¸1,56 мкм. На рис. 6.1. представлено сечение легированного эрбием (Er³⁺) оптического волокна. Использование в качестве матрицы для атомов эрбия кремниевого стеклянного волокна, потери которого на длине волны 1,55 мкм не превышает ~0,2 дБ/км, сделало эти волоконно-оптические усилители наиболее распространённым элементом в системах оптической связи.

Рис. 6.1. Радиальное сечение легированного эрбиевого волокна: 1-область примеси эрбия, 2-сердцевина с примесью германия d=3¸6 мкм, 3-кремниевая оболочка d=125 мкм, 4-внешняя оболочка d=250 мкм.

Принцип работы эрбиевого волоконно-оптического усилителя основан на использовании явления квантового усиления входной волны при индуцированных переходах ⁴I_13/2Þ⁴I_15/2 (рис. 6.2.). Уровень ⁴I_13/2 иона эрбия является метастабильным, следовательно, накачиваемыми уровнями могут быть уровни ⁴I_11/2, ⁴I_9/2 и выше (соответствующие длины волны накачки ~0,98 мкм, 0,81 мкм и т.д.). Однако, возможна накачка оптическим излучением на длине волны 1,48 мкм, так как имеется небольшая энергетическая щель между этой линией накачки и линией усиления, то имеется возможность создания инверсии населённостей между энергетическими уровнями ⁴I_13/2 и ⁴I_15/2. Поскольку в стеклянной матрице в результате эффекта Штарка энергетические уровни ионов эрбия расщепляются на несколько подуровней, то лазерные уровни значительно уширяются, а именно, уровень ⁴I_13/2 расщепляется на 7 подуровней, а ⁴I_15/2- на 8 подуровней и в итоге образуются 56 возможных излучательных

Рис.6.2.Диаграмма энергетических уровней и электронных переходов ионов Er3+ в кремниевом стеклянном волокне.

переходов - переходов индуцированных и спонтанных.

Появляющееся в процессе спонтанных переходов спонтанное излучение усиливается (ASE-усиленное спонтанное излучение) и создаёт в системе оптической передачи принципиально неустранимые оптические шумы. В общем случае, в результате включения волоконно-оптического усилителя в волоконно-оптические линии связи происходит добавление к усиливаемому оптическому сигналу некогерентного сигнала усиленного спонтанного излучения, остаточного излучения лазера накачки и отражённых на соединениях усилителя с линией сигналов (рис. 6.3.).

Рис. 6.3. Оптические сигналы в волоконно-оптической линии связи с оптическим усилителем