Устройство и схемы волоконно-оптических усилителей

 

Конструктивно волоконно-оптический усилитель состоит из примесного волокна длиной ~10¸20 м и источника оптической накачки в виде диодного лазера с соответствующей длиной волны. Однако из-за внесения усилителем дополнительных оптических сигналов его устройство усложняется и схематически имеет вид, показанный на рис. 6.4.

Слабый входной оптический сигнал проходит через оптический изолятор и поступает в эрбиевое волокно. Изолятор служит для снижения уровня отражённого обратно оптического сигнала. Если в эрбиевом волокне создана инверсия населённостей между энергетическими уровнями ⁴I_15/2 и ⁴I_13/2, то под действием входного сигнала происходит лавинообразный процесс индуцированного излучения, приводящий к непрерывному усилению исходного оптического сигнала в примесном волокне. Инверсия населённостей создаётся методом оптической накачки излучением полупроводниковых лазеров с длиной волны, соответствующей линиям поглощения активной среды. В рассматриваемом случае эти длины волны равны 0,98 мкм и 1,48 мкм. Излучение накачки вводится через мультиплексор по длине волны (селективный разветвитель).

Рис.6.4. Блок-схема волоконно-оптического усилителя с противонаправленной накачкой: 1,8-оптические изоляторы, 2,4,7-сварные соединения, 3-примесное волокно, 5-селективный разветвитель, 6-лазер накачки.

 

В зависимости от направления распространения излучения накачки в эрбиевом волокне относительно направления входного оптического сигнала накачка может быть как сонаправленной, так и противонаправленной (рис. 6.4.), или же использованы оба вида накачки, т.е. двунаправленной. В случае необходимости может быть использована двухкаскадная схема, состоящая из двух волоконно-оптических усилителей, разделённых оптическим изолятором.

 

6.3 Характеристики и параметры
волоконно-оптических усилителей.

 

Основными характеристиками волоконно-оптических усилителей является амплитудная и спектральная характеристики. Спектральная характеристика оптического усилителя на кремниевом стеклянном волокне, легированного эрбием показана на рис. 6.5.

Рис.6.5. Зависимость коэффициента усиления волоконно-оптического усилителя от длины волны.

Как видно из рисунка спектральная характеристика рассматриваемого оптического усилителя выравнивается с ростом мощности входного оптического сигнала.

Такая тенденция объясняется явлением насыщением усиления, характеризуемое уменьшением коэффициента усиления с ростом мощности входного сигнала.

Основными параметрами волоконно-оптических усилителей являются коэффициент усиления, мощность шума, генерированного усилителем и мощность насыщения.

Коэффициент усиления волоконно-оптического усилителя K определяется отношением: K=(P_вых-P_ASE)/P_вх, (6.1.)

где P_вх, P_вых - мощность входного и выходного сигналов, P_ASE - мощность шума, генерированного усилителем.

Мощность насыщения определяется как: P_нас= , (6.2.)

где hn- энергия фотона, s_a - поперечное сечение поглощения, t_сп - время жизни частиц на метастабильном уровне.

В таблице 6.1. представлены типовые параметры эрбиевого волоконно-оптического усилителя.

 

Таблица 6.1.

№	Характеристика	Значение
	Коэффициент усиления, дБ	0 ¸ 50
	Выходная мощность, мВт	1 ¸ 4000
	Показатель шума, дБ	3,5 ¸ 12
	Диапазон длин волн, нм	1520 ¸ 1570

 

 

 

Основы нелинейной оптики

Световые волны, полученные с помощью обычных тепловых источников, не оказывают заметного влияния на оптические свойства среды, в которой они распространяются. Это обусловлено тем, что напряженность электрического поля в световой волне пренебрежимо мала по сравнению с напряженностью внутреннего поля в среде. Внутреннее поле – микроскопическое поле, действующее на электроны в атомах. В атомах диэлектриков оно имеет порядок ~10⁹ В/см, а в полупроводниках ~10⁷ В/см. Вследствие этого при распространении света, полученного от тепловых источников, оптические свойства среды не зависят от интенсивности поля световой волны. По этой причине распространение таких волн описывается линейными дифференциальными уравнениями, а такие системы называются линейными. Следовательно, классическую оптику с тепловыми источниками можно назвать линейной оптикой. Для линейных систем выполняется так называемый принцип суперпозиции. Это означает, что различные волны распространяются в среде независимо друг от друга.

С появлением лазерных источников светового излучения, стало возможным получение напряженности электрического поля в световом луче ~10⁸ В/см. При распространении интенсивного лазерного луча в среде нарушается принцип суперпозиции, то есть, различные волны, распространяющиеся в среде, влияют друг на друга и вследствие этого могут наблюдаться так называемые нелинейно-оптические эффекты, характер протекания которых зависит от интенсивности света. К ним относятся генерация оптических гармоник, генерация суммарных и разностных частот, многофотонное поглощение, самофокусировка, вынужденное комбинационное рассеяние и т.д.

Изучением таких эффектов занимается нелинейная оптика.