Усилители для окна прозрачности 1550 нм

Таким усилителем является оптический усилитель на ОВ, легированном эрбием ОУЛЭ (EDFA). Этот тип усилителя использует кварцевое стекло в качестве материала для легирования эрбием. Источником накачки могут служить лазеры с длинами волн, 980 и 1480 нм. Из них лазеры на 980 нм соответствуют трехуровневой модели взаимодействия, а на 1480 нм - двухуровневой модели.

Накачка с ППЛ, работающего на λ_нах=1480 нм позволяет:

- получить большую мощность накачки (до 100 мВт);

- малое затухание оптического волокна, легированного эрбием на этой дли­не волны накачки;

С другой стороны, накачка с ППЛ, работающего на λ_нак=980 нм позволяет:

- получить малый коэффициент шума, обусловленный спонтанной эмисси­ей;

Отметим еще одну особенность усилителей ЕDFА. Она связана с геометрическими размерами эрбиевого оптического волокна: диаметр волокна равен 4-6 мкм. В тоже время диаметр линейного кварцевого одномодового волокна равен 9-10 мкм. Возникают трудности стыковки этих оптических волокон. Для этой цели используются линзовые устройства или фоконы (коническое оптиче­ское волокно).

В настоящее время используются следующие схемы накачки:

а) схема однонаправленной накачки;

б) схема обратно направленной накачки;

в) схема двунаправленной накачки;

г) схема совмещенной накачки.

На рисунке 3.49 представлены схемы отмеченных выше накачек.

 

 

Рисунок 3.49 – Принцип действия оптического усилителя на примесном волокне

 

В схеме однонаправленной накачки (рисунок 3.49 а) оптическое излучение накачки от лазерного диода (ЛД) вводится во вход­ной торец эрбиевого оптического волокна (ЭОВ) с помощью мультиплексора (МUХ), на второй вход МUХ подается оптический сигнал, который необходимо усилить. Для устранения положительной обратной связи и отражений от торцов ЭОВ, с тем, чтобы усилитель не превратился в генератор, в него вводятся опти­ческие изоляторы (И). Такая схема накачки обычно используется на передаю­щей станции с целью увеличения оптической мощности, вводимой в линейное оптическое волокно. Недостатком этой схемы является, наличие на выходе усилителя излучения на­качки. Для устранения этого на выходе ВОУ включают оптический заграж­дающий фильтр с центральной частотой, соответствующей частоте накачки, либо используют лазер с λнак = 980 нм, сигнал которого быстро затуха­ет при распространении в линейном оптическом волокне.

В схеме обратно направленной накачки (рисунок 3.49 б) излучение накачки вводится че­рез выходной торец ЭОВ с помощью мультиплексора (МUХ) от источника излучения лазерного диода (ЛД).

Принцип действия ЕDFА объясним на примере схемы 3.49 б.

Слабый входной оптический сигнал проходит через оптический изолятор И, который пропускает свет в прямом направлении (слева направо), но не пропускает рассеянный свет в обратном направлении. Затем сигнал попадает в катушку с волокном легированным эрбием ЭОВ. Это волокно подвергается сильному непрерывному излучению лазерного диода, установленного с противоположной стороны волокна. ППЛ накачки имеет более короткую длину волны, чем входной сигнал (980 нм или 1480 нм).

Свет от лазера накачки возбуждает атомы примеси в эрбиевом волокне. При наличии слабого входного сигнала происходит индуцированный переход атомов из возбужденного состояния в основное с излучением света той же длины волны, с той же самой фазой и поляризацией, что и повлекший это входной сигнал. Усиленный сигнал поступает в выходное волокно через оптический изолятор,который предотвращает попадание обратного рассеянного сигнала из выходного сегмента в активную область ОУ. Такой способ накачки усилителя чаще всего применяется в предусилителях на прием­ной стороне.

В схеме двунаправленной накачки (рисунок 3.49 в) используются два ЛД. Это позволяет получить большую выходную мощность усиленного сигнала и более равномер­ную АВХ усилителя.

В схеме совмещенной накачки (рисунок 3.49 г) используются два каскада (элемента) усиления. Усилитель обладает высокими качественными показате­лями, поскольку сочетает положительные качества схем с λ_нак=980 нм и λ _нак=1480 нм. Так первый каскад (элемент) обеспечивает высокое усиление сигнала при низком уровне помех; второй каскад (элемент) является усилите­лем мощности и позволяет получить высокий уровень выходного сигнала.

Активной средой усилителя является одномодовое волокно, сердцевина которого легируется эрбием с целью создания трехуровневой атомной системы.

 

 

Рисунок 3.50 – Схема уровней энергии эрбиевого волокна

Лазер накачки возбуждает атомы примесив ОВ, в результате чего электроны с основного состояния (уровня А в валентной зоне) переходят в возбужденное состояние (Уровень С в зоне проводимости),далее происходит релаксация электронов с уровня С, на промежуточный уровень В (в зоне проводимости). Уровень В является метастабильным уровнем, это значит, что электроны могут находиться на нём достаточно долго без релаксации (≈1мс), т. е. среднее время до спонтанного испускания фотона достаточно велико (по сравнению с уровнем С, где электроны могут находиться ≈ 1мкс). Когда заселенность уровня В становится достаточно высокой, так что образуется инверсная заселенность уровней А и В, то такая система способна индуцировано усиливать входной оптический сигнал в определенном диапазоне длин волн.