Лекции по Компонентам ВОЛТ   

8. Оптические усилители

8.3.1. Принцип работы эрбиевого усилителя

Основан на явлении усиления света при вынужденном излучении (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation).

Усиление света в эрбиевом усилителе происходит благодаря переходу между энергетическими уровнями АВСА (рис.31). Каждый из этих уровней расщеплен на ряд подуровней из-за взаимодействия ионов эрбия с внутрикристаллическим полем кварцевого стекла (эффект Штарка). Под действием энергии накачки за счет поглощения фотонов накачки ионы эрбия переходят из основного состояния (уровень А) в верхнее возбужденное состояние (уровень В), которое является короткоживущим (время жизни tВ=1 мкс), и за счет процессов релаксации переходят в долгоживущее состояние на метастабильный уровень энергии (уровень С). Термин метастабильный означает, что время пребывания иона эрбия на этом уровне энергии (время жизни) относительно велико (tС=10 мс, т.е. tС=10 000tВ). Поэтому число ионов, находящихся на уровне С, при соответствующей мощности накачки может превышать число ионов на основном уровне А.

 Уровень А называется основным состоянием, так как в отсутствие накачки практически все ионы эрбия находятся на этом энергетическом уровне, то есть населенность основного уровня энергии вещества максимальна, населенности всех остальных уровней энергии быстро уменьшаются с увеличением энергии уровня.

 Число ионов в единице объема, находящихся на некотором уровне энергии, называется населенностью этого уровня энергии.

Состояние среды, при котором населенность некоторого более высокого уровня энергии иона превышает населенность некоторого нижележащего уровня, является очень необычным и получило название состояния с инверсией населенностей уровней, или, более коротко, инверсией населенности.

Рис.31

Если в среду с инверсией населенности попадает излучение (излучение полезного сигнала) с энергией фотона, совпадающей с энергией перехода из метастабильного состояния в основное, то с большой вероятностью происходит переход иона с метастабильного уровня С на основной уровень А с одновременным рождением еще одного фотона (стимулированная эмиссия).

Увеличение числа фотонов при их взаимодействии с ионами эрбия означает, что происходит усиление света, распространяющегося в среде с инверсией населенности.

Отметим, что длина волны и спектр усиления жестко определены типом активных ионов. То, что спектр усиления волокна, легированного ионами эрбия, совпадает с областью минимальных потерь кварцевого ОВ, является удачным совпадением.

Не все ионы эрбия находятся в метастабильном состоянии и обеспечивают усиление.

Часть ионов находится на уровне А и эти ионы, взаимодействуя с фотонами, энергия которых совпадает с энергией перехода, эффективно их поглощают, переходя на уровень С. При этом спектр усиления ионов эрбия практически совпадает со спектром поглощения. Если количество ионов, находящихся на уровне С, меньше числа ионов, находящихся на основном уровне А, то наблюдается поглощение. Именно поэтому необходимым условием усиления света является создание инверсии населенностей между двумя рабочими уровнями энергии С и А.

Для создания инверсии населенностей в эрбиевом усилителе необходимо перевести примерно половину ионов эрбия на метастабильный уровень С. Мощность накачки оптического усилителя, при которой населенности уровней А и С равны, называется пороговой мощностью.

При мощности накачки ниже пороговой наблюдается не усиление, а поглощение светового сигнала.

По мере увеличения мощности накачки все большее число активных ионов переходит в возбужденное состояние. Это приводит сначала к уменьшению коэффициента поглощения, а затем к усилению света. Отметим также, что спектр усиления несколько сдвинут в длинноволновую область относительно спектра поглощения. Следовательно, для усиления в длинноволновой части спектра требуется меньшее значение инверсии.

Использование трехуровневой схемы накачки (рис.31) приводит к появлению следующих важных свойств эрбиевого усилителя:

  • Наличию пороговой мощности накачки, при которой происходит «просветление» активного волоконного световода, т.е. достигаются нулевые потери. При превышении пороговой мощности накачки начинается усиление сигнала. В зависимости от структуры активного волоконного световода, концентрации легирующей примеси и длины волны накачки величина пороговой мощности составляет от долей до нескольких единиц мВт.
  •    Необходимости выбора оптимальной длины эрбиевого волокна, то есть длины, при которой достигается максимальное усиление при заданной концентрации ионов эрбия. При длине волокна больше оптимальной в дальних участках волокна будет наблюдаться поглощение сигнала, а при использовании эрбиевого волокна недостаточной длины излучение накачки используется не полностью. Оптимальная длина эрбиевого волокна, вообще говоря, зависит от частоты усиливаемого сигнала. Чем меньше частота сигнала, тем более длинный отрезок эрбиевого волокна соответствует максимальному усилению.

При отсутствии усиливаемого сигнала ионы эрбия переходят в основное состояние самопроизвольно, излучая фотоны с энергией, соответствующей данному переходу. То есть появляется спонтанное излучение. И в рабочем режиме при наличии усиливаемого сигнала часть возбужденных ионов переходит в основное состояние спонтанно, при этом спонтанное излучение также усиливается, приводя к появлению усиленного спонтанного излучения.

Усиленное спонтанное излучение является основным источником шумов, а также ограничивает коэффициент усиления, особенно в случае слабого сигнала.

Оптическая накачка, необходимая для перевода ионов эрбия в возбужденное состояние, осуществляется на длинах волн, соответствующих одной из их полос поглощения. Эффективность использования накачки определяется максимальным значением отношения коэффициента усиления к мощности накачки, для нескольких полос поглощения. Наибольшая эффективность на 980 и 1480 нм. Разработаны устройства накачки с мощностью в несколько сотен мВт, введенной в ОМ волокно. Большая мощность накачки требуется для обеспечения высокого коэффициента усиления одновременно большого числа информационных каналов в системах со спектральным разделением каналов (DWDM).

Принципиальным является выбор легирующих добавок, формирующих сердцевину активного световода, а также подбор концентрации ионов эрбия. Различные добавки в кварцевое стекло изменяют характер штарковского расщепления уровней энергии ионов эрбия. Это приводит к изменению спектров поглощения и излучения. (Добавка – Al)

Концентрация ионов эрбия в сердцевине ОВ фактически определяет его длину, используемую в усилителе при заданных уровнях сигнала и накачки.

 Верхний предел концентрации активных ионов определяется возникновением эффекта кооперативной апконверсии. Это явление состоит в том, что при большой концентрации активных ионов возможно образование кластеров, состоящих из двух и более ионов эрбия. Когда эти ионы оказываются в возбужденном состоянии, происходит обмен энергиями, в результате чего один из них переходит в состояние с еще более высокой энергией, а второй – безызлучательно релаксирует на основной уровень. Таким образом, часть ионов эрбия поглощает излучение усиленного сигнала, снижая эффективность усилителя.

Нижний предел по концентрации ионов эрбия определяется тем, что слишком длинный активный световод неудобен при изготовлении усилителя, а также тем, что при использовании большого количества активного световода повышается стоимость усилителя. На практике концентрация ионов эрбия составляет 1018…1019 см–3, что обеспечивает длину используемого активного световода от нескольких единиц до нескольких десятков метров.



*****
Новосибирск © 2009-2017 Банк лекций siblec.ru
Лекции для преподавателей и студентов. Формальные, технические, естественные, общественные, гуманитарные, и другие науки.