6.2.1. Активные ОВ и технология их получения

6.2.2. Волоконные брэгговские решетки

6.2.3. Волоконно-оптические лазеры

6.2.4. Волоконно-оптические усилители

6.2.5. ВКР-лазеры

6.2.1. Активные оптические волокна

Рассмотренные ранее ОВ (телекоммуникационные, сохраняющие поляризацию излучения и т.д.), являются пассивными элементами ВОСПИ, а именно они служат для передачи излучения света, введенного в волокно. Однако, как и в любой развивающейся области науки, в процессе решения первоначальной задачи, появились другие возможности волоконной оптики – разработка активных ОВ (АкОВ) и создание волоконно-оптических лазеров и усилителей на их основе. АкОВ получили свое название по аналогии с активной средой лазеров, которая вбирает в себя энергию накачки и переизлучает ее в виде когерентной генерации. АкОВ представляют собой ОВ (преимущественно на основе кварцевого стекла) сердцевина которых дополнительно легирована ионами лантаноидов (редкоземельных элементов – РЗЭ). Специфические оптические свойства РЗЭ определяются тем, что для них характерна достройка внутренней f-оболочки при заполненной внешней оболочки. Это приводит к появлению ярко выраженной дискретной структуры электронных переходов. Приме нимость активного иона для легирования кварцевых ОВ определяется следующими факторами:

активный ион должен иметъ излучательный переход в ближней ИК-области, где малые потери кварцевых ОВ;

энергия фононов в кварцевом стекле составляет 400-1100 см^-1, поэтому наличие энергетических уровней с малым энергетическим зазором приводит к безизлучательной релаксации, препятствуя появлению люминесценции.

Рис. 6.12. Схема энергетических уровней ионов ряда редкоземельных элементов

Для примера на рис. 6.12 приведены энергетические уровни, а в. таблице 6.2 - длины волны накачки, области люминесценции и время жизни на метастабильном уровне ряда ионов РЗЭ в кварцевых ОВ.

Таблица 6.2 Свойства ионов РЗЭ в кварцевых ОВ

Поскольку растворимость РЗЭ в кварцевом стекле мала (обычно < 0.1 масс.%), то для повышения их концентрации без фазового разделения применяют одновременное введение с РЗЭ и модификаторов (Al₂O₃ или P₂O₃), концентрация которых составляет несколько %. По способу введения РЗЭ методы получения заготовок АкОВ можно разделить на две группы:

введение РЗЭ через паровую фазу (парофазная технология),

введение РЗЭ из раствора солей (жидкофазная технология).

В отличие от исходных материалов для получения заготовок кварцевых ОВ хлориды (и другие галогениды) РЗЭ имеют высокую температуру кипения (> 1500⁰C), поэтому при использовании метода MCVD хлориды РЗЭ помещают в специальную нагретую камеру и до начала процесса прогревают в атмосфере хлорагента для дегидратирования хлорида РЗЭ и его приплавления к стенкам кварцевой камеры (рис. 6.13).

Рис. 6.13. Схема процесса получения заготовки, легированной РЗЭ, с использованием нагретой камеры: 1 - камера для хлорида РЗЭ, 2 – хлорид РЗЭ, 3 – опорная кварцевая трубка, 4 – светоотражающая оболочка, 5 - пористый слой сердцевины, , 6 - горелка для осаждения слоев, 7 – горелка для нагрева РЗЭ

Нагрев камеры осуществляют специальной горелкой, которую включают после осаждения слоев светоотражающей оболочки. Иногда для повышения воспроизводимости скорости испарения хлорида РЗЭ вместо приплавления хлорида РЗЭ к стенкам камеры используют пористый патрон, предварительно пропитанный хлоридом РЗЭ и который помещают в камеру. Недостатками данного метода являются:

· трудность точного регулирования скорости поступления хлорида РЗЭ в зону реакции из-за трудности точного поддержания температуры и площади испарения хлорида в камере;

· возможность легирования сердцевины ОВ только одним РЗЭ, т.к. практически невозможно в этом методе контролировать температуру и скорости поступления двух РЗЭ;

· невозможность получения длинных заготовок из-за конденсации хлорида РЗЭ на стенке опорной трубки, когда горелка далеко уходит от камеры.

Использование летучих комплексов РЗЭ с органическими лигандами значительно облегчает проведение парофазного процесса, поскольку эти соединения обладают значительно большим давлением насыщенных паров. Так, например, дипивалоилметанаты диспрозия, эрбия и иттербия имеют давление пара 12…14 мм рт.ст. при 500 К, температуру разложения ~ 250⁰C, не окисляются и слабо гидролизуются на воздухе. Эти материалы могут использоваться также при получении кварцевых заготовок АкОВ методами OVD и VAD. Недостатком данных материалов является то, что:

· все трубопроводы, по которым подают данные материалы, должны быть нагреты до температуры не ниже температуры их испарения (т.е. 230⁰C), чтобы избежать конденсации;

· используемые материалы являются редкими и серийно не выпускаются промышленностью;

· поскольку при разложении и окислении органических лигандов РЗЭ образуются пары воды, то осаждают сначала пористый слой сердцевины, который затем остекловывают в потоке хлорагента.

Жидкофазная технология основана на легировании пористого слоя, формирующего сердцевину ОВ, растворами солей РЗЭ и модификаторов. Для этих целей широко используется метод MCVD. На рис. 6.14 приведена схема получения заготовки АкОВ методом MCVD с использованием растворов солей РЗЭ.

Рис. 6.14. Схема процесса получения заготовки MCVD-методом с использованием растворов солей РЗЭ: а) нанесение материала сердцевины, б) пропитка заготовки раствором РЗЭ, в) сушка заготовки, г) «схлопывание». 1 – горелка, 2 – опорная трубка, 3 – светоотражающая оболочка, 4 – пористая сердцевина, 5 – раствор РЗЭ, 6 – остеклованная сердцевина, легированная РЗЭ

Видно, что процесс включает в себя 4 этапа:

· осаждение пористого слоя чистого или легированного (GeO₂ или P₂O₅) кварцевого стекла, формирующего сердцевину;

· пропитка пористого слоя раствором солей РЗЭ и модификатора;

· сушка пористого слоя и его остекловывание;

· "сжатия" заготовки.

Рассмотрим эти этапы более подробно. Степень пористости слоя зависит от температуры нагрева трубки, толщины стенки трубки, состава ПГС и т.д. Поскольку легирование кварцевого стекла GeO₂ и, особенно, P₂O₅ уменьшает вязкость кварцевого стекла, то для получения пористого слоя осаждение слоев надо проводить при пониженной температуре. Однако с понижением температуры уменьшаются скорости окисления галогенидов кремния и других легирующих компонентов (см. рис. 3.3). Поэтому процесс

формирования легированного пористого слоя проводят в 2 стадии:

- образование оксидов при высокой температуре, но при движении горелки в направлении, противоположном движению ПГС в трубке (при т.н. "обратном" ходе). В этом случае оксиды осаждаются за горелкой (ближе у выходу из трубки);

- "припекание" слоя в потоке О₂ при движении горелки при "прямом" ходе и при заданной температуре, которая и определяет пористость слоя.

Осаждение пористого слоя чистого кварцевого стекла осуществляется за 1 стадию при движении горелки в "прямом" направлении, т.к. температура размягчения кварцевого стекла выше, чем легированного стекла, и температура формирования пористого слоя достаточна для протекания реакции окисления паров SiCl₄.

Трубка с пористым слоем помещается в раствор солей РЗЭ. Для пропитки пористого слоя используется раствор нитратов РЗЭ и алюминия при формировании алюмосиликатной матрицы сердцевины, и раствор фосфатов РЗЭ при формировании фосфоросиликатной матрицы стекла. Количества РЗЭ, вошедших в пористый слой, определяется степенью пористости слоя и концентрацией РЗЭ в растворе согласно уравнению 6.11:

m_рзэ ≈ 2πR×H×К×C_рзэ×M_рзэ (6.11)

где R – внутренний радиус опорной трубки, H – толщина пористого слоя, C_рзэ – концентрация РЗЭ в растворе, M_рзэ – атомный вес РЗЭ. Видно, что концентрация РЗЭ в стекле должна линейно зависить от концентрации РЗЭ в растворе. Время пропитки зависит от пористости слоя и обычно составляет несколько часов.

Затем трубка вынимается из раствора, помещается на тепло-механический станок установки MCVD и сушится в потоке кислорода и хлорагента, подаваемых внутрь трубки, при последовательном увеличении температуры нагрева трубки. Хлорагент используется для дегидротирования пористого слоя. После сушки пористый слой остекловывается (иногда при подаче GeCl₄), а затем заготовка "сжимается", как обычно в методе MCVD. Для иллюстрации на рис. 6.15 приведена зависимость пористости слоя германосиликатного стекла от температуры его припекания. Видно, что с уменьшением температуры пористость слоя увеличивается. Соответственно возрастает и количество раствора, вошедшего в пористый слой, и концентрация РЗЭ в осушенном и остеклованном слое. Экспериментальные исследования показали также, что зависимость концентрации РЗЭ в осажденном слое от концентрации РЗЭ в растворе имеет линейный характер. Концентрация Yb⁺³ для иттербиевых волоконно-оптических лазеров обычно составляет 0,2…0,6 масс. %.

Рис. 6.15. Зависимость пористости от температуры припекания пористого слоя

Иногда для волоконно-оптических эрбиевых усилителей используют АкОВ, сердцевина которых одновременно легирована ионами эрбия и иттербия, т.к. ионы иттербия обладают более широкой полосой поглощения (рис. 6.16) в области накачки (следовательно, большей эффективностью накачки), чем ионы эрбия. В дальнейшем происходит перекачка энергии от ионов иттербия к ионам эрбия, при этом уменьшается порог генерации. Отношение концентраций ионов иттербия и эрбия составляет обычно 30:1. Однако пере дача энергии предъявляет жесткие требования к конструкции АкОВ, а та в свою очередь к технологии получения данных волокон . Это приводит к мА лому выходу хороших АкОВ.

Рис. 6.16. Спектральные зависимости потерь в АкОВ, сердцевина которого легирована ионами эрбия (1) и иттербия (2)

Важным является вопрос о составе стекла матрицы, т.к. он влияет на растворимость РЗЭ, время жизни люминесценции и форму ее полосы. Например, было показано, что в кварцевое стекло, легированное германием, можно ввести до 1 масс. % эрбия (10000 ppm), а в кварцевое стекло, легированное алюминием, - до 7 масс. % (70000 ppm). Спектры люминесценции стекол с различным составом матрицы приведены на рис. 6.17. Наиболее широкий спектр люминесценции имеет кварцевое стекло, легированное оксидом галлия, но спектр люминесценции кварцевого стекла, легированного алюминием, слабо отличается от него. Наиболее узкий спектр люминесценции имеет кварцевое стекло, легированное оксидом германия.

Рис. 6.17. Спектры люминесценции ионов эрбия в стеклах различного состава: 1 – SiO₂*Ga₂O₃, 2 – SiO₂*GeO₂, 3 – SiO₂*Al₂O₃*GeO₂, 4 – SiO₂*Al₂O₃

6.2.2. Волоконные брэгговские решетки ПП

Волоконная брэгговская решетка (ВБР) ПП представляет собой участок ОВ (как правило, одномодового), в сердцевине которого наведена периодическая структура ПП с периодом L, имеющая определенное пространственное распределение. На рис. 6.18. приведена схема такой решетки. Возможность создания такой решетки обусловлена фоточувствительностью легированного кварцевого стекла, т.е. его способностью изменять ПП (на 10^-4 – 10^-2) под действием УФ-излучения. Важнейшим свойством ВБР является узкополосное отражение оптического излучения. Поэтому данные решетки используются в волоконно-оптических лазерах в качестве селективных зеркал.

Рис. 6. 18. Схематическое изображение волоконной решетки ПП в сердцевине волокна: 1 – сердцевина, 2 - оболочка

ВБР связывают основную моду ОВ с той же модой, распространяющейся в противоположном направлении. Эта связь возникает на определенной (резонансной) длине волны l_бр., задаваемой соотношением:

2 n_эфф.´L = l_бр. (6.12),

где n_эфф. –эффективный ПП моды, L - период решетки (обычно менее 1 микм) . В результате на длине волны l_бр возникает полное или частичное отражение излучения. Свойства этого отражения зависят от параметров решетки. Коэффициент отражения R выражается как

R = th² (k´L) (6.13),

где L – длина решетки, k- коэффициент связи решетки, равный

k = Dn_мод.´h/l_бр. (6.14)

Dn_мод – амплитуда синусоидальной модуляции ПП, h = часть мощности основной моды, которая распространяется по сердцевине световода. Спектральная ширина резонанса однородной решетки на полувысоте может быть выражена следующим приближенным уравнением:

Dl_бр. = 2l_бр.´a´[(n_бр.´Dn_мод. /2 n_эфф.)² + (L/L)²]^1/2 (6.15),

где a - параметр порядка единицы для глубоких решеток (с коэффициентом отражения R~1) и порядка 0,5 для решеток небольшой глубины. На рис. 6.19 представлен типичный спектр пропускания ВБР, из которого видно. что имеется резонансная длина волны (~ 1135,7 нм) на которой решетка не пропускает свет. Резонансная длина волны ВБР зависит также от температуры световода и от приложенных к нему механических напряжений.

Рис. 6.19. Спектр пропускания брэгговской решетки с параметрами: L = 5 мм, Δn = 8×10^-4

Фотоиндуцированные длиннопериодные волоконные решетки (ДПВР) имеют относительно больший период (L=100…500 мкм) и связывают основную моду с модами оболочки, которые распространяются в том же направлении. Энергия, перешедшая в оболочную моду, затем поглощается в защитном покрытии на неочищенном участке ОВ, что приводит к появлению полосы поглощения в спектре пропускания волокна с записанной в нем решеткой. Интенсивность оболочной моды на однородной решетке выражается как

S = Sin² (k´L) (6.16),

где обозначения аналогичные (6.12) и (6.13). Для иллюстрации на рис. 6.20 представлен спектр пропускания ДПВР длиной 25 мм с периодом 230 мкм, рассчитанный для ОВ со ступенчатым профилем ПП в сердцевине (разность ПП между сердцевиной и оболочкой Dn = 0,01) и длиной волны отсечки первой высшей моды l_с = 1,0 мкм. Характерной особенностью является монотонное возрастание интенсивности межмодового взаимодействия с ростом радиального модового числа m оболочных НЕ_1m мод.

Рис. 6.20. Спектр пропускания однородной длиннопериодной решетки длиной 25 мм и с периодом 230 мкм (Δn = 0,01; λ_c = 1,0 мкм).

В силу малого периода ВБР (менее 1 мкм) их, как правило, формируют при УФ-облучении (l = 242 нм) ОВ с использованием интерференционных методов. Для иллюстрации на рис. 6.21 приведены схемы записи ВБР в интерферометрах с амплитудным (а) и пространственным (б) разделением пучка УФ-излучения. Указанные методы обладают гибкостью в выборе параметров (период, длина) записываемых решеток, однако требуют высокую пространственную и временную когерентность записывающего излучения.

Запись через фазовую маску (рис. 6.22) значительно снижает требования к когерентности УФ-излучения, поэтому часто применяется с использованием недорогих эксимерных лазеров. В этом методе реализуется интерференция между первым и минус первым дифракционными порядками излучения, прошедшего через фазовую маску. Маска, как правило, изготовляется из прозрачного в УФ-части спектра кварцевого стекла и имеет определенный рельеф поверхности, обращенной к световоду. Рельеф выполнен таким образом, чтобы подавить нулевой и другие порядки дифракции, кроме первого и минус первого. Недостатком записи через фазовую маску является высокая стоимость маски и возможность записи ВБР с конкретными параметрами.

Рис. 6.21. Схемы записи брэгговских решеток в интерферометрах с амплитудным (а) и пространственным (б) разделением пучка УФ-излучения: 1 – делительная пластина, 2 – цилиндрическая линза, 3 – зеркала, 4 - волокно

Поскольку значения периода ДПВР на 2…3 порядка больше в сравнении с ВБР, то методы их записи отличаются от методов записи ВБР. Среди наиболее распространенных способов записи фотоиндуцированных ДПВР следует отметить метод с использованием амплитудной маски и пошаговый метод, приведенные на рис. 6.23. В первом случае вся структура решетки формируется одновременно, а во втором случае последовательно при помощи механической трансляции ОВ относительно сфокусированного на сердцевину лазерного излучения.

Рис. 6.22. Схема записи брэгговских решеток с помощью фазовой маски: а) прямая запись, б) запись в интерферометре Тальбота; 1- фазовая маска, 2- оптическое волокно.

Механизм фотоиндуцированного изменения ПП в кварцевом стекле до сих пор недостаточно прояснен, хотя известно, что для германосиликатного стекла фотовозбуждение германиевых кислородо-дефицитных центров (ГКДЦ) играет инициирующую роль для последующей трансформации сетки стекла, которая сопровождается изменением его ПП. К сожалению, фоточувствительность стандартных телекоммуникационных ОВ с концентрацией GeO₂ 3…5мол. % недостаточна для эффективной записи решеток. Было показано, что фоточувствительность германосиликатных ОВ увеличивается с ростом концентрации оксида германия в сердцевине (соответственно с ростом ГКДЦ), а также при насыщении сетки стекла молекулярным водородом при относительно низкой температуре (~ 100⁰С) и высоком давлении водорода (до ~ 100 атм) в течение ~ 12 часов. Концентрация молекулярного водорода при такой обработке достигает 2…3 мол. %. Однако температурная стойкость решеток, записанных в ОВ с водородом невысокая, в связи с чем требуется отжиг решеток перед их использованием. Кроме того, насыщение водородом увеличивает потери, обусловленные ОН-группами.

Рис. 6.23. Схема записи длиннопериодной решетки УФ-излучением: а) с помощью амплитудной маски, б) пошаговым методом: 1 – цилиндрическая линза, амплитудная маска, 3 – сферическая линза, 4 - волокно

6.2.3. Волоконно-оптические лазеры

Схема волоконно-оптического лазера приведена на рис. 6.24. Как обычно, лазер включает в себя источник накачки и резонатор, который состоит из активной среды (АкОВ) и зеркал (брэгговских решеток). В качестве источника накачки используется полупроводниковый диодный лазер, излучающий на соответствующей длине волны. Наиболее простым является случай с торцевой накачкой, когда излучение вводится в торец волокна, как на рис. 6.24. Достоинством данного способа является возможность его применения для всех типов АкОВ, а недостатком – использовать лишь один источник накачки. Применение накачки с использованием V-образной канавки позволяет распределять вводимое излучение по длине АкОВ и добавлять новые источники по длине волокна, формируя V-образные канавки по мере истощения мощности от предыдущего источника.

Рис. 6.24. Простейшая конфигурация волоконно-оптического лазера: 1 – полупроводниковый излучатель, 2 – точка сварки, 3, - активное волокно, 4 – – брэгговские решетки, 5 – выход излучения

Мощные полупроводниковые источники для накачки требуют применения АкОВ с двойной оболочкой. В этих ОВ помимо одномодовой сердцевины, легированной ионами РЗЭ, и внутренней светоотражающей кварцевой оболочки имеется внешняя оболочка с ПП меньшим, чем ПП кварцевого стекла. На рис. 6.25 приведен модельный профиль и принцип преобразования многомодового излучения накачки в одномодовое излучение волоконного лазера, выходящего из сердцевины диаметром 5…10 мкм. При распространении излучения накачки по многомодовому световоду, в котором внутренняя оболочка выполняет также роль сердцевины по отношению к внешней оболочке, энергия накачки захватывается ионами РЗЭ, вызывая люминесценцию. При наличии обратной связи эта люминесценция развивается в лазерную генерацию.

Рис. 6.25. Модельный профиль ПП (а) и принцип преобразования многомодового излучения накачки в одномодовое излучение волоконного лазера в АкОВ с двойной оболочкой: 1- внутренняя оболочка, 2 – активная сердцевина, 3 – внешняя оболочка, 4 – многомодовая накачка, 5 – одномодовая генерация.

В качестве материалов внешней оболочки используются СИЭЛ, о котором говорилось в гл. 4, и тефлон AF, причем первый обеспечивает числовую апертуру до ~ 0,4 а второй - до ~0,6. К недостаткам силиконового покрытия следует отнести относительно высокие потери для излучения накачки (~ 50 дБ/км), а к недостаткам тефлона, обеспечивающего потери ~10 дБ/км, - малую толщину покрытия (10…20 мкм), которая увеличивает риск повреждения АкОВ.

Для эффективной связи мод внутренней оболочки с активной сердцевиной форму внутренней оболочки делают некруглой за счет шлифовки исходной заготовки перед ее вытяжкой. В таблице 6.3 приведены данные, показывающие влияние геометрии внутренней оболочки на эффективность поглощения излучения накачки в АкОВ, сердцевина которого легирована ионами иттербия.

Таблица 6.3 Влияние геометрии внутренней оболочки на эффективность поглощения излучения накачки в АкОВ, легированном ионами Yb

Из таблицы видно, что некруглая форма внутренней оболочки приводит почти к 100% эффективности накачки, однако с учетом потерь на сварке АкОВ с круглым волокном, используемым для записи ВБР, оптимальной является квадратная форма.

Другим вариантом повышения эффективности накачки является использование АкОВ с микроструктурированной оболочкой, содержащей воздушные капилляры. Схема такого АкОВ приведена на рис. 6.26. Характерное значение числовой апертуры таких ОВ составляет ~ 0,5 и ограничивается вытеканием мод высшего порядка через перемычки, поддерживающие внутреннюю оболочку. Большое значение NA и меньшая площадь внутренней оболочки в микроструктурированных ОВ позволяют увеличить в несколько раз плотность и эффективность накачки по сравнению с вышеуказанными ОВ.

Рис. 6.26. Схема АкОВ с микроструктурированной оболочкой; черные кружки – капилляры, заполненные воздухом: 1 - активированная сердцевина, 2 – внутренняя оболочка, 3 – микроструктурированная оболочка, 4 – технологическая кварцевая оболочка

Для иллюстрации на рис. 6.27 приведены типичные характеристики иттербиевого волоконного лазера: спектр люминесценции ОВ, с также спектр генерации лазера, возникающий при стыковке АкОВ с парой согласованных ВБР, имеющих резонансную длину волны 1103 нм. В данном случае ВБР с высоким коэффициентом отражения (R>99%) имела спектральную ширину 0,7 нм, а выходная ВБР (R~10%) –0,3 нм. Благодаря широкой полосе люминесценции иттербиевые ОВ позволяют получать лезерную генерацию в широком диапазоне длин волн 1050…1150 нм с дифференциальной эффективностью 50…80%. Зависимости выходной мощности лазера от мощности накачки на l = 0,978 мкм для разных длин волн генерации представлены на рис. 6.27 (б) . Видно, в частности, что при удалении от максимума спектра люминесценции (1,08…1,09 мкм) эффективность генерации уменьшается, однако остается на уровне 50 % даже на длине волны 1,148 мкм.

Рис. 6.27 Характеристики иттербиевого волоконного лазера с накачкой в оболочку: а) спектр люминесценции (…) и генерации (-), б) зависимости выходной мощности от мощности накачки (λ_{накачки}=980 нм) для различных длин волн генерации.

Путем объединения отдельных модулей в НПО «ИРЭ-Полюс» удалось создать иттербиевый волоконно-оптический лазер непрерывного излучения с мощностью на выходе маломодового волокна около 10 кВт.

6.2.4. Волоконно-оптические усилители

Одним из основных узлов современных ВОСПИ со спектральным уплотнением каналов (WDM или DWDM системы) является оптический усилитель. В настоящее время созданы три типа оптических усилителей: полупроводниковые, волоконные эрбиевые и рамановские (ВКР) усилители. Полупроводниковые усилители не нашли применения в ВОСПИ, поскольку физические особенности их функционирования приводят к неприемлемой величине перекрестных помех между каналами. Наиболее широкое применение получили эрбиевые волоконные усилители (EDFA – Erbium-Doped Fiber Amplifier), созданные на основе АкОВ, сердцевина которых легирована ионами эрбия. Главное их достоинство заключается в спектре люминесценции ионов эрбия, лежащем в области l ~ 1,54 мкм – области минимальных потерь кварцевых ОВ. Эрбиевые усилители обеспечивают усиление оптических сигналов без их преобразования в электрические сигналы и обратно, при этом они обладают низким уровнем шумов. В таблице 6.4 указаны основные характеристики эрбиевых усилителей и обычные значения этих характеристик.

Таблица 6.4 Характеристики эрбиевых усилителей

Указанные характеристики определяются параметрами АкОВ и оптической схемой (топологией) усилителя. Оптическая накачка осуществляется, как правило, полупроводниковыми лазерами в эффективные полосы поглощения ионов эрбия – 0,98 и 1,48 мкм. Современные эрбиевые усилители обеспечивают усиление модулированных оптических сигналов в полосе до 40 ГГц.

На рис. 6.28 приведена схема простейшего эрбиевого усилителя. Усилитель состоит из отрезка АкОВ, легированного эрбием. В таком волокне сигналы определенных длин волн усиливаются за счет энергии внешнего излучения накачки. Отличительной особенностью волоконно-оптического усилителя от лазера является отсутствие обратной связи (резонатора). Излучение вводится в ОВ с помощью направленного соединителя, конструкция которого будут рассматриваться в гл. 9. Усилитель содержит также оптические изоляторы, предотвращающие распространение света в обратном направлении.

Рис. 6.28. Схема оптического усилителя: 1 – ввод излучения, 2 - оптический изолятор, 3 - АкОВ, легированное эрбием, 4 – сварное соединение, 5 – соединитель, 6 – лазер накачки, 7 – выход излучения

Для многоканальных волоконно-оптических систем со спектральным мультиплексированием очень важным является спектральная полоса усиления и ее равномерность (плоскостность), что позволяет одинаково усиливать все каналы, лежащие в спектральной полосе. На рис. 6.29 приведена зависимость коэффициента усиления эрбиевого усилителя от длины волны. Видно, что в диапазоне 1530…1560 нм спектральная плотность почти постоянна. В полосу 30…40 нм умещается несколько десятков каналов DWDM.

Рис. 6.29. Зависимость коэффициента усиления EDFA от длины волны

Эбиевые усилители полностью "прозрачны" – не зависят от используемых протоколов, форматов, скорости передачи и длины волны оптического сигнала. Поэтому их можно подключать непосредственно к различному оборудованию – коммутаторам АТМ или компонентам протокола IP – не опасаясь, что они помешают друг другу. Сети с эрбиевыми усилителями имеют многочисленные преимущества. Пропускную способность таких сетей можно наращивать экономично и постепенно, добавляя новые каналы по мере роста потребности. Применение данных усилителей позволяет создавать полностью оптические сети, в которых обработка сигнала электронными компонентами происходит только в начальной (где информация впервые попадает в сеть) и конечной (где информация достигает конечного получателя) точках сети. Оптические усилители успешно используются в сетях кабельного телевидения CATV, когда один общий сигнал передается большому числу абонентов ("широковещание").

6.2.5. ВКР волоконно-оптические лазеры

Волоконно-оптические лазеры, созданные на основе АкОВ, сердцевина которых легирована ионами РЗЭ, излучают лишь в определенных спектральных областях, не заполняющих весь ближний ИК-диапазон. Использование явления вынужденного комбинационного рассеяния (ВКР) в ОВ позволяет создавать эффективные преобразователи длины волны (конвертеры) излучения лазерных источников и получать лазерную генерацию практически на любой длине волны ближнего ИК-диапазона. Явление ВКР (иногда называемого рамановским рассеянием) обусловлено неупругим взаимодействием фотонов с молекулами (или ионами), в ходе которых они обмениваются энергиями и возможны переходы на новые энергетические уровни. Схема энергетических уровней, иллюстрирующая основные принципы ВКР, приведены на рис. 6.30.

Молекула или ион, находящиеся в невозбужденном состоянии с энергией Е₀ под действием кванта с энергией hν₀ (ν₀ – частота падающего света) возбуждается в промежуточное (виртуальное) состояние с энергией Е_вир., откуда они могут вернуться в исходное состояние , испустив квант hν₀ (рэлеевское рассеяние), либо перейти в состояние E_i, испустив квант h(ν₀-ν_i), что приводит к появлению в спектре рассеянного излучения с частотами ν₀-ν_i (стоксовы частоты). Если до поглощения фотона молекула или ион находились в возбужденном состоянии с энергией E_i , то после рассеяния света они могут перейти как в исходное состояние, так и в основное состояние Е₀. В последнем случае энергия рассеянного света возрастет, составляя h(ν₀+ν_i), что приводит к появлению в спектре частот ν₀+ν_i (антистоксовые линии).

Рис. 6.30. Схема энергетических уровней, иллюстрирующая основные принципы ВКР. Энергия возбуждающего света hν₀, линии КР имеют частоты ν₀±ν_i .

Следует отметить, то наибольшее значение имеет не абсолютная частота излучения, а величина частотного смещения света (n_i). В случае непрерывной накачки объемного материала начальный рост интенсивности стоксовой волны (излучения) описывается соотношением

dI_c / dz = g_R´I₀´Ic (6.17),

где I_c и I₀ – интенсивности стоксовой волны и волны накачки соответ-ственно, g_R – коэффициент ВКР –усиления. Специфика ОВ, как ВКР-среды, заключается в относительно малом коэффициенте усиления (для плавленого кварца - 10^-13 Вт/м) и большой длине взаимодействия. Последнее обстоятельство позволяет снизить пороги получения ВКР.На величину рамановского усиления ОВ влияет распределение интенсивности света по сечению ОВ. Поэтому коэффициент рамановского усиления в ОВ (g₀) записывается как

g₀ = (∫ g_R×I₀×I_C×ds) / [(∫I₀×ds) (∫I_c×ds)] (6.18),

где интегралы берутся по поперечному сечению ОВ.

На рис. 6.31 приведены относительные ВКР-спектры (рамановские) для объемных стекол SiO₂, GeO₂, B₂O₃, P₂O₅, а в таблице 6.5 некоторые их характеристики, в том числе частотное смещение (волновое число).

Рис. 6.31. Относительные рамановские спектры для стекол SiO₂, GeO₂, B₂O₃, P₂O₅

Если активную среду конвертора поместить в резонатор, образованный узкополосными отражателями ВБР, то получим ВКР-лазер. Комбинируя длину волны накачки и материал активного световода можно получить генерацию практически во всем спектре ближнего ИК-диапазона. Для иллюстрации рассмотрим следующий пример (рис. 6.32). Излучение из полупроводникового лазера на длине волны 0.806 мкм вводится в активное оптическое волокно, сердцевина которого легирована неодимом и к которому приварены брэгговские решетки, формируя волоконно-оптический лазер с генерацией на λ_Nd=1,06 мкм = 1,06×10^-4 см (таблица 6.2), при этом частота излучения составит:

ν₀ = 1/λ_Nd = 1/1,06×10^-4= 9434 см^-1 (6.19).

Таблица 6.5 Характеристики ВКР-спектров для стекол SiO₂, GeO₂, B₂O₃, P₂O₅

Если излучение неодимого лазера ввести в волокно с фосфорсиликатной сердцевиной, для которого Δν = 1330 см^-1 при концентрации P₂O₅ 10…15 мол. %, то новая частота излучения будет ν₀-Δν = 9434-1330 = 8104 см^-1, а длина волны соответственно- λ_нов.= 1/( ν₀-Δν) = 1/8104 ≈ 1,24 мкм. Таким образом, введя в фосфорсиликатное волокно излучение на λ =1,06 мкм, на выходе получаем излучение с длиной волны λ = 1,24 мкм.

Рис. 6.32. Схема ВКР-лазера с брэгговскими решетками (ВБР), записанными непосредственно в ОВ с фосфоросиликатной сердцевиной (точками отмечены места сварки): 1 – лазерная матрица с излучением на λ=0,806 мкм, 2 – АкОВ, сердцевина которого легирована неодимом, 3 – ОВ с фосфоросиликатной сердцевиной, 4 – выход излучения на λ=1,234 мкм, 5 – резонатор ВКР-лазера, ВБР – волоконная брэгговская решетка с коэффициентом отражения R (например, 99 %) на λ=1,06 мкм

Для получения излучения в спектральной области l> 1,35 мкм необходимо использовать многокаскадные ВКР-лазеры, когда излучение с выхода одного каскада ВКР-лазера подается на вход следующего каскада ВКР-лазера и т.д. Например, если использовать излучение l = 1,24 мкм с выхода фосфоросиликатного волокна для накачки следующего каскада с фосфоросиликатным ОВ, можно получить излучение на 1,48 мкм, как это видно из рис. 6.33.

В заключении отметим, что интенсивность стоксовых частот возрастает с ростом концентрации легирующих компонентов (германия, фосфора и др.). Поэтому для создания ВКР - лазеров обычно используют высоколегированные ОВ, однако увеличение концентрации часто приводит к росту потерь и, в конечном счете, к уменьшению интенсивности излучения. В связи с этим приходится принимать некоторую оптимальную концентрацию легирующих примесей. Установлено, что величина потерь в высоколегированных ОВ уменьшается с уменьшением температуры вытяжки волокна и при добавке в сердцевину небольшой концентрации фтора.

Рис. 6.33. Спектр излучения двухкаскадного ВКР-лазера на основе фосфоросиликатного оптического волокна