Известны два вида оптических усилителей, в которых усиление оптических колебаний происходит в результате рассеяния излучения накачки на атомах вещества, служащего основой светопровода. Усилители работают на основе эффектов Рамана и Мандельштамма – Бриллюэна, имеющих место в стеклянных волноводах при большой мощности накачки.

Вынужденное комбинационное рассеяние (ВКР) или рамановское рассеяние может превратить волоконный световод в оптический усилитель с оптической накачкой. Усиление вследствие ВКР зависит от интенсивности (равной мощности накачки P_н, деленной на площадь модовой пятки А), длины взаимодействия L волны накачки и сигнальной волны и коэффициента усиления ВКР g:

. (7.1)

В световоде с низкими потерями длина взаимодействия может составить более 1 км, что снижает требования по мощности накачки и коэффициенту усиления.

Величина коэффициента g зависит от присадок к стекловолокну таких, как бор, германий, фосфор. Для волокна на основе двуокиси кремния SiO₂ величина коэффициента g при накачке 1,55 мкм представлена зависимостью на рисунке 7.18.

Из графика видно, что по уровню уменьшения усиления в два раза полоса частот усиления может быть около 5 ТГц при неравномерной характеристике усиления.

Усиление зависит и от длины волокна и от величины поглощения мощности в материале волокна:

, (7.2)

где l – действительная длина, α – затухание волокна (дБ/км), – эффективная длина взаимодействия волн накачки и сигнала. На длинных линиях (десятки км) можно считать, что

.

Величина мощности Р_н рассматривается усредненной за интервал времени передачи импульсного сигнала. Величина усиления не зависит от поляризации усиливаемого сигнала.

Реальные величины коэффициентов усиления рамановских усилителей могут принимать значения от 3…5 дБ до 20…35 дБ в зависимости от примесного состава стекловолокна и мощности накачки. Пример схемы усилителя рамановского типа приведен на рисунке 7.21. Особенность схемы это встречная по отношению к сигналу накачка от мощного лазерного диода (до 1 Вт).

Рисунок 7.19. Схема рамановского усилителя со встречной накачкой

В завершении необходимо отметить, что в практике возможно использование каскадного включения эрбиевого и рамановского усилителей с дополнительным фильтром-выравнивателем характеристики усиления в полосе до 100 нм (рисунок 7.18, 7.19). Такое включение существенно уменьшает величину шума усиленной спонтанной эмиссии ASE.

Характерной особенностью нелинейного оптического усилителя Рамана является образование спектральных компонентов. В частности разностная частота между частотами сигнала и накачки называется стоксовой компонентой.

Усилитель Рамана может быть использован для увеличения скорости передачи существующих линий с 2.5 Гбит/с до 40 Гбит/с. Широкополосность усилителя превышает 5 ТГц и полоса усиления может смещаться в зависимости от выбора оптической частоты накачки [118]. Пример конструктивного исполнения модуля накачки усилителя Рамана приведен на рисунке 7.20.

Рисунок 7.20. Конструктив модуля накачки рамановского ВОУ

Схема оптических и электрических цепей модуля рамановского ВОУ представлена на рисунке 7.21.

Рисунок 7.21. Структура схемы накачки рамановского усилителя

Волоконный усилитель Бриллюэна (ВУБ) в основном схож по принципу действия с усилителем Рамана, за исключением того, что оптическое усиление обеспечивается стимулированным рассеянием Бриллюэна. ВУБ также накачивается оптически, и часть накачиваемой мощности передается сигналу через рассеяние. Физически каждый фотон накачки с энергией hx f_H использует ее часть, чтобы создать фотон сигнала с энергией , hxf_С в то время как фотон энергии возбуждает акустический фотон. Иначе говоря, волны накачки рассеиваются на акустической волне, движущейся через среду со скоростью звука.

Отличия от рамановского усиления:

• усиление имеет место только тогда, когда сигнал распространяется в направлении, противоположном лучу накачки;
• сдвиг частоты сигнала по отношению к частоте накачки меньше 10 ГГЦ, т.е. на три порядка меньше, чем у рамановского усилителя, и зависит от частоты накачки;
• спектр усиления узкий (полоса усиления менее 100 МГц).
• Очень узкий усиливаемый спектр не позволяет применять этот тип усилителя в широкополосных системах передачи. Реальное усиление может достигать 20 ¸ 30 дБ при величине накачки около 1 мВт.