Материал подготовлен Сергеем А. Дюжовым.
Эрбиевые усилители лазерного излучения являются наиболее распространенными в сфере телекоммуникаций. Усиление света в легированном эрбием волокне происходит в диапазоне длин волн 1.5 μm, как раз в области минимальных потерь кварцевого телекоммуникационного волокна.
Устройство и принципы работы
Схема простого легированного эрбием волоконного усилителя (EDFA) показана на Рис 1. Основная составляющая усилителя - легированное ионами эрбием оптоволокно, которое, как правило, является одномодовым волокном. В показанной на рисунке схеме активное волокно накачивается светом двух лазерных диодов (двунаправленная накачка), хотя однонаправленная накачка в прямом или обратном направлении (cонаправленная и противонаправленная накачка) также очень распространены. Накачка производится, как правило, на длине волны приблизительно 980 нм и иногда на 1450 нм.
Усилитель, показанный на рисунке, содержит два оптических изолятора с присоединенными волоконными выходами (так называемые компоненты “pig-tailed” - "со свиными хвостиками" или "с косичками"). Изолятор на входе усилителя не позволяет свету из усилителя выйти в обратном направлении, чтобы не нарушить работу предыдущих каскадов усиления. Также, иногда изолятор ставится на выходе усилителя - чтобы обратно отраженное излучение от оптических компонентов на выходе не нарушили работу самого усилителя.
Другие компоненты, входящие в состав волоконного усилителя:
лазерные диоды с управляющей электроникой, выравнивающие усиление фильтры, различные волоконные сцепки (делители), фотоприемники для контроля оптической мощности. В особенно компактных устройствах различные пассивные оптические компоненты могут быть объединены в фотонную интегральную схему.
Спектр усиления
Форма спектра усиления эрбия зависит от сечений поглощения и излучения, которые зависят от стекла матрицы. Кроме того, спектральная форма усиления, и не только ее величина, существенно зависит от средней степени возбуждения ионов эрбия, поскольку генерация осуществляется по "квази-трехуровневый" переход. На Рис. 2 показан спектр усиления для наиболее распространенного типа стекла, который является некоторой разновидностью кварца с дополнительными примесями, например, чтобы избежать кластеризации ионов эрбия. В других стеклах спектр может существенно отличаться.
Сильный трехуровневый режим (с прозрачностью, достигаемой при уровне возбуждения более 50 %), наблюдается на 1535 нм. В этом спектральном диапазоне ненакачанное волокно показывает существенные потери, но высокое поперечное сечение перехода обеспечивает высокое усиление при сильном возбуждении. На более длинных волнах (например, 1580 нм), для получения усиления требуется более низкий уровень возбуждения, но при этом максимальное усиление меньше. Максимальное усиление, как правило, наблюдается в диапазонах длин волн приблизительно 1530-1560 нм.
Локальный уровень возбуждения зависит от сечений поглощения и испускания, от уровня накачки и интенсивности задающего сигнала. Средний уровень возбуждения по всей длине волокна зависит от накачки и мощности задающего сигнала, но также и от длины волокна и концентрации ионов эрбия. Выбор этих параметров (вместе с выбором стекла) используются, чтобы оптимизировать EDFAs для заданной области длины волны, например для областей L или C.
Равномерность (плоская форма спектра) усиления в широком диапазоне длин волн, как требуется, например, для спектрального уплотнения передаваемой информации, может быть получена при использовании оптимизированных стеклянных матриц (например, теллуридных или фторидных волокон или некоторой комбинации нескольких секций усилителя с различными стеклами) или комбинацией с соответствующими оптическими фильтрами, такими как длиннопериодными брэгговскими решетками.
