4.8 Волоконно-оптические усилители и лазеры
Использование для передачи информации новых спектральных диапазонов позволяет увеличить полную суммарную скорость передачи сигналов по линии связи со спектральным мультиплексированием (WDN). Однако при передаче сигналов на расстояние, характерное для глобальных сетей (WAN) и для магистральных сетей необходимо использование оптических усилителей. Широкое применение находят Эрбиевые усилители (EDFA) позволяющие более полно использовать С и L спектральные диапазоны.
4.8.1 Волоконные усилители
Функциональная схема волоконно-оптического усилителя приведена на рис. 4.19.
Рис. 4.19. Схема волоконно-оптического усилителя
Основу усилителя составляет активный волоконный световод АВС. Для длины волны 1.55 мкм в роли примеси используется Эрбий Er, длина светововода составляет десятки микрометров.
Для того, чтобы волокно приобрело свойство усиливающей среды, используется накачка с помощью лазера Л. Усиливаемый сигнал с длинной волны С и излучение лазера с длиной волны накачки Н объединяются в мультиплексоре МП и направляются в оптическое волокно.
В оптическом волокне происходит увеличение мощности сигнала. Основная часть (>90%) усиленного сигнала проходит через фильтр Ф на выход. Фильтр выделяет полезный усиленный сигнал и не пропускает на выход сигнал накачки и шумы вне полосы частот сигнала.
На входе устройства использует оптический изолятор ОИ предотвращающий проникновение отраженных в усилителе сигналов во входящую оптическую линию.
Узел контроля УК управляет током накачки УН. Стабильность режима лазер А обеспечивается действием обратной связи и зависит от коэффициента передачи делителя мощности ДM.
Принцип действия оптического усилителя основан на эффекте возбуждения, вследствие лазерной накачки атомов редкоземельных материалов, помещенных в сердцевину одномодового стекловолокна. Редкоземельные материалы выбираются с таким расчетом, чтобы имелись зоны поглощения внешней энергии и создавалась инверсная населенность, которая приводит к спонтанной, а затем и к вынужденной люминесценции.
4.8.2 Волоконные лазеры
Волоконно-оптические лазеры обладают рядом преимуществ по сравнению с традиционными:
- обладают высокой стабильностью и надежностью;
- обеспечивают высокое качество выходного излучения;
- обеспечивают эффективный теплоотвод;
- имеют малые габариты и массу.
Конструкция волоконного лазера на основе активного волоконного световода приведена на рис. 4.20.
Рис. 4.20. Конструкция волоконного лазера
Содержит узел накачки с волоконным выходом LD (обычно это мощный лазер); активный одномодовый волоконный световод с диаметром сердцевины dс=10-30 мкм; внутри волоконные решетки показателя преломления выполняющие функции зеркал лазера.
Благодаря полностью волоконной конструкции таких лазеров, они обладают низкими оптическими потерями. Типичная длина активного волоконного световода составляет 5-50м. Левая входная брегговская решетка имеет коэффициент отражения на длине волны генерации близкий к 100%, а коэффициент отражения правой входной и выходной решеток существенно ниже (примерно 5%) и определяется величиной усиления и оптических потерь излучения в активном волноводе. Брегговские решетки могут быть созданы как непосредственно в активном световоде, так и в отрезке фоточувствительного световода, который сваривается с активным.
Изготовление решеток показателя преломления основано на явлении фоточувствительности. Это явление заключается в изменении показателя преломления сердцевины световода под действием УФ-излучения определенных длин волн. Как правило, волоконные брегговские решетки показателя преломления представляют собой отрезок волоконного световода с модуляцией показателя преломления в световедущей области с периодом порядка половины длинны распространяющегося излучения.
В качестве активных легирующих добавок волоконных световодов используют ионы лантаноидов или редких земель. Для создания эффективных волоконных лазеров средней и высокой мощности особый интерес представляет активное волокно, легированное ионами Yв3+.
В схеме уровней Yв3+ кроме основного уровня F7/2 существует единственный возбужденный уровень F5/2. Отсутствие других энергетических уровней вплоть до ультрафиолетового диапазона означает, что в данной системе в области длин волн, близких к длине волны генерации, не будет иметь место поглощение из возбужденного состояния и различные кооперативные явления. Это приводит к высоким значениям КПД лазеров и позволяет существенно увеличить концентрацию активной примеси по сравнению с такими распространенными легирующими добавками как неодим и эрбий.
Использование световодов с высокой концентрацией активной примеси позволяет уменьшить длину активной среды лазера, а значит, и уменьшить отрицательное влияние различных нелинейных эффектов и дополнительных оптических потерь на эффективность лазера.