3. Волоконні підсилювачі на основі рідкоземельних елементів.

Волоконні підсилювачі (ВП) (рис. 8.) одержали найбільше поширення у ВОСП, що обумовлено їхніми перевагами: простота конструкції; висока надійність; великі коефіцієнти підсилення; малі шуми; широка смуга підсилення; нечутливість до поляризації підсилюваного світла і т. ін.

Основу конструкції ВП складає ОВ з домішкою рідкоземельного матеріалу. Наприклад, для довжин хвиль підсилення 1,53…1,55 мкм це ербій (Er). Довжина волокна з домішкою – від 20 до 50 м. Для того, щоб ОВ стало підсилюючим середовищем, воно накачується випромінюванням λ_Н від окремого лазера. При цьому можливе й 2-стороннє накачування від 2-ох лазерів. Система контролю підсилення керує струмом накачування лазера завдяки зворотному зв’язку, установлюваному через дільник потужності. Підсилюваний сигнал λ_С і хвилі накачування λ_Н поєднуються в мультиплексорі та спрямовуються в ОВ з домішкою, де відбувається збільшення потужності сигналу. Велика частина (95%) потужності підсиленого сигналу проходить через фільтр на вихід. Фільтр відділяє хвилі накачування λ_Н і шуми поза смугою частот сигналу. Оптичний ізолятор виключає проникнення відбитих у підсилювачі сигналів у вхідну оптичну лінію.

Рисунок 8. Функціональна схема ВП.

Принцип дії ВП заснований на ефекті збудження за допомогою зовнішнього накачування атомів рідкоземельного матеріалу, поміщених у серцевину звичайного ОМ ОВ. Рідкоземельні матеріали обрані з таким розрахунком, щоб малися зони поглинання зовнішньої енергії та створювалася інверсна населеність, що призводить у кінцевому результаті до спонтанної та змушеної люмінесценції. При цьому змушене світіння буде обумовлено вхідним сигналом і збігається з ним за довжиною хвилі. Найбільш придатними для ВП вважаються рідкоземельні празеодим (Pr), неодим (Nd), ербій (Er), тулій (Tm), суміш з Er застосовується ітрій (Y). ВП застосовуються, як правило, на протяжних лініях, де передача відбувається на довжині хвилі 1,55 мкм. Для збільшення довжини ділянки передачі застосовуються ВП з Er.

Розглянемо їхню роботу та характеристики. У серцевині ОВ поміщені іони ербія (Er³⁺). Для накачування іонів можуть застосовуватися випромінювання з довжинами хвиль 1480; 980; 800; 670 і 521 нм. На практиці ж реально використовуються 1480 і 980 нм. Це обумовлено ефективністю напівпровідникових лазерів великої потужності, малим загасанням ОВ, низькими вимогами до точності довжини хвилі накачування. На λ=980 нм спостерігаються найменші шуми підсилення, а на λ=1480 нм немає жорстких вимог до точності налаштовування. Оптичний підсилювач з накачуванням на λ=1480 нм називають 2-рівневим, а підсилювач з накачуванням на λ=980 нм – 3-рівневим (рис. 9).

Іони Er збуджуються за рахунок поглинання енергії хвиль генератора накачування (λ_Н). Вони переходять з основного рівня на більш високі енергетичні рівні, а потім без випромінювання знижуються (релаксують) до метастабільного рівня. Одночасно на збуджені атоми впливає випромінювання сигналу λ_C, що викликає стимульоване випромінювання на всій довжині активного ОВ.

Однак, не всі атоми взаємодіють з випромінюванням сигналу та спонтанно переходять на основний рівень за час приблизно 10 мс. Спонтанна емісія фотонів породжує шум випромінювання, що теж може підсилюватися. При досить інтенсивному вхідному сигналі з довжиною хвилі λ_C спонтанне випромінювання в Er-підсилювачі може бути подавлено. Характеристики поглинання та випромінювання атомами Er зображені на рис. 10. Найважливіші характеристики ВП приведені в табл. 2. Для наочності деякі характеристики зображені на рис. 11-13. Це залежності підсилення від довжини активного ОВ, потужності накачування та вхідного сигналу. На рис. 14 представлена схема оптичного ретранслятора, заснованого на Er-підсилювачах.

Таблиця 2.

Характеристики волоконних підсилювачів.

Вікно прозорості	0,82-0,85 мкм		1,28-1,33 мкм		1,53-1,56 мкм
Хімічна сполука	Tm+3+SiO2		Pr+3+SiO2		Er+3+SiO2
Призначення підсилювача	Попередній прийому	Потужності передавача	Попередній прийому	Потужності передавача	Попередній прийому	Потужності передавача
Величина підсилення, дБм	25	10-12	20-30	10-15	35-50	10-15
Смуга частот підсилення	100	100	90	90	40	40
Потужність накачки, мВт	40-60	40-80	60-80	100-150	60-80	100-150
Споживана потужність, Вт	4	7,5	5	8	2,4	7,5

Рисунок 9. 3-ровнева діаграма переходів Er 3+.		Рисунок 10. Характеристики поглинання (випромінювання) атомів Er 3+ у ОВ.
Рисунок 11. Підсилення Er-підсилювача в залежності від потужності накачування.	Рисунок 12. Підсилення Er-підсилювача в залежності від довжини ОВ.
Рисунок 13. Підсилення Er-підсилювача в залежності від вихідного сигналу.	Рисунок 14. Структурна схема оптичного ретранслятора з Er-підсилювачами.

У схемі оптичного ретранслятора виділяється канал керування, що організований на окремій несущій хвилі λ_У. Попередній підсилювач забезпечує максимальне SNR. Підсилювач потужності має 2-стороннє накачування на λ=1480 нм, що створює максимальну лінійність характеристики підсилення. Оптичний коректор компенсує перекручування оптичних імпульсів, що виникли через хроматичну дисперсію в ОМ ОВ. Однак, коректор не усуває вплив поляризаційної модової дисперсії (ПМД), для компенсації якої необхідне застосування динамічного керованого компенсатора.

ВП можуть мати велику нерівномірність АЧХ, що неприйнятно для ВОСП з WDM. Відома низка рішень по згладжуванню АЧХ Er-підсилювачів і розширенню їхньої смуги частот підсилення, наприклад, застосуванням атенюаторів з автоматичним налаштовуванням по кожній хвилі передачі. Приклади побудови підсилювача зі згладжуванням АЧХ і розширенням смуги підсилених частот приведені на рис. 15, 16. На рис. 17 представлена конструкція ВП потужності для монтажу у складі модуля обладнання ВОСП.

Рисунок 15. Структурна схема гібридного ВП з розширенням смуги підсилюваних частот.		Рисунок 16. Характеристика підсилення гібридного (раманівське і Er з коректором) підсилювача.
Рисунок 17. Конструкція ВП.	Рисунок 18. Залежність коефіцієнта підсилення від зрушення частоти при λ=155 нм в ОВ Si2.