5. Усилители на примесном волокне

наиболее широко рас­пространены и являются ключевыми элементами в технологии полностью оптических сетей, так как позволяют усиливать световой сигнал в широком спектральном диапазоне. Схема такого усилителя приведена на рис. 20.

Слабый входной сигнал (1) проходит через оптический изолятор (2), который пропускает свет в прямом направлении - слева направо, но не пропускает рассеянный свет в обратном направлении, далее проходит через блок фильтров (3), которые блокируют световой поток на длине волны накачки, но прозрачны к длине волны сигнала.

Затем сигнал попадает в катушку с волокном, легированным примесью из редкоземельных элементов (4). Длина такого участка волокна составляет несколько метров. Этот участок волокна подвергается сильному непрерывному излучению полупроводни­кового лазера накачки (5), установленного с противоположной стороны, с более короткой длиной волны.

Излучение этого лазера (5) с длиной волны накачки (6) возбуждает атомы примеси, возбужденное состояние которых имеет большое время релаксации, чтобы спонтанно перейти в основное состояние. Однако при наличии слабого сигнала происходит индуцированный переход атомов примесей из возбужденного состояния в основное с излучением света та той же длине волны и с той же самой фазой, что и вызвавший этот переход сигнал. Селективный разветвитель (7) перенаправляет усиленный полезный сигнал (8) в выходное волокно (9). Дополнительный оптический изолятор на выходе (10) предотвращает попадание обратного рассеянного сигнала из выходного сегмента в активную область оптического усилителя.

Активной средой является одномодовое волокно, сердцевина которого легирована примесями редкоземельных элементов с целью создания трехуровневой атомной системы (рис. 21).

Лазер накачки возбуждает электронную подсистему примесных атомов, в результате чего электроны с основного состояния (уровень А) переходят в возбужденное состояние (уровень В). Далее происходит релаксация электронов с уровня В на промежуточный уровень С.

Когда заселенность уровня С становится достаточно высокой, так что образуется инверсная заселенность уровней А и С_:, то такая система способна индуцировано усиливать входной оптический сигнал в определенном диапазоне длин волн. При отсутствии входного сигнала происходит спонтанное излучение возбужденных атомов примесей, приводящее к шуму.

Режимы работы усилителя во многом зависят от типа примесей и от диапазона длин волн, в пределах которого он должен усиливать сигнал. Наиболее широко распространены усилители, в которых используется кремниевое волокно, легированное эрбием.

Такие усилители получили название EDFA (Erbium Doped Fiber Amplifier - усилитель на легированном эрбием волокне) усилителей. Коэффициент усиления сигнала зависит от его входной ампли­туды и длины волны. При малых входных сигналах амплитуда выходного сигнала растет линейно с ростом входного сигнала, коэффициент усиления достигает при этом максимального значе­ния. Однако при некотором достаточно большом входном сигнале сигнал на выходе достигает своего насыщения, что приводит к падению коэффициента усиления при дальнейшем увеличении уровня входного сигнала.