Оптические усилители в области волоконно-оптической связи
An оптический усилитель— это устройство, усиливающее оптические сигналы. В области волоконно-оптической связи оно выполняет следующие основные функции: 1. Усиление и усиление оптической мощности. Размещение оптического усилителя на входе оптического передатчика позволяет увеличить оптическую мощность, поступающую в волокно. 2. Усиление в режиме онлайн-ретрансляции, заменяющее существующие ретрансляторы в системах волоконно-оптической связи. 3. Предварительное усиление: слабый световой сигнал предварительно усиливается перед фотодетектором на приёмной стороне для повышения чувствительности приёмника.
В настоящее время оптические усилители, используемые в волоконно-оптической связи, в основном включают следующие типы: 1. Полупроводниковый оптический усилитель (Оптический усилитель SOA)/Полупроводниковый лазерный усилитель (оптический усилитель SLA); 2. Волоконные усилители, легированные редкоземельными элементами, такие как волоконные усилители, легированные приманкой (Оптический усилитель EDFA) и т. д. 3. Нелинейные волоконные усилители, такие как волоконные рамановские усилители и т. д. Ниже приведено краткое введение.
1. Полупроводниковые оптические усилители: В различных условиях применения и с разным коэффициентом отражения торцевой поверхности полупроводниковые лазеры могут создавать различные типы полупроводниковых оптических усилителей. Если ток возбуждения полупроводникового лазера ниже порогового значения, то есть лазер не генерируется, в этот момент оптический сигнал подается на один конец. Пока частота этого оптического сигнала близка к спектральному центру лазера, он будет усиливаться и выходить на другой конец. Этот типполупроводниковый оптический усилительназывается оптическим усилителем типа Фабри-Перро (FP-SLA). Если смещение лазера выше порогового, слабый одномодовый оптический сигнал, поступающий с одного конца, будет усиливаться и синхронизироваться с определённой модой, пока частота этого оптического сигнала находится в пределах спектра этого многомодового лазера. Такой тип оптического усилителя называется усилителем с инжекционной синхронизацией (IL-SLA). Если оба конца полупроводникового лазера зеркально покрыты или напылены слоем антиотражающей плёнки, что делает его излучательную способность очень малой и неспособной образовывать резонансную полость Фабри-Перро, то при прохождении оптического сигнала через активный волноводный слой он будет усиливаться при распространении. Поэтому этот тип оптического усилителя называется оптическим усилителем бегущей волны (TW-SLA), и его структура показана на следующем рисунке. Поскольку полоса пропускания оптического усилителя бегущей волны на три порядка больше, чем у усилителя типа Фабри-Перо, а его полоса пропускания по уровню 3 дБ может достигать 10 ТГц, он может усиливать оптические сигналы различных частот и является весьма перспективным оптическим усилителем.
2. Усилитель на основе легированного волокна: состоит из трёх частей: первая – это легированное волокно длиной от нескольких метров до десятков метров. Эти примеси в основном представлены ионами редкоземельных элементов, которые образуют активирующий лазер материал; вторая – источник лазерной накачки, который обеспечивает энергию соответствующих длин волн для возбуждения легированных ионов редкоземельных элементов с целью усиления света. третья – это ответвитель, который позволяет свету накачки и сигнальному свету входить в активирующий лазерный материал легированного оптического волокна. Принцип работы волоконного усилителя очень похож на принцип работы твердотельного лазера. Он создаёт состояние с обратным распределением числа частиц в активированном лазером материале и генерирует вынужденное излучение. Для создания устойчивого состояния с инверсией распределения числа частиц в оптическом переходе должно быть задействовано более двух энергетических уровней, обычно трёх- и четырёхуровневые системы, с непрерывной подачей энергии от источника накачки. Для эффективного энергоснабжения длина волны фотона накачки должна быть короче длины волны лазерного фотона, то есть энергия фотона накачки должна быть больше энергии лазерного фотона. Кроме того, резонансная полость образует положительную обратную связь, что позволяет создать лазерный усилитель.
3. Нелинейные волоконные усилители: как нелинейные волоконные усилители, так и эрбиевые волоконные усилители относятся к категории волоконных усилителей. Однако первые используют нелинейный эффект кварцевых волокон, а вторые – кварцевые волокна, легированные эрбием, для воздействия на активную среду. Обычные кварцевые оптические волокна генерируют сильные нелинейные эффекты под действием мощного света накачки соответствующих длин волн, такие как вынужденное комбинационное рассеяние (ВКР), вынужденное рассеяние Мандельштама-Бриллюэна (ВРМБ) и эффекты четырёхволнового смешения. При передаче сигнала по оптоволокну вместе со светом накачки последний может усиливаться. Таким образом, они образуют волоконные рамановские усилители (ВРУ), усилители Бриллюэна (УМБ) и параметрические усилители, которые все являются распределёнными волоконными усилителями.
Резюме: Общим направлением развития всех оптических усилителей является высокий коэффициент усиления, высокая выходная мощность и низкий коэффициент шума.
Время публикации: 08 мая 2025 г.