П1.2. Принцип работы оптических усилителей на основе эрбиевого волокна

Оптические усилители на основе волокна легированного эрбием (EDFA) являются основой для построения экономически эффективных ВОЛП с ВОСП-СР и сетей на их основе. Усилители EDFA обеспечивают непосредственное усиление оптических сигналов, без их преобразования в электрические сигналы и обратно, обладают низким уровнем шумов, а их рабочий диапазон длин волн практически точно соответствует окну прозрачности кварцевого оптического волокна и основным рабочим диапазонам ВОСП-СР (С и L диапазоны). Оптические усилители работают независимо от протокола сигнала или метода модуляции оптического сигнала. Усилители EDFA открывают возможность передачи модулированного оптического сигнала на очень большие расстояния без необходимости восстановления и регенерации передаваемой информации. Применение усилителей EDFA позволяет создавать полностью оптические сети, в которых обработка сигнала электронными компонентами происходит только в начальной (где информация впервые попадает в сеть) и конечной (где информация достигает конечного получателя) точках сети.

Усилитель EDFA состоит из отрезка волокна, легированного эрбием. В таком волокне сигналы определенных длин волн могут усиливаться за счет энергии внешнего излучения накачки.

На рисунке П1 представлена стандартная оптическая структура оптического усилителя на волокне, легированного эрбием с источником двойной накачки. Излучение сигнала и лазера накачки объединяются вместе в волновом мультиплексоре WDM, и затем вводятся в волокно, легированное эрбием (EDF). Два лазера формируют двухкаскадный лазер накачки. Возбужденное излучением лазера накачки EDF выполняет функцию усиления. Оптические изоляторы (ISO) служат для предотвращения проникновения в оптический усилитель постороннего излучения с линии. Оптические ответвители (Tap) отводят малую часть сигнала (порядка 1%) на фотодетекторы системы контроля.

Рисунок П1. Структурная схема оптического усилителя EDFA

Волокно, легированное эрбием (EDF), легированное с Er³⁺ заданной плотности, является центральной частью оптоволоконного усилителя. На рис. 7.5. приведена диаграмма энергетических уровней Er³⁺. Валентный ион элемента Er³⁺ имеет трехуровневую структуру (E1, E2 и E3), где E1 - основное состояние, E2 – метастабильное состояние и E3 – верхний уровень (возбужденное состояние).

Рисунок П2. Диаграмма энергетических уровней EDFA

Когда применяется мощный лазер накачки для возбуждения EDF, большое количество ионов эрбия возбуждаются от основного состояния до верхнего уровня E3. Однако верхней уровень не является стабильным, и ионы эрбия вскоре переходят в метастабильное состояние E2 вследствие неизлучательного убывающего процесса (т. е. фотоны не излучаются). Уровень E2 является метастабильной энергетической зоной, у которой период жизни довольно большой. Таким образом, осуществляется распределение инверсии населенности. Когда оптический сигнал с длиной волны 1550 нм проходит через волокно, легированное эрбием, ионы в метастабильном состоянии переходят в основное состояние за счет вынужденного излучения и генерации фотонов, схожих с фотонами светового сигнала. Таким образом, значительно увеличивается количество фотонов в световом сигнале, то есть, выполняется функция непрерывного усиления светового сигнала, передаваемого в EDF.