Оптичні підсилювачі в галузі волоконно-оптичного зв'язку
An оптичний підсилювач– це пристрій, що підсилює оптичні сигнали. У сфері волоконно-оптичного зв'язку він виконує такі основні ролі: 1. Посилення та підсилення оптичної потужності. Розміщуючи оптичний підсилювач на передньому кінці оптичного передавача, можна збільшити оптичну потужність, що надходить у волокно. 2. Онлайн-ретрансляційне посилення, що замінює існуючі ретранслятори в системах волоконно-оптичного зв'язку; 3. Попереднє посилення: перед фотодетектором на приймальному кінці слабкий світловий сигнал попередньо посилюється для підвищення чутливості прийому.
Наразі оптичні підсилювачі, що використовуються в оптоволоконному зв'язку, включають переважно такі типи: 1. Напівпровідниковий оптичний підсилювач (Оптичний підсилювач SOA)/Напівпровідниковий лазерний підсилювач (SLA-оптичний підсилювач); 2. Підсилювачі з волокон, леговані рідкісноземельними елементами, такі як підсилювачі з волокон, леговані приманкою (Оптичний підсилювач EDFA) тощо. 3. Нелінійні волоконні підсилювачі, такі як волоконні раманівські підсилювачі тощо. Далі наведено короткий вступ відповідно.
1. Напівпровідникові оптичні підсилювачі: За різних умов застосування та з різним коефіцієнтом відбиття торця, напівпровідникові лазери можуть створювати різні типи напівпровідникових оптичних підсилювачів. Якщо струм керування напівпровідникового лазера нижчий за його порогове значення, тобто лазер не генерується, то в цей час на один кінець подається оптичний сигнал. Поки частота цього оптичного сигналу знаходиться поблизу спектрального центру лазера, він буде посилюватися та виводитися на інший кінець. Такий типнапівпровідниковий оптичний підсилювачназивається оптичним підсилювачем типу Фабрі-Перроу (FP-SLA). Якщо лазер зміщений вище порогового значення, то з одного кінця надходить слабкий одномодовий оптичний сигнал, і якщо частота цього оптичного сигналу знаходиться в спектрі цього багатомодового лазера, оптичний сигнал буде посилений та синхронізований до певної моди. Такий тип оптичного підсилювача називається підсилювачем з синхронізацією з ін'єкцією (IL-SLA). Якщо два кінці напівпровідникового лазера покриті дзеркальним покриттям або напиленням шаром антивідбивної плівки, що робить його випромінювальну здатність дуже малою та нездатною утворювати резонатор Фабрі-Перроу, то коли оптичний сигнал проходить через шар активного хвилеводу, він буде посилюватися під час проходження. Тому цей тип оптичного підсилювача називається оптичним підсилювачем типу біжучої хвилі (TW-SLA), а його структура показана на наступному рисунку. Оскільки смуга пропускання оптичного підсилювача типу біжучої хвилі на три порядки більша, ніж у підсилювача типу Фабрі-Перо, а його смуга пропускання 3 дБ може досягати 10 ТГц, він може підсилювати оптичні сигнали різних частот і є дуже перспективним оптичним підсилювачем.
2. Підсилювач з волоконним намотуванням: Він складається з трьох частин: перша - це леговане волокно довжиною від кількох метрів до десятків метрів. Ці домішки в основному є рідкісноземельними іонами, які утворюють матеріал для активації лазера; друга - це джерело лазерного накачування, яке забезпечує енергію відповідних довжин хвиль для збудження легованих рідкісноземельних іонів з метою досягнення посилення світла. Третя - це розгалужувач, який дозволяє світлу накачування та сигнальному світлу вводитися в легований матеріал для активації оптичного волокна. Принцип роботи підсилювача волоконного випромінювання дуже схожий на принцип роботи твердотільного лазера. Він викликає обернений розподіл кількості частинок у матеріалі, активованому лазером, та генерує вимушене випромінювання. Для створення стабільного стану інверсного розподілу кількості частинок в оптичному переході повинні бути задіяні більше двох енергетичних рівнів, зазвичай трирівневі та чотирирівневі системи, з безперервним подачею енергії від джерела накачування. Для ефективного забезпечення енергією довжина хвилі фотона накачування повинна бути коротшою за довжину хвилі лазерного фотона, тобто енергія фотона накачування повинна бути більшою за енергію лазерного фотона. Крім того, резонансний резонатор утворює позитивний зворотний зв'язок, і таким чином може бути сформований лазерний підсилювач.
3. Нелінійні волоконні підсилювачі: Як нелінійні волоконні підсилювачі, так і ербієві волоконні підсилювачі належать до категорії волоконних підсилювачів. Однак перші використовують нелінійний ефект кварцових волокон, тоді як другі використовують леговані ербієм кварцові волокна для впливу на активне середовище. Звичайні кварцові оптичні волокна генерують сильні нелінійні ефекти під дією сильного світла накачування відповідних довжин хвиль, такі як вимушене комбінаційне розсіювання (ВКР), вимушене розсіювання Бріллюена (ВРМ) та ефекти чотирихвильового змішування. Коли сигнал передається вздовж оптичного волокна разом зі світлом накачування, сигнальне світло може бути посилене. Таким чином, вони утворюють волоконні комбінаційні підсилювачі (ВКР), підсилювачі Бріллюена (ПБР) та параметричні підсилювачі, всі з яких є розподіленими волоконними підсилювачами.
Короткий зміст: Загальним напрямком розвитку всіх оптичних підсилювачів є високий коефіцієнт посилення, висока вихідна потужність та низький коефіцієнт шуму.
Час публікації: 08 травня 2025 р.