Волоконные оптические усилители, легированные редкоземельными элементами

Оптические усилители, использующие в качестве активного материала редкоземельные элементы РЗЭ (или лантаноиды - элементы с 57 по 71 в Периодической таблице Менделеева), были известны достаточно давно, однако, активное исследование этого типа усилителей началось только с конца 80-х (1987) и активизировалось с появлением высококачественного ОВ и систем WDM.

Объяснение принципа работы таких усилителей базируется на следующем. В процессе изготовления основной материал (в нашем случае стекло ОВ) легируется (т.е. к нему добавляются примеси редкоземельных металлов). Длина легированного таким образом оптического волокна заключается в пределах от одного до нескольких десятков метров. В практиче­ских схемах это оптическое волокно длиной 5-25 метров сворачивается в небольшую бухточку диаметром 10 – 15 см и подключается через специальные разъемы к другим элементам схемы оптического усилителя. На рисунке 3.48 показано рас­положение активной среды в оптическом волокне.

Рисунок 3.48 – Рас­положение активной среды в оптическом волокне ВОУ

Как видно из рисунка, активная среда располагается в сердцевине волокна имеющего диаметр ~ 5 мкм, обеспечивая тем самым максимальное воздействие энергии накачки и полезного сигнала на активную область. Слой оболочки с более низким показателем преломления окружает сердцевину, на которую на­носится защитное покрытие, такое же, как и у стандартного волокна.

Ионы примесей редкоземельных металлов создают активную среду для усиления в определенных полосах длин волн. Примесные ионы могут быть легко возбуждены излучением лазерной накачки соответствующих длин волн, а затем относительно легко могут (под действием принятого информационного светового сигнала) сбросить возбужденные электроны на нижний уровень в процессе релаксации.

Для легирования с целью последующего усиления до недавнего времени использовали, как правило, только три РЗЭ: неодим (Nd) и празеодим (Pr) - для усиления сигналов в окне 1300 нм, эрбий (Er) - для усиления сигналов в окне 1550 нм. В последнее время к ним добавился иттербий (Yb), применяемый совместно с Er, что позволяет использовать новые более мощные источники накачки.