Волоконные усилители

Функциональная схема волоконно-оптического усилителя приведена на рис. 4.19.

Рис. 4.19. Схема волоконно-оптического усилителя

Основу усилителя составляет активный волоконный световод АВС. Для длины волны 1.55 мкм в роли примеси используется Эрбий Er, длина светововода составляет десятки микрометров.

Для того, чтобы волокно приобрело свойство усиливающей среды, используется накачка с помощью лазера Л. Усиливаемый сигнал с длинной волны l_С и излучение лазера с длиной волны накачки l_Н объединяются в мультиплексоре МП и направляются в оптическое волокно.

В оптическом волокне происходит увеличение мощности сигнала. Основная часть (>90%) усиленного сигнала проходит через фильтр Ф на выход. Фильтр выделяет полезный усиленный сигнал и не пропускает на выход сигнал накачки и шумы вне полосы частот сигнала.

На входе устройства использует оптический изолятор ОИ предотвращающий проникновение отраженных в усилителе сигналов во входящую оптическую линию.

Узел контроля УК управляет током накачки УН. Стабильность режима лазер А обеспечивается действием обратной связи и зависит от коэффициента передачи делителя мощности ДM.

Принцип действия оптического усилителя основан на эффекте возбуждения, вследствие лазерной накачки атомов редкоземельных материалов, помещенных в сердцевину одномодового стекловолокна. Редкоземельные материалы выбираются с таким расчетом, чтобы имелись зоны поглощения внешней энергии и создавалась инверсная населенность, которая приводит к спонтанной, а затем и к вынужденной люминесценции.

Волоконные лазеры

Волоконно-оптические лазеры обладают рядом преимуществ по сравнению с традиционными:

- обладают высокой стабильностью и надежностью;

- обеспечивают высокое качество выходного излучения;

- обеспечивают эффективный теплоотвод;

- имеют малые габариты и массу.

Конструкция волоконного лазера на основе активного волоконного световода приведена на рис. 4.20.

Рис. 4.20. Конструкция волоконного лазера

Содержит узел накачки с волоконным выходом LD (обычно это мощный лазер); активный одномодовый волоконный световод с диаметром сердцевины d_с=10-30 мкм; внутри волоконные решетки показателя преломления выполняющие функции зеркал лазера.

Благодаря полностью волоконной конструкции таких лазеров, они обладают низкими оптическими потерями. Типичная длина активного волоконного световода составляет 5-50м. Левая входная брегговская решетка имеет коэффициент отражения на длине волны генерации близкий к 100%, а коэффициент отражения правой входной и выходной решеток существенно ниже (примерно 5%) и определяется величиной усиления и оптических потерь излучения в активном волноводе. Брегговские решетки могут быть созданы как непосредственно в активном световоде, так и в отрезке фоточувствительного световода, который сваривается с активным.

Изготовление решеток показателя преломления основано на явлении фоточувствительности. Это явление заключается в изменении показателя преломления сердцевины световода под действием УФ-излучения определенных длин волн. Как правило, волоконные брегговские решетки показателя преломления представляют собой отрезок волоконного световода с модуляцией показателя преломления в световедущей области с периодом порядка половины длинны распространяющегося излучения.

В качестве активных легирующих добавок волоконных световодов используют ионы лантаноидов или редких земель. Для создания эффективных волоконных лазеров средней и высокой мощности особый интерес представляет активное волокно, легированное ионами Yв³⁺.

В схеме уровней Yв³⁺ кроме основного уровня F_7/2 существует единственный возбужденный уровень F_5/2. Отсутствие других энергетических уровней вплоть до ультрафиолетового диапазона означает, что в данной системе в области длин волн, близких к длине волны генерации, не будет иметь место поглощение из возбужденного состояния и различные кооперативные явления. Это приводит к высоким значениям КПД лазеров и позволяет существенно увеличить концентрацию активной примеси по сравнению с такими распространенными легирующими добавками как неодим и эрбий.

Использование световодов с высокой концентрацией активной примеси позволяет уменьшить длину активной среды лазера, а значит, и уменьшить отрицательное влияние различных нелинейных эффектов и дополнительных оптических потерь на эффективность лазера.