Если существует некая активная среда, имеющая только два энергетических состояния E1 и Е2 (см. рис. 3.3-1,а), примем Е2 > E1, т.е. Е2 является возбужденным по отношению к Е1 состоянием, то в равновесных условиях число рабочих частиц (электронов, ионов или молекул - потенциальных усилительных агентов среды) распределено по статистике Больцмана так, что N2 < N1. В результате, если на вход такой среды попадает фотон, то он с большей вероятностью будет поглощен этой средой, что может сопровождаться переходом частицы с уровня Е1 на уровень Е2, если энергия фотона hω > (Е2 – Е1). Усиление; в такой среде невозможно, хотя и существует малая вероятность эмиссии (испускания) фотона, если электрон спонтанно перейдет с верхнего возбужденного уровня на нижний релаксационный уровень.
Усиление станет возможным, если удастся создать инверсию населенностей уровней, когда N2 > N1. Для этого используется система энергетической накачки. В качестве накачки можно использовать инжекцию электронов или излучение лазера соответствующей длины волны для создания фотонов нужной энергии.
Рис. 3.3-1. Схемы двухуровневой (а) и трехуровневой (б) моделей функционирования активной среды.
В результате накачки и создания определенной инверсии населенности активная среда становится способной генерировать вторичные фотоны (той же частоты и направления распространения) с коэффициентом размножения k при попадании на ее вход возбуждающего фотона из светового потока усиливаемого сигнала. В результате осуществляется его усиление за счет возбуждаемой эмиссии.
Важным для понимания моментом; является то, что усиление носит распределенный характер (хотя в зависимости от типа усилителя может носить и циклически распределенный характер, например при наличии резонаторов в цепи обратной связи усилителей). Распределенный характер - следствие генерации вторичных фотонов в течение всего времени прохождения усиливаемого оптического сигнала через активную среду, имеющую конечную длину L, что и обуславливает появления этого параметра в формулах для коэффициента усиления ОУ.
Нужно помнить также, что усиление неизбежно сопровождается двумя друг-ими процессами: поглощением энергии светового сигнала, которое обычно носит экспоненциальный характер, возрастая с ростом L, и спонтанной эмиссией вторичных фотонов, которая может быть усилена, приводя к
появлению так называемого усиленного спонтанного излучения. Некоторые типы ОУ, использующие для накачки лазеры, требуют рассмотрения более сложной трехуровневой схемы взаимодействия, где третий, так называемый метастабильный уровень Е3 лежит между первым и вторым уровнями (см. рис. 3.3-1,б). Схема создания инверсии населенностей такова: с первого уровня частицы накачкой переводятся на второй, с которого они в результате релаксации переходят на третий (метастабильный) уровень, время жизни которого (среднее время до спонтанного испускания фотона) достаточно велико. На этом третьем уровне частицы накапливаются, и создается достаточный уровень (не менее двукратного) инверсии населенностей по отношению к первому уровню (N3 > N1).
Оптические усилители на ОВ, легированном РЗЭ
Оптические усилители, использующие в качестве активного,материала редкоземельные элементы РЗЭ (или лантаниды - элементы с 57 по 71 в Периодической табл. Менделеева), были известны достаточно давно, однако активное исследование этого типа усилителей началось только с конца 80-х (1987) и активизировалость с появлением высококачественного ОВ и систем WDM.
Принцип работы
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) редкоземельными металлами. Их ионы создают активную среду для усиления в определенных полосах длин волн, соответствующих полосам поглощения легирующего материала. 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. Этот процесс может не укладываться в двухуровневую модель взаимодействия, принятую ранее в качестве основной, так как он может проходить как без излучения, так и с излучением фотонов. В первом случае создаются фотоны (энергия перехода вызывает акустические колебания окружающего материала среды). Во втором, происходит возбуждение фотонов. Причем переход с возбужденного уровня ионов на уровень релаксации происходит через промежуточный метастабильный уровень, обусловленный верхним уровнем лазерной накачки. Таким образом, модель взаимодействия становится трехуровневой. В любом случае для нормального взаимодействия энергия падающего фотона в потоке сигнала должна быть равна разности энергий возбужденного уровня и уровня релаксации.
Для легирования с целью последующего усиления до недавнего времени использовали, как правило, только три РЗЭ:
· неодим (Nd) и празеодим (Рг) - для усиления сигналов в окне 1300 нм,
· эрбий (Ег) - для усиления сигналов в окне 1550 нм.
В последнее время к ним добавился иттербий (Yb), применяемый совместно с Ег для расширения спектра поглощения в области 700-1100 нм, что позволяет использовать новые более мощные источники накачки. Спектры поглощения этих металлов позволяют определить длины волн возможных источников накачки. Ими могут быть известные типы лазеров, генерирующих длины волн 797 нм и 1053 нм.
Оптические модуляторы