Оптические усилители, использующие в качестве активного материала редкоземельные элементы РЗЭ (или лантаниды - элементы с 57 по 71 в Периодической таблицы Менделеева), были известны достаточно давно, однако активное исследование этого типа усилителей началось только с конца 80-х (1987) и акти-визировалость 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) 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 фононы (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:
В последнее время к ним добавился иттербий (Yb), применяемый совместно с Er 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.
Из указанных первых двух РЗЭ оптический усилитель на ОВ, легированном неодимом ОУЛН (NDFA), работает на длине волны порядка 1340 нм и едва ли может быть использован для получения существенного усиления на рабочей длине волны систем связи 1310 нм. Более удачным в этом плане можно считать оптический усилитель на 0В, легированном празеодимом ОУЛП (PDFА). Основными особенностями усилителей этого диапазона является то, что материалом для легирования обычно является флюоритовое, а не кварцевое стекло, а также низкая эффективность накачки (не выше 4 дБм/мВт). Опытные результаты дают усиление около 34 дБм при мощности насыщения порядка 200 мВт.
Таким усилителем является оптический усилитель на ОВ, легированном эрбием ОУЛЭ (EDFА). Этот тип усилителя использует кварцевое стекло в качестве материала для легирования эрбием. Ионы эрбия имеют пики поглощения в районе длин волн 532,660,808, 980 и 1480 нм. Из этого следует, что источником накачки могут служить известные типы лазеров с длинами волн 797/800, 980 и 1480 нм. Из них лазеры на 800 и 980 нм соответствуют трехуровневой модели взаимодействия, а на 1480 нм - двухуровневой модели, причем более эффективно использовать лазер на 980 нм. Эти лазеры используются достаточно широко, учитывая их возможность (благодаря трехуровневой модели взаимодействия) реализовать очень низкий уровень шумов (порядка 3-5 дБ). Однако лазеры на 1480 нм, хотя и являются менее эффективными (70% от эффективности лазеров на 980 нм), считаются более предпочтительными (как более надежные), позволяющими вместе с тем реализовать достаточно низкий уровень шума (порядка 5 дБ).
При использовании иттербия в качестве дополнительного легирующего элемента для ЕDFА можно воспользоваться лазерными диодами накачки, работающими на длине волны 1053 нм (так называемые DPSS-лазеры). Их использование позволяет получить более мощный источник накачки, что повышает усиление или увеличивает срок службы при меньших фактически используемых мощностях.
Принцип работы
Усилители для окна прозрачности 1300 нм
Усилители для окна прозрачности 1550 нм