Лекция Оптические усилители Принцип

• Название: Лекция Оптические усилители Принцип
• Дата: 10.05.2022
• Размер: 353 Kb.
• Имя файла: Lektsia_3_Opticheskie_usiliteli.doc
• Тип: Лекция; #520903

Лекция 3. Оптические усилители
Принцип .


!! Также среда, в которой созданы условия для вынужденного рассеяния способна усиливать



Принцип работы эрбиевого усилителя.

Принцип работы усилителей EDFA основан на явлении усиления света при вынужденном излучении (LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation) ионами эрбия, введенными в сердцевину оптического волокна. Упрощенная схема уровней энергии эрбия приведена на рис.1.



Рис.1. Упрощенная схема энергетических уровней ионов Er3+ в кварцевом стекле.
Усиление света в эрбиевом усилителе происходит благодаря переходу между уровнями ⁴I_13/2⁴I_15/2. Каждый из этих уровней расщеплен на ряд подуровней из-за взаимодействия ионов Er³⁺ с внутрикристаллическим полем кварцевого стекла (эффект Штарка). Населенности этих подуровней описываются распределением Больцмана. В силу этого спектральные распределения вероятности поглощения и усиления света не совпадают.



Вероятности индуцированных переходов = п и Wи = и ,

как уже отмечалось, пропорциональны средней плотности потока фотонов: = /(h), где – средняя интенсивность излучения в легированной эрбием сердцевине волокна. Коэффициенты пропорциональности _п и _и в выражениях п> = _п и и> = _и имеют смысл сечения рассеяния, что нетрудно проверить, записав размерность величин: [W] = T^-1 и [F] = [n_ф v_ф] = L^-3 L/T = L^-2 T^-1 (где n_ф –число фотонов в единице объема, v_ф – скорость фотонов). Так как [W] = [ F] то, очевидно, что [] = L². В геометрической интерпретации сечения поглощения _п можно полагать, что поток фотонов рассеивается на мишенях с эффективной площадью _п. Спектры сечений для перехода 1-2 и 1-3 ионов эрбия в кварцевом волокне с сердцевиной легированной германием с добавкой алюминия приведены на рис. 5.

Сечения _и и _п лазерного перехода совпадают в середине диапазона на ₀  1535 нм. В коротковолновой части диапазона  = _и/_п < 1, а в длинноволновой части  = _и/_п > 1. Эти различия обусловлены тем, что населенность верхних энергетических уровней в мультиплетах 1 и 2 в силу распределения Больцмана меньше населенности нижних уровней (рис. 6).
Соответственно, вероятность поглощения коротковолнового излучения больше вероятности испускания и наоборот вероятность испускания поглощения длинноволнового излучения больше вероятности поглощения. Величина , учитывая, что время установления теплового равновесия в мультиплете ( 1 мс) заметно меньше времени перехода _сп 10 мс, определяется простым выражением (McCumber [4, 5])

 = _и/_п = exp[(h( - ₀)/kT)] (5)

где h – постоянная Планка, k – постоянная Больцмана, Т – температура волокна, ₀ = с/₀, ₀  1535 нм - длина волны на которой  = 1.

Зависимость  от  при комнатной температуре приведена на рис. 7.



Соотношение (5) устанавливают однозначную связь между сечениями испускания и поглощения. Измерить спектр поглощения проще, чем спектр испускания. Измерив, спектр поглощения с помощью (5) можно рассчитать спектр испускания.