книги / Фотоника и оптоинформатика

где α(λi) – относительные потери мощности излучения в зависимости от длины волны λi [дБ]; Uiпр – напряжение постоянного тока фотоприемника для прямого волокна, мВ; Uiсогн – напряжение постоянного тока фотоприемника для согнутого волокна, мВ.

2.Данные занести в таблицу.

3.Построить график зависимости относительных потерь мощности излучения от длины волны на миллиметровой бумаге или на ПК (образец см. на рис. 16).

Рис. 16. Зависимость относительных потерь мощности от длины волны

4. Определить по графику длину волны отсечки.

Длина волны отсечки должна быть меньше рабочей длины волны: от 0,60 до 0,78 мкм для волокна с рабочей длиной волны 0,83 мкм; от 1,30 до 1,50 мкм для волокна с рабочей длиной волны 1,55 мкм.

Выводы

Экспериментально определена длина волны, при которой свет в ОВ начинает распространяться в одномодовом режиме, а также определена зависимость оптических потерь от радиуса петельки на волокне.

21

Контрольные вопросы

1.Объяснить формулу отсечки основной моды (19) для одномодового волокна со ступенчатым показателем преломления.

2.Объяснить зависимость оптических потерь от радиуса петельки на волокне.

Список литературы

1.Салех Б., Тейх М. Оптика и фотоника. Принципы и применения: учеб. пособие: в 2 т. – Т. 1. – Долгопрудный: Ин-

теллект, 2012. – Т. 1. – Гл. 8, 9.

2.Инструкция ПИКВ. Волокно оптическое. Измерение длины волны отсечки.

3.Инструкция к спектроанализатору OSA.

4.Инструкция к источнику белого света.

5.Инструкция к аппарату для сварки оптического волокна

Fujikura 80S.

6.Инструкция к адаптеру для ОВ.

22

Лабораторная работа № 2 Дифференциальная эффективность активных оптических волокон

Цель работы: измерить дифференциальную эффективность генерации активного волоконно-оптического световода (ВОС), легированного эрбием, в составе однопроходной схемы суперлюминесцентного волоконного источника (СВИ).

Оборудование: источник питания; измеритель оптической мощности; катушка активного волокна ВОС, легированного эрбием Er3+; установка для оценки дифференциальной эффективности активных ВОС в сборе (СВМ, спектрально-уплотняющий мультиплексор (WDM), оптический изолятор); сварочный аппарат для сварки ВОС «FSM-100Р»; скалыватель ВОС «CT-32»; адаптер оголенного волокна SC; устройство для снятия буферного покрытия; держатели ВОС «FH-100-250»; стриппер, патч-корды.

Краткие теоретические сведения

Важное место в проблеме согласования различных оптических структур занимает вопрос эффективного ввода излучения источников в оптическое волокно. Оптические кварцевые волокна, легированные ионами эрбия, часто используются в волокон-

но-оптических усилителях (erbium-doped fider amplifer – EDFA)

непосредственно в качестве усиливающей среды. Характеристики волоконного усилителя определяются параметрами активированного ионами волокна и оптической схемой. Собственно, усилительной средой усилителя является само активное волокно.

Вбольшинстве волоконных усилителей накачка осуществляется непосредственно в торец световедущей жилы активированного волокна.

Впоследнее время в результате разработки активированных эрбием световодов со сложным профилем показателя преломления и распределения ионов эрбия по диаметру световедущей жи-

23

лы волокна начали применяться более эффективные схемы усилителей с накачкой через промежуточную оболочку световода.

Эффективность ввода излучения в волокно зависит:

–от взаимного расположения излучателя и ОВ;

–числовой апертуры излучателя (NA)и и волокна (NА)в;

–площади излучающей поверхности и диаметра сердцевины волокна;

–отражения излучения от торцов световода;

–параметров используемых оптических элементов, их просветления.

Преимущества эрбиевых усилителей:

–отсутствие преобразования в электрический сигнал;

–высокая выходная мощность;

–большая ширина полосы;

–поляризационная нечувствительность;

–возможность одновременного усиления сигналов с разными длинами волн, что обусловливает возможность усиления спектрально-мультиплексированного сигнала;

–практически точное соответствие рабочего диапазона эрбиевых усилителей области минимальных оптических потерь световодов на основе кварцевого стекла;

–низкий уровень шума;

–простота включения в волоконно-оптическую систему.

Их функционирование основано на том, что относительно мощный поток света, называемый излучением накачки, смешивается с входным усиливаемым сигналом через ответвитель с селекцией по длине волн (WDM). Входной сигнал и луч накачки имеют существенно отличающиеся длины волн. Смешанный свет попадает в область волокна, легированную ионами эрбия. Излучение накачки поглощается ионами эрбия и переводит их внешние (оптические) электроны в возбужденные состояния, т.е. происходит процесс увеличения (накопления) энергии в системе за счет энергии фотонов излучения накачки.

24

Таким образом, в системе создается инверсная заселенность энергетических уровней эрбия. Когда в систему попадает фотон полезного (усиливаемого) сигнала, он, взаимодействуя с возбужденным атомом эрбия, вынуждает его излучить запасенную энергию в виде дополнительного кванта излучения, частота и фаза которого идентичны свойствам изначального фотона полезного сигнала. Таким образом, из одного начального фотона после процесса вынужденного излучения получается два, а сам процесс вынужденного излучения можно сравнить с процессом лавинообразного размножения, потому что в каждом элементарном акте вынужденного излучения получаются два фотона с одинаковыми свойствами: энергией, фазой, поляризацией и направлением распространения, т.е. фотоны когерентны.

Энергетическая трехуровневая схема усилителя основана на переходах трехвалентного иона эрбия Er3+ в кварцевом стекле

(SiO2) между уровнями 4I13/2 → 4I15/2 (рис. 1). Уровни иона эрбия расщепляются на подуровни внутрикристаллическим полем стек-

ла за счет эффекта Штарка.

Рис. 1. Упрощенная энергетическая схема уровней энергии иона эрбия Er в кварцевом стекле [3]. Усилитель работает по трехуровневой схеме при комнатной температуре 300 К: накачка 980 нм; лазерное излучение в диапазоне 1520–1570 нм

25

В результате получается, что количество фотонов полезного (входного) сигнала, проходящих через среду с инверсной заселенностью, увеличивается пропорционально количеству актов вынужденного излучения, а так как все вторичные фотоны когерентны, то их совокупность представляет собой электромагнитную волну, отличающуюся от электромагнитной волны входного сигнала только большей интенсивностью, при этом атомы эрбия, отдав запасенную энергию в ходе вынужденного излучения, возвращаются в основное, невозбужденное состояние и могут быть снова переведены в возбужденное состояние при поглощении фотонов излучения накачки.

Принципиальная схема волоконно-оптического усилителя на ионах эрбия Er3+ приведена на рис. 2.

Рис. 2. Эрбиевый волоконный усилитель, состоящий из лазерной накачки, соединителя, активированного эрбием

кремниевого волокна и двух оптических изоляторов на концах [6]

Одна из наиболее важных характеристик усилителя и непосредственно активного оптического волокна – его дифференциальная эффективность генерации.

Дифференциальная эффективность η – это оптический ко-

эффициент полезного действия источника излучения, т.е. отношение приращения средней выходной мощности оптической схемы Р2 к приращению мощности накачки Р1, численно высчитывается из тангенса угла наклона α линейного участка зависи-

26

мости Р2 как функции от Р1. Данное измерение является косвенным, так как искомое значение величины вычисляют по формуле

P1

связывающей эту величину с величинами, полученными прямыми измерениями. Единицы измерения дифференциальной эффективности исследуемого активного волоконно-оптического световода (ВОС) η – проценты (%).

Пример определения дифференциальной эффективности активного волокна показан на рис. 3.

Рис. 3. Пример определения дифференциальной эффективности активного волокна

Экспериментальная часть

Схема установки

На рис. 4 и 5 показана установка экспериментального модуля эрбиевого волоконного оптического усилителя. Схема установки состоит из следующих ключевых элементов:

27

–полупроводниковый источник накачки, работающий на длинах волн 980 нм;

–соединитель канала накачки на длине волны 980 нм и полезного сигнала с λ = 1,55 мкм, который необходимо усиливать

(WDM coupler);

–оптическое волокно, активированное эрбием. В волокне происходит оптическое усиление входного сигнала. Этот элемент является ключевым в модуле оптического усилителя;

–оптический изолятор, пропускающий оптические сигналы только в одном направлении. Оптический изолятор предотвращает попадание отраженного сигнала от оптических элементов, стоящих за ним (например, брэгговской решетки), в активное волокно и полупроводниковый источник накачки.

в

б

а

г

Рис. 4. Внешний вид экспериментального оптического волоконного усилителя на основе эрбиевого волокна: a – измеритель мощности EXFO; б – СВИ; в – катушка активного эрбиевого волокна; г – ноутбук с программой Terminal 1.9b, позволяющей легко отправлять и принимать данные через COM-порт компьютера

28

Рис. 5. Внешний вид СВИ, включающего в себя полупроводниковый источник, изолятор и соединитель канала накачки

Порядок выполнения работы

Перед началом выполнения работы необходимо ознакомиться с инструкцией по технике безопасности при работе с источниками когерентногоизлученияиэлектроизмерительнымиприборами.

1. Измерение мощности накачки. Собрать первую схему для определения мощности накачки излучения (рис. 6).

Рис. 6. Схема экспериментального оптического волоконного усилителя на основе эрбиевого волокна – схема для определения мощности накачки на длине волны 980 нм

29

1.1.Подготовить конец ВОС, предназначенный для измерения мощности накачки, именуемой в дальнейшем точка 1: удалить защитное покрытие ВОС с помощью устройства для снятия защитно- упрочняющегопокрытиянарасстоянии3–4 смотеготорца.

1.2.Подготовленную поверхность ВОС протереть бязевой салфеткой, смоченной спиртом. Вставить подготовленный конец ВОС в держатель ВОС «250» так, чтобы из держателя выступал оголенный ВОС и от 1 до 3 мм ВОС в полимерной оболочке.

1.3.Вставить держатель ВОС с ВОС в устройство подготовки торцов CT-32 и сколоть торец ВОС. Подготовленный конец вставить в адаптер оголенного волокна.

1.4.Адаптер с волокном вставить в оптический разъем оптического измерителя мощности.

1.5.Подключить СВИ к источнику питания.

1.6.Включить источник питания, установив на нем нулевое значение силы тока.

1.7.Включить оптический измеритель мощности, установить шкалу измерения в мВт и длину волны 980 нм.

1.8.Провести измерения мощности накачки P1 в точке 1. Для этого, последовательно изменяя значения силы тока на источнике питания СВИ от 0 до 360 мА с шагом в 20 мА, снимать соответствующие показания измерителя мощности.

1.9.Полученные результаты занести в таблицу (см. пример заполнения).

1.10.После завершения измерений установить нулевое значение силы тока на источнике питания СВИ и отсоединить адаптер с волокном от оптического измерителя мощности.

2. Измерение выходной мощности. Собрать вторую схему (рис. 7) для определения выходной мощности излучения.

2.1.Отсоединить адаптер с волокном от оптического измерителя мощности. Подготовить свободный конец катушки активного ВОС и конец ВОС точки 1 так же, как при измерении мощности накачки (см. пп. 1.1, 1.2).

30