- •А.Г. Акманов, б.Г. Шакиров оСновы квантовых и оптоэлектронных приборов
- •Введение
- •1 Физические основы лазеров
- •1.1Оптическое излучение
- •1.2Энергетические состояния квантовой системы. Населенности квантовых уровней
- •1.3Элементарные процессы взаимодействия оптического излучения с веществом
- •Спонтанные переходы
- •Вынужденные переходы
- •Спонтанное излучение
- •1.4Основы теории формы и ширины линии излучения
- •Доплеровское уширение
- •1.5Коэффициенты Эйнштейна. Термодинамическое рассмотрение
- •1.6Квантовое усиление в среде
- •1.7Квантовый генератор (лазер)
- •1.8Методы инверсии населенностей квантовых уровней
- •1.9Метод оптической накачки
- •1.10Кинетические уравнения для населенностей уровней
- •1.11 Оптические резонаторы
- •1.11.1 Добротность открытого резонатора
- •1.11.2 Волновая теория открытого резонатора
- •1.11.3 Дифракционная теория
- •1.11.4 Геометрическая теория открытого резонатора
- •Типы оптических резонаторов
- •1.11.5 Селекция типов колебаний
- •2Твердотельные лазеры
- •2.1Рубиновый лазер
- •2.2Неодимовые лазеры
- •2.3Устройство твердотельного лазера
- •2.4Система оптической накачки
- •2.5Электрическая схема питания лазера
- •2.6Режимы работы твердотельных лазеров
- •Режим свободной генерации
- •Режим модулированной добротности
- •Режим синхронизации мод
- •3Газовые лазеры
- •3.1Принцип работы и конструкция газовых лазеров
- •3.2Инверсия населенностей в плазме газового разряда
- •3.3Гелий – неоновый лазер
- •3.4Аргоновый лазер
- •3.5Со2-лазер
- •4Полупроводниковые лазеры
- •4.1Физические основы работы полупроводникового лазера
- •4.1.1Энергетические состояния в полупроводниках
- •4.1.2 Излучательные и безызлучательные переходы.
- •4.1.2Условие усиления электромагнитной волны в полупроводнике
- •4.2Инжекционный полупроводниковый лазер на гомопереходе
- •4.3Инжекционный полупроводниковый лазер на гетеропереходе
- •4.4Характеристики и параметры полупроводниковых лазеров
- •4.5Применения полупроводниковых лазеров
- •5Оптические модуляторы
- •5.1Электрооптические модуляторы
- •Линейный электрооптический эффект в одноосных кристаллах
- •Фазовая и амплитудная модуляция света в одноосных кристаллах. Модуляционная характеристика электрооптического модулятора
- •Режимы работы и конструктивные особенности электрооптических модуляторов
- •5.2Акустооптические модуляторы
- •5.3Магнитооптические модуляторы
- •6Волоконно-оптические усилители
- •6.1Принцип работы волоконно-оптических усилителей
- •6.2Устройство и схемы волоконно-оптических усилителей
- •6.3Характеристики и параметры волоконно-оптических усилителей.
- •7Основы нелинейной оптики
- •7.1Поляризация диэлектрика. Нелинейная поляризация
- •7.2Генерация оптических гармоник, суммарных и разностных частот
- •7.3Фазовый синхронизм в одноосных кристаллах
- •7.4Самофокусировка света
- •7.5Двухфотонное поглощение
- •7.6Вынужденное комбинационное рассеивание света
- •8Элементы оптоэлектронных приборов
- •8.1Физические основы работы полупроводниковых светоизлучающих диодов
- •8.2Внутренний и внешний квантовые выходы
- •8.3Потери излучения в светоизлучающем диоде
- •8.4Излучательная и спектральная характеристики светоизлучающего диода
- •8.5Модуляционная характеристика светоизлучающего диода
- •8.6Параметры и электрические характеристики светоизлучающего диода
- •8.7Конструкции излучающего диода и эффективность связи с волоконным световодом
- •8.8Принцип работы полупроводниковых фотоприемников
- •8.9 Внутренний фотоэффект. Фотопроводимость
- •8.10Скорость оптической генерации носителей заряда
- •8.11Процессы рекомбинации носителей заряда
- •8.12Основное характеристическое соотношение фотопроводимости
- •8.13Процессы релаксации
- •8.14Фоточувствительность. Фототок. Усиление фототока
- •8.15Характеристики фотоприемников
- •8.16Фотодиоды
- •Лавинные фотодиоды
- •Параметры лавинного фотодиода лфд-2-а
- •8.17Фототранзисторы
- •8.18Фототиристоры
- •8.19Фоторезисторы
- •Список литературы
- •Содержание
6.2Устройство и схемы волоконно-оптических усилителей
Конструктивно волоконно-оптический усилитель состоит из примесного волокна длиной 1020 м и источника оптической накачки в виде диодного лазера с соответствующей длиной волны. Однако из-за внесения усилителем дополнительных оптических сигналов его устройство усложняется и схематически имеет вид, показанный на рис. 6.4.
Слабый входной оптический сигнал проходит через оптический изолятор и поступает в эрбиевое волокно. Изолятор служит для снижения уровня отражённого обратно оптического сигнала. Если в эрбиевом волокне создана инверсия населённостей между энергетическими уровнями 4I15/2 и 4I13/2, то под действием входного сигнала происходит лавинообразный процесс индуцированного излучения, приводящий к непрерывному усилению исходного оптического сигнала в примесном волокне. Инверсия населённостей создаётся методом оптической накачки излучением полупроводниковых лазеров с длиной волны, соответствующей линиям поглощения активной среды. В рассматриваемом случае эти длины волны равны 0,98 мкм и 1,48 мкм. Излучение накачки вводится через мультиплексор по длине волны (селективный разветвитель).
Р ис.6.4. Блок-схема волоконно-оптического усилителя с противонаправленной накачкой: 1,8-оптические изоляторы, 2,4,7-сварные соединения, 3-примесное волокно, 5-селективный разветвитель, 6-лазер накачки.
В зависимости от направления распространения излучения накачки в эрбиевом волокне относительно направления входного оптического сигнала накачка может быть как сонаправленной, так и противонаправленной (рис. 6.4.), или же использованы оба вида накачки, т.е. двунаправленной. В случае необходимости может быть использована двухкаскадная схема, состоящая из двух волоконно-оптических усилителей, разделённых оптическим изолятором.
6.3Характеристики и параметры волоконно-оптических усилителей.
Основными характеристиками волоконно-оптических усилителей является амплитудная и спектральная характеристики. Спектральная характеристика оптического усилителя на кремниевом стеклянном волокне, легированного эрбием показана на рис. 6.5.
|
Рис.6.5. Зависимость коэффициента усиления волоконно-оптического усилителя от длины волны.
|
Как видно из рисунка спектральная характеристика рассматриваемого оптического усилителя выравнивается с ростом мощности входного оптического сигнала.
Такая тенденция объясняется явлением насыщением усиления, характеризуемое уменьшением коэффициента усиления с ростом мощности входного сигнала.
Основными параметрами волоконно-оптических усилителей являются коэффициент усиления, мощность шума, генерированного усилителем и мощность насыщения.
Коэффициент усиления волоконно-оптического усилителя K определяется отношением: K=(Pвых-PASE)/Pвх, (6.1.)
где Pвх, Pвых- мощность входного и выходного сигналов, PASE- мощность шума, генерированного усилителем.
Мощность насыщения определяется как: Pнас= , (6.2.)
где h- энергия фотона, a- поперечное сечение поглощения, сп- время жизни частиц на метастабильном уровне.
В таблице 6.1. представлены типовые параметры эрбиевого волоконно-оптического усилителя.
Таблица 6.1.
№
|
Характеристика |
Значение |
1 |
Коэффициент усиления, дБ |
0 50 |
2 |
Выходная мощность, мВт |
1 4000 |
3 |
Показатель шума, дБ |
3,5 12 |
4 |
Диапазон длин волн, нм |
1520 1570 |