• Основными ограничивающими факторами в волоконно-оптических системах передачи являются затухание, дисперсия и нелинейные оптические эффекты. Для компенсации этих эффектов существует системы усиления сигнала –

    Волоконно-оптические усилители - это устройства, обеспечивающее увеличение мощности оптического излучения.

    Существует несколько разновидностей оптических усилителей, они подразделяются по типу среды в которой происходит усиление сигнала и по механизму самого усиления. Основными можно назвать три вида оптических усилителей:
    • Полупроводниковые – в которых усиление сигнала происходит за счет использования стимулированной электрическим током эмиссию фотонов, которая возникает в результате взаимодействия фотонов передаваемого сигнала и излучаемой рекомбинации носителей заряда в полупроводнике.
    • Волоконно-оптические – в которых усиление сигнала происходит за счет накачки специализированного активного волокна, легированного примесями редкоземельных элементов, относящихся к группе лантанидов
    • Нелинейные волоконно-оптические – в которых усиление сигнала происходит за счет различных нелинейных эффектов (комбинационного рассеяние Рамана или эффекта рассеяния Мандельштама-Брилюена)
    Существуют и другие виды оптических усилителей, но они приобрели значительно меньшее распространение, чем указанные выше. Наибольшее распространение, из указанных усилителей, получили волоконно-оптические, за счет простоты конструкции и достаточно высоких технических параметров.
    Важно отметить, что для работы с оптическим волокном существует 2 окна прозрачности, которые наиболее часто применяются в телекоммуникациях 1300нм и 1500нм. Как правило, для окна прозрачности в диапазоне 1300 нм применяют волокна, допированные частицами неодима (Nd) и празеодима (Pr), а для окна прозрачности в диапазоне 1500 нм волокна допированные частицами эрбия (Er) и итербия (Yb). С учетом того, что современные системы передачи в подавляющем большинстве работают в диапазонах L и C, наибольшее распространение приобрели усилители на основе оптических волокон, легированных ионами эрбия (Er3+). Такие усилители благодаря использованию оптических волокон со смещенной дисперсией позволили увеличить длину регенераторного участка до 400 км и более.

    Эрбиевый волоконно-оптический усилитель (ЭВОУ) или англ. Erbium Doped Fiber Amplifier (EDFA)

    — волоконно-оптический усилитель на оптическом волокне, легированном ионами эрбия. Применяется в волоконно-оптических линиях передачи для восстановления уровня оптического сигнала. Преимуществом эрбиевых усилителей является отсутствие преобразования в электрический сигнал, возможность одновременного усиления сигналов с разными длинами волн (что обуславливает возможность усиления спектрально-мультиплексированного сигнала), простота включения в волоконно-оптическую систему, а также практически точное соответствие рабочего диапазона эрбиевых усилителей области минимальных оптических потерь световодов на основе кварцевого стекла и сравнительно низкий уровень шума. Достоинством усилителей является равномерная амплитудно-частотная характеристика усиления во всем диапазоне частот, они обеспечивают значительный уровень усиления при высоком качестве сигнала, а любые изменения длины волны быстро подавляются.

    Принцип работы эрбиевого волоконно-оптического усилителя (EDFA)

    Схема Эрбиевого волоконно-оптического усилителя
    Смешанный свет попадает в область волокна, легированную ионами эрбия. Мощный луч лазера из источника накачки воздействует на ионы эрбия, переводя их внешние(оптические) электроны в возбужденные состояния, то есть происходит процесс увеличения(накопления) энергии в системе, за счет энергии квантов излучения накачки. Таким образом в системе создается инверсная заселенность энергетических уровней эрбия.

    Когда в систему входит фотон полезного (усиливаемого) сигнала, он, взаимодействуя с возбужденным атомом эрбия, вынуждает его излучить запасенную энергию в виде дополнительного кванта излучения, свойства которого, идентичны свойствам изначального кванта полезного сигнала. То есть из одного начального фотона, после процесса вынужденного излучения получается два, а сам процесс вынужденного излучения, можно сравнить с процессом клонирования, потому что в каждом элементарном акте вынужденного излучения, получаются два фотона с одинаковыми свойствами: энергией, фазой, поляризацией и направлением распространения, то есть фотоны когерентны. Таким образом количество фотонов полезного(входного) сигнала, проходящих через среду с инверсной заселенностью, резко увеличивается, пропорционально количеству актов вынужденного излучения, а так как все рожденные 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 процесс повторяется сначала.

    Среда с инверсной заселенностью, является одной из главных составных частей лазера, другой необходимой частью является система оптической обратной связи, которая, за счет отражения, возвращает часть излучения обратно и тем самым создает непрерывную лазерную генерацию. Процесс непрерывной лазерной генерации превращает усилитель в лазер и полностью нарушает структуру входного сигнала, что препятствует передаче информации и поэтому от обратной оптической связи стараются избавиться: путём введения в систему оптических "изоляторов", в тех местах где обратная связь, обусловленная отражением, может появляться, например на выходе из усилителя, в месте присоединения к усилителю оптического волокна, которое представляет собой границу раздела, на которой, ввиду механической неоднородности, возникает отражение.