Тошкент ахборот технологиялари университети оптик алоқа тизимлари

10.5. Толали оптик EDFA кучайтиргичлари, уларнинг тузилиши, иш принципи, характеристика ва параметрлари

Бу турдаги оптик кучайтиргичларда уларнинг иш хусусиятларини белгиловчи юқорида кўриб ўтилган мажбурий нурланиш ва энергетик сатҳларининг тескари эгалланганлиги жараёнлари кварц шишасидан тайёрланган оптик толани эрбий, празеодиний, тулий каби ноёб ер элементлари атомлари билан легирлаш (киритиш) йўли билан ҳосил қилинади.

Кремнийдан тайёрланган, ўзаги эрбий билан легирланган бир модали толадан иборат кучайтиргичлар кенг тарқалган. Бундай кучайтиргичлар EDFA кучайтиргичлари дейилади. EDFA кучайтиргичларнинг кучайтириш соҳаси кенг 1530 нм дан 1560 нм гача. Аралашмали толали оптик кучайтиргичнинг тузилиши 10.3-расмда кўрсатилган [1].
Аралашмали толали оптик кучайтиргичнинг ишлаш принципи қуйидагича: кучсиз, сўнган оптик сигналлар фақат бир йўналишда (чапдан-ўнгга) узатишни таъминловчи (тескари йўналишда узатмайдиган) оптик изолятор орқали (2) оптик фильтрлар блокига келиб тушади (3). Фильтрлар лазерга ташқи оптик куч бериш (накачка) частотасида ёруғлик тарқалишини олдини олади. Сўнг оптик сигналлар катушка кўринишида ишланган тахминан 25-100 метрли аралашма толали кабел кесимига келиб тушади (4). Толанинг бу участкаси қарама-қарши томонга ўрнатилган ярим ўтказгич лазернинг (5) кучли узлуксиз нурланишига учрайди. Ташқи оптик куч берувчи лазердан ташқи оптик куч тўлқини (6) аралашмали толага узатилади. Ташқи оптик куч тўлқини аралашма атомларини қўзғатади. Киришдаги сигналлар кучсиз бўлгани учун аралашма атомларини қўзғалган ҳолатдан ёруғлик нурланиши билан асосий ҳолатга индукцияланган (мажбурий) ўтиши рўй беради. Селектив тармоқлагич (7) кучайтирилган фойдали сигнални (8) чиқиш толасига (9) йўналтиради. Чиқишдаги қўшимча оптик изолятор (10) чиқишдан тескари, тарқоқ сигналларни оптик кучайтиргичнинг актив соҳасига тушишини олдини олади.

10.3-расм. Аралашмали толали оптик кучайтиргичнинг тузилиши.

Кучайтиргичнинг актив соҳаси ўзаги аралашмалар билан легирланган бир модали тола ҳисобланади. Актив соҳага ташқи лазер орқали оптик куч берилишидан эрбий аралашмасининг уч сатҳли атом тизими ҳосил бўлади (10.4-расм) [1].

10.4-расм. Аралашмали толали оптик кучайтиргичнинг уч сатҳли атом тизимининг энергетик диаграммаси.

Ташқи оптик куч натижасида атомлар асосий А сатҳдан қўзғалган В сатҳга ўтади. Ташқи оптик куч бериш энергияси

ΔW=hf (А*В), (10.2)
ташқи лазернинг λ=980 нм тўлқин узунлигига мос келади. Электронларнинг В сатҳда яшаш вақти 1 мкс ни, 2-ўта барқарор С сатҳдаги ўртача яшаш вақти – 10 мс га тенг. Шу сабабдан электрон ихтиёрий тарзда юқори сатҳлардан қуйи сатҳларга ўтадилар. Электронлар В сатҳдан оралиқ С сатҳга ўтади. С сатҳда электронлар етарли даражада кўп, яъни тескари инверс жойлашганда, С сатҳдан А сатҳга ўтиш бошланади ва бунда вужудга келган фотонлардан харакат йўналиши тола ўзаги ўқининг йўналиши билан мос келган қисми ўз йўлида шундай атомлар билан учрашади ва спонтан нурланиш ҳосил бўлади. Кучайган спонтан нурланиш ахборот ташишда иштирок этмайди ва оптик кучайтиргичлар учун шовқин вазифасини ўтайди.
Агар =980 нм ли тўлқин узунлигида дамлаш йўли билан олинган шундай тескари эгалланган муҳитга 1530...1560 нм тўлқин узунлигидаги когерент сигнал нурланиш билан таъсир этилса, бу нурланишнинг ҳар бир фотони ўз энергиясини йўқотгани ҳолда электроннинг В сатҳдан асосий А сатҳга мажбурий ўтишини юзага келтиради. Бундай ўтиш натижасида айнан шундай частотага, қутбланишга ва тарқалиш йўналишига эга бўлган фотон қўзғалган атомлар билан учрашиб, уларнинг ҳар бири ўз энергиясини йўқотгани ҳолда биттадан янги фотон ҳосил қилади. Шундай қилиб, бир хил частотали, фазали ва қутбланишли янги фотонлар ҳосил бўлади. Шу тариқа сигнал нурланишининг индукцияланган мажбурий кучайиши содир бўлади.
Кучайтиргич ишининг хусусиятлари кўпроқ аралашма турига ва сигналларни кучайтириши керак бўлган тўлқин узунлиги диапазонига боғлиқ.