8.2.3. ВОЛОКОННЫЕ ВКР-УСИЛИТЕЛИ

Волоконные световоды можно использовать для усиления сигнала, если он распространяется вместе интенсивной волной накачки и если его длина волны лежит внутри полосы комбинационного усиления. (Поскольку в основе действия таких усилителей лежит эффект ВКР, или эффект Рамана, их называют волоконными комбинационными (или рамановскимн) усилителями.) Такие системы рассматривались вскоре после демонстрации ВКР в световодах [50], однако большое внимание им стало уделяться в 80-е годы благодаря их возможному применению в оптической связи [51-70]. Экспериментальная установка подобна изображенной на рис. 8.4, но без зеркал. Возможны конфигурации, в которых накачка и сигнал распространяются либо в одном, либо во встречных направлениях.

Величина усиления за один проход по ВКР-усилителю в непрерывном или квазинепрерывном режиме может быть получена из выражений (8.1.2) и (8.1.3). Если интенсивность сигнала остается много меньше интенсивности накачки, то истощением накачки можно пренебречь. Тогда интенсивность сиг нала на выходе усилителя при дается равенством (8.1.6). Поскольку в отсутствие накачки

усиление дается выражением

где мощность накачки на входе в усилитель, а эффективная длина усиления дастся выражением (8.1.7). При типичных параметрах усиление сигнала будет значительным при Вт. На рис. 8.5 показана зависимость от в эксперименте [51], где сигнал на длине волны 1,064 мкм усиливался в поле накачки на 1,017 мкм в световоде длиной 1,3 км. Коэффициент усиления с ростом возрастает сначала экспоненциально, но затем, при отклоняется от экспоненты. Это связано с насыщением усиления, обусловленным истощением накачки. Сплошные кривые на рис. 8.5 получены численным решением уравнений (8.1.2) и (8.1.3) с учетом истощения накачки. Результаты отлично согласуются с экспериментальными данными.

Приближенное выражение для насыщенного усиления ВКР-усилителя можно получить, аналитически решая уравнения (8.1.2) и (8.1.3) в предположении равенства потерь для накачки и сигнала В результате получим

Рис. 8.5. Зависимость коэффициента усиления от мощности накачки Различные значки показывают результаты эксперимента для трех значений начальной мощности сигнала. Сплошные кривые получены теоретически при

Рис. 8.6. Характеристики насыщенного усиления ВКР-усилителя для нескольких значений ненасыщенного усиления

где связано с отношением мощностей сигнала и накачки следующим соотношением:

На рис. 8.6 показана зависимость от характеризующая насыщение усиления при нескольких значениях Насыщенное усиление понижается в 2 раза (или на 3 дБ), когда Это условие удовлетворяется, когда мощность усиленного сигнала начинает приближаться к начальной мощности накачки Отметим, что является хорошей мерой мощности насыщения в ВКР-усилителях. I Поскольку обычно мощность насыщения в ВКР-усилителях много больше, чем а полупроводниковых лазерных усилителях

Как видно из рис. 8.5, волоконные ВКР-усилители легко обеспечивают усиление в 1000 раз (30 дБ) при мощности накачки около В недавнем эксперименте [54] сшнал от полупроводникового лазера с длиной волны 1,24 мкм был усилен на 45 дБ в световоде длиной 2,4 км. В этих экспериментах использовалась попутная накачка. В другом эксперименте [53] сигнал на длине волны 1,4 мкм от полупроводникового лазера усиливался в поле как попутной, так и встречной волн накачки. В качестве накачки использовалось излучение от непрерывного Nd: ИАГ-лазера с длиной волны 1.32 мкм. Было получено ненасыщенное усиление 21 дБ при мощности накачки около 1 Вт. В обеих конфигурациях усиление было примерно одинаковым благодаря изотропии процесса ВКР.

Для оптимального режима работы ВКР-усилителей на основе световодов из кварцевого стекла разность частот накачки и сигнала должна соответствовать пику комбинационного усиления на рис. 8.1 (~ 13 ТГц). В ближнем ИК-диапазоне наиболее практичный источник накачки ИАГ-лазер, работающий на 1,06 или 1,32 мкм. Для этого лазера максимальное усиление возникает на длинах волн сигнала 1,12 и 1,40 мкм соответственно. Однако с точки зрения оптической связи наиболее интересны длины волн 1.3 и 1,5 мкм. Nd: ИАГ-лазер в этом случае можно использовать, если накачкой для сигнала служат стоксовы компоненты высших порядков. Например, стоксова компонента третьего порядка с длиной волны 1,24 мкм от лазера на длине волны 1,06 мкм может служить накачкой для усиления сигнала на длине волны 1,3 мкм. Действительно, в такой схеме было получено усиление 20 дБ [56]. Таким же образом первая стоксова компонента на длине волны 1,4 мкм ВКР от лазера с длиной волны 1,32 мкм может служить накачкой для сигнала на длине волны

1,5 мкм. Усиление 24 дБ в такой схеме также было получено экспериментально [57]. Эти эксперименты показали также необходимость согласования направлений поляризации волн сигнала и накачки, поскольку ВКР почти не проявляется в случае ортогональных поляризаций. Использование световода с высоким содержанием германия в сердцевине, сохраняющего поляризацию, позволило получить усиление 20 дБ на длине волны 1,25 мкм при входной мощности накачки лишь от лазера с модуляцией добротности и генерацией на длине волны 1,34 мкм [58].

Возможное применение волоконных ВКР-усилителей предварительное усиление сигнала перед его регистрацией на приемнике системы оптической связи [72]. Измерения в эксперименте показали [63], что отношение сигнал/шум на приемнике определяется усиленным спонтанным КР, которое неизменно сопутствует процессу усиления. Часть энергии накачки преобразуется в спонтанное стоксово излучение и усиливается вместе с сигналом. Таким образом, выходное излучение состоит не только из желаемого сигнала, но также из широкополосного шума с шириной спектра или более. В приближении неистощенной накачки можно получить аналитическое выражение для мощности усиленного спонтанного излучения [60]. С практической точки зрения представляет интерес отношение мощностей сигнала при включенной и выключенной накачках. Это отношение можно измерить экспериментально. Эксперимент с накачкой на длине волны 1,34 мкм показал, что это отношение составляет около 24 дБ для первой стоксовой компоненты на длине волны 1,42 мкм. но падает до 8 дБ, когда первая стоксова компонента используется для усиления сигнала на длине волны 1.52 мкм. Это отношение в схеме со встречными волнами сигнала и накачки Меньше, чем в схеме, где они распространяются в одном направлении

[73] Отношение усиленного сигнала к неусиленному возрастает, ссли излучение после световода проходит сквозь фильтр, пропускающий сигнал, но уменьшающий ширину спектра усиленного спонтанного шума.

Привлекательным свойством волоконных ВКР-усилителей является широкая полоса усиления Они могут использоваться для усиления одновременно нескольких каналов в многоканальной системе оптической связи. Это было продемонстрировано в эксперименте [74], где сигналы от трех полупроводниковых лазеров с распределенной обратной связью в диапазоне 1,57 1,58 мкм одновременно усиливались в поле накачки с длиной волны 1,47 мкм. В этом эксперименте излучение накачки было получено от многомодового полупроводникового лазера, что делает данную схему практически применимой для систем оптической связи. При мощности накачки всего было получено усиление 5 дБ. Теоретический анализ двухканального комбинационного усиления показывает, что в общем случае существует взаимодействие между каналами [75]. Широкая полоса усиления волоконных ВКР-усилителей делает их пригодными для усиления коротких оптических импульсов. Усовершенствованию систем оптической связи с помощью комбинационного усиления уделено значительное внимание [76-81]. Наиболее многообещающим кажется использование комбинационного усиления для передачи сверхкоротких солитоноподобных импульсов по световодам длиной несколько тысяч километров [78, 80] (см. разд. 5.4). В эксперименте [79] импульсы длительностью на длине волны 1,56 мкм усиливались при накачке непрерывным лазером на центрах окраски с длиной волны 1,46 мкм. Усиление таких коротких импульсов возможно только благодаря широкой полосе ВКР. Недавно в такой схеме было продемонстрировано прохождение солитоиов длительностью по световоду эффективной длиной 4000 км [81].