3.4.1 Усиленное спонтанное излучение

Основным источником шумов оптического усилителя является усиленное спонтанное излучение ASE. Вследствие широкополосности ASE в чем-то похоже на фоновый шум обычного звукового усилителя. На анализаторе оптического спектра можно обнаружить характерный для шумов фоновый пьедестал во всем наблюдаемом спектре. Это и есть спектр ASE. Усиленное спонтанное излучение приводит к появлению ВЧ-шумов в системе связи (т.е. высокочастотных шумов в электрическом сигнале на выходе приемника) с помощью механизма, который подробнее будет рассмотрен ниже.

Легированное ионами эрбия кварцевое волокно с оптической накачкой является усиливающей средой. В такой среде имеются три энергетических уровня, рис. 3.33. За счет поглощения световой энергии генератора накачки ионы эрбия переходят с основного уровня N₁ на возбужденный уровень N₃, а затем постепенно безызлучательно переходят на метастабильный энергетический уровень N₂. Переход с этого уровня в основное состояние (N₂ → N₂) с излучением фотонов на длине волны 1550 нм может быть как спонтанным, так и вынужденным.

Рис. 3.33 Трехуровневая система типичного усилителя EDFA

Метастабильный уровень имеет относительно большое время жизни (около 10 мс). Следовательно, ионы эрбия могут оставаться в таком возбужденном состоянии продолжительное время, что приводит к возникновению инверсной заселенности. При возникновении инверсии происходит также спонтанное излучение отдельных атомов или ионов. В усиливающей среде усилителя EDFA (рис. 3.34) имеется определенная вероятность того, что фотоны излучения будут захвачены в соседних участках легированного волокна и вызовут излучение с возбужденного (инверсно заселенного) уровня. Этот процесс приводит к последовательному нарастанию (усилению) спонтанного излучения и называется усиленным спонтанным излучением ASE. Излучение ASE распространяется в обоих направлениях вдоль волокна.

Рис. 3.34 Каждый малый участок волокна (z, z+Δz) порождает усиленное спонтанное излучение ASE в прямом и обратном направлениях

Измерив, уровень шума N_in(λ) во входном сигнале и уровень полного шума N_out(λ) в сигнале на выходе усилителя, можно найти мощность излучения ASE из следующего уравнения:

При спаде или насыщении коэффициента усиления вклад излучения ASE невелик. Коэффициент усиления определяется просто как отношение мощностей на выходе и входе без учета усиленного спонтанного излучения (см. рис. 3.35).

Рис. 3.35 Измерение различных уровней мощности позволяет определить значение ASE и коэффициент усиления¹ в линейном режиме

___________
¹ Следует отметить, что в оптическом усилителе на заданной длине волны (λ₀ на рисунке 3.35) возни- кает вынужденное излучение, которое имеет ту же фазу и направление, что и полезный входной сигнал. Вынужденное излучение и обеспечивает усиление входного сигнала, прим. ред. перевода.