Skaiduliniai lazeriai, stiprintuvai ir gardelės

Daugelis optinių skaidulų yra daromos tokios, kad kuo mažiau veiktų nuo vieno galo prie kito sklindančią šviesą. Bet kai kurios skaidulos gali stiprinti, moduliuoti, filtruoti arba kitaip paveikti jomis sklindančius šviesos signalus. Šios specialios optinės skaidulos, skirtos šviesolaidiniams stiprintuvams, šviesolaidiniams lazeriams ir šviesolaidinėms gardelėms, yra naudojamos bangos ilgiu sutankinamose (WDM) optinio ryšio sistemose.

Skaidulos, naudojamos stiprintuvuose ir lazeriuose, yra panašios. Abiem atvejais išorinio kaupinimo lazerio spinduliuotė apšviečia skaidulos šerdį, sužadindama legiruojančias priemaišas paprastai erbio ar kitos retosios žemės, galinčias spinduliuoti norimo bangos ilgio šviesą. Dažniausiai skaidulos yra vienmodės, todėl kaupinamą ir signalo šviesą nesunku sukoncentruoti, kas pagerina prietaiso efektyvumą. Vienmodes skaidulas taip pat yra lengviau suderinti su optinio ryšio linijų skaidulomis. Kai yra sudaromas rezonatorius su atspindinčiais šviesą veidrodžiais, legiruotoji skaidula tampa lazeriniu generatoriumi; jei atspindžiai yra nuslopinami, legiruotoji skaidula gali sustiprinti į vieną jos galą patenkantį silpną atitinkamo bangos ilgio signalą.

Standartinė dabartinių šviesolaidinių optinių stiprintuvų ir daugumos šviesolaidinių lazerių skaidulų priemaiša yra erbis. Kaupinant 0,98 mm arba 1,48 mm bangos ilgio spinduliuote, erbio atomai yra sužadinami ir gali priverstinai spinduliuoti 1,535 mm bangos ilgio šviesą. Amorfiniame kvarce ir kai kuriose kitose medžiagose esantiems erbio atomams yra būdinga plati spinduliuotės juosta, todėl ši sistema puikiai tinka lazeriams ir stiprintuvams. Kita priemaiša iterbis naudojama šviesolaidiniuose lazeriuose, generuojančiuose 1,1 mm bangos ilgio šviesą. Taip pat, kaip tai yra daroma kietakūniuose lazeriuose, skaidulų šerdys gali būti legiruojamos iškart pora priemaišų, iš kurių vienos atomai sugertų kaupinančiąją šviesą ir perduotų energiją kitos rūšies atomams, emituojantiems šviesą.

Stiprintuvai padidina ryšio sistemose silpnų optinių signalų galią. Tie signalai gali būti perduodami vienu arba daugiau bangos ilgių, patenkančių į skaidulos stiprinimo diapazoną. Stiprinimas yra analoginė funkcija, bet optiniai signalai dažniausiai yra skaitmeniniai, todėl labai svarbūs darosi tiesiškas atsakas ir maži triukšmai.

Tipiškame erbiu legiruotame skaiduliniame stiprintuve silpnas signalas, kurį reikia stiprinti, ir kaupinančioji šviesa patenka į skaidulą per atšakiklį (1 pav.). Silpnam signalui sklindant stiprintuvu yra stimuliuojama prieš tai kaupinančios šviesos sužadintų erbio atomų spinduliuotė, todėl signalo galia išauga. Kaupinančiąją šviesą generuoja puslaidininkinis lazeris, prijungtas prie stiprintuvo per bangos ilgius atrenkantį atšakiklį, nukreipiantį signalą ir kaupinančią spinduliuotę skirtingomis kryptimis.

1 pav. Signalo bangos ilgis yra stiprinamas praleidžiant jį per skaidulinį stiprintuvą, kaupinamą tinkamu lazeriu. Optiniai izoliatoriai ir filtrai neleidžia išsklaidytai šviesai patekti į optinio ryšio sistemą.

Priešingoje stiprintuvo pusėje esantis filtras užtveria kelią bet kuriai likusiai kaupinimo šviesos daliai. Optiniai izoliatoriai neleidžia išsklaidytai signalo bangos ilgio šviesai nukrypti neteisinga kryptimi. Tuomet kai kaupinančioji ir signalo šviesa sklinda priešingomis kryptimis, kaupinimo galia yra didžiausia toje stiprintuvo dalyje, kur yra stipriausias signalas, todėl šitaip yra lengviau pasiekti didesnes išėjimo galias. Praktikoje išėjimo galios siekia nuo 1 iki 100 mV, o jų viršutinę ribą lemia skaiduloje vykstantys netiesiški optiniai procesai.

Skaiduliniuose stiprintuvuose dėl sustiprintos savaiminės spinduliuotės ASE (Amplified Spontaneous Emission) atsiranda žemo lygio foninis triukšmas. ASE lygis gali augti didėjant stiprinimui ir, kai naudojamos ilgos stiprintuvų grandinės, gali pradėti kauptis. Siekiant išvengti šio triukšmo, ilgose grandinėse yra palaikomas daug mažesnis stiprinimas.

Svarbus WDM sistemų faktorius yra stiprinimo priklausomybė nuo bangos ilgio. Ilgose sistemose, turinčiose daug stiprintuvų, reikalingi papildomi filtrai, išlyginantys stiprinimo charakteristiką ir neleidžiantys vieno bangos ilgio kanalui nustelbti kitų.

Atskiro skaidulinio stiprintuvo konstrukcija priklauso nuo kaupinimo energijos, legiravimo lygmens, skaidulos ilgio ir jos stiprinimo. Erbiu legiruoti skaiduliniai stiprintuvai EDFA (Erbium Doped Fiber Amplifier) visada turi keleto metrų ilgio skaidulą ir priskiriami 1535-1565 nm diapazonui. Jeigu bangos ilgis nepatenka į šį diapazoną, erbio stiprinimas yra mažesnis, todėl stiprintuvui reikalinga ilgesnė skaidula.

Jeigu skaidulinį stiprintuvą patalpinsime rezonatoriuje, jis taps skaiduliniu lazeriu (2 pav.). Kaupinanti šviesa patenka viename skaidulos gale per dangą, praleidžiančią ją, bet atspindinčią lazerio bangos ilgio spinduliuotę. Kitame gale esanti danga atspindi visą kaupinančią šviesą, bet praleidžia nemažai lazerio bangos ilgį atitinkančios spinduliuotės, toliau virstančios lazerio pluošteliu. Danga visada atspindi šiek tiek lazerio bangos ilgio šviesos, šitaip užtikrindama būtiną grįžtamąjį ryšį. Jeigu nenaudojama jokia bangų ilgius atrenkanti optika, lazeris spinduliuoja legiruojančios priemaišos stiprinimo charakteristikos maksimumą atitinkančio bangos ilgio šviesą. Erbio atveju tai bus 1535 nm.

2 pav. Skaidulinis lazeris yra osciliatorius su rezonatorių sudarančiais veidrodžiais, jis naudoja tokias pat skaidulas, kaip ir stiprintuvai, tačiau nereikalauja jokio išorinio įvesties signalo.

Skaidulinio lazerio stiprinimo spektrai yra platūs, todėl sinchronizuojant modas galima gauti labai trumpus optinius impulsus.

Skaidulinių lazerių galia gali būti padidinama panaudojant skaidulas su dviguba šerdimi (3 pav.). Išorinė šerdis turi tarpinį lūžio rodiklį ir tokį skersmenį, kurio pakaktų didelio ploto šaltinio, pavyzdžiui, puslaidininkinių lazerių matricos, spinduliuotės surinkimui. Išorinė šerdis riboja kaupinimo šviesos sklidimą ir gali būti sukonstruota taip, kad galėtų varinėti kaupinančiąją spinduliuotę pirmyn ir atgal vidine šerdimi, legiruota šviesą spinduliuojančia priemaiša. Dėl abiejų šerdžių lūžio rodiklių skirtumo priverstinė spinduliuotė yra ribojama vien vidinėje šerdyje. Šios konstrukcijos skaiduliniai lazeriai generuoja dešimčių vatų galią, ribojamą vien optinio skaidulos galų pramušimo.

Skaidulinėse gardelėse lūžio rodiklis periodiškai kinta išilgai šviesolaidžio. Šis periodiškas lūžio rodiklio pokytis veikia kaip Braggo gardelė, atspindinti gardelės periodą atitinkantį bangos ilgį, bet praleidžianti visus kitus. Taigi skaidulinės gardelės yra daugiasluoksnių dielektrinių filtrų analogai, selektyviai praleidžiantys ar atspindintys įvairių bangos ilgių spinduliuotę. Dėl šios ypatybės jos yra svarbūs WDM sistemų komponentai, leidžiantys atskirti įvairių bangos ilgių kanalus.

Skaidulinės gardelės yra gaminamos apšviečiant germaniu legiruoto kvarcinio stiklo skaidulas ultravioletine spinduliuote, sutraukančia medžiagos atomų ryšius. Paprastai ultravioletinė lazerio spinduliuotė patenka į skaidulą per šabloną, kuriame yra daug plonų juostelių. Šablonas sukelia šviesos difrakciją ir atsiranda interferencinis raštas, apšviečiantis skaidulą. Ten, kur UV spinduliuotės intensyvumas yra didelis, ji suardo stiklo atomų ryšius ir pakeičia lūžio rodiklį. Lūžio rodiklio pokytis siekia, priklausomai nuo UV intensyvumo, stiklo sudėties ir jo vėlyvesnio apdorojimo procedūrų, nuo 0,00001 iki 0,001. Norint gauti maksimalius lūžio rodiklio pokyčius, skaidulos yra papildomai apdorojamos vandeniliu; šiuo atveju pokyčiai yra palyginami su šerdies ir apvalkalo lūžio rodiklio skirtumu.

3 pav. Dvigubos šerdies skaiduloje kaupinančioji šviesa yra pagaunama išorinėje šerdyje, todėl gali daug kartų praskrieti vidinę šerdį, kuri sulaiko priverstinę spinduliuotę. Tokias skaidulas naudojantys lazeriai yra galingesni.

Pačios gardelės sukeliamas poveikis priklausys nuo jos periodo ir nuo optinės bangos ilgio. Jei bangos ilgis stikle sutaps su gardelės periodu, kiekviena linija atspindės po truputį šviesos, o atspindėtoji dalis augs didėjant linijų skaičiui, jų periodo vienalytiškumui ir lūžio rodiklio pokyčiui. Kadangi paprastai bangos ilgiai yra matuojami ne stikle, o ore, pasirenkant gardelės periodą reikia atsižvelgti į skaidulos lūžio rodiklį.

Kitus bangos ilgius skaidulinė gardelė praleidžia taigi ji veikia kaip paprastas siaurajuostis atspindžio filtras. Kaip ir kituose panašiuose filtruose, atspindėtos ir praėjusios šviesos intensyvumai labai priklausys nuo bangos ilgio (4 pav.). Atspindžio kitimas priklausys nuo gardelės sandaros. Plonos, tiek pat viena nuo kitos nutolusios linijos sutelks atspindį siauroje bangos ilgių juostoje. Platesnės gardelės atspindės šviesą didesniame bangos ilgių diapazone. Pramoninių skaidulinių gardelių juostos plotis kinta nuo keleto nanometro dalių iki kelių nanometrų.

4 pav. Skaidulinės gardelės atspindžio ir praėjimo spektrai.

Derinant kelias skaidulines gardeles tarpusavyje galima sukurti prietaisus, išrenkančius kelių bangos ilgių signalus. Kiekviena gardelė atspindi tik po vieną bangos ilgį, o kitus praleidžia. Plačiajuostės skaidulinės gardelės gali atspindėti keleto bangos ilgių signalus. Pagrindiniai veikos principai yra panašūs į principus, naudojamus linijiniuose filtruose. Keleto skaidulinių gardelių grandinės gali atlikti sudėtingesnes bangos ilgių atrinkimo operacijas.

Maksimalus skaidulinės Braggo gardelės atspindys gali būti koreguojamas keičiant gardelės periodą arba jos lūžio rodiklį. Praktikoje, keičiant pridėtą elektrinį arba magnetinį lauką, lengviau keisti lūžio rodiklį. Panašios sąveikos leidžia dinamiškai stumti išrenkamąjį bangos ilgį arba keisti filtro rezonansinį bangos ilgį. Maksimalaus atspindžio poslinkis veiks praėjimą gretimuose bangų ilgiuose, todėl šis reiškinys gali būti naudojamas ir praleidžiamos šviesos intensyvumo moduliavimui.

Tiesiogiai moduliuoti šviesą galima pasitelkus specialias skaidulas. Praėjusiais metais Vašingtono valstijos universiteto ir Sentel Technologies mokslininkų grupė pagamino plastiko skaidulą su pora abiejuose galuose įlydytų indžio elektrodų. Prijungus prie elektrodų įtampą, buvo moduliuojama dažais legiruota skaidulos šerdimi sklindančios šviesos fazė. Ši technologija gali leisti sukurti paprastus skaidulinius moduliatorius. (žr. t.p. „Kaip reikia spręsti chromatinės dispersijos problemą“)