Волоконно-оптический усилитель высокой мощности серии MARS от Connet Laser Technology

1. Общее описание усилителя

В мощных волоконно-оптических усилителях серии MARS (рис. 1) используются высокопроизводительные многомодовые источники накачки, а также технология волоконно-оптических усилителей с активным волокном типа double clad для достижения дизайна полноволоконной структуры. Настольные волоконно-оптические усилители представляют собой комплексную систему Turn-Key с микропроцессором внутри для управления. Понятный интерфейс обеспечивает простоту управления, ЖК-дисплей на передней панели может отображать в реальном времени рабочее состояние накачки, ток и температуру. На ЖК-дисплее также могут отображаться предупреждающие сообщения и ошибки.

Рисунок 1 – Общий вид усилителя

Благодаря обширному опыту работы с волокном типа double clad компания разработала оптическую схему для мощных волоконных усилителей с целью достижения высокой эффективности на выходе. Уникальная технология сварки волокон гарантирует, что волоконно-оптический усилитель может стабильно работать в течение длительного времени. Высокоскоростная схема защиты реагирования автоматически контролирует мощность входного и выходного сигналов, поэтому она может своевременно отключить работу мощной накачки в случае падения входного сигнала для обеспечения безопасности всей системы.

Основные особенности настольных усилителей:

Применение таких усилителей разнообразно:

Перед установкой и эксплуатацией внимательно прочтите инструкцию к усилителю! Необходимо знать и учитывать технику безопасности и указания по эксплуатации, чтобы избежать несчастных случаев из-за неправильных операций.

Пожалуйста, обратите внимание на безопасность лазерного излучения во время включения.

В комплект поставки усилителя входит (рис. 2):

• усилитель;
• инструкция;
• паспорт усилителя;
• сертификат качества;
• запасные предохранители (2 шт);
• упаковочный лист;
• AC шнур питания переменного тока;
• ключи для лазерного переключателя (2 шт);
• вилка блокировки;
• кабель последовательного порта USB-RS232;
• кабель DB9;
• установочный компакт-диск с программным обеспечением управления.

Рисунок 2 – комплектация усилителя

Устройство следует распаковывать на поверхности, свободной от электростатических разрядов. Электроника усилителя и диод накачки могут быть повреждены электростатическим разрядом. Даже если повреждение видно не сразу, оно все равно может сократить срок службы устройства, особенно диода накачки.

Перед любой операцией убедитесь, что усилитель не имеет механических повреждений, которые могли возникнуть во время транспортировки.

3. Оптический модуль

Оптический модуль имеет готовое настольное исполнение. Функциональными являются передняя и задняя панели.

На передней панели расположено два оптических вывода (вход и выход) (рис. 3), а также кнопка включения/выключения, замок для установки ключа, дисплей, кнопки для управления и регулировки.

Рисунок 3 – Передняя панель усилителя

На задней панели расположены вентиляционные выходы, разъем для RS232 и разъем питания (рис. 4). 

Рисунок 4 – Задняя панель усилителя

Модуль необходимо установить на заземленную поверхность.

Перед началом работы необходимо определить качество поверхности торцов коннекторов с помощью специального микроскопа (рис. 5). 

Пыль или грязь на торце выходного волокна могут привести к серьезным проблемам, которые приведут к падению выходной мощности и ухудшению стабильности устройства, а также могут привести к обгоранию торца волокна и повреждению усилителя.

Рисунок 5 – Пример чистых коннекторов и коннекторов, требующих обработки:
а – грязный коннектор, б – чистый коннектор

Для очистки коннекторов необходимо использовать профессиональные инструменты для очистки торцов волоконного коннектора. С торцом обработанного волокна или коннектора следует обращаться осторожно, чтобы избежать вторичного загрязнения или порчи.

Во время работы усилителя запрещается зачищать торец выходного волокна или грань подсоединенного патч-корда, в противном случае выходной пигтейл сгорит, а выходная мощность снизится, что приведет к выходу из строя усилителя.

Волоконный усилитель нельзя подключать к другим волоконным коннекторам FC/APC через обычные волоконные розетки, иначе это приведет к повреждению концов волоконных разъемов FC/APC. Высококачественные волоконные разъемы FC/APC могут выдерживать более высокую мощность, однако при подключении к волоконному адаптеру необходимо соблюдать осторожность. 

4. Принцип работы усилителя

Основой коммерчески доступных усилителей служит волокно, легированное эрбием (Er³⁺), в случае маломощных применений, однако для мощных применений используется волокно, легированное ионами эрбия и иттербия (Er³⁺ и Yb³⁺).

4.1. Эрбиевые усилители

Принцип работы эрбиевого усилителя основан на явлении усиления света при вынужденном излучении ионами эрбия, введенными в сердцевину оптического волокна. Возможность усиления света в световодах, легированных ионами эрбия, обуславливается схемой уровней энергии данного редкоземельного элемента, представленной в упрощенном виде на рисунке 6.

Рисунок 6 –Упрощенная схема уровней энергии ионов эрбия в кварцевом стекле

Усиление света в эрбиевом усилителе происходит благодаря переходу между уровнями 2→1 (⁴I_13/2→⁴I_15/2). Каждый из этих уровней расщеплен на ряд подуровней из-за взаимодействия ионов эрбия с внутрикристаллическим полем кварцевого стекла за счет эффекта Штарка. Под действием накачки ионы эрбия переходят из основного состояния (уровень 1) в верхнее возбужденное состояние (уровень 3), которое является короткоживущим (время жизни τ₃=1 мкс), и за счет процессов релаксации переходят в долгоживущее состояние (на метастабильный уровень). Время пребывания иона эрбия на метастабильном уровне энергии относительно велико (τ₂=10 мс, т.е. τ₂=10 000τ₃). Поэтому число ионов, находящихся на уровне 2, при соответствующей мощности накачки может превышать число ионов на уровне 1. Уровень 1 называется основным состоянием, т.к. в отсутствие накачки практически все ионы эрбия находятся на этом энергетическом уровне. Доля частиц, находящихся на остальных уровнях, в отсутствие накачки мала.

Число ионов в единице объема, находящихся на некотором уровне энергии, называется населенностью этого уровня энергии. В нормальных условиях, т.е. в отсутствие накачки, населенность основного уровня энергии вещества максимальна, населенности всех остальных уровней энергии быстро уменьшаются с увеличением энергии уровня. Состояние среды, при котором населенность некоторого более высокого уровня энергии иона превышает населенность некоторого нижележащего уровня, является очень необычным и получило название состояния с инверсией населенностей уровней, или, более коротко, инверсией населенности.

Если в среду с инверсией населенности попадает излучение с энергией фотона, совпадающей с энергией перехода из метастабильного состояния в основное, то с большой вероятностью происходит переход иона с метастабильного уровня 2 на основной уровень 1 с одновременным рождением еще одного фотона. Увеличение числа фотонов при их взаимодействии с ионами эрбия означает, что происходит усиление света, распространяющегося в среде с инверсией населенности.

Отметим, что длина волны и спектр усиления жестко определены типом активных ионов. Тот факт, что спектр усиления волокна, легированного ионами эрбия, совпадает с областью минимальных потерь кварцевого оптического волокна, является удачным совпадением.

Не все ионы эрбия находятся в метастабильном состоянии и обеспечивают усиление. Часть ионов находится на уровне 1 и эти ионы, взаимодействуя с фотонами, энергия которых совпадает с энергией перехода, эффективно их поглощают, переходя на уровень 2. При этом спектр усиления ионов эрбия практически совпадает со спектром поглощения. Если количество ионов, находящихся на уровне 2, меньше числа ионов, находящихся на основном уровне 1, то наблюдается поглощение. Именно поэтому необходимым условием усиления света является создание инверсии населенностей между двумя рабочими уровнями энергии 2 и 1. Для создания инверсии населенностей в эрбиевом усилителе необходимо перевести примерно половину ионов эрбия на метастабильный уровень 2. Мощность накачки оптического усилителя, при которой населенность уровней 1 и 2 равны, называется пороговой мощностью. При мощности накачки ниже пороговой наблюдается не усиление, а поглощение светового сигнала. На рисунке 7 представлены спектры поглощения/усиления при различных значениях относительной населенности уровня 2, определяемой уровнем мощности накачки. Нижняя кривая, наблюдающаяся в отсутствии накачки (все частицы находятся в основном состоянии, населенность уровня 2 равно 0 %), соответствует «отрицательному усилению», т.е. поглощению во всем рабочем спектральном диапазоне. 

Рисунок 7 –Упрощенная схема уровней энергии ионов эрбия в кварцевом стекле

По мере увеличения мощности накачки все большее число активных ионов переходит в возбужденное состояние. Это приводит, как видно из рис.6, сначала к уменьшению коэффициента поглощения, а затем к усилению света. Отметим также, что спектр усиления несколько сдвинут в длинноволновую область относительно спектра поглощения.

Следовательно, для усиления в длинноволновой части спектра требуется меньшее значение инверсии.

При отсутствии усиливаемого сигнала ионы эрбия переходят в основное состояние самопроизвольно, излучая фотоны с энергией, соответствующей данному переходу, то есть появляется спонтанное излучение.

Следует подчеркнуть, что в рабочем режиме при наличии усиливаемого сигнала часть возбужденных ионов переходит в основное состояние спонтанно, при этом спонтанное излучение также усиливается, приводя к появлению усиленного спонтанного излучения. Усиленное спонтанное излучение является основным источником шумов, а также ограничивает коэффициент усиления, особенно в случае слабого сигнала.

Литература:

А.С. Курков, О.Е. Наний, «Эрбиевые волоконно-оптические усилители», Lightwave Russian ed., №1, 2003, стр. 14-19

4.2. Эрбий-иттербиевые усилители

Обычно в усиливающих средах, легированных эрбием-иттербием, накачка осуществляется с длинами волн, близкими к пику поглощения ионов Yb³⁺ при 975 нм, так как ион иттербия является сенсибилизатором для иона эрбия и вводится в матрицу стекла для повышения эффективности накачки. Это приводит к возбуждению ионов иттербия, после чего энергия возбуждения может передаваться близлежащим ионам эрбия (рис. 8). После успешной передачи энергии ион Er³⁺ сначала оказывается в состоянии ⁴I_11/2, которое имеет такую же энергию возбуждения, как и ионы Yb³⁺. Из этого состояния ионы претерпевают быстрый безызлучательный переход в состояние ⁴I_13/2, которое часто используется в качестве верхнего лазерного уровня. Такие безызлучательные переходы происходят на основе многофононной эмиссии при условии, что фононная энергия материала достаточно высока.

Рисунок 8 – Передача энергии от Yb³⁺ к Er³⁺ с последующим безызлучательным распадом эрбия на верхний лазерный уровень

Возможно, энергия передается обратно от ионов эрбия в ⁴I_11/2 к ионам иттербия. Это было бы совершенно нежелательно, особенно потому что потери энергии за счет спонтанного излучения в иттербии примерно на порядок выше, чем на уровне ⁴I_13/2 в эрбии. Однако такой обратный перенос может быть в значительной степени подавлен, если безызлучательный распад до ⁴I_13/2 будет очень быстрым. Отсюда обратная передача уже невозможна, поскольку недостает необходимой энергии.

Для получения максимальной эффективности лазера или усилителя необходимо оптимизировать концентрации легирования обоих типов ионов. При слишком низком легировании передача энергии может происходить с недостаточно высокой скоростью, и энергия возбуждения теряется за счет спонтанной эмиссии Yb³⁺. Кроме того, поглощение накачки может оказаться недостаточно сильным. С другой стороны, слишком высокие концентрации легирования могут привести к кластеризации, что может вызвать серьезные потери энергии, и даже без кластеризации к усилению тенденции дополнительных (нежелательных) процессов переноса энергии.

Квантовый дефект для сред, легированных Er/Yb, не больше, чем для усиливающих сред, легированных чисто Er, учитывая, что используется примерно та же длина волны накачки. Однако квантовая эффективность может быть значительно ниже, поскольку процесс передачи энергии может работать не идеально.

Литература:

RP Photonics Энциклопедия: https://u.to/73AsIA

5. Программное обеспечение

В данном пункте необходимо отметить, что управление настольными усилителями возможно через программное обеспечение (ПО) или через ручное управление на экране дисплея. При этом, если подключено ПО через кабель RS232 или USB, ручное управление невозможно, то есть либо через ПО, либо через ручное управление на дисплее. Connet разработали универсальное программное обеспечение для своих усилителей под названием ConLAS 2.

ConLAS 2 – это скоординированное программное обеспечение управления главным компьютером для настольных (модульных или настольных) лазерных источников серии VENUS и волоконных усилителей серии MARS. Для проверки версии ПО необходимо проверить «Протокол связи» на компакт-диске.

Использование ConLAS 2 допустимо, если компьютер имеет последовательный интерфейс RS-232 или подключен к переходному кабелю USB-RS232 с правильно установленным драйвером переходного кабеля. Перед использованием устройства проверьте, правильно ли работает используемый кабель-переходник.

Прежде чем приступить к работе с усилителем, необходимо убедиться в том, что оборудование надежно заземлено, напряжение питания соответствует требованиям и имеет достаточную мощность. Компьютер и усилитель надежно соединены стандартным кабелем DB9.

Для установки программного обеспечения операционные системы компьютера должны быть Microsoft Windows XP (SP3), Win7, Win8 или Win10. Для корректной установки ПО необходимо ознакомиться с инструкцией пользователя к ConLAS 2.

Общий вид окна программного обеспечения ConLAS 2 представлен на рисунке 9.

В верхнем поле отображаются статусы подключения к усилителю. Когда горит зеленая кнопка Online, связь компьютера и усилителя установлена. С помощью кнопки рядом Disconnect можно отключить подключение усилителя. Также рядом отображается порт, с помощью которого произведено подключение.

Поле Device Information позволяет управлять усилителем и одновременно выводит входную и выходную информацию. ПО достаточно адаптировано под пользователя, здесь нет лишних кнопок и сразу понятно, за что отвечает каждое поле.

В зависимости от условий работы усилителя можно выбрать один из трёх режимов в поле Output Setting Mode:

Дальнейшие тесты усилителя проводились в режиме APC.

Нижнее поле – это поле отображения данных, разработанное специально для удобства пользователей. Чтобы облегчить пользователям разработку собственного управляющего программного обеспечения, данные отображаются с прокруткой вверх и вниз в нижней части интерфейса в шестнадцатеричном виде. «T» представляет данные, отправляемые с главного компьютера на ведомое лазерное устройство, а «R» обозначает возвращенные данные, которые главный компьютер получает от ведомого лазера.

При нажатии кнопки Pause останавливается прокрутка дисплея для анализа данных. Если установить флажок Stop Polling, хост-компьютер перестанет отправлять команду опроса, но другие команды могут быть отправлены в обычном режиме, а также могут отображаться возвращаемые данные. Следовательно, при нажатии кнопки Refresh область отображения данных обновится и будет отображаться с самого начала.

6. Спецификация усилителя MFAS-EY-C-B-1: SM

Общая спецификация усилителя представлена в Таблице 1.

Таблица 1. Спецификация настольного усилителя MFAS-EY-C-B-1: SM

Серия MARS подразделяется на усилители L-диапазона, С-диапазона, РМ усилители. Каждый усилитель имеет свои параметры и подбирается в зависимости от требований пользователя.

Существует исполнение усилителей серии MARS в настольном и модульном виде (рис. 10). 

Рисунок 10 – Вид усилителя

Модульный вид позволяет осуществить удобную интеграцию устройства в более масштабную систему, в то время как настольное исполнение представлено для удобства использования.

7. Эксперимент

Экспериментальное исследование работы усилителя проведено с помощью источника излучения от Oz Optics FOSS-21-3S-9/125-1550-S-1 на 1550 нм. Выходная мощность источника составляла 454-461 мкВт.

Перед началом работ ВАЖНО убедиться в том, что все используемые коннекторы не имеют повреждений и не загрязнены. Любое повреждение или пыль на коннекторе может привести к непоправимым последствиям, вплоть до выхода усилителя и лазера из строя.

Перед началом работы проанализированы выходные коннекторы входа и выхода усилителя (рис. 11). 

Рисунок 11 – Коннекторы от усилителя

Выходное излучение снято при 50, 200, 500, 700, 1000 мВт мощности усилителя (рис. 12).

Мощность 50 мВт

Мощность 200 мВт

Мощность 500 мВт

Мощность 700 мВт

Мощность 1000 мВт
Рисунок 12 – Результаты работы усилителя

По паспортным значениям входная мощность лазера должна составлять не менее 0,8 мВт, однако при входной мощности 0,458 мкВт усилитель продолжает работать.

При максимальном усилении источника выходная мощность составляет 1010,6 мВт, что составляет ∼ 1 Вт.

На рисунке 13 представлено выходное излучение от усилителя. Изображение детектировано с помощью визуализатора лазерного излучения на ИК-диапазон. 

Рисунок 13 – Визуализация лазерного излучения

Данное оборудование протестировано инженерами АО «ЛЛС» и при наличии дополнительных вопросов просим обратиться к специалистам компании.

Авторы статьи:

Кашина Раъно
Инженер-исследователь волоконно-оптических систем

Ромашова Василиса
Руководитель группы по волоконным системам

Получить дополнительную информацию вы можете, обратившись к нашим специалистам:

Ромашова Василиса
Руководитель группы по волоконным системам


Комиссаров Михаил
Инженер по применению волоконно-оптических систем