Разница между длинами волн накачки 980 нм и 1480 нм

980 нм и 1480 нм — две наиболее часто используемые длины волн накачки для легированных эрбием оптических волокон (EDF). Основные различия между ними заключаются в механизме перехода энергетических уровней ионов эрбия (Er³⁺), эффективности преобразования энергии и адаптируемости к применению.

1. Основной механизм: Различаются пути поглощения ионов эрбия и перехода энергетических уровней

Это наиболее фундаментальное различие между ними, непосредственно определяющее все последующие различия в характеристиках:

> Накачка 980 нм: относится к «прямой резонансной накачке» — энергия фотона 980 нм точно соответствует прямому переходу из основного состояния в метастабильное состояние Er³⁺. Практически вся энергия фотона поглощается без промежуточных потерь энергии на энергетических уровнях. После поглощения Er³⁺ быстро безызлучательно переходит на верхний уровень энергии лазера, в конечном итоге испуская фотоны коммуникационной полосы с длиной волны 1550 нм посредством вынужденного излучения.

Накачка с длиной волны > 1480 нм: относится к «нерезонансной непрямой накачке» — энергия фотона с длиной волны 1480 нм соответствует прямому переходу из основного состояния Er³⁺ на верхний уровень энергии лазера. Однако вероятность такого перехода мала (плохое согласование уровней энергии), и часть энергии фотона теряется из-за «многофотонного поглощения» или «релаксации уровней энергии». Для генерации лазера требуется накопление Er³⁺ на уровне энергии ⁴I₁₃/₂.

2. Эффективность накачки: 980 нм значительно выше, чем 1480 нм.

Разница в эффективности напрямую определяется «сечением поглощения», которое является основой выбора длины волны в инженерных приложениях:

> Сечение поглощения: сечение поглощения на длине волны 980 нм для Er³⁺ составляет приблизительно 2 × 10⁺ см², что в 2,5 раза больше, чем на длине волны 1480 нм (примерно 0,8 × 10⁺ см²). При той же мощности накачки длина волны 980 нм может повысить эффективность преобразования энергии в легированных эрбием волокнах в 2–3 раза.

> Требования к плотности мощности: для длины волны 980 нм требуется лишь меньшая плотность мощности (например, 100 мВт/мм²) для насыщенной накачки, тогда как для длины волны 1480 нм требуется более высокая плотность мощности (например, 250 мВт/мм²), что приводит к большему энергопотреблению и давлению на рассеивание тепла для источника накачки с длиной волны 1480 нм.

3. Ограничения по применению: длина волны 980 нм подвержена «концентрационному тушению», в то время как длина волны 1480 нм подходит для высоколегированных волокон.

Оба типа чувствительны к «концентрации легирования» волокон, легированных эрбием, что ограничивает области их применения:

> Недостаток длины волны 980 нм: из-за высокой эффективности поглощения, если концентрация Er³⁺ в волокне слишком высока (например, > 500 ppm), это приведёт к «концентрационному тушению» — соседние волокна Er³⁺ переносят энергию посредством безызлучательных переходов, что приводит к потерям энергии (проявляющимся в резком падении эффективности накачки и повышенном тепловыделении). Поэтому она подходит только для волокон с низкой и средней концентрацией легирования (100–300 ppm).

> Преимущество длины волны 1480 нм: низкая эффективность поглощения означает, что даже при высокой концентрации Er³⁺ (например, 500–1000 ppm) концентрационное тушение менее вероятно. Вместо этого «высокое легирование» может укоротить длину волокна (уменьшая потери при передаче), что делает его пригодным для миниатюрных, высокоинтегрированных систем накачки (таких как микро-EDFA-модули).

4. Сценарии применения: Каждый из них имеет свою направленность, не имеет абсолютной замены.

Исходя из упомянутых выше различий, сценарии применения обоих вариантов сильно сегментированы и не могут быть полностью заменены: