Как сигнал «запускает» новые фотоны
В усилителе участок оптоволокна легируют — то есть вводят в стекло — ионами эрбия. Отдельный лазер накачки подаёт в этот участок свет другой длины волны. Ионы поглощают его энергию и переходят в возбуждённое состояние, в котором могут некоторое время её удерживать.
Когда через волокно проходит слабый сигнал, его фотоны взаимодействуют с возбуждёнными ионами. Ион отдаёт накопленную энергию, испуская ещё один фотон, совпадающий с фотоном сигнала по частоте, фазе и направлению. Это называется вынужденным излучением: пришедший свет не просто получает энергию, а побуждает среду добавить к нему согласованные световые волны.
Усиление без расшифровки данных
Эрбиевые усилители особенно полезны для сигналов около 1550 нанометров — в этой области обычное оптическое волокно слабо поглощает свет. Поэтому усилитель может компенсировать потери на длинной линии связи, не переводя поток в электрический сигнал и обратно. Это избавляет от необходимости заново обрабатывать данные на каждом промежуточном узле.
При этом усилитель не понимает, где в сигнале нули и единицы, и не восстанавливает его в цифровом смысле: он увеличивает оптическую мощность проходящей волны. Вместе с полезным сигналом возникают и случайные фотоны — шум, связанный с работой возбуждённых ионов. Если усилителей много, этот шум накапливается, поэтому расстояние между ними и мощность накачки приходится выбирать с учётом всей линии.
В результате по подводному или наземному кабелю данные могут проходить большие расстояния, оставаясь светом, а не превращаясь на каждом участке в электрические импульсы.
