24.Оптические усилители Основные понятия и определения. Классификация оптических усилителей. Основные параметры и характеристики.

Оптическим усилителем (ОУ) называется компонент ВОСП, предназначенный для усиления оптического сигнала без преобразования его в электрический. Обобщенная схема ОУ представлена на рис. 3.53. Оптическое излучение мощностью Р_вх через входное оптическое волокно (ОВ_вх)

поступает на усилительный элемент (УЭ), где происходит процесс усиления оптического сигнала до мощности Р_вых, который затем через выходное оптическое волокно (ОВ_вых ), поступает к соответствующему компоненту ВОСП.

Оптический усилитель увеличивает амплитуду входных оптических сигналов чисто оптическими операциями, не выполняя при этом никакого восстановления формы оптического сигнала, т.е. оптический усилитель не привязан к протоколу или скорости передачи и может усиливать входной сигнал любого формата. Один ОУ способен усиливать одновременно большое число независимых спектральных каналов.

Классификация оптических усилителей в основном выполняется по следующим признакам:

1) в зависимости от технологии изготовления различают следующие типы ОУ:

– лазерные полупроводниковые ОУ – ППОУ (Semiconductor Optical amplifiers – SOA);

– ОУ на оптическом волокне (ОВ), легированном редкоземельными элементам (РЗЭ);

– ОУ на основе нелинейных явлений в оптическом волокне;

– комбинированные ОУ, использующие ОВ, легированные РЗЭ и нелинейные явления в нем;

2) в зависимости от места включения в линейном тракте ВОСП различают (рис. 3.54):

– усилители мощности (бустеры), включаемые на выходе передающего оптического модуля (ПОМ) оконечной станции и предназначенные для увеличения мощности оптического сигнала на входе линейного тракта;

– предварительные усилители, устанавливаемые на удаленных концах линейного тракта ВОСП, и предназначаются для повышения чувствительности фотоприемника; этот усилитель, как правило, интегрируется с приемным оптическим модулем (ПРОМ) и, как правило, используется вместе с узкополосным оптическим фильтром;

– линейные усилители, устанавливаемые в тех точках линейного тракта ВОСП, где необходимо усиление оптического сигнала до такого уровня, чтобы он соответствовал чувствительности приемника оконечной станции;

– компенсаторы потерь, предназначенные для компенсации потерь, вносимых пассивными элементами: модуляторами, фильтрами, коммутаторами, маршрутизаторами и др.

На рис. 3.54 изображена диаграмма уровней (ДУ) передачи оптического сигнала по линейному тракту ВОСП. Основными точками являются: р_пом – уровень передачи на выходе ПОМ и на входе оптического усилителя мощности, дБм; р_{пер ум} – уровень мощности оптического сигнала на выходе усилителя мощности, дБм; усиление усилителя мощности равно

S_ум = р_{пер ум} – р_пом , дБ;

р_{пр лус1} – уровень приема на входе 1-го линейного усилителя, дБ, который равен

р_{пр лус1} = р_{пер ум} – А₁, дБ.

Все остальные точки ДУ: уровни передачи и прием линейных усилителей р_{пер лус1}, р_{пр лус2}, р_{пер лус 2}, уровней приема р _{пр пус} и передачи р_{пер пус} (или уровня на входе ПРОМ) предварительного усилителя определяются аналогично.

На ДУ показаны уровни шумов на входе усилителей. Разность уровней приема р_пр и уровней шумов р_ш для каждого усилительного участка определяет защищенность оптического сигнала от шумов линейного тракта А_з = р_пр – р_ш.

В комбинации с оптическими фильтрами или другими селективными

устройствами ВОСП оптические усилители могут быть: коротковолновыми, длинноволновыми, полосовыми.

Параметры и характеристики оптических усилителей. Три основных параметра определяют качество функционирования ОУ: коэффициент усиления или усиление по мощности, уровень собственных шумов или коэффициент шума и мощность насыщения на выходе усилителя.

Коэффициент усиления ОУ представляет отношение вида

К_м = Р_вых / Р_вх, (3.88)

где Р_вх – мощность оптического сигнала на входе ОУ; Р_вых – мощность оптического сигнала на выходе ОУ;

усиление ОУ представляет собой логарифмическую величину

дБ или Нп. (3.89)

Коэффициент шума или шум-фактор (noise-factor), представляет собой соотношение вида

(3.90)

или логарифмический коэффициент шума

, (3.91)

где Р_вх и Р_{ш вх} – мощность полезного сигнала и помехи на входе ОУ соответственно; Р_вых и Р_{ш вых} – мощность полезного сигнала и помехи на выходе ОУ соответственно; А_{з вх} и А_{з вых} – защищенность на входе и выходе соответственно. Числитель в (3.90) и (3.91) представляет отношение сигнал/шум (ОСШ) на входе, а знаменатель – ОСШ на выходе ОУ.

Коэффициент шума F_ш характеризует уменьшение ОСШ на выходе ОУ по сравнению с ОСШ на входе ОУ. Логарифмический коэффициент характеризует потерю в защищенности оптического сигнала от шумов при его прохождении через усилитель.

Оценка этого параметра ОУ осуществляется на «электрическом уровне» путем преобразования оптического сигнала в электрический с помощью фотодетектора.

Мощность насыщения – выходная мощность ОУ Р_{вых нас}, это мощность, при которой коэффициент усиления К_м в два раза (или усиление S на 3 дБ) меньше максимального значения коэффициента усиления К_{м макс} (или усиления S_макс), достигаемого при минимальном входном сигнале.

Этот параметр ОУ вытекает из возможности их насыщения, так как выходная мощность усилителя ограничена его конструктивными особенностями и мощностью генератора накачки. Поэтому, когда мощность входного сигнала возрастает, усиление усилителя падает, что может быть приблизительно оценено следующим уравнением

, (3.92)

где К_макс и К_м – соответственно ненасыщенное и насыщенное усиление ОУ; Р_нас и Р_вх – мощность внутреннего насыщения (генератора накачки) и текущая мощность выходного сигнала соответственно.

Используя (3.92) и тот факт, что Р_вых = К_мР_вх, а также положив, что K>>1, выходная мощность насыщения будет равна

Р_{вых нас} = Р_нас ln2 (3.93)

и является функцией мощности генератора накачки и других параметров усилителя. Обычно выходная мощность насыщения составляет от 10 до 100 мВт (от 10 до 20 дБм).

Минимальная мощность входного сигнала и максимальная его мощность определяют динамический диапазон ОУ, под которым понимается диапазон входной мощности оптического сигнала, при котором коэффициент усиления ОУ остается постоянным. Он тесно связан с коэффициентом шума, который зависит от ряда специфических шумов ОУ: шумов обусловленных усиленным спонтанным излучением – УСИ (Amplified Spontaneous Emission – ASE). Эти шумы возникают под воздействием случайных возмущающих факторов различной физической природы, например, нагрева усилителя (тепловые фотоны), а также за счет наличия рассеянных фотонов.

Важными характеристиками оптических усилителей являются их спектральные характеристики, т. е. зависимость усиления ОУ от длины волны оптического излучения, т. е. S = f_с(λ), рис. 3.55, где приведены типичные зависимости усиления от длины волны для трех фиксированных значений мощности входного оптического сигнала.

Зависимость усиления от входной мощности описывается своеобразной амплитудной характеристикой S = f_а(Р_вх), рис. 3.56.

Оптические усилители, реализуемые на разной элементной базе, имеют специфические параметры и характеристики, о которых будет сказано при конкретном рассмотрении соответствующих усилителей.