10.1.1.4. Источники шума и динамический диапазон

Динамический диапазон определяется как диапазон входной мощности оптического сигнала, при котором коэффициент усиления Go остается постоянным. Он тесно связан с другим параметром -коэффициентом шума, зависящим от уровня усиленного спонтанного излучения, остаточным сигналом накачки и перекрестной помехой, которые кратко рассмотрены ниже.

Усиленное спонтанное излучение

Оптические усилители добавляют шум к усиливаему оптическому сигналу. Этот шум обу­словлен усиленным спонтанным излучением - УСИ (ASE). Это излучение возникает под дейст­вием случайных возмущающих факторов различной физической природы, например нагрева уси­лителя (тепловые фотоны), а также за счет наличия рассеянных фотонов. Шум приводит не только к уменьшению динамического диапазона, но и к снижению максимально допустимого уси­ления (см. разд. 10.1.2.). Уменьшение динамического диапазона обычно характеризуется извест­ным параметром F - коэффициентом шума:

(10-4)

где SNRex, SNR_eblx - значения динамического диапазона на входе и выходе усилителя.

Оценка этого параметра ОУ осуществляется на "электрическом уровне" путем преобразо­вания оптического сигнала в электрический с помощью фотодетектора. Для уменьшения коэффи­циента шума, вызванного УСИ, сигнал на выходе ОУ фильтруют с помощью полосового оптиче­ского фильтра - ПОФ.

Остаточный сигнал накачки

Существует еще один специфический источник шума в усилителях с накачкой - остаточ­ный сигнал накачки на выходе усилителя, влияние которого (на передатчик или детектор в систе­ме связи) может быть уменьшено как с помощью фильтра на выходе ОУ, так и путем соответст­вующего выбора частоты источника накачки.

Перекрестные помехи

Этот вид помех характерен для многоканальных ОУ в системах WDM. Он проявляется как паразитная амплитудная (ПАМ) или паразитная частотная (ПЧМ) модуляции сигнала одного ка­нала другими сигналами. В силу специфики помех, они не рассматриваются здесь детально.

Более подробные общие сведения об оптических усилителях можно найти также в работах [190, 191, 195, 196].

10.1.2. Полупроводниковые оптические усилители

Полупроводниковые оптические усилители (ППОУ) оказались, если не исторически, то факти­чески, первыми ОУ, проработанными до уровня промышленного использования. До недавнего времени они считались наиболее подходящими усилителями оптических сигналов только в окне длин волн 1300 нм [190], однако в последнее время появились сообщения об успешных разработ­ках ОУ компании Alcatel и для окна 1550 нм [198], что особенно актуально, учитывая миграцию современных оптических систем в этот диапазон волн.

10.1.2.1. Принцип действия ППОУ

ППОУ основаны на использовании возбуждаемой эмиссии, возникающей благодаря взаи­модействию фотонов входного возбуждающего излучения с электронами на возбужденном уровне в зоне проводимости - аналогично описанному выше. Полупроводник можно рассматривать при этом как идеально простую систему с двумя неперекрывающимися энергетическими уровнями: нижним (релаксационным) - валентная зона и верхним (возбужденным) - зона проводимости, раз­деленными определенным зазором - потенциальным барьером (подробнее см., например, в [214]).

Как и в общем случае, оптическое усиление возможно при условии создания определенно­го уровня инверсии населенности (здесь избытка электронов в зоне проводимости) за счет накач­ки, роль которой здесь играет инжекция тока в полупроводник. Однако при этом уровень накачки выбирается таким, что энергия основной массы электронов еще недостаточна для преодоления потенциального барьера между зонами. Чтобы это произошло, требуется дополнительная энергия возбуждения. Входной сигнал - источник первичных фотонов - и служит дополнительным источ­ником возбуждения, энергия которого должна быть достаточна, чтобы сбросить электроны с верхнего уровня на нижний, где электрон и дырка рекомбинируют, вызывая появление вторичных фотонов. Если один первичный фотон вызывает эмиссию к вторичных фотонов, возникает к-кратное оптическое усиление.

10.1.2.2. Типы полупроводниковых ОУ

Существуют два типа ППОУ: подпороговые и надпороговые усилители. Подпороговые усилите­ли - это лазеры, работающие в режиме ниже порога генерации излучения. Надпороговые усилите­ли (или усилители с фиксированным усилением) - напротив - лазеры, работающие в режиме выше порога генерации излучения.

Первый тип ОУ может также отличаться отсутствием или наличием обратной связи (ОС), обеспечивающей многократную процедуру усиления. Если усиление осуществляется за один проход (ОС отсутствует), то ОУ называется усилителем бегущей волны - УБВ (TWA). На входном и вы­ходном торцах такого усилителя (полупроводникового блока длиной L) формируются грани с анти-отражающим покрытием (см. рис. 10-4,6), чтобы минимизировать отраженный луч, приводящий к колебательности АВХ. Это позволяет поддерживать ее неравномерность на уровне не выше 1 дБ.

В многопроходных усилителях, наоборот, применяется оптическая обратная связь ООС, в качестве которой используется оптический резонатор. Им может быть, например, плоский ли­нейный резонатор Фабри-Перо [167] - пара параллельных полупрозрачных зеркал, закрепляе-

мых на входе и выходе усилителя, между которыми в процессе многократного отражения оптиче­ской волны и происходит усиление интенсивности оптического сигнала (за счет преобразования энергии накачки в энергию сигнала) до величины, достаточной для выхода оптического луча за пределы резонатора (см. рис. 10-4,а). Такой ОУ называется усилителем (с резонатором) Фабри-Перо - УФП (FPA).

Отличительной особенностью указанных типов ОУ является то, что УБВ имеет непрерыв­ную АВХ с достаточно большим плоским участком (порядка 60-100 нм на уровне -ЗдБ), тогда как АВХ для УФП имеет вид, характерный для оптического гребенчатого фильтра с узкими пиками импульсного усиления и постоянным шагом пиков гребенки, обусловленным наличием у резонанс­ной системы ряда продольных мод с равномерным пространственным распределением (см. рис. 10-4,а). Для широкополосных оптических систем плоская АВХ более предпочтительна, чем гребенча­тая, которая к тому же чувствительна к изменению характеристик оптической системы в целом.

Второй тип ОУ основан на использовании нормального (лазерного) режима функциониро­вания, когда поддерживается постоянное усиление, необходимое для генерации основной излу­чаемой моды [218]. В этих условиях могут быть без искажения усилены и нужные нам сигналы, если их частоты достаточно далеки от частоты указанной моды. Различают два типа лазеров, ге­нерирующих одну продольную моду, которые могут играть роль такого ОУ:

• лазеры с распределенной обратной связью - ЛРОС (DFB lasers);

• лазеры с распределенным отражателем Брэгга - ЛРОБ (DBR lasers).

Усиление у таких лазеров в режиме ОУ осуществляется на частотах, отличных от резо­нансной, и оказывается возможным благодаря тому, что АВХ лазера имеет достаточно большое усиление на широком, непрерывном и гладком пьедестале, который обычно симметричен относи­тельно резонансного пика генерируемой продольной моды (см. рис. 10-5). Такие усилители легко могут обеспечить усиление 10-15 дБ и отличаются пониженным значением переходной помехи при использовании в многоканальном режиме [190]. .-•-.■•