8.1.3.2. Коэффициент усиления
Коэффициент усиления оптического усилителя зависит как от коэффициента усиления активной среды, так и от длины активной области L. Из упрощенного выражения (8.13) можно получить коэффициент оптического усиления:
. (8.17)
На рис.8.12 показаны результаты расчетов эффективной длины Lэфф и коэффициента усиления G от длины ОВ для Рамановского усилителя с попутной накачкой для ранее приведенных исходных данных. Видно, что эффективная длина с увеличением длины ОВ вначале растет, а потом стремится к постоянной величине, коэффициент усиления при некоторой длине максимален.
|
|
|
|
а) |
б) |
Рис. 8.12. Эффективная длина (а) и коэффициент усиления (б) Рамановского ОУ
Из
рис.8.12б и выражения (8.17) следует, что при
малых значениях
оптическое
усиление G
с увеличением L
экспоненциально возрастает, а при
больших значениях
оптическое усиление
G
стремится к 0.
На рис. 8.1 и 8.13 приведены зависимости оптического усиления G от выходной оптической мощности. При малых выходных и соответственно входных мощностях усиление практически постоянно, затем оно начинает экспоненциально падать с ростом уровня входной мощности. Этот «падающий» участок характеристики является областью насыщения усилителя. Ее наличие объясняется уменьшением коэффициента усиления, вызванным истощением накачки и, следовательно, уменьшением инверсной населенности. Эта область численно характеризуется мощностью насыщения Рн на выходе усилителя, определяемой по выходной характеристике на уровне -3 дБ, при котором коэффициент усиления падает в два раза.
Рис.8.13. Зависимость усиления ОУ от выходной оптической мощности.
Учитывая экспоненциальный характер зависимости (8.17), можно показать (рис.8.14), что спектр усиления усилителя g(L,s) будет существенно уже спектра усилительной способности среды gr(s).
Рис.8.14. Зависимости коэффициента усиления рамановского ОУ и усилительной способности ВКР кварцевого ОВ от сдвига частот накачки и сигнала
Усиление оптического излучения неизбежно сопровождается двумя другими процессами: поглощением энергии светового сигнала, которое носит экспоненциальный характер, возрастая с ростом L, и спонтанной эмиссией вторичных фотонов, которая также усиливается, приводя к появлению так называемого усиленного спонтанного излучения.
8.1.3.3. Источники шума
Основным источником шума в оптическом усилителе является усиленное спонтанное излучение. Усиленное спонтанное излучение возникает из-за того, что активная среда оптического усилителя генерирует вторичные фотоны не только в результате попадания возбуждающего излучения усиливаемого сигнала, но и в ответ на фотоны, возникающие в результате самопроизвольного перехода частиц с верхнего уровня на нижний. Для уменьшения шума, вызванного усиленным спонтанным излучением, сигнал на выходе оптического усилителя фильтруют с помощью полосового оптического фильтра.
Рассчитать мощность усиленного спонтанного излучения можно по выражению (8.3).
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 оптического усилителя, так и путем соответствующего выбора частоты источника накачки.
Для многоканальных оптических усилителей в системах со спектральным уплотнением характерны перекрестные помехи, проявляющиеся как паразитная амплитудная (ПАМ) или паразитная частотная (ПЧМ) модуляция сигнала одного канала другими сигналами.
Еще одним видом помех в оптических усилителях является чувствительность усиления G к поляризации усиливаемого сигнала, обусловленная для волоконных усилителей поляризационной модовой дисперсией в активном ОВ. Усиление может меняться, и иногда значительно, в зависимости от поляризации входного оптического излучения. Обычно в одномодовых ВОЛС состояние поляризации сигнала не только не контролируется, но может хаотически меняться под действием случайных изменений формы сердцевины и анизотропии, вызванной статическим напряжением ОВ. Изменение поляризации приводит к паразитной амплитудной модуляции усиления.