8.1.4. Более строгая модель волоконно - оптического усилителя
В упрощенной модели волоконно-оптического усилителя не учитывалось усиленное спонтанное излучение (УСИ) и истощение накачки за счет сигнала и усиленного спонтанного излучения.С учетом этих факторов работа волоконно-оптического усилителя может быть описана следующей системой дифференциальных уравнений:
, (8.18)
, (8.19)
. (8.20)
где Pn0 – мощность шумов предыдущих каскадов. Эта система уравнений отличается от ранее рассмотренной системы (8.10) и (8.11) тем, что учитывает шум УСИ. В уравнении (8.19) знак «+» соответствует попутной накачке, а знак «‑» - встречной.
Рис.8.15. Зависимости мощностей сигнала, накачки и усиленного спонтанного излучения от расстояния при использовании попутной накачки.
Для ВКР усилителя на стандартном одномодовом кварцевом волокне в результате численного решения системы дифференциальных уравнений (8.18) и (8.19) были получены зависимости мощностей сигнала, накачки и усиленного спонтанного излучения от расстояния для попутной (рис. 8.15) и встречной (рис. 8.16) накачки мощностью 1 Вт.
Из рис. 8.15 видно, что при попутной накачке в начале с увеличением длины усилительного участка коэффициент усиления быстро возрастает, достигая максимума на некоторой длине, зависящей от начального уровня сигнала. С увеличением уровня эта длина уменьшается, что связано с более быстрым истощением накачки. При дальнейшем увеличении длины усилительного участка коэффициент усиления падает.
Из рис. 8.16 видно, что при встречной накачке в начале с увеличением длины усилительного участка мощность сигнала может даже уменьшаться, достигая минимума на некоторой длине. После чего быстро возрастает. При встречной накачке при прочих равных условиях отношение сигнала к УСИ такое же, как и при попутной.
Рис.8.16. Зависимости мощностей сигнала, накачки и усиленного спонтанного излучения от расстояния при использовании встречной накачки.
8.1.5. Полупроводниковые оптические усилители
Полупроводниковые оптические усилители (ППОУ) были первыми оптическими усилителями, доведенными до уровня промышленного производства.
Такой усилитель представляет собой простую двухуровневую систему с двумя энергетическими уровнями – нижним (валентной зоной) и верхним (зоной проводимости), разделенными потенциальным барьером. Инверсия населенности уровней (избыток электронов в зоне проводимости) достигается за счет накачки электрическим током.
Существуют два типа ППОУ – подпороговые и надпороговые. Подпороговые усилители – это лазеры, работающие в режиме ниже порога генерации излучения. Надпороговые усилители – это лазеры, работающие в режиме выше порога генерации излучения.
|
а |
|
б |
|
|
Рис. 8.17. Оптический усилитель бегущей волны (а) и его АВХ (б) | |||
Подпороговые ППОУ могут как иметь обратную связь, так и не иметь ее. Если усиление осуществляется за один проход (обратная связь отсутствует), то оптический усилитель называется усилителем бегущей волны. На входном и выходном торцах такого усилителя (полупроводникового блока длиной L) формируются грани с антиотражающим покрытием (см. рис. 8.17), чтобы минимизировать отраженный луч, приводящий к колебательности амплитудно-волновой характеристики. Это позволяет поддерживать ее неравномерность на уровне не выше 1 дБ.
|
а |
|
б |
|
|
Рис. 8.18. Оптический усилитель Фабри-Перо (а) и его АВХ (б) | |||
В многопроходных усилителях, наоборот, применяется оптическая обратная связь, в качестве которой используется оптический резонатор. Им может быть, например, плоский линейный резонатор Фабри-Перо. Резонатор Фабри-Перо представляет собой пару параллельных полупрозрачных зеркал, между которыми в процессе многократного отражения оптической волны происходит усиление интенсивности оптического сигнала. Такой ОУ называется усилителем (с резонатором) Фабри-Перо (рис. 8.18).
Из рис. 8.17 и 8.18 видно, что усилитель бегущей волны имеет непрерывную АВХ с достаточно большим плоским участком (порядка 60-100 нм на уровне –3 дБ). АВХ для усилителя Фабри-Перо имеет вид гребенки с узкими пиками импульсного усиления и постоянным шагом пиков, обусловленным наличием у резонансной системы ряда продольных мод с равномерным пространственным распределением. Для широкополосных оптических систем плоская АВХ более предпочтительна, чем гребенчатая, которая к тому же чувствительна к изменению характеристик оптической системы в целом.
Надпороговый оптический усилитель использует нормальный (лазерный) режим функционирования, когда поддерживается постоянное усиление, необходимое для генерации основной излучаемой моды. 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 усилителя:
лазеры с распределенной обратной связью;
лазеры с распределенными Брэгговскими отражателями.
|
Рис. 8.19. АВХ надпорогового оптического усилителя |
Рассмотрим характеристики ППОУ. Реализуемые коэффициенты усиления составляют: для усилителя бегущей волны - 15 дБ (волна ТМ) или 22 дБ (волна ТЕ); для усилителя Фабри-Перо - 22-25 дБ. Максимум коэффициента усиления зависит от величины тока через полупроводник и лежит в диапазоне 1520 - 1460 нм, смещаясь в сторону меньших длин волн при большей величине тока.
Динамический диапазон без учета шума ППОУ может достигать 35-45 дБ. Полупроводниковый усилитель, как и любой оптический усилитель, добавляет к усиливаемому оптическому сигналу шум за счет усиления спонтанного излучения. Шум приводит не только к уменьшению динамического диапазона, но и к снижению максимально допустимого усиления. На рис. 8.19 показан типичный спектр шума, вызванного усилением спонтанного излучения. Этот спектр много шире АВХ усилителя и имеет характерную форму пьедестала. Из рисунка видно, что уровень мощности шума составляет около 20 дБ, а уровень усиления сигнала на его фоне - 25 дБ. Это означает, что динамический диапазон, который мог бы в отсутствие шума составить 45 дБ, уменьшается при наличии шума до величины 25 дБ.
ППОУ могут быть использованы в качестве предусилителей перед детектированием оптического сигнала, а также в качестве усилителей мощности в линейных системах для компенсации распределенных потерь в линии, позволяющих увеличить длину регенерационного участка. ППОУ могут быть интегрированы вместе с полупроводниковым лазером для создания эффективного источника в когерентных оптических системах.
ППОУ могут также использоваться в составе волновых конверторов (см. ниже).