Опт устр в РТ / ВОЛС / 9_Оптические усилители

Оптические усилители

Усиление в ОВ возможно, если создать инверсию населенностей уровней: N₂>N₁. Для этого используется система энергетической накачки. В качестве накачки можно использовать инжекцию электронов или излучение лазера соответствующей длины волны для создания фотонов нужной энергии.

К усилителям ВОСП предъявляется ряд требований:

• высокий коэффициент усиления в заданном диапазоне оптических частот;

• малые собственные шумы;

• нечувствительность к поляризации;

• хорошее согласование с волоконно-оптическими линиями;

• минимальные искажения оптических сигналов;

• большой динамический диапазон входных сигналов;

• требуемое усиление многоволновых оптических сигналов;

• длительный срок службы.

В качестве активной среды используются полупроводники или ОВ с примесями. В перспективе предполагается использование обычного волокна, работающего в нелинейном режиме.

Классификация оптических усилителей

В настоящее время применение получили полупроводниковые (ППОУ) и волоконно-оптические усилители (ВОУ).

Полупроводниковые оптические усилители

В ПОУ бегущей волны усиление наблюдается при распространении входного излучения в инверсной среде активного слоя с просветленными торцами, а в резонансных усилителях - за счет оптической обратной связи, в качестве которой используется оптический резонатор.

В УБВ коэффициент усиления – до 30 дБ при полосе усиления около 5 - 10 ТГц.

Особенности применения ППОУ:

1. Так как сердцевина ОВ d=8-10 мкм >> толщины активного слоя (1мкм), требуется согласование.

Структура с объединенным РОС-лазером и ОУ

2. Коэффициент усиления ППОУ зависит от поляризации и может отличаться на 4-8 дБ для двух ортогональных поляризаций. Так как в стандартном ОМ волокне поляризация не контролируется, то коэффициент усиления ППОУ зависит от неконтролируемого фактора. Это ограничивает применение усилителей в качестве линейных.

Волоконно-оптические усилители

ВОУ получили наибольшее распространение в ВОЛС. Достоинства:

• простота конструкции;

• высокая надежность;

• большие коэффициенты усиления;

• малые шумы;

• широкая полоса усиления;

• нечувствительность к поляризации усиливаемого света.

В примесных ВОУ в качестве активного материала используются редкоземельные элементы (РЗЭ) (или лантаниды - элементы с 57 по 71 в Периодической таблице Д.И. Менделеева). Длина – от 1 до нескольких десятков метров.

Примесные ионы могут быть легко возбуждены излучением лазерной накачки.

Выбор легирующего элемента определяется диапазоном длин волн:

- тулий (Tu) и иттербий (Yb) – для усиления в области 800 нм;

- неодим (Nd) и празеодим (Рг) - для усиления сигналов в окне 1300 нм;

- эрбий (Ег) - для усиления сигналов в окне 1550 нм.

Наибольшее применение получили эрбиевые ВОУ (EDFA - erbium-doped fiber amplifier). В данных усилителях применяется оптическая накачка. В качестве источника применяется ЛД с λ_н=980 нм или λ =1480 нм.

Возбуждённые атомы, не взаимодействующие с входным сигналом, спонтанно переходят на основной уровень и становятся источником оптического шума. Этот шум так же усиливается и носит название шума усиленного спонтанного излучения (ASE – Amplified spontaneous emission).

В процессе усиления происходит постепенное обеднение населённости инверсной среды. Степень обеднения по мере распространения усиливаемого сигнала возрастает и среда стремится к насыщению, когда населённости метастабильного и основного уровней выравниваются.

Поэтому Ку = max для слабого сигнала.

Т

В

Б

А

20

15

10

5

-50 -30 -10 0 10 30

Р_вых, дБм

Р_вх, дБм

Зависимость выходной мощности эрбиевого оптического усилителя от входной

В современных ВОСП, с EDFA, скорость передачи равна 155 Мбит/с … 10 Гбит/с. При таких скоростях длительности оптических импульсов лежат в пределах от единиц наносекунд до десятков пикосекунд, что в сотни раз < времени жизни на возбужденных уровнях.

Работа на участке В-Т.

Коэффициент шума

NF EDFA ~ 3..8 дБ

Волоконные усилители, использующие эффект вынужденного комбинационного рассеяния (ВКР)

Для ВОСП длиной > 100 км – min промежуточных усилителей.

• увеличение мощности оптического сигнала,

• увеличение чувствительности оптических приемников,

• применение ОВ с предельно малым коэффициентом потерь и хроматической дисперсии,

• использование предкоррекции ошибок при передаче цифровых сигналов.

• использование для усиления нелинейного явления в обычном волокне, - явления вынужденного комбинационного рассеяния - ВКР, или стимулированного рамановского рассеяния (SRS — Stimulated Raman Scattering).

Два вида рассеяния: рэлеевское и рамановское. Рэлеевское рассеяние называется также упругим, поскольку, сталкиваясь с микрочастицами вещества, фотоны не теряют своей энергии, а только изменяют траекторию движения. В результате рамановского рассеяния фотоны не только изменяют свою траекторию, но и отдают часть своей энергии микрочастице:

,

где v_с - частота нового фотона (стоксова частота), ;

v_н — частота исходного (начального) фотона;

_м — частота собственных колебаний микрочастицы.

Микрочастица приобретает новое состояние поляризации, она становится возбужденной. При встрече с фотоном с частотой _м эта микрочастица не может больше поглощать такую же порцию энергии. Увеличивая мощность исходного излучения, мы тем самым увеличиваем количество фотонов с энергией hv_н. При дальнейшем увеличении количества фотонов накачки, это преобладание становится подавляющим. Среда из преимущественно анизотропной превращается практически полностью в изотропную.

Вследствие этого, фотоны стоксовой компоненты не рассеиваются, и излучение этой компоненты становится когерентным. Получив импульс от фотона накачки и изменив в большую сторону уровень энергии, частица передает этот импульс соседним молекулам, возбуждая тем самым направленную гиперзвуковую волну. При некотором уровне мощности накачки почти вся энергия переходит в энергию стоксовой компоненты. Описанный процесс получил название вынужденного комбинационного рассеяния - ВКР, или стимулированного рамановского рассеяния (SRS).

Мощность излучения накачки уменьшают до такой величины, при которой большая часть молекул не излучает стоксовых фотонов. Для рождения таких фотонов необходимо наличие стимулирующих фотонов, частота которых равна частоте стоксовых фотонов. Такими фотонами служат фотоны, не связанные с процессом SRS – это сигнальные фотоны, то есть излучение сигнала.

Таким образом, в оптически изотропной среде, созданной излучением накачки, происходит не только компенсация потерь энергии излучения сигнала из-за рэлеевского рассеяния, но и усиление

Схема усилителя Рамана

Усиление сигнала в рамановских усилителях распределено по длине оптического волокна примерно до 20 км и сигнал из-за потерь в оптическом волокне уменьшается не так сильно, как при обычном усилении, что улучшает отношение сигнал/шум.

Распределение оптического отношения сигнал/шум

по длине линии при включенном ВКР-усилении и без него

Типичными параметрами для ВКР-усилителей являются мощность накачки 1 Вт, коэффициент усиления порядка 30 дБ. Мощность насыщения Р_нас усилителей ВКР значительно больше, чем ППОУ (1Вт против 1мВт). В качестве накачки используются лазеры с длиной волны 1060 нм (для усиления сигналов 1300 нм) и 1320 нм (для усиления сигналов с длиной волны 1550 нм). Этот тип усилителей достаточно широкополосен (5-10 ТГц) и годится для усиления сигналов в схемах с WDM и усиления коротких импульсов (пикосекундного диапазона).

Параметры оптических усилителей

Параметры	ВКР-усилители	ВРМБ-усилители	EDFA	Параметри-ческие ОУ
Усиление при малом входном сигнале, дБм	>40	>40	15-40	16
Неравномерность АВХ	низкая	высокая	±1-10 дБ	-
Эффективность, дБм/мВТ	0,08	5,5	11	10-4
Выходная мощность	1 Вт	1 мВт	>0,5 Вт	-
Мощность насыщения	-	-	-	-
Перекрестные помехи	незначительны	незначительны	незначительны	-
Динамические показатели	>20 Гбит/с	<100 МГц	>200 Гбит/с	-
Широкополосность	десятки нм	<100 МГц	30-50 нм	5000 ГГц
Коэффициент шума, дБ	~3	>15	3-4	-
Чувствительность усиления к поляризации	значительна	отсутствует	<0,1 дБ	<3-5 дБ
Вносимые потери, дБ	<1	<1	<1	-

Схема включения ВКР-усиления