ДС Радиооптика_1 / Литература ч.1 / Введение в радиооптику

Введение в радиооптику

Рисунок 7.14. Оптический усилитель.

Повторитель принципиально работает с одним сигналом, в то время как ОУ может одновременно усиливать несколько оптических сигналов, представленных несколькими длинами волн (WDM сигнал) в пределах определенного интервала, который называется зоной усиления. Это позволяет наращивать пропускную возможность ВОЛС, на которой установлены ОУ, без добавления новых ОВ. Переход к системам передачи уплотненных по частоте каналов осуществляют устройства волнового уплотнения.

Существует пять типов оптических усилителей [21]. Усилители Фабри-Перо. Усилители оснащаются плоским резо-

натором с зеркальными полупрозрачными стенками. Они обеспечивают высокий коэффициент усиления (до 25 дБ) в очень узком (1,5 ГГц), но широко перестраиваемом (800 ГГц) спектральном диапазоне. Кроме этого, эти устройства не чувствительны к поляризации сигнала и характеризуются сильным подавлением боковых составляющих (ослабление на 20 дБ за пределами интервала в 5 ГГц). В силу своих характеристик, усилители Фабри-Перо идеально подходят для работы в качестве демультиплексоров, поскольку они могут всегда быть перестроены для усиления только одной определенной длины волны одного канала из входного многоканального WDM сигнала.

Усилители на волокне, использующие бриллюэновское рас-

сеяние. Стимулированное бриллюэновское рассеяние − это нелинейный эффект, возникающий в кремниевом ОВ, когда энергия от оптической волны на частоте, скажем, f1 переходит в энергию новой волны на смещенной частоте f2.

Если мощная накачка производится на частоте f1, стимулированное бриллюэновское рассеяние способно усиливать слабый входной сигнал на частоте f2. Выходной сигнал сосредоточен в узком диапазоне, что позволяет выбирать канал с погрешностью 1,5 ГГц.

Усилители на волокне, использующие рамановское рассея-

ние. Принцип действия рамановских усилителей основан на эффекте Рамана. Стимулированное рамановское рассеяние подобно бриллюэнов-

201

Г.Г. Червяков, В.В. Роздобудько

скому но при нем частотный сдвиг между сигнальной волной и волной накачки ( f2 – f1 ) больше, а выходной спектральный диапазон усиления шире, что допускает усиление сразу нескольких каналов связи.

Поскольку рамановский спектр не привязан к фиксированным энергетическим уровням, как в случае редкоземельных элементов, таких как эрбий, он может быть получен на любой длине волны в ИК-области, коль скоро имеется источник необходимого возбуждающего излучения. Эта особенность позволяет применять рамановские усилители во всем диапазоне передачи кремниевых ВОК.

Так как подобные усилители требуют большей мощности возбуждающего излучения (порядка одного ватта) и отрезков световодного кабеля большей длины, их стоимость по сравнению с усилителями EDFA (Erbium-Doped Fiber Amplifiers) оказывается более высокой. На сего-

дняшний день усиление на основе эффекта Рамана играет важную роль в системах сверхдальней связи, которые расширили возможности передачи на дальние расстояния с 500 км между соседними повторителями до 1500 км и более.

Вместе с тем большие переходные помехи между усиливаемыми каналами представляют существенную проблему при разработке таких усилителей.

Полупроводниковые лазерные усилители (ППЛУ). Основу ППЛУ составляет активная среда, аналогичная той, которая используется в полупроводниковых лазерах [70, 71|. В ППЛУ отсутствуют зеркальные резонаторы, характерные для полупроводниковых лазеров. Для уменьшения френелевского отражения с обеих сторон активной среды наносится специальное покрытие толщиной λ/4 с согласованным показателем преломления, рис. 7.15.

Рисунок 7.15 − Полупроводниковый лазерный усилитель

Полупроводниковые лазерные усилители не получили широкого распространения, как усилители на примесном ОВ, поскольку: светоиз-

202

Г.Г. Червяков, В.В. Роздобудько

волны накачки, но прозрачны к длине волны сигнала. Затем сигнал попадает в катушку с волокном, легированным примесью из редкоземельных элементов (4).

Рисунок 7.17. Усилители на примесном волокне.

Длина такого участка волокна составляет несколько метров. Этот участок волокна подвергается сильному непрерывному излучению полупроводникового лазера (5), установленного с противоположенной стороны, с более короткой длиной волны накачки. Свет от лазера накачки - волна накачки (6) - возбуждает атомы примесей. Возбужденные состояния имеют большое время релаксации, чтобы спонтанно перейти в основное состояние. Однако при наличии слабого сигнала происходит индуцированный переход атомов примесей из возбужденного состояния в основное с излучением света на той же длине волны и с той же самой фазой, что и повлекший этот сигнал. Селективный разветвитель (7) перенаправляет усиленный полезный сигнал (8) в выходное ОВ (9). Дополнительный оптический изолятор на выходе (10) предотвращает попадание обратного рассеянного сигнала из выходного сегмента в активную область ОУ.

Активной средой ОУ является одномодовое ОВ, сердцевина которого легируется примесями редкоземельных элементов с целью создания трехуровневой атомной системы. Лазер накачки возбуждает электронную подсистему примесных атомов. В результате чего электроны с основного состояния (валентная зона) переходят в возбужденное состояние (зона проводимости). Далее происходит релаксация электронов (из зоны проводимости) на промежуточный уровень (примесный). Когда заселенность примесного уровня становится достаточно высокой (образуется инверсная заселенность), такая система способна индуцировано усиливать входной оптический сигнал в определенном диапазоне длин волн. Если же входной сигнал не нулевой, то происходит спонтанное излучение возбужденных атомов примесей, приводящее к шуму.

Особенности работы ОУ во многом зависят от типа примесей и от диапазона длин волн, в пределах которого он должен усиливать сиг-

204

Введение в радиооптику

нал. Наиболее широко распространены ОУ на кремниевом ОВ, легированном эрбием. Такие ОУ получили название EDFA. Межатомное взаимодействие приводит к уширению уровней, что обеспечивает ОУ широкую зону усиления сигнала [75].

Вокне прозрачности 1300 нм усиление можно осуществить при использовании в качестве примеси празеодимия, однако такие усилители не нашли большого распространения.

Вкоммерческих реализациях сегодня преобладают две разновидности ОУ EDFA с примесным ОВ: на кремниевой основе, и на фторцирконатной основе [73] (отличающиеся только заготовочным ОВ)

7.6 Применение оптических усилителей EDFA

Как было отмечено выше, потери мощности в линии чаще компенсируются оптическим усилением (ОУ) с помощью EDFA, при этом такое “прозрачное” усиление не привязано к битовой скорости сигнала, что позволяет передавать информацию на более высоких скоростях и наращивать пропускную способность до тех пор, пока не начнут влиять хроматическая и поляризационная модовая дисперсии. Усилители EDFA также способны усиливать многоканальный WDM сигнал, добавляя еще одно измерение в пропускную емкость. Хотя оптический сигнал, генерируемый исходным лазерным передатчиком, имеет вполне определенную поляризацию, все остальные узлы на пути следования оптического сигнала, включая оптический приемник, должны проявлять слабую зависимость своих параметров от направления поляризации.

Вэтом смысле ОУ EDFA, характеризуясь слабой поляризационной зависимостью коэффициента усиления, имеют ощутимое преимущество перед полупроводниковыми усилителями.

Вотличие от регенераторов (рис. 7.18, а), ОУ (рис. 7.18, б) вносят дополнительный шум, который необходимо учитывать. Поэтому, наряду

скоэффициентом усиления, одним из важных параметров EDFA является коэффициент шума.

205

Г.Г. Червяков, В.В. Роздобудько

б)

Рисунок 7.18 − Схема линий с компенсацией потерь

К техническим параметрам усилителей EDFA относятся: мощность насыщения, коэффициент усиления, мощность усиленного спонтанного излучения и шум-фактор. Здесь следует дополнить, что мощ-

ность насыщения Рoutsut, (saturation output power) − определяет максимальную выходную мощность усилителя. Большее значение мощности позво-

ляет увеличивать расстояние безретрансляционного участка. Этот параметр варьируется в зависимости от модели ОУ. У мощных EDFA он может превосходить 36 дБм (4 Вт).

Величина коэффициента усиления зависит от входной мощности и стремится к своему максимальному пределу по мере уменьшения мощности входного сигнала. Например, для лазеров EAU-200/350, выпускаемых IRE POLUSE-GROUP, предельное значение коэффициента усиления составляет 42 дБ (табл. 7.2).

Мощность усиленного спонтанного излучения ASE (amplified spontaneous emission) в отсутствии входного сигнала EDFA является источником спонтанного излучения фотонов. Спектр излучения зависит от формы энергетической зоны атомов эрбия и от статистического распределения заселенностей уровней зоны. Спонтанно образованные фотоны, распространяясь по ОВ в активной зоне усилителя EDFA, тиражируются, в результате чего создаются вторичные фотоны на той же длине волны, с той же фазой, поляризацией и направлением распространения. Результирующий спектр спонтанных фотонов называется усиленным спонтанным излучением (рис. 7.19).

Обычно усилители работают в режиме насыщения по отношению к сигналу на выходе. Это создает естественное выравнивание уровней сигналов в каналах, что крайне желательно, особенно для протяженных линий с большим числом последовательных усилителей.

Мощность выходного сигнала, (дБм)

Длина волны, нм

1500 1520 1540 1560 1580 1600

Рисунок 7.19 − Усиленное спонтанное излучение

206

Введение в радиооптику

Его мощность нормируется в расчете на 1 Гц и имеет размерность Вт/Гц. Если на вход усилителя подается сигнал от лазера, то определенная доля энергетических переходов, ранее работавшая на усиленное спонтанное излучение, начинает происходить под действием сигнала от лазера, усиливая входной сигнал. Таким образом, происходит не только усиление полезного входного сигнала, но и ослабление ASE.

Большие собственные временные постоянные EDFA − постоянная времени перехода в метастабильное состояние ~1 мкс, время жизни метастабильного состояния ~10 мкс [68] − устраняют кросс-модуляцию ASE в усилителе и делают более стабильной работу каскада оптических усилителей. Мощность усиленного спонтанного излучения связана с коэффициентом усиления формулой [69]

РASE = hν nsp(G – 1)/η,

где h − постоянная планка, равная 6,6252 10-34 Вт с2, ν − частота (Гц), соответствующая длине волны λ из диапазона 1530-1560 нм (ν = с/λ, с=2,9979 108 м/с – скорость света, nsp − коэффициент спонтанной эмиссии, η − квантовая эффективность. В идеальном случае nsp = η = 1 при G>> 1, отнесенная ко входу мощность усиленного спонтанного излучения идеального квантового усилителя РАSЕid/G просто равна hν, что при λ= 1550 нм составляет 1,28 10-19 Вт/Гц в расчете на спектральную полосу 1 Гц. Размеру окна анализатора в 0,8 нм соответствует спектральное окно в 100 ГГц, что определяет приведенную к входу величину эффективной мощности усиленного спонтанного излучения 1,28 10−8 Вт или −48,9 дБм).

Для примера в табл. 7.1 приведены технические характеристики двух промышленных моделей ОУ EDFA EAU-200 и EAU-350, выпускаемых институтом Радиоэлектроники РАН (г. Фрязино) совместно с зару-

бежными компаниями IPG Laser, IP Fibre Devices и IPC-группа IREPOLUS [71].

Шум-фактор NF (noise figure) определяется как отношение с/ш на входе (SNRin) к отношению с/ш на выходе (SNRout)

NF = (PSin/PNin)/(PSout/PNout) .

Важно отметить, что мощность шума на входе является кванто- во-ограниченной минимальной величиной и определяется нулевыми флуктуациями вакуума PNin = hν ∆η. Мощность шума на выходе состоит из суммы мощности усиленного спонтанного излучения ASE∆ν и мощности шума нулевых флуктуаций вакуума, которые проходят через усили-

тель без изменения: PNout = РASE∆ν + hν ∆η.

Немаловажным в ВОСС является и проблема коммутации и переключения каналов связи. В качестве примера приведем описание меха- но-оптического переключателя на поворотной линзе (последнее в настоящее время реализуемо на основе элементов микромеханики).

208

Г.Г. Червяков, В.В. Роздобудько

7.7 Устройства волнового уплотнения

Устройство волнового (спектрального) уплотнения WDM (WDM фильтр) выполняет функции мультиплексирования MUX (объединения) или демультиплексирования DEMUX (выделения или фильтрации) оптических сигналов разных длин волн (каналов) в одно ОВ из множества ОВ или из одного ОВ в несколько.

На передающей и приемной сторонах могут устанавливаться однотипные устройства, но работающие в режиме MUX и DEMUX соответственно.

Сам факт существования устройств WDM основан на свойстве ОВ пропускать множество каналов, которые распространяются по ОВ, не взаимодействуя между собой, рис. 7.21. Первые устройства WDM появились в начале 90-х годов. В основном это были широкозонные двухканальные системы с длинами волн 1310 нм и 1550 нм. В дальнейшем по мере освоения окна 1550 нм появились прецизионные узкозонные WDM устройства с мультиплексируемыми длинами волн, полностью лежащими в окне 1550 нм. Это позволяет строить протяженные магистрали с множеством каналов на ОВ.

Рисунок 7.21 − Схема оптического сегмента, использующего передачу мультиплексного сигнала по ОВ

Катализатором прогресса становятся оптические усилители FDFA. Практически вся рабочая область длин волн (pass-band), в которой FDFA имеет достаточно высокий коэффициент усиления и приемлемое отношение с/ш (1530 − 1560 нм), отводится в распоряжение систем

WDM.

Термин DWDM (dense wavelength division multiplexer) – плотное волновое мультиплексирование – используется по отношению к WDM устройствам с расстоянием между соседними каналами 1,6 нм и менее. Для построения многоканальных WDM систем наряду с пассивными WDM фильтрами также требуются узкополосные лазеры, стабильно выдерживающие нужную длину волны. Пока именно лазеры остаются наиболее дорогим элементом в таких системах, несколько сдерживая их раз-

210