6.3. Інші характеристики ербієвих волоконних підсилювачів

У процесі підсилення оптичного сигналу відбувається збіднення населеності метастабільного рівня. Оскільки кількість електронів на цьому рівні розподілена рівномірно вздовж усієї активної ділянки волокна, збіднення наростає в міру просування оптичного сигналу вздовж волокна (лавинне збільшення фотонів близнюків). Іншими словами, середовище прагне перейти в стан насиченості, при якому ступені заселеності основного та метастабільного рівнів однакові. Швидкість та ступінь збіднення залежать від потужності оптичного сигналу, що поступає на вхід волокна, тобто від кількості фотонів, які переносяться оптичним сигналом.

Якщо кількість таких фотонів невелика у порівнянні з кількістю електронів, які знаходяться на метастабільному рівні, то це мало впливає на ступінь заселеності, оскільки кількість електронів, що переходять на основний рівень при вимушеному випромінюванні, швидко компенсується за рахунок випромінювання накачування. При цьому коефіцієнт підсилення ВОПмаксимальний. При збільшенні сигнальних фотонів компенсація електронів на метастабільному рівні поступово зменшується і при певній потужності випромінювання наступає насичення. При такій потужностіпрямує до одиниці, а при подальшому рості потужності він навіть стає менше одиниці.

Н

Рис. 6.3.1

а рисунку 6.3.1 наведена залежність вихідної потужності EDFA від потужності вхідного сигналу.

Як бачимо з графіка, вихідна потужність лінійно зростає при вхідних потужностях від –30 до – 10 дБм. На ділянці – 10, 0 дБм вихідна потужність збільшується нелінійно. І, нарешті на ділянці Б-Т вона практично залишається без змін (зона насичення). Коли вхідна потужність стає того самого порядку, що й вихідна потужність, крива іде вниз. Така залежність вихідної потужності від вхідної призводить до того, що при великих потужностях вхідного сигналу відбувається спотворення його форми (відомий ефект електронних підсилювачів).

Ця залежність отримана при нульовій частоті модуляції. Природно, що при підвищенні частоти (зменшується час активного впливу імпульсу на активне середовище) ситуація починає поліпшується. При цьому на надвисоких частотах вже практично немає різниці, в якому режимі працює підсилювач.

Іншим важливим параметром ВОП є коефіцієнт шуму. Ця величина визначається в основному спонтанним випромінюванням:

, (6.3.1)

де – потужність спонтанного випромінювання,– робоча частота (світлова),– ширина (частотна) оптичного спектра випромінювання.

До рівня шумів спонтанного випромінювання треба додати також залишкове випромінювання накачування та паразитне випромінювання, що зумовлене відбиваннями від торців підсилювача.

Отже, головними характеристиками ВОП є:

• діапазон довжин хвиль, які підсилюються або;

• коефіцієнт підсилення на лінійній ділянці (дБ);

• рівень вхідної потужності, при якій наступає насичення (дБм);

• коефіцієнт шуму (дБм);

• рівень потужності остаточного випромінювання накачування (дБм);

• рівень відбитої потужності на вході і на виході ВОП.

6.4. Схеми накачування ербієвого волокна воп

На рисунку 6.4.1 наведені найбільш розповсюджені схеми накачування ВОП.

Р

Рис. 6.4.1

исунок 6.4.1а демонструє варіант, коли випромінювання накачування від джерела 3 вводиться у вхідний торець ербієвого волокна 7 через мультиплексор 2. На інший вхід мультиплексора подається вхідний оптичний сигнал. Якщо обмежуватися лише цими пристроями, то внаслідок відбивання випромінювання від торців ЕВ створюється додатний обернений зв’язок та підсилювач може почати працювати як генератор. Для того, щоб виключити таку ситуацію, до схеми підсилювача вводяться елементи 1,4 – оптичні ізолятори. Недолік такої схеми полягає в тому, що на вихід підсилювача проходить і випромінювання джерела накачування. Така схема знаходить розповсюдження при застосуванні її на передавальному кінці системи для підсилення сигналу при вводі в лінійне ОВ. Якщо довжина хвилі накачування 980 нм, то таке випромінювання швидко затухає при розповсюдженні по лінійному оптичному волокну. Проте, якщо цього недостатньо, то на виході підсилювача іноді розміщують оптичні фільтри, які не пропускають випромінювання з цією довжиною хвилі.

На рисунку 6.4.1б випромінювання джерела накачування 3 вводиться через вихідний торець ЕВ за допомогою мультиплексора 2. Така схема використовується здебільшого на приймальному кінці лінії.

Для підвищення потужності випромінювання накачування це випромінювання може вводитися в обидва кінці ЕР від двох різних джерел накачування 3 і 9 (рис. 6.4.1в).

Для подальшого підвищення потужності випромінювання накачування використовують поляризаційні мультиплексори 10. Як відомо, випромінювання напівпровідникового лазера характеризується яскраво вираженим еліпсом. Отже, застосовуючи елементи типу пластинки , можна перетворити його на лінійне, тобто оптимально використовувати обидва ортогональних коливання.

У відповідності до розглянутих схем ВОП поділяються на три типи:

• підсилювачі потужності (BOOSTER) оптичного сигналу на вході лінії;

• передпідсилювачі, які вмикаються на приймальній стороні перед приймачем;

• проміжкові, або лінійні підсилювачі, які вмикаються на певній ділянці лінії.

У даний час лінійні підсилювачі часто поєднуються з компенсатором дисперсії. Лінійний підсилювач складається з передпідсилювача та підсилювача потужності. Між ними розташовується компенсатор дисперсії.

Для швидкісних ВОСП, в яких передача іде на одній довжині хвилі, нерівномірність характеристики підсилення в робочому діапазоні довжин хвиль має значення. Водночас для систем із багатохвильовим ущільненням (WDM) нерівномірність частотної характеристики не повинна перевищувати 1 дБ. Для вирівнювання частотної характеристики до схеми ВОП додаються вирівнювачі ЧХ-еквалайзери.

Існує декілька типів еквалайзерів. Найбільш розповсюдженні з них:

• у волокно втілюється решітка Брегга, період якої підбирається для відповідної довжини хвилі;

• інтерферометр Маха-Цандера (інтерферометр із двох У-розгалужувачів), який включається послідовно з ербієвим волокном. Застосування обох типів еквалайзерів дозволяє зменшити нерівномірність ЧХ до 0.5 дБ.

Сучасні EDFA, які працюють у діапазоні 1550-1565 нм, мають такі характеристики.

Підсилювачі потужності. Вихідна потужність до 10 Вт. Підсилювачі з домішкою іттербію – до 50 Вт. Проте для систем зв’язку така потужність непотрібна. Максимальна потужність, яка на сьогоднішній день вводиться до ВОЛЗ, дорівнює 1 Вт (+30 дБм). Коефіцієнт шуму бустерів знаходиться в межах 6-7 дБ.

Передпідсилювачі характеризуються великим коефіцієнтом підсилення та малим коефіцієнтом шуму. Рекордне значення коефіцієнта підсилення – 51 дБ – було отримане в ербієвому підсилювачі з довжиною ЕВ 22 м. Типове значення – 30-40 дБ при коефіцієнті шуму – 3-5 дБ.

Лінійні підсилювачі. В останні роки помітна тенденція до застосування дистанційної подачі випромінювання накачування до лінійного ВОП. У цьому випадку накачування здійснюється на довжині хвилі 1480 нм. Виявляється, що при такій накачці поріг потужності, при якому досягається інверсійна заселеність достатньо низький – менше ніж 10 мВт. Це створює сприятливі умови для дистанційної накачування EDFA, оскільки випромінювання на довжині хвилі 1480 нм характеризується не набагато більшим поглинанням, ніж на робочій довжині хвилі (близько 1550 нм). Накачування влаштовують так. Випромінювання на довжині хвилі1480 нм подається у зворотному напрямку із боку приймальної станції. Лінійний оптичний підсилювач з таким підживленням може бути розташований на відстані до 100 км від приймальної станції.

Розвиток систем ВОЛЗ із багатохвилевим ущільненням у напрямку збільшення кількості каналів, якими передається інформація, вимагає істотного розширення смуги пропускання ВОП. Існують розробки, в яких замість одного ВОП використовують паралельно ввімкнуті два ВОП, побудовані на основі легування волокна різними домішками. Наприклад, один із створених зразків має смугу пропускання 54 нм. Цей підсилювач працює у двох піддіапазонах 1530-1560 та 1580-1610 нм. Одне з волокон леговане, як і завжди, лише іонами ербію , а інше – ще й іонами тулію(додатково). Перше волокно забезпечує підсилення в першому діапазоні, друге – в другому. Відомий підсилювач, який теж підсилює у двох діапазонах і має смугу пропускання 113 нм. Перше волокно підсилює в діапазоні 1450-1480 нм. Це волокно леговане іонами. Друге підсилює в діапазоні 1530-1608 нм і леговане іонамита іонами телуриду.

Накачування цих підсилювачів здійснюється:

першого – на довжині хвилі 1047 нм (400 мВт);

другого – на довжині хвилі 1480 нм (160 мВт вперед та 100 мвт назад).