26. Волоконно-оптические усилители. Сигнальные параметры.

В основу работы ВОУ положен принцип стимулированного (вынужденного)излучения, аналогичный лазерному. Активной средой является отрезок кварцевого или фтор-цирконатноговолокна сердцевина которого легирована ионами редкоземельного элемента эрбияErили празеодимаPr.

Классификация по типу активного волокна. На практике используются две разновидности ВОУ, имеющие аналогичные конструкции, и отличающиеся только типом активного волокна. Усилители первого типа построены на основе кремниевого волокна (легированногопразеодимом для работы во втором, и эрбием – для работы в третьем окне прозрачности). Усилители второго типа используют фтор-цирконатное активное волокно.

Классификация по способам применения. В зависимости от применения, различают следующие виды усилителей: предварительные, линейные и усилители мощности.

Предварительные усилители (предусилители) устанавливают на входе ПРОМ прямого детектирования регенератора, что позволяет увеличить ОСШ на выходе электронной части. Такое построение приемного оборудования ВОСП позволяет избежать применения дорогостоящих когерентных (гетеродинных, гомодинных) приемных устройств .

Линейные усилители устанавливаются в линейном тракте ВОСП вместо традиционных оптоэлектронных ретрансляторов для компенсации ослабления сигнала в оптическом волокне или в других пассивных компонентах (разветвителях, мультиплексорах и др.). Линейные ВОУ позволяют увеличить длину участка регенерации в цифровых ВОСП и расширить зону обслуживания волоконно-оптической сети кабельного телевидения.

Усилители мощности устанавливаются непосредственно после лазерных ПОМ и обеспечивают дополнительное усиление сигнала до заданного уровня. Это повышает уровень сигнала на передаче, а значит и длину участка регенерации (усиления). В гибридных волоконно-коаксиальных системах кабельного ТВ усилитель мощности часто устанавливают перед оптическим разветветелем, что позволяет расширить зону обслуживания системы.

Основные нормируемые характеристики и параметры ВОУ можно разделить на шумовые и сигнальные.К сигнальным относят: рабочий диапазон усиливаемых длин волн ₁…_n, коэффициент усиления по мощности К_р и выходную мощность насыщения Р_нас.

Шумовые параметры включают: ОСШ на входе ОСШ_вх, выходе ОСШ_вых и самого ВОУ ОСШ_воу, коэффициент шумаК_ш и мощность УСИ Р_уси. Рассмотрим подробнее перечисленные параметры и характеристики.

Сигнальные параметры. Рабочий диапазон усиливаемых длин волн – это область спектра ₁…_n, внутри которой коэффициент усиления ВОУ снижается не более чем в два раза (на 3 дБ) по сравнению с максимальным коэффициентом усиления. Для второго и третьего окон прозрачности ОВ этот диапазон составляет 1275…1350 и 1530…1560 нм соответственно.

Коэффициент усиления по мощности К_ропределяется из соотношений

К_р = Р_свых/Р_свх или k_p= 10lg(Р_свых/Р_свх), дБ

где Р_свхи Р_свых – мощность сигнала на входе и выходе ВОУ соответственно. Величина коэффициента усиления ВОУ зависит от уровня: 1) входной оптической мощности и стремится к своему максимальному значению по мере снижения Р_свх (рис. 11.5,а); 2) мощности излучения накачки, рис. 11.5,б (длина активного ОВ равна 19,5 м, длина волны излучения накачки 1476 нм). Типичные значения k_р = 10…30 дБ (максимальное 42 дБ. Производители ВОУ также указывают величину неравномерности (в дБ) в рабочем диапазоне длин волн.

Выходная мощность насыщения Р_{вых нас}(Вт, дБм) определяет максимальную выходную мощность усилителя (нормируется только для усилителей мощности). Чем выше его значение, тем большую длину участка регенерации может обеспечить комбинация ПОМ-ВОУ при прочих равных условиях. Этот параметр зависит от модели и назначения ВОУ и может достигать 36 дБм (4 Вт).

Насыщение ВОУ наступает тогда, когда входной сигнал большой мощности приводит к уменьшению значенияК_р. В результате снижается мощность выходного сигнала. Причина этого явления заключается в уменьшении инверсии населенности уровней при большом входном оптическом сигнале, а чем меньше инверсия, тем меньше коэффициент усиления, рис. 11.6 (верхняя кривая). Мощность выходного излучения пропорциональна мощности накачки, рис. 11.7. Таким образом, уровень выходного сигнала ограничивается только введенной мощностью излучения источника накачки. Сильно насыщенный ВОУ может преобразовывать фотоны накачки в сигнальные фотоны с эффективностью, достигающей 90%.

На рис. 11.3 представлена структурная схема коммерческого экземпляра ВОУ серии НОА 7014/7017/7020, используемого в сетях кабельного ТВ. Здесь 1 – вход оптического сигнала; 2 – отрезки стандартного одномодового ОВ; 3 – оптический разветвитель 99/1%; 4 – контрольной ФД; 5 – блок контроля радиочастотного (информационного) сигнала; 6 – микропроцессор; 7 – оптический вентиль; 8 – устройство спектрального мультиплексирования; 9 – лазер накачки; 10 – активное волокно длиной 15…20 м; 11 – выход усиленного оптического сигнала; 12 – контроль параметров выходного радиочастотного сигнала; 13 – цепь дистанционного контроля и управления; 14 – автономный или дистанционный источник электропитания.