Навчальна дисципліна	“ВОЛОКОННО-ОПТИЧНІ СИСТЕМИ ПЕРЕДАЧІ”
Змістовий модуль № 2	КОМПОНЕНТИ ВОЛОКОННО-ОПТИЧНИХ СИСТЕМ ПЕРЕДАЧІ.
Лекція № 13	ОПТИЧНІ ПІДСИЛЮВАЧІ.

ПЛАН ЛЕКЦІЇ

Навчальні питання:

1. Класифікація та призначення підсилювачів.

2. Напівпровідникові оптичні підсилювачі.

3. Волоконні підсилювачі на основі рідкоземельних елементів.

4. Оптичні підсилювачі на основі ефекту розсіювання.

Навчально-матеріальне забезпечення:

1. ПЕОМ, мультимедійний проектор.

2. Презентація у форматі PowerPoint.

Навчальна література:

1. Фриман Р. Волоконно-оптические системы связи. – М.: Техносфера, 2003. – 440 с.

2. Убайдуллаев Р.Р. Волоконно-оптические сети. – М.: ЭКО-ТРЕНДЗ, 2001. – 267 с.

1. Класифікація та призначення підсилювачів.

Основними обмежуючими факторами у ВОСП є загасання, дисперсія та нелінійні оптичні ефекти. У матеріалі даної лекції розглядаються пристрої – оптичні підсилювачі, що компенсують втрати оптичної потужності у ОВ, з’єднувачах, пасивних розгалужувачах і т. ін.

Оптичний підсилювач – пристрій, що забезпечує збільшення потужності оптичного випромінювання. Підсилення світла в оптичних системах здійснюється за рахунок енергії зовнішнього джерела. Основою підсилювача є активне фізичне середовище, у якій завдяки енергетичному підкачуванню збільшується потужність випромінювання. В якості активного середовища застосовуються напівпровідники та скловолокна з різними домішками, наприклад, рідкоземельними елементами (ербієм (Er), неодимом (Nd), празеодимом (Pr), тулієм (Tm)). Накачування цих середовищ здійснюється безперервно або імпульсами. При підсиленні може відбуватися перетворення спектра вхідного сигналу, тобто вихідний сигнал може бути зміщений за частотою. Класифікація різних видів оптичних підсилювачів приведена на рис. 1.

Рисунок 1. Класифікація оптичних підсилювачів.

До підсилювачів, що використовуються в ВОСП, висуваються низка вимог:

• високий коефіцієнт підсилення в заданому діапазоні оптичних частот;

• малі власні шуми;

• нечутливість до поляризації;

• добре узгодження з ВОЛЗ;

• мінімальні нелінійні та лінійні спотворення оптичних сигналів;

• великий динамічний діапазон вхідних сигналів;

• необхідне підсилення багаточастотних (багатохвильових) оптичних сигналів;

• тривалий термін служби;

• мінімальна вартість і т. ін.

Даним вимогам найбільшою мірою відповідають напівпровідникові та волоконні підсилювачі, які налаштовані на вікна прозорості скловолокна (≈0,85; 1,31; 1,55 мкм). Нелінійні підсилювачі поки набули незначного застосування у ВОСП. Однак для деяких перспективних методів передачі, наприклад, солітонних і багатохвильових, їхнє використання може виявитися ключовим. Напівпровідникові та волоконні підсилювачі застосовуються як підсилювачі потужності, що узгоджуються з оптичними передавачами, у якості попередніх підсилювачів перед фотоприймачами, а також – як проміжні станції в ЛТ ВОСП.

2. Напівпровідникові оптичні підсилювачі.

Напівпровідникові підсилювачі будуються в основному по 2-ох схемах: підсилювачі хвилі, що біжить, (ПБХ) у яких ефект оптичного підсилення спостерігається при поширенні вхідного випромінювання в інверсному середовищі активного шару з проясненими (не відбиваючими) торцями (рис. 2), і резонансні підсилювачі, у яких ефект підсилення і відсутність лазерної генерації забезпечується за рахунок того, що рівень постійного струму накачування в робочому режимі вибирається близьким, однак все-таки нижче граничного значення (рис. 3).

Рисунок 2. Підсилювач хвилі, що біжить, і його частотна характеристика.

Рисунок 3. Підсилювач резонансного типу і його частотна характеристика.

ПБХ можуть бути реалізовані з досить великим коефіцієнтом підсилення (≈30 дБ) широкою смугою (близько 5...10 ТГц). Для цього необхідно придушення можливого відбиття фотонів від торців (відбиття <0,1%). Це досягається в конструкціях підсилювачів, зображених на рис. 4. Резонансний підсилювач Ф-П має занадто вузьку смугу підсилення на рівні -3 дБ від максимального (<10 ГГц) і мало придатний для ВОСП. Співвідношення смуг частот підсилення для ПБХ і підсилювача Ф-П приведене на рис. 5. Придатні для ВОСП ПБХ мають різні коефіцієнти підсилення для подовжніх і поперечних мод (рис. 6). Тому підсилювачі виконуються з 2-ох кристалів з ортогональним розташуванням активних підсилюючих шарів. У табл. 1 приведені характеристики напівпровідникових підсилювачів. Приклад конструкції напівпровідникового підсилювача, сполученого з лазером передавача, приведений на рис. 7. Конструкція виконана на одній підкладці. Лазер відділений від підсилювача ізолюючим шаром FeIn, що прозорий для оптичного випромінювання.

Рисунок 4. ПБХ з активним шаром і придушенням відбитих променів.

Рисунок 5. Спектральні характеристики підсилення.

Рисунок 6. Підсилення для подовжніх і поперечних мод в ПБХ.

Рисунок 7. Схема структури з об’єднаним лазером і оптичним підсилювачем.

Таблиця 1.

Характеристики напівпровідникових підсилювачів.

Вікно прозорості	0,82-0,85 мкм		1,28-1,33 мкм		1,53-1,56 мкм
Хімічна сполука	AlGaAs/GaAs		InGaAsP/InP		AlGaAsPSb/GaSb
Призначення підсилювача	Попередній прийому	Потужності передавача	Попередній прийому	Потужності передавача	Попередній прийому	Потужності передавача
Величина підсилення, дБм	35-40	10-15	33	12-16	20-27	10-12
Смуга частот підсилення	200-250	200-250	60-90	60-90	30-50	30-50
Потужність накачки, мВТ	100-150	100-150	45-50	80-150	50-70	80-200
Споживана потужність, Вт	1,5	1,5	1,5	2,5	1,5	2,5