Методы стабилизации коэффициента усиления оптических усилителей

Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Кубанский государственный университет»

(ФГБОУ ВПО «КубГУ»)

Физико-технический факультет Кафедра оптоэлектроники

ДИПЛОМНАЯ РАБОТА

Методы стабилизации коэффициента усиления оптических усилителей

Специальность 210 401 — Физика и техника оптической связи

Работу выполнил Мельтьев А.Л.

Научный руководитель канд. физ.-мат. наук, доцент Л. Р. Григорьян Краснодар 2013

РЕФЕРАТ

Дипломная работа: 59 страниц, 20 рисунка, 4 таблицы, 21 источников.

Оптика, Усилитель, Волоконно-оптическая линия связи, Ретранслятор, Коэффициент усиления, Эрбий.

Объектом разработки данной дипломной работы являются оптические усилители, предназначение для усиления сигнала в составе волоконно-оптических линия связи, их характеристики и методы их оптимального функционирования.

Целью работы является исследование и анализ методов стабилизации коэффициента оптических усилителей.

В результате выполнения дипломной работы проведены анализ существующих методов стабилизации коэффициента усиления, их положительные и отрицательные стороны, выработаны критерии применения в различных аспектах использования.

СОДЕРЖАНИЕ

1. Ретрансляторы оптического сигнала

1.1 Повторители оптического сигнала

1.2 Оптические усилители

1.3 Сравнение характеристик повторитель и оптических усилителей сигнала

2. Оптические усилители сигнала

2.1. Основные параметры оптических усилителей

2.2. Полупроводниковые оптические усилители

2.3 Оптические усилители, использующие нелинейные явления

2.4 Оптические усилители, легированном редкоземельными элементами

2.5 Оптические усилители, легированные эрбием

3. Оптимальные параметры функционирования оптических усилителей

3.1 Каскадное усиление оптического сигнала

3.2 Фильтры выравнивания спектра усиления

3.3 Стабилизация уровня усиления оптического усилителя

3.3.1 Подавление избыточного усиления

3.3.2 Синхронизация остаточного излучения накачки

Заключение

Список используемых источников

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время оптоволоконные сети являются самым перспективным видом информационных сетей, что обусловлено множеством их преимуществ. В то время как одна из проблем коаксиальных кабелей — это их восприимчивость к электромагнитным полям, у оптоволоконных сетей такой недостаток отсутствует в принципе! А поэтому в современном мире именно оптоволокно является наилучшим способом передачи телекоммуникационных данных. Вид системы передачи с использованием оптического волокна называется волоконно-оптическая линия связи (ВОЛС). Высокая популярность ВОЛС обусловлена тем, что оптоволокно имеет массу преимуществ не только перед медным кабелем, но и перед витой парой. Среди них можно выделить такие, как широкая полоса пропускания (частота несущей составляет 1014 Гц, что позволяет увеличить поток информации, передаваемый по одному оптическому волокну, до нескольких терабит в секунду), малое затухание светового сигнала в волокне (0,2−0,3 дБ на длине волны 1,55 мкм в расчете на 1 км, что позволяет строить линии протяженностью до 100 км) и высокая защита от помех (диэлектрический материал, из которого изготавливается оптоволокно, делает его невосприимчивым к электромагнитным помехам)[1−3].

Современный уровень развития волоконно-оптических систем передачи (ВОСП) требует увеличения скоростей передачи информации (в диапазоне выше 1Гбит/сек) и увеличения длины ретрансляционных участков (в диапазоне выше 100км). Это вызывает необходимость поиска и разработки новых методов и устройств передачи информации в волоконно-оптических линиях связи (ВОЛС). Одним из наиболее перспективных методов является когерентный прием оптических сигналов, а одним из наиболее многообещающих элементов новых ВОЛС является волоконный оптический усилитель на основе волокон, легированных ионами редкоземельных элементов.

Однако, известно что с увеличением расстояния распространения оптического сигнала, происходит его как ослабление, так и уширения импульса, что требует применения специализированных устройств восстановления сигнала.

Так, в используемых в настоящее время трансатлантических линиях связи волоконные оптические усилители применяются для регенерации оптических сигналов со спектральным уплотнением. При этом широкая полоса усиления волоконного оптического усилителя позволяет проводить одновременную регенерацию до 10 каналов со спектральным уплотнением.

Использование оптического усиления является, по сути дела, единственным приемлемым способом регенерации оптического сигнала в системах с когерентным приемом. В отличие от традиционных опто-электронных регенераторов, при оптическом усилении происходит сохранение спектральных свойств исходного оптического сигнала, что весьма существенно для перспективных систем с когерентным приемом информации. Применение для этой цели оптических волоконных усилителей представляется наиболее перспективным в силу преимуществ, свойственных таким усилителям.

В настоящее время волоконные оптические усилители для работы в диапазоне 1,55мкм выпускаются промышленно. В то же время существует потребность в оптических усилителях для работы в диапазоне 1,3мкм, тогда как теория и практика таких усилителей развита гораздо меньше [5−6].

Преимущества волоконных оптических усилителей основаны на возможности целенаправленного применения оптических волоконных световодов для активного воздействия на параметры оптических сигналов, распространяющихся в световоде. Основная проблема при этом заключается в разработке специальных оптических волокон, сконструированных таким образом, чтобы обеспечить максимально эффективное целенаправленное изменение свойств сигналов, передаваемых по этому волокну.

К такому классу специальных оптических волокон относятся и волоконные оптические световоды, активированные ионами редкоземельных элементов, сочетающие в себе как волноводные свойства, присущие традиционным волоконным световодам, т. е. способность передавать оптические сигналы за счет полного внутреннего отражения излучения в сердцевине волокна, так и возможность активного воздействия на параметры этого оптического излучения за счет взаимодействия с активной усиливающей средой, образующей сердцевину волокна. Использование этих специальных оптических волокон в оптических системах передачи информации позволяет возложить на них часть функций, традиционно выполнявшихся электронными средствами — например, для усиления оптических сигналов, генерации мощных, коротких и сверхкоротких импульсов, в датчиках различных физических величин.

Передача цифровых сигналов в современных оптических системах передачи осуществляется в режиме уплотнения длин волн. Этот способ обеспечивает возможность повысить пропускную способность без повышения скорости передачи битов в отдельных каналах передачи. Это обеспечивает значительные преимущества по отношению к возникающим искажениям, обусловленным различным временем распространения (дисперсией), и позволяет применять более экономичные схемы передатчиков. Переналадки системы передачи или ошибки приводят к тому, что каналы должны подключаться и отключаться. Так как оптические усилители линии передачи обычно работают в режиме насыщения, то без принятия дополнительных мер отключение или подключение каналов приводило бы к изменению выходного уровня сигнала, передаваемого в активном канале.

Дипломная работы посвящена исследованию оптимальных параметров функционирования оптических усилителей EDFA.

1. Ретрансляторы оптического сигнала

оптоволоконная сеть сигнал усилитель Как известно, по мере распространения оптического сигнала происходит его ослабление, а также уширении импульсов из-за дисперсии. Любой из этих факторов может оказаться причиной ограничения максимальной длины без ретрансляционного участка волоконно-оптического сегмента. Если же максимальная допустимая длина между приемником и передатчиком превышена, то необходимо в промежуточных точках линии связи добавлять один или несколько ретрансляторов. В общем случае, ретранслятор выполняет функцию усиления оптического сигнала, и дополнительно (при цифровой передаче) может восстанавливать форму импульсов, уменьшать уровень шумов и устранять ошибки — такой ретранслятор называется регенератором. В качестве регенератов могут выступать как повторители сигнала, так и оптические усилители сигнала, имеющие как свои положительные, так отрицательные стороны применения[8−9].

1.1 Повторители оптического сигнала

Повторитель (электронно-оптический повторитель) сначала преобразует оптический сигнал в электрическую форму, усиливает, корректирует, а затем преобразовывает обратно в оптический сигнал, рис. 1. Можно представить повторитель как последовательно соединенные приемный и передающий оптические модули. Аналоговый повторитель, в основном, выполняет функцию усиления сигнала. При этом вместе с полезным сигналом усиливается также входной шум. Однако при цифровой передаче повторитель наряду с функцией усиления может выполнять функцию регенерации сигнала, свойственную цифровому оптическому приемнику. Обычно блок регенерации охватывает цепь принятия решения и таймер. Блок регенерации восстанавливает прямоугольную форму импульсов, устраняет шум, ре синхронизирует передачу так, чтобы выходные импульсы попадали в соответствующие таймслоты. Повторитель может и не содержать таймера и восстанавливать прямоугольную форму импульсов по определенному порогу, независимо от того, на какой скорости ведется передача. Такие «средонезависимые» повторители применяются в локальных сетях, где имеет место асинхронный режим передачи.

Рисунок 1 - Электронно-оптический повторитель сигнала Хотя повторители для цифровых линий связи могут быть независимыми от среды, большинство из них рассчитано на вполне определенный стандарт. В локальных сетях распространены повторители, преобразующие сигналы из многомодового (mm) в одномодовое (sm) волокно. Такие повторители получили название конвертеры. Широко распространены FDDI (100 Мбит/с), АТМ (155 Мбит/с), АТМ (622 Мбит/с) sm/mm конвертеры (рис2.).

Рисунок 2 - Оптический ретранслятор сигнала В таблице 1. Приведены типичные характеристики оптического повторителя сигналов.

Таблица 1-Типичные технические характеристики

1.2 Оптические усилители

Оптический усилитель (ОУ), в отличие от повторителя, не осуществляет оптоэлектронного преобразования, а сразу производит усиление оптического сигнала, рис. 3. Оптические усилители не способны в принципе производить регенерацию оптического сигнала. Они в равной степени усиливают как входной сигнал, так и шум. Кроме этого, вносится собственный шум в выходной оптический канал. Эти устройства обеспечивают внутреннее усиление оптического сигнала без его преобразования в электрическую форму. Они используют принцип индуцированного излучения, аналогично лазерам. Существует пять типов оптических усилителей.

Рисунок 3 — Оптический усилитель сигнала

1) Усилители Фабри перо. Усилители оснащаются плоским резонатором 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 де мультиплексоров, поскольку они могут всегда быть перестроены для усиления только одной определенной длины волны одного канала из входного многоканального WDM сигнала.

2) Усилители на волокне, использующие бриллюэновское рассеяние. Стимулированное бриллюэновское рассеяние — это нелинейный эффект, возникающий в кремниевом волокне, когда энергия от оптической волны на частоте, скажем, f, переходит в энергию новой волны на смещенной частоте f,. Если мощная накачка производится на частоте f, стимулированное бриллюэновское рассеяние способно усиливать слабый входной сигнал на частоте f,. Выходной сигнал сосредоточен в узком диапазоне, что позволяет выбирать канал с погрешностью 1,5 ГГц.

3) Усилители на волокне, использующие романовское рассеяние. Стимулированное романовское рассеяние — также нелинейный эффект, который подобно бриллюэновскому рассеянию может использоваться для преобразования части энергии из мощной волны накачки в слабую сигнальную волну. Однако, при романовском рассеянии частотный сдвиг между сигнальной волной и волной накачки ~К — f,) больше, а выходной спектральный диапазон усиления шире, что допускает усиление сразу нескольких каналов в WDM сигнале. Большие переходные помехи между усиливаемыми каналами представляют основную проблему при разработке таких усилителей.

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

5) Усилители на примесном волокне. Этот тип оптического усилителя наиболее широко распространен и является ключевым элементом в технологии полностью оптических сетей, поскольку он позволяет усиливать сигнал в широком спектральном диапазоне.

1.3 Сравнение характеристик повторитель и оптических усилителей сигнала

Сравнительные характеристики повторителя и оптического усилителя приведены в табл. 2. Концептуальная простота — один из притягивающих факторов ОУ. Простота конструкции, в которой преобладают пассивные компоненты, в конечном счете обещает низкую цену, так как число компонентов ОУ значительно меньше, чем у повторителя. На практике, однако, цена ОУ значительно выше, чем у повторителей. Но, по прогнозам специалистов, цена ОУ по мере увеличения рынка продаж будет падать. ОУ имеет более высокую надежность, чем повторитель. Это важное преимущество при создании ретрансляторов при прокладке подводного ВОК. ОУ не привязан к скорости передачи, в то время как повторитель обычно исполняется для работы на определенной скорости. Именно на эту скорость конфигурируется таймер повторителя.

Таблица 2 — Сравнительная характеристика повторителей и оптических усилителей

Повторитель работает с одним сигналом. 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 линии связи, на которой установлены ОУ, без добавления новых волокон.

2. Оптические усилители сигнала

2.1 Основные параметры оптических усилителей

Оптические усилители сигнала предназначены для усиления оптического сигнала за счет внутреннего усиление без промежуточного преобразования в электрическую форму [13−15].

Основные характеристики оптических усилителей:

*коэффициент усиления;

*уровень (коэффициент) шума;

*динамический диапазон;

*амплитудно-фазовую характеристику (АФХ);

*коэффициент усиления среды;

*мощность насыщения;

*усиленное спонтанное излучение (УСИ);

*чувствительность к поляризации сигнала;

*амплитудно-волновую характеристику (АВХ).

Рассмотрим подробнее эти параметры.

В общем случае коэффициент усиления оптического усилителя для одного сигнала на центральной частоте имеет вид:

(1)

гдеи) — мощности оптического сигнала на входе и выходе усилителя, измеренные на рабочей угловой частоте (или соответствующей длине волны) при малом уровне входного сигнала, гарантирующем отсутствие насыщения выходного сигнала.

Основным активным агентом оптических усилителей является фотон, следовательно, идеальный оптический усилитель с коэффициентом усиления K должен синфазно генерировать на выходе ровно Kфотонов на каждый фотон, попавший на его вход. То есть оптический усилитель должен пропорционально усиливать интенсивность входного оптического сигнала, оставляя его форму неизменной, независимо от его интенсивности, длины волны, состояния поляризации, формы отображаемой двоичной последовательности. Фактически же указанные факторы, а также ряд других факторов влияют на АФХ усилительной (или активной) средыили ее частотный спектр, а затем уже на АФХ собственно ОУ.

Практика показывает, что большинство оптических усилительных (активных) сред можно рассматривать как однородную распределенную двухуровневую среду, для которой коэффициент усиления среды на единицу длины может быть описан выражением вида:

(2)

где: — максимальное (вычисленное для малого входного сигнала значение коэффициента усиления), зависящее от мощности накачки; - разность частоты входного оптического сигнала и частоты квантового перехода электронов с верхнего уровня на нижний; - время релаксации диполей вещества активной среды; оптическая мощность входного сигнала; - мощность насыщения.

Аналогично электронным усилителям модуль усиления ОУ зависит от уровня входного сигнала. До определенного (малого) уровня входной мощности усиление практически постоянно, зятем оно начинает экспоненциально падать (рис. 4) с ростом уровня входной мощности. Этот «падающий» участок характеристики является областью насыщения усилителя и объясняется уменьшением коэффициента размножения, вызванным возрастающим с ростом входного сигнала дефицитом частиц, которые способны генерировать вторичные фотоны, на том уровне, где создается инверсия населенности. Эта область численно характеризуется мощностью насыщения на выходе усилителя, определяемой по выходной характеристике на уровне -3 дБм, при котором коэффициент усиления средыпадает в два раза.

Рисунок 4 -Зависимость коэффициента усиления от выходной мощности и определение мощности насыщения Амплитудно-фазовая характеристика ОУ зависит от ряда специфических для ОУ параметров, влияние основных из них оценены ниже.

Рисунок 5 - Вид нормированных АФХ коэффициентов усиления среды и ОУ в целом

Влияние насыщения на АФХобусловлено третьим слагаемым ввыражении (2), которое может приводить к существенному снижению усиления среды в целом, даже в области, казалось бы, далекой от насыщения. Являясь ограничительным фактором, насыщение может играть и регулирующую роль в стабилизации общего коэффициента усиления при каскадном соединении многих усилителей в линии связи, что имеет место, например, на трансокеанских линиях связи. Также, из выражения (2) видно, что АФХ определяется двумя слагаемыми в знаменателе. Если принимать во внимание зависимость от частоты только второго слагаемого, то грубо, в первом приближении, ее можно аппроксимировать профилем Лоренца (рис. 4). Тогда, используя его, можно получить, что полная ширина спектра на уровне половины от максимума (FWHM) обратно пропорциональна:

Мощность усиливаемого оптического сигнала зависит от длины участка среды L от точки входа потока сигнала в усилитель до его выхода. Учитывая это, АФХ усилителя при условии постоянного коэффициента усиления средыбудет иметь вид (3):

(3)

Учитывая экспоненциальный характер этой зависимости, можно констатировать, что спектрусилителя будет существенно уже спектра среды, что и видно на рис. 5, где приведены нормированные характеристики и в зависимости от расстройки.

Еще одним ограничивающим коэффициент усиления G фактором является чувствительность усиления ОУ к поляризации усиливаемого сигнала, когда усиление может меняться, и иногда значительно, в зависимости от поляризации. Ситуация ухудшается в ВОЛС, учитывая, что в них состояние поляризации сигнала не только не контролируется, но в волокне, даже одномодовом, может хаотически меняться под действием случайных изменений формы сердцевины и анизотропии, вызванной статическим напряжением отрезка оптоволокна (эффекты, известные, применительно к одномодовому ОВ, как модовое двойное лучепреломление). Аналогично страдают и системы с WDM, в которых степень поляризации входных сигналов может быть различной.

Изменение поляризации приводит к паразитной амплитудной модуляции (ПАМ) усиления, которая может носить периодический характер (как, например, для усилителей бегущей волны). Степень такой чувствительности зависит от типа ОУ.

Динамический диапазон определяется как диапазон входной мощности оптического сигнала, при котором коэффициент усиления G остается постоянным. Он тесно связан с другим параметром — коэффициентом шума, зависящим от уровня усиленного спонтанного излучения, остаточного сигнала накачки и перекрестной помехи, которые кратко рассмотрены ниже.

Оптические усилители добавляют шум к усиливаему оптическому сигналу. Этот шум обусловлен усиленным спонтанным излучением. Оно возникает под действием случайных возмущающих факторов различной физической природы, вызывающих спонтанное излучение, например нагрева усилителя (тепловые фотоны), а также за счет наличия рассеянных фотонов. Шум приводит не только к уменьшению динамического диапазона, но и к снижению максимально допустимого усиления. Уменьшение динамического диапазона обычно характеризуется известным параметром F — коэффициентом шума. Оценка этого параметра оптических усилителей осуществляется на «электрическом уровне» путем преобразования оптического сигнала в электрический с помощью фотодетектора. Для уменьшения коэффициента шума, вызванного УСИ, сигнал на выходе ОУ фильтруют с помощью полосового оптического фильтра — ПОФ.

Существует и еще один специфический источник шума в усилителях с накачкой — остаточный сигнал накачки на выходе усилителя, влияние которого (напередатчик или детектор в системе связи) может быть уменьшено как с помощью фильтра на выходе ОУ, так и путем соответствующего выбора частоты источника накачки. Этот вид помех характерен для многоканальных усилителей в системах WDM. Он проявляется как паразитные амплитудная или частотная модуляции сигнала одного канала другими сигналами.

Рассмотрим более подробно основные типы оптических усилителей.

2.2 Полупроводниковые оптические усилители

Полупроводниковые ОУ (ППОУ) основаны на использовании возбуждаемой эмиссии, возникающей благодаря взаимодействию фотонов входного возбуждающего излучения с электронами на возбужденном уровне в зоне проводимости — аналогично описанному выше.

Полупроводник можно рассматривать при этом как идеально простую систему с двумя неперекрывающимися энергетическими уровнями: нижним (релаксационным) — валентная зона и верхним (возбужденным) — зона проводимости, разделенными определенным зазором — потенциальным барьером. Как и в общем случае, оптическое усиление возможно при условии создания определенного уровня инверсии населенности (здесь избытка электронов в зоне проводимости) за счет накачки, роль которой играет инжекция тока в полупроводник. Однако при этом энергия основной массы электронов еще недостаточна для преодоления потенциального барьера между зонами. Дня этого требуется дополнительная энергия возбуждения. Входной сигнал — источник первичных фотонов — и служит таким источником возбуждения, энергия которого должна быть достаточна, чтобы сбросить электроны с верхнего уровня на нижний, где электрон и дырка рекомбинируют, вызывая появление вторичных фотонов. Если один первичный фотон вызывает эмиссию K вторичных фотонов, возникает K-кратное оптическое усиление.

Существуют два типа ППОУ:

· подпороговые усилители;

· надпороговые усилители.

Подпороговые усилители — это лазеры, работающие в режиме ниже порога генерации излучения. Надпороговые усилители (или усилители с фиксированным усилением) — напротив — лазеры, работающие в режиме выше порога генерации излучения. Первый тип ОУ может также отличаться отсутствием или наличием обратной связи (ОС), обеспечивающей многократную процедуру усиления. Если усиление осуществляется за один проход (ОС отсутствует), то ОУ называется усилителем бегущей волны (УБВ). На входном и выходном торцах такого усилителя (полупроводникового блока длиной L) формируются грани с антиотражающим покрытием (рис. 6), чтобы минимизировать отраженный луч, приводящий к колебательности АВХ. Это позволяет поддерживать ее неравномерность на уровне порядка 1 дБ.

Рисунок 6- Усилители бегущей волны В многопроходных усилителях, наоборот, применяется оптическая обратная связь ООС, для создания которой используется оптический резонатор. Им может быть, например, плоский линейный резонатор Фабри-Перо — пара параллельных полупрозрачных зеркал, закрепляемых на входе и выходе усилителя, между которыми в процессе многократного отражения оптической волны и происходит усиление интенсивности оптического сигнала (за счет преобразования энергии накачки в энергию сигнала) до величины, достаточной для выхода оптического луча за пределы резонатора (рис. 7). Такой ОУ называется усилителем (с резонатором) Фабри-Перо — УФП (FPA).

Рисунок 7 — Усилители Фабри-Перо Отличительной особенностью указанных типов ОУ является то, что УБВ имеет непрерывную АВХ с достаточно большим плоским участком (порядка 60−100 нм на уровнеЗдБ), тогда как АВХ для УФП имеет вид, характерный для оптического гребенчатого фильтра с узкими пиками импульсного усиления и постоянным шагом пиков гребенки, обусловленным наличием у резонансной системы ряда продольных мод с равномерным пространственным распределением. Для широкополосных оптических систем плоская АВХ более предпочтительна, чем гребенчатая, которая к тому же чувствительна к изменению характеристик оптической системы в целом.

Второй тип ОУ основан на использовании нормального (лазерного) режима функционирования, когда поддерживается постоянное усиление, необходимое для генерации основной излучаемой моды. В этих условиях могут быть без искажения усилены и нужные нам сигналы, если их частоты достаточно далеки от частоты указанной моды.

Различают два типа лазеров, генерирующих одну продольную моду, которые могут играть роль такого ОУ:

· лазеры с распределенной обратной связью — ЛРОС;

· лазеры с распределенным отражателем Брэгга — ЛРОБ.

Усиление у таких лазеров в режиме ОУ осуществляется на частотах, отличных от резонансной, и оказывается возможным благодаря тому, что АВХ лазера имеет достаточно большое усиление на широком, непрерывном и гладком пьедестале, который обычно симметричен относительно резонансного пика генерируемой продольной моды. Такие усилители легко могут обеспечить усиление 10−15 дБ и отличаются пониженным значением переходной помехи при использовании в многоканальном режиме.

Основными характеристиками ППОУ, как и любого усилителя, являются:

· коэффициент усиления;

· уровень шумов;

· динамический диапазон;

· неравномерность АВХ.

Коэффициент усиления ППОУ представляет собой экспоненциальную, характерную для систем с насыщением функцию, зависящую от длины усилителя и коэффициента усиления материала полупроводника. Ширина полосы АВХ для коэффициента усиления материала g₀, как уже отмечалось выше, оказывается существенно большей, чем для G₀. Эта особенность еще больше усиливается для многопроходных усилителей типа УФП. В целом ширина полосы для УБВ оказывается на три порядка шире, чем для УФП.

Реализуемые коэффициенты усиления составляют для УБВ -15 дБ (волна ТМ) или 22 дБ (волна ТЕ); для УФП -22−25 дБ. Максимум коэффициента усиления зависит от величины тока через полупроводник и лежит в диапазоне 1520 — 1460 нм, смещаясь в сторону меньших длин волн при большей величине тока.

Динамический диапазон без учета шума ППОУ может достигать 35−45 дБ. ППОУ, как и любой ОУ, добавляет шум за счет УСИ к усиливаемуоптическому сигналу. Шум приводит не только к уменьшению динамического диапазона, но и к снижению максимально допустимого усиления. Например, если уровень мощности шума составляет около 20 дБ, а уровень усиления сигнала на его фоне — 25 дБ, то динамический диапазон, который мог бы в отсутствие шума составить 45 дБ, уменьшается при наличии шума до величины 25 дБ.

Учитывая, что кодовые последовательности, передаваемые по цифровым сетям связи, приводят к необходимости передачи импульсов, усилитель должен быть импульсным. Импульсы, передаваемые по сети, являются фактически импульсами лазерных диодов и имеют, как правило, симметричную гауссовскую форму. Импульсные усилители могут искажать форму этих импульсов, если ширина импульса t_и меньше времени жизни носителей заряда в полупроводнике t_н. Это искажение приводит к асимметрии импульсов — передний фронт становится круче, задний положе. Это явление проявляется тем больше, чем ближе коэффициент усиления к величине, соответствующей насыщению. Если в этих условиях передается последовательность коротких импульсов, соответствующая определенной структуре двоичной последовательности, то эта структура может искажаться. Если же t_и соизмеримо с t_н, то импульс может уширяться, и тем больше, чем ближе усиление к насыщению. Искажения формы импульсов может быть также обусловлено возникновением ФСМ и ФКМ.

При многоканальном усилении, имеющем место в системах с WDМ, может проявляться еще один вид искажений — комбинационные гармоники, возникающие из-за перекрестной модуляции (ПКМ) и четырехволнового смешения (ЧВС). ПКМ может проявляться либо в виде амплитудной кросс-модуляции (АКМ), которая приводит к симметричному уширению спектра импульса, либо в виде уже упоминавшейся ФКМ, которая приводит к асимметричному спектральному уширению импульса. Если, например, используются только две частоты f₁ и f₂, то как минимум при ПКМ возникают гармоники f₁±f₂, а при ЧВС — гармоники 2f₁-f₂ и 2f₂-f₁. Наличие гармоник приводит не только к нелинейным искажениям, но и к тому, что насыщение происходит при меньшем уровне усиливаемого сигнала, а сам сигнал дополнительно случайно флуктуирует в зависимости от характера последовательности бит. Причем наибольшее влияние оказывает ЧВС.

Если, например, одновременно усиливаются сигналы с длинами волн 1310 нм и 1550 нм, то ЧВС приводит к появлению составляющих 1134 нм и 1917 нм, которые могут оказать влияние только тогда, когда они лежат в полосе пропускания усилителя, что в данном случае маловероятно. Если же усиливаются четыре сигнала и больше в полосе 1450−1600 нм с разделением по длинам волн порядка 50 нм и меньше, то уже, например, ЧВС сигналов 1500 нм и 1550 нм дают составляющую 1449 нм, лежащую в полосе пропускания усилителя.

ППОУ могут быть использованы по крайней мере в трех различных классах синхронных оптических систем:

· усилителях;

· компенсаторах дисперсии;

· оптических коммутаторах.

Как усилители (т.е. по основному назначению) ППОУ могут быть использованы в качестве предусилителей перед детектированием оптического сигнала, а также в качестве усилителей мощности в линейных системах для компенсации распределенных потерь в линии, позволяющих увеличить длину регенерационного участка. ППОУ могут быть интегрированы вместе с полупроводниковым лазером для создания эффективного источника в когерентных оптических системах. ППОУ могут быть использованы как компенсаторы дисперсии в ОВ, учитывая то, что они даже в одноканальном варианте вызывают увеличение крутизны переднего и уменьшение крутизны заднего фронтов импульсов (эффект, характерный для ЛЧМ), а в многоканальном варианте к нему прибавляется эффект ФКМ. Если использовать ЧВС в ППОУ для частотной конверсии спектра, приводящей к инвертированию порядка следования частотных составляющих импульса, т. е. фактически к изменению знака дисперсии, то можно компенсировать дисперсию на последующем участке с ОВ. ППОУ могут быть использованы в качестве оптических коммутаторов для пространственной коммутации или разделения по длинам волн.

2.3 Оптические усилители, использующие нелинейные явления

В оптических системах, использующих волоконно-оптический кабель, для усиления сигналов можно использовать нелинейные явления в оптическом волокне, такие, как ВКР или эффект Рамана, ВРМБ и параметрическое усиление.

Оптический световод, как и любой диэлектрик, демонстрирует нелинейное поведение в сильном электромагнитном поле. Такие поля образуются даже при использовании относительно маломощных источников излучения за счет большой плотности мощности, реализуемой в силу малого поперечного сечения одномодового кабеля (порядка 5*10^-11 м²).

Ситуация усугубляется в системах с оптическими усилителями, используемых для обеспечения большой длины регенерационного участка, а также в высоко-плотных системах с разделением по длинам волн, где используются источники интенсивного лазерного излучения. Наиболее явно проявляются нелинейные эффекты низших порядков:

· нелинейное преломление — явление, при котором показатель преломления зависит от интенсивности электрического поляЕ;

· вынужденное неупругое рассеяние — явление, при котором оптическая волна передает часть своей энергии нелинейной среде в результате взаимодействия с молекулами;

· модуляционная неустойчивость — явление модуляции стационарного волнового состояния под действием нелинейных и дисперсионных эффектов;

· параметрические процессы — явления, вызванные взаимодействием оптических волн с электронами внешних оболочек (четырехволновое смешение ЧВС, генерация гармоник и параметрическое усиление).

Показатель преломления оптической среды не только зависит от частоты (этот факт рассматривается в рамках линейной теории), но и от интенсивности света I, или квадрата напряженности электрического поляЕ:

(4)

где: — линейная часть, описываемая уравнением Селлмейера и зависящая от частоты,

— нелинейная составляющая показателя преломления, зависящая от электрического поля.

Нелинейная составляющая n₂ может быть выражена следующим уравнением:

(5)

где: — коэффициент нелинейности показателя преломления, — составляющая нелинейной диэлектрической восприимчивости 3-го порядка (является компонентой (1111) тензора 4-го порядка.

Зависимость n от|Е|² приводит к таким нелинейным эффектам, как фазовая самомодуляция (ФСМ) и фазовая кросс-модуляция (ФКМ):

· ФСМ обусловлена нелинейным набегом фазы, который оптическое поле приобретает при распространении в световоде, причем набег фазы увеличивается с увеличением длины распространения z, приводя к симметричному спектральному уширению коротких импульсов;

· ФКМ обусловлена набегом фазы, наведенным электрическим полем источника, излучающего на другой длине волны; эта волна распространяется совместно с исходной и вызывает асимметричное спектральное уширение совместно распространяющихся импульсов.

Изменение фазы при появлении ФСМ вызывает паразитную частотную модуляцию (ПЧМ) импульса, глубина которой растет с ростом z, что и объясняет уширение спектра импульса. Этот спектр имеет обычно осциллирующий характер и зависит от формы импульса и его начальной паразитной частотной модуляции (ПЧМ), которая наблюдается у многих источников излучения. Если на ФСМ накладывается ДГС, то для волокна с положительной дисперсией ее влияние обычное и сводится к уширению спектра и расплыванию импульса со временем. Если же дисперсия волокна отрицательна, то ее влияние необычное — гауссовский импульс несколько расширяется, затем стабилизируется, а спектр импульса сужается. Если же импульс имеет форму гиперболического секанса (близок к гауссовскому), то в отсутствие начальной ПЧМ импульс ведет себя как солитон — ни форма, ни спектр импульса не изменяются при распространении.

Таким образом, совместное действие ФСМ и ДГС в световоде в области отрицательных дисперсий является одной из основных причин, которая объясняет существование оптических солитонов.

Явление вынужденного неупругого рассеяния, в отличие от упругого взаимодействия (изучаемого в линейной теории), обусловлено неупругим взаимодействием, при котором оптическое поле передает часть своей энергии нелинейной среде. С ним связаны два явления:

· вынужденное рамановское/комбинационное рассеяние (ВКР)

· вынужденное рассеяние Мандельштама-Бриллюэна (ВРМБ)

Квантовый механизм рассеяния состоит в том, что фотон падающего пучка (например пучка лазерной накачки оптического усилителя) распадается на фотон меньшей (комбинационной или разностной) частоты и фонон. Если принять, что _{c и нак — частоты сигнала и накачки, то это происходит по схеме: нак-с=р. Излучение разностной частоты р называется стоксовой волной. Для ВКР стоксовая волна может распространяться в обоих направлениях, но преимущественно распространяется по направлению падающего пучка, для ВРБМ — в противоположном направлении.}

Оба эти явления носят пороговый характер, но имеют и существенные различия: одно наблюдается при мощностях накачки порядка 1 Вт (ВКР), другоепорядка 10 МВт (ВРМБ). Важной особенностью этих явлений является то, что их интенсивность в волоконных световодах может увеличиваться на много порядков (до 10⁹ раз на длине волны 1550 нм при затухании 0,2 дБ/км), создавая возможность для оптического усиления.

Благодаря этому оба эти явления используются в оптических усилителях, имеющих одноименные названия:

· ВКР-усилители (или рамановские, или комбинационные усилители)

· ВРМБ-усилители

Явление ВРМБ стало предметом более пристального изучения в последнее время в связи с значительным усовершенствованием систем передачи с одной несущей и достижением близких к предельным показателей по длине пролета (участка перекрытия — аврал), за счет использования все более мощных лазерных источников излучения, а также показателей по скорости передаваемого сигнала, за счет увеличения разрешающей способности (степени монохроматичности) лазерного сигнала. В обоих случаях происходит увеличение плотности потока световой энергии, приводящее к усилению нелинейных эффектов, которые в первую очередь проявляются через ВРБМ, учитывая, что оно имеет самый низкий порог возникновения. Возникнув, ВРБМ само приводит, при определенных уровнях излучения накачки, к возникновению пороговых явлений, ограничивающих мощность полезного распространяющегося сигнала.

Физическая суть явления такова. Фонон, рождаемый в схеме процесса, возбуждает акустические волны, распространяющиеся в том же направлении, но со значительно меньшей скоростью 5 км/с за счет эффекта электрострикции (основная волна распространяется в ОМ ОВ с фазовой скоростью порядка 204 000 км/с). Они создают пространственные колебания плотности в волокне (сгустки и разрежения), приводя к локальному изменению показателя преломления — эффекту фотоупругости. Фотон, также рождаемый в схеме этого процесса, формирует стоксовую волну, которая распространяется в обратном направлении и называется волной обратного рассеяния. Ее интенсивность тем выше, чем больше эффект фотоупругости, а он, в свою очередь, тем больше, чем выше уровень накачки. При некотором его уровне, называемом пороговым уровнем ВРБМ, начинает резко увеличивается интенсивность волны обратного рассеяния, что ухудшает эффективность передачи основного сигнала. При дальнейшем увеличении подаваемого в ОВ сигнала интенсивность основного сигнала перестает расти и даже начинает падать.

Итак, очевидно, что ВРБМ приводит к двум эффектам:

· установлению верхней границы оптической мощности, эффективно используемой системой (увеличение длины перекрытия, например, за счет увеличения мощности источника сигнала оказывается ограниченным величиной порогового уровня ВРБМ)

· ухудшению качества основного сигнала за счет взаимодействия основной волны с волной обратного рассеяния, а также с волной двойного обратного рассеяния, возникающей за счет отражения волны обратного рассеяния.

Пороговый уровень ВРБМ зависит от ряда факторов:

· ширины линии лазерного источника (чем она шире, тем пороговый уровень выше)

· эффективной площади поперечного сечения ОВ (чем он больше, тем лучше)

· длины ОВ (при длине до 10 км проблем с ВРБМ не возникает)

· технологии модуляции сигнала (лазерный источник с прямой модуляцией имеет ширину порядка 1 ГГц, а с внешней модуляцией — 1МГц).

Явление ВКР можно использовать для усиления оптического сигнала, если он распространяется вместе с интенсивной волной накачки и его длина волны лежит в полосе комбинационного усиления. Эти усилители также называют комбинационными или рамановскими усилителями. Для случая, когда интенсивность сигнала I_{c меньше интенсивности накачки Iнак, усиление определяется следующим выражением:}

(6)

где — мощность накачки; и — эффективные длина и площадь поперечного сечения ОВ, а — эквивалентная крутизна усиления оптического усилителя (обычно порядка 10^-13 м/Вт).

Типичными параметрами являются мощность накачки 1 Вт, коэффициент усиления порядка 30 дБм (1000 раз). Мощность насыщения Р_{н ВКР-усилителей значительно больше, чем ППОУ (1Вт против 1 мВт), причем накачка может быть как попутная, так и встречная. 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 ТТц) и годится для усиления сигналов в схемах с WDM и усиления коротких импульсов (пикосекундного диапазона).}

Явление ВРМБ также может быть использовано для усиления оптического сигнала. Однако ширина полосы такого усиления значительно меньше, чем у ВКР-усилителей (десятки мегагерц против терагерц). Кроме того, частота накачки должна отличаться от частоты усиливаемого сигнала на малую величину (< 100 МГц), что делает их непригодными для усиления сигналов в схемах с WDM. Формула для коэффициента усиления аналогична, с той только разницей, что Р_{нак и мощность насыщения усилителя Рн составляют около 1 мВт.}

Параметрическое усиление основано на использовании явления, называемого частично вырожденным четырехволновым смешением ЧВЧВС. Стоксовая и антистоксовая компоненты при этом называются сигнальной и холостой волнами.

При точном синхронизме и gL>> 1, где g — коэффициент параметрического усиления, в области, далекой от насыщения, а также в случае вырождения по накачке, когда существует только одна частота накачки, формула для коэффициента усиления параметрического усилителя, полученного за один проход, имеет вид:

где — среднее значение коэффициента нелинейности, — длина световода.

Грубая оценка ширины полосы усиления дает величину порядка 100 ГГц. Эта величина является промежуточной между аналогичными величинами ВКР-усилителей и ВРМБ-усилителей.

Параметрический усилитель имеет ряд специфических недостатков:

· требует точного соблюдения фазового синхронизма;

· жесткого контроля длины световода;

· учет положения и уровня усиления холостой волны;

· учет истощения накачки и уширения ее спектра, приводящих к уменьшению параметрического усиления и др.

Эксперименты с такими усилителями показывают возможность достижения больших коэффициентов усиления 38−46 дБм, однако требуют большой мощности накачки (30−70 Вт) и спецсредств для поддержания синхронизма. Все это не позволяет (по крайней мере сегодня) использовать такие усилители в синхронных системах связи.

2.4 Оптические усилители, легированном редкоземельными элементами

Оптические усилители, использующие в качестве активного материала редкоземельные элементы РЗЭ (или лантаниды — элементы с 57 по 71 в Периодической таблицы Менделеева), были известны достаточно давно, однако активное исследование этого типа усилителей началось только с конца 80-х (1987) и активизировалость с появлением высококачественного ОВ и систем WDM [16−20].

Объяснение принципа работы таких усилителей базируется на следующем. В процессе изготовления основной материал (в нашем случае стекло ОВ) легируется (т.е. к нему добавляются примеси) редкоземельными металлами. Их ионы создают активную среду для усиления в определенных полосах длин волн, соответствующих полосам поглощения легирующего материала. Примесные ионы могут быть легко возбуждены излучением лазерной накачки соответствующих длин волн, а затем относительно легко могут (под действием принятого информационного светового сигнала) сбросить возбужденные электроны на нижний уровень в процессе релаксации.

Этот процесс может не укладываться в двухуровневую модель взаимодействия, принятую ранее в качестве основной, так как он может проходить как без излучения, так и с излучением фотонов. В первом случае создаются фононы (энергия перехода вызывает акустические колебания окружающего материала среды). Во-втором, происходит возбуждение фотонов. Причем переход с возбужденного уровня ионов на уровень релаксации происходит через промежуточный метастабильный уровень, обусловленный верхним уровнем лазерной накачки. Таким образом, модель взаимодействия становится трехуровневой. В любом случае для нормального взаимодействия энергия падающего фотона в потоке сигнала должна быть равна разности энергий возбужденного уровня и уровня релаксации.

Для легирования с целью последующего усиления до недавнего времени использовали, как правило, только три РЗЭ:

· неодим (Nd) и празеодим (Pr) — для усиления сигналов в окне 1300 нм

· эрбий (Er) — для усиления сигналов в окне 1550 нм В последнее время к ним добавился иттербий (Yb), применяемый совместно с Er для расширения спектра поглощения в области 700−1100 нм, что позволяет использовать новые более мощные источники накачки. Спектры поглощения этих металлов позволяют определить длины волн возможных источников накачки. Ими могут быть известные типы лазеров, генерирующих длины волн 797 нм и 1053 нм.

Из указанных первых двух РЗЭ оптический усилитель на ОВ, легированном неодимом ОУЛН (NDFA), работает на длине волны порядка 1340 нм и едва ли может быть использован для получения существенного усиления на рабочей длине волны систем связи 1310 нм. Более удачным в этом плане можно считать оптический усилитель на 0 В, легированном празеодимом ОУЛП (PDFА). Основными особенностями усилителей этого диапазона является то, что материалом для легирования обычно является флюоритовое, а не кварцевое стекло, а также низкая эффективность накачки (не выше 4 дБм/мВт). Опытные результаты дают усиление около 34 дБм при мощности насыщения порядка 200 мВт.

Таким усилителем является оптический усилитель на ОВ, легированном эрбием ОУЛЭ (EDFА). Этот тип усилителя использует кварцевое стекло в качестве материала для легирования эрбием. Ионы эрбия имеют пики поглощения в районе длин волн 532,660,808, 980 и 1480 нм. Из этого следует, что источником накачки могут служить известные типы лазеров с длинами волн 797/800, 980 и 1480 нм. Из них лазеры на 800 и 980 нм соответствуют трехуровневой модели взаимодействия, а на 1480 нм — двухуровневой модели, причем более эффективно использовать лазер на 980 нм. Эти лазеры используются достаточно широко, учитывая их возможность (благодаря трехуровневой модели взаимодействия) реализовать очень низкий уровень шумов (порядка 3−5 дБ). Однако лазеры на 1480 нм, хотя и являются менее эффективными (70% от эффективности лазеров на 980 нм), считаются более предпочтительными (как более надежные), позволяющими вместе с тем реализовать достаточно низкий уровень шума (порядка 5 дБ).

При использовании иттербия в качестве дополнительного легирующего элемента для ЕDFА можно воспользоваться лазерными диодами накачки, работающими на длине волны 1053 нм (так называемые DPSS-лазеры). Их использование позволяет получить более мощный источник накачки, что повышает усиление или увеличивает срок службы при меньших фактически используемых мощностях.