Оптические усилители в волоконно-оптических линиях связи

Оптические усилители  в волоконно-оптических линиях связи 

В данной работе описываются различные  виды оптических усилителей (Полупроводниковые  оптические усилители, Оптические усилители, использующие нелинейные явления в  оптоволокне, Оптические усилители  на ОВ, легированном редкоземельными элементами, Оптические усилители, легированные эрбием (EDFA)), физические принципы их работы, основные параметры (Коэффициент усиления среды и усилителя, мощность насыщения, источники шума и динамический диапазон), области применения.

Содержание

 

1. История

 

2. Принцип действия оптического усилителя

 

3. Основные параметры оптических усилителей
• Коэффициент усиления среды и усилителя
• Мощность насыщения
• Источники шума и динамический диапазон

 

4. Полупроводниковые оптические усилители (ППОУ)
• Принцип действия ППОУ
• Типы ППОУ
• Характеристики ППОУ
• Импульсные усиоители
• Применение ППОУ

 

5. Оптические усилители, использующие нелинейные явления в оптоволокне
• Нелинейные эффекты в волоконных световодах
• Волоконные ВКР усилители
• Волоконные ВРМБ усилители
• Параметрические усилители

 

6. Оптические усилители на ОВ, легированном редкоземельными элементами
• Принцип действия
• Усилители для окна прозрачности 1300 нм
• Усилители для окна прозрачности 1550 нм

 

7. Оптические усилители, легированные эрбием (EDFА)
• Технические параметры оптических усилителей EDFА
• Мощность насыщения
• Коэффициент усиления
• Мощность усиленного спонтанного излучения
• Шум-фактор
• Классификация EDFA по способам применения
• Расчет числа каскадов линейных EDFA
• Разновидности усилителей ЕDFА

 

·  Список сокращений

·  Список литературы и Internet ресурсы

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

История

Усиление оптических сигналов рассматривалось  первоначально (60-е годы) как сопутствующее явление, наблюдаемое при исследовании процессов в лазерных устройствах. Однако уже в начале 80-х годов в связи с развитием волоконно-оптической техники и технологии оно стало самостоятельным направлением развития оптической техники.

В это время наметились несколько  направлений в создании оптических усилителей (ОУ):

• использование оптических световодов, легированных активными редкоземельными ионами, для усиления оптического пучка (один из результатов развития лазерной техники) (1964 год)
• использование полупроводниковых усилителей, разрабатываемых на единой основе (физики твердого тела) с полупроводниковыми источниками излучения для формирования интегрального твердотельного устройства (1983 год)
• прямое использование OВ, как усилительной среды, а не только как среды распространения, возможное в двух направлениях:
• использование нелинейных явлений типа ВКР и ВРМБ (1981 год)
• использование легирования материала ОВ редкоземельными материалами
• параметрическое усиление (1982 год)

Развитие технологии оптического  усиления на основе EDFA сильно изменило методологию конструирования волоконно-оптических систем связи. Традиционные волоконно-оптические системы используют повторители-регенераторы, повышающие мощность сигнала. Когда длина между удаленными узлами начинает превосходить по условиям затухания сигнала максимальную допустимую длину пролета между соседними узлами, в промежуточных точках устанавливаются дополнительные регенераторы, которые принимают слабый сигнал, усиливают его в процессе оптоэлектронного преобразования, восстанавливают скважность, фронты и временные характеристики следования импульсов, и после преобразования в оптическую форму передают дальше правильный усиленный сигнал, в том же виде, в каком он был на выходе предыдущего регенератора. Хотя такие системы регенерации работают хорошо, они являются весьма дорогими и, будучи установленными, не могут наращивать пропускную способность линии.

Необходимость в использовании  ОУ в синхронных цифровых сетях стала  особенно очевидной при внедрении технологии SONET/SDН, где приходится часто использовать конвертеры (электрооптические и оптоэлектронные преобразователи) и регенераторы (устройства, восстанавливающие исходную форму передаваемого сигнала после прохождения им расстояния порядка 40-60 км - расчетной (строительной) длины регенерационной секции). Она диктовалась очень высокими скоростями передачи -155 Мбит/с, 622 Мбит/с, 2,5 Гбит/с и выше. На первом уровне SDH -155 Мбит/с - использовались как электрический, так и оптический SDН-трибы, и в процессе функционирования системы SDH конвертация использовалась на каждом узле. Регенераторы же, хотя и использовали оптические трибы, принципиально работали по схеме: прием оптического сигнала - оптоэлектрическое преобразование - усиление и регенерация электрического сигнала - электрооптическое преобразование - передача оптического сигнала. Однако уже на следующем уровне SDН - 622 Мбит/с и выше - использовались только оптические SDH-трибы, что частично позволило избежать конвертации сигнала в процессе функционирования системы, однако схема регенерации осталось та же.

Несмотря на то, что чисто оптические регенераторы, работающие по схеме: прием  оптического сигнала - усиление и  регенерация оптического сигнала (с помощью оптических усилителя и регенератора) - передача оптического сигнала - дело будущего, можно существенно уменьшить число регенераций путем использования ОУ, позволяющего увеличить длину регенерационного участка, упростить схему передачи, если узловые мультиплексоры расположены на расстояниях меньше этой длины, и тем самым уменьшить расходы на оборудование. Это дало дополнительный мощный толчок исследованиям в области оптических усилителей

Принцип действия оптического  усилителя

Если существует некая активная среда, имеющая только два энергетических состояния E₁ и E₂ (см. рис. 1), причем E₂ > E₁, т.е. E₂ является возбужденным по отношению к E₁ состоянием, то в равновесных условиях число рабочих частиц (электронов, ионов или молекул - потенциальных усилительных агентов среды) распределено по статистике Больцмана так, что N₁ > N₂. В результате, если на вход такой среды попадает фотон, то он с большей вероятностью будет поглощен этой средой, что может сопровождаться переходом частицы с уровня E₁ на уровень E₂, если энергия фотона . Усиление в такой среде невозможно, хотя и существует малая вероятность эмиссии (испускания) фотона, если электрон спонтанно перейдет с верхнего возбужденного уровня на нижний релаксационный уровень.

Рис. 1 Cхема двухуровневой модели

Усиление станет возможным, если удастся  создать инверсию населенностей  уровней, когда N₂ > N₁. Для этого используется система энергетической накачки. В качестве накачки можно использовать инжекцию электронов или излучение лазера соответствующей длины волны для создания фотонов нужной энергии. В результате накачки и создания определенной инверсии населенности активная среда становится способной генерировать вторичные фотоны (той же частоты и направления распространения) с коэфициентом размножения K при попадании на ее вход возбуждающего фотона из светового потока усиливаемого сигнала. В результате осуществляется его усиление за счет возбуждаемой эмиссии.

Усиление носит  распределенный характер - следствие  генерации вторичных фотонов  в течении всего времени прохождения  усиливаемого оптического сигнала  через активную среду, имеющую конечную длину L, что и обуславливает появление этого параметра в формулах для коэффициента усиления оптического усилителя.

Усиление неизбежно  сопровождается двумя другими процессами:

• поглощением энергии светового сигнала, которое обычно носит экспонициальный характер, возрастая с ростом L
• спонтанной эмиссией вторичных фотонов, которая может быть усилена, приводя к появлению так называемого усиленного спонтанного излучения

Рис. 2 Cхема трехуровневой модели

Некоторые типы оптических усилителей, использующие для накачки лазеры, требуют рассмотрения более сложной  трехуровневой схемы взаимодействия, где третий - метастабильный уровень E₃ лежит между первым и вторым уровнями. Схема создания инверсии населенности такова: с первого уровня частицы накачкой переводятся на второй, с которого они в результате релаксации переходят на метастабильный уровень, время жизни которого (среднее время до спонтанного испускания фотона) достаточно велико. На этом уровне частицы накапливаются и создается достаточный уровень инверсии населенностей по отношению к первому уровню (N₃ > N₁).

Основные параметры  оптических усилителей

Оптические усилители можно  рассматривать в тех же терминах и используя те же параметры, что и электронные усилители:

• коэффициент усиления
• уровень (коэффициент) шума
• динамический диапазон
• амплитудно-фазовую характеристику (АФХ)

Однако они имеют и свои (для  ряда применений существенные) параметры:

• коэффициент усиления среды
• мощность насыщения
• усиленное спонтанное излучение (УСИ)
• чувствительность к поляризации сигнала
• амплитудно-волновую характеристику (АВХ)

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

где и - 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 K фотонов 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) среды g(w) или ее частотный спектр, а затем уже на АФХ собственно ОУ.

Коэффициент усиления среды  и усилителя

Практика показывает, что большенство  оптических усилительных (активных) сред можно рассматривать как однородную распределенную двухуровневую среду, для которой коэффициент усиления среды на единицу длины может быть описан выражением вида [1]:

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 (см. рис. 3) 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 Рн на выходе усилителя, определяемой по выходной характеристике на уровне -3 дБм, при котором коэффициент усиления среды g(w) падает в два раза.

Рис. 3 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.

Рис. 4 Вид нормированных АФХ коэффициентов усиления среды и ОУ в целом

Влияние насыщения на АФХ

Оно обусловлено третьим слагаемым  в выражении [1], 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.

Влияние времени релаксации диполей на АФХ

Из выражения [1] 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 (см. рис. 4). Тогда, используя его, можно получить, что полная ширина спектра на уровне половины от максимума (FWHM) обратно пропорциональна:

Влияние длины активной (усиливающей) среды

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 среды g(w) будет иметь вид [2]: