Оптические усилители в волоконно-оптических линиях связи

Учитывая экспоненциальный характер этой зависимости, можно констатировать, что спектр G(w) усилителя будет существенно уже спектра g(w) среды, что и видно на рис. 4, где приведены нормированные характеристики G(w) и g(w) в зависимости от расстройки (w - w₀).

Чувствительность усиления к поляризации сигнала

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.

Источники шума и динамический диапазон

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.

Усиленное спонтанное излучение

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:

где и значения динамического диапазона на входе и выходе усилителя.

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.

Остаточный сигнал накачки

Существует и еще один специфический  источник шума в усилителях с накачкой - остаточный сигнал накачки на выходе усилителя, влияние которого (на передатчик или детектор в системе связи) может быть уменьшено как с помощью фильтра на выходе ОУ, так и путем соответствующего выбора частоты источника накачки.

Перекрестные помехи

Этот вид помех характерен для  многоканальных усилителей в системах WDM. Он проявляется как паразитные амплитудная или частотная модуляции сигнала одного канала другими сигналами.

Полупроводниковые оптические усилители

Полупроводниковые оптические усилители (ППОУ) оказались, если не исторически, то фактически, первыми ОУ, доработанными до уровня промышленного использования. До недавнего времени они считались наиболее подходящими усилителями оптических сигналов только в окне длин волн 1300 нм, однако в последнее время появились сообщения об успешных разработках ППОУ компании Alcatel и для окна 1550 нм, что особенно актуально, учитывая миграцию современных оптических систем в этот диапазон волн.

Принцип действия ППОУ

Полупроводниковые ОУ 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.

Типы полупроводниковых  ОУ

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 (см. рис. 5), чтобы минимизировать отраженный луч, приводящий к колебательности АВХ. Это позволяет поддерживать ее неравномерность на уровне порядка 1 дБ.

Рис. 5 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 (см. рис. 6). Такой ОУ называется усилителем (с резонатором) Фабри-Перо - УФП (FPA).

Рис. 6 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 уровне -ЗдБ), 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 хактеристик 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 пъедестале, 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.

Характеристики ППОУ

Основными характеристиками ППОУ, как  и любого усилителя, являются:

• коэффициент усиления
• уровень шумов
• динамический диапазон
• неравномерность АВХ.

Коэффициент усиления

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.

Уровень шума и динамический диапазон

Динамический диапазон без учета  шума ППОУ может достигать 35-45 дБ. ППОУ, как и любой ОУ, добавляет шум  за счет УСИ к усиливаему оптическому 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.

Импульсные усилители

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.

Применение ППОУ

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 прсдусилителей 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, наконец, могут  быть использованы в качестве оптических коммутаторов для пространственной коммутации или разделения по длинам волн.

Оптические усилители, использующие нелинейные явления в ОВ

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.

Нелинейные эффекты  в волоконных световодах

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: