Лекции по Компонентам ВОЛТ   

8. Оптические усилители

8.3.3 Основные параметры:

·        коэффициент усиления

·        выходная мощность сигнала

·        шум-фактор и мощность усиленного спонтанного излучения

·        спектральная ширина и равномерность полосы усиления

Коэффициент усиления слабого сигнала, влиянием которого на величину населенностей уровней энергии ионов эрбия можно пренебречь, называется ненасыщенным коэффициентом усиления. Он увеличивается при увеличении мощности накачки и длины эрбиевого волокна. В то же время неограниченному возрастанию коэффициента усиления препятствуют самонасыщение усилителя усиленным спонтанным излучением и возникновение паразитной лазерной генерации. В лабораторных условиях усиление 50 дБ, в серийных усилителях для слабого сигнала 30 дБ. Увеличение мощности входного сигнала уменьшает населенность метастабильного лазерного уровня С и, тем самым, снижает коэффициент усиления.

Выходная мощность сигнала определяет расстояние до следующего усилителя. Поэтому это важный параметр усилителя как и энергетическая эффективность накачкиPCE (отношение изменения мощности сигнала к мощности накачки). Чтобы обеспечить высокую PCE, необходимо, чтобы практически все фотоны накачки передавали свою энергию фотонам сигнала. Отношение числа фотонов сигнала, появившихся в процессе усиления сигнала, к числу поглощенных фотонов накачки называется квантовой эффективностью накачки QE. Так как энергия фотона выходного излучения меньше энергии фотона накачки, то энергетическая эффективность меньше квантовой и зависит от соотношения длин волн накачки и сигнала PCE=lp¤lSQE. Поэтому в настоящее время при накачке на 1480 нм достигнута энергетическая эффективность 86%  при квантовой эффективности 91%. На 980 нм энергетическая эффективность 55% при квантовой 86%.

Большая энергетическая эффективность позволяет использовать для накачки источники излучения меньшей мощности, а следовательно, более дешевые. Эта характеристика особенно важна в системах со спектральным разделением каналов, где требуется усиливать одновременно большое количество сигналов большой суммарной мощности.

Усилители на основе эрбиевых волоконных световодов с двойной оболочкой обеспечивают получение выходного излучения мощностью более 1,5 Вт (33дБ).

Основной источник шума – самопроизвольное (спонтанное) излучение при переходе иона эрбия с метастабильного уровня энергии С на основной уровень А. Это спонтанное излучение усиливается и повторно поглощается по всей длине усилителя приблизительно так же, как слабый сигнал, распространяющийся по усилителю. Именно этим объясняется отличие между формами спектра усиленного спонтанного излучения (ASE) и спектра неусиленного спонтанного излучения (SE).

Усиленное спонтанное излучение при распространении по волокну поглощается и усиливается так же, как и сам информационный сигнал. Увеличение мощности ASE приводит к увеличению шума фотоприемника, который является источником ошибок в цифровых системах связи. Качество принятого системой передачи информации цифрового сигнала определяется величиной отношения мощности принятого электрического сигнала к мощности шума. Это величина – электрическое отношение сигнал/шум, равна отношению квадрата фототока, создаваемого сигналом, к среднеквадратичному отклонению фототока.SNRe зависит от характеристик фотоприемника и поэтому не может характеризовать непосредственно качество оптического сигнала. Поэтому вводят понятие оптическое отношение сигнал/шумOSNR в оптической спектральной полосе ВО, которое численно равно электрическому в идеальном фотоприемнике с полосой ВЭО. Идеальным называется фотоприемник, в котором отсутствуют тепловые шумы и квантовая эффективность равна 100%.

Величина шум-фактора Nf является мерой ухудшения отношения С/Ш входного когерентного сигнала при прохождении через оптический усилитель

Шум Шоттки (дробовый) – происхождение связано с квантовой природой света. Фототок, создаваемый сигналом.

G –коэффициент усиления

nsp– фактор спонтанного излучения, зависящий от средних населенностей рабочих уровней.

Определяет относительные вероятности спонтанного и вынужденного излучения. Вероятность спонтанного излучения определяется средней населенностью метастабильного уровня энергии С, а вероятность вынужденного перехода разностью населенностей уровней С и А. Минимальное значение фактора спонтанного излучения nsp=1 достигается при полной инверсии населенностей рабочего перехода.

Значение шум-фактора 3 дБ является минимально возможным для усилителей любого типа с большим усилением. Типичные значения для серийных усилителей 5 дБ.

Поскольку коэффициент шума при большом усилении зависит только от соотношения населенностей метастабильного уровня С и основного А, то обеспечить минимальное значение шума можно с использованием накачки большой мощности на 980 нм, работающей по трехуровневой схеме. В этом случае теоретически населенность основного уровня А может быть снижена практически до нуля. Излучение накачки на 1480 нм само эффективно взаимодействует с ионами эрбия, находящимися на метастабильном уровне энергии С, а это приводит к тому, что населенность уровня А не может быть снижена до нуля. Поэтому уровень шума при накачке на 1480 нм выше, чем при накачке на 980 нм. При встречной накачке шум-фактор тоже несколько выше, поскольку очень важно обеспечить большую населенность метастабильного уровня С и малую населенность уровня А.

Ширина полосы усиления оказывает определяющее влияние на число спектральных каналов в системах со спектральным мультиплексированием. Она определяется спектром излучения ионов эрбия в материале сердцевины ОВ. Влияние материала сердцевины на спектр излучения связан с тем, что ионы эрбия окружены молекулами этого материала. Под действием молекул окружения уровни энергии ионов эрбия расщепляются на подуровни. Величина расщепления определяет ширину полосы излучения. Чем шире полоса излучения, тем более широкого спектра усиления можно добиться при конструировании усилителя. Наиболее широким спектром излучения обладают ионы эрбия в алюмосиликатном стекле.

Увеличивая длину активного волокна, удается получать достаточно большой коэффициент усиления вплоть до длины волны 1560 нм, при превышении которой усиление резко падает. Таким образом, ширина полосы усиления для традиционной конфигурации усилителя составляет примерно 30 нм (1530—1560 нм). Эта полоса усиления называется стандартный диапазон (conventional band) C-диапазон. Интенсивность люминесценции имеет заметное значение вплоть до 1600 нм, при этом поглощение в 1560—1600 нм падает очень быстро, что позволяет использовать и этот диапазон для усиления световых сигналов. Это длинноволновый диапазон (long wavelength band) L-диапазон, в нем возможно усиление, если использовать длинное эрбиево волокно.

Следует отметить, что при такой конструкции усилителя активная среда оказывается не полностью инвертированной, и для оптических сигналов С-диапазона такое устройство работает как поглотитель. Поэтому перед усилением оптические сигналы разделяются по диапазонам С и L, и для каждого используется свой усилитель.

Дальнейшее расширение рабочего спектрального диапазона связано с использованием области 1480—1530 нм S-диапазон (short wavelength band). Интенсивность люминесценции ионов эрбия в этой области не меньше, чем в L, однако существенным является сильное поглощение сигнала. Эта проблема решается использованием более мощных источников накачки по сравнению с другими усилителями. Вторая проблема серьезнее и связана с сильной конкуренцией между усилением сигнала в S-диапазоне и спонтанным излучением в С-диапазоне, для которого условия усиления являются более благоприятными. Есть работы, в которых показана возможность усиления в S-диапазоне при использовании фильтров или введении изгибных потерь в диапазоне 1530—1560 для подавления усиленного спонтанного излучения.

Другое направление исследований в области расширения полосы связано с поиском материала сердцевины волокна, позволяющего расширить спектр люминесценции. Усилители на основе теллуритного стекла пока находятся на стадии лабораторных исследований.

Для систем со спектральным разделением каналов важна равномерность коэффициента усиления в пределах рабочего спектрального диапазона. Неравномерность для слабого сигнала может превышать 10 дБ в пределах полосы. В рабочих условиях неравномерность коэффициента усиления уменьшается из-за повышения суммарной мощности оптического сигнала.

 Тем не менее при прохождении в длинной линии через ряд усилителей суммарная неоднородность усиления может привести к потере информации в каналах с меньшим усилением. Таким образом, актуальным является сглаживание спектра усиления. Для этого в схему усилителя обычно вводятся спектрально селективные поглощающие фильтры на основе как световодных, так и объемных элементов.

Одним из популярных видов фильтра является фотоиндуцированная длиннопериодная решетка (LPG, long-period grating). Такие решетки изготавливают путем пространственно периодического облучения сердцевины световода ультрафиолетовым излучением через его поверхность. Решетка, период которой, как правило, лежит в диапазоне 0,1—1 мм, обеспечивает резонансное взаимодействие фундаментальной моды с модами оболочки. Следствием такого взаимодействия являются преобразование части энергии основной моды волоконного световода с резонансной длиной волны в энергию оболочечных мод и быстрое затухание этих мод. Спектр и интенсивность поглощения задаются периодом решетки и временем облучения световода.

 Применение сглаживающих фильтров, изготовленных с использованием этой техники, позволяет уменьшить вариации коэффициента усиления до десятых долей дБ в пределах рабочего диапазона.

Волоконно-оптические усилители  на основе волокна, легированного эрбием, предназначены для реализации сверхдлинных участков на сетях связи. Например: применение волоконно-оптических усилителей (ВОУ) позволяет реализовать регенерационные участки длиной до 200 км на кабелях с затуханием до 0,2 дБ/км.



*****
Новосибирск © 2009-2017 Банк лекций siblec.ru
Лекции для преподавателей и студентов. Формальные, технические, естественные, общественные, гуманитарные, и другие науки.