7.1. Принцип оптического усиления. Классификация и назначение усилителей

7.2. Полупроводниковые оптические усилители. Конструкции, принцип действия, основные характеристики

7.3. Волоконно-оптические усилители на основе редкоземельных элементов. Конструкция, принцип действия, основные характеристики

7.4. Оптические усилители на основе эффекта рассеяния

Основными ограничивающими факторами в волоконно-оптических системах передачи являются затухание, дисперсия и нелинейные оптические эффекты. В предлагаемой главе рассматриваются устройства – оптические усилители, которые компенсируют потери оптической мощности, возникающие в световодах, соединителях, пассивных разветвителях и т. д.

Оптический усилитель – устройство, обеспечивающее увеличение мощности оптического излучения.

7.1. Принцип оптического усиления. Классификация и назначение усилителей

Усиление света в оптических системах осуществляется за счет энергии внешнего источника. Основой усилителя является активная физическая среда, в которой благодаря энергетической подкачке увеличивается мощность излучения. В качестве активной среды применяются полупроводники и стекловолокна с различными примесями, например, редкоземельными эрбием (Er), неодимом (Nd), празеодимом (Pr), тулием (Tm). Накачка этих сред осуществляется непрерывно или импульсно. При усилении может происходить преобразование спектра входного сигнала, т.е. выходной сигнал может быть смещен по частоте.

Классификация различных видов оптических усилителей приведена на рисунке 7.1.

К усилителям, которые используются в оптических системах передачи, предъявляется ряд требований:

• высокий коэффициент усиления в заданном диапазоне оптических частот;

• малые собственные шумы;

• нечувствительность к поляризации;

• хорошее согласование с волоконно-оптическими линиями;

• минимальные нелинейные и линейные искажения оптических сигналов;

• большой динамический диапазон входных сигналов;

• требуемое усиление многочастотных (многоволновых) оптических сигналов;

• длительный срок службы;

• минимальная стоимость и т.д.

Этим требованиям в наибольшей степени отвечают полупроводниковые и волоконные усилители, настроенные на окна прозрачности стекловолокна (около 0,85 мкм; 1,31 мкм; 1,55 мкм).

Рисунок 7.1. Классификация оптических усилителей

Нелинейные усилители пока получили незначительное применение в ВОСП. Однако для некоторых перспективных методов передачи, например, солитонных и многоволновых, их использование может оказаться ключевым [23, 42, 43].

Полупроводниковые и волоконно-оптические усилители применяются в качестве усилителей мощности, совмещаемых с оптическими передатчиками, в качестве предусилителей перед фотоприемниками и в качестве промежуточных станций в линейных трактах оптических систем передачи.

7.2. Полупроводниковые оптические усилители. Конструкции, принцип действия, основные характеристики

Полупроводниковые усилители строятся в основном по двум схемам: усилители бегущей волны, в которых эффект оптического усиления наблюдается при распространении входного излучения в инверсной среде активного слоя с просветленными, т.е. не отражающими торцами (рисунок 7.2), и резонансные усилители, в которых эффект усиления и отсутствие лазерной генерации обеспечивается за счет того, что уровень постоянного тока накачки в рабочем режиме выбирается близким, но все-таки ниже порогового значения (рисунок 7.3).

Усилители бегущей волны (УБВ) могут быть реализованы с достаточно большим коэффициентом усиления (около 30 дБ при ) широкой полосой (около 5 ¸ 10 ТГц). Для этого необходимо подавление возможных отражений фотонов от торцов (отражение менее 0,1%). Это достигается в конструкциях усилителей, изображенных на рисунке 7.4.

Резонансный усилитель Ф–П имеет слишком узкую полосу усиления на уровне -3 дБ от максимального (менее 10 ГГц) и мало пригоден для оптических систем передачи. Соотношение полос частот усиления для УБВ и усилителя Ф–П приведено на рисунке 7.5.

Рисунок 7.2. Усилитель бегущей волны и его частотная характеристика

Рисунок 7.3. Усилитель резонансного типа и его частотная характеристика

Рисунок 7.4. Конструкции усилителей бегущей волны с активным слоем и подавлением отраженных лучей

Пригодные для оптических систем передачи усилители бегущей волны имеют разные коэффициенты усиления для продольных и поперечных мод (мод ТЕ и ТМ) (рисунок 7.6). Поэтому усилители выполняются из двух кристаллов с ортогональным расположением активных усиливающих слоев.

Рисунок 7.5. Спектральные характеристики усиления

Рисунок 7.6. Усиление для продольных и поперечных мод в УБВ

В таблице 7.1 приведены характеристики некоторых полупроводниковых усилителей [51].

Таблица 7.1. Характеристики полупроводниковых усилителей

Пример конструкции полупроводникового усилителя, совмещенного с лазером передатчика, приведен на рисунке 7.7.

Рисунок 7.7. Схема структуры с объединенным РОС - лазером и оптическим усилителем

Конструкция выполнена на одной подложке. Лазер отделен от усилителя изолирующим слоем FeInP, который прозрачен для оптического излучения [40].

7.3. Волоконно-оптические усилители на основе редкоземельных элементов. Конструкция, принцип действия, основные характеристики

Волоконно-оптические усилители (ВОУ) получили наибольшее распространение в волоконно-оптических системах передачи. Это связано с рядом их неоспоримых достоинств:

• простота конструкции;
• высокая надежность;
• большие коэффициенты усиления;
• малые шумы;
• широкая полоса усиления;
• нечувствительность к поляризации усиливаемого света и т.д.

Функциональная схема ВОУ приведена на рисунке 7.8.

Рисунок 7.8. Функциональная схема ВОУ

Основу конструкции ВОУ составляет оптическое волокно с примесью редкоземельного материала. Например, для длин волн усиления 1,53 ¸ 1,55 мкм это эрбий Er. Длина волокна с примесью - от 20 до 50 м.

Для того, чтобы волокно стало усиливающей средой, оно накачивается излучением l _Н от отдельного лазера. При этом возможна и двусторонняя накачка от двух лазеров. Система контроля усиления управляет током накачки лазера благодаря обратной связи, устанавливаемой через делитель мощности. Усиливаемый сигнал l _С и волны накачки l _Н объединяются в мультиплексоре и направляются в оптическое волокно с примесью, где происходит увеличение мощности сигнала. Большая часть (95%) мощности усиленного сигнала проходит через фильтр на выход. Фильтр отсекает волны накачки l _Н и шумы вне полосы частот сигнала. Оптический изолятор исключает проникновение отраженных в усилителе сигналов во входящую оптическую линию.

Принцип действия ВОУ основан на эффекте возбуждения посредством внешней накачки атомов редкоземельного материала, помещенных в сердцевину обычного одномодового стекловолокна. Редкоземельные материалы выбраны с таким расчетом, чтобы имелись зоны поглощения внешней энергии и создавалась инверсная населенность, которая приводит в конечном результате к спонтанной и вынужденной люминесценции. При этом вынужденное свечение будет обусловлено входным сигналом и совпадает с ним по длине волны. Наиболее подходящими для ВОУ считаются редкоземельные празеодим Pr, неодим Nd, эрбий Er, тулий Tm, в связке с эрбием применяется иттрий Y.

ВОУ применяются, как правило, на протяженных линиях, где передача происходит на длине волны 1,55 мкм. Для увеличения длины участка передачи применяются эрбиевые ВОУ. Рассмотрим их работу и характеристики.

В сердцевине стекловолокна помещены ионы эрбия (Er ³⁺). Для накачки ионов могут применяться излучения с длинами волн 1480 нм, 980 нм, 800 нм, 670 нм и 521 нм. Реально используются 1480 нм и 980 нм. Это обусловлено рядом причин: эффективностью полупроводниковых лазеров большой мощности, малым затуханием оптического волокна, низкими требованиями к точности длины волны накачки.

На длине волны 980 нм наблюдаются наименьшие шумы усиления, а на длине волны 1480 нм нет жестких требований к точности настройки. Оптический усилитель с накачкой на длине волны 1480 нм называют двухуровневым, а усилитель с накачкой на длине волны 980 нм - трехуровневым (рисунок 7.9).

Ионы эрбия возбуждаются за счет поглощения энергии волн генератора накачки (l _Н). Они переходят с основного уровня на более высокие энергетические уровни, а затем безизлучательно снижаются (релаксируют) до метастабильного уровня. Одновременно на возбужденные атомы воздействует излучение сигнала l _С, вызывающее стимулированное излучение на всей длине активного волокна.

Рисунок 7.9. Уровневая диаграмма переходов трехвалентного иона эрбия

Однако не все атомы взаимодействуют с излучением сигнала и спонтанно переходят на основной уровень за время примерно 10 мс. Спонтанная эмиссия фотонов порождает шум излучения, который тоже может усиливаться. При достаточно интенсивном входном сигнале с длиной волны l_С спонтанное излучение в эрбиевом усилителе может быть подавлено. Характеристики поглощения и излучения атомами эрбия изображены на рисунке 7.10.

Рисунок 7.10. Характеристики поглощения и излучения атомов эрбия Er ³⁺, помещенных в сердцевину стекловолокна

Важнейшие характеристики волоконных усилителей приведены в таблице 7.2.

Таблица 7.2. Характеристики волоконных усилителей

Более полные сведения о характеристиках ВОУ и их измерении можно найти в литературе [4, 6, 9, 12, 26, 40, 68, 94].

Для наглядности некоторые характеристики изображены на рисунках 7.11, 7.12, 7.13. Это зависимости усиления от длины активного волокна, мощности накачки и входного сигнала.

Рисунок 7.11. Усиление эрбиевого усилителя в зависимости от длины волокна и мощности накачки

Рисунок 7.12. Усиление эрбиевого усилителя в зависимости от длины волокна и мощности накачки

Рисунок 7.13. Усиление эрбиевого усилителя в зависимости от выходного сигнала

На рисунке 7.14 представлена схема оптического ретранслятора, основанного на эрбиевых усилителях.

Рисунок 7.14. Структурная схема оптического ретранслятора с эрбиевыми усилителями

В схеме оптического ретранслятора выделяется канал управления, организуемый на отдельной несущей волне l_У. Предусилитель обеспечивает максимальное соотношение сигнал/шум. Усилитель мощности имеет двустороннюю накачку на длине волны 1480 нм, что создает максимальную линейность характеристики усиления. Оптический корректор компенсирует искажение оптических импульсов, возникшее из-за хроматической дисперсии в одномодовом стекловолокне. Однако корректор не устраняет влияние поляризационной модовой дисперсии (ПМД), для компенсации которой необходимо применение динамического управляемого компенсатора.

ВОУ могут иметь большую неравномерность амплитудно-частотной характеристики, что неприемлемо для многоволновых систем передачи (систем с WDM). Известен ряд решений по сглаживанию АЧХ эрбиевых усилителей и расширению их полосы частот усиления, например, применением автоматически перестраиваемых аттенюаторов по каждой волне передачи [83].

Примеры построения усилителя со сглаживанием АЧХ и расширением полосы усиливаемых частот приведены на рисунках 7.15, 7.16.

Рисунок 7.15. Структурная схема гибридного оптического усилителя с расширением полосы усиливаемых частот

Рисунок 7.16. Характеристика усиления гибридного усилителя (рамановское и эрбиевое с корректором)

На рисунке 7.17 представлена конструкция волоконного усилителя мощности для монтажа в составе модуля оборудования ВОСП.

Рисунок 7.17. Конструкция ВОУ

7.4. Оптические усилители на основе эффекта рассеяния

Известны два вида оптических усилителей, в которых усиление оптических колебаний происходит в результате рассеяния излучения накачки на атомах вещества, служащего основой светопровода. Усилители работают на основе эффектов Рамана и Мандельштамма – Бриллюэна, имеющих место в стеклянных волноводах при большой мощности накачки.

Вынужденное комбинационное рассеяние (ВКР) или рамановское рассеяние может превратить волоконный световод в оптический усилитель с оптической накачкой. Усиление вследствие ВКР зависит от интенсивности (равной мощности накачки P_н, деленной на площадь модовой пятки А), длины взаимодействия L волны накачки и сигнальной волны и коэффициента усиления ВКР g:

. (7.1)

В световоде с низкими потерями длина взаимодействия может составить более 1 км, что снижает требования по мощности накачки и коэффициенту усиления.

Величина коэффициента g зависит от присадок к стекловолокну таких, как бор, германий, фосфор. Для волокна на основе двуокиси кремния SiO₂ величина коэффициента g при накачке 1,55 мкм представлена зависимостью на рисунке 7.18.

Из графика видно, что по уровню уменьшения усиления в два раза полоса частот усиления может быть около 5 ТГц при неравномерной характеристике усиления.

Усиление зависит и от длины волокна и от величины поглощения мощности в материале волокна:

, (7.2)

где l – действительная длина, α – затухание волокна (дБ/км), – эффективная длина взаимодействия волн накачки и сигнала. На длинных линиях (десятки км) можно считать, что

.

Величина мощности Р_н рассматривается усредненной за интервал времени передачи импульсного сигнала. Величина усиления не зависит от поляризации усиливаемого сигнала.

Реальные величины коэффициентов усиления рамановских усилителей могут принимать значения от 3…5 дБ до 20…35 дБ в зависимости от примесного состава стекловолокна и мощности накачки. Пример схемы усилителя рамановского типа приведен на рисунке 7.21. Особенность схемы это встречная по отношению к сигналу накачка от мощного лазерного диода (до 1 Вт).

Рисунок 7.19. Схема рамановского усилителя со встречной накачкой

В завершении необходимо отметить, что в практике возможно использование каскадного включения эрбиевого и рамановского усилителей с дополнительным фильтром-выравнивателем характеристики усиления в полосе до 100 нм (рисунок 7.18, 7.19). Такое включение существенно уменьшает величину шума усиленной спонтанной эмиссии ASE.

Характерной особенностью нелинейного оптического усилителя Рамана является образование спектральных компонентов. В частности разностная частота между частотами сигнала и накачки называется стоксовой компонентой.

Усилитель Рамана может быть использован для увеличения скорости передачи существующих линий с 2.5 Гбит/с до 40 Гбит/с. Широкополосность усилителя превышает 5 ТГц и полоса усиления может смещаться в зависимости от выбора оптической частоты накачки [118]. Пример конструктивного исполнения модуля накачки усилителя Рамана приведен на рисунке 7.20.

Рисунок 7.20. Конструктив модуля накачки рамановского ВОУ

Схема оптических и электрических цепей модуля рамановского ВОУ представлена на рисунке 7.21.

Рисунок 7.21. Структура схемы накачки рамановского усилителя

Волоконный усилитель Бриллюэна (ВУБ) в основном схож по принципу действия с усилителем Рамана, за исключением того, что оптическое усиление обеспечивается стимулированным рассеянием Бриллюэна. ВУБ также накачивается оптически, и часть накачиваемой мощности передается сигналу через рассеяние. Физически каждый фотон накачки с энергией hx f_H использует ее часть, чтобы создать фотон сигнала с энергией , hxf_С в то время как фотон энергии возбуждает акустический фотон. Иначе говоря, волны накачки рассеиваются на акустической волне, движущейся через среду со скоростью звука.

Отличия от рамановского усиления:

• усиление имеет место только тогда, когда сигнал распространяется в направлении, противоположном лучу накачки;
• сдвиг частоты сигнала по отношению к частоте накачки меньше 10 ГГЦ, т.е. на три порядка меньше, чем у рамановского усилителя, и зависит от частоты накачки;
• спектр усиления узкий (полоса усиления менее 100 МГц).
• Очень узкий усиливаемый спектр не позволяет применять этот тип усилителя в широкополосных системах передачи. Реальное усиление может достигать 20 ¸ 30 дБ при величине накачки около 1 мВт.

Контрольные вопросы

1. Что такое оптический усилитель?
2. Почему возможно усиление света?
3. Как классифицируются оптические усилители?
4. Каким требованиям должны удовлетворять оптические усилители систем передачи?
5. Какие виды полупроводниковых оптических усилителей могут быть использованы в ВОСП?
6. Чем отличается усилитель бегущей волны от резонансного?
7. Какие недостатки имеет усилитель бегущей волны?
8. Что представляют собой редкоземельные элементы?
9. Куда помещаются атомы Er, Nd, Pd, Tm для получения эффекта оптического усиления?
10. Какие устройства входят в состав оптического усилителя?
11. Сколько энергетических уровней задействовано в атомах эрбия для усиления?
12. На каких длинах волн у атомов эрбия наблюдается поглощение энергии?
13. Что порождает шум оптических усилителей?
14. Чем определяется величина усиления ВОУ?
15. Каким образом корректируется АЧХ усилителя?
16. Чем принципиально отличаются усилители на основе эффекта рассеяния от волоконных усилителей с редкоземельными материалами?