Волоконно-оптические усилители

В настоящее время в ВОСП применяются следующие типы оптических усилителей:

- усилители на лазерных диодах,

- оптические усилители на волокне, легированном эрбием (EDFA),

- другие усилители на волокне, легированном редкоземельными элементами (РЗЭ),

- волоконные усилители на основе вынужденного комбинационного рассеяния или, сокращенно, ВКР усилители (рамановские усилители),

- полупроводниковые оптические усилители,

- и др.

Оптические усилители, аналогично лазерам, используют принцип индуцированного излучения. Существует пять типов оптических усилителей, перечень которых приведён в таблице 9.1.

Таблица 9.1 - Типы и области применения оптических усилителей

Полупроводниковые ОУ (ПОУ) имеют ряд недостатков, которые делают непрактичным их использование в качестве линейного усилителя. Среди этих недостатков можно отметить: чувствительность к поляризации, пере­ходные помехи между каналами (чувствительные для систем WDM), боль­шие потери при вводе в волокно. В усилителях EDFA таких проблем нет, но они, как мы уже отмечали, могут быть использованы только в окне прозрач­ности 1550 нм.

1. Усилители на лазерных диодах. Существуют три типа усилителей на лазерных диодах: с блокировкой инжекции, типа Фабри—Перо и типа бегущей волны (TW). Первые два типа отличают­ся порогом генерации лазера. У оптических усилителей с лазерным диодом и блокировкой инжекции обычный лазерный диод смещен выше порога гене­рации лазера и работает как усилитель. Усилитель типа Фабри-Перо — усили­тель с лазерным диодом, который смещен ниже порога генерации лазера. Усилитель бегущей волны (УБВ) - полупроводниковый усилитель, ограни­чивающие поверхности которого покрыты антиотражающим покрытием. В последнее время УБВ стал доминировать в этой группе усилителей, учитывая его прекрасные характеристики и прогресс, достигнутый в области антиотражающих покрытий. В отличие от ОУ на легированном волокне, усилители на лазерных диодах могут быть спроектированы так, чтобы хорошо работать на любой длине волны, где могут работать лазеры (т.е. передатчики).

Усилители Фабри-Перо оснащены 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, такие усилители не чувствительны к поляризации оптического 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 демультиплексоров, поскольку они всегда могут быть перестроены для усиления только одной определённой длины волны одного канала из входного многоканального WDM.

Максимальное усиление усилителя на лазерном диоде при инжекционном токе 80 мА составляет 19 дБ, а ширина полосы на уровне —3 дБ — примерно 50 нм. Достаточно широкая полоса пропускания — одно из преимуществ полупроводниковых лазерных усилителей. Можно ожидать и более широкий спектр усиления при использовании лазеров с множе­ственными квантовыми (потенциальными) ямами (MQW), благодаря их своеобразной структуре энергетических зон. Уровень шума этих усилите­лей порядка 5-7 дБ.

Существуют три различных способа размещения ВОУ, как показано на рисунке 9.2.

Рисунок 9.2 - Три различных варианта использования волоконно-оптических усилителей: (а) линейный усилитель; (б) мощный усилитель (бустер) (в) предусилитель

На рисунке 9.2(a) показано их использование в режиме линейного усилителя. В этом случае усилители уста­навливаются в стратегических точках вдоль волоконно-оптического тракта для усиления сигнала до такого уровня, чтобы он соответствовал желаемому диапазону чувствительности удаленного мультиплексора ввода-вывода или оконечного приемника.

На рисунке 9.2(б) показан мощный усилитель (бустер). При обычной конфи­гурации его помещают сразу за оптическим передатчиком, для увеличения мощности сигнала до уровня +15 — +20 дБм. Такие уровни сигнала необходимы либо для большой длины пролета, либо тогда, когда используется большое число пассивных элементов с существенным уровнем вносимых по­терь, как например, в системах WDM.

На рисунке 9.2(в) показан ВОУ, используемый в качестве предусилителя. В этом случае ВОУ помещается на удаленном конце тракта, непосредственно перед удаленным приемником. В большинстве случаев в такой конфигура­ции усилитель интегрируется с приемником. В этом случае ВОУ понижает уровень чувствительности приемника. Усилитель получает сигнал низкого уровня, прошедший долгий путь или через ряд элементов с большим уров­нем потерь, и повышает его до уровня, приемлемого для приемника.

Усилители на лазерных диодах могут использоваться во всех трех вариан­тах, показанных на рисунке 9.2. Они могут работать в диапазоне длин волн 1310 нм, где усилители типа EDFA имеют неудовлетворительные характеристики. Известно, что усилители EDFA специально предназначены для диапазо­на длин волн 1550 нм.

Когда ОУ на лазерных диодах используется в качестве предусилителя (рисунок 9.2(в)), результирующий уровень сигнала, подаваемый на оптический приемник, оказывается таким большим, что характеристики приемника ог­раничиваются не столько уровнем теплового шума, сколько уровнем дробо­вого шума. Эти предусилители ухудшают отношение сигнал/шум также за счет шума спонтанного излучения. Относительно высокий коэффициент шума (порядка 5-7 дБ) типового усилителя на лазерных диодах делает их не очень идеальными для использования в качестве предусилителя. Но даже в этом случае, они могут значительно улучшить чувствительность приемника.

Если усилитель на лазерном диоде используется в качестве мощного уси­лителя (бустера, рисунке 9.2(б)), его выходная мощность ограничена, обычно на уровне < 10 мВт. Это объясняется его относительно малой (примерно 5 мВт) выходной мощностью насыщения.