Усилители на волокне, использующие бриллюэновское рассеяние

Стимулированное бриллюэновское рассеяние - это нелинейный эффект, возникающий в кремниевом волокне, когда энергия от оптической волны на частоте f₁ переходит в энергию новой волны на смещённой частоте f₂.

Если мощная накачка в кремниевом волокне производится на частоте f₁, стимулированное бриллюэновское рассеяние способно усиливать входной слабый сигнал на частоте f₂. Выходной сигнал сосредоточен в узком диапазоне, что позволяет выбирать канал с погрешностью 1,5 ГГц.

3.Усилители на волокне, использующие рамановское рассеяние

Волоконные усилители на основе вынужденного комбинационного рассеяния или, сокращенно, ВКР усилители (рамановские усилители).Используют тот же нелинейный эффект, что и использующие бриллюэновское рассеяние, однако в данном случае частотный сдвиг между сигнальной волной и волной накачки (|f₂- f₁|), больше, а выходной спектральный диапазон усиления шире, что допускает усиление сразу нескольких каналов в WDM сигнале. Большие переходные помехи между усиливаемыми каналами представляют основную проблему при разработке таких усилителей.

Очень перспективны для использования в ВОСП ВКР-усилители. Они обладают следующими принципиальными преимуществами:

- способностью усиливать излучение на любой длине волны при соответствующем выборе источника накачки и типа волокна;

- возможностью использования в качестве их активной среды самих волоконных световодов, используемых в системах передачи информации;

- возможностью сформировать очень широкую полосу усиления (более 100 нм) подбором источников накачки;

- низкими шумами.

Основным недостатком рамановских (ВКР) усилителей является их не очень высокая эффективность, что приводит кнеобходимости использовать для получения усиления около 30 дБ (типичное зна­чение для систем оптической связи) довольно мощной (порядка 1 Вт) непрерывной накачки. В последнее время разработаны высокоэффективные рамановские волоконные лазеры, работающие прак­тически на любой длине волны требуемого диапазона. Кроме того, созданы специальные типы оптических волокон, позволяющие по­высить эффективность работы рамановских усилителей.

Новое требование, появившееся вместе с внедрением техники спектрального уплотнения это требование равномерности АЧХ. Если сигналы в различных каналах усиливаются в неравной степени, то от­ношение «сигнал - шум» в некоторых каналах может ухудшиться.

4.Полупроводниковые лазерные усилители (ППЛУ)

Полупроводниковые оптические усилители вследствие быстрой релаксации, приводящей к возникновению перекрестных помех ме­жду спектральными каналами, в системах со спектральным уплот­нением каналов пока не применяются.

Полупроводниковые ОУ имеют следующие преимущества: очень малые габариты и массу, прямое преобразование электрической энергии в оптическую, что обуславливает значительно меньшее потребление энергии.

Основу полупроводниковых лазерных усилителей составляет активная среда, аналогичная той, которая используется в полупроводниковых лазерах.

В ППЛУ отсутствуют зеркальные резонаторы, характерные для полупроводниковых лазеров. Для уменьшения френелевского отражения с обеих сторон активной среды наносится специальное покрытие толщиной /4 с согласованным показателем преломления.

Полупроводниковые лазерные усилители не получили столь широкого распространения, как усилители на примесном волокне. Дело в том, что ППЛУ свойственны два существенных недостатка.

ППЛУ имеют ту же активную среду, что и п/п лазеры, но в них отсутствуют зеркальные резонаторы. Для уменьшения френелевского отражения с обеих сторон активной среды наносится специальное покрытие толщиной W с согласованным показателем преломления, рисунок 9.3.

Рисунок 9.3 - П/п лазерный усилитель

ППЛУ свойственны два существенных недостатка:

Светоизлучающий активный слой имеет поперечный размер несколько микрон, а толщину в пределах одного микрона, что много меньше диаметра светонесущей части оптического волокна (~9 мкм - для одномодового волокна). Вследствие этого большая часть светового потока из входящего волокна не попадает в активную область и теряется, что уменьшает КПД усилителя. Увеличить КПД можно поставив между входящим волокном и активной средой линзу, но это приводит к усложнению конструкции.

Второй недостаток имеет более тонкую природу. Дело в том, что выход (коэффициент усиления) ППЛУ зависит от направления поляризации и может отличаться на 4-8 дБ для двух ортогональных поляризаций. Это нежелательно, так как в стандартном одномодовом волокне поляризация распространяемого светового сигнала не контролируется. Мощность светового потока данной поляризации может флуктуировать вдоль ППЛУ. Следовательно, коэффициент усиления ППЛУ зависит от неконтролируемого фактора. Можно уменьшить эту зависимость от поляризации путём установки двух лазеров - возможно как параллельное (требуется пара разветвителей), так и последовательное их подключение. Но это снова приводит к усложнению конструкции и росту стоимости.

Два приведённых недостатка нивелируются в тех случаях, когда ППЛУ интегрирован с другими оптическими устройствами. И именно так преимущественно используется ППЛУ. Одна из возможностей - производство светоизлучающего лазерного диода, непосредственно на выходе которого устанавливается ППЛУ.

На рисунке 9.4 показана реализация ППЛУ в виде широкополосного усилителя. Несколько узкополосных п/п лазеров на различных длинах волн генерируют световые сигналы, которые мультиплексируются и размножаются с помощью оптического разветвителя. ППЛУ устанавливаются на конечном участке, чтобы усилить ослабленные после разветвления оптические мультиплексные сигналы.

Рисунок 9.4 - Источник мультиплексного излучения (п/п лазерный усилитель интегрирован с массивом лазерных светодиодов и оптическим разветвителем)

5.Усилители на примесном волокне

Данные усилители наиболее широко распространены и являются ключевыми элементами в технологии полностью оптических сетей, так как позволяет усиливать световой сигнал в широком спектральном диапазоне.

Схема такого усилителя приведена на рисунке 9.5. Слабый входной оптический сигнал (1) проходит через оптический изолятор (2), который пропускает свет в прямом направлении - слева направо, но не пропускает рассеянный свет в обратном направлении, далее проходит через блок фильтров (3), которые блокируют световой поток на длине волны накачки, но прозрачны к длине волны сигнала.

Затем сигнал попадает в катушку с волокном, легированным примесью из редкоземельных элементов (4). Длина такого участка волокна составляет несколько метров. Этот участок волокна подвергается сильному непрерывному излучению полупроводникового лазера накачки (5), установленного с противоположной стороны, с более короткой длиной волны.

Излучение этого лазера (5) с длиной волны накачки (6) возбуждает атомы примесей, возбуждённое состояние которых имеют большое время релаксации, чтобы спонтанно перейти в основное состояние. Однако при наличии слабого сигнала происходит индуцированный переход атомов примесей из возбуждённого состояния в основное с излучением света на той же длине волны и стой же самой фазой, что и вызвавший этот переход сигнал.

Рисунок 9.5 - Оптический усилитель на примесном волокне

Селективный разветвитель (7) перенаправляет усиленный полезный сигнал (8) в выходное волокно (9). Дополнительный оптический изолятор на выходе (10) предотвращает попадание обратного рассеянного сигнала из выходного сегмента в активную область оптического усилителя.

Активной средой является одномодовое волокно, сердцевина которого легирована примесями редкоземельных элементов с целью создания трёхуровневой атомной системы, рисунок 9.6.

Рисунок 9.6 - Энергетическая диаграмма уровней атомной системы усилителя на примесном волокне

Лазер накачки возбуждает электронную подсистему примесных атомов, в результате чего электроны с основного состояния (уровень А) переходят в возбуждённое состояние (уровень В). Далее происходит релаксация электронов с уровня В на промежуточный уровень С.

Когда заселённость уровня С становится достаточно высокой, так что образуется инверсная заселённость уровней А и С, то такая система способна индуцировано усиливать входной оптический сигнал в определённом диапазоне длин волн. При отсутствии входного сигнала происходит спонтанное излучение возбуждённых атомов примесей, приводящее к шуму.

Режимы работы усилителя во многом зависят от типа примесей и от диапазона длин волн, в пределах которого он должен усиливать сигнал. Наиболее широко распространены усилители, в которых используется кремниевое волокно, легированное эрбием. Такие усилители получили название EDFA.

Межатомное взаимодействие является причиной очень важного положительного фактора - уширения уровней, что, в конечном итоге, обеспечивает усилителю широкую зону усиления сигнала. В EDFA наиболее широкая зона усиления от 1530 до 1560 нм, соответствующая переходу , достигается при оптимальной длине волны лазера накачки 980 нм.

Усиление в другом окне прозрачности 1300 нм можно реализовать с использованием примесей празеодимия, однако такие оптические усилители не получили большого распространения.

Коэффициент усиления сигнала зависит от его входной амплитуды и длины волны. При малых входных сигналах амплитуда выходного сигнала растёт линейно с ростом входного сигнала, коэффициент усиления достигает при этом своего максимального значения.

Однако при некотором достаточно большом входном сигнале сигнал на выходе достигает своего насыщения, что приводит к падению коэффициента усиления при дальнейшем увеличении уровня входного сигнала.

Оптические усилители на волокне, легированном эрбием (EDFA). В настоящее время ОУ на легированном волокне доминируют на рынке. Для легирования ис­пользуется элемент эрбий, а сами ОУ называются усилителем на волокне, легированном эрбием (EDFA). Конкурирующие с ними ОУ на лазерных дио­дах до сих пор уступали им дороговизной производства, чувствительностью к поляризации и высоким уровнем перекрестных помех.

На рисунке 9.7 показана упрощенная блок-схема усилителя типа EDFA. Она содержит лишь один активный блок — блок накачки. Накачка использует обычно лазерный источник света, похожий на то, что используется в пере­датчике. Для промышленных усилителей EDFA используются источники накачки 980 или 1480 нм.

Конфигурация, приведенная на рисунке 9.7, является элементарным мульти­плексором с разделением по длине волны, где разветвитель играет роль ком­байнера/мультиплексора, т.е. просто объединяет световой сигнал накачки с рабочим оптическим сигналом. Эти два сигнала проходят через активную область (волокно), где и происходит фактическое усиление сигнала. Актив­ная область состоит из специально приготовленного ОВ, которое в определенной степени легировано эрбием, редкоземельным эле­ментом. В ОУ типа EDFA с наиболее простой схемой необходимое усиление обеспечивается в относительно узкой полосе длин волн от 1525 до 1565 нм. Однако то, что мы называем узкой полосой длин волн, обеспечивает доста­точное пространство для размещения многих WDM каналов.

Одно из преимуществ такого ОУ над регенератором в том, что в многока­нальной системе WDM на каждый канал требуется отдельный регенератор, тогда как на всю систему WDM требуется только один усилитель. Пусть, например, система WDM имеет 16 каналов. Тогда для этой конфигурации требуется 16 регенераторов и всего один ОУ. Более того, ОУ прозрачен по отношению к проходящему потоку бит, тогда как регенератор рассчитан на определенную скорость потока. При большой длине системы (например, боль­ше 700 км) требуется использовать по крайней мере один регенератор для того, чтобы ослабить действие дисперсии и восстановить форму сигнала

Рисунок 9.7 – Упрощенная схема усилителя на волокне легированном эрбием

Усилитель типа EDFA является одним из наиболее практичных ВОУ. Его применение ограничено окном прозрачности 1550 нм. Его использование сделало возможным создание систем WDМ.

Усиление в этом ОУ происходит по всей длине волокна с низкими потерями, легированного редкоземельным металлом. Для этой цели могут быть использованы ионы редкоземельных металлов, таких как эрбий, гольмий, неодим, самарий, таллий и иттербий. Они позволяют создать ВОУ, работающий на различных длинах волн от 500 до 3500 нм.

Существуют несколько различных конфигураций EDFA:

1) использование одного источника накачки в прямом направлении (сонаправленная накачка);

2) использование одного источника накачки в обратном направлении (противонаправленная накачка);

3) двунаправленная накачка, конфигурация с двумя накачками, усилитель накачивается в обоих направлениях одновременно;

4) отражательная накачка с использованием на входе оптического циркулятора, направляющего входные и выходные световые потоки.

Одним из главных, при рассмотрении указанных конфигураций, является выбор длины волны накачки – 980 или 1480 нм.

Варианты усилителей типа EDFA. Существуют два варианта усилителей EDFA. Они изготавливаются производителями и доступны проектировщикам ВОСП:

- усилители EDFA на основе кварцевого волокна,

- усилители на основе фтористого волокна.

Они очень похожи друг на друга и отличаются только рабочим волокном, которое легируется эрбием. Они покрывают ту же область усиления: 1525 – 1560 нм с теми же основными характеристиками и отличаются только кривой выходной характеристики.

Выходная характеристика особенно важна для многоканальных систем WDМ. Обычные (на основе кварцевого волокна) усилители EDFA принудительно запитывались в тот или иной канал, чтобы иметь возможность создать примерно одинаковую амплитуду в каждом из них для WDМ несущей.

Основное преимущество усилителя EDFA на основе фтористого волокна в том, что его выходная характеристика в области длин волн около 1540 нм значительно ровнее, чем у EDFA на основе кварцевого волокна. Существует, однако, один недостаток использования EDFA на основе фтористого волокна: его коэффициент шума выше, т.к. он использует накачку 1480 нм, а не 980 нм, как это может EDFA на основе кварцевого волокна. Использование длины волны 980 нм для накачки при использовании фтористого волокна неэффективно ввиду поглощения возбужденного состояния. Но это та цена, которую нужно платить за возможность использования более плоской выходной характеристики, при которой можно использовать всю полосу пропускания такого типа усилителей.

Эрбиевые волоконные усилители (EDFA) являются сегодня клю­чевыми элементами ВОЛС, позволяю­щими увеличить их протяженность. Они усиливают выходную мощ­ность передатчика, компенсируют потери в волокне и осуществля­ют предварительное усиление сигнала перед его поступлением в приемник. Принцип работы эрбиевого усилителя заключается в увеличении мощности световых сигналов, распространяющихся вдоль специального активного волокна, за счет вынужденного испускания фотонов возбужденными частицами эрбия, содержащи­мися в сердцевине этого волокна. Возбуждение ионов эрбия проис­ходит при поглощении излучения полупроводникового лазера на­качки. Для предотвращения возникновения в эрбиевом усилителе паразитной генерации на выходе усилителя устанавливают оптиче­ский изолятор, защищающий усилитель от обратных отражений, возникающих за его пределами.

Достоинства:

· Низкий шум и высокая энергетическая эффективность обеспечивается применением системы лазеров накачки с разными длинами волн

· Микропроцессорная система контроля обеспечивает стабильность параметров и рабочих режимов

· Встроенный дисплей для контроля рабочих режимов

· Широкий диапазон доступных выходных мощностей (различные модели)

· Автономный встроенный блок питания

· Стандартный конструктив 19" 1U.

Другие усилители на волокне, легированном редкоземельными элементами (РЗЭ). Усилитель на кварцевом волокне легированном эрбием обеспечивает полосу пропускания около 35 нм в спектре прозрачности 1550 нм. Существует полоса шириной примерно 200 нм, потери в которой не превышают 0,25 дБ/км. Полезную полосу пропускания в окне 1550 нм можно еще больше расширить, если использовать оптические усилители на фтористом волокне, легированном тулием или празеодимом. Используя тулиевый усилитель можно получить полосу усиления с 1470 до 1650 нм. Усилитель на волокне, легированном празеодимом, работает в окне прозрачности 1310 нм.