2_3

Типы оптических усилителей.

Оптические усилители, аналогично лазерам, используют принцип индуцированного излучения. Существует пять типов оптических усилителей, перечень которых приведён в табл.1.

Таблица 1. Типы и области применения оптических усилителей

№ п/п	Типы усилителей	Область применения
1	Усилитель с полостью Фабри-Перо	Усиление одного канала (одной длины волны)
2	Усилители на волокне, использующие бриллюэновское рассеяние	Усиление одного канала
3	Усилители на волокне, использующие рамановское рассеяние	Усиление нескольких каналов одновременно
4	Полупроводниковые лазерные усилители	Усиление большого числа каналов в широкой области длин волн одновременно
5	Усилители на примесном волокне	Усиление большого числа каналов в широкой области длин волн одновременно

Усилители Фабри-Перо.

Усилители 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

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.

Используют тот же нелинейный эффект, что и использующие бриллюэновское рассеянии, 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.

4.Полупроводниковые лазерные усилители (ППЛУ).

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, рис. 3.

Рис. 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 рис. 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.

Рис. 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.

Рис. 5. Оптический усилитель на примесном волокне.

Схема такого усилителя приведена на рис. 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.

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, рис. 6.

Рис. 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.

СОДЕРЖАНИЕ

ВПЕРЕД