Моделирование основных параметров и характеристик оптического усилителя (ОУ)

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Пояснительная записка к курсовому проектированию

по курсу «Оптоэлектронные и квантовые приборы и устройства»

Моделирование основных параметров и характеристик оптического усилителя (ОУ)

2013 г.



Содержание

Введение

1. Особенности оптических усилителей

1.1 Принцип оптического усиления

1.2 Основные параметры оптических усилителей

1.3 Классификация и назначение усилителей

2. Расчет основных параметров и характеристик эрбиевого усилителя

2.1 Усиление сигнала

2.2 Выходная мощность сигнала и энергетическая эффективность накачки

2.3 Усиленное спонтанное излучение и шум усилителя

2.4 Ширина и равномерность полосы усиления

3. Графический материал

Заключение

Список использованных источников



Введение

На расстоянии сигналы затухают. Эта истина справедлива и для электрических, и для оптических коммуникационных линий. Разумеется, в случае оптических сетей расстояния, на которых это начинает проявляться, больше, однако проблемы по-прежнему существуют.

Для борьбы с указанными проблемами используют три типа устройств: усилители, регенераторы и повторители. Оптические усилители (ОУ) ведут себя одинаковым образом по отношению к любым оптическим сигналам и наряду с детектируемыми сигналами усиливают также шумы и любые другие сигналы. Обычно усилители решают простейшую из задач, связанных с восстановлением сигналов, -- усиление. Регенераторы выполняют более сложную задачу -- они детектируют оптические сигналы, преобразуют их в электронные сигналы, отделяют от них шумы и вновь ретранслируют в виде оптических сигналов, обычно с использованием электронных устройств. Повторители занимают некоторое промежуточное положение между оптическими усилителями и регенераторами. Они также являются электрооптическими устройствами, однако обеспечивают лишь усиление и реформирование сигнала, но не его полное восстановление. С приходом полностью оптических усилителей использование повторителей в оптических сетях перестало быть повсеместным.

В моей работе мною будут рассмотрены особенности оптических усилителей, принцип оптического усиления, параметры, основные характеристики. Для расчета основных параметров и характеристик ОУ я выбрала усилитель на оптическом волокне, легированным эрбием (Erbium-Doped Fiber Amplifiers -- EDFA).



1. Особенности оптических усилителей

Оптический усилитель - устройство, обеспечивающее увеличение мощности оптического излучения.

1.1 Принцип оптического усиления

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.

Если существует некая активная среда, имеющая только два энергетических состояния и (см. рис. 1), причем >, т.е. является возбужденным по отношению к состоянием, то в равновесных условиях число рабочих частиц (электронов, ионов или молекул - потенциальных усилительных агентов среды) распределено по статистике Больцмана так, что N₁ > N₂. В результате, если на вход такой среды попадает фотон, то он с большей вероятностью будет поглощен этой средой, что может сопровождаться переходом частицы с уровня на уровень , если энергия фотона hщ>( - ). Усиление в такой среде невозможно, хотя и существует малая вероятность эмиссии (испускания) фотона, если электрон спонтанно перейдет с верхнего возбужденного уровня на нижний релаксационный уровень. Усиление станет возможным, если удастся создать инверсию населенностей уровней, когда N₂ > N₁.



Для этого используется система энергетической накачки.

Рис. 1. Схема двухуровневой модели

В качестве накачки можно использовать инжекцию электронов или излучение лазера соответствующей длины волны для создания фотонов нужной энергии. В результате накачки и создания определенной инверсии населенности активная среда становится способной генерировать вторичные фотоны (той же частоты и направления распространения) с коэффициентом размножения K при попадании на ее вход возбуждающего фотона из светового потока усиливаемого сигнала. В результате осуществляется его усиление за счет возбуждаемой эмиссии.

Усиление носит распределенный характер - следствие генерации вторичных фотонов в течение всего времени прохождения усиливаемого оптического сигнала через активную среду, имеющую конечную длину L, что и обуславливает появление этого параметра в формулах для коэффициента усиления оптического усилителя.

Усиление неизбежно сопровождается двумя другими процессами:

· поглощением энергии светового сигнала, которое обычно носит экспонициальный характер, возрастая с ростом L;

· спонтанной эмиссией вторичных фотонов, которая может быть усилена, приводя к появлению так называемого усиленного спонтанного излучения.

Некоторые типы оптических усилителей, использующие для накачки лазеры, требуют рассмотрения более сложной трехуровневой схемы взаимодействия (см. рис. 3), где третий - метастабильный уровень , лежит между первым и вторым уровнями.

Рис. 2. Схема трехуровневой модели

Схема создания инверсии населенности такова: с первого уровня частицы накачкой переводятся на второй, с которого они в результате релаксации переходят на метастабильный уровень, время жизни которого (среднее время до спонтанного испускания фотона) достаточно велико. На этом уровне частицы накапливаются и создается достаточный уровень инверсии населенностей по отношению к первому уровню (N₃ > N₁)

1.2 Основные параметры оптических усилителей

Оптические усилители можно рассматривать в тех же терминах и используя те же параметры, что и электронные усилители:

* коэффициент усиления;

* уровень (коэффициент) шума;

* динамический диапазон;

* амплитудно-фазовую характеристику (АФХ).

Однако они имеют и свои (для ряда применений существенные) параметры:

* коэффициент усиления среды;

* мощность насыщения;

* усиленное спонтанное излучение (УСИ);

* чувствительность к поляризации сигнала;

* амплитудно-волновую характеристику (АВХ).

В общем случае коэффициент усиления оптического усилителя для одного сигнала на центральной частоте имеет вид:

= ,

где и - мощности оптического сигнала на входе и выходе усилителя, измеренные на рабочей угловой частоте (или соответствующей длине волны) при малом уровне входного сигнала, гарантирующем отсутствие насыщения выходного сигнала.

Основным активным агентом оптических усилителей является фотон, следовательно, идеальный оптический усилитель с коэффициентом усиления K должен синфазно генерировать на выходе ровно K фотонов на каждый фотон, попавший на его вход. То есть оптический усилитель должен пропорционально усиливать интенсивность входного оптического сигнала, оставляя его форму неизменной, независимо от его интенсивности, длины волны, состояния поляризации, формы отображаемой двоичной последовательности. Фактически же указанные факторы, а также ряд других факторов влияют на АФХ усилительной (или активной) среды или ее частотный спектр, а затем уже на АФХ собственно ОУ.

Коэффициент усиления среды и усилителя.

Практика показывает, что большинство оптических усилительных (активных) сред можно рассматривать как однородную распределенную двухуровневую среду, для которой коэффициент усиления среды на единицу длины может быть описан выражением вида:



= ,

где - максимальное (вычисленное для малого входного сигнала значения коэффициента усиления), зависящие от мощности накачки;

- разность частоты входного оптического сигнала и частоты квантового перехода электронов с верхнего уровня на нижний;

- время релаксации диполей вещества активной среды, определяемое скоростью перехода диполей из одного равновесного состояния в другое (имеет порядок 0,01-1нс, в зависимости от типа диполей);

- оптическая мощность входного сигнала;

- мощность насыщения.

Мощность насыщения.

Аналогично электронным усилителям модуль усиления ОУ зависит от уровня входного сигнала. До определенного (малого) уровня входной мощности усиление практически постоянно, зятем оно начинает экспоненциально падать (см. рис. 3) с ростом уровня входной мощности.

Рис. 3. Зависимость коэффициента усиления от выходной мощности и определение мощности насыщения



Этот "падающий" участок характеристики является областью насыщения усилителя и объясняется уменьшением коэффициента размножения, вызванным возрастающим с ростом входного сигнала дефицитом частиц, которые способны генерировать вторичные фотоны, на том уровне, где создается инверсия населенности. Эта область численно характеризуется мощностью насыщения на выходе усилителя, определяемой по выходной характеристике на уровне -3 дБм, при котором коэффициент усиления среды падает в два раза.

Амплитудно-фазовая характеристика ОУ зависит от ряда специфических для ОУ параметров, влияние основных из них оценены ниже.

Рис. 4. Вид нормированных АФХ коэффициентов усиления среды и ОУ в целом

Влияние насыщения на АФХ.

Оно обусловлено третьим слагаемым в выражении [1], которое может приводить к существенному снижению усиления среды в целом, даже в области, казалось бы, далекой от насыщения. Являясь ограничительным фактором, насыщение может играть и регулирующую роль в стабилизации общего коэффициента усиления при каскадном соединении многих усилителей в линии связи, что имеет место, например, на трансокеанских линиях связи.

Влияние времени релаксации диполей на АФХ.

Из выражения [1] видно, что АФХ определяется двумя слагаемыми в знаменателе. Если принимать во внимание зависимость от частоты только второго слагаемого, то грубо, в первом приближении, ее можно аппроксимировать профилем Лоренца (см. рис. 4). Тогда, используя его, можно получить, что полная ширина спектра на уровне половины от максимума (FWHM) обратно пропорциональна: , т.е.:

=

Влияние длины активной (усиливающей) среды.

Мощность усиливаемого оптического сигнала зависит от длины участка среды L от точки входа потока сигнала в усилитель до его выхода. Учитывая это, АФХ усилителя при условии постоянного коэффициента усиления среды будет иметь вид:

,

Учитывая экспоненциальный характер этой зависимости, можно констатировать, что спектр усилителя будет существенно уже спектра среды, что и видно на рис. 4, где приведены нормированные характеристики и в зависимости от расстройки ().

Чувствительность усиления к поляризации сигнала.

Еще одним ограничивающим коэффициент усиления G фактором является чувствительность усиления ОУ к поляризации усиливаемого сигнала, когда усиление может меняться, и иногда значительно, в зависимости от поляризации. Ситуация ухудшается в ВОЛС, учитывая, что в них состояние поляризации сигнала не только не контролируется, но в волокне, даже одномодовом, может хаотически меняться под действием случайных изменений формы сердцевины и анизотропии, вызванной статическим напряжением отрезка оптоволокна (эффекты, известные, применительно к одномодовому ОВ, как модовое двойное лучепреломление). Аналогично страдают и системы с WDM (оптическое мультиплексирование с разделением по длине волны), в которых степень поляризации входных сигналов может быть различной.

Изменение поляризации приводит к паразитной амплитудной модуляции (ПАМ) усиления, которая может носить периодический характер (как, например, для усилителей бегущей волны). Степень такой чувствительности зависит от типа ОУ.

Источники шума и динамический диапазон.

Динамический диапазон определяется как диапазон входной мощности оптического сигнала, при котором коэффициент усиления G остается постоянным. Он тесно связан с другим параметром - коэффициентом шума, зависящим от уровня усиленного спонтанного излучения, остаточного сигнала накачки и перекрестной помехи, которые кратко рассмотрены ниже.

Усиленное спонтанное излучение (УСИ).

Оптические усилители добавляют шум к усиливаемому оптическому сигналу. Этот шум обусловлен усиленным спонтанным излучением. Оно возникает под действием случайных возмущающих факторов различной физической природы, вызывающих спонтанное излучение, например нагрева усилителя (тепловые фотоны), а также за счет наличия рассеянных фотонов. Шум приводит не только к уменьшению динамического диапазона, но и к снижению максимально допустимого усиления. Уменьшение динамического диапазона обычно характеризуется известным параметром F- коэффициентом шума:



F = ,

где и значения динамического диапазона на входе и выходе усилителя.

Оценка этого параметра оптических усилителей осуществляется на "электрическом уровне" путем преобразования оптического сигнала в электрический с помощью фотодетектора. Для уменьшения коэффициента шума, вызванного УСИ, сигнал на выходе ОУ фильтруют с помощью полосового оптического фильтра - ПОФ.

Остаточный сигнал накачки.

Существует и еще один специфический источник шума в усилителях с накачкой - остаточный сигнал накачки на выходе усилителя, влияние которого (на передатчик или детектор в системе связи) может быть уменьшено как с помощью фильтра на выходе ОУ, так и путем соответствующего выбора частоты источника накачки.

Перекрестные помехи.

Этот вид помех характерен для многоканальных усилителей в системах WDM. Он проявляется как паразитные амплитудная или частотная модуляции сигнала одного канала другими сигналами.

1.3 Классификация и назначение усилителей

Полупроводниковые оптические усилители.

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 (рис. 5), 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 (рис. 6).

Рис. 5. Усилитель бегущей волны и его частотная характеристика

Рис. 6. Усилитель резонансного типа и его частотная характеристика



Усилители бегущей волны (УБВ) могут быть реализованы с достаточно большим коэффициентом усиления (около 30 дБ при ) широкой полосой (около 5ё 10 ТГц). Для этого необходимо подавление возможных отражений фотонов от торцов (отражение менее 0,1%). Это достигается в конструкциях усилителей, изображенных на рис. 7.

Рис. 7. Конструкции усилителей бегущей волны с активным слоем и подавлением отраженных лучей

Резонансный усилитель Фабри-Перо 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 Фабри-Перо приведено на рис. 8.

Рис. 8. Спектральные характеристики усиления



Пригодные для оптических систем передачи усилители бегущей волны имеют разные коэффициенты усиления для продольных и поперечных мод (мод ТЕ и ТМ) (рис. 9). Поэтому усилители выполняются из двух кристаллов с ортогональным расположением активных усиливающих слоев.

Рис. 9. Усиление для продольных и поперечных мод в УБВ

В таблице 1 приведены характеристики некоторых полупроводниковых усилителей.

Таблица 1 Характеристики полупроводниковых усилителей



Пример конструкции полупроводникового усилителя, совмещенного с лазером передатчика, приведен на рис. 10.

Рис. 10. 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.

Волоконно-оптические усилители на основе редкоземельных элементов.

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

o простота конструкции;

o высокая надежность;

o большие коэффициенты усиления;

o малые шумы;

o широкая полоса усиления;

o нечувствительность к поляризации усиливаемого света и т.д.

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

Функциональная схема ВОУ приведена на рис. 11.

Рис. 11. Функциональная схема ВОУ

Для того чтобы волокно стало усиливающей средой, оно накачивается излучением 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 и волны накачки 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 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.

Рис. 12. Уровневая диаграмма переходов трехвалентного иона эрбия

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 (рис. 12).

Ионы эрбия возбуждаются за счет поглощения энергии волн генератора накачки. 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, вызывающее стимулированное излучение на всей длине активного волокна.

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 л С спонтанное излучение в эрбиевом усилителе может быть подавлено. Характеристики поглощения и излучения атомами эрбия изображены на рис.13.

Рис. 13. Характеристики поглощения и излучения атомов эрбия Er ³⁺, помещенных в сердцевину стекловолокна



Важнейшие характеристики волоконных усилителей приведены в таблице 2.

Таблица 2. Характеристики волоконных усилителей

На рисунке 14 представлена схема оптического ретранслятора, основанного на эрбиевых усилителях

Рисунок 14. Структурная схема оптического ретранслятора с эрбиевыми усилителями

В схеме оптического ретранслятора выделяется канал управления, организуемый на отдельной несущей волне лУ. 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.

Примеры построения усилителя со сглаживанием АЧХ и расширением полосы усиливаемых частот приведены на рисунках 15,16.

Рисунок 15. Структурная схема гибридного оптического усилителя с расширением полосы усиливаемых частот



Рисунок 16. Характеристика усиления гибридного усилителя (рамановское и эрбиевое с корректором)

На рисунке 17 представлена конструкция волоконного усилителя мощности для монтажа в составе модуля оборудования ВОСП.

Рисунок 17. Конструкция ВОУ

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 , деленной на площадь модовой пятки А), длины взаимодействия L волны накачки и сигнальной волны и коэффициента усиления ВКР .

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 18.

Рисунок 18. Зависимость коэффициента усиления от сдвига частоты при =1,55 мкм в волокне SiO₂



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:

где l -действительная длина;

б - затухание волокна (дБ/км);

- эффективная длина взаимодействия волн накачки и сигнала.

На длинных линиях (десятки км) можно считать, что

Величина мощности 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 19. Особенность схемы это встречная по отношению к сигналу накачка от мощного лазерного диода (до 1 Вт).



Рисунок 19. Схема рамановского усилителя со встречной накачкой

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. Пример конструктивного исполнения модуля накачки усилителя Рамана приведен на рисунке 20.

Рисунок 20. Конструктив модуля накачки рамановского ВОУ



Схема оптических и электрических цепей модуля рамановского ВОУ представлена на рисунке 21.

Рисунок 21. Структура схемы накачки рамановского усилителя



2. Расчет основных параметров и характеристик эрбиевого усилителя

2.1 Усиление сигнала

усилитель волоконный оптический

Анализируя работу усилителя на эрбиевом волокне, рассматривали схему уровней, изображенную на рисунке 12. Отвлечемся от способа накачки и ограничимся двухуровневой схемой, в которой уровень «1» - уровень накачки, а возбужденный уровень «2» - это метастабильный уровень.

В основе теории волоконного усилителя лежит следующее соотношение для изменения мощности сигнала при прохождении сигналом небольшого участка волокна длиной :

Здесь и - населенности уровней,

- сечение поглощения сигнала,

- сечение вынужденного излучения на длине волны сигнала.

Для реальной двухуровневой схемы справедливо соотношение, связывающее сечение вынужденного излучения с сечением поглощения света:

=

где и - кратности вырождения основного и возбужденного уровней.

Для иона отношение 8/7. Однако, как это соотношение, так и соотношение , являются приближенными ввиду наличия штарковской структуры.

Если накачка очень мала (как это имеет место при обычных измерениях спектров поглощения и люминесценции), , первым членом в фигурных скобках выражения можно пренебречь и получающееся соотношение:

представляет собой классический закон Бера для поглощения света в дифференциальной форме. Проинтегрировав получаем обычную форму закона Бера:

В выражении N - полная концентрация ионов эрбия, которая при малой накачке практически равна населенности основного уровня ;

k - коэффициент поглощения, измерение которого на спектрофотометре позволяет определить сечение поглощения из основного состояния.

Таким образом, при малой накачке выражение описывает обычное поглощение света. При постепенном увеличении накачки первое слагаемое в становится сопоставимыми по величине со вторым слагаемым, что означает увеличение вклада вынужденного излучения. Экспериментально это проявляется в уменьшении поглощения сигнала образцом. Когда слагаемое в становится равным по модулю, фигурная скобка равна нулю, поглощение исчезает и сигнал проходит в волокно, не изменяясь по величине. Наконец, когда из-за увеличения накачки первое слагаемое в превышает второе, все выражение становится положительным . Сигнал при прохождении волокна усиливается. Выражение в фигурных скобках получает смысл коэффициента усиления. Его величина меняется вдоль волокна (зависит от координаты «х»), так как меняется заселенность возбужденного уровня .

Коэффициент усиления, определяемый уравнением , может быть назван «дифференциальным». Наряду с ним для характеристики усилителя применяется «интегрированный коэффициент усиления», который определяется по формуле:

= 10log,

где - выходная мощность сигнала в мВт на конце усилителя.

- заданная мощность сигнала в мВт в начале усилителя (на входе усилителя).

В серийных эрбиевых усилителях типичные значения коэффициента усиления слабого сигнала находятся в районе 30 дБ.

2.2 Выходная мощность сигнала и энергетическая эффективность накачки

Одно из применений оптических усилителей в системах связи - усиление мощности сигналов, вводимых в волоконно-оптическую линию связи. Выходная мощность сигнала определяет расстояние до следующего усилителя. Поэтому важными параметрами эрбиевых усилителей, работающих в качестве усилителей мощности, является выходная мощность и энергетическая эффективность PCE накачки. Энергетическая эффективность определяется отношением изменения мощности сигнала к мощности накачки:



.

Для того чтобы обеспечить высокую энергетическую эффективность, необходимо, что бы практически все фотоны накачки передавали свою энергию фотонам сигнала. Отношение числа фотонов сигнала поглощенных фотонов накачки называется квантовой эффективностью накачки:

.

Так как энергия фотона выходного излучения меньше энергии фотона накачки, то энергетическая эффективность меньше квантовой и зависит от соотношения длин волн накачки и сигнала :

.

Следовательно, для получения максимальной энергетической эффективности перспективнее использовать накачку на длине волны 1480 нм, а не на длине волны 980нм. В настоящее время при накачке на длине волны 1480 нм достигнута энергетическая эффективность 86%, при квантовой эффективности 91%. Накачка на длине волны 980нм позволяет получить энергетическую эффективность 55% при квантовой эффективности 86%.

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

Таким образом, для получения максимальной энергетической эффективности для накачки эрбиевого усилителя целесообразно использовать излучение на длине волны 1480 нм, в то же время накачка на длине волны 980 нм обеспечивает меньшее значение шума усиленного спонтанного излучения.

2.3 Усиленное спонтанное излучение и шум усилителя

Возбужденные ионы эрбия могут возвращаться в основное состояние путем испускания спонтанного излучения. Это излучение усиливается за счет вынужденных переходов так же, как и сигнал. В английской научной литературе это излучение получило название «amplified spontaneous emission» (ASE) - усиленное спонтанное излучение. Так как ASE не скоррелировано с сигналом, то оно является источником шума усилителя.

Для характеристики качества оптического усилителя вводится параметр , получивший название шум-фактор. Величина шум-фактора является мерой ухудшения отношения сигнал/шум входного когерентного сигнала при прохождении через оптический усилитель.

Для вычисления шум-фактора используем формулу:

= 10log

где - выходная мощность в мВт в ASE волне на длине волны сигнала;

v - частота сигнала и соответствующей ASE волны;

Дv - спектральная полоса представленная ASE волной;

- выходная мощность сигнала в мВт на конце усилителя;

- заданная мощность сигнала в мВт в начале усилителя.

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

Если во входном сигнале присутствует «классический» шум, например усиленное спонтанное излучение от предыдущего усилителя, то ухудшение отношения сигнал/шум будет меньше значения шум-фактора:

1< ?

Поскольку коэффициент шума при большом усилении зависит только от соотношения населенностей метастабильно уровня 2 и основного уровня 1:

? 2? /

То обеспечить минимальное значение шума с использованием накачки большой мощности на длине волны 980 нм, работающей по трехуровневой схеме. В этом случае теоретически населенность основного уровня 1 может быть снижена практически до нуля. Излучение накачка на длине волны 1480 нм само эффективно взаимодействует с ионов эрбия, находящимся на метастабильном уровне энергии 2, а это приводит к тому, что населенность уровня 1 не может быть снижена до нуля. Поэтому уровень шума при использовании накачки на длине волны 1480 нм выше, чем при использовании накачки на длине волны 980 нм. При накачке во встречном по отношению к сигналу направлении шум-фактор тоже несколько выше, чем при сонаправленной накачке, поскольку очень важно обеспечить большую населенность метастабильного уровня 2 и малую населенность уровня 1 там, где сигнал слабый.



2.4 Ширина и равномерность полосы усиления

Ширину полосы усиления можно определить разными способами. В любом случае этот параметр должен дать информацию о том, что в определенном диапазоне длин волн значение усиления не ниже некоторого граничного уровня. Как правило, этот уровень составляет -3 дБ от максимального значения коэффициента усиления.

Ширина полосы усиления определяется спектром излучения ионов эрбия в материале сердцевины оптического волокна. Определяющее влияние материала сердцевины волокна 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 и определяет ширину полосы излучения. Чем шире полоса излучения, тем более широкого спектра усиления можно добиться при конструировании усилителя.

Увеличивая длину активного волокна, удается получать достаточно большой коэффициент усиления вплоть до длины волны 1560 нм, при превышении которой усиление резко спадает. Таким образом, ширина полосы усиления для традиционной конфигурации усилителя составляет примерно 30нм (1530 - 1560 нм). Эта полоса усиления имеет название стандартного диапазона (С-диапазона). Значение сечения вынужденного излучения иона эрбия имеет заметное значение вплоть до 1600нм. При этом поглощение в области 1560 - 1600 нм падает очень быстро, что позволяет использовать и этот диапазон для усиления световых сигналов.

Таким образом, оказывается возможным усиление в так называемом длинноволновом диапазоне (L - диапазоне), если использовать длинное эрбиевое волокно. Следует отметить, что при такой конструкции усилителя активная среда оказывается не полностью инвертированной, и для оптических сигналов в С - диапазона такое устройство работает как поглотитель. Поэтому перед усилением оптические сигналы разделяются по диапазонам С и L, и для каждого используется свой усилитель. Спектральные характеристики усиления в обоих диапазонах представлены на рисунке 22.

Рисунок 22. Спектральные характеристики двухдиапазонного усиления



3. Графический материал

Рисунок 23. Зависимость коэффициента усиления оптического усилителя от мощности входного (усиливаемого) сигнала

а б

Рисунок 24 а - зависимость коэффициента усиления G эрбиевого усилителя от длины волокна, б - зависимость NF - фактора и коэффициента усиления G от мощности накачки.



Рисунок 25. Усиление эрбиевого усилителя в зависимости от длины волокна и мощности накачки

Рисунок 26. Усиление эрбиевого усилителя в зависимости от выходного сигнала



Рисунок 27. Спектральные зависимости коэффициентов шума (NF) и усиления (G) эрбиевого усилителя для двух значений входного сигнала



Заключение

Современные высокоскоростные ВОСП отличаются не только большими скоростями передачи (STM-4, STM-16, STM-64), но и большими длинами безрегенерационных участков -- до 200 км для систем STM-16 между точками S (передатчик) и R (приемник) при мощности излучения лазера не более 2 мВт (3 дБм). Это стало возможным благодаря применению на передаче и приеме оптических усилителей. Применение так называемых промежуточных (или линейных) оптических усилителей позволяет увеличить длину безрегенерационных участков до 600 км и более. Оптические усилители стали также неотъемлемым элементом многоволновых систем передачи (WDM). Оптические усилители все шире начинают использоваться и в оптических сетях доступа, в том числе в сетях передачи данных ETHERNET и в сетях кабельного телевидения.

Появление оптических усилителей на основе легированных эрбием световодов, коэффициент усиления которых может достигать 30 дБ, открыло новые возможности для построения систем оптической связи. Однако, усилители в оптических линиях кабельного телевидения используются редко, поскольку в этом, как правило, нет необходимости. Современные оптические волокна обладают высочайшим качеством передачи, например, одномодовое волокно с рабочей длиной волны 1550 нм позволяет передать сигнал на расстояние более 50 км. Для создания транспортной или магистральной линии передачи сети КТВ этого более чем достаточно. Действительная потребность в оптическом усилении возникает на транспортных линиях глобальных телекоммуникационных сетей, протяженность которых достигает сотен и тысяч километров. Примерами являются трансатлантическая линия ТАТ-8 (США - Европа), тихоокеанская линия ТРС-3 (США - Гавайские острова - Япония), глобальное оптическое кольцо Япония - Сингапур - Индия - Саудовская Аравия - Египет - Италия.



Список использованных источников

1. Кущ Г.Г., Шандаров В.М. «Проектирование оптоэлектронных и квантовых приборов и устройств». Учебно-методическое пособие по курсовому проектированию Томск. ТУСУР, 2007 -101 с.

2. Дианов Е.М., Карпов В.И., Курков А.С., Протопопов В.Н. «Методы сглаживания спектра усиления эрбиевых волоконных усилителей». Квантовая электроника. 1996 сс. 1059-1064.

3. Шумкова Д.Б., Левченко А.Е. «Специальные волоконные световоды». Учебно-методическое пособие. Пермский национальный исследовательский политехнический университет. 2011 сс. 84-99.

4. Материалы сайта

http://ndo.sibsutis.ru/magistr/courses_work/vosp_work/lec7.htm

5. Материалы сайта

http://www.fiberman.ru/articles/elektro-component/amplifier/

6. Материалы сайта

http://kunegin.com/ref4/vols/

Размещено на Allbest.ru

...