Фильтры
с
регулируемой
полосой
пропускания,
настраиваемые
фильтры
с
интерференционным
покрытием.
и
основные
характеристики
перестраиваемого оптического фильтра компании DiCon
Интерференционные фильтры могут также использоваться в качестве дешевых узкополосных настраиваемых волоконно- оптических фильтров. Выбор длины волны в таких фильтрах может осуществляться с изменением угла наклона плоскости фильтра, его линейным перемещением или вращением (рис.
1.47). При этом настройка фильтра выполняется или вручную посредством микропозиционирующего устройства, или с помощью электрического привода.
При настройке длины волны угловым перемещением центральная длина волны фильтра может быть определена как где Лц и Л
ф
— центральная длина волны при нормальном падении и при падении под углом <р; к — коэффициент.
Здесь следует отметить, что при такой настройке имеют место зависимые от поляризации потери, которые увеличиваются с увеличением угла падения световой волны на фильтр, так как ортогонально поляризованные моды фильтруются по-разному. Однако некоторые методы нанесения покрытия могут уменьшать этот эффект.
Переменный фильтр с линейным перемещением, так же как и с угловым перемещением, обеспечивает низкие вносимые потери, низкий PDL и узкую полосу в области более коротких длин волн [3].
Помимо этого, данные фильтры позволяют осуществлять регулирование полосы пропускания. Так, на рис. 1.48 представлен фильтр, который позволяет осуществлять ручное регулирование в пределах от 0.8 до 3.0 нм на заданной центральной длине волны, например 1560 нм.
Данный фильтр отличается малыми габаритами и предназначен для пропускания определенной полосы длин волн с выхода широкополосных источников излучения в тестируемую WDM систему. Он может применяться также для настройки центральной длины волны и устранения шумов на входе приемника системы передачи с большим количеством используемых длин волн.
Приведенный фильтр используется для ручной настройки центральной длины волны с узкой полосой пропускания в диапазоне около 20 нм в окне 1310 нм и в диапазоне 25 нм в окне 1550 нм. В нем также применяется тонкопленочный интерференционный фильтр с твердым покрытием, установленный между двумя расположенными под углом волоконно-оптическими коллиматорами.
Посредством поворота ручки точной настройки центральная длина волны может быть установлена в пределах 0.05 нм. При этом его основные параметры (табл. 1.10) практически не уступают рассмотренным выше фиксированным фильтрам.
Очевидно, что введение электрического привода позволяет автоматизировать процесс настройки, однако скорость установки параметров фильтра в этом случае не будет лучше нескольких миллисекунд.
По сравнению с другими перестраиваемыми полосовыми фильтрами настраиваемые фильтры с интерференционным покрытием обеспечивают гибкость в регулировании полосы фильтра от 1 до 10 нм, имеют низкие потери, не превышающие 2-3 дБ в диапазоне настройки, равном 30 нм, и обеспечивают температурную стабильность выше 0.01 нм/
°С. Кроме того, они значительно дешевле наиболее распространенных акустооптических фильтров и резонаторных фильтров Фабри-Перо.
Акустооптические фильтры, а также резонаторы Фабри-
Перо как Волоконно-оптические -оптические фильтры.
Рис 2.
Рис 3.
WDM Волоконно-оптические интерференционные фильтры - реализация для много-входовых селекторов на основе трехполюсного делителя (непоглощающего интерференционного фильтра), Оптические усилители для WDM систем – особенности построения и характеристик В зависимости от области использования
оптические усилители делятся на предварительные, линейные и усилители мощности (рис.
1.2).
Предварительные усилители (предусилители) устанавливаются непосредственно перед приемником регенератора и способствуют увеличению отношения сигнал/шум на выходе электронного каскада усиления в оптоэлектронном приемнике. Оптические предусилители часто используются в качестве замены дорогих когерентных оптических приемников.
Рис. 1.2 — Применение оптического усилителя
Линейные усилители устанавливаются в протяженных линиях связи между регенераторами или на выходе оптических разветвителей с целью компенсации ослабления сигнала, происходящего ввиду затухания в оптическом волокне или в оптических разветвителях, ответвителях и мультиплексорах WDM. Линейные усилители заменяют оптоэлектронные регенераторы,огда нет необходимости в точном восстановлении сигнала.
Усилители мощности (бустеры) устанавливаются непосредственно после лазерных передатчиков для дополнительного усиления сигнала до уровня, который не может быть достигнут на основе лазерного диода.
Бустеры могут также устанавливаться перед оптическим разветвителем, например при передаче нисходящего трафика в гибридных волоконно-коаксиальных сетях кабельного телевидения.
Особенности построния:Усиление света в оптических системах осуществляется за счет энергии внешнего источника.
Основой усилителя является активная физическая среда,в которой за счет энергии стороннего источника подкачки происходит увеличение мощности излучения информационного сигнала. В качестве активной среды применяются полупроводниковые среды или волокно, допированное различными примесями. В качестве примесей чаще всего встречаются редкоземельные металлы: эрбий (Er), неодим (Nd), празеодим (Pr) и тулий (Tm). Накачка этих сред осуществляется непрерывно или импульсно. При усилении может происходить преобразование спектра входного сигнала, т.е. выходной сигнал может быть смещен в частотном диапазоне.
В табл. 1.1 указана степень значимости параметров EDFA в зависимости от типа усилителя.
Таблица 1.1Сравнительный анализ параметров трех типов OA К оптическим усилителям предъявляется ряд требований: · высокий коэффициент усиления в заданном диапазоне оптических частот;
· малые собственные шумы;
· нечувствительность к поляризации;
· хорошее согласование с волокном;
· минимальные нелинейные и линейные искажения оптических сигналов;
·
большой динамический диапазон входных сигналов;
· широкая полоса усиления для ВОСП-СР;
Этим требованиям в наибольшей степени отвечают полупроводниковые и волоконные усилители, настроенные на стандартные три окна прозрачности волокна: 0,85; 1,31 и 1,55 мкм.
Существуют три основных типа оптического усилителя, используемые в ВОСП-СР: полупроводниковые усилители, усилители на допированном волокне и рамановские усилители
(рис. 1.3). В отличие от остальных оптических усилителей полупроводниковые усилители могут быть спроектированы для любой длины волны, где работают лазеры в составе передающих оптических модулей.
Оптические усилители на волокне, использующие
бриллюэновское
рассеяние.
Стимулированное
бриллюэновское рассеяние - нелинейный эффект.
Характеристики
В данном виде оптических усилителей усилениеоптических колебаний происходит в результате рассеяния излучения накачки на атомах вещества, из которого состоит волокно. Усилитель работает на основе эффекта Мандельштамма — Бриллюэна, возникающем в волокне при большой мощности накачки.
Волоконный усилитель
Бриллюэна накачивается оптически, и часть накачиваемой мощности передается сигналу через рассеяние. Физически каждый фотон накачки отдает часть энергии на создание фотона с частотой сигнала, а часть — на создание акустического фотона. Другими словами, волны накачки рассеиваются на акустической волне, движущейся через среду со скоростью звука.
Особенности усиления Бриллюэна: усиление имеет место только при встречной схеме накачки; сдвиг частоты сигнала по отношению к частоте накачки меньше 10 ГГЦ и зависит от частоты накачки; спектр усиления чрезвычайно 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.
23. Оптические усилители на волокне, использующие
рамановское рассеяние. переходные помехи между
усиливаемыми каналами
Рамановские усилители (RA — Raman Amplifier) строятся на основе стимулированного рамановского рассеяния, возникающего в результате распространения излучения в длинных волокнах. В рамановском усилителе оптические волны сигнала и накачки вводятся в оптоволокно через направленный разветвитель типа WDM (рис. 1.7). Энергия передается от накачкик сигналу благодаря процессу рассеяния
Рамана при одновременном их распространении в волокне
Рис. 1.7 — Схема волоконного рамановского оптического усилителя
В результате рамановского рассеяния фотоны изменяют свою траекторию и отдают часть своей энергии. По существу усиление характеризуется длиной волны накачки в полосе от
300 до 2000 нм. Спектр рамановского усиления кварцевого волокна превышает ширину в 40 ТГц со смещенным пиком вблизи 13,2 ТГц (100 нм). Способность среды усиливать оптический сигнал характеризуется рамановским коэффициентом g
R
, величина которого зависит от частоты усиливаемого излучения и от свойств материала. Для кварца максимальное значение g
R
сдвинуто относительно частоты излучения накачки на 13 ГГц.
Усиление происходит, если и информационный сигнал, и сигнал накачки имеют одинаковую поляризацию.
На ВОЛС используются рамановские усилители двух конфигураций: распределенный (DRA — Distributed Raman
Amplifier) (рис. 1.8,а) и дискретный (LRA — Lumped Raman
Amplifier) (рис. 1.8,б).
Сигналы двух ортогонально поляризованных диодов лазерной накачки мультиплексируются и объединяются в WDM для создания встречной накачки в передающем волокне.
В результате распространяющийся в прямом направлении сигнал получает рамановское усиление в волокне.
Использование встречной накачки уменьшает влияние шума накачки на сигнал.
Выходная характеристика распределенного рамановского усилителя зависит от свойств передающего волокна, таких как поглощение сигнала накачки, эффективная площадь Аeff и рамановский коэффициент усиления g
R
Мощность накачки Рн на длине волокна L определяется затуханием, вносимым этой длиной, с коэффициентом затухания на длине волны накачки.
Для выравнивания АЧХ, а также расширения полосы усиления следует производить накачку не на одной частоте или длине волны, а на двух-трех длинах волн.
Для накачки распределенного рамановского усилителя используются встречная, сонаправленная и двухсторонняя накачка.
Насыщение усиления (предельное значение коэффициента усиления) обусловлено уменьшением мощности накачки вдоль линии распространения накачки.
24. Полупроводниковые лазерные усилители – принцип действия, характеристики, . интеграция ППЛУ с другими оптическими устройствами. Полупроводниковые усилители (OSA — Optical Semiconductor
Amplifier) работают на основе хорошо известных принципов полупроводниковых лазерных диодов и осуществляются, как правило, по двум схемам:
- резонансные усилители, в которых эффект усиления и отсутствие лазерной генерации обеспечивается за счет того, что уровень постоянного тока накачки в рабочем режиме выбирается ниже порогового значения;
-
усилители бегущей волны, в которых эффект оптического усиления наблюдается при распространении входного излучения в инверсной среде активного слоя с просветленными гранями.
Возбуждение в обоих типах OSA достигается внешней электрической накачкой.
OSA с резонатором Фабри — Перо (OSA-FP) являются разновидностью резонансных OSA. OSA-FP состоит из усиливающей среды, заключенной в плоский резонатор с зеркальными полупрозрачными стенками.
OSA-FP обеспечивают высокий коэффициент усиления (до 25 дБ) в очень узком (1,5 ГГц), но широко перестраиваемом (800 ГГц) спектральном диапазоне (рис. 1.4,а). Кроме этого, эти устройства чувствительны к поляризации 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 могут всегда быть перестроены для усиления одной определенной длины волны одного канала из входного многоканального WDM-сигнала.
Усилитель бегущей волны (OSA-TW) — полупроводниковый усилитель, ограничивающие поверхности которого покрыты антиотражающим покрытием (рис. 1.4,б). OSA-TW состоит из центральной активной секции около 600 и двух пассивных секций по 100 мкм длиной. Центральный слой представляет собой раздельную удерживающую гетероструктуру и состоит из объемного активного слоя толщиной 0,2 мкм, заключенного между двух четвертьволновых слоев по 0,1 мкм. Активный слой сужается на длине 150 мкм, что обеспечивает оптическое согласование с основным пассивным волноводом. Такой тип структуры обеспечивает высокий коэффициент локализации вследствие разницы между показателями преломления слоев в широкой области и увеличенный точечный размер на торцах для увеличения коэффициента согласования с волокном.
1.2 OSA Полупроводниковые усилители имеют ряд недостатков, которые делают их использование непрактичным в качестве линейного усилителя.
Среди этих недостатков можно отметить чувствительность к поляризации, большие потери при вводе в волокно, переходные помехи между каналами.
Эти недостатки нивелируются в тех случаях, когда
OSA интегрирован с другими оптическими устройствами. Именно так преимущественно и используются OSA. Одна из возможностей интеграции — производство совмещенного светоизлучающего лазерного диода, непосредственно на выходе которого устанавливается OSA.
25. Усилители на примесном волокне Общие сведения об EDFA Классификация EDFA по способам применения Усилитель на допированном волокне основан на оптическом волокне с примесью редкоземельного материала, в основном эрбия Er. Усилители на волокне, легированном эрбием, обеспечивают непосредственное усиление оптических сигналов, без их преобразования в электрические сигналы и обратно,
обладают низким уровнем шумов, а их рабочий диапазон длин волн практически точно соответствует окну прозрачности кварцевого оптического волокна. Именно благодаря появлению усилителей с таким сочетанием качеств линий связи и сети на основе систем DWDM стали экономически привлекательными.
Длина допированного волокна, как правило, колеблется от 20 до 100 м. DFA получили наибольшее распространение в ВОСП-
СР. Это связано с рядом их неоспоримых достоинств по сравнению с остальными OA: простотой конструкции; высокой надежностью; большими коэффициентами усиления; малыми шумами; широкой полосой усиления; нечувствительностью к поляризации усиливаемого сигнала и т.д.
Усилитель на волокне, легированном эрбием (EDFA) является одним из наиболее практичных, однако его применение ограничено окном прозрачности 1550 нм. Усиление в EDFA происходит по всей длине волокна, легированного редкоземельным металлом эрбием. Усилитель EDFA состоит из двух активных элементов: активного волокна, легированного
Еr3+, и полупроводникового лазера накачки с одной или несколькими из следующих длин волн: 1480, 980, 800, 670 и
521 нм.Для подачи сигнала накачки в волокно требуется, по крайней мере, один разветвитель, селективный к длине волны.
Реально используются длины волн 1480 и 980 нм. Для накачки предпочтительно использовать GaAs лазерные диоды.
Усилители EDFA могут использоваться по-разному, в зависимости от выбранной области коэффициента усиления: в режиме насыщения (область С) — как усилитель мощности
(УМ) сразу после лазера передатчика. УМ повышает мощность сигнала и позволяет максимально увеличить мощность сигнала до первого повторителя; в режиме промежуточных значений усиления (область В) — как повторитель. Повторитель усиливает сигнал, насколько это возможно, внося при этом как можно меньше шума; в режиме наименьшего шума (область А) — как предусилитель перед приемником. Предусилитель повышает мощность слабого сигнала в конце линии связи. Предусилитель практически всегда используется вместе с узкополосным фильтром.
В современных усилителях EDFA имеется ряд компонентов, которые увеличивают их надежность. Изоляторы подавляют обратное распространение усиленной спонтанной эмиссии и предохраняют усилитель от попадания всевозможных отраженных сигналов и излучения накачки от EDFA, расположенных далее по линии связи. Устройства компенсации
дисперсии выравнивают временные задержки, возникающие при распространении сигналов различных длин волн, особенно между двумя каскадами двухкаскадного EDFA.
26. Принцип действия EDFA Технические параметры и характеристики EDFA Основные структурные схемы EDFA. Принцип действия DFA основан на эффекте возбуждения посредством внешней накачки атомов редкоземельного материала, помещенных в сердцевину обычного одномодового стекловолокна. Редкоземельные металлы выбраны таким образом, чтобы имелись зоны поглощения внешней энергии и создавалась инверсная населенность, которая приводит к спонтанной и вынужденной люминесценции.
При этом вынужденное свечение обусловлено входным сигналом и совпадает с ним по длине волны. Наиболее подходящими для DFA считаются редкоземельные празеодим Pr, неодим Nd, эрбий Er, тулий
Tm, совместно эрбий Er и иттрий Y, а также гольмий, самарий, таллий. Они позволяют создать DFA, работающий на различных длинах волн от 500 до 3500 нм. Наибольшее распространение среди DFA получили эрбиевые усилители
EDFA (Erbium Doped Fiber Amplifier). Функциональная схема
DFA приведена на рисунке 1.5.
Для того, чтобы волокно стало усиливающей средой, оно накачивается излучением λp от отдельного лазера. При этом возможны как прямая (сонаправленная) и встречная
(противонаправленная) накачка от одного лазера, так и двусторонняя накачка (прямая + встречная) от двух лазеров.
Система контроля усиления управляет током накачки лазера благодаря обратной связи, устанавливаемой через делитель мощности. Усиливаемый сигнал λs и накачка λp объединяются в мультиплексоре и направляются в оптическое волокно с примесью, где происходит увеличение мощности сигнала. Большая часть мощности усиленного сигнала (95 %) проходит через фильтр на выход. Фильтр отсекает накачку λp и шумы вне полосы частот сигнала.
Оптический изолятор исключает прохождение отраженных в усилителе сигналов во входящее волокно.
Определим ключевые параметры
, характеризующие
EDFA: мощность насыщения
, коэффициент усиления
, мощность усиленного спонтанного излучения и шум
-фактор
. Мощность насыщения
Ps.o (Saturation Output Power) — определяет максимальную выходную мощность усилителя
. Большее значение мощности позволяет увеличивать расстояние безретрансляционного участка
. Этот параметр варьируется в
зависимости от модели оптического усилителя. У мощных
EDFA он может превосходить
36 дБм
. Коэффициент усиления
Скачать 1.86 Mb.