Конспект лекций по дисциплине восп для студентов специальности 210404 Многоканальные телекоммуникационные системы

• Название: Конспект лекций по дисциплине восп для студентов специальности 210404 Многоканальные телекоммуникационные системы
• Анкор: Volokonno-opticheskie_sistemy_peredachi_chast1.doc
• Дата: 25.12.2017
• Размер: 4.71 Mb.
• Имя файла: Volokonno-opticheskie_sistemy_peredachi_chast1.doc
• Тип: Конспект лекций; #12847
• страница: 5 из 5

Рисунок 3.47 – Пример конструкции ППЛУ, совмещённого с лазером передатчика

Конструкция выполнена на одной подложке. Лазер отделён от усилителя изолирующим слоем FеInP, который прозрачен для оптического излучения.

3.11 Волоконные оптические усилители, легированные редкоземельными элементами

Оптические усилители, использующие в качестве активного материала редкоземельные элементы РЗЭ (или лантаноиды - элементы с 57 по 71 в Периодической таблице Менделеева), были известны достаточно давно, однако, активное исследование этого типа усилителей началось только с конца 80-х (1987) и активизировалось с появлением высококачественного ОВ и систем WDM.

Объяснение принципа работы таких усилителей базируется на следующем. В процессе изготовления основной материал (в нашем случае стекло ОВ) легируется (т.е. к нему добавляются примеси редкоземельных металлов). Длина легированного таким образом оптического волокна заключается в пределах от одного до нескольких десятков метров. В практиче­ских схемах это оптическое волокно длиной 5-25 метров сворачивается в небольшую бухточку диаметром 10 – 15 см и подключается через специальные разъемы к другим элементам схемы оптического усилителя. На рисунке 3.48 показано рас­положение активной среды в оптическом волокне.


Рисунок 3.48 – Рас­положение активной среды в оптическом волокне ВОУ
Как видно из рисунка, активная среда располагается в сердцевине волокна имеющего диаметр 5 мкм, обеспечивая тем самым максимальное воздействие энергии накачки и полезного сигнала на активную область. Слой оболочки с более низким показателем преломления окружает сердцевину, на которую на­носится защитное покрытие, такое же, как и у стандартного волокна.

Ионы примесей редкоземельных металлов создают активную среду для усиления в определенных полосах длин волн. Примесные ионы могут быть легко возбуждены излучением лазерной накачки соответствующих длин волн, а затем относительно легко могут (под действием принятого информационного светового сигнала) сбросить возбужденные электроны на нижний уровень в процессе релаксации.

Для легирования с целью последующего усиления до недавнего времени использовали, как правило, только три РЗЭ: неодим (Nd) и празеодим (Pr) - для усиления сигналов в окне 1300 нм, эрбий (Er) - для усиления сигналов в окне 1550 нм. В последнее время к ним добавился иттербий (Yb), применяемый совместно с Er, что позволяет использовать новые более мощные источники накачки.

Усилители для окна прозрачности 1300 нм

Из указанных первых двух РЗЭ оптический усилитель на ОВ, легированном неодимом ОУЛН (NDFA), работает на длине волны порядка 1340 нм и едва ли может быть использован для получения существенного усиления на рабочей длине волны систем связи 1310 нм. Более удачным в этом плане можно считать оптический усилитель на 0В, легированном празеодимом ОУЛП (PDFА).

Усилители для окна прозрачности 1550 нм

Таким усилителем является оптический усилитель на ОВ, легированном эрбием ОУЛЭ (EDFA). Этот тип усилителя использует кварцевое стекло в качестве материала для легирования эрбием. Источником накачки могут служить лазеры с длинами волн, 980 и 1480 нм. Из них лазеры на 980 нм соответствуют трехуровневой модели взаимодействия, а на 1480 нм - двухуровневой модели.

Накачка с ППЛ, работающего на λ_нах=1480 нм позволяет:

- получить большую мощность накачки (до 100 мВт);

- малое затухание оптического волокна, легированного эрбием на этой дли­не волны накачки;

С другой стороны, накачка с ППЛ, работающего на λ_нак=980 нм позволяет:

- получить малый коэффициент шума, обусловленный спонтанной эмисси­ей;

Отметим еще одну особенность усилителей ЕDFА. Она связана с геометрическими размерами эрбиевого оптического волокна: диаметр волокна равен 4-6 мкм. В тоже время диаметр линейного кварцевого одномодового волокна равен 9-10 мкм. Возникают трудности стыковки этих оптических волокон. Для этой цели используются линзовые устройства или фоконы (коническое оптиче­ское волокно).

В настоящее время используются следующие схемы накачки:

а) схема однонаправленной накачки;

б) схема обратно направленной накачки;

в) схема двунаправленной накачки;

г) схема совмещенной накачки.

На рисунке 3.49 представлены схемы отмеченных выше накачек.

Рисунок 3.49 – Принцип действия оптического усилителя на примесном волокне
В схеме однонаправленной накачки (рисунок 3.49 а) оптическое излучение накачки от лазерного диода (ЛД) вводится во вход­ной торец эрбиевого оптического волокна (ЭОВ) с помощью мультиплексора (МUХ), на второй вход МUХ подается оптический сигнал, который необходимо усилить. Для устранения положительной обратной связи и отражений от торцов ЭОВ, с тем, чтобы усилитель не превратился в генератор, в него вводятся опти­ческие изоляторы (И). Такая схема накачки обычно используется на передаю­щей станции с целью увеличения оптической мощности, вводимой в линейное оптическое волокно. Недостатком этой схемы является, наличие на выходе усилителя излучения на­качки. Для устранения этого на выходе ВОУ включают оптический заграж­дающий фильтр с центральной частотой, соответствующей частоте накачки, либо используют лазер с λнак = 980 нм, сигнал которого быстро затуха­ет при распространении в линейном оптическом волокне.

В схеме обратно направленной накачки (рисунок 3.49 б) излучение накачки вводится че­рез выходной торец ЭОВ с помощью мультиплексора (МUХ) от источника излучения лазерного диода (ЛД).

Принцип действия ЕDFА объясним на примере схемы 3.49 б.

Слабый входной оптический сигнал проходит через оптический изолятор И, который пропускает свет в прямом направлении (слева направо), но не пропускает рассеянный свет в обратном направлении. Затем сигнал попадает в катушку с волокном легированным эрбием ЭОВ. Это волокно подвергается сильному непрерывному излучению лазерного диода, установленного с противоположной стороны волокна. ППЛ накачки имеет более короткую длину волны, чем входной сигнал (980 нм или 1480 нм).

Свет от лазера накачки возбуждает атомы примеси в эрбиевом волокне. При наличии слабого входного сигнала происходит индуцированный переход атомов из возбужденного состояния в основное с излучением света той же длины волны, с той же самой фазой и поляризацией, что и повлекший это входной сигнал. Усиленный сигнал поступает в выходное волокно через оптический изолятор, который предотвращает попадание обратного рассеянного сигнала из выходного сегмента в активную область ОУ. Такой способ накачки усилителя чаще всего применяется в предусилителях на прием­ной стороне.

В схеме двунаправленной накачки (рисунок 3.49 в) используются два ЛД. Это позволяет получить большую выходную мощность усиленного сигнала и более равномер­ную АВХ усилителя.

В схеме совмещенной накачки (рисунок 3.49 г) используются два каскада (элемента) усиления. Усилитель обладает высокими качественными показате­лями, поскольку сочетает положительные качества схем с λ_нак=980 нм и λ _нак=1480 нм. Так первый каскад (элемент) обеспечивает высокое усиление сигнала при низком уровне помех; второй каскад (элемент) является усилите­лем мощности и позволяет получить высокий уровень выходного сигнала.

Активной средой усилителя является одномодовое волокно, сердцевина которого легируется эрбием с целью создания трехуровневой атомной системы.

Рисунок 3.50 – Схема уровней энергии эрбиевого волокна

Лазер накачки возбуждает атомы примесив ОВ, в результате чего электроны с основного состояния (уровня А в валентной зоне) переходят в возбужденное состояние (Уровень С в зоне проводимости), далее происходит релаксация электронов с уровня С, на промежуточный уровень В (в зоне проводимости). Уровень В является метастабильным уровнем, это значит, что электроны могут находиться на нём достаточно долго без релаксации (≈1мс), т. е. среднее время до спонтанного испускания фотона достаточно велико (по сравнению с уровнем С, где электроны могут находиться ≈ 1мкс). Когда заселенность уровня В становится достаточно высокой, так что образуется инверсная заселенность уровней А и В, то такая система способна индуцировано усиливать входной оптический сигнал в определенном диапазоне длин волн.
3.12 Основные технические параметры оптических усилителей

1. 
   Коэффициент усиления
   
2. 
   амплитудно-волновая характеристика (АВХ) ОУ,
   
3. 
   мощность насыщения,
   
4. 
   шум-фактор,
   
5. 
   диапазон рабочих (усиливаемых) длин волн.
   

1. 
   Коэффициент усиления G (gain) и его логарифмический эквивалент
   

g = 10 lg G [дБ] определяются из соотношения G = P_вых/P_вх, или g = p_вых-p_вх

где P_вх и P_вых – мощности (полезных) сигналов на входе и выходе усилителя, маленькие буквы p обозначают уровни сигнала [дБм]. Коэффициент усиления оптического усилителя EDFA зависит от длины волны и мощности входного сигнала. Усиление ОУ может достигать 30 дБ (1мкВт на входе и 1мВт на выходе).

2. 
   Амплитудно-волновая характеристика (АВХ) ОУпредставляет зависи­мость G(λ) усиления ВОУ от длины волны входного сигнала при постоянной входной мощности оптического сигнала, рису­нок 3.51. Амплитудно-волновая характеристика (АВХ) неравномерна в диапазоне 1530-1540 нм и зависит от мощности входного сигнала (рисунок 3.52).
   

Рисунок 3.51 - Амплитудно-волновая характеристика ОУ

Рисунок 3.52 - Зависимость коэффициента усиления EDFA от длины волны входного сигнала при фиксированных значениях мощности оптического сигнала на входе усилителя

3. 
   Мощность насыщения Рнас на выходе усилителя.
   

Данный параметр легко понять по кривой зависимости выходной мощности усилителя (в данном случае усилителя ЕDFА) от мощности входного сигна­ла, представленной на рисунке 3.53. Из данного графика видно, что выходная мощность возрастает линейно с ростом входной мощности в пределах от -40 до -10 дБм (область А-Б). Дальнейший рост Р_вых. замедляется вследствие насыщения усилителя и на­чиная с 20 дБм Р_еых= Р_вх , при этом G = 1. Это и есть режим насыщения, т.е. Рвых=Рнас.

До определенного (малого) уровня входной мощности усиление практически постоянно, затем оно начинает экспоненциально падать (см. рисунок 3.54) с ростом уровня входной мощности.

Рисунок 3.53 - Зависимость выходной мощности эрбиевого оптического усилителя от входной мощности сигнала.




Рисунок 3.54 - Зависимость 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 Рн на выходе усилителя, определяется по выходной характеристике на уровне минус 3 дБм, при котором коэффициент усиления g падает в два раза.

Усиленное спонтанное излучение.

Оптические усилители добавляют шум к усиливаемому оптическому сигналу. Этот шум обусловлен усиленным спонтанным излучением инверсно-заселённых уровней атомов примеси. Он возникает под действием случайных возмущающих факторов различной физической природы, вызывающих спонтанное излучение, например нагрева усилителя (тепловые фотоны), а также за счет наличия рассеянных фотонов.


Рисунок 3.55 - Мощность выходного сигнала и шума в EDFA

4. 
   Шум-фактор NF (noise figure) характеризует ухудшение отношения сигнал/шум после прохождения сигнала через ОУ и определяется как отношение сигнал-шум на входе усилителя к отношению сигнал-шум на выходе усилителя:
   

(3.10)

Часто при описании оптических усилителей значение шум-фактора указывается в дБ: . Минимальный шум-фактор равен 1 (0 дБ). Чем ближе к 1 значение шум-фактора, тем меньше дополнительный шум вносит усилитель.

Ниже приводятся основные параметры коммерчески доступных эрбиевых волоконных усилителей:

- коэффициент линейного усиления (малосигнального) – 30-40 дБ;

- мощность насыщения - до 0,5 Вт;

- спектральная полоса усиления – 30-40 нм;

- диапазон рабочих (усиливаемых) длин волн - (1530-1570) нм;

- требуется мощной источник оптической накачки (50-100) мВт.

Недостатком эрбиевых усилителей является невозможность интегрального исполнения и необходимость применения легированных волокон большой длины.
3.13 Нелинейные оптические усилители
В оптических системах, использующих волоконно-оптический кабель, для усиления сигналов можно использовать нелинейные явления в оптическом волокне, такие, как ВКР (вынужденное комбинационное рассеяние) или эффект Рамана и ВРМБ (вынужденное рассеяние Мандельштама-Бриллюэна).


3.13.1 Усилители, использующие вынужденное рассеяние Мандельштама-Бриллюэна
Стимулированное бриллюэновское рассеяние наблюдается при мощностях накачки 10 мВт – это нелинейный эффект, возникающий в кремниевом волокне, когда энергия оптической волны на частоте, скажем f1, переходит в энергию новой волны на смещённой частоте f2. Если мощная накачка производится на частоте f1, стимулированное бриллюэновское рассеяние способно усиливать слабый входной сигнал на частоте f2.

В таких усилителях усиление имеет место только тогда, когда сигнал распространяется в направлении противоположном лучу накачки.
3.13.2 Усилители, использующие вынужденное комбинационное рассеяние (рамановские)
Стимулированное рамановское рассеяние наблюдается при мощностях накачки порядка 1 Вт – это нелинейный эффект, который подобно бриллюэновскому рассеянию может использоваться для преобразования части энергии из мощной волны накачки в слабую сигнальную волну. Однако при рамановском рассеянии частотный сдвиг между волной накачки и сигнальной волной (f1 - f2) больше, а выходной спектральный диапазон шире, чем у ВРМБ усилителей. Это позволяет усиливать сразу много волновых каналов в WDM сигнале. В таких усилителях луч накачки и луч сигнала могут распространяться как в одном направлении, так и быть встречными.

Рисунок 3.56 – Включение лазеров накачки в рамановском ОУ
Усиление сигнала в рамановских усилителях распределено по длине опти­ческого волокна примерно до 20 км и сигнал из-за потерь в оптическом волокне уменьшается не так сильно, как при обычном усилении, что улучшает отноше­ние сигнал/шум.

Рамановские усилители перспективны для применения в волоконно-оптических системах связи в силу их следующих принципиальных преимуществ:

- они могут усиливать на любой длине волны;

- в качестве активной среды рамановских усилителей может использоваться сам волоконный световод;

- спектр усиления этих усилителей зависит от спектра (длины волны) накачки, поэтому, в принципе, подбором источников накачки можно формировать очень широкую (более 100 нм) полосу усиления;

- рамановские усилители имеют низкий уровень шумов.

Рамановские усилители (Raman amplifiers) позволяет увеличивать число каналов в существующих линиях связи без замены уже установленных EDFA. Они могут успешно применяться в подводных линиях средней протяженности без повторителей (длиной около 300 км), где установка усилителей EDFA требует больших затрат.
Таблица 3.3 – Сравнение параметров нелинейных усилителей

Параметры	Усилитель Рамана	Усилитель Бриллюэна
Коэффициент усиления в отсутствии насыщения	40 дБ	40 дБ
Неравномерность АВХ	низкая	высокая
Максимальная выходная мощность	1 Вт	1 мвт
Полоса усиливаемых частот	До 40 ТГц (100нм)	100 МГц
Коэффициент шума, дБ	3 дБ	15 дБ

Основным недостатком рамановских усилителей является их невысокая эффективность преобразования, что требует использования довольно мощного непрерывного излучения накачки (1 Вт) для получения типичной для оптических систем связи величины усиления сигнала 30 дБ.

Типичными параметрами рамановских усилителей являются: Мощность насыщения Рн ВКР-усилителей значительно больше, чем ППОУ (1Вт против 1 мВт), причем накачка может быть как попутная, так и встречная. В качестве накачки используются лазеры с длиной волны 1060 нм (для усиления сигналов 1300 нм) и 1320 нм (для усиления сигналов с длиной волны 1550 нм). Этот тип усилителей достаточно широкополосен (5-10 ТТц) и годится для усиления сигналов в системах с WDM.

Параметры усилителей Брилюэна: ширина полосы таких усилителей значительно меньше, чем у рамановских усилителей (десятки мегагерц против терагерц), мощность накачки Р_нак и мощность насыщения усилителя Рн составляют около 1 мВт.

Перспективным направлением является е разработка и создание гибридных волоконных усилителей, состоящих из различных комбинаций, включающих распределенный рамановский усилитель и эрбиевый волоконный усилитель.
3.13.3 Вынесенные оптические усилители с накачкой по отдельному волокну (ROPA)
В линейных трактах многоволновых систем часто используют вынесенные оптические усилители с накачкой по отдельному волокну (Remote Optical Power Amplifiers - ROPA). Эти усилители впаиваются в кабель на некотором расстоянии от оконечных пунктов. Данные усилители представляют собой пассивные (с «электрической» точки зрения) устройства, получающие энергию накачки по отдельному волокну. Вынесенные усилители используются главным образом на приёмном конце (PreROPA). Вынесенные усилители позволяют реализовать большее удлинение пролёта, чем рамановские усилители, но требуют использования дополнительного волокна для доставки энергии накачки. Вынесенные оптические усилители могут также использоваться и на передающем конце (Post-ROPA) вместо мощных оптических усилителей, размещаемых непосредственно в оконечном оборудовании. Этим самым удаётся снизить негативные нелинейные эффекты в оптическом волокне.

ПЕРЕЧЕНЬ ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1. 
   Убайдулаев Р.Р. Волоконно – оптические сети. – М.: ЭКО – ТРЕНДЗ, 2001.
   

2. 
   В.В. Шмытинский, В.П. Глушко. Многоканальные системы передачи. – М.: Маршрут, 2002.
   

3. 
   О.К. Скляров. Современные волоконно-оптические системы передачи, аппаратура и элементы. – М.: СОЛОН-Р, 2001.
   

4. 
   В. В. Виноградов, В. К. Котов, В. Н. Нуприк. Волоконно-оптические линии связи. –М.: ЖЕЛДОРИЗДАТ, 2002.
   

5. 
   Р. Фриман. Волоконно-оптические системы связи –М.: Техносфера, 2003.
   

6. 
   Ю.А. Быстров. Оптоэлектронные приборы и устройства –М.: РадиоСофт, 2001.
   

7. 
   Герман Шрайбер. Инфракрасные лучи в электронике. – М.: ДМК Прес, 2001.
   

8. 
   Дэвид Гринфилд. Оптические сети. – М.: DiaSoft, 2002.
   

9. 
   В.Г. Фокин. Оптические системы передачи. Учебное пособие (части 1 и 2) – Новосибирск, 2002.
   

10. 
    В.А. Матвеев. Оптические усилители. Учебное пособие – Новосибирск, 2005.
    

11. 
    К.Е.Заславский, Волоконно-оптические системы передачи, Учебное пособие (части 1,2,3) – НЭИС, 1994, 1995, 1997.
    

12. 
    Э.Н. Залстер. Волоконно-оптические системы передачи, Учебное пособие – КСИ ХФ СибГУТИ, 2002.