10.5.1. Принцип действия оптического усилителя

Если существует некая активная среда, имеющая два энергетических состояния Е₁ и Е₂ (рис.10-12а), причем Е₂>Е₁, т.е. Е₂ - энергия возбужденного состояния, то в равновесных ус­ловиях, число рабочих частиц (электронов, ионов или молекул - усилительных агентов среды) распределено по статистике Бопьцмана и N₂<N₁. Если на вход такой среды попадает фотон, то он с большей вероятностью будет сю поглощен, что может привести к переходу частицы с уровня E₁ на Е₂, если энергия фотона hω>(E₂-E₁). Усиление в такой среде невозможно. Оно станет возможным, если удастся создать инверсию населеиностей уровней, когда N₂>N₁. Для этого используется энергетическая накачка с помощью инжекцни электронов или излучения лазерного диода (ЛД) определенной длины волны для создания фотонов нужной энергии.

Рис.10-12. Схемы двухуровневой (а) и трехуровневой (б) моделей функционирования активной среды

Накачка создаст инверсию населенности, и активная среда может генерировать вторичные фотоны (той же частоты и направления) с коэффичиентом размножения k при попадании на се вход фотона из светового потока усиливаемого сигнала. В результате один фотон па входе даст А фотонов на выходе. Важно то, что усиление носит распределенный характер, т.к. вто­ричные фотоны генерируются в течение всего времени прохождения оптического сигнала через активную среду длиной L, т.е. усиление ОУ зависит от L.

На рис.10-12 показаны две модели функционирования активной среды: двухуровневая (а) и трехуровневая (б), использующая промежуточный мстастабильный уровень, определяемый легирующими примесями.

10.5.2. Особенности и параметры оптических усилителей

ОУ можно рассматривать в тех же терминах и используя те же параметры, что и электронные уселители: коэффициент усиления, уровень (коэффициент) шума, динамический диапазон, амплитудно-фазовую характеристику (АФХ). Но они имеют и свои параметры, например, коэффициент усиления среды, мощность насыщения, усиленное спонтанное излучение (УСИ),

чувствительность к поляризации сигнала, которые представлены в табл.10-9. Вместо АФЧ они обычно используют амплитудно-волновую характеристику (АВХ).

В общем случае коэффициент усиления ОУ на центральной частоте имеет вид:

G₀(ω) = Р_вых(ω)/Р_вх(ω),

где = Р_вых(ω) и Р_вх(ω) -мощности оптического сигнала на входе и выходе усилителя на частоте ω или соответствующей длине волны).

АВХ усилителей зависит от их типа и характеризуется параметром широкополосность в табл.10-9. Вид АВХ ПОУ показан на рис.10-13 для ОУ типа: многопроходный усилитель с резонатором Фабри-Перо (УФП, рис. 10-13а) и однопроходный усилитель бегущей волны УБВ. рис.10-136). АВХ первого - напоминает гребенчатый фильтр с узкополосными ПФ, а второго - широкополосный ПФ с гладкой АВХ. АВХ ОУ EDFA напоминает АВХ УБВ, но вершина ПФ имеет выброс у левого среза и очень плоскую часть в диапазоне 1540-1560 нм.

Рис.10-13. Схемы и АВХ для полупроводниковых ОУ

Таблица 10-9. Параметры оптических усилителей

Параметры	ВКР-усилители (ОУ Рамана)	ВРМБ-усилители	Полупровод­никовые ОУ	ОУ легирован- ­ные эрбием	Параметри- ­ческие ОУ
Усиление при малом сигнале, дБм	>40	>40	15-30	15-40	16
Неравномерность АВХ	низкая	высокая	низкая	±1-10 дБ	н.д.
Эффективность, дБм/мВт	0,08	5,5	28	11	10-4
Выходная мощность	1 Вт	1мВт	>0,1 Вт	>0,5 Вт	н.д.
Мощность насыщения	н.д.	н.д.	-12дБм	н.д.	н.д.
Перекрестные помехи	незначительны	незначительны	значительны	незначительны	н.д.
Динамические показатели	>20 Гбит/с	<100МГц	20-30 Гбит/с	>200 Гбит/с	н.д.
Широкополосность	десятки нм	<100МГц	60-100 нм	30-50 нм	5000 ГГц
Коэффициент шума, дБ	-3	>15	5-8	3-4	н.д.
Чувствительность к поляризации	значительна	отсутствует	0,5-5 дБ	<0,1 дБ	<3-5 дБ
Вносимые потери, дБ	<1	<1	<3-5	<1	н.д.

Наиболее широкое применение получили ОУ типа: EDFA, Рамана и ПОУ.

Схема реализации простого одпокаскадного ОУ типа EDFA приведена на рис.10-14. Схе- ­ма состоит из двухканалыюго волнового мультиплексора ВМ, к одному каналу которого подключено (через оптический фильтр-изолятор ОФИ-1) волокно - источник сигнала 1550 нм, к другому - диод накачки ЛД, генерирующий сопаправленпую волну накачки 980 или 1480 нм. С выхода мультиплексора сигнал подается в активную среду - легированное эрби­- ем ОВ (ОВЛЭ, его длина 15-20 м). Усиленный па выходе ОВ сигнал подается в выходное ОВ через изолятор ОФИ-2 (ОФИ предотвращают обратное распространение света).

Рис.10-14. Простая однокаскадная схема EDFA

Все ОУ делятся на несколько категорий:

• МУ - мощные усилители, или бустеры, устанавливаемые на выходе передающего блока транспондера Тх;

• ЛУ - линейные усилители, устанавливаемые нa линии в пролетах и секциях;

• ПУ - предусилители, устанавливаемые на входе приемного блока транспондера Rx;

• КУ - компенсационные усилители, устанавливаемые для компенсации вносимых потерь.

Контрольные вопросы

----------------------------------

10-1. Может ли WDM передавать трафик, формируемый технологиями локальных сетей?

10-2. Чем ограничивается верхний предел агрегатной скорости потока в системе WDM?

10-3. Можно ли маршрутизировать информационные потоки в системах WDM?

10-4. Может ли одна система WDM одновременно передавать потоки ATM, Ethernet и SDH?

10-5, Из каких материалов м.б. сделана сердцевина и оболочка оптического волокна (ОВ)?

10-6. Чем отличаются многомодовое и одномодовое волокна?

10-7. Сколько окон прозрачности обычно различают у ОВ, и на какой длине волны они находятся?

10-8. В каком окне прозрачности работают системы DWDM?

10-9. Чем системы DWDM отличаются от систем CWDM?

10-10. В каком оптическом диапазоне работают системы CWDM, и есть ли ограничение на максимальное число ис­пользуемых ими каналов?

10-11. Что такое гибридные системы WDM, и какое максимальное количество оптических каналов они могут предос­тавить?

10-12. Чем ограничено минимальное расстояние между оптическими несущими в системах HDWDM?

10-13. Чем усилитель EDFA отличается от усилителя Рамана?

10-14. Зависит ли усиление оптического усилителя от физической длины активной усилительной среды?

10-15. Почему ОВ типа DSF обычно не рекомендуют использовать для систем WDM?