Рис. 5. Схема энергетических уровней тулиевого волоконного усилителя
При использовании указанной схемы накачки центр усиления фтористого, фтористоциркониевого или многокомпонентного кварцевого волокна с высокой концентрацией ионов тулия находится вблизи длины волны 1460 нм (рис. 6). Ширина спектральной полосы усиления с уровнем 20 дБ составляет в таких волокнах примерно 35 нм, а максимальное усиление может достигать 31 дБ [6, 7]. Применяя иные схемы накачки можно также получить усиление в диапазоне длин волн 1480…1510 нм [6].
Основным препятствием широкому распространению ТВУ является недостаточно высокая прочность используемого в усилителе оптического волокна. В отличие от кварцевого волокна, оно более ломкое, поэтому при его производстве, прокладке и обслуживании требуются специальные методики. Другой проблемой является сложность обеспечения высокого качества оптического соединения различных по физико-химическому составу волокна ТВУ и обычного кварцевого волокна. Так как сварка этих волокон невозможна, используются менее надежные способы механического соединения торцов различных волокон или соединения с помощью эпоксидной смолы. Подобные соединения вносят потери более 0,3 дБ, в отличие от потерь 0,05 дБ при сварке [7]. Кроме этого, в состав волокна входит цирконий, что обусловливает высокую себестоимость производства. На сегодняшний день низкая надежность и высокая стоимость ТВУ препятствуют их широкому распространению.
Рис. 6. Спектральная кривая усиления тулиевого волоконного усилителя
ВКР волоконные усилители
Системы, построенные на основе ЭВУ и ТВУ, обладают большим уровнем шумов на частотах информационных сигналов, что обусловлено влиянием спонтанного
195
излучения ионов активаторов. Усиление на основе ВКР позволяет обеспечить дополнительное повышение уровня сигнала без существенного увеличения шума на частоте сигнала [7].
Рис. 7. Зависимость коэффициента ВКР-усиления в кварцевом волокне
от сдвига частот
Усиление в процессе ВКР обусловлено нелинейно-оптической перекачкой энергии накачки в энергию Стокса с участием фононной волны среды. Например, для достижения усиления на длине волны 1550 нм (информационный сигнал), необходима накачка на длине волны 1455 нм, при этом за счет широкой полосы ВКР усиления кварцевого волокна усиление происходит и на соседних частотах (рис. 7) [7, 8]. Коэффициент ВКР-усиления в кварцевом волокне является поляризационнозависимым, и оптимальное усиление происходит только тогда, когда поляризации сигнала на стоксовой частоте и частоте накачки совпадают. Высокое усиление без поляризационно-зависимых потерь достигается при использовании источников накачки с ортогональными поляризациями (рис. 8).
Процесс ВКР-усиления происходит в любом оптическом волокне при соответствующей накачке и поэтому его можно использовать для улучшения параметров не только новых, но и уже существующих оптических линий передачи информации. Для сглаживания кривой усиления и для обеспечения большей мощности усилителя возможно применение накачки на нескольких длинах волн (рис. 9) [7, 8].
Основным недостатком ВКР-усилителей является их низкая эффективность по сравнению с ЭВУ. Для достижения усиления 30 дБ ЭВУ необходима мощность накачки около 50 мВт, тогда как для аналогичного усиления ВКР-усилителя необходима мощность накачки более 1 Вт [7].
196
Рис. 8. Схема ВКР-усилителя с использованием накачки
на нескольких длинах волн с различной поляризацией
В последнее время [7] появились мощные диодные лазеры с мощностью до 1 Вт и фазированные линейки диодных лазеров с мощностью более 10 Вт, что позволило создать эффективные ВКР-усилители, способные конкурировать с ЭВУ. На этой основе ожидается скорое появление коммерческих ВКР-усилителей.
ВКР-усилители могут быть использованы для усиления в S-полосе (1480…1520 нм), в L-полосе (1570…1610 нм) и в диапазоне от 1642 до 1672 нм [7, 8]. В оптических сетях ВКР-усиление может использоваться как единственный механизм усиления или в комбинации с ЭВУ.
Рис. 9. Спектральные кривые усиления ВКР-усилителя при накачке на одной (1) и на двух (2) длинах волн
Гибридные усилители
Ни один из существующих видов оптических усилителей не может удовлетворить всем современным потребностям телекоммуникационных систем, поэтому в настоящее время активно ведутся разработки новых видов оптических усилителей.
197
Благодаря тому, что полоса усиления ВКР-усилителя может быть сдвинута в сторону более высоких или низких частот по отношению к полосе усиления ЭВУ [9, 10], при использовании достаточно мощных лазеров накачки можно согласовать усилители таким образом, чтобы результирующая полоса усиления была значительно шире, чем у каждого из усилителей в отдельности. При этом можно значительно сгладить неравномерность кривых усиления отдельных усилителей (рис. 10).
Рис. 10. Сглаживание кривой общего усиления при использовании
ВКР-усилителя и ЭВУ
Экспериментальная система, разработанная в лаборатории Нортел Харлоу (Эссекс, Англия), при использовании данной гибридной схемы обеспечила передачу 32-х спектральных каналов на расстояние 1000 км с пропускной способностью каждого канала 40 Гб/с с общей скоростью передачи 1,28 Тб/с [11].
Стокс-антистоксовые ВКР-усилители
Для одновременного усиления в окнах прозрачности 1310 и 1550 нм кварцевого волокна можно использовать комбинированное стоксовое и антистоксовое ВКРусиление в условиях фазового квазисинхронизма [11-12]. Для обеспечения условия фазового квазисинхронизма волокно должно состоять из чередующихся областей с нелинейными свойствами (активные слои) и без нелинейных свойств (пассивные слои). Толщины слоев должны выбираться таким образом, чтобы в каждом активном слое происходила эффективная перекачка энергии из волны накачки в антистоксовую компоненту ВКР. Основные свойства фазового квазисинхронизма при ВКР были подробно исследованы в [13]. Расчеты, проведенные с использованием данной методики, показали, что длина волокна, на которой усиление достигает 13 дБ, составляет примерно 3 км.
За счет широкой полосы усиления кварцевого волокна ВКР-усиление происходит не на одной частоте, а в некоторой полосе частот (рис. 11) [11-12]. Так как в широком диапазоне длины волны накачки (1400…1500 нм) слоистая структура остается неизменной, для увеличения мощности усилителя, увеличения и сглаживания полос усиления можно использовать накачку на нескольких длинах волн.
198