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.