Волоконные усилители для телекоммуникаций

 

 

Усиление  света в эрбиевом усилителе происходит благодаря переходу между уровнями 2_1 (4I13/2_4I15/2). Каждый из этих уровней расщеплен на ряд подуровней из-за взаимодействия ионов эрбия с внутрикристаллическим полем кварцевого стекла (эффект Штарка). Под действием накачки за счет поглощения фотонов накачки ионы эрбия переходят из основного состояния

(уровень  1) в верхнее возбужденное состояние  (уровень 3), которое является короткоживущим (время жизни τ3=1 мкс), и за счет  процессов релаксации переходят  в долгоживущее состояние (на  метастабильный уровень  2 энергии). Термин метастабильный означает, что время пребывания иона  эрбия на этом уровне  энергии  (его также называют временем  жизни) относительно велико (τ2=10 мс, т.е τ2=10 000τ3). Поэтому число ионов, находящихся на уровне 2, при соответствующей мощности накачки может превышать число ионов на уровне 1. Уровень 1 называется основным состоянием, т.к. в отсутствие накачки практически все ионы эрбия находятся на этом энергетическом уровне. Доля частиц, находящихся на остальных уровнях, в отсутствие накачки мала.

Число ионов в единице объема, находящихся на некотором уровне энергии, называется населенностью  этого уровня энергии. В нормальных условиях, т.е. в отсутствие накачки, населенность основного уровня энергии  вещества максимальна, населенности всех остальных уровней энергии быстро уменьшаются с увеличением энергии  уровня. Состояние среды, при котором  населенность некоторого более высокого уровня энергии

иона превышает населенность некоторого нижележащего уровня, является очень  необычным и получило название состояния  с инверсией населенностей уровней, или, более коротко, инверсией населенности.

Если  в среду с инверсией населенности попадает излучение с энергией фотона, совпадающей с энергией перехода из метастабильного состояния в основное, то с большой вероятностью происходит переход иона с метастабильного уровня 2 на основной уровень 1 с одновременным рождением еще одного фотона. Увеличение числа фотонов при их взаимодействии с ионами эрбия означает, что происходит усиление света, распространяющегося в среде с инверсией населенности.

 

Отметим, что длина волны и спектр усиления жестко определены типом активных ионов. Тот факт, что спектр усиления волокна, легированного ионами эрбия, совпадает  с областью минимальных потерь кварцевого оптического волокна, является удачным совпадением. Не все ионы эрбия находятся в метастабильном состоянии и обеспечивают усиление. Часть ионов находится на уровне 1 и эти ионы, взаимодействуя с фотонами, энергия которых совпадает с энергией перехода, эффективно их поглощают, переходя на уровень 2. При этом спектр усиления ионов эрбия практически совпадает со спектром поглощения. Если количество ионов, находящихся на уровне 2, меньше числа ионов, находящихся на основном уровне 1, то наблюдается поглощение. Именно поэтому необходимым условием усиления света является создание инверсии населенностей между двумя рабочими уровнями энергии 2 и 1.

Для создания инверсии населенностей в  эрбиевом усилителе необходимо перевести примерно половину ионов эрбия на метастабильный уровень 2. Мощность накачки оптического усилителя, при которой населенность уровней 1 и 2 равны, называется пороговой мощностью.

Использование трехуровневой схемы накачки  приводит к появлению следующих  важных свойств эрбиевого усилителя:

● Наличию пороговой мощности накачки, при которой происходит «просветление» активного волоконного световода, т.е. достигаются нулевые потери. При превышении пороговой мощности накачки начинается усиление сигнала. В зависимости от структуры активного волоконного световода, концентрации легирующей примеси и длины волны накачки величина пороговой мощности составляет от долей до нескольких единиц мВт.

● Необходимости выбора оптимальной длины эрбиевого волокна, то есть длины, при которой достигается максимальное усиление при заданной концентрации ионов эрбия. При длине волокна больше оптимальной в дальних участках волокна будет наблюдаться поглощение сигнала, а при использовании эрбиевого волокна недостаточной длины излучение накачки используется неполностью. Оптимальная длина эрбиевого волокна, вообще говоря, зависит от частоты усиливаемого сигнала. Чем меньше частота сигнала, тем более длинный отрезок эрбиевого волокна соответствует максимальному усилению. При отсутствии усиливаемого сигнала ионы эрбия переходят в основное состояние самопроизвольно, излучая фотоны с энергией, соответствующей данному переходу.

То  есть появляется спонтанное излучение.

 

Следует подчеркнуть, что и в рабочем  режиме при наличии усиливаемого сигнала часть возбужденных ионов  переходит в основное состояние  спонтанно, при этом спонтанное излучение  также усиливается, приводя к  появлению усиленного спонтанного  излучения. Усиленное спонтанное излучение  является основным источником шумов, а  также ограничивает коэффициент  усиления, особенно в случае слабого  сигнала.

 

 

 

 

 

 

 

Оптическая схема эрбиевого волоконного усилителя

 

Рис.6. Упрощенная схема эрбиевого волоконного усилителя

Оптическая  накачка, необходимая для перевода ионов эрбия в возбужденное состояние, осуществляется на длинах волн, соответствующих одной из их полос поглощения.

В табл.2 приведены значения эффективностей использования накачки, определяемой максимальным значением отношения коэффициента усиления к мощности накачки, для нескольких полос поглощения.

Источники накачки видимого диапазона на основе твердотельных и газовых лазеров  использовались на начальном этапе  исследований эрбиевых волоконных усилителей, пока не были разработаны необходимые полупроводниковые источники. Наибольшая эффективность использования накачки достигается на длинах волн 980 и 1480 мкм. Отметим, что именно этот факт дал мощный толчок развитию полупроводниковой техники высоких мощностей. Если в первых экспериментах по усилению сигнала использовались полупроводниковые лазеры с максимальной мощностью 20 – 30 мВт, то в настоящее время разработаны устройства накачки с мощностью в несколько сотен мВт, введенной в одномодовое волокно. Большая мощность накачки требуется, например, для обеспечения высокого коэффициента усиления одновременно большого числа информационных каналов в системах со спектральным уплотнением (DWDM). Для объединения входного оптического сигнала и излучения накачки используются мультиплексоры. Необходимыми элементами оптических усилителей являются оптические изоляторы – устройства, пропускающие световые сигналы только в одном направлении. Оптические изоляторы на входе и выходе усилителя применяются для того, чтобы предотвратить проникновение в усилитель паразитных отраженных от неоднородностей линии связи сигналов. Отраженные сигналы, усиленные в эрбиевом волокне, являются источником шумов, ухудшающих работу усилителя.

Собственно  усилительной средой усилителя является эрбиевое волокно – волоконный световод с примесями ионов эрбия. Изготавливаются такие световоды теми же методами, что и световоды для передачи информации, с добавлением промежуточной операции  пропитки не проплавленного материала сердцевины раствором солей эрбия либо операции легирования ионами эрбия из газовой фазы непосредственно в процессе осаждения сердцевины. Волноводные параметры эрбиевого волоконного световода делают сходными с параметрами световодов, используемых для передачи информации, в целях уменьшения потерь на соединения.

 

Таблица 2.

 

 

 

 

Основные параметры волоконных усилителей

Для практического использования в  системах волоконно-оптической связи  наибольшее значение имеют следующие  параметры эрбиевых усилителей:

● коэффициент усиления;

● выходная мощность сигнала;

● шум-фактор и мощность усиленного спонтанного излучения;

 

Рассмотрим  их более подробно.

 

Коэффициент усиления

Коэффициент усиления G определяется как отношение мощности Pout сигнала на выходе оптического усилителя к мощности Pin сигнала на его входе с учетом дополнительных потерь на мультиплексоре и в оптическом изоляторе

G = Pout /Pin.

В технических спецификациях коэффициент  усиления выражают в децибелах

g[дБ]=10lgG.

Если  мощность входного и выходного сигналов также выражена в логарифмических  единицах (дБм), то коэффициент усиления равен разности мощностей выходного и входного сигналов:

g[дБ] = Pout [дБ] – Pin [дБ].

Коэффициент усиления оптического усилителя EDFA зависит от длины волны и мощности входного сигнала.

Зависимость от длины волны имеет достаточно сложную форму. Она определяется формой энергетических уровней ионов  эрбия, их концентрацией, распределением, длиной волны лазера накачки и  многими другими параметрами.

На рис.7 а) приведены типовые зависимости от длины волны для трех фиксированных значений мощности. Более простой вид (вид монотонно убывающей функции) имеет зависимость коэффициента усиления от мощности входного сигнала. Такая зависимость для длины волны 1550 нм приведена на рис.7 б).

 

Рис.7.  Зависимости коэффициента усиления EDFA от:

а) длины волны входного сигнала  при фиксированных значениях  мощности;

б) мощности входного сигнала при фиксированном  значении длины волны 1550 нм.

Мощность  насыщения выходного сигнала  равна 0 дБм

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Выходная  мощность сигнала и энергетическая эффективность накачки

Одно  из применений оптических усилителей в системах связи – усиление мощности сигналов, вводимых в волоконно-оптическую линию связи. Выходная мощность сигнала определяет рассстояние до следующего усилителя. Поэтому важными параметрами эрбиевых усилителей, работающих в качестве усилителей мощности, являются выходная мощность Pout и энергетическая эффективность PCE накачки. Энергетическая эффективность определяется отношением изменения мощности сигнала к мощности

накачки:

Для того чтобы обеспечить высокую энергетическую эффективность, необходимо, чтобы практически  все фотоны накачки передавали свою энергию фотонам сигнала. Отношение  числа фотонов сигнала NFS, появившихся в процессе усиления сигнала, к числу NFP поглощенных фотонов накачки называется квантовой эффективностью накачки QE=NFS / NFp. Так как энергия фотона выходного излучения меньше энергии фотона накачки, то энергетическая эффективность меньше квантовой и зависит от соотношения длин волн накачки lp и сигнала lS:

Большая энергетическая эффективность  позволяет использовать для накачки  источники излучения меньшей  мощности, а, следовательно, более дешевые. Эта характеристика особенно важна в системах со спектральным уплотнением, где требуется усиливать одновременно большое количество сигналов большой суммарной мощности.

Для получения максимальной энергетической эффективности для накачки эрбиевого усилителя целесообразно использовать излучение на длине волны1480 нм, в то же время накачка на длине волны 980 нм обеспечивает меньшее значение шума усиленного спонтанного излучения.

Эрбиевые усилители, используемые как усилители мощности, обычно работают в режиме насыщения, когда мощность сигнала на выходе близка или превосходит мощность насыщения Pout sat . Именно в этом режиме удается получить максимальную выходную мощность и максимальную эффективность накачки.

 

Шум-фактор

Основным  источником шума в усилителе на волокне, легированном эрбием, является самопроизвольное (спонтанное) излучение при переходе иона эрбия с метастабильного уровня энергии 2 на основной уровень 1 (рис.1). Это спонтанное излучение усиливается и повторно поглощается по всей длине усилителя приблизительно так же, как слабый сигнал, распространяющийся по усилителю. Именно этим объясняется отличие между формами спектра усиленного спонтанного излучения (ASE) и спектра неусиленного спонтанного излучения (SE). Усиленное спонтанное излучение при распространении по волоконно-оптической  линии поглощается и усиливается так же, как и сам информационный сигнал. Увеличение мощности ASE приводит к увеличению шума фотоприемника, который является источником ошибок в цифровых системах связи.

Качество  оптического сигнала характеризуют  величиной, которую принято называть оптическим отношением сигнал-шум (OSNR). OSNR равно отношению мощности полезного сигнала к мощности шума в спектральном интервале Dn , определяемом

окном фильтра или демультиплексора на приемной стороне. Значение OSNR должно быть достаточно большим, чтобы обеспечить требуемую для стандарта передачи максимально допустимую частоту появления ошибок  BER. По мере распространения сигнала между регенераторами значение OSNR может только убывать.

Шум_фактор NF (noise figure) показывает, как сильно возрастает шум в усилителе по сравнению с полезным сигналом, и определяется как отношение сигнал_шум на входе (OSNRin) к отношению сигнал-шум на выходе (OSNRout):

 

 

 

 

 

 

 

 

Здесь следует отметить, что шум-фактор усилителя определяется в условиях, когда на вход подается идеальный  когерентный сигнал частоты n, т.е. сигнал с минимальным теоретическим значением мощности шума, определяемым квантовыми флуктуациями

P_{N in} = hnDn,

где h – постоянная Планка,

Dn – ширина спектра оптического фильтра.

Меньше  этой величины уровень шума быть не может. У такого идеального сигнала  отношение сигнал/шум максимально  возможное, но не бесконечное, и вычисляется  по формуле

OSNRin = P_S in / hnDn

 

Шум-фактор NF двух последовательных усилителей, характеризующихся соответственно коэффициентами усиления G1 и G2 и шум_факторами NF1 и NF2 определяется по формуле:

В более общем случае многокаскадного  усиления вклад в результирующий шум-фактор со стороны шум-фактора n-го усилителя уменьшается в число раз, равное произведению коэффициентов усиления всех предыдущих усилителей.

Это правило позволяет сформулировать общее требование при создании многокаскадных усилителей: лучший способ получения многокаскадного усилителя с более  низким уровнем шума состоит в использовании низкошумящего усилителя с малым шум-фактором и бoльшим усилением в первом каскаде. Именно первый каскад определяет шумовую характеристику многокаскадного

усилителя.

В двухкаскадном усилителе первый каскад работает с малым входным  сигналом и называется предусилителем, второй каскад обеспечивает большую выходную мощность и называется усилителем мощности. Применительно к каскаду усилителей EDFA имеют место следующие практические выводы: конструкция предусилителей  EDFA  должна обеспечивать минимально возможное значение NF1, а конструкция усилителей мощности должна обеспечивать наибольшее значение выходной мощности и эффективности накачки. Наименьшее значение шум-фактора достигается в усилителях, использующих сонаправленную накачку на длине волны 980 нм, и именно их целесообразно использовать в качестве предусилителей. Наибольшую эффективность накачки и выходную мощность можно получить при использовании встречной накачки на длине волны 1480 нм. Такую конструкцию целесообразно использовать в усилителях мощности.

 

 

 

 

Литература:

1. Убайдуллаев Р.Р. Волоконно-оптические сети.  – М.: Эко-Трендз, 2001.
2. Научно-технический журнал LIGHTWAVE russian edition №1 2003. – М.: «Высокие технологии»