Волоконно-Волоконно-оптические оптические усилителиусилители

Выполнила: Выполнила: Югарова ТаисияЮгарова Таисия

Гр. 21611Гр. 21611

2

История вопросаИстория вопроса

Через каждые 50 -100 км волоконно-оптического тракта происходит Через каждые 50 -100 км волоконно-оптического тракта происходит ослабление оптического сигнала на 10 - 20 дБ → требуется его ослабление оптического сигнала на 10 - 20 дБ → требуется его восстановление.восстановление.

РегенераторРегенератор - единственный способ компенсации потерь в линиях связи до - единственный способ компенсации потерь в линиях связи до начала 90-х г. начала 90-х г.

Действие регенератораДействие регенератора::• • преобразует световой сигнал в электрический,преобразует световой сигнал в электрический,• • распознает сигнал и производит электронное восстановление распознает сигнал и производит электронное восстановление

первоначальной формы,первоначальной формы,• • снова излучает оптический сигнал, передаваемый дальше по волокну. снова излучает оптический сигнал, передаваемый дальше по волокну.

Пропускная способность сети или линии дальней связи с регенераторами Пропускная способность сети или линии дальней связи с регенераторами ограничена возможностями электроники.ограничена возможностями электроники.

Исследования ученых в 1985 - 1990 годах, ряд открытий и изобретений Исследования ученых в 1985 - 1990 годах, ряд открытий и изобретений привели к появлению привели к появлению эрбиевых усилителейэрбиевых усилителей (Erbium-Doped Fiber (Erbium-Doped Fiber Amplifier -EDFA). Amplifier -EDFA).

Это усилители на волоконном световоде, легированном ионами эрбия.Это усилители на волоконном световоде, легированном ионами эрбия.

3

Уже в 1992 г. на рынке появились готовые для применения модули Уже в 1992 г. на рынке появились готовые для применения модули таких усилителей. таких усилителей.

Быстрый рост информационной емкости волоконно-оптических линий Быстрый рост информационной емкости волоконно-оптических линий связи, основанных на новых технологиях, способствовал возникновению связи, основанных на новых технологиях, способствовал возникновению телекоммуникационного бума и росту инвестиций в эту область в конце телекоммуникационного бума и росту инвестиций в эту область в конце 90-х.90-х.

Свойства эрбиевых усилителейСвойства эрбиевых усилителей: :

• • Возможность одновременного усиления сигналов с различными Возможность одновременного усиления сигналов с различными длинами волн. длинами волн. • • Непосредственное усиление оптических сигналов, без их Непосредственное усиление оптических сигналов, без их преобразования в электрические сигналы и обратно. преобразования в электрические сигналы и обратно. • • Практически точное соответствие рабочего диапазона эрбиевых Практически точное соответствие рабочего диапазона эрбиевых усилителей области минимальных оптических потерь световодов на усилителей области минимальных оптических потерь световодов на основе кварцевого стекла. основе кварцевого стекла. • • Низкий уровень шума и простота включения в волоконно-оптическую Низкий уровень шума и простота включения в волоконно-оптическую систему передачи.систему передачи.

4

Принцип работы эрбиевого усилителяПринцип работы эрбиевого усилителяПринцип работы усилителей EDFA основан на явлении Принцип работы усилителей EDFA основан на явлении усиления света при усиления света при

вынужденном излучениивынужденном излучении. . Возможность усиления света в световодах, легированных ионами эрбия, Возможность усиления света в световодах, легированных ионами эрбия,

обуславливается схемой уровней энергии данного редкоземельного элемента, обуславливается схемой уровней энергии данного редкоземельного элемента, представленной на рис. 1. представленной на рис. 1. Усиление света в эрбиевом усилителе Усиление света в эрбиевом усилителе

происходит благодаря переходу между происходит благодаря переходу между уровнями 2—1. Каждый из этих уровней уровнями 2—1. Каждый из этих уровней расщеплен на ряд подуровней из-за расщеплен на ряд подуровней из-за взаимодействия ионов эрбия с взаимодействия ионов эрбия с внутрикристаллическим полем кварцевого внутрикристаллическим полем кварцевого стекла. Под действием накачки за счет стекла. Под действием накачки за счет поглощения фотонов накачки ионы эрбия поглощения фотонов накачки ионы эрбия переходят из основного состояния (уровень 1) переходят из основного состояния (уровень 1) в верхнее возбужденное состояние (уровень в верхнее возбужденное состояние (уровень 3), которое является короткоживущим (время 3), которое является короткоживущим (время жизни τз=1 мкс), и за счет процессов жизни τз=1 мкс), и за счет процессов релаксации переходят в долгоживущее релаксации переходят в долгоживущее состояние (на метастабильный уровень 2 состояние (на метастабильный уровень 2 энергии). Время жизни на этом уровне энергии). Время жизни на этом уровне относительно велико (τ2=10 мс, т.е. относительно велико (τ2=10 мс, т.е. τ2=10000τз), поэтому число ионов, τ2=10000τз), поэтому число ионов, находящихся на уровне 2, при находящихся на уровне 2, при соответствующей мощности накачки может соответствующей мощности накачки может превышать число ионов на уровне 1.превышать число ионов на уровне 1.

РисРис. . 1. Упрощенная схема уровней энергии1. Упрощенная схема уровней энергии эрбия в кварцевом стеклеэрбия в кварцевом стекле

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

5

Не все ионы эрбия обеспечивают усиление. Часть ионов находится на Не все ионы эрбия обеспечивают усиление. Часть ионов находится на уровне 1, и эти ионы, взаимодействуя с фотонами, энергия которых уровне 1, и эти ионы, взаимодействуя с фотонами, энергия которых совпадает с энергией перехода, поглощают их, переходя на уровень 2. совпадает с энергией перехода, поглощают их, переходя на уровень 2. При этом спектр усиления практически совпадает со спектром При этом спектр усиления практически совпадает со спектром поглощения. поглощения. Если число ионов на уровне 2 меньше числа ионов на уровне 1, то Если число ионов на уровне 2 меньше числа ионов на уровне 1, то наблюдается поглощение. Поэтому инверсия населенностей между наблюдается поглощение. Поэтому инверсия населенностей между уровнями 2 и 1 - необходимое условие усиления света. Для создания уровнями 2 и 1 - необходимое условие усиления света. Для создания инверсии населенностей необходимо перевести примерно половину ионов инверсии населенностей необходимо перевести примерно половину ионов эрбия на метастабильный уровень 2. эрбия на метастабильный уровень 2. Мощность накачкиМощность накачки оптического усилителя, при которой населенность оптического усилителя, при которой населенность уровней 1 и 2 равны, называется уровней 1 и 2 равны, называется пороговой мощностьюпороговой мощностью. .

6

Рис. 2. Спектральная зависимость Рис. 2. Спектральная зависимость усиления/поглощения эрбиевого волокна при усиления/поглощения эрбиевого волокна при различных значениях относительной населенности различных значениях относительной населенности метастабильного уровня энергии.метастабильного уровня энергии.

На рис.2 представлены спектры поглощения/усиления при различных значениях На рис.2 представлены спектры поглощения/усиления при различных значениях относительной населенности уровня 2. Нижняя кривая - в отсутствии накачки. Все относительной населенности уровня 2. Нижняя кривая - в отсутствии накачки. Все частицы находятся в основном состоянии, населенность уровня 2 соответствует частицы находятся в основном состоянии, населенность уровня 2 соответствует «отрицательному усилению», т.е. поглощению. По мере увеличения мощности накачки «отрицательному усилению», т.е. поглощению. По мере увеличения мощности накачки все большее число активных ионов переходит в возбужденное состояние. Это все большее число активных ионов переходит в возбужденное состояние. Это приводит сначала к уменьшению коэффициента поглощения, а затем к усилению приводит сначала к уменьшению коэффициента поглощения, а затем к усилению света. света.

7

Использование трехуровневой схемы накачки приводит к появлению важных Использование трехуровневой схемы накачки приводит к появлению важных свойствсвойств эрбиевого усилителя: эрбиевого усилителя:• • Наличие пороговой мощности накачкиНаличие пороговой мощности накачки. При превышении пороговой мощности . При превышении пороговой мощности накачки начинается усиление сигнала. Величина её порядка мВт.накачки начинается усиление сигнала. Величина её порядка мВт.• • Необходимость выбора оптимальной длины эрбиевого волокнаНеобходимость выбора оптимальной длины эрбиевого волокна (при которой (при которой усилениеусиление максимально). При длине волокна максимально). При длине волокна >> оптимальной в дальних участках оптимальной в дальних участках волокна будет наблюдаться поглощение сигнала, а при длине волокна будет наблюдаться поглощение сигнала, а при длине << оптимальной – оптимальной – излучение накачки используется не полностью. Оптимальная длина эрбиевого излучение накачки используется не полностью. Оптимальная длина эрбиевого волокна зависит от частоты усиливаемого сигнала. Чем меньше частота сигнала, волокна зависит от частоты усиливаемого сигнала. Чем меньше частота сигнала, тем более длинный отрезок эрбиевого волокна соответствует максимальному тем более длинный отрезок эрбиевого волокна соответствует максимальному усилению.усилению.

CCпонтанное излучениепонтанное излучение. Появляется при отсутствии усиливаемого сигнала,. Появляется при отсутствии усиливаемого сигнала, когдакогда ионы эрбия переходят в основное состояние самопроизвольно, излучая ионы эрбия переходят в основное состояние самопроизвольно, излучая фотоны. В рабочем режиме при наличии усиливаемого сигналафотоны. В рабочем режиме при наличии усиливаемого сигнала часть часть

возбужденныхвозбужденных ионов также переходит в основное состояние спонтанно, при этом спонтанное ионов также переходит в основное состояние спонтанно, при этом спонтанное излучение усиливается. Усиленное спонтанное излучение является основным излучение усиливается. Усиленное спонтанное излучение является основным источником шумов, а также ограничивает коэффициент усиления, особенно в источником шумов, а также ограничивает коэффициент усиления, особенно в случае слабого сигнала.случае слабого сигнала.

8

Оптическая схема эрбиевого волоконного Оптическая схема эрбиевого волоконного усилителяусилителя

Упрощенная схема эрбиевого волоконного усилителя представлена на рис.3. Оптическая Упрощенная схема эрбиевого волоконного усилителя представлена на рис.3. Оптическая накачка, необходимая для перевода ионов эрбия в возбужденное состояние, накачка, необходимая для перевода ионов эрбия в возбужденное состояние,

осуществляетсяосуществляетсяна длинах волн, соответствующих одной из их полос поглощения. В табл.1 приведенына длинах волн, соответствующих одной из их полос поглощения. В табл.1 приведенызначения эффективностей использования накачки.значения эффективностей использования накачки.

РисРис. . 3. Упрощенная схема эрбиевого волоконного усилителя3. Упрощенная схема эрбиевого волоконного усилителя

Длина волны накачки, нмДлина волны накачки, нм Максимальная эффективность накачки, Максимальная эффективность накачки, дБ/мВтдБ/мВт

980980 111114801480 6.36.3664664 3.83.8532532 2.02.0827827 1.31.3

Таблица 1. Эффективность использования накачкиТаблица 1. Эффективность использования накачки

Наибольшая эффективность использования накачки достигается на длинах волн 980 и 1480 Наибольшая эффективность использования накачки достигается на длинах волн 980 и 1480 мкм. Именно этот факт дал мощный толчок развитию полупроводниковой техники высоких мкм. Именно этот факт дал мощный толчок развитию полупроводниковой техники высоких мощностей. В настоящее время разработаны устройства накачки с мощностью в несколько мощностей. В настоящее время разработаны устройства накачки с мощностью в несколько сотен мВт.сотен мВт.

9

Для объединения входного оптического сигнала и излученияДля объединения входного оптического сигнала и излучениянакачки используются мультиплексоры. накачки используются мультиплексоры. Необходимыми элементамиНеобходимыми элементамиоптических усилителей являются оптические изоляторы - устройства,оптических усилителей являются оптические изоляторы - устройства,пропускающие световые сигналы только в одном направлении.пропускающие световые сигналы только в одном направлении.Оптические изоляторы на входе и выходе усилителя применяются дляОптические изоляторы на входе и выходе усилителя применяются длятого, чтобы предотвратить проникновение в усилитель паразитныхтого, чтобы предотвратить проникновение в усилитель паразитныхотраженных от неоднородностей линии связи сигналов. Отраженныеотраженных от неоднородностей линии связи сигналов. Отраженныесигналы, усиленные в эрбиевом волокне, являются источником шумов,сигналы, усиленные в эрбиевом волокне, являются источником шумов,ухудшающих работу усилителя.ухудшающих работу усилителя.

Изображенная на рис.3 схема усилителя представляет собой вариантИзображенная на рис.3 схема усилителя представляет собой вариантсхемы с попутной накачкой, когда сигнал и излучение накачкисхемы с попутной накачкой, когда сигнал и излучение накачкираспространяются в одном и том же направлении. Возможным являетсяраспространяются в одном и том же направлении. Возможным являетсявариант со встречной накачкой, а также применение накачки в двухвариант со встречной накачкой, а также применение накачки в двухнаправлениях. Двунаправленная накачка позволяет использовать дванаправлениях. Двунаправленная накачка позволяет использовать дваисточника накачки, повышая суммарную мощность накачки.источника накачки, повышая суммарную мощность накачки.

10

Изготовление усилителейИзготовление усилителейУсилительной средой усилителя является эрбиевое волокно - волоконный Усилительной средой усилителя является эрбиевое волокно - волоконный световод с примесями ионов эрбия. Изготавливаются такие световоды теми световод с примесями ионов эрбия. Изготавливаются такие световоды теми же методами, что и световоды для передачи информации, с добавлением же методами, что и световоды для передачи информации, с добавлением промежуточной операции пропитки не проплавленного материала промежуточной операции пропитки не проплавленного материала сердцевины раствором солей эрбия либо операции легирования ионами сердцевины раствором солей эрбия либо операции легирования ионами эрбия из газовой фазы непосредственно в процессе осаждения сердцевины. эрбия из газовой фазы непосредственно в процессе осаждения сердцевины. Волноводные параметры эрбиевого волоконного световода делают Волноводные параметры эрбиевого волоконного световода делают

сходными сходными с параметрами световодов, используемых для передачи информации, в с параметрами световодов, используемых для передачи информации, в

целяхцелях уменьшения потерь на соединения.уменьшения потерь на соединения.

Принципиальным является выбор легирующих добавок, формирующих Принципиальным является выбор легирующих добавок, формирующих сердцевину активного световода, а также подбор концентрации ионов сердцевину активного световода, а также подбор концентрации ионов эрбия. Различные добавки в кварцевое стекло изменяют характер эрбия. Различные добавки в кварцевое стекло изменяют характер штарковского расщепления уровней энергии ионов эрбия (рис.1). В свою штарковского расщепления уровней энергии ионов эрбия (рис.1). В свою очередь это приводит к изменению спектров поглощения и излучения.очередь это приводит к изменению спектров поглощения и излучения.

11

На рис. 4. представлены спектры излучения ионов эрбия в кварцевом стекле, На рис. 4. представлены спектры излучения ионов эрбия в кварцевом стекле, легированномлегированном различными добавками. Видно, что наиболее широкий спектр различными добавками. Видно, что наиболее широкий спектр излучения (а значит, и спектр усиления) достигается при использовании в качестве излучения (а значит, и спектр усиления) достигается при использовании в качестве добавки алюминия. Поэтому этот элемент стал необходимой составляющей материаладобавки алюминия. Поэтому этот элемент стал необходимой составляющей материаласердцевины эрбиевых волоконныхсердцевины эрбиевых волоконных световодов. Концентрация ионов эрбия в световодов. Концентрация ионов эрбия в сердцевине оптического волокна фактически определяет его длину. сердцевине оптического волокна фактически определяет его длину.

Рис. 4. Спектры излучения ионов эрбия Рис. 4. Спектры излучения ионов эрбия в кварцевом стекле с различными в кварцевом стекле с различными добавкамидобавками

На практике концентрация ионов На практике концентрация ионов эрбияэрбия составляет составляет 1010^̂18 – 1018 – 10^̂20 см20 см^(^(-3-3)), что , что обеспечивает длину используемого обеспечивает длину используемого активногоактивного световода от нескольких световода от нескольких единиц до нескольких десятков единиц до нескольких десятков метров.метров.

12

Основные параметры волоконных усилителейОсновные параметры волоконных усилителейДля Для практического использованияпрактического использования в системах волоконно-оптической связи в системах волоконно-оптической связи наибольшее наибольшее значение имеют значение имеют следующие параметры эрбиевых усилителейследующие параметры эрбиевых усилителей::• • коэффициент усиления;коэффициент усиления;• • выходная мощность сигнала и энергетическая эффективность накачки;выходная мощность сигнала и энергетическая эффективность накачки;• • шум-фактор и мощность усиленного спонтанного излучения;шум-фактор и мощность усиленного спонтанного излучения;• • спектральная ширина и равномерность полосы усиления.спектральная ширина и равномерность полосы усиления.

Коэффициент усиления GКоэффициент усиления G определяется как отношение мощности сигнала определяется как отношение мощности сигнала на выходе на выходе оптического усилителя к мощности сигнала на его входе соптического усилителя к мощности сигнала на его входе с учетом дополнительных потерь учетом дополнительных потерь

нанамультиплексоре и в оптическом изоляторе. В технических спецификациях коэффициент мультиплексоре и в оптическом изоляторе. В технических спецификациях коэффициент усиления выражают в децибелах g[дБ] = 10 lg G.усиления выражают в децибелах g[дБ] = 10 lg G.Если мощность входного и выходного сигналов также выражена в логарифмических Если мощность входного и выходного сигналов также выражена в логарифмических единицах, то коэффициент усиления равен разности мощностей выходного и входногоединицах, то коэффициент усиления равен разности мощностей выходного и входногосигналов.сигналов.В лабораторных условиях достигнуто усиление 50 дБ. В серийных эрбиевых усилителях В лабораторных условиях достигнуто усиление 50 дБ. В серийных эрбиевых усилителях значения коэффициента усиления слабого сигналазначения коэффициента усиления слабого сигнала находятся в районе 30 дБ. находятся в районе 30 дБ.

Выходная мощность сигнала и энергетическая эффективность накачкиВыходная мощность сигнала и энергетическая эффективность накачки..Выходная мощность сигнала определяет расстояние до следующего усилителя. Выходная мощность сигнала определяет расстояние до следующего усилителя. Энергетическая эффективность определяется отношением изменения мощности сигнала к Энергетическая эффективность определяется отношением изменения мощности сигнала к мощности накачки.мощности накачки. Для получения максимальной энергетической эффективности Для получения максимальной энергетической эффективности перспективнее использовать накачку на длине волны 1480 нм (энергетическая перспективнее использовать накачку на длине волны 1480 нм (энергетическая эффективность 86%), а не на длине волны 980 нм (энергетическая эффективность эффективность 86%), а не на длине волны 980 нм (энергетическая эффективность 55%).Большая энергетическая эффективность позволяет использовать для55%).Большая энергетическая эффективность позволяет использовать для накачки источники излучения меньшей мощности, а следовательно, более дешевые. накачки источники излучения меньшей мощности, а следовательно, более дешевые.

13

Шум-факторШум-фактор. Основным источником шума в усилителе на волокне, легированном эрбием,. Основным источником шума в усилителе на волокне, легированном эрбием,является спонтанное излучение. Это спонтанное излучение усиливается и повторно является спонтанное излучение. Это спонтанное излучение усиливается и повторно поглощается по всей длине усилителя. Для характеристики качества оптического поглощается по всей длине усилителя. Для характеристики качества оптического усилителя используется параметр, получивший название шум-фактор. Величина шум-усилителя используется параметр, получивший название шум-фактор. Величина шум-фактора является мерой ухудшения отношения сигнал/шум входного когерентного сигналафактора является мерой ухудшения отношения сигнал/шум входного когерентного сигналапри прохождении через оптический усилитель.при прохождении через оптический усилитель.Уровень шума при использовании накачки на длине волны 1480 нм выше, чем при Уровень шума при использовании накачки на длине волны 1480 нм выше, чем при использовании накачки на длине волны 980 нм. При длине волны 980 нм населенностьиспользовании накачки на длине волны 980 нм. При длине волны 980 нм населенностьосновного уровня 1 может быть снижена практически до нуля. Излучение накачки на основного уровня 1 может быть снижена практически до нуля. Излучение накачки на длине волны 1480 нм само эффективно взаимодействует с ионами эрбия, находящимися длине волны 1480 нм само эффективно взаимодействует с ионами эрбия, находящимися на метастабильном уровне энергии 2, поэтому населенность уровня 1 не может быть на метастабильном уровне энергии 2, поэтому населенность уровня 1 не может быть снижена до нуля.снижена до нуля.

При накачке во встречном по При накачке во встречном по отношению к сигналу направлении отношению к сигналу направлении шум-фактор также несколько шум-фактор также несколько выше, чем при сонаправленной выше, чем при сонаправленной накачке.накачке.На рис. 5 представлены На рис. 5 представлены спектральные зависимости шум-спектральные зависимости шум-фактора при двухфактора при двух значениях значениях входного сигнала - -30 дБм и -0,5 входного сигнала - -30 дБм и -0,5 дБм. Видно, что данная величинадБм. Видно, что данная величинане превышает уровня не превышает уровня 5 5 дБ в дБ в диапазоне 60 нм.диапазоне 60 нм.

Рис. 5. Спектральная зависимость Рис. 5. Спектральная зависимость коэффициента шума и усиления коэффициента шума и усиления эрбиевого усилителя для двух эрбиевого усилителя для двух значений входного сигналазначений входного сигнала

14

Ширина и равномерность полосы усиленияШирина и равномерность полосы усиления. Ширина полосы усиления . Ширина полосы усиления показывает диапазон длин волн, в котором значение усиления не ниже некоторого показывает диапазон длин волн, в котором значение усиления не ниже некоторого граничного уровня. Как правило, этот уровень составляет -3 дБ от максимального граничного уровня. Как правило, этот уровень составляет -3 дБ от максимального значения коэффициента усиления.значения коэффициента усиления.

Ширина полосы усиления определяется спектром излучения ионов эрбия в Ширина полосы усиления определяется спектром излучения ионов эрбия в материале сердцевины оптического волокна. Наиболее широким спектром материале сердцевины оптического волокна. Наиболее широким спектром

излученияизлученияобладают ионы эрбия в алюмосиликатном стекле (рис.4). Ширина полосы усиления обладают ионы эрбия в алюмосиликатном стекле (рис.4). Ширина полосы усиления для традиционной конфигурации усилителя составляет примерно 30 нм (1530 - для традиционной конфигурации усилителя составляет примерно 30 нм (1530 -

15601560нм).нм).

Для многоканальных волоконно-оптических систем со спектральным Для многоканальных волоконно-оптических систем со спектральным мультиплексированием этот параметр является принципиальным. Поскольку в мультиплексированием этот параметр является принципиальным. Поскольку в настоящее время число каналов достигает 100 и практически трудно реализоватьнастоящее время число каналов достигает 100 и практически трудно реализоватьразделение отдельных спектральных каналов с интервалами менее чем 0,4 нм, то разделение отдельных спектральных каналов с интервалами менее чем 0,4 нм, то ширина спектра усиливаемого излучения может превышать 40 нм. В этих условиях ширина спектра усиливаемого излучения может превышать 40 нм. В этих условиях ширина полосы усиления начинает оказывать определяющее влияние на число ширина полосы усиления начинает оказывать определяющее влияние на число спектральных каналов, используемых для передачи информации, а значит, и на спектральных каналов, используемых для передачи информации, а значит, и на общую информационную пропускную способность волокна.общую информационную пропускную способность волокна.

15

Эта полоса усиления имеет название стандартного диапазона или С-диапазона. Как Эта полоса усиления имеет название стандартного диапазона или С-диапазона. Как видновидно

из рис.4, интенсивность люминесценции имеет заметное значение вплоть до 1600 нм. из рис.4, интенсивность люминесценции имеет заметное значение вплоть до 1600 нм. ПриПри

этом поглощение в области 1560 - 1600 нм падает очень быстро, что позволяет этом поглощение в области 1560 - 1600 нм падает очень быстро, что позволяет использовать и этот диапазон для усиления световых сигналов. Таким образом, использовать и этот диапазон для усиления световых сигналов. Таким образом, оказывается возможным усиление в так называемом длинноволновом диапазоне или L-оказывается возможным усиление в так называемом длинноволновом диапазоне или L-диапазоне, если использовать длинное эрбиевое волокно. Поэтому перед усилением диапазоне, если использовать длинное эрбиевое волокно. Поэтому перед усилением оптические сигналы разделяются по диапазонам С и L, и для каждого используется свойоптические сигналы разделяются по диапазонам С и L, и для каждого используется свойусилитель. Спектральные характеристики усиления в обоих диапазонах пред-усилитель. Спектральные характеристики усиления в обоих диапазонах пред-ставлены на рис.6.ставлены на рис.6.

Рис. 6. Спектральные характеристики двухдиапазонного усилителяРис. 6. Спектральные характеристики двухдиапазонного усилителя

16

Дальнейшее расширение рабочего спектрального диапазона эрбиевыхДальнейшее расширение рабочего спектрального диапазона эрбиевыхусилителей связано с использованием области 1480 -1530 нм, или S-диалазона усилителей связано с использованием области 1480 -1530 нм, или S-диалазона (коротковолновый диапазон). Интенсивность люминесценции ионов эрбия в этой (коротковолновый диапазон). Интенсивность люминесценции ионов эрбия в этой области не меньше, чем в L-диапазоне, однако существенным является сильное области не меньше, чем в L-диапазоне, однако существенным является сильное поглощение сигнала. Эта проблема решается использованием более мощных поглощение сигнала. Эта проблема решается использованием более мощных источников накачки по сравнению с другими усилителями. Вторая проблема источников накачки по сравнению с другими усилителями. Вторая проблема выглядит более серьезной и связана она с сильной конкуренцией между выглядит более серьезной и связана она с сильной конкуренцией между усилением сигнала в S-диапазоне и спонтанным излучением в С-диапазоне. усилением сигнала в S-диапазоне и спонтанным излучением в С-диапазоне. В последнее время опубликованы несколько работ, в которых показана В последнее время опубликованы несколько работ, в которых показана возможность усиления в S-диапазоне при использовании фильтров или возможность усиления в S-диапазоне при использовании фильтров или

введении введении изгибных потерь в диапазоне 1530 - 1560 нм для подавления усиленного изгибных потерь в диапазоне 1530 - 1560 нм для подавления усиленного спонтанного излучения.спонтанного излучения. Другое направление исследований в области расширения полосы усиления Другое направление исследований в области расширения полосы усиления эрбиевых усилителей связано с поиском материала сердцевины волокна,эрбиевых усилителей связано с поиском материала сердцевины волокна,позволяющего расширить спектр люминесценции. Так, в последнее время позволяющего расширить спектр люминесценции. Так, в последнее время появился значительный интерес к эрбиевым волокнам на основе теллуритногопоявился значительный интерес к эрбиевым волокнам на основе теллуритногостекла. Однако усилители на основе теллуритного волокна пока находятся настекла. Однако усилители на основе теллуритного волокна пока находятся настадии лабораторных исследований.стадии лабораторных исследований.

17

Важной характеристикой усилителя в системах связи со спектральнымВажной характеристикой усилителя в системах связи со спектральнымразделением каналов (WDM) является равномерность коэффициента усиленияразделением каналов (WDM) является равномерность коэффициента усиленияв пределах рабочего спектрального диапазона. Как видно из рис.5 в пределах рабочего спектрального диапазона. Как видно из рис.5 неравномерность коэффициента усиления слабого сигнала может превышать 10неравномерность коэффициента усиления слабого сигнала может превышать 10дБ в пределах одной спектральной полосы. В рабочих условиях неравномерностьдБ в пределах одной спектральной полосы. В рабочих условиях неравномерностькоэффициента усиления уменьшается из-за повышения суммарной мощностикоэффициента усиления уменьшается из-за повышения суммарной мощностиоптического сигнала. Тем не менее при прохождении в длинной линии черезоптического сигнала. Тем не менее при прохождении в длинной линии черезряд усилителей суммарная неоднородность усиления может привести к поте-ряд усилителей суммарная неоднородность усиления может привести к поте-ре информации в каналах с меньшим усилением. Таким образом, актуальнымре информации в каналах с меньшим усилением. Таким образом, актуальнымявляется является сглаживание спектра усилениясглаживание спектра усиления. . Для этого в схему усилителя обычно вводятся спектрально селективные Для этого в схему усилителя обычно вводятся спектрально селективные поглощающие фильтры. Одним из популярных видов фильтра является поглощающие фильтры. Одним из популярных видов фильтра является фотоиндуцированная длиннопериодная решетка. Такие решетки изготавливают фотоиндуцированная длиннопериодная решетка. Такие решетки изготавливают путем пространственно периодического облучения сердцевины световода путем пространственно периодического облучения сердцевины световода ультрафиолетовым излучением через его поверхность. Спектр и интенсивность ультрафиолетовым излучением через его поверхность. Спектр и интенсивность поглощения задаются периодом решетки и временем облучения световода. поглощения задаются периодом решетки и временем облучения световода. Применение сглаживающих фильтров, изготовленных с использованием этой Применение сглаживающих фильтров, изготовленных с использованием этой техники, позволяет уменьшить вариации коэффициента усиления до десятых техники, позволяет уменьшить вариации коэффициента усиления до десятых долей дБ.долей дБ.

18

Примеры волоконно-оптических усилителейПримеры волоконно-оптических усилителей

Волоконные эрбиевые усилители обеспечивают “прозрачное” усилениеВолоконные эрбиевые усилители обеспечивают “прозрачное” усилениепроизвольно поляризованного оптического сигнала в С-диапазоне (1535-произвольно поляризованного оптического сигнала в С-диапазоне (1535-1565 нм) с максимальной выходной мощностью до 25дБм на один 1565 нм) с максимальной выходной мощностью до 25дБм на один спектральный канал. В усилителях используется уникальная технология спектральный канал. В усилителях используется уникальная технология накачки мощными многомодовыми диодами специального волокна накачки мощными многомодовыми диодами специального волокна легированного эрбием. Усилители на основе эрбиевого волокна имеют малый легированного эрбием. Усилители на основе эрбиевого волокна имеют малый шум-фактор, что позволяет передавать оптический сигнал на большие шум-фактор, что позволяет передавать оптический сигнал на большие расстояния без его регенерации.расстояния без его регенерации.Малый шум-фактор позволяет также строить на основе EDFA эффективныеМалый шум-фактор позволяет также строить на основе EDFA эффективныепредусилители для сигнала с уровнем мощности до -40дБм.предусилители для сигнала с уровнем мощности до -40дБм.Варианты исполнения усилителей (по выходной оптическойВарианты исполнения усилителей (по выходной оптическоймощности):мощности):• • 20 мВт (предусилитель)20 мВт (предусилитель)• • 60 мВт60 мВт• • 100 мВт100 мВт• • 200 мВт200 мВт• • 350 мВт350 мВт• • 400 мВт400 мВт• • 500 мВт500 мВт

19

Технические характеристики:Технические характеристики:

Максимальная выходная оптическая мощностьМаксимальная выходная оптическая мощность 25дБм25дБмДиапазон входной оптической мощностиДиапазон входной оптической мощности -14... 6-14... 6

Спектральная неравномерностьСпектральная неравномерность <±0.8 дБ<±0.8 дБСтабильность мощности (более 10 часов)Стабильность мощности (более 10 часов) <±0.01 дБ<±0.01 дБ

Остаточная поляризацияОстаточная поляризация <±0.2 дБ<±0.2 дБИзоляция на выходеИзоляция на выходе 40 ДБ40 ДБРабочая температураРабочая температура 0 °С ... 50 °С0 °С ... 50 °С

Температура храненияТемпература хранения -40°С... 70°С-40°С... 70°СВлажностьВлажность 0 - 95%0 - 95%

Время прогреваВремя прогревадо начала работыдо начала работы < 1 мин< 1 мин

до полной стабилизациидо полной стабилизации 5 мин5 мин

ВОУ имеют три модификации:ВОУ имеют три модификации:1. Усилитель мощности, используемый для увеличения уровня1. Усилитель мощности, используемый для увеличения уровня оптического сигнала на оптического сигнала на входе волоконно-оптической связи (ВОЛС)входе волоконно-оптической связи (ВОЛС)2. Предварительный усилитель для увеличения2. Предварительный усилитель для увеличения чувствительности фотоприёмного чувствительности фотоприёмного устройстваустройства3. Линейный усилитель, используемый вместо оптического3. Линейный усилитель, используемый вместо оптического регенераторарегенератора

20

Ссылки на ресурсы сети Интернет:Ссылки на ресурсы сети Интернет:

1) Дмитриев А. Л. Оптические системы передачи информации 1) Дмитриев А. Л. Оптические системы передачи информации [[Электрон. Электрон. ресурсресурс]] / / А.Л. Дмитриев. – Режим доступа: А.Л. Дмитриев. – Режим доступа: http://books.ifmo.ru/book/pdf/228.pdfhttp://books.ifmo.ru/book/pdf/228.pdf

2) 2) Вудс С., Дака М., Флин Г. Волоконные лазеры средней мощности и их Вудс С., Дака М., Флин Г. Волоконные лазеры средней мощности и их применение применение [[Электрон. ресурсЭлектрон. ресурс]] // С. Вудс, М. Дака, Г. Флин. – Режим С. Вудс, М. Дака, Г. Флин. – Режим доступа: доступа: http://photonics.su/pdf/4_2008/1722.pdfhttp://photonics.su/pdf/4_2008/1722.pdf

33) Дианов Е. М. Волоконные лазеры ) Дианов Е. М. Волоконные лазеры [[Электрон. ресурсЭлектрон. ресурс]] / / Е. М. Дианов - Режим Е. М. Дианов - Режим доступа: доступа: http://ufn.ru/ufn04/ufn04_10/russian/r0410k.pdfhttp://ufn.ru/ufn04/ufn04_10/russian/r0410k.pdf