Лекция 6. Конспект лекций

### Лекция 6. Оптические усилители и регенераторы оптических сигналов

6.1. Принцип оптического усиления. Классификация и назначение усилителей
6.2. Полупроводниковые оптические усилители. Конструкции, принцип действия, основные характеристики
6.3. Волоконно-оптические усилители на основе редкоземельных элементов. Конструкция, принцип действия, основные характеристики
6.4. Оптические усилители на основе эффекта рассеяния
6.5. Оптическая регенерация цифрового сигнала

Основными ограничивающими факторами в волоконно-оптических системах передачи являются затухание, дисперсия и нелинейные оптические эффекты. В предлагаемом разделе рассматриваются устройства – оптические усилители, которые компенсируют потери оптической мощности в световодах, соединителях, пассивных разветвителях и т. д.

Оптический усилитель – устройство, обеспечивающее увеличение мощности оптического излучения.

### 6.1. Принцип оптического усиления. Классификация и назначение усилителей

Усиление света в оптических системах осуществляется за счет энергии внешнего источника. Основой усилителя является активная физическая среда, в которой благодаря энергетической подкачке увеличивается мощность излучения. В качестве активной среды применяются полупроводники и стекловолокна с различными примесями, например, редкоземельными эрбием (Er), неодимом (Nd), празеодимом (Pr), тулием (Tm). Накачка этих сред осуществляется непрерывно или импульсно. При усилении может происходить преобразование спектра входного сигнала, т.е. выходной сигнал может быть смещен по частоте.

Классификация различных видов оптических усилителей приведена на рис. 6.1.

К усилителям, которые используются в оптических системах передачи, предъявляется ряд требований:

- высокий коэффициент усиления в заданном диапазоне оптических частот;

- малые собственные шумы;

- нечувствительность к поляризации;

- хорошее согласование с волоконно-оптическими линиями;

- минимальные нелинейные и линейные искажения оптических сигналов;

- большой динамический диапазон входных сигналов;

- требуемое усиление многочастотных (многоволновых) оптических сигналов;

- длительный срок службы;

- минимальная стоимость и т.д.

Этим требованиям в наибольшей степени отвечают полупроводниковые и волоконные усилители, настроенные на окна прозрачности стекловолокна (около 0,85 мкм; 1,31 мкм; 1,55 мкм).

Рисунок 6.1 Классификация оптических усилителей

Нелинейные усилители пока получили незначительное применение в ВОСП. Однако для некоторых перспективных методов передачи, например, солитонных и многоволновых, их использование может оказаться ключевым, в частности рамановских усилителей.

Полупроводниковые и волоконно-оптические усилители применяются в качестве усилителей мощности, совмещаемых с оптическими передатчиками, в качестве предусилителей перед фотоприемниками и в качестве промежуточных станций в линейных трактах оптических систем передачи.

### 6.2. Полупроводниковые оптические усилители. Конструкции, принцип действия, основные характеристики

Полупроводниковые оптические усилители (ПОУ) строятся в основном по двум схемам: усилители бегущей волны, в которых эффект оптического усиления наблюдается при распространении входного излучения в инверсной среде активного слоя с просветленными, т.е. не отражающими торцами (рис.6.2), и резонансные усилители, в которых эффект усиления и отсутствие лазерной генерации обеспечивается за счет того, что уровень постоянного тока накачки в рабочем режиме выбирается близким, но все-таки ниже Оптические усилителиПолупроводниковыеВолоконныеНелинейныеРезонансныйУсилительбегущей волныЭрбиевыйПразеодимовыйНеодимовыйТулиевыйИттербиевыйРамановскийНа механизмеМандельштамма-- Бриллюэна порогового значения, а усиление происходит на отдельных модах резонатора Фабри – Перо (рис.6.3).

Усилители бегущей волны (УБВ) могут быть реализованы с достаточно большим коэффициентом усиления (около 30 дБ при ) широкой полосой (около 5 ÷ 10 ТГц). Для этого необходимо подавление возможных отражений фотонов от торцов (отражение менее 0,1%). Это достигается в конструкциях усилителей, изображенных на рис. 6.95.

Резонансный усилитель Ф–П имеет слишком узкую полосу усиления на уровне -3 дБ от максимального (менее 10 ГГц) и мало пригоден для оптических систем передачи. Соотношение полос частот усиления для УБВ и усилителя Ф–П приведено на рис. 6.4.

Рисунок 6.2 Усилитель бегущей волны и его частотная характеристика

Рисунок 6.3 Усилитель резонансного типа и его частотная характеристика

Рисунок 6.4 Конструкции усилителей бегущей волны с активным слоем
и подавлением отраженных лучей

Пригодные для оптических систем передачи усилители бегущей волны имеют разные коэффициенты усиления для продольных и поперечных мод (мод ТЕ и ТМ) (рис. 6.6). Поэтому усилители выполняются из двух кристаллов с ортогональным расположением активных усиливающих слоев.

Рисунок 6.5 Спектральные характеристики усиления

Рисунок 6.6 Усиление для продольных и поперечных мод в УБВ

В табл.6.1 приведены характеристики некоторых полупроводниковых усилителей.

Пример конструкции полупроводникового усилителя, совмещенного с лазером передатчика, приведен на рис. 6.7. Конструкция выполнена на одной подложке. Лазер отделен от усилителя изолирующим слоем FeInP, который прозрачен для оптического излучения.

Таблица 6.1 Характеристики полупроводниковых усилителей

Рисунок 6.7 Схема структуры с объединенным РОС - лазером и оптическим усилителем

### 6.3. Волоконно-оптические усилители на основе редкоземельных элементов.
Конструкция, принцип действия, основные характеристики

Волоконно-оптические усилители (ВОУ) получили наибольшее распространение в волоконно-оптических системах передачи. Это связано с рядом их неоспоримых достоинств:

- простота конструкции;

- высокая надежность;

- большие коэффициенты усиления;

- малые шумы;

- широкая полоса усиления;

- нечувствительность к поляризации усиливаемого света и т.д.

Функциональная схема ВОУ приведена на рис.6.8.

Рисунок 6.8 Функциональная схема ВОУ

Основу конструкции ВОУ составляет оптическое волокно с примесью редкоземельного материала. Например, для длин волн усиления 1,53 ÷ 1,55 мкм это эрбий Er. Длина легированного волокна от 20 до 100 м.

Для того, чтобы волокно стало усиливающей средой, оно накачивается излучением λН от отдельного лазера. При этом возможна и двусторонняя накачка от двух лазеров. Система контроля усиления управляет током накачки лазера благодаря обратной связи, устанавливаемой через делитель мощности. Усиливаемый сигнал λС и волны накачки λН объединяются в мультиплексоре и направляются в оптическое волокно с примесью, где происходит увеличение мощности сигнала. Большая часть (95%) мощности усиленного сигнала проходит через фильтр на выход. Фильтр отсекает волны накачки λН и шумы вне полосы частот сигнала. Оптический изолятор исключает проникновение отраженных в усилителе сигналов во входящую оптическую линию.

Принцип действия ВОУ основан на эффекте возбуждения посредством внешней накачки атомов редкоземельного материала, помещенных в сердцевину обычного одномодового стекловолокна. Редкоземельные материалы выбраны с таким расчетом, чтобы имелись зоны поглощения внешней энергии и создавалась инверсная населенность, которая приводит в конечном результате к спонтанной и вынужденной люминесценции. При этом вынужденное свечение будет обусловлено входным сигналом и совпадает с ним по длине волны. Наиболее подходящими для ВОУ считаются редкоземельные празеодим Pr, неодим Nd, эрбий Er, тулий Tm.

ВОУ применяются, как правило, на протяженных линиях, где передача происходит на длине волны 1,55 мкм. Для увеличения длины участка передачи применяются эрбиевые ВОУ. Рассмотрим их работу и характеристики.

В сердцевине стекловолокна помещены ионы эрбия (Er3+). Для накачки ионов могут применяться излучения с длинами волн 1480 нм, 980 нм, 800 нм, 670 нм и 521 нм. Реально используются 1480 нм и 980 нм. Это обусловлено рядом причин: эффективностью полупроводниковых лазеров большой мощности, малым затуханием оптического волокна, низкими требованиями к точности длины волны накачки.

На длине волны 980 нм наблюдаются наименьшие шумы усиления, а на длине волны 1480 нм нет жестких требований к точности настройки. Оптический усилитель с накачкой на длине волны 1480 нм называют двухуровневым, а усилитель с накачкой на длине волны 980 нм - трехуровневым (рис. 6.9).

Ионы эрбия возбуждаются за счет поглощения энергии волн генератора накачки (λН). Они переходят с основного уровня на более высокие энергетические уровни, а затем без излучения снижаются (релаксируют) до метастабильного уровня. Одновременно на возбужденные атомы воздействует излучение сигнала λС, вызывающее стимулированное излучение на всей длине активного волокна.

Однако не все атомы взаимодействуют с излучением сигнала и спонтанно переходят на основной уровень за время примерно 10 мс. Спонтанная эмиссия фотонов порождает шум излучения, который тоже может усиливаться (такие шумы принято обозначать: ASE, Amplified Spontaneous Emission). При достаточно интенсивном входном сигнале с длиной волны λС спонтанное излучение в эрбиевом усилителе может быть подавлено (рис. 6.10). Коэффициент шума определяется следующим соотношением

где PASE мощность усиленной спонтанной эмиссии, h постоянная Планка, f частота сигнала, Δf полоса усиления. Обычно 3дБ

т.е. шумы определяются в основном первым каскадом.

Рисунок 6.9 Уровневая диаграмма переходов трехвалентного иона Er

Рисунок 6.10 Характеристики излучения атомов эрбия Er3+

Важнейшие характеристики волоконных усилителей приведены в табл. 6.2.

Таблица 6.2 Характеристики волоконных усилителей

На рис. 6.11 представлена схема промежуточной станции оптического усиления, выполненная с использованием эрбиевых усилителей. В усилителях применяется различная длина волны накачки и различные схемы накачки, позволяет получить максимальное усиление при минимальных шумах спонтанной эмиссии ASE.

Рисунок 6.11 Структурная схема оптического ретранслятора с эрбиевыми усилителями

В схеме оптического ретранслятора выделяется канал управления, организуемый на отдельной несущей волне λУ. Предусилитель обеспечивает максимальное соотношение сигнал/шум. Усилитель мощности имеет двустороннюю накачку на длине волны 1480 нм, что создает максимальную линейность характеристики усиления. Оптический корректор компенсирует искажение оптических импульсов, возникшее из-за хроматической дисперсии в одномодовом стекловолокне. Однако корректор не устраняет влияние поляризационной модовой дисперсии (ПМД), для компенсации которой необходимо применение динамического управляемого компенсатора.

ВОУ могут иметь большую неравномерность амплитудно-частотной характеристики, что неприемлемо для многоволновых систем передачи (WDM). Известен ряд решений по сглаживанию АЧХ эрбиевых усилителей и расширению их полосы частот усиления, например, применением автоматически перестраиваемых аттенюаторов по каждой волне передачи.

На рис. 6.12 представлена конструкция волоконного усилителя мощности для монтажа в составе модуля оборудования ВОСП.

Рисунок 6.12 Конструкция ВОУ

### 6.4. Оптические усилители на основе эффекта рассеяния

Известны два вида оптических усилителей, в которых усиление оптических колебаний происходит в результате рассеяния излучения накачки на атомах вещества, служащего основой светопровода. Усилители работают на основе эффектов Рамана и Мандельштама – Бриллюэна, имеющих место в стеклянных волноводах при большой мощности накачки.

Вынужденное комбинационное рассеяние (ВКР) или рамановское рассеяние может превратить волоконный световод в оптический усилитель с оптической накачкой. Усиление вследствие ВКР зависит от интенсивности (равной мощности накачки Pн, деленной на площадь модового пятна А), длины взаимодействия L волны накачки и сигнальной волны и коэффициента усиления g:

В световоде с низкими потерями длина взаимодействия может составить более 1 км, что снижает требования по мощности накачки и коэффициенту усиления.

Схема энергетической диаграммы рамановского рассеяния представлена на рис. 6.13.

Величина коэффициента g зависит от присадок к стекловолокну таких, как бор, германий, фосфор. Для волокна на основе двуокиси кремния SiO2 величина коэффициента g при накачке 1480 нм представлена зависимостью на рис.6.14.

Рисунок 6.13 Энергетическая диаграмма рамановского усилителя

Рисунок 6.14 Усиление при рамановском рассеянии

Из графика видно, что по уровню уменьшения усиления в два раза полоса частот усиления может быть около 5 ТГц при неравномерной характеристике усиления. Сдвиг рассеянного излучения происходит в длинноволновую область (рис. 6.15), т.е. туда, где передаются информационные оптические сигналы.

Рисунок 6.15 Схема рамановского рассеяния

Усиление зависит и от длины волокна и от величины поглощения мощности в материале волокна:

где l – действительная длина, α – затухание волокна (дБ/км), Lэ – эффективная длина взаимодействия волн накачки и сигнала. На длинных линиях (десятки километров) можно считать, что

Величина мощности Рн рассматривается усредненной за интервал времени передачи импульсного сигнала. Величина усиления не зависит от поляризации усиливаемого сигнала.

Коэффициент шума рамановского усилителя определяется выражением

т.е. при увеличении коэффициента усиления уменьшатся величина шума, однако это происходит при увеличении мощности накачки, что, в свою очередь, может породить увеличение стоксова шумового излучения, не связанного с сигналом.

Реальные величины коэффициентов усиления рамановских усилителей могут принимать значения от 3…5 дБ до 20…35 дБ в зависимости от примесного состава стекловолокна и мощности накачки. Пример схемы усилителя рамановского типа приведен на рис.6.16. Особенность схемы это встречная по отношению к сигналу накачка от мощного лазерного диода (до 1 Вт).

Рисунок 6.16 Схема рамановского усилителя со встречной накачкой

В практике возможно использование каскадного включения эрбиевого и рамановского усилителей с дополнительным фильтром-выравнивателем характеристики усиления в полосе до 100 нм. Такое включение существенно уменьшает величину шума усиленной спонтанной эмиссии ASE.

Усилитель Рамана может быть использован для увеличения скорости передачи существующих линий с 2.5 Гбит/с до 40 Гбит/с. Широкополосность усилителя превышает 5 ТГц и полоса усиления может смещаться в зависимости от выбора оптической частоты накачки. Пример конструктивного исполнения модуля накачки усилителя Рамана приведен на рис. 6.17, а его структурная схема на рис.6.18.

Рисунок 6.17 Конструктив модуля накачки рамановского ВОУ

Рисунок 6.18 Структура схемы накачки рамановского усилителя

Волоконный усилитель Бриллюэна (ВУБ) в основном схож по принципу действия с усилителем Рамана, за исключением того, что оптическое усиление обеспечивается стимулированным рассеянием Бриллюэна. ВУБ также накачивается оптически, и часть накачиваемой мощности передается сигналу через рассеяние. Физически каждый фотон накачки с энергией h×fH использует ее часть, чтобы создать фотон сигнала с энергией , h×fС в то время как фотон энергии возбуждает акустический фотон. Иначе говоря, волны накачки рассеиваются на акустической волне, движущейся через среду со скоростью звука.

Отличия от рамановского усиления:

- усиление имеет место только тогда, когда сигнал распространяется в направлении, противоположном лучу накачки;

- сдвиг частоты сигнала по отношению к частоте накачки меньше 10 ГГЦ, т.е. на три порядка меньше, чем у рамановского усилителя, и зависит от частоты накачки;

- спектр усиления узкий (полоса усиления менее 100 МГц).

- Очень узкий усиливаемый спектр не позволяет применять этот тип усилителя в широкополосных системах передачи. Реальное усиление может достигать 20  30 дБ при величине накачки около 1 мВт.

В заключении раздела можно сделать некоторые выводы:

- оптические усилители стали одной из основ оптической схемотехники;

- оптические усилители входят в состав оптических передатчиков и приёмников;

- оптические усилители, дополненные схемами корректоров, например, компенсаторов дисперсии, используются в качестве самостоятельных устройств обработки импульсных оптических сигналов для восстановления их формы и мощности;

- на протяженных волоконно-оптических линиях применение получили рамановские усилители, которые на протяжении волокна в 10-ки и 100-ни км компенсируют затухание, внося при этом минимальные помехи и искажения.

### 6.5. Оптическая регенерация цифрового сигнала

Для построения полностью оптических систем передачи необходимы устройства восстановления оптических информационных сигналов, в которых исключаются или ограниченно применяются электронные схемы. Наиболее актуальным является устройство восстановления оптических импульсов, т.е. оптический регенератор. Принцип построения и функционирования поясняется рис.6.19.

Рисунок 6.19 Принцип оптической регенерации импульсного сигнала

Уменьшенный и искаженный (деградированный) в оптической линии за счет затухания, дисперсии и помех импульсный двухуровневый сигнал усиливается и разделяется на два канала. В одном канале производится восстановление оптических тактов и подача их на устройство регенерации. В другом канале передача искаженного сигнала на вход оптического регенератора, бистабильного устройства, в котором благодаря выбранному амплитудному порогу в моменты стробирования оптическими импульсами сравниваются амплитудные значения сигнала с пороговым значением и происходит восстановление (регенерация) оптического двухуровневого (цифрового) информационного сигнала.

Устройство для формирования оптических тактов представляет собой импульсный лазер, захватывающий оптические такты из принимаемого линейного сигнала после его усиления и возможной коррекции дисперсионных искажений (рис.6.20).

Рисунок 6.20 Структура восстановителя оптических тактов

Для развязки входного сигнала и восстановленных оптических тактов используется оптический трёхпортовый циркулятор.

Пример конструкции импульсного лазера с внешней синхронизацией приведён на рис.6.21. Там указан диапазон волн захвата тактов на скорости передачи 10Гбит/с при передаче псевдослучайной последовательности PRBS (PseudoRandom Binary Sequences) в уровневых пределах мощности (3…+5дБм).

Оптические регенераторы, действующие по принципу, рассмотренному выше, выполняются полностью в интегральном виде фотонной микросхемы PIC (Photonic Integrated Circuits), которые в настоящее время поддерживают скорости оптических импульсов до 100 Гбит/с и выше.

В качестве бистабильного устройства для регенерации оптических импульсов могут использоваться полупроводниковые оптические усилители.

Рисунок 6.21 Пример характеристик восстановителя оптических тактов