Fokin_Kogerentnye_opticheskie_seti_

Рис. 6.26. Принцип расширения полосы частот усилителя Рамана с применением группы волн накачки [88]

Возможности по организации протяженных оптических каналов высоких скоростей передачи также достаточно эффективно могут решаться с DRA при регулярном размещении накачки, как показано в [88] и на рис. 6.28.

Ограничивающим фактором по дальности передачи оптических сигналов в линиях с DRA является накопление шумов усиления [89]. Исследования показывают, что встречная и согласованная накачки DRA вызывают различные величины шума ASE (рис. 6.29), т. е. наихудшие шумовые свойства демонстрируют усилители с встречной накачкой.

Рис. 6.27. Широкополосное усиление (диапазоны C и L) при многоволновой накачке [77]

241

Рис. 6.28. Возможности по организации оптических каналов на протяженных оптических линиях при использовании DRA

При согласованной накачке коэффициент шума находится в пределах 4 дБ, а при встречной может возрасти до 9 дБ при мощности накачки 300 мВт на волне 1400 нм для обоих способов. Однако встречная накачка используется для предварительных усилителей, т. к. в месте приема сигнала и вводе изучения накачки соотношение сигнал шум остается высоким из-за усиления сигнала вынужденным рассеянием.

Признанным по своей эффективности построения оптических усилителей для когерентных оптических со спектральными каналами на скорости 112 Гбит/с стали комбинированные и интегрированные на одной карте усилитель Рамана и

EDFA, которые получили название EDRA, Erbium Doper Raman Amplifier (рис. 6.30, 6.31).

Рис. 6.29. Примеры шумовых характеристик DRA для согласованной

и встречной накачки в DRA

242

Эффективность состоит в следующем: меньшие вносимые собственные шумы на 6 дБ, чем у существующих EDFA усилителей с аналогичным коэффициентом усиления; возможным широким диапазоном перестройки усиления; поддержка в полосе C до 96 спектральных каналов, а в двух диапазонах C и L до 192 спектральных каналов.

Примеры таких разработок представлены различными компаниями. Ниже рассматриваются возможности EDRA.

Рис. 6.30. Комбинированный усилитель EDRA на диапазон С или L

Рис. 6.31. Комбинированный усилитель EDRA на диапазоны С и L

243

Табл. 6.2. Характеристики оптического усилителя EDRA Cisco для диапазона C в мультисервисной транспортной платформе ONS 15454

6.3. Полупроводниковые оптические усилители (ППОУ)

Полупроводниковые оптические усилители также нашли применение в когерентных оптических системах в виде усилителей мощности (BOA, Booster Optical Amplifier) и универсальных усилителей (SOA, Semiconductor Optical Amplifier). Усилители представляют собой многослойные полупроводниковые кристаллы, в средней части которых находится p-n-переход, накачиваемый носителями зарядов (электронами и дырками). Эта среда с избыточным содержанием электронов и дырок служит каналом усиления оптических сигналов, по-

244

даваемых на один из двух торцов (рис. 6.32). При прохождении сигнала фотоны усиливаются благодаря вынужденному этим сигналом процессу рекомбинации электронов и дырок. Однако в этом потоке усиливаемых фотонов образуются также и случайные по времени, фазе и частоте фотоны из-за случайных рекомбинаций электронов и дырок, что вызывает оптический шум или шум спонтанной эмиссии (ASE).

В усилителях типа BOA, в отличии от SOA, применяется высокоэффек-

тивный канал усиления на основе InP/InGaAsP Multiple Quantum Well (MQW),

который позволяет заметно, как показано ниже в характеристиках, снизить уровень шума.

Рис. 6.32. Конструкция полупроводникового широкополосного оптического усилителя SOA

Антиотражающее покрытие торцов кристалла BOA или SOA, и также скошенный канал усиления (рис. 6.33) позволяют устранить отражения сигнала от торцов и образования среды с лазерной генерацией, как в лазере типа F-P, что позволяет формировать равномерное усиление в широком диапазоне волн

(1520–1620 нм).

Для ввода и вывода оптического излучения используются одномодовые волоконные световоды двух типов: без сохранения поляризации сигнала типа SMF и с сохранением или приданием поляризации типа PMF. При этом волоконные световоды могут представлять собой отрезки волокон до 1–1,5 м с оконцеванием разъемными соединителями FC/APC или без них для сварки

(рис. 6.34).

245

Рис. 6.33. Конструктивное оформление ППОУ со скошенным каналом усиления для исключения отраженных волн

Рис. 6.34. Конструкция SOA в корпусе типа «butterfly»

сволоконными оконцованными выводами

Всостав BOA/SOA могут входить оптические изоляторы, совмещаемые со входом и выходом усилителя.

Типовые применения BOA в составе систем передачи: выходные усилители излучения лазеров в передатчиках; компенсаторы потерь оптической мощности таких пассивных устройств, как мультиплексоры и демультиплексоры, оптические фильтры.

Типовые применения SOA в составе систем передачи: линейный усилитель вместо регенератора; предусилитель перед фотодетектором; быстрый оптический коммутатор или управляемая коммутационная ячейка (время переключения ~1 нс).

Возможности по увеличению оптической мощности представлены в характеристиках: амплитудной (рис. 6.35), где показана зависимость выходной мощности оптического сигнала от тока накачки и зависимость усиления от тока накачки и выходной мощности сигнала; частотной (рис. 6.36), где показаны зависимости усиления и коэффициента шума от длины волны усиливаемого сигнала. Кроме того, представлены зависимости усиления для сигналов с различной поляризацией (рис. 6.37).

246

Рис. 6.35. Характеристики усиления полупроводникового оптического усилителя ППОУ1

Рис. 6.36. Характеристики усиления и шума ППОУ

1 URL: www.kamelian.com (дата обращения: 27.01.2015).

247

Рис. 6.37. Характеристики усилителя SOA1013Covega для различно поляризованных сигналов при шуме 8,5–9,0 дБ

Усилители отличаются значительными отличиями в усилении оптических сигналов с разными значениями поляризации (1,0–1,5 дБ). Общая полоса усиления ППОУ может достигать от 40 нм до 85 нм и более (рис. 6.36, 6.37, 6.38).

Рис. 6.38. Характеристики усилителя BOA1007 Covega

Для сравнительной оценки BOA и SOA в табл. 6.3 приведены основные характеристики1

1 URL: www.covega.com (дата обращения: 27.01.2015).

248

Табл. 6.3. Характеристики оптических усилителей BOA/SOA Thorlabs

В заключении гл. 6 приводится схема оптической системы передачи со спектральным мультиплексированием DWDM (рис. 6.39), на котором отмечены участки применения оптических усилителей. Также в табл. 6.4 приведены для сравнения основные усредненные характеристики оптических усилителей различного типа.

Рис. 6.39. Применение оптических усилителей в системах DWDM

Табл. 6.4. Характеристики различных типов оптических усилителей

Продолжение табл. 6.4

Контрольные вопросы

1.С какой целью в когерентных системах применяются оптические усилители (ОУ)?

2.Какие виды ОУ применяются в когерентных системах?

3.Чем отличаются виды ОУ?

4.Какие принципиальные преимущества рамановских ОУ перед другими видами усилителей для использования в составе когерентных систем?

5.Почему ограничивается величина усиления ОУ?

6.Почему ОА с редкоземельными материалами получили широкое приме-

нение?

7.Чем обусловлен выбор редкоземельного материала Er для ОУ?

8.С какой целью применяется накачка волокна с редкоземельным матери-

алом?

9.Какие волны накачки используют в EDFA?

10.Какова природа шума оптического усилителя EDFA?

11.Чем отличаются характеристики EDFA на волнах накачки 980 нм и

1480 нм?

12.Чем определяется коэффициент шума усилителя EDFA?

13.От чего зависит коэффициент усиления EDFA?

14.Что называют насыщением усилителя EDFA?

15.Какие частотные свойства имеет усилитель EDFA?

16.Как выравнивается АЧХ EDFA?

17.Что такое прямая и встречная накачка EDFA?

18.Какие компоненты входят в схему ОУ EDFA?

19.Какие уровни мощности оптического сигнала можно подавать на вход

EDFA?

20.Какие мощности неискаженных оптических сигналов можно получить на выходе EDFA?

21.В чем смысл рамановкого усиления оптических сигналов?

22.В каких материалах происходит рамановское усиление?

23.Чем определяется коэффициент усиления Рамана?

24.Чем определяется коэффициент шума рамановского усилителя?

25.Чем достигается расширение полосы частот усиления FRA?

26.Какие виды накачки FRA используются?

250