Волоконно-оптические усилители Выполнил: студент гр Патрикеев Л.Н 1

Принцип оптического усиления. Оптический усилитель – устройство, обеспечивающее увеличение мощности оптического излучения. 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). 2

Классификация оптических усилителей Рис. 1 Классификация оптических усилителей 3

Требования, предъявляемые к усилителям 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. 4

Принцип работы эрбиевого усилителя Рис.2. Упрощенная схема уровней энергии эрбия в кварцевом стекле Принцип работы усилителей EDFA основан на явлении усиления света при вынужденном излучении Возможность усиления света в световодах, легированных ионами эрбия, обуславливается схемой уровней энергии данного редкоземельного элемента, представленной в упрощенном виде на рис.2 5

Рис. 3. Спектральная зависимость усиления/поглощения эрбиевого волокна при различных значениях относительной населенности метастабильного уровня энергии 6

Использование трехуровневой схемы накачки приводит к появлению важных свойств эрбиевого усилителя: Наличие пороговой мощности накачки. При превышении пороговой мощности накачки начинается усиление сигнала. Величина её порядка мВт. Необходимость выбора оптимальной длины эрбиевого волокна (при которой усиление максимально). При длине волокна > оптимальной в дальних участках волокна будет наблюдаться поглощение сигнала, а при длине < оптимальной – излучение накачки используется не полностью. Оптимальная длина эрбиевого волокна зависит от частоты усиливаемого сигнала. Чем меньше частота сигнала, тем более длинный отрезок эрбиевого волокна соответствует максимальному усилению. Свойства эрбиевого усилителя 7

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. Наибольшая эффективность использования накачки достигается на длинах волн 980 и 1480 мкм 8

Изготовление усилителей 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. Принципиальным является выбор легирующих добавок, формирующих сердцевину активного световода, а также подбор концентрации ионов эрбия. Различные добавки в кварцевое стекло изменяют характер штарковского расщепления уровней энергии ионов эрбия (рис.2). В свою очередь это приводит к изменению спектров поглощения и излучения. 9

Спектры излучения ионов эрбия в кварцевом стекле с различными добавками Видно, что наиболее широкий спектр излучения (а значит, и спектр усиления) достигается при использовании в качестве добавки алюминия. Поэтому этот элемент стал необходимой составляющей материала сердцевины эрбиевых волоконных световодов. 10 Рис.4. Спектры излучения ионов эрбия в кварцевом стекле с различными добавками

Основные параметры волоконных усилителей Для практического использования в системах волоконно- оптической связи наибольшее значение имеют следующие параметры эрбиевых усилителей: коэффициент усиления; выходная мощность сигнала и энергетическая эффективность накачки; шум-фактор и мощность усиленного спонтанного излучения; спектральная ширина и равномерность полосы усиления. 11

Коэффициент усиления G - определяется как отношение мощности сигнала на выходе оптического усилителя к мощности сигнала на его входе с учетом дополнительных потерь на мультиплексоре и в оптическом изоляторе. В технических спецификациях коэффициент усиления выражают в децибелах g[дБ] = 10 lg G. В лабораторных условиях достигнуто усиление 50 дБ. В серийных эрбиевых усилителях значения коэффициента усиления слабого сигнала находятся в районе 30 дБ. 12

Выходная мощность сигнала и энергетическая эффективность накачки. Выходная мощность сигнала определяет расстояние до следующего усилителя. Энергетическая эффективность определяется отношением изменения мощности сигнала к мощности накачки. Для получения максимальной энергетической эффективности перспективнее использовать накачку на длине волны 1480 нм (энергетическая эффективность 86%), а не на длине волны 980 нм (энергетическая эффективность 55%).Большая энергетическая эффективность позволяет использовать для накачки источники излучения меньшей мощности, а следовательно, более дешевые. 13

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.2). Для характеристики качества оптического усилителя используется параметр получивший название шум- фактор. Величина шум-фактора является мерой ухудшения отношения сигнал/шум входного когерентного сигнала при прохождении через оптический усилитель. Рис.5. Спектральная зависимость коэффициента шума и усиления эрбиевого усилителя для двух значений входного сигнала 14

Ширина и равномерность полосы усиления Ширина полосы усиления показывает диапазон длин волн, в котором значение усиления не ниже некоторого граничного уровня. Как правило, этот уровень составляет -3 дБ от максимального значения коэффициента усиления. Рис.6. Спектральные характеристики двухдиапазонного усилителя 15

Тулиевый волоконный усилитель Усилительные системы на основе волокна, активированные ионами тулия Tl 3+ (thulium-doped fiber amplifier-TDFA) работают подобно эрбиеву волококонному усилителю: оптическое усиление сигнала в них происходит в результате преобразования энергии накачки в энергию сигналов при распространении излучения в усилительном волокне. Разница между эрбиевым и тулиевым волоконным усилителем заключается в способе усиления, определяемой ионами-активаторами и схемой накачки 16

Усиление осуществляется с использованием двух волн накачки с одинаковыми или различными частотами. Фотоны предварительной накачки переводят ионы активатора на энергетический уровень E 2, являющийся нижним рабочим уровнем, затем фотоны основной накачки используются для заселения верхнего рабочего энергетического уровня E 3, вынужденный переход с которого на E 2 обеспечивает усиление оптических сигналов. Рис.7. Принципиальная схема тулиевого волоконного усилителя. 17

18 Рис.8. Схема энергетических уровней тулиевого волоконного усилителя

Литература В.А. Гуртов Оптоэлектроника и волоконная оптика Волоконно-оптические системы передачи Н.А. Макаров. Оптические волоконные усилители информационных сигналов 19