Волоконно-оптические усилители Выполнила: Югарова Таисия Гр

2 История вопроса Через каждые км волоконно-оптического тракта происходит ослабление оптического сигнала на дБ требуется его восстановление. Регенератор - единственный способ компенсации потерь в линиях связи до начала 90-х г. Действие регенератора: преобразует световой сигнал в электрический, преобразует световой сигнал в электрический, распознает сигнал и производит электронное восстановление первоначальной формы, распознает сигнал и производит электронное восстановление 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 ограничена возможностями электроники. Исследования ученых в годах, ряд открытий и изобретений привели к появлению эрбиевых усилителей (Erbium-Doped Fiber Amplifier -EDFA). Это усилители на волоконном световоде, легированном ионами эрбия.

3 Уже в 1992 г. на рынке появились готовые для применения модули таких усилителей. Уже в 1992 г. на рынке появились готовые для применения модули таких усилителей. Быстрый рост информационной емкости волоконно-оптических линий связи, основанных на новых технологиях, способствовал возникновению телекоммуникационного бума и росту инвестиций в эту область в конце 90-х. Быстрый рост информационной емкости волоконно-оптических линий связи, основанных на новых технологиях, способствовал возникновению телекоммуникационного бума и росту инвестиций в эту область в конце 90-х. Свойства эрбиевых усилителей: Возможность одновременного усиления сигналов с различными длинами волн. Возможность одновременного усиления сигналов с различными длинами волн. Непосредственное усиление оптических сигналов, без их преобразования в электрические сигналы и обратно. Непосредственное усиление оптических сигналов, без их преобразования в электрические сигналы и обратно. Практически точное соответствие рабочего диапазона эрбиевых усилителей области минимальных оптических потерь световодов на основе кварцевого стекла. Практически точное соответствие рабочего диапазона эрбиевых усилителей области минимальных оптических потерь световодов на основе кварцевого стекла. Низкий уровень шума и простота включения в волоконно-оптическую Низкий уровень шума и простота включения в волоконно-оптическую систему передачи.

4 Принцип работы эрбиевого усилителя 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 на рис. 1. Усиление света в эрбиевом усилителе происходит благодаря переходу между уровнями 21. Каждый из этих уровней расщеплен на ряд подуровней из-за взаимодействия ионов эрбия с внутрикристаллическим полем кварцевого стекла. 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 τз=1 мкс), и за счет процессов релаксации переходят в долгоживущее состояние (на метастабильный уровень 2 энергии). Время жизни на этом уровне относительно велико (τ2=10 мс, т.е. τ2=10000τз), поэтому число ионов, находящихся на уровне 2, при соответствующей мощности накачки может превышать число ионов на уровне 1. Рис. 1. Упрощенная схема уровней энергии эрбия в кварцевом стекле эрбия в кварцевом стекле 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 уровня 2 на уровень 1 с одновременным рождением еще одного фотона. Увеличение числа фотонов означает, что происходит 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 совпадает с энергией перехода, поглощают их, переходя на уровень 2. При этом спектр усиления практически совпадает со спектром 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 уровнями 2 и 1 - необходимое условие усиления света. Для создания инверсии населенностей необходимо перевести примерно половину ионов эрбия на метастабильный уровень 2. Мощность накачки оптического усилителя, при которой населенность Мощность накачки оптического усилителя, при которой населенность уровней 1 и 2 равны, называется пороговой мощностью.

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

7 Использование трехуровневой схемы накачки приводит к появлению важных Использование трехуровневой схемы накачки приводит к появлению важных свойств эрбиевого усилителя: Наличие пороговой мощности накачки. При превышении пороговой мощности Наличие пороговой мощности накачки. При превышении пороговой мощности накачки начинается усиление сигнала. Величина её порядка мВт. Необходимость выбора оптимальной длины эрбиевого волокна (при которой 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. Cпонтанное излучение. Появляется при отсутствии усиливаемого сигнала, Cпонтанное излучение. Появляется при отсутствии усиливаемого сигнала, когда ионы эрбия переходят в основное состояние самопроизвольно, излучая когда ионы эрбия переходят в основное состояние самопроизвольно, излучая фотоны. В рабочем режиме при наличии усиливаемого сигнала часть возбужденных 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 источником шумов, а также ограничивает коэффициент усиления, особенно в случае слабого сигнала.

8 Оптическая схема эрбиевого волоконного усилителя Упрощенная схема эрбиевого волоконного усилителя представлена на рис.3. Оптическая накачка, необходимая для перевода ионов эрбия в возбужденное состояние, осуществляется на длинах волн, соответствующих одной из их полос поглощения. В табл.1 приведены значения эффективностей использования накачки. Рис. 3. Упрощенная схема эрбиевого волоконного усилителя Длина волны накачки, нм Максимальная эффективность накачки, дБ/мВт Таблица 1. Эффективность использования накачки Наибольшая эффективность использования накачки достигается на длинах волн 980 и 1480 мкм. Именно этот факт дал мощный толчок развитию полупроводниковой техники высоких мощностей. В настоящее время разработаны устройства накачки с мощностью в несколько сотен мВт.

9 Для объединения входного оптического сигнала и излучения 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. Изображенная на рис.3 схема усилителя представляет собой вариант Изображенная на рис.3 схема усилителя представляет собой вариант схемы с попутной накачкой, когда сигнал и излучение накачки распространяются в одном и том же направлении. Возможным является вариант со встречной накачкой, а также применение накачки в двух направлениях. Двунаправленная накачка позволяет использовать два источника накачки, повышая суммарную мощность накачки.

10 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. уменьшения потерь на соединения. Принципиальным является выбор легирующих добавок, формирующих 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.1). В свою очередь это приводит к изменению спектров поглощения и излучения.

11 На рис. 4. представлены спектры излучения ионов эрбия в кварцевом стекле, легированном 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. Концентрация ионов эрбия в сердцевине оптического волокна фактически определяет его длину. Рис. 4. Спектры излучения ионов эрбия в кварцевом стекле с различными добавками На практике концентрация ионов эрбия составляет 10^18 – 10^20 см^(-3), что обеспечивает длину используемого активного световода от нескольких единиц до нескольких десятков метров.

12 Основные параметры волоконных усилителей Для практического использования в системах волоконно-оптической связи наибольшее значение имеют следующие 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 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. Если мощность входного и выходного сигналов также выражена в логарифмических единицах, то коэффициент усиления равен разности мощностей выходного и входного сигналов. В лабораторных условиях достигнуто усиление 50 дБ. В серийных эрбиевых усилителях значения коэффициента усиления слабого сигнала находятся в районе 30 дБ. 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. накачки источники излучения меньшей мощности, а следовательно, более дешевые.

13 Шум-фактор. Основным источником шума в усилителе на волокне, легированном эрбием, является спонтанное излучение. Это спонтанное излучение усиливается и повторно поглощается по всей длине усилителя. 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. 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 населенность основного уровня 1 может быть снижена практически до нуля. Излучение накачки на длине волны 1480 нм само эффективно взаимодействует с ионами эрбия, находящимися на метастабильном уровне энергии 2, поэтому населенность уровня 1 не может быть снижена до нуля. При накачке во встречном по отношению к сигналу направлении шум-фактор также несколько выше, чем при сонаправленной накачке. На рис. 5 представлены спектральные зависимости шум- фактора при двух значениях входного сигнала дБм и -0,5 дБм. Видно, что данная величина не превышает уровня 5 дБ в диапазоне 60 нм. Рис. 5. Спектральная зависимость коэффициента шума и усиления эрбиевого усилителя для двух значений входного сигнала

14 Ширина и равномерность полосы усиления. Ширина полосы усиления 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. 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 излучения обладают ионы эрбия в алюмосиликатном стекле (рис.4). Ширина полосы усиления для традиционной конфигурации усилителя составляет примерно 30 нм ( нм). Для многоканальных волоконно-оптических систем со спектральным Для многоканальных волоконно-оптических систем со спектральным мультиплексированием этот параметр является принципиальным. Поскольку в настоящее время число каналов достигает 100 и практически трудно реализовать разделение отдельных спектральных каналов с интервалами менее чем 0,4 нм, то ширина спектра усиливаемого излучения может превышать 40 нм. В этих условиях ширина полосы усиления начинает оказывать определяющее влияние на число спектральных каналов, используемых для передачи информации, а значит, и на общую информационную пропускную способность волокна.

15 Эта полоса усиления имеет название стандартного диапазона или С-диапазона. Как видно Эта полоса усиления имеет название стандартного диапазона или С-диапазона. Как видно из рис.4, интенсивность люминесценции имеет заметное значение вплоть до 1600 нм. При этом поглощение в области нм падает очень быстро, что позволяет использовать и этот диапазон для усиления световых сигналов. Таким образом, оказывается возможным усиление в так называемом длинноволновом диапазоне или L- диапазоне, если использовать длинное эрбиевое волокно. Поэтому перед усилением оптические сигналы разделяются по диапазонам С и L, и для каждого используется свой усилитель. Спектральные характеристики усиления в обоих диапазонах пред- ставлены на рис.6. Рис. 6. Спектральные характеристики двухдиапазонного усилителя

16 Дальнейшее расширение рабочего спектрального диапазона эрбиевых Дальнейшее расширение рабочего спектрального диапазона эрбиевых усилителей связано с использованием области нм, или S-диалазона (коротковолновый диапазон). Интенсивность люминесценции ионов эрбия в этой области не меньше, чем в L-диапазоне, однако существенным является сильное поглощение сигнала. Эта проблема решается использованием более мощных источников накачки по сравнению с другими усилителями. Вторая проблема выглядит более серьезной и связана она с сильной конкуренцией между 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 введении изгибных потерь в диапазоне нм для подавления усиленного 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, позволяющего расширить спектр люминесценции. Так, в последнее время появился значительный интерес к эрбиевым волокнам на основе теллуритного стекла. Однако усилители на основе теллуритного волокна пока находятся на стадии лабораторных исследований.

17 Важной характеристикой усилителя в системах связи со спектральным Важной характеристикой усилителя в системах связи со спектральным разделением каналов (WDM) является равномерность коэффициента усиления в пределах рабочего спектрального диапазона. Как видно из рис.5 неравномерность коэффициента усиления слабого сигнала может превышать 10 дБ в пределах одной спектральной полосы. В рабочих условиях неравномерность коэффициента усиления уменьшается из-за повышения суммарной мощности оптического сигнала. Тем не менее при прохождении в длинной линии через ряд усилителей суммарная неоднородность усиления может привести к поте- ре информации в каналах с меньшим усилением. Таким образом, актуальным является сглаживание 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 фотоиндуцированная длиннопериодная решетка. Такие решетки изготавливают путем пространственно периодического облучения сердцевины световода ультрафиолетовым излучением через его поверхность. Спектр и интенсивность поглощения задаются периодом решетки и временем облучения световода. Применение сглаживающих фильтров, изготовленных с использованием этой техники, позволяет уменьшить вариации коэффициента усиления до десятых долей дБ.

18 Примеры волоконно-оптических усилителей Волоконные эрбиевые усилители обеспечивают прозрачное усиление произвольно поляризованного оптического сигнала в С-диапазоне ( нм) с максимальной выходной мощностью до 25дБм на один спектральный канал. В усилителях используется уникальная технология накачки мощными многомодовыми диодами специального волокна легированного эрбием. Усилители на основе эрбиевого волокна имеют малый шум-фактор, что позволяет передавать оптический сигнал на большие расстояния без его регенерации. Малый шум-фактор позволяет также строить на основе EDFA эффективные предусилители для сигнала с уровнем мощности до -40дБм. Варианты исполнения усилителей (по выходной оптической мощности): 20 мВт (предусилитель) 20 мВт (предусилитель) 60 мВт 60 мВт 100 мВт 100 мВт 200 мВт 200 мВт 350 мВт 350 мВт 400 мВт 400 мВт 500 мВт 500 мВт

19 Технические характеристики: Максимальная выходная оптическая мощность 25дБм Диапазон входной оптической мощности Спектральная неравномерность

20 Ссылки на ресурсы сети Интернет: 1) Дмитриев А. Л. Оптические системы передачи информации [Электрон. ресурс] / А.Л. Дмитриев. – Режим доступа: 2) Вудс С., Дака М., Флин Г. Волоконные лазеры средней мощности и их применение [Электрон. ресурс] / С. Вудс, М. Дака, Г. Флин. – Режим доступа: 3) Дианов Е. М. Волоконные лазеры [Электрон. ресурс] / Е. М. Дианов - Режим доступа: