Оптические усилители

Первоначально для усиления сигналов применялись электронные усилители, для чего приходилось переводить оптический сигнал с помощью опто-электронного преобразователя (ОЭП) в электронную форму, усиливать сигнал и затем снова с помощью электронно-оптического преобразователя (ЭОП) превращать в оптические сигналы. Система была громоздкой, но терпимой, пока в окне прозрачности использовалась только одна волна. С появлением волнового уплотнения, когда в одном окне прозрачности передаётся несколько волн, возникла острая необходимость в разработке усилителя, который одновременно усиливал бы все сигналы в данном окне прозрачности без сложного многоступенчатого преобразования и усиления каждой волны по отдельности. Такими явились оптические усилители, которые непосредственно усиливают оптические сигналы.

В настоящий момент существует несколько типов оптических усилителей: 1) Полупроводниковые лазерные усилители (ППУ)

ППУ – это по существу лазер с антиотражающими стенками (рис.7.1). Он имеет ряд

недостатков: малые размеры (1 мкм), большой диаметр пучка (9 мкм), низкий кпд, чувствителен к поляризации. ППУ обычно применяется после разветвителя для компенсации уменьшения мощности

Рис.7.1. Схема полупроводникового лазерного усилителя

2) Усилители Фабри – Перо.

Усилитель Фабри-Перо похож на ППУ, но снабжён плоским резонатором с зеркальными стенками на выходе. Коэффициент усиления 25 – 45 дБ. У этого усилителя очень узкая полоса усиления (1.5 ГГц), но она легко перестраивается в полосе 800 ГГц (рис.7.2). Усилитель Фабри-Перо - идеальный демультиплексор. Усиливает только одну частоту, на которую настроен.

Рис. 7.2. Полоса работы усилителя Фабри-Перо

3) Усилители на примесном волокне EDFA

Усилители EDFA (Erbium drop fiber amplifier) представляет собой легированное редкоземельным элементом волокно с большой нелинейностью (с небольшим диаметром сердцевины). Обычно выполняется в виде кольца (несколько метров) волокна (рис.7.3). Сердцевина волокна легирована эрбием для волны в окне 1.55 мкм или неодимом (в окне 1.3 мкм). EDFA усиливает все сигналы в окне.

Диаметр сердцевины около 2 мкм (для усиления нелинейности), затухание 10 дБ/км, уровень шумов 3-5 дБ, коэффициент усиления 30-40 дБ, мощность до 500мВт

Рис.7.3. Эрбиевый усилитель.

Оптические усилители только усиливают сигнал вместе со всеми его искажениями, но не регенерируют его. На длине регенерационного участка обычно устанавливают не более 5-6 усилителей EDFA. На линии перед и после усилителя устанавливаются оптические изоляторы для предотвращения попадания накачки и отражённых волн в линию. EDFA усиливает все сигналы в окне 1528 -1560 нм. Накачка может быть со- и противонаправленной. В последнем случае усиление возрастает на 2 дБ, а шум – на 1 дБ.

Существует два типа усилителей EDFA - на эрбиево-кремниевом и фтор-цирконатном волокнах. Усилитель на кремниевой основе дешевле и обладает большим коэффициентом усиления, но характеристика усиления неравномерна (рис.7.4). Усилитель на цирконатной основе обладает прямолинейной характеристикой усиления на любой длине волны, но коэффициент усиления меньше (рис. 7.4). Как правило, используют два каскада усиления. Эрбиевые усилители EDFA сейчас являются наиболее распространёнными усилителями на линиях связи.

Рис. 7.4. График усиления разных типов усилителей EFDA

4) Усилители на Брюллиеновском рассеянии

В брюллиэновском усилителе используются нелинейные явления, происходящие при Брюллиэновском рассеянии. При рассеянии на колеблющейся решетке энергия накачки на частоте f₁ переходит в энергию на частоте f₂ . Этот тип усилителей характеризует довольно узкий диапазон частот усиления, ширина полосы порядка 1.5 ГГц, мощность 10 мВт.

5) Рамановские усилители

Рамановские усилители основаны на использовании явления Рамановского рассеяния.

Их отличает очень большая ширина полосы усиления - свыше 10 ТГц, при этом усилитель может быть распределённым по длине легированного волокна (длиной в сотни км) и усиливать много волн сразу. Несколько генераторов накачки могут устанавливаются в одном месте, например на станции, и подключённая линия может служить одновременно и направляющей средой и усилителем. Мощность до 1 Вт. Рамановские усилители получают всё большее распространение.