Оптичні підсилювачі на основі ефекту розсіювання

Відомі 2 види оптичних підсилювачів, в яких підсилення оптичних коливань відбувається в результаті розсіювання випромінювання накачування на атомах речовини, що служить основою світлопроводу. Підсилювачі працюють на основі ефектів Рамана та Мандельштама-Брілюена, що мають місце в скляних хвилеводах при великій потужності накачування.

Змушене комбінаційне розсіювання (ЗКР) або раманівське розсіювання може перетворити волоконний світловод в оптичний підсилювач з оптичним накачуванням. Підсилення внаслідок ЗКР залежить від інтенсивності (рівної потужності накачування , поділеної на площу модової плями А), довжини взаємодії L хвилі накачування, сигнальної хвилі та коефіцієнта підсилення ЗКР g:

. (1)

У світловоді з низькими втратами довжина взаємодії може скласти більш 1 км, що знижує вимоги по потужності накачування та коефіцієнту підсилення. Величина коефіцієнта g залежить від домішок у ОВ таких, як бор, германій, фосфор. Для ОВ на основі 2-окису кремнію Si₂ величина коефіцієнта g при накачуванні 1,55 мкм представлена залежністю на рис. 18. З графіка видно, що за рівнем зменшення підсилення в 2 рази смуга частот підсилення може бути ≈5 ТГц при нерівномірній характеристиці підсилення. Підсилення залежить й від довжини ОВ і від величини поглинання потужності в матеріалі ОВ:

, (2)

де l – дійсна довжина, – загасання волокна (дБ/км), – ефективна довжина взаємодії хвиль накачування та сигналу (на довгих лініях (десятки км) можна вважати: ).

Величина потужності розглядається усередненою за інтервал часу передачі імпульсного сигналу. Величина підсилення не залежить від поляризації підсилюваного сигналу. Реальні величини коефіцієнтів підсилення раманівських підсилювачів можуть приймати значення від 3…5 до 20...35 дБ у залежності від складу домішок ОВ і потужності накачування. Приклад схеми підсилювача раманівського типу приведений на рис. 19. Особливість схеми – це зустрічне накачування від потужного лазерного діода (до 1 Вт) стосовно сигналу.

Рисунок 19. Схема раманівського підсилювача з зустрічним накачуванням.

Рисунок 20. Конструктив модуля накачування раманівського ВП.

На завершення необхідно відзначити, що на практиці можливе використання каскадного включення Er і раманівського підсилювачів з додатковим фільтром-вирівнювачем характеристики підсилення в смузі до 100 нм. Таке включення істотно зменшує величину шуму підсиленої спонтанної емісії (ASE). Характерною рисою нелінійного оптичного підсилювача Рамана є утворення спектральних компонентів. Зокрема різницева частота між частотами сигналу та накачування називається стоксовою компонентою. Підсилювач Рамана може бути використаний для збільшення швидкості передачі існуючих ліній з 2,5 до 40 Гбіт/с. Широкосмуговість підсилювача перевищує 5 ТГц і смуга підсилення може зміщатися в залежності від вибору оптичної частоти накачування. Приклад конструктивного виконання модуля накачування підсилювача Рамана приведений на рис. 20. Схема оптичних і електричних ланцюгів модуля раманівського ВП представлена на рис. 21.

ВП Брілюена (ВПБ) в основному схожий за принципом дії з підсилювачем Рамана, за винятком того, що оптичне підсилення забезпечується стимульованим розсіюванням Брілюена. ВПБ також накачується оптично, і частина потужності, що накачується, передається сигналу через розсіювання. Фізично кожен фотон накачування з енергією використовує її частину, щоб створити фотон сигналу з енергією , у той час як фотон енергії збуджує акустичний фотон. Інакше кажучи, хвилі накачування розсіюються на акустичній хвилі, що рухається через середовище зі швидкістю звуку.

Відмінності від раманівського підсилення наступні:

- підсилення має місце тільки тоді, коли сигнал поширюється в напрямку, протилежному променю накачування;

- зрушення частоти сигналу стосовно частоти накачування менше 10 ГГц, тобто на три порядки менше, ніж у раманівського підсилювача, і залежить від частоти накачування;

- спектр підсилення вузький (смуга підсилення менш 100 МГц).

- дуже вузький підсилюваний спектр не дозволяє застосовувати цей тип підсилювача в широкосмугових ВОСП. Реальне підсилення може досягати 20-30 дБ при величині накачування близько 1 мВт.

Рисунок 21. Структура схеми накачування раманівського підсилювача.

Контрольні запитання:

1. Що таке оптичний підсилювач?

2. Чому можливе підсилення світла?

3. Яким чином класифікуються оптичні підсилювачі?

4. Яким вимогам повинні задовольняти оптичні підсилювачі ВОСП?

5. Які види напівпровідникових оптичних підсилювачів можуть бути використані у ВОСП?

6. Чим відрізняється підсилювач хвилі, що біжить, від резонансного?

7. Які недоліки має підсилювач хвилі, що біжить?

8. Що являють собою рідкоземельні елементи та куди їх розміщують для одержання ефекту оптичного підсилення?

9. Які пристрої входять до складу оптичного підсилювача?

10. Скільки енергетичних рівнів задіяне в атомах Er для підсилення?

11. На яких довжинах хвиль в атомах Er спостерігається поглинання енергії?

12. Які причини шумів оптичних підсилювачів?

13. Чим визначається величина підсилення ВП?

14. Яким чином коректується АЧХ підсилювача?

15. Чим принципово відрізняються підсилювачі на основі ефекту розсіювання від ВП з рідкоземельними матеріалами?

Розробив:

доцент КІ

к.т.н., доцент Слюсар І.І.

Дата добавления: 2014-01-20