 |
Полупроводниковые оптические усилители. Конструкции, принцип действия, основные характеристики
|
|
|
|
Оптические усилители для оптических систем передачи
Основными ограничивающими факторами в волоконно-оптических системах передачи являются затухание, дисперсия и нелинейные оптические эффекты. В предлагаемой главе рассматриваются устройства – оптические усилители, которые компенсируют потери оптической мощности, возникающие в световодах, соединителях, пассивных разветвителях и т. д.
Оптический усилитель – устройство, обеспечивающее увеличение мощности оптического излучения.
Принцип оптического усиления. Классификация и назначение усилителей
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). Накачка этих сред осуществляется непрерывно или импульсно. При усилении может происходить преобразование спектра входного сигнала, т.е. выходной сигнал может быть смещен по частоте.
*Классификация различных видов оптических усилителей приведена на рисунке 1.1.
К усилителям, которые используются в оптических системах передачи, предъявляется ряд требований:
· 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.
Этим требованиям в наибольшей степени отвечают полупроводниковые и волоконные усилители, настроенные на окна прозрачности стекловолокна (около 0,85 мкм; 1,31 мкм; 1,55 мкм).
Рисунок 1.1. Классификация оптических усилителей
Нелинейные усилители пока получили незначительное применение в ВОСП. Однако для некоторых перспективных методов передачи, например, солитонных и многоволновых, их использование может оказаться ключевым
Полупроводниковые и волоконно-оптические усилители применяются в качестве усилителей мощности, совмещаемых с оптическими передатчиками, в качестве предусилителей перед фотоприемниками и в качестве промежуточных станций в линейных трактах оптических систем передачи.
Полупроводниковые оптические усилители. Конструкции, принцип действия, основные характеристики
Полупроводниковые усилители строятся в основном по двум схемам: усилители бегущей волны, в которых эффект оптического усиления наблюдается при распространении входного излучения в инверсной среде активного слоя с просветленными, т.е. не отражающими торцами (рисунок 1.2), и резонансные усилители, в которых эффект усиления и отсутствие лазерной генерации обеспечивается за счет того, что уровень постоянного тока накачки в рабочем режиме выбирается близким, но все-таки ниже порогового значения (рисунок 1.3).
Усилители бегущей волны (УБВ) могут быть реализованы с достаточно большим коэффициентом усиления (около 30 дБ при 
) широкой полосой (около 5 ¸ 10 ТГц). Для этого необходимо подавление возможных отражений фотонов от торцов (отражение менее 0,1%). Это достигается в конструкциях усилителей, изображенных на рисунке 1.4.
Резонансный усилитель Ф–П имеет слишком узкую полосу усиления на уровне -3 дБ от максимального (менее 10 ГГц) и мало пригоден для оптических систем передачи. Соотношение полос частот усиления для УБВ и усилителя Ф–П приведено на рисунке 1.5.
|
|
|
Рисунок 1.2. Усилитель бегущей волны и его частотная характеристика
Рисунок1.3. Усилитель резонансного типа и его частотная характеристика
Рисунок 1.4. Конструкции усилителей бегущей волны с активным слоем и подавлением отраженных лучей
Пригодные для оптических систем передачи усилители бегущей волны имеют разные коэффициенты усиления для продольных и поперечных мод (мод ТЕ и ТМ) (рисунок 1.6). Поэтому усилители выполняются из двух кристаллов с ортогональным расположением активных усиливающих слоев.
Рисунок 1.5. Спектральные характеристики усиления
Рисунок 1.6. Усиление для продольных и поперечных мод в УБВ
В таблице 1.1 приведены характеристики некоторых полупроводниковых усилителей.
Таблица 1.1. Характеристики полупроводниковых усилителей
Пример конструкции полупроводникового усилителя, совмещенного с лазером передатчика, приведен на рисунке 1.7.
Рисунок 1.7. Схема структуры с объединенным РОС - лазером и оптическим усилителем
Конструкция выполнена на одной подложке. Лазер отделен от усилителя изолирующим слоем FeInP, который прозрачен для оптического излучения.
|
|
|
