8.Активные оптические компоненты
К активным оптическим элементам можно отнести устройства, принцип действия которых основан на взаимодействии, как минимум, двух световых потоков в активной среде. К таким элементам можно отнести:
оптические усилители,
оптические волновые конвертеры.
8.1. Оптические усилители
8.1.1. Классификация. Общие сведения.
Оптический усилитель (ОУ) непосредственно усиливает проходящий оптический сигнал без преобразования его в электрический. Использование ОУ позволяет отказаться от промежуточных регенераторов и значительно увеличить протяженность регенерационного участка. Значительным преимуществом ОУ перед регенераторами является возможность усиления многочастотного сигнала со спектральным уплотнением (WDM).
Установка в линейном тракте ОУ позволяет существенно удешевить оборудование волоконно-оптических систем передачи (ВОСП). До начала 90-х годов единственным способом компенсации потерь в линии было применение регенераторов. Регенератор работает по схеме: прием оптического сигнала - оптоэлектрическое преобразование - электрическое усиление - регенерация (распознавание и восстановление) электрического сигнала - электрооптическое преобразование - передача оптического сигнала.
С точки зрения минимизации числа оптоэлектрических и электрооптических преобразователей было бы логично осуществлять регенерацию по схеме: прием оптического сигнала - усиление и регенерация оптического сигнала (с помощью оптических усилителя и регенератора) - передача оптического сигнала. Однако реализовать указанную схему пока не удается ввиду отсутствия собственно оптических регенераторов. Под оптической регенерацией понимается восстановление формы искаженного в линии оптического сигнала без использования преобразования оптического сигнала в электрический и обратно.
Использование ОУ позволяет значительно увеличить длину регенерационного участка, за счет разбивки его на несколько усилительных участков. Это уменьшает число регенераторов в линейном тракте и упрощает схему передачи.
Наиболее распространенными ОУ в настоящее время являются:
Усилители на основе специальных оптических волокон (ОВ), легированных редкоземельными элементами (наибольшее распространение получили эрбиевые усилители),
Усилители, использующие вынужденное комбинационное рассеяние в кварцевых ОВ использующихся для передачи сигналов (рамановские усилители).
Полупроводниковые усилители с конструкцией, подобной лазерным диодам,
ОУ являются нелинейными устройствами. Типовые зависимости выходной оптической мощности от входной и коэффициента усиления от выходной оптической мощности показаны на рис. 8.1. ОУ могут использоваться (рис. 8.2) в качестве предусилителя на входе фотоприемного устройства (ФПУ) (область А на рис. 8.1) и усилителя мощности (бустера) на выходе источника излучения (область В на рис. 8.1).
Установка перед оптическим приемником предварительного ОУ позволяет уменьшить вклад в суммарный шум ФПУ со стороны собственно фотоприемника и усилителя фототока за счет увеличения оптического сигнала на входе ФПУ. Это позволяет значительно увеличить длину регенерационного участка. К предусилителю предъявляются требования высокой линейности, большого коэффициента усиления и малого уровня шума.
Использование ОУ мощности на выходе регенератора позволяет увеличить длину участка регенерации за счет повышения мощности сигнала при той же пороговой мощности ФПУ. К ОУ мощности предъявляется основное требование большой выходной мощности (десятки и сотни мВт). Требования к высокой линейности и низким шумам не являются жесткими.
Для компенсации затухания в линейном волоконно-оптическом тракте может использоваться каскадное включение линейных ОУ (рис.8.2). К линейному ОУ одновременно предъявляются требования высокого коэффициента усиления и линейности, малых шумов и большой выходной мощности. Обычно линейный усилитель является многокаскадным, содержащим, как минимум, предусилитель и усилитель мощности.
Рис. 8.1. Зависимость уровней выходной оптической мощности от входной и коэффициента усиления от выходной мощности
Рис. 8.2. Применение разных типов оптических усилителей.
В таблице 8.1 указана степень значимости некоторых параметров ОУ в зависимости от их назначения.
Таблица 8.1.
|
Параметр |
Предусилитель |
Линейный усилитель |
Усилитель мощности |
|
Коэффициент усиления |
высокий |
средний |
низкий |
|
Коэффициент шума |
низкий |
средний |
высокий |
|
Мощность насыщения |
низкая |
средняя |
высокая |
|
Нелинейность |
низкая |
средняя |
высокая |
Различают дискретные и распределенные ОУ. Полупроводниковые и эрбиевые ОУ относят к дискретным. Рамановские ОУ обычно являются распределенными, но могут выполняться и в виде дискретных ОУ, использующих в качестве активной среды специальные ОВ, например типа DCF, компенсирующие дисперсию стандартного одномодового ОВ.