Волоконно-оптические рамановские и параметрические усилители

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство связи РФ

Сибирский государственный университет телекоммуникаций и информатики

Кафедра МЭС и ОС

Реферат на тему:

«Волоконно-оптические рамановские и параметрические усилители»

Выполнил: Феденёв Иван Владимирович

МГ-01

Проверил: Кураш Фёдор Иванович

Новосибирск

2010

1. Нелинейные эффекты в волоконных световодах

Оптический световод, как и любой диэлектрик, демонстрирует нелинейное поведение в сильном электромагнитном поле. Такие поля образуются даже при использовании относительно маломощных источников излучения за счет большой плотности мощности, реализуемой в силу малого поперечного сечения одномодового кабеля (порядка 5*10-11 м2).

Ситуация усугубляется в системах с оптическими усилителями, используемых для обеспечения большой длины регенерационного участка, а также в высоко-плотных системах с разделением по длинам волн, где используются источники интенсивного лазерного излучения. Наиболее явно проявляются нелинейные эффекты низших порядков:

нелинейное преломление - явление, при котором показатель преломления зависит от интенсивности электрического поля Е

вынужденное неупругое рассеяние - явление, при котором оптическая волна передает часть своей энергии нелинейной среде в результате взаимодействия с молекулами

модуляционная неустойчивость - явление модуляции стационарного волнового состояния под действием нелинейных и дисперсионных эффектов

параметрические процессы - явления, вызванные взаимодействием оптических волн с электронами внешних оболочек (четырехволновое смешение ЧВС, генерация гармоник и параметрическое усиление)

Нелинейное преломление, фазовая самомодуляция и фазовая кросс-модуляция волоконный световод усилитель оптический

Показатель преломления оптической среды не только зависит от частоты (этот факт рассматривается в рамках линейной теории), но и от интенсивности света I, или квадрата напряженности электрического поля Е:

где

n1 - линейная часть, описываемая уравнением Селлмейера и зависящая от частоты,

n2 - нелинейная составляющая показателя преломления, зависящая от электрического поля.

Нелинейная составляющая n2 может быть выражена следующим уравнением:

где kn - коэффициент нелинейности показателя преломления, - составляющая нелинейной диэлектрической восприимчивости 3-го порядка (является компонентой (1111) тензора 4-го порядка.

Зависимость n от |Е|2 приводит к таким нелинейным эффектам, как фазовая самомодуляция (ФСМ) и фазовая кросс-модуляция (ФКМ):

ФСМ обусловлена нелинейным набегом фазы, который оптическое поле приобретает при распространении в световоде, причем набег фазы увеличивается с увеличением длины распространения z, приводя к симметричному спектральному уширению коротких импульсов;

ФКМ обусловлена набегом фазы, наведенным электрическим полем источника, излучающего на другой длине волны; эта волна распространяется совместно с исходной и вызывает асимметричное спектральное уширение совместно распространяющихся импульсов.

Изменение фазы при появлении ФСМ вызывает паразитную частотную модуляцию (ПЧМ) импульса, глубина которой растет с ростом z, что и объясняет уширение спектра импульса. Этот спектр имеет обычно осциллирующий характер и зависит от формы импульса и его начальной паразитной частотной модуляции (ПЧМ), которая наблюдается у многих источников излучения. Если на ФСМ накладывается ДГС, то для волокна с положительной дисперсией ее влияние обычное и сводится к уширению спектра и расплыванию импульса со временем. Если же дисперсия волокна отрицательна, то ее влияние необычное - гауссовский импульс несколько расширяется, затем стабилизируется, а спектр импульса сужается. Если же импульс имеет форму гиперболического секанса (близок к гауссовскому), то в отсутствие начальной ПЧМ импульс ведет себя как солитон - ни форма, ни спектр импульса не изменяются при распространении.

Таким образом, совместное действие ФСМ и ДГС в световоде в области отрицательных дисперсий является одной из основных причин, которая объясняет существование оптических солитонов (см. ниже).

Вынужденное неупругое рассеяние

Это явление, в отличие от упругого взаимодействия (изучаемого в линейной теории), обусловлено неупругим взаимодействием, при котором оптическое поле передает часть своей энергии нелинейной среде. С ним связаны два явления:

вынужденное рамановское/комбинационное рассеяние (ВКР)

вынужденное рассеяние Мандельштама-Бриллюэна (ВРМБ)

Квантовый механизм рассеяния состоит в том, что фотон падающего пучка (например пучка лазерной накачки оптического усилителя) распадается на фотон меньшей (комбинационной или разностной) частоты и фонон. Если принять, что wc и wнак - частоты сигнала и накачки, то это происходит по схеме: wнак-wс=wр. Излучение разностной частоты wр называется стоксовой волной. Для ВКР стоксовая волна может распространяться в обоих направлениях, но преимущественно распространяется по направлению падающего пучка, для ВРБМ - в противоположном направлении.

Оба эти явления носят пороговый характер, но имеют и существенные различия: одно наблюдается при мощностях накачки порядка 1 Вт (ВКР), другое -порядка 10 МВт (ВРМБ). Важной особенностью этих явлений является то, что их интенсивность в волоконных световодах может увеличиваться на много порядков (до 109 раз на длине волны 1550 нм при затухании 0,2 дБ/км), создавая возможность для оптического усиления.

Благодаря этому оба эти явления используются в оптических усилителях, имеющих одноименные названия:

ВКР-усилители (или рамановские, или комбинационные усилители)

ВРМБ-усилители

Явление ВРМБ стало предметом более пристального изучения в последнее время в связи с значительным усовершенствованием систем передачи с одной несущей и достижением близких к предельным показателей по длине пролета (участка перекрытия - аврал), за счет использования все более мощных лазерных источников излучения, а также показателей по скорости передаваемого сигнала, за счет увеличения разрешающей способности (степени монохроматичности) лазерного сигнала. В обоих случаях происходит увеличение плотности потока световой энергии, приводящее к усилению нелинейных эффектов, которые в первую очередь проявляются через ВРБМ, учитывая, что оно имеет самый низкий порог возникновения. Возникнув, ВРБМ само приводит, при определенных уровнях излучения накачки, к возникновению пороговых явлений, ограничивающих мощность полезного распространяющегося сигнала.

Физическая суть явления такова. Фонон, рождаемый в схеме процесса, возбуждает акустические волны, распространяющиеся в том же направлении, но со значительно меньшей скоростью 5 км/с за счет эффекта электрострикции (основная волна распространяется в ОМ ОВ с фазовой скоростью порядка 204000 км/с). Они создают пространственные колебания плотности в волокне (сгустки и разрежения), приводя к локальному изменению показателя преломления - эффекту фотоупругости. Фотон, также рождаемый в схеме этого процесса, формирует стоксовую волну, которая распространяется в обратном направлении и называется волной обратного рассеяния. Ее интенсивность тем выше, чем больше эффект фотоупругости, а он, в свою очередь, тем больше, чем выше уровень накачки. При некотором его уровне, называемом пороговым уровнем ВРБМ, начинает резко увеличивается интенсивность волны обратного рассеяния, что ухудшает эффективность передачи основного сигнала. При дальнейшем увеличении подаваемого в ОВ сигнала интенсивность основного сигнала перестает расти и даже начинает падать.

Итак, очевидно, что ВРБМ приводит к двум эффектам:

установлению верхней границы оптической мощности, эффективно используемой системой (увеличение длины перекрытия, например, за счет увеличения мощности источника сигнала оказывается ограниченным величиной порогового уровня ВРБМ)

ухудшению качества основного сигнала за счет взаимодействия основной волны с волной обратного рассеяния, а также с волной двойного обратного рассеяния, возникающей за счет отражения волны обратного рассеяния.

Пороговый уровень ВРБМ зависит от ряда факторов:

ширины линии лазерного источника (чем она шире, тем пороговый уровень выше)

эффективной площади поперечного сечения ОВ (чем он больше, тем лучше)

длины ОВ (при длине до 10 км проблем с ВРБМ не возникает)

технологии модуляции сигнала (лазерный источник с прямой модуляцией имеет ширину порядка 1 ГГц, а с внешней модуляцией - 1МГц).

2. Волоконно-оптические ВКР-усилители (рамановские усилители)

Для преодоления водных преград протяженностью более 100 км, а также для магистральных наземных ВОСП, проходящих через большие малонаселенные пространства (что особенно важно для России), при проектировании систем передачи стремятся в максимально возможной степени увеличить длину пассивных участков оптического тракта (т. е. длину ЭКУ) и минимизировать количество промежуточных пунктов. Как уже отмечалось ранее, эта задача решается несколькими путями: увеличение мощности оптического сигнала, вводимого в ОВ, увеличение чувствительности оптических приемников, применение оптических волокон с предельно малым коэффициентом потерь и хроматической дисперсии, использование предкоррекции ошибок при передаче цифровых сигналов. Одним из методов решения поставленной задачи, кроме перечисленных, является использованиедля усиления оптического нелинейного явления в обычном волокне, составляющем оптический тракт ВОСП, -- явления вынужденного комбинационного рассеяния -- ВКР, или стимулированного рамановского рассеяния (SRS -- StimulatedRamanScattering). Чрезвычайно привлекательным свойством ВКР-усилителей является возможность получения усиления оптического сигнала в самом оптическом волокне, входящего в состав оптического кабеля и образующего оптический тракт передачи информации. При этом усилитель является распределенным, т. е. С минимальным коэффициентом шума. Последнее поколение аппаратуры для ВОСП со спектральным уплотнением, которую представили на рынке оборудования связи ведущие компании мира, содержит в своем составе рамановские лазеры накачки и устройства ввода их излучения в оптическое волокно линии связи.

3. Принцип работы ВКР-усилителей

В главе 6 были рассмотрены два вида рассеяния фотонов в твердых телах (в том числе и в кварце): рэлеевское и рамановское. Рэлеевское рассеяние называется также упругим, поскольку, сталкиваясь с микрочастицами вещества, фотоны не теряют своей энергии, а изменяют только траекторию движения. В результате рамановского рассеяния фотоны не только изменяют свою траекторию, но и отдают часть своей энергии микрочастице в соответствии с соотношением Е_с = hv_c = hv_H -h(n_M = h(v_H -iu_M) (6.21 глава 6). Напомним (гл. 6), что v_c = v_n -а>_м -- частота нового фотона (стоксова частота), у„ -- частота исходного (начального) фотона, со^ -- частота собственных колебаний микрочастицы. В обычных условиях рэлеевское рассеяние преобладает над рамановским и, в основном, этим видом рассеяния обусловлены потери мощности оптического сигнала при его распространении в волокне. После акта взаимодействия исходного фотона с частотой м_нне только рождается новый, стоксов фотон, частота которого сдвинута на со^ в область более низких частот, но при этом микрочастица приобретает новое состояние поляризации, она переходит на более высокий уровень колебательной энергии, микрочастица становится возбужденной. При встрече с фотоном с частотой со,, эта микрочастица не может больше поглощать такую же порцию энергии (напомним, что уровни колебательной энергии квантованы). Увеличивая мощность исходного излучения, мы тем самым увеличиваем количество фотонов с энергией hv_H. При этом возрастает также и вероятность возбуждения ранее невозбужденных микрочастиц. Необходимо отметить, что ориентация вектора поляризации микрочастицы (молекулы или атома) в пределах расстояния, равного длине волны сто-ксового излучения, определяется направлением стоксова фотона. При некотором уровне исходного излучения, которое теперь назовем излучением накачки, ориентация возбужденных молекул из хаотической превращается в преимущественно упорядоченную. В результате этого процесса изотропная составляющая среды начинает преобладать над анизотропной. При дальнейшем увеличении количества фотонов накачки это преобладание становится подавляющим. Среда из преимущественно анизотропной превращается практически полностью в изотропную. Вследствие этого фотоны стоксовой компоненты не рассеиваются, и излучение этой компоненты становится когерентным. Все это происходит ценой уменьшения энергии фотонов накачки на величину ha>_M. Выше, в главе 6, отмечалось, что число молекул в 1 см³ вещества огромно ~10²³, т. е. плотность вещества велика, что является причиной сильного взаимодействия между молекулами. Получив импульс от фотона накачки и изменив в большую сторону уровень колебательной энергии, частица передает этот импульс соседним молекулам, возбуждая тем самым направленную гиперзвуковую волну. Энергия этой волны также квантована, и эти кванты энергии называются фононами. При некотором уровне мощности накачки почти вся ее энергия переходит в энергию стоксовой компоненты. Описанный процесс получил название вынужденного комбинационного рассеяния -- ВКР, или стимулированного рамановского рассеяния (SRS) [91].

Уменьшим мощность излучения накачки до такой величины, при которой большая часть молекул, находясь вследствие квантованности колебательных уровней в некотором предвозбужденном состоянии, не излучает стоксовых фотонов. Для рождения таких фотонов необходимо наличие стимулирующих фотонов, частота которых равна частоте стоксовых фотонов. Такими фотонами служат фотоны, не связанные с процессом ВКР -- это сигнальные фотоны, т. е. излучение сигнала. Введение излучения сигнала с частотой v_c в возбужденную среду стимулирует рождение стоксовых фотонов, частота, фаза и направление которых совпадает с такими же параметрами сигнальных фотонов, которые при этом своей энергии не теряют. Таким образом, в оптически изотропной среде, созданной излучением накачки, происходит не только компенсация потерь энергии излучения сигнала из-за рэлеевского рассеяния, но и усиление. До сих пор мы рассматривали среду, не ограниченную в пространстве. В оптическом волокне среда ограничена сердечником волокна, которое, следует отметить, является диэлектрическим волноводом оптического диапазона, т. е. направляющей средой. В одномодовом волокне вектор Умова--Пойнтинга электромагнитной волны, каковой является свет, ориентирован по оси волокна. В этом же направлении ориентированы и векторы поляризации молекул. Таким образом, учитывая сказанное выше, вследствие ВКР-про-цесса в оптическом волокне создается направленная усиливающая среда. Величина усиления такой среды определяется соотношением количества возбужденных и невозбужденных микрочастиц, т. е. рамановским коэффициентом g_R[31]. Величина g_R зависит от частоты излучения сигнала и от свойств материала (вещества). Для кварца максимальное значение g_R сдвинуто относительно частоты излучения накачки на 13 ГГц. На рис. 9.7 представлена кривая зависимости рамановского коэффициента g_R от длины волны.Из графика видно, что эта зависимость весьма неравномерная, ее максимум находится на длине волны 1550 нм, а вся частотная область совпадает с диапазоном 1530--1565 нм. Коэффициент g_R имеет размерность в м/Вт или, как в нашем случае, в км/Вт. Коэффициент передачи (или коэффициент усиления) G волокна длиной L с рамановской накачкой равен [31]:

где g_R -- рамановский коэффициент, Р_н -- мощность накачки, А^ф -- эффективная площадь сечения, L -- длина волокна. Отметим, что коэффициент передачи волокна длиной L в пассивном режиме, т. е. без рамановской накачки, согласно закону Бугера равен (см. главу 6):

где а_с-- коэффициент затухания волокна (в абсолютных единицах -- 1/км).

Между коэффициентом а, выраженном в дБ/км, и а в абсолютных единицах существует следующее соотношение:

(9.8)

Сравнивая формулу 9.7 с законом Бугера, можно видеть, что они отличаются знаками в показателе степени. Согласно закону Бугера, мощность сигнала по мере распространения в волокне уменьшается по экспоненте, при ВКР-усилении мощность сигнала возрастает по экспоненте. Это значит, что потери мощности сигнала, обусловленные рэлеевским рассеянием, могут быть скомпенсированы или усилены с помощью ВКР-усиления.

В современных ВОСП-СР с использованием ВКР-усиления излучение накачки вводится в оптическое волокно, образующее оптический тракт, на стороне приема. На рис. 9.8 представлена схема ввода излучения рамановской накачки, где OM_R -- двухканальный оптический мультиплексор, ЛН -- лазер накачки. Как видно из схемы, излучение рамановской накачки вводится в рабочее волокно с помощью OM_Rна входе оптического предусилителя.

если k_n-G_R = 1, то тогда справедливо равенство (9.10 Мощность накачки Р„ на длине волокна Lопределяется затуханием, вносимыдэтой длиной с коэффициентом затухания на длине волны накачки. Это соотношение позволяет определить величину мощности накачки Р_н, достаточную для ком пенсации потерь мощности оптического волокна на длине Lот приемной стороны. На рис. 9.9 представлены диаграммы уровней оптических сигналов бе ВКР-усиления и включенным рамановским усилением.

Здесь по вертикали отложены значения уровней оптической мощности в дБ по горизонтали -- длина линии (ЭКУ) в км. Начальной точке отсчета соответствует входной стык на передаче (MPI-S) и входной уровень мощности Р_вх, точка А соответствует минимально допустимому уровню оптического сигнала на стороне приема (на выходе ЭКУ) для случая отсутствия ВКР-усиления. В этом случае длина ЭКУ равна L,. Жирная горизонтальная линия правее точки А соответствуепслучаю компенсации потерь и поддержанию уровня сигнала Р_доп на длинах Ь_доп = Ц, L,, L₄ в зависимости от величины мощности накачки ВКР-усилителя.

Если принять то при Для увеличения

полосы пропускания и выравнивания амплитудно-частотной характеристики накачку следует производить на двух--трех длинах волн. Для перекрытия всего диапазона 1530--1570 нм накачка осуществляется на длинах 1445, 1456, 1427 и 1462 нм. В настоящее время полупроводниковые лазеры на перечисленных длинах, способные получать мощность более 0,2, пока не существуют. Для получения мощности накачки 0,5--0,8 Вт используют многокаскадные схемы преобразования излучения от иттербиевых волоконных лазеров мощностью в несколько ватт в стоксово излучение на требуемых длинах волн. На рис. 9.10 представлена схема рамановского лазера.

Источником накачки рамановского лазера служит полупроводниковый лазер, излучающий на длине волны 980 или 1060 нм мощность в несколько ватт. На сердечнике иттербиевого волокна (или стержня) нанесены брэгговские фильтры-зеркала, настроенные на длины волн, указанных на схеме.

Ранее было показано, что в линиях ВОСП, в которых используется ВКР-усиле-ние (см. рис. 9.8), излучение накачки вводится в рабочее волокно на стороне приема навстречу сигналу. Следовательно, в отсутствие сигнала излучение ВКР на стоксовой частоте распространяется в сторону, противоположную по отношению к приемному терминалу. При этом в волокне, кроме излучения накачки и ВКР, присутствует излучение, обусловленное рэлеевским рассеянием обоих видов излучения. Однако спектр рэлеевского рассеяния излучения накачки расположен по шкале частот за пределами полосы пропускания оптического канала OM_R и оптического предусилителя и поэтому может не учитываться. Рэлеевское рассеяние, вызванное излучением ВКР, имеет частотный спектр, совпадающий с полосой пропускания OM_R и предусилителя. Уровень мощности рэлеевского рассеяния ниже уровня мощности исходного излучения на --40...--55 дБ в зависимости от длины волны, поскольку эта мощность обратно пропорциональна X.⁴. Следовать льно, величина --55 дБ относится к длинноволновой части оптического излучения, т. е. к диапазонам С и L. Учитывая, что при больших уровнях мощности накачки вся ее энергия может перейти в мощность ВКР (а ее величина может быть равной 1 Вт или +30 дБм), максимальный уровень рэлеевского рассеяния может быть равным и--25 дБм. Однако здесь следует учитывать то обстоятельство, что, в отличие от излучения ВКР, излучение рэлеевского рассеяния направлено по всем углам, в том числе и обратном направлении. Большая часть его выходит из волокна через оболочку, и только несколько процентов проходит в направлении, совпадающим с направлением сигнала. Таким образом, даже при самых неблагоприятных условиях, когда вся мощность накачки переходит в излучение ВКР, уровень рэлеевского рассеяния, попадающего на вход OM_R, не может быть больше чем я--40 дБм. Существует также вероятность спонтанного комбинированного (не стимулированного) излучения, которое тоже усиливается и является источником шума ВКР-усилителей. Это излучение, как и рэлеевское, имеет широкое угловое распределение, поэтому в сторону приема распространяется лишь незначительная его часть. Согласно работе [154], коэффициент шума NF_Rрамановского распределенного усилителя определяется из выражения: NF_R = 2/lnG_R, где G_R -- коэффициент усиления рамановского усилителя. Из этого выражения следует, что коэффициент шума уменьшается с ростом коэффициента усиления ВКР-усилителя, который в свою очередь возрастает с увеличением мощности накачки. Следует при этом учитывать, что увеличение мощности накачки может привести к возникновению стоксового излучения, не связанного с сигналом, т. е. к генерации паразитного излучения (шума). На рис. 9.11 представлены кривые зависимости отношения оптической мощности сигнала к мощности оптического шума (OSNR) для двух случаев -- без ВКР-усиления и с включенным ВКР-усилением.

Сравнение двух кривых показывает, что с увеличением длины линии связи, т. е. затухания сигнала, OSNR без ВКР-усиления линейно падает от --58 дБ до

и --37 дБ, а при включенном ВКР-усилении OSNR отклоняется от линейного уменьшения и начиная с расстояния ~90 км уменьшение OSNR прекращается, превышая при этом на ~7дБ OSNR без ВКР-усиления. Таким образом, анализ работы и свойства ВКР-усилителей показывают, что их использование в ВОСП существенно увеличивает длину ЭКУ и длину регенерационной секции. Использование ВКР-усилителей позволяет уменьшить количество промежуточных эрбиевых усилителей при одной и той же длине линии либо увеличить общую протяженность линии связи при том же числе промежуточных эрбиевых усилителей.

В соответствии с рассмотренными схемами волоконно-оптические усилители по назначению разделяются на три типа: 1) усилители мощности (BOOSTER) оптического сигнала на входе линии; 2) предусилители, включаемые на приемной стороне перед фотоприемником; 3) промежуточные, или линейные, усилители, включаемые на каком-либо участке линии. В настоящее время линейные усилители включаются совместно с компенсаторами дисперсии. Линейный усилитель состоит из двух оптических усилителей -- предусилителя и усилителя мощности. Между ними устанавливается компенсатор дисперсии (КД).

Для высокоскоростных ВОСП, в которых передача ведется на одной длине волны, неравномерность характеристики G_A в рабочем диапазоне большой роли не играет. Ситуация существенно изменяется в случае систем с многоволновым уплотнением (WDM). В волоконных усилителях, предназначенных для применения в системах передачи с WDM (и особенно DWDM), неравномерность их частотной характеристики не должна превышать +1 дБ (G.692). Для выравнивания частотной характеристики в схему ВОУ добавляются выравниватели ЧХ -- эквалайзеры. Существует несколько типов эквалайзеров. Наиболее распространенные из них: в волокно внедряется решетка Брегга, период которой подбирается для соответствующей длины волны; интерферометр маха-Цендера, который включается последовательно с эрбиевым волокном. Оба типа эквалайзеров выполняют роль оптического фильтра. Применение этих элементов позволяет уменьшить неравномерность ЧХ ЭОУ до +0,5 дБ.

4. Рамановские усилители PYL

Рамановские усилители предназначены для использования в современных одноволновых и многоволновых DWDM системах.

Рамановские усилители серии PYL производства ИРЭ ПОЛЮС (г. Фрязино, Московская область) предназначены для использования в современных одноволновых и многоволновых DWDM системах. Они устанавливаются вместе с эрбиевыми услилителями (EDFA) и подключаются к тому же источнику питания, что и EDFA. Это позволяет увеличить пролеты между эрбиевыми усилителями на 50 км. Стоимость рамановских усилителей - от $15 тыс.

Характеристики

Длины волн: любые в диапазоне 1200…1600 нм

Стандартные длины волн накачки: 1365, 1395, 1410, 1427, 1450, 1455, 1480, 1487, 1497 нм

Число длин волн: 1, 2 или 4 с независимым управлением

Выходная мощность: любая в диапазоне 0,5…10 Вт

Рабочая температура: -15…+70° С

Рабочее напряжение: 12 или 24 В

Исполнение: отдельное устройство или модуль

в стойку 19"

Принцип действия

Профили усиления эрбиевого и рамановского (с накачкой 1450 нм) усилителей

Принцип работы рамановского усилителя основан на использовании вынужденного комбинационного рассеяния. Рамановское рассеяние получило свое название в честь индийского физика С.В. Рамана, который открыл этот эффект в 1928 г. При обычном рамановском рассеянии фотон с частотой nн при рассеянии на молекуле вещества отдает ей часть энергии и образует фотон с меньшей частотой nc. Если на частоте nc передавать информацию, а мощность сигнала накачки на частоте nн сделать достаточно большой, то рамановское рассеяние становится вынужденным. Рассеяные фотоны становятся когерентными, и обычное волокно превращается в распределенный усилитель с коэффициентом усиления, пропорциональным накачке.

Типовые приложения

В коммерческой эксплуатации рамановские усилители появились в начале 2000-х годов.

Вариант 1. Частота накачки - 1455 нм. Рамановский усилитель создает усиление в С-диапазоне в зоне ~ 50 км (влево от эрбиевого усилителя на рисунке). Это позволяет на 50 км увеличить пролет между эрбиевыми усилителями.

Вариант 2. Частота накачки - 1480 нм. Рамановский усилитель создает усиление в

L-диапазоне в 50 км зоне (влево от эрбиевого усилителя на рисунке). Кроме того, на расстоянии 50 км (влево от эрбиевого усилителя на рисунке) в обычное волокно включается несколько десятков метров эрбиевого волокна, которое за счет накачки на длине волны 1480 нм начинает работать, как обычный эрбиевый усилитель в С-диапазоне. Таким образом, данный вариант позволяет увеличить пролет между эрбиевыми усилителями на 50 км с одновременным усилением в С- и L-диапазонах.

В зависимости от задачи возможны и другие варианты подключения.

5. Параметрические усилители

Параметрическое усиление основано на использовании явления, называемого частично вырожденным четырехволновым смешением ЧВЧВС. Стоксовая и антистоксовая компоненты при этом называются сигнальной и холостой волнами. При точном синхронизме и gL>> 1, где g - коэффициент параметрического усиления, в области, далекой от насыщения, а также в случае вырождения по накачке, когда существует только одна частота накачки, формула для коэффициента усиления параметрического усилителя, полученного за один проход, имеет вид:

где - среднее значение коэффициента нелинейности, Lсв - длина световода.

Грубая оценка ширины полосы усиления дает величину порядка 100 ГГц. Эта величина является промежуточной между аналогичными величинами ВКР-усилителей и ВРМБ-усилителей.

Параметрический усилитель имеет ряд специфических недостатков:

· требует точного соблюдения фазового синхронизма

· жесткого контроля длины световода

· учет положения и уровня усиления холостой волны

· учет истощения накачки и уширения ее спектра, приводящих к уменьшению параметрического усиления и др.

Эксперименты с такими усилителями показывают возможность достижения больших коэффициентов усиления 38-46 дБм, однако требуют большой мощности накачки (30-70 Вт) и спецсредств для поддержания синхронизма. Все это не позволяет (по крайней мере сегодня) использовать такие усилители в синхронных системах связи.

Размещено на Allbest.ru