Усилители для окна 1550 нм

Таким усилителем является оптический усилитель на ОВ, легированном эрбием ОУЛЭ (EDFA). Этот тип усилителя использует кварцевое стекло в качестве материала для легирования эрбием. Ионы эрбия имеют пики поглощения в окрестности длин волн 532, 660, 808, 980 и 1480 нм. Из этого следует, что источником накачки могут служить известные типы лазеров с длинами волн 797/800, 980 и 1480 нм. Из них, лазеры на 800 и 980 нм соответствуют трехуровневой модели взаимодействия, а на 1480 нм - двухуровневой модели, причем эффективность использования лазера на 800 нм оказывается значительно ниже, чем на 980 нм.

Лазеры на 980 нм используются достаточно широко, учитывая их возможность благодаря трехуровневой модели взаимодействия реализовать очень низкий уровень шумов (порядка 3-5 дБ). Однако лазеры на 1480 нм, хотя и являются менее эффективными (70% по сравнению с эффективностью лазеров на 980 нм), считаются более предпочтительными (как более надежные), позволяющими вместе с тем реализовать достаточно низкий уровень шума (порядка 5 дБ).

При использовании иттербия в качестве дополнительного легирующего элемента для
ОУЛЭ можно воспользоваться лазерными диодами накачки, работающими на длине волны 1053
нм (так называемые DPSS-лазеры). Их использование позволяет получить более мощный источник накачки, что повышает усиление или увеличивает срок службы при меньших фактически используемых мощностях.

Усилители, легко позволяют реализовать коэффициент усиления порядка 30-40 дБм, однако в литературе даются более приземленные цифры для однокаскадного ОУ - 18-24 дБм. Фактически же АВХ EDFA с неравномерностью ±10 дБ практически перекрывает полосу 1520-1570 нм, имеет максимум усиления (40 дБм при Pвx= -30 дБм) на длине волны 1532 нм и плато (усиление 30 дБм) в интервале 1540-1550 нм , см. рис. 10-6. При этом могут быть обеспечены мощности насыщения порядка 500 мВт.

Сам факт такой большой широкополосности (порядка 50 нм) потенциально позволяет применять их в системах с HDWDM, однако для этого усиление должно быть выровнено, по крайней мере, в стандартном диапазоне систем WDM 1530-1565 нм Для получения такой плоской характеристики используются различные выравнивающие фильтры, снижающие общее усиление до 16-18 дБм при использовании одного лазера накачки и до 19-22 дБм при двух лазерах накачки в зависимости от требуемой неравномерности (которая может достигать 0,1-2 дБ) и перекрываемого диапазона длин волн.

Другими важными особенностями EDFA являются: низкая чувствителъностъ к изменению поляризации сигнала,а также практически полное отсутствие переходных помех на выходе усилителя, вызванных откликами системы на последовательность импульсов входного сигнала. Рис. 10-6. Амплитудно-волновая характеристика EDFA:

а) зависимость выходной мощности от уровны входного сигнала;

б) АВХ УСИ при отсутствии входного сигнала;

в) АВХ при одной несущей с уровнем –6 дБм;

г) АВХ при многоканальном входном сигнале

Реализация усилителей EDFA

Для начала рассмотрим более подробно простую реализацию EDFA. Ее можно представить в виде следующей схемы, представленной на рис. 10-8:

Простая однокаскадная схема EDFA

Схема состоит из двухканального волнового мультиплексора WDM (оптического разветвителя), к одному каналу которого подключено через оптический фильтр-изолятор ОФИ-1 волокно - источник информационного сигнала 1550 нм, к другому - лазерный диод накачки ЛД, генерирующий сонаправленную волну накачки 980 или 1480 нм. С выхода мультиплексора сигнал подается в кольцо специального ОВ, легированного эрбием. Длина волокна в кольце 15-20 м. Усиленный в кольце сигнал 1550 нм является выходным сигналом усилителя, который снова по­дается в волокно через оптический изолятор ОФИ-2. Дополнительные оптические фильтры-изоляторы на обоих концах легированного ОВ ставятся для предотвращения распространения света в обратном направлении, которое может привести к осцилляции излучения лазера.

Практические ОУ имеют некоторые особенности, которые не видны из этой схемы:

- легированное ОВ имеет меньший диаметр сердечника (порядка 2 мкм), чем стандартное ОМ ОВ, для увеличения плотности пучка благодаря сужению на переходе из стандартного в легированное ОВ, что позволяет увеличить эффективность процессов возбуждения и усиления;

- допускается большое затухание легированного ОВ (порядка 10 дБ/км), вызванное значительной концентрацией примеси;

- используется как сонаправленное, так и противонаправленное включение пучка накачки, последнее позволяет примерно на 2 дБ увеличить усиление (при этом примерно на 1 дБ увеличивается шум);

- для получения более устойчивой работы лазера накачки (отсутствие осцилляции) используются специальные фильтры-стабилизаторы на основе, например, оптоволоконной решетки Брэгга,

- для получения более широкой полосы усиления и уменьшения неравномерности коэффициента усиления (создания "плоской" волновой характеристики) в них используются специальные выравнивающие устройства, например оптоволоконные решетки Брэгга, для увеличения усиления наряду с однокаскадными ОУ с одним лазером накачки разрабаты­ваются и выпускаются ОУ с двумя лазерами накачки (которые теоретически можно рассматривать как двухкаскадные при наличии двойного комплекта основных блоков), а также двухкаскадные усилители с дополнительным выходом/входом между каскадами.

Блок-схема практического EDFA с двумя лазерами накачки приведена на рис. 10-9.

Рис. 10-9. Блок-схема EDFA с двумя лазерами накачки

Входной сигнал 1550 нм из сигнального 0В проходит через входной оптический фильтр-изолятор ОФИ и первую оптоволоконную решетку Брегга с коротким периодом РБКП-1 (фиксатор уровня усиления), поступая на один из входов первого мультиплексора WDM-1. На его второй вход пода­ется сонаправленная волна накачки 980 нм от первого лазерного диода ЛД-1 (мощностью 100 мВт). С вы­хода WDM-1 смешанный сигнал поступает в первое кольцо 0В, легированного эрбием ОВЛЭ-1 (длиной 10 м). Усиленный 1550 нм сигнал с выхода первого кольца через решетку Брегга с длинным периодом РБДП (выравниватель АВХ) поступает на один из входов второго мультиплексора WDM-2. На его второй вход подается вторая сонаправленная волна накачки 980 нм от лазерного диода ЛД-2 (мощностью 120 мВт). С выхода WDM-2 смешанный сигнал поступает во второе кольцо 0В, легированного эрбием ОВЛЭ-2 (длиной 20 м). Усиленный сигнал 1550 нм с выхода второго кольца через вторую решетку Брегга с коротким периодом РБКП-2 (фиксатор уровня усиления) поступает через выходной оптический фильтр-изолятор ОФИ на выход усилителя. Здесь РБКП используются в качестве буферного звена, исключающе­го изменение (зависимость) коэффициента усиления ОУ при изменении уровня мощности входного сиг­нала, а РБДП играет роль звена, выравнивающего усиление в полосе пропускания ОУ.