П1.2 Технические параметры оптических усилителей

Ключевые параметры, характеризующие оптический усилитель на основе волокна, легированого эрбием: рабочий диапазон, коэффициент усиления, мощность насыщения, мощность усиленного спонтанного излучения и шум-фактор.

Коэффициент усиления G (gain) – одна из самых важных измеряемых характеристик оптического усилителя определяется из соотношения

где и - мощности информационных сигналов на входе и выходе усилителя. Логарифмический эквивалент определяется по формуле

, дБ.

Коэффициент усиления зависит от множества параметров, которые по отдельности или вместе, могут влиять на эффективность усилителя. Коэффициент усиления зависит от длины волны сигнала, состояния поляризации на входе и мощности сигнала. Коэффициент усиления оптического усилителя в значительной степени зависит от уровня входного сигнала. Обычно усилитель хорошо усиливает слабые входные сигналы (например, типичный коэффициент усиления > 30 дБ для предусилителя EDFA достигается при входном сигнале < –20 дБм). Для входных сигналов средней мощности коэффициент усиления начинает отклоняться от прежнего значения. Точка спада на кривой коэффициента усиления является важным параметром усилителя. Она определяется по уровню спада на 3 дБ коэффициента усиления относительно усиления слабых сигналов (см. рисунок П3).

Мощность насыщения (saturation output power) - определяет максимальную выходную мощность усилителя. Большее значение мощности позволяет увеличивать расстояние безретрансляционного участка. Этот параметр варьируется в зависимости от модели оптического усилителя. У мощных EDFA он может превосходить 36 дБм (4 Вт).

Рисунок П3. Зависимость уровня усиления от мощности сигнала на входе

Шумовые характеристики усилителя определяются мощностью усиленного спонтанного излучения P_ASE. В отсутствии входного сигнала EDFA является источником спонтанного излучения фотонов. Спектр излучения зависит от формы энергетической зоны атомов эрбия и от статистического распределения заселенностей уровней зоны. Спонтанно образованные фотоны, распространяясь по волокну в активной зоне усилителя EDFA, тиражируются, в результате чего создаются вторичные фотоны на той же длине волны, с той же фазой, поляризацией и направлением распространения. Результирующий спектр спонтанных фотонов называется усиленным спонтанным излучение (см. рисунок 3.5). Его мощность нормируется в расчете на 1 Гц и имеет размерность Вт/Гц. Если на вход усилителя подается сигнал, от лазера, то определенная доля энергетических переходов, ранее работавшая на усиленное спонтанное излучение, начинает происходить под действием сигнала от лазера, усиливая входной сигнал. Таким образом происходит не только усиление полезного входного сигнала, но и ослабление Р_ASE. (см. рисунок П4).

При подаче на вход мультиплексного сигнала происходит дальнейший отток мощности от Р_ASE в пользу усиливаемых мультиплексных каналов. Обычно усилители работают в режиме насыщения по отношению к сигналу на выходе. Это создает естественное выравнивание уровней сигналов в каналах, что крайне желательно особенно для протяженных линиях с большим числом последовательных усилителей. Если лазер, предшествующий усилителю, генерирует излучение в спектральном окне (, где с - скорость света), и соответственно в этом же окне пропускает сигнал фильтр в приемном оптоэлектронном модуле, то вклад в мощность шума на выходе благодаря усиленному спонтанному излучению будет равен

.

Рисунок П4 Спектр на выходе EDFA

Таким образом, оптические линии с каскадом EDFA проявляют себя лучше, когда мультиплексный сигнал представлен более узкими в спектральном отношении отдельными каналами. Использование узкополосных фильтров непосредственно перед приемным оптоэлектронным модулем, настроенных на рабочую длину волны, также помогает уменьшить уровень шума от усиленного спонтанного излучения.

Большие собственные временные постоянные EDFA – постоянная времени перехода в метастабильное состояние ~1 мкс, время жизни метастабильного состояния ~10 мкс – устраняют кросс-модуляцию ASE в усилителе и делает более стабильной работу каскада оптических усилителей. Мощность усиленного спонтанного излучения связана к коэффициентом усиления формулой

где h - постоянная планка, равная 6, 6252× 10^-34 Вт× с², - частота (Гц), соответствующая длине волны из диапазона 1530-1560 нм, - коэффициент спонтанной эмиссии, - квантовая эффективность. В идеальном случае при отнесенная ко входу мощность усиленного спонтанного излучения идеального квантового усилителя просто равна , что при = 1550 нм составляет 1.28 x 10^-19 Вт/Гц в расчете на спектральную полосу 1 Гц. Размеру окна анализатора в 0, 8 нм соответствует спектральное окно в 100 ГГц, что определяет приведенную к входу величину эффективной мощности усиленного спонтанного излучения 1.28 x 10^-8 Вт или -48, 9 дБм.

Шум-фактор NF (noise figure) характеризует ухудшение отношения сигнал/шум после прохождения сигнала через оптический усилитель и определяется как отношение сигнал/шум на входе () к отношению сигнал/шум на выходе ():

,

Важно отметить, что мощность шума на входе является квантово-ограниченной минимальной величиной и определяется нулевыми флуктуациями вакуума . Мощность шума на выходе состоит из суммы мощности усиленного спонтанного излучения и мощности шума нулевых флуктуаций вакуума, которые проходят через усилитель без изменения: . Если учесть, что , то шум-фактор можно выразить через коэффициент усиления и мощность усиленного спонтанного излучения:

,

Часто при описании EDFA значение шум-фактора указывается в дБ:

Минимальный шум-фактор равен 1 (0 дБ) и достигается при или при . Это означает, что усилитель вносит минимальный шум, равный шуму идеального оптического усилителя. На практике идеального EDFA составляет 3 дБ (), так как существует два направления поляризации (две моды), в связи с чем , а типичные значения составляют 5¸ 6 дБ.

При использовании каскада из нескольких усилителей полный шум-фактор возрастает. Полный шум-фактор NF двух усилителей, характеризующихся соответственно усилением и , и шум-факторами и . Тогда полный шум-фактор записывается в виде

.

Как и в случае радиочастотных усилителей, лучший способ получения устройства с низкошумящими характеристиками состоит в использовании низкошумящего усилителя с большим усилением в качестве первого каскада и шумящего усилителя высокой мощности в качестве второго каскада. Первый каскад определяет также шумовую характеристику многокаскадного усилителя.

Для ВОСП-СР также важна такие характеристики оптического усилителя как ширина полосы усиления и равномерность коэффициента усиления во всей полосе (плоскостность спектральной характеристики). Равномерность коэффициента усиления определяется максимальным разбросом коэффициента усиления различных каналов при одной и той же входной мощности. Требование к равномерности спектра усиления обусловлено необходимостью иметь одинаковое усиление сигнала в каждом спектральном канале. Как правило, ни один из усилителей не имеет плоской спектральной характеристики, поэтому выравнивание спектра усиления осуществляется оптическими фильтрами различных типов. В основном усилители, применяемые в системах со спектральном уплотнением, имеют неравномерность коэффициента усиления в пределах не более нескольких дБ во всей полосе усиления.

При проектировании ВОЛП с оптическими усилителями необходимо определить и учесть зависимость коэффициента усиления усилителя EDFA от длины волны, особенно в случае передачи отдельных каналов через несколько усилителей. Кроме этого, накопление шумов за счет проявления шум-фактора в нескольких последовательно расположенных в линии связи усилителях EDFA может привести к невосстановимому разрушению оптического сигнала. Точный учет шум-фактора усилителей необходим для определения предельного числа каскадов усиления, а, следовательно, и максимальной длины линии связи.