Введение в оптические усилители

При слишком сильном затухании частота битовых ошибок быстро возрастает. В идеале оптические сигналы должны передаваться с максимально возможной скоростью передачи данных, обеспечивающей допустимую частоту битовых ошибок, обычно в диапазоне от 10⁻⁹ до  10⁻¹² . Проблем с частотой битовых ошибок можно избежать путем усиления или регенерации сигналов во время передачи. Регенерация преобразует цифровой оптический сигнал в электрический, передает его, а затем восстанавливает до оптического сигнала в пункте назначения. В электрической форме сигнал перестраивается и синхронизируется для коррекции дисперсии сигнала. Этот подход может быть дорогостоящим. Однако в некоторых случаях оптическое усиление позволит достичь того же результата.
 
Оптические усилители увеличивают амплитуду слабого оптического сигнала без дорогостоящего процесса регенерации. Усилитель имеет меньше компонентов, чем электронный регенератор, и не зависит от протокола, что исключает необходимость преобразования оптического сигнала в электронный. Их работа основана на принципах лазерной генерации, при которых фотоны, проходящие мимо атома с электроном, переводятся на орбиту с более высокой энергией. Фотон будет стимулировать электрон к переходу на орбиту с более низкой энергией, и разница энергий между двумя орбитами будет равна энергии идентичного фотона. Удвоение числа фотонов приведет к увеличению мощности на 3 дБ. Эти два фотона также могут стимулировать другие фотоны, что еще больше увеличит усиление.
 
Существует три типа оптических усилителей, которые обычно используются:

• Волоконные усилители, легированные эрбием (EDFA)
• Рамановские волоконные усилители
• Полупроводниковые оптические усилители (SOA)

 
Наиболее распространенным является усилитель на основе эрбия (EDFA). EDFA содержит оптическое волокно, легированное редкоземельным элементом эрбием, которое может накачиваться лазером с длиной волны 980 нм или 1480 нм для оптического усиления. Большинство усилителей EDFA работают в низкопотерном C-диапазоне (1530–1565 нм) и обычно имеют усиление сигнала в диапазоне от 15 до 25 дБ, в зависимости от мощности лазера накачки и длины легированного эрбием волокна. Усиление можно регулировать, изменяя выходную мощность, излучаемую лазером накачки. Эта оптическая мощность накачки в EDFA заставляет электроны эрбия переходить на более высокую энергетическую орбиту. Оказавшись на более высокой орбите, электроны могут быть стимулированы фотоном для излучения фотона той же длины волны в том же направлении.
 
EDFA изначально были разработаны для дальних морских перевозок и приложений плотного мультиплексирования с разделением по длинам волн. Однако их весьма желательные рабочие характеристики быстро вынудили их перейти к наземным сетям дальней связи в городских районах, кабельному телевидению и оптоволоконной связи до дома, где аналоговая передача требует низкого затухания на длине волны 1550 нм.
 
Второй тип усилителя, рамановский усилитель, включает нелинейное взаимодействие, называемое рамановским рассеянием, которое происходит между светом и атомами самого стеклянного передающего волокна. Стимулированное рамановское рассеяние — это аналогичный процесс, при котором фотоны приложенного оптического сигнала стимулируют процесс рассеяния. Это взаимодействие приводит к смещению энергии от сильного пучка накачки к более слабому пучку сигнала по мере прохождения обоих вдоль волокна, что приводит к усилению сигнала.
 
Смещение энергии зависит от типа используемого стекла, но длина волны зависит от пучка накачки, поэтому рамановское усиление может использоваться в широком диапазоне длин волн путем изменения длины волны накачки. Используя другую длину волны накачки, можно усилить другой набор длин волн сигнала. Кроме того, для создания любого желаемого профиля усиления можно использовать несколько пучков накачки, что позволяет осуществлять широкополосное усиление в нескольких диапазонах.
 
В отличие от усилителей на основе легированного эрбием волокна (EDFA), где спектр усиления постоянен и определяется атомами эрбия, спектр усиления рамановского усиления зависит от длины волны накачки. Максимальное усиление достигается, когда длина волны накачки примерно на 100 нм короче длины волны сигнала. Например, в волокнах из кварцевого стекла сигнал с длиной волны 1550 нм усиливается за счет поглощения энергии накачки на длине волны приблизительно 1450 нм.
 
Хотя традиционная технология EDFA может использоваться на конечных узлах для линий связи короче примерно 160 километров, для более длинных участков потребуется рамановское усиление. Для экстремальных расстояний могут использоваться как усилители на основе легированного эрбием волокна (EFDA), так и рамановское усиление.
 
Другие области применения рамановских усилителей включают в себя участки с высокими потерями в региональных, магистральных и сверхмагистральных системах с длиной пролета более 1000 километров. Они также идеально подходят для применений, где коммерческие, юридические или связанные с безопасностью ограничения делают нецелесообразным или невозможным использование промежуточных точек усиления.
 
Третий распространенный тип усилителя — это полупроводниковый оптический усилитель (SOA). SOA представляет собой просто лазерный диод, работающий без резонансной полости для осуществления стимулированного излучения с целью усиления сигнала. К каждому концу чипа усилителя припаяны волоконно-оптические пигтейлы. При электрической накачке прямым током смещения входящие фотоны стимулируют излучение идентичных фотонов, обеспечивая усиление сигнала. Устройство работает ниже порогового значения, чтобы предотвратить образование резонансной полости на сколах на каждом конце чипа, что приводит к генерации лазерного излучения. Этот процесс усиления является двунаправленным и не зависит от типа передаваемого сигнала.
 
SOA, как правило, не обеспечивают тех же характеристик, что и усилители на основе легированных эрбием волокон (EDFA) и рамановские усилители. Они обладают более низким коэффициентом усиления (от 10 до 15 дБ), низкой выходной мощностью (менее 13 дБм) и более высоким коэффициентом шума (обычно около 6-9 дБ). Но в отличие от усилителей на основе легированных эрбием волокон (EDFA) и рамановских усилителей, полупроводниковые оптические усилители (SOA) выпускаются в небольших 14-контактных корпусах с двойным рядом выводов и имеют гораздо более низкое энергопотребление, что делает их хорошим недорогим вариантом для некоторых применений. Их также можно использовать в качестве предусилителя для повышения чувствительности приемников.