Оптические усилители

Определение

Оптические усилители – это устройства, способные усиливать оптический сигнал напрямую, без предварительного преобразования его в электрический. Они являются ключевой технологией для оптических сетей связи. Вместе с технологией мультиплексирования с разделением по длине волны (WDM), которая позволяет передавать несколько каналов по одному волокну, оптические усилители позволили передавать много терабит данных на расстояния от нескольких сотен километров до трансокеанских, обеспечивая пропускную способность, необходимую для современных и будущих сетей связи. Оптические усилители играют важную роль в оптической связи и лазерной физике.

Сегодня широко используемые оптические усилители включают усилитель на волоконно-оптическом волокне, легированном эрбием (EDFA), рамановский усилитель и кремниевый оптический усилитель (SOA).

Усилитель на волокне, легированном эрбием (EDFA)

EDFA работает через следовую примесь в виде трёхвалентного иона эрбия, который вводится в кварцевое волокно для изменения его оптических свойств и обеспечения усиления сигнала. Следовая примесь называется легирующей примесью, а процесс введения примеси называется легированием или легированием. Лазеры накачки, известные как лазеры накачки, вводят легирующие примеси в кварцевое волокно на длине волны 980 или 1480 нанометров (нм), что приводит к усилению в диапазоне 1550 нм, который является оптическим C-диапазоном. Диапазон 1480 нм обычно используется в усилителях большей мощности. Лазеры накачки работают двунаправленно. Это действие усиливает слабый оптический сигнал до более высокой мощности, что приводит к увеличению силы сигнала. Однако усилители EDFA обычно ограничены не более чем 10 пролётами, покрывая максимальное расстояние около 800 километров (км), и не могут усиливать волны длиной менее 1525 нанометров (нм). EDFA стал первым успешным оптическим усилителем и сыграл важную роль в быстром развёртывании волоконно-оптических сетей в 1990-х годах.

Рамановский усилитель

В рамановском усилителе сигнал усиливается за счёт вынужденного комбинационного рассеяния (ВКР). Рамановское рассеяние — это процесс, при котором свет рассеивается молекулами от меньшей длины волны к большей. При достаточно высокой мощности накачки на меньшей длине волны может возникнуть вынужденное рассеяние, при котором сигнал с большей длиной волны усиливается за счёт комбинационного рассеяния света накачки. ВКР — это нелинейное взаимодействие между сигналом (с большей длиной волны, например, 1550 нм) и накачкой (с меньшей длиной волны, например, 1450 нм), которое может происходить в любом оптическом волокне. Однако в большинстве волокон эффективность процесса ВКР низкая, а это означает, что для получения полезного усиления сигнала требуется высокая мощность накачки (обычно более 1 Вт). Таким образом, в большинстве случаев рамановские усилители не могут эффективно конкурировать с EDFA. Рамановское усиление обеспечивает два уникальных преимущества по сравнению с другими технологиями усиления. Первое заключается в том, что диапазон длин волн усиления рамановского усилителя можно настраивать, изменяя длины волн накачки, что позволяет добиться усиления на длинах волн, не поддерживаемых конкурирующими технологиями. Другое, более важное преимущество заключается в том, что усиление может быть реализовано непосредственно в передающем волокне, что позволяет реализовать так называемое распределённое рамановское усиление (РРУ). Рамановские усилители чаще всего используются вместе с EDFA для создания комбинированных усилителей со сверхнизким коэффициентом шума, что полезно в таких приложениях, как длинные линии связи без встроенных усилителей, сверхдлинные линии связи протяженностью в тысячи километров или линии связи с очень высокой скоростью передачи данных (40/100 Гбит/с).

Кремниевый оптический усилитель

SOAs are amplifiers which use a semiconductor to provide the gain medium. They operate in a similar manner to standard semiconductor lasers (without optical feedback which causes lasing), and are packaged in small semiconductor “butterfly” packages. Compared to other optical amplifiers, SOAs are pumped electronically (i.e. directly via an applied current), and a separate pump laser is not required. However, small size and potentially low cost due to mass production, SOAs suffer from a number of drawbacks which make them unsuitable for most applications. In particular, they provide relatively low gain (

Properties of Optical Amplifiers