усилителей. Основные параметры и характеристики.

Оптическим усилителем (ОУ) называется компонент ВОСП, предназначенный для усиления оптического сигнала без преобразования его в электрический. Обобщенная схема ОУ представлена на рис. 3.53. Оптическое излучение мощностью Р _вх через входное оптическое волокно (ОВ_вх)

Р вых

Р вх

ОВвых

ОВвх

Усилительный элемент

Рисунок 3.53 – Оптический усилитель

поступает на усилительный элемент (УЭ), где происходит процесс усиления оптического сигнала до мощности Р _вых, который затем через выходное оптическое волокно (ОВ_вых ), поступает к соответствующему компоненту ВОСП.

 

 

Оптический усилитель увеличивает амплитуду входных оптических сигналов чисто оптическими операциями, не выполняя при этом никакого восстановления формы оптического сигнала, т.е. оптический усилитель не привязан к протоколу или скорости передачи и может усиливать входной сигнал любого формата. Один ОУ способен усиливать одновременно большое число независимых спектральных каналов.

Классификация оптических усилителей в основном выполняется по следующим признакам:

1) в зависимости от технологии изготовления различают следующие типы ОУ:

– лазерные полупроводниковые ОУ – ППОУ (Semiconductor Optical amplifiers – SOA);

– ОУ на оптическом волокне (ОВ), легированном редкоземельными элементам (РЗЭ);

– ОУ на основе нелинейных явлений в оптическом волокне;

– комбинированные ОУ, использующие ОВ, легированные РЗЭ и нелинейные явления в нем;

2) в зависимости от места включения в линейном тракте ВОСП различают (рис. 3.54):

– усилители мощности (бустеры), включаемые на выходе передающего оптического модуля (ПОМ) оконечной станции и предназначенные для увеличения мощности оптического сигнала на входе линейного тракта;

– предварительные усилители, устанавливаемые на удаленных концах линейного тракта ВОСП, и предназначаются для повышения чувствительности фотоприемника; этот усилитель, как правило, интегрируется с приемным оптическим модулем (ПРОМ) и, как правило, используется вместе с узкополосным оптическим фильтром;

– линейные усилители, устанавливаемые в тех точках линейного тракта ВОСП, где необходимо усиление оптического сигнала до такого уровня, чтобы он соответствовал чувствительности приемника оконечной станции;

– компенсаторы потерь, предназначенные для компенсации потерь, вносимых пассивными элементами: модуляторами, фильтрами, коммутаторами, маршрутизаторами и др.

Линейные усилители

Рисунок 3.54 – Размещение ОУ по магистрали и диаграмма уровней

Р з3

Р з2

Р з1

р пр пус

р пр лус2

р пр лус1

Р ш3

Р ш1

Р ш2

Р перум

Р перлус1

Р перлус2

(р выхпус)

L, км

р пром

Р, дБ

р пом

Предварительный усилитель

Усилитель мощности

ОВ

ПОМ

ОВ

ОВ

ПРОМ

На рис. 3.54 изображена диаграмма уровней (ДУ) передачи оптического сигнала по линейному тракту ВОСП. Основными точками являются: р _пом – уровень передачи на выходе ПОМ и на входе оптического усилителя мощности, дБм; р _{пер ум} – уровень мощности оптического сигнала на выходе усилителя мощности, дБм; усиление усилителя мощности равно

S _ум = р _{пер ум} – р _пом , дБ;

р _{пр лус1} – уровень приема на входе 1-го линейного усилителя, дБ, который равен

р _{пр лус1} = р _{пер ум} – А ₁, дБ.

Все остальные точки ДУ: уровни передачи и прием линейных усилителей р _{пер лус1}, р _{пр лус2}, р _{пер лус 2},уровней приема р _{пр пус} и передачи р _{пер пус} (или уровня на входе ПРОМ) предварительного усилителя определяются аналогично.

На ДУ показаны уровни шумов на входе усилителей. Разность уровней приема р _пр и уровней шумов р _ш для каждого усилительного участка определяет защищенность оптического сигнала от шумов линейного тракта А _з = р _пр – р _ш.

В комбинации с оптическими фильтрами или другими селективными

устройствами ВОСП оптические усилители могут быть: коротковолновыми, длинноволновыми, полосовыми.

Параметры и характеристики оптических усилителей. Три основных параметра определяют качество функционирования ОУ: коэффициент усиления или усиление по мощности, уровень собственных шумов или коэффициент шума и мощность насыщения на выходе усилителя.

Коэффициент усиления ОУ представляет отношение вида

К _м = Р _вых / Р _вх, (3.88)

где Р _вх – мощность оптического сигнала на входе ОУ; Р _вых – мощность оптического сигнала на выходе ОУ;

усиление ОУ представляет собой логарифмическую величину

дБ или Нп. (3.89)

Коэффициент шума или шум-фактор (noise-factor), представляет собой соотношение вида

(3.90)

или логарифмический коэффициент шума

, (3.91)

где Р _вх и Р _{ш вх} – мощность полезного сигнала и помехи на входе ОУ соответственно; Р _вых и Р _{ш вых} – мощность полезного сигнала и помехи на выходе ОУ соответственно; А _{з вх} и А _{з вых} – защищенность на входе и выходе соответственно. Числитель в (3.90) и (3.91) представляет отношение сигнал/шум (ОСШ) на входе, а знаменатель – ОСШ на выходе ОУ.

Коэффициент шума F _ш характеризует уменьшение ОСШ на выходе ОУ по сравнению с ОСШ на входе ОУ. Логарифмический коэффициент характеризует потерю в защищенности оптического сигнала от шумов при его прохождении через усилитель.

Оценка этого параметра ОУ осуществляется на «электрическом уровне» путем преобразования оптического сигнала в электрический с помощью фотодетектора.

Мощность насыщения – выходная мощность ОУ Р _{вых нас}, это мощность, при которой коэффициент усиления К _м в два раза (или усиление S на 3 дБ) меньше максимального значения коэффициента усиления К _{м макс} (или усиления S _макс), достигаемого при минимальном входном сигнале.

Этот параметр ОУ вытекает из возможности их насыщения, так как выходная мощность усилителя ограничена его конструктивными особенностями и мощностью генератора накачки. Поэтому, когда мощность входного сигнала возрастает, усиление усилителя падает, что может быть приблизительно оценено следующим уравнением

, (3.92)

где К _макс и К _м – соответственно ненасыщенное и насыщенное усиление ОУ; Р _нас и Р _вх – мощность внутреннего насыщения (генератора накачки) и текущая мощность выходного сигнала соответственно.

Используя (3.92) и тот факт, что Р _вых = К _м Р _вх, а также положив, что K>> 1, выходная мощность насыщения будет равна

Р _{вых нас} = Р _нас ln2 (3.93)

и является функцией мощности генератора накачки и других параметров усилителя. Обычно выходная мощность насыщения составляет от 10 до 100 мВт (от 10 до 20 дБм).

Минимальная мощность входного сигнала и максимальная его мощность определяют динамический диапазон ОУ, под которым понимается диапазон входной мощности оптического сигнала, при котором коэффициент усиления ОУ остается постоянным. Он тесно связан с коэффициентом шума, который зависит от ряда специфических шумов ОУ: шумов обусловленных усиленным спонтанным излучением – УСИ (Amplified Spontaneous Emission – ASE). Эти шумы возникают под воздействием случайных возмущающих факторов различной физической природы, например, нагрева усилителя (тепловые фотоны), а также за счет наличия рассеянных фотонов.

0,0

- 10

- 20

S , дБ

р , дБм

- 30

- 40

Рисунок 3.56 –Амплитудная характери- стика ОУ оптического усилителя

S , дБ

Р вх =-10, дБм

Р вх =-30, дБм

λ , мкм

Р вх =0, дБм

Рисунок 3.55 – Спектральная характеристика оптического усилителя

Важными характеристиками оптических усилителей являются их спектральные характеристики, т. е. зависимость усиления ОУ от длины волны оптического излучения, т. е. S = f _с(λ), рис. 3.55, где приведены типичные зависимости усиления от длины волны для трех фиксированных значений мощности входного оптического сигнала.

 

 

Зависимость усиления от входной мощности описывается своеобразной амплитудной характеристикой S = f _а(Р _вх), рис. 3.56.

Оптические усилители, реализуемые на разной элементной базе, имеют специфические параметры и характеристики, о которых будет сказано при конкретном рассмотрении соответствующих усилителей.