Исследование оптических свойств лазера накачки - Коммуникации, связь, цифровые приборы и радиоэлектроника дипломная работа

Эрбиевые усилители оптического сигнала. Параметры волоконных усилителей. Выходная мощность сигнала и энергетическая эффективность накачки. Ширина и равномерность полосы усиления. Полупроводниковый лазер накачки "ЛАТУС-К". Конструкция лазера накачки.


посмотреть текст работы


скачать работу можно здесь


полная информация о работе


весь список подобных работ


Нужна помощь с учёбой? Наши эксперты готовы помочь!
Нажимая на кнопку, вы соглашаетесь с
политикой обработки персональных данных

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«КУБАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»
ВЫПУСКНАЯ КВАЛИФИКАЦИОННАЯ РАБОТА БАКАЛАВРА
исследование оптических свойств лазера накачки
Работу выполнил________________________ Бухальцов Алексей Викторович
Направление 11.03.02 Инфокоммуникационные технологии и системы связи
канд. физ.-мат. наук, доцент ____________________________ В. В. Галуцкий
Нормоконтролер инженер __________________________ И. А. Прохорова
Выпускная квалификационная работа 49 с., 19 рис., 1 табл., 16 источников.
Полупроводниковый лазер накачки, температурная подстройка, иттербий, эрбий
Объектом разработки данной выпускной квалификационной работы является кристаллы, активированный иттербием и эрбием и система полупроводниковой лазерной накачки, предназначенные для формирования оптического сигнала на длине волны 1,55 мкм.
Целью работы является исследование температурной подстройки по длине волны полупроводникового лазера накачки «ЛАТУС-К»
В результате выполнения выпускной квалификационной работы
- с обрана экспериментальная установка для исследования температурной зависимости спектров излучения полупроводникового лазера накачки;
- построена температурная зависимость максимума излучения, полуширины линии излучения, интегральной интенсивности излучения;
- оц енена эффективность согласования линии излучения лазера накачки с линиями поглощения кристаллов с иттербием и эрбием.
1. Эрбиевые усилители оптического сигнала
1.2 Оптическая схема эрбиевого волоконного усилителя
1.3 Основные параметры волоконных усилителей
1.3.2 Выходная мощность сигнала и энергетическая эффективность накачки
1.3.4 Ширина и равномерность полосы усиления
2. Полупроводниковый лазер накачки «ЛАТУС-К»
2.2 Требования к мощному полупроводниковому лазеру накачки
В настоящее время существует целый класс оптических квантовых устройств в сфере телекоммуникаций, одним из наиболее распространенных является, несомненно, эрбиевый волоконный усилитель (EDFA). Усиление света в EDFA происходит в диапазоне длин волн 1,55 мкм, как раз в области минимальных потерь кварцевого оптического волокна.
В настоящее время длина современных волоконно-оптических линий связи достигает нескольких тысяч километров, а сигнал передатчика снижается на 30..40 дБ на расстоянии 130..160 км [1] . Для увеличения мощности на входном конце линии на 25..30 дБ применяют квантовые усилители, а для восстановления сигнала на линии до уровня 1..10 дБм применяют усилители-ретрансляторы. Для этой цели используют EDFA с накачкой полупроводниковым лазером. Кроме того, для увеличения информационно-пропускной способности применяют спектральное уплотнение каналов (WDM) с использованием от 10 до 64 каналов, разделенных по длинам волн в спектральном диапазоне 1455..1600 нм [2] . Однако хорошо известный факт зависимости эффективности накачки EDFA от длины волны полупроводникового лазера накачки позволяет прогнозировать возможный уровень энергетических затрат на усиление оптического сигнала.
Две самые распространенные длины волны накачки EDFA 980 и 1480 нм [3] . Когда EDFA накачивается на 980 нм, примерно через 1 мкс возбужденные ионы падают на метастабильный уровень, на котором они могут находиться до 10 мс, пока через усилитель не пройдет сигнал, после чего ионы переходят в основное состояние, испуская свет с той же длиной волны, что и проходящий сигнал. Если за 10 мс через накаченный усилитель не пройдет сигнал, то ионы эрбия спонтанно перейдут в основное состояние, испуская свет с длиной волны порядка 1550 нм [4] . В коммуникациях эффективная скорость передачи информации очень высока (Гб/с), а время передачи единицы информации очень мало (пс) по сравнению с временами жизни метастабильных уровней (мс), поэтому межсимвольной интерференции не происходит. Однако спонтанное излучение усиливает общий шум.
Накачка же EDFA на длине волны 1480 нм обладает меньшей эффективностью относительно получаемого коэффициента усиления и требует дополнительных энергозатрат [4] .
С огласовани е спектр а излучения лазера накачки и спектр а поглощения усилива ющей среды, а значит, и повышение энергоэффективности накачки является важным условием при конструировании и других оптических квантовых приборов для телекоммуникаций.
Известный факт, что путем температурной подстройки можно изменить длину волны полупроводникового лазера накачки, а значит лучше согласовать спектр излучения лазера и спектр поглощения среды.
Поэтому ц елью данной работы являлся исследование температурн ой подстройк и по длине волны полупроводникового лазера накачки «ЛАТУС-К»
При этом существенно важным является решение следующих задач:
- с обрать экспериментальную установку для исследования температурной зависимости спектров излучения полупроводникового лазера накачки ;
- п остроить температурную зависимость максимума излучения, полуширины линии излучения, интегральной интенсивности излучения ;
- о ценить эффективность согласования линии излучения лазера накачки с линиями поглощения кристаллов с иттербием и эрбием .
Полученные в данной работе результаты тесно связаны с научно-исследовательской работой, проводимой на кафедре оптоэлектроники КубГУ, и найдут реальное использование при проектировании различных лазерных схем .
1. Эрбиевые усилители оптического сигнала
Принцип работы усилителей EDFA основан на явлении усиления света при вынужденном излучении (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation). Это то же самое явление, которое обеспечивает возникновение генерации в лазерах и, собственно говоря, дало им название (слово LASER это и есть аббревиатура вышеприведенной фразы). Возможность усиления света в световодах, легированных ионами эрбия, обуславливается схемой уровней энергии данного редкоземельного элемента, представленной в упрощенном виде на (рисунок 1). Усиление света в эрбиевом усилителе происходит благодаря переходу между уровнями 2-1 (4I13/2-4I15/2). Каждый из этих уровней расщеплен на ряд подуровней из-за взаимодействия ионов эрбия с внутрикристаллическим полем кварцевого стекла (эффект Штарка). Под действием накачки за счет поглощения фотонов накачки ионы эрбия переходят из основного состояния (уровень 1) в верхнее возбужденное состояние (уровень 3), которое является короткоживущим (время жизни 3=1 мкс), и за счет процессов релаксации переходят в долгоживущее состояние (на метастабильный уровень 2 энергии). Термин метастабильный означает, что время пребывания иона эрбия на этом уровне энергии (его также называют временем жизни) относительно велико (ф2=10 мс, т.е. ф2=10 000ф3).
Поэтому число ионов, находящихся на уровне 2, при соответствующей мощности накачки может превышать число ионов на уровне 1. Уровень 1 называется основным состоянием, т.к. в отсутствие накачки практически все ионы эрбия находятся на этом энергетическом уровне. Доля частиц, находящихся на остальных уровнях, в отсутствие накачки мала. Число ионов в единице объема, находящихся на некотором уровне энергии, называется населенностью этого уровня энергии. В нормальных условиях, т.е. в отсутствие накачки, населенность основного уровня энергии вещества максимальна, населенности всех остальных уровней энергии быстро уменьшаются с увеличением энергии уровня. Состояние среды, при котором населенность некоторого более высокого уровня энергии иона превышает населенность некоторого нижележащего уровня, является очень необычным и получило название состояния с инверсией населенностей уровней, или, более коротко, инверсией населенности.
Если в среду с инверсией населенности попадает излучение с энергией фотона, совпадающей с энергией перехода из метастабильного состояния в основное, то с большой вероятностью происходит переход иона с метастабильного уровня 2 на основной уровень 1 с одновременным рождением еще одного фотона. Увеличение числа фотонов при их взаимодействии с ионами эрбия означает, что происходит усиление света, распространяющегося в среде с инверсией населенности. Отметим, что длина волны и спектр усиления жестко определены типом активных ионов. Тот факт, что спектр усиления волок на, легированного ионами эрбия, совпадает с областью минимальных потерь кварцевого оптического волокна, является удачным совпадением. Не все ионы эрбия находятся в метастабильном состоянии и обеспечивают усиление. Часть ионов находится на уровне 1 и эти ионы, взаимодействуя с фотонами, энергия которых совпадает с энергией перехода, эффективно их поглощают, переходя на уровень 2. При этом спектр усиления ионов эрбия практически совпадает со спектром поглощения. Если количество ионов, находящихся на уровне 2, меньше числа ионов, находящихся на основном уровне 1, то наблюдается поглощение. Именно поэтому необходимым условием усиления света является создание инверсии населенностей между двумя рабочими уровнями энергии 2 и 1. Для создания инверсии населенностей в эрбиевом усилителе необходимо перевести примерно половину ионов эрбия на метастабильный уровень 2. Мощность накачки оптического усилителя, при которой населенность уровней 1 и 2 равны, называется пороговой мощностью. При мощности накачки ниже пороговой наблюдается не усиление, а поглощение светового сигнала. На рис.1.1 представлены спектры поглощения усиления при различных значениях относительной населенности уровня 2, определяемой уровнем мощности накачки. Нижняя кривая, наблюдающаяся в отсутствии накачки (все частицы находятся в основном состоянии, населенность уровня 2 равно 0%), соответствует «отрицательному усилению», т.е. поглощению во всем рабочем спектральном диапазоне. По мере увеличения мощности накачки все большее число активных ионов переходит в возбужденное состояние. Это приводит, как видно из рис.1.1, сначала к уменьшению коэффициента поглощения, а затем к усилению света. Отметим также, что спектр усиления несколько сдвинут в длинноволновую область относительно спектра поглощения. Следовательно, для усиления в длинноволновой части спектра требуется меньшее значение инверсии. Использование трехуровневой схемы накачки приводит к появлению следующих важных свойств эрбиевого усилителя:
- Наличию пороговой мощности накачки, при которой происходит «просветление» активного волоконного световода, т.е. достигаются нулевые потери. При превышении пороговой мощности накачки
- начинается усиление сигнала. В зависимости от структуры активного волоконного световода, концентрации легирующей примеси и длины волны накачки величина пороговой мощности составляет от долей до нескольких единиц мВт.
- Необходимости выбора оптимальной длины эрбиевого волокна, то есть длины, при которой достигается максимальное усиление при заданной концентрации ионов эрбия. При длине волокна больше оптимальной в дальних участках волокна будет наблюдаться поглощение сигнала, а при использовании эрбиевого волокна не достаточной длины излучение накачки используется не полностью. Оптимальная длина эрбиевого волокна, вообще говоря, зависит от частоты усиливаемого сигнала. Чем меньше частота сигнала, тем более длинный отрезок эрбиевого волокна соответствует максимальному усилению.
При отсутствии усиливаемого сигнала ионы эрбия переходят в основное состояние самопроизвольно, излучая фотоны с энергией, соответствующей данному переходу. То есть появляется спонтанное излучение.
Следует подчеркнуть, что и в рабочем режиме при наличии усиливаемого сигнала часть возбужденных ионов переходит в основное состояние спонтанно, при этом спонтанное излучение также усиливается, приводя к появлению усиленного спонтанного излучения. Усиленное спонтанное излучение является основным источником шумов, а также ограничивает коэффициент усиления, особенно в случае слабого сигнала.
Нижняя (черная) кривая - населенность 0%, верхняя кривая - населенность 100%. Кривые проведены для населенностей, изменяющихся с шагом 10%
Рисунок 1.1 - Спектральная зависимость усиления/поглощения эрбиевого волокна при разных значениях относительной населенности метастабильного уровня энергии
Рисунок 1.2 - Упрощенная схема эрбиевого волоконного усилителя
1.2 Оптическая схема эрбиевого волоконного усилителя
Упрощенная схема эрбиевого волоконного усилителя представлена на рис.1.2. Оптическая накачка, необходимая для перевода ионов эрбия в возбужденное состояние, осуществляется на длинах волн, соответствующих одной из их полос поглощения. В таблице 1 приведены значения эффективностей использования накачки, определяемой максимальным значением отношения коэффициента усиления к мощности накачки, для нескольких полос поглощения [4]. Источники накачки видимого диапазона на основе твердотельных и газовых лазеров использовались на начальном этапе исследований эрбиевых волоконных усилителей, пока не были разработаны необходимые полупроводниковые источники. Наибольшая эффективность использования накачки достигается на длинах волн 980 и 1480 мкм [4].
Отметим, что именно этот факт дал мощный толчок развитию полупроводниковой техники высоких мощностей. Если в первых экспериментах по усилению сигнала использовались полупроводниковые лазеры с максимальной мощностью 20-30 мВт, то в настоящее время разработаны устройства накачки с мощностью в несколько сотен мВт, введенной в одномодовое волокно [1,2]. Большая мощность накачки требуется, например, для обеспечения высокого коэффициента усиления одновременно большого числа информационных каналов в системах со спектральным уплотнением (DWDM). Для объединения входного оптического сигнала и излучения накачки используются мультиплексоры. Необходимыми элементами оптических усилителей являются оптические изоляторы - устройства, пропускающие световые сигналы только в одном направлении. Оптические изоляторы на входе и выходе усилителя применяются для того, чтобы предотвратить проникновение в усилитель паразитных отраженных от неоднородностей линии связи сигналов. Отраженные сигналы, усиленные в эрбиевом волокне, являются источником шумов, ухудшающих работу усилителя. Собственно усилительной средой усилителя является эрбиевое волокно - волоконный световод с примесями ионов эрбия. Изготавливаются такие световоды теми же методами, что и световоды для передачи информации, с добавлением промежуточной операции пропитки не проплавленного материала сердцевины раствором солей эрбия либо операции легирования ионами эрбия из газовой фазы непосредственно в процессе осаждения сердцевины. Волноводные параметры эрбиевого волоконного световода делают сходными с параметрами световодов, используемых для передачи информации, в целях уменьшения потерь на соединения. Принципиальным является выбор легирующих добавок, формирующих сердцевину активного световода, а также подбор концентрации ионов эрбия [5,6]. Различные добавки в кварцевое стекло изменяют характер штарковского расщепления уровней энергии ионов эрбия. В свою очередь это приводит к изменению спектров поглощения и излучения. На рис.1.3 представлены спектры излучения ионов эрбия в кварцевом стекле, легированном наиболее часто применяемыми в технологии волоконных световодов добавками. Из представленных данных видно, что наиболее широкий спектр излучения (а значит, и спектр усиления), составляющий около 40 нм по полувысоте, достигается при использовании в качестве добавки алюминия. Поэтому этот элемент стал необходимой составляющей материала сердцевины эрбиевых волоконных световодов. Концентрация ионов эрбия в сердцевине оптического волокна фактически определяет его длину, используемую в усилителе при заданных уровнях сигнала и накачки. Верхний предел концентрации активных ионов определяется возникновением эффекта кооперативной апконверсии. Это явление состоит в том, что при большой концентрации активных ионов возможно образование кластеров, состоящих из двух и более ионов эрбия. Когда эти ионы оказываются в возбужденном состоянии, происходит обмен энергиями, в результате чего один из них переходит в состояние с еще более высокой энергией, а второй - безызлучательно релаксирует на основной уровень. Таким образом, часть ионов эрбия поглощает излучение усиленного сигнала, снижая эффективность усилителя [7].
Таблица 1- Эффективность использования накачки
Максимальная эффективность накачки, дБ/мВт
Рисунок 1.3 - Спектры излучения ионов эрбия в кварцевом стекле с различными добавками
Нижний предел по концентрации ионов эрбия определяется тем, что слишком длинный активный световод неудобен при изготовлении усилителя, а также тем, что при использовании большого количества активного световода повышается стоимость усилителя. На практике концентрация ионов эрбия составляет 1018-1019 см3, что обеспечивает длину используемого активного световода от нескольких единиц до нескольких десятков метров. Изображенная на рис.1.2 схема усилителя представляет собой вариант схемы с попутной накачкой, когда сигнал и излучение накачки распространяются в одном и том же направлении. Возможным является вариант со встречной накачкой, а также применение накачки в двух направлениях. Двунаправленная накачка позволяет использовать два источника накачки, повышая суммарную мощность накачки.
1.3 Основные параметры волоконных усилителей
Для практического использования в системах волоконно-оптической связи наибольшее значение имеют следующие параметры эрбиевых усилителей:
- шум-фактор и мощность усиленного спонтанного излучения;
- спектральная ширина и равномерность полосы усиления.
Коэффициент усиления G определяется как отношение мощности Pout сигнала на выходе оптического усилителя к мощности Pin сигнала на его входе с учетом дополнительных потерь на мультиплексоре и в оптическом изоляторе G = Pout/Pin. В технических спецификациях коэффициент усиления выражают в децибелах g[дБ]=10lgG. Если мощность входного и выходного сигналов также выражена в логарифмических единицах (дБм), то коэффициент усиления равен разности мощностей выходного и входного сигналов: g[дБ] = pout[дБ]-pin[дБ]. При оптимизированных параметрах активного волоконного световода коэффициент усиления определяется мощностями накачки Pp и входного сигнала Pin. Коэффициент усиления слабого сигнала, влиянием которого на величину населенностей уровней энергии ионов эрбия можно пренебречь, называется ненасыщенным коэффициентом усиления. Ненасыщенный коэффициент усиления увеличивается при увеличении мощности накачки и длины эрбиевого волокна. В то же время неограниченному возрастанию коэффициента усиления препятствуют самонасыщение усилителя усиленным спонтанным излучением и возникновение паразитной лазерной генерации. В лабораторных условиях достигнуто усиление 50 дБ. В серийных эрбиевых усилителях типичные значения коэффициента усиления слабого сигнала находятся в районе 30 дБ. Увеличение мощности входного сигнала уменьшает населенность метастабильного лазерного уровня 2 и, тем самым, снижает коэффициент усиления рис.1.1. Для оценки эффекта насыщения в эрбиевых усилителях часто используется значение выходной насыщающей мощности PSout или входной насыщающей мощности PSout. Выходная насыщающая мощность PSout определяется как значение мощности сигнала на выходе, при которой насыщенный коэффициент усиления GS в два раза меньше коэффициента усиления при малом входном сигнале G (при этом gS[дБ]=(g-3)[дБ]) [1,2]. Аналогично определяется входная насыщающая мощность PSin.
1.3.2 Выходная мощность сигнала и энергетическая эффективность накачки
Одно из применений оптических усилителей в системах связи усиление мощности сигналов, вводимых в волоконно оптическую линию связи. Выходная мощность сигнала определяет расстояние до следующего усилителя.
Поэтому важными параметрами эрбиевых усилителей, работающих в качестве усилителей мощности, являются выходная мощность Pout и энергетическая эффективность PCE накачки. Энергетическая эффективность определяется отношением изменения мощности сигнала к мощности накачки:
Для того чтобы обеспечить высокую энергетическую эффективность, необходимо, чтобы практически все фотоны накачки передавали свою энергию фотонам сигнала. Отношение числа фотонов сигнала NFS, появившихся в процессе усиления сигнала, к числу NFP поглощенных фотонов накачки называется квантовой эффективностью накачки QE=NFS/NFp. Так как энергия фотона выходного излучения меньше энергии фотона накачки, то энергетическая эффективность меньше квантовой и зависит от соотношения длин волн накачки лp и сигнала лS:
Следовательно, для получения максимальной энергетической эффективности перспективнее использовать накачку на длине волны 1480 нм, а не на длине волны 980 нм. В настоящее время при накачке на длине волны 1480 нм достигнута энергетическая эффективность 86%, при квантовой эффективности 91% [1,2]. Накачка на длине волны 980 нм позволяет получить энергетическую эффективность 55% при квантовой эффективности 86%.
Большая энергетическая эффективность позволяет использовать для накачки источники излучения меньшей мощности, а следовательно, более дешевые. Эта характеристика особенно важна в системах со спектральным уплотнением, где требуется усиливать одновременно большое количество сигналов большой суммарной мощности.
Для достижения уровней выходной мощности в сотни мВт и выше разработаны специальные волоконные световоды с двойной оболочкой и схемы накачки таких световодов. Усилители на основе эрбиевых волоконных световодов с двойной оболочкой обеспечивают получение выходного излучения мощностью более 1,5 Вт (33 дБ). Таким образом, для получения максимальной энергетической эффективности для накачки эрбиевого усилителя целесообразно использовать излучение на длине волны 1480 нм, в то же время накачка на длине волны 980 нм обеспечивает меньшее значение шума усиленного спонтанного излучения [1,7].
Основным источником шума в усилителе на волокне, легированном эрбием, является самопроизвольное (спонтанное) излучение при переходе иона эрбия с метастабильного уровня энергии 2 на основной уровень 1. Это спонтанное излучение усиливается и повторно поглощается по всей длине усилителя приблизительно так же, как слабый сигнал, распространяющийся по усилителю. Именно этим объясняется отличие между формами спектра усиленного спонтанного излучения (ASE) и спектра не усиленного спонтанного излучения (SE) [8]. Усиленное спонтанное излучение при распространении по волоконно-оптической линии поглощается и усиливается так же, как и сам информационный сигнал. Увеличение мощности ASE приводит к увеличению шума фотоприемника, который является источником ошибок в цифровых системах связи. Полуклассическая теория дает следующее выражение для среднеквадратичного отклонения фототока от среднего значения: уeN = уshot+уs-ASE+уASE-ASE+уth.
Первый член уshot приведенного выражения соответствует флуктуациям фототока, вызванным шумом Шоттки (его еще называют дробовым шумом), происхождение которого связано с квантовой природой света. Второй член уs-ASE - это флуктуации фототока, вызванные биениями между сигналом и усиленным спонтанным излучением. Третий член уASE-ASE связан с биениями между различными спектральными компонентами усиленного спонтанного излучения, и последний член уth определяет тепловые флуктуации тока фотоприемника. Качество принятого системой передачи информации цифрового сигнала определяется величиной отношения мощности принятого электрического сигнала к мощности шума. Эта величина, кратко называемая электрическим отношением сигнал/шум (SNRe), равна отношению квадрата фототока, создаваемого сигналом, к среднеквадратичному отклонению фототока:
Величина электрического отношения сигнал/шум зависит от характеристик фотоприемника и поэтому не может непосредственно характеризовать качество оптического информационного сигнала. Поэтому для характеристики оптического сигнала вводится понятие оптического отношения сигнал/шум OSNR. Оптическое отношение сигнал шум OSNR в оптической спектральной полосе Bо численно равно электрическому отношению сигнал/шум SNRe в идеальном фотоприемнике с электрической спектральной полосой Be=Bo. Идеальным называется фотоприемник, в котором отсутствуют тепловые шумы и квантовая эффективность которого равна 100%.Для характеристики качества оптического усилителя вводится параметр Nf, получивший название шум фактор. Величина шум фактора является мерой ухудшения отношения сигнал/шум входного когерентного сигнала OSNRINCOG при прохождении через оптический усилитель:
Следует обратить внимание на тот факт, что шум фактор определяет ухудшение идеального когерентного сигнала. При приеме идеального оптического сигнала в фототоке отсутствуют флуктуации фототока уs-ASE и уASE-ASE, связанные с усиленным спонтанным излучением. Поэтому выражение для оптического отношения сигнал/шум входного сигнала имеет вид (шумом Шоттки пренебрегают, считая фотоприемник идеальным):
Оптическое отношение сигнал шум выходного сигнала имеет вид:
В приближении слабых шумов биениями спектральных компонент усиленного спонтанного излучения можно пренебречь, тогда
где G - коэффициент усиления, nsp - фактор спонтанного излучения, зависящий от средних населенностей рабочих уровней. Величина фактора спонтанного излучения определяет относительные вероятности спонтанного и вынужденного излучения фотона. Поскольку вероятность спонтанного излучения определяется средней населенностью N2 метастабильного уровня энергии 2, а вероятность вынужденного перехода разностью населенностей (N2-N1) уровней 2 и 1, то
где уa(лS) и уe(лS) - сечения поглощения и излучения ионов эрбия на длине волны сигнала. Из полученных выражений для отношения сигнал шум входного и выходного сигналов получаем значение шум фактора эрбиевого усилителя
Минимальное значение фактора спонтанного излучения nsp=1 достигается при полной инверсии населенностей рабочего перехода (N1=0). В этом случае в усилителях с большим усилением Nf=2 (шум фактор в логарифмических единицах равен 3 дБ). Значение шум фактора 3 дБ является минимально возможным для усилителей любого типа с большим усилением. Типичные значения шум фактора серийных эрбиевых усилителей составляют 5 дБ. Если во входном сигнале присутствует «классический» шум, например усиленное спонтанное излучение от предыдущего усилителя, то ухудшение отношения сигнал/шум будет меньше значения шум фактора:
Рисунок 1.4 - Спектральные зависимости коэффициентов шума и усиления эрбиевого усилителя для двух значений входного сигнала
Поскольку коэффициент шума при большом усилении зависит только от соотношения населенностей метастабильно уровня 2 и основного уровня 1
обеспечить минимальное значение шума можно с использованием накачки большой мощности на длине волны 980 нм, работаю щей по трехуровневой схеме. В этом случае теоретически населенность основного уровня 1 может быть снижена практически до нуля. Излучение накачка на длине волны 1480 нм само эффективно взаимодействует с ионов эрбия, находящимися на метастабильном уровне энергии 2, а это приводит к тому, что населенность уровня 1 не может быть снижена до нуля. Поэтому уровень шума при использовании накачки на длине волны 1480 нм выше, чем при использовании на качки на длине волны 980 нм. При накачке во встречном по отношению к сигналу на правлении шум фактор также несколько выше, чем при со направленно накачке, поскольку очень важно обеспечить большую населенность метастабильного уровня 2 и малую населенность уровня 1 там, где сигнал слабый. На рис.1.4 представлены спектральные зависимости шум фактора при двух значениях входного сигнала - -30 дБм и 0,5 дБм. Видно, что данная величина не превышает уровня -5 дБ в диапазоне 60 нм.
1.3.4 Ширина и равномерность полосы усиления
Ширину полосы усиления можно определять разными способами. В любом случае этот параметр должен давать информацию о том, что в определенном диапазоне длин волн значение усиления не ниже некоторого граничного уровня. Как правило, этот уровень составляет 3 дБ от максимального значения коэффициента усиления. Для многоканальных волоконно-оптических систем со спектральным мультиплексированием этот параметр является принципиальным [1,2,8,9].
Поскольку в настоящее время число каналов достигает 100 и практически трудно реализовать разделение отдельных спектральных каналов с интервалами менее чем 0,4 нм (100 ГГц), то ширина спектра усиливаемого излучения может превышать 40 нм. В этих условиях ширина полосы усиления начинает оказывать определяющее влияние на число спектральных каналов, используемых для передачи информации, а значит, и на общую информационную пропускную способность волокна. Вообще говоря, ширина полосы усиления определяется спектром излучения ионов эрбия в материале сердцевины оптического волокна. Определяющее влияние материала сердцевины волокна на спектр излучения связан с тем, что ионы эрбия окружены молекулами этого материала. Под действием молекул окружения уровни энергии ионов эрбия расщепляются на подуровни. Величина расщепления и определяет ширину полосы излучения. Чем шире полоса излучения, тем более широкого спектра усиления можно добиться при конструировании усилителя.
Наиболее широким спектром излучения обладают ионы эрбия в алюмосиликатном стекле рис.1.3. Спектры усиления типичного эрбиевого усилителя на алюмосиликатном стекле при двух значениях мощности входного сигнала представлены на рис.1.4. Увеличивая длину активного волокна, удается получать достаточно большой коэффициент усиления вплоть до длины волны 1560 нм, при превышении которой усиление резко спадает. Таким образом, ширина полосы усиления для традиционной конфигурации усилителя составляет примерно 30 нм (1530 - 1560 нм). Эта полоса усиления имеет название стандартного диапазона (conventional band), или C_диапазона. Как видно из рис.1.3, интенсивность люминесценции имеет заметное значение вплоть до 1600 нм. При этом поглощение в области 1560 - 1600 нм падает очень быстро, что позволяет использовать и этот диапазон для усиления световых сигналов. Таким образом, оказывается возможным усиление в так называемом длинноволновом диапазоне (long wavelength band) или L диапазоне, если использовать длинное эрбиевое волокно. Следует отметить, что при такой конструкции усилителя активная среда оказывается не полностью инвертированной, и для оптических сигналов в С диапазона такое устройство работает как поглотитель. Поэтому перед усилением оптические сигналы разделяются по диапазонам C и L, и для каждого исп
Исследование оптических свойств лазера накачки дипломная работа. Коммуникации, связь, цифровые приборы и радиоэлектроника.
Сочинение О Великой Отечественной Войне 11 Класс
Курсовая работа: Подходы к оценке бизнеса в кризисных условиях
Реферат О Морских Организмах
Сочинение Про Опричников
Курсовая работа: Мотивация и стимулирование деятельности в процессах менеджмента. Проектирование системы мотивации в Издательском доме "СК Пресс"
Экзема У Кошек Курсовая Работа
Национальная Безопасность Реферат
Материнская И Отцовская Любовь Сочинение
Реферат по теме Социологическая типология поведения личности
Реферат: Словенские и боснийские земли в Средние века и раннее Новое время
Реферат: Организация и планирование сбыта продукции на предприятии содержание
Реферат по теме Контртеррористическая стратегия и перестройка системы безопасности США
Сочинение По Рассказу Темные Аллеи
Реферат: Stress In College Essay Research Paper STRESS
Дипломная работа по теме Основы регулирования труда женщин в Российской Федерации
Реферат по теме Почвы и хозяйства
История Конькобежного Спорта Реферат
План Сочинения Вид Из Моего Окна
Отчет по практике по теме Организация хлебопекарного производства на ООО 'Пищекомбинат'
Реферат: Международные валютно-финансовые отношения
Семиотический статус афоризма - Иностранные языки и языкознание статья
Роль бактерии в круговороте веществ - Биология и естествознание презентация
Оценка эффективности управления социально-экономическим развитием Харовского муниципального района - Государство и право дипломная работа