`

СПЕЦИАЛЬНЫЕ
ПАРТНЕРЫ
ПРОЕКТА

Архив номеров

Как изменилось финансирование ИТ-направления в вашей организации?

Best CIO

Определение наиболее профессиональных ИТ-управленцев, лидеров и экспертов в своих отраслях

Человек года

Кто внес наибольший вклад в развитие украинского ИТ-рынка.

Продукт года

Награды «Продукт года» еженедельника «Компьютерное обозрение» за наиболее выдающиеся ИТ-товары

 

Оптические усилители

0 
 

Еще в 1985 г. оптические усилители были скорее мечтой, чем реальностью. Правда, полупроводниковые оптические усилители и устройства, базирующиеся на эффекте Рамана, уже демонстрировались в лабораториях, однако до практического применения было еще далеко. Каскад успешных исследований и разработок, выполненных в 1985–1990 гг., позволил превратить лабораторные прототипы в коммерческие модели. Это, в свою очередь, открыло двери для широкого распространения мультиплексирования с разделением по длине волны (WDM) и построения полностью оптических сетей.

Оптическим усилителем называется устройство, которое усиливает оптический сигнал прямо, без преобразования его в электрический сигнал, усиления последнего и обратного преобразования в оптический. По сути оптические усилители являются лазерами без оптического резонатора или лазерами, в которых обратная связь в резонаторе подавлена.

Оптическое усиление базируется на индуцированном излучении, но возможности этого эффекта довольно долго, с момента предсказания Альбертом Эйнштейном в 1916 г., почти не изучались серьезно. В 1939 г. в своей неопубликованной диссертации Валентин Фабрикант рассмотрел построение оптического усилителя, предложив создать инверсную населенность (так называется ситуация, когда в атоме количество возбужденных электронов на верхних энергетических уровнях больше, чем на нижних в стационарном состоянии) в электрическом разряде в газе. Правда, он не делал никаких попыток его продемонстрировать. Интерес пришел только после того, как Чарльз Таунс использовал индуцированное излучение для получения микроволновых осцилляций в мазерах. Ну а в 1960 г. Теодор Мейман запустил первый квантовый генератор оптического диапазона – лазер, в котором обратная связь осуществлялась с помощью системы из двух плоских зеркал, параллельных друг другу (как в интерферометре Фабри-Перо). На первых этапах исследователи рассматривали усиление только как шаг к построению лазеров. По мере увеличения их разнообразия усилители на основе индуцированного излучения становились своеобразным утешительным призом для тех, кто не смог заставить свой оптический резонатор осциллировать. Это не был чистый снобизм, поскольку без лазера, генерирующего сигнал, оптическим усилителям нечего было усиливать. За исключением нескольких оптических усилителей, построенных для того, чтобы увеличить мощность импульса до очень высокого уровня, нужды в них не было до тех пор, пока не наступила эра оптоволоконных коммуникаций. Поскольку сигнал в оптоволокне ослабевал, то для передачи на большие расстояния он должен был быть усилен. Сложность же и стоимость электрооптических повторителей создали спрос на оптические усилители.

Одна из разработок базируется на той же технологии, что и лазерные диоды Фабри-Перо. Это так называемые полупроводниковые оптические усилители. Для того чтобы получить только эффект усиления, необходимо избежать резонанса. Для этого применяют просветляющее покрытие на торцовых гранях кристалла и ряд других средств, подавляющих обратную связь. Такие устройства характеризуются высоким уровнем шума, небольшим коэффициентом усиления, а также высокой нелинейностью и быстрыми переходными процессами. Скромные размеры позволяют им интегрироваться с полупроводниковыми лазерами, модуляторами и т. п. Накачка осуществляется посредством приложения к кристаллу напряжения.

Однако в современных оптических коммуникационных системах наибольшее распространение получили усилители на оптических волокнах, легированных эрбием (Erbium-Doped Fiber Amplifiers – EDFA), и на основе эффекта Рамана, или, как часто он называется в отечественной литературе, комбинационного рассеяния света.

Редкоземельный элемент эрбий добавляют в незначительных количествах в отрезок волокна (обычно длиной несколько метров) центральной кремниевой жилы. Во время прохождения по нему ослабленного сигнала лазером накачки вводится световой пучок с несколько меньшей длиной волны, что препятствует их интерференции. Обычно для накачки используют лазерный диод, излучающий на длине 1480 нм. В результате взаимодействия с квантами светового пучка накачки электроны в ионах эрбия переходят на более высокий квазистационарный энергетический уровень. При прохождении по такому отрезку сигнала с длиной волны, соответствующей окну прозрачности волокна (1550 нм), возникает индуцированное излучение с равной или очень близкой длиной волны. Обычно усиление достигается в диапазоне длин волн 1530–1640 нм.

Оптические усилители
Рис. 1
Оптические усилители
Рис. 2

В то же время инжектирование излучения накачки может приводить к нежелательным последствиям. Так, распространение этого излучения навстречу сигналу вызывает шумы. Чтобы их избежать, применяют оптические вентили, которые пропускают свет преимущественно в одном направлении (рис. 1).

Весьма интересный подход к построению оптических усилителей предполагает использование эффекта Рамана в самом оптическом волокне. Рамановское усиление заключается в следующем. При прохождении света подходящей длины волны в кварцевом волокне происходит взаимодействие квантов пучка с атомами (ионами) вещества, в результате чего электроны переходят на возбужденные энергетические уровни. Если через такое волокно пропустить свет с близкой длиной волны, то он вызовет индуцированное излучение. На рис. 2 приведена схема переходов при рамановском усилении. Лазер накачки, излучающий на длине волны 1480 нм, переводит электроны на высокоэнергетический квазистационарный уровень. Под действием стимулирующего излучения они переходят на более низкий уровень – колебательный, испуская квант с длиной волны 1580 нм, а затем происходит безызлучательный переход (вернее, с излучением фонона) с колебательного уровня в основное состояние.

Поскольку имеется широкий набор колебательных состояний выше основного, то рамановский спектр не привязан к фиксированным энергетическим уровням, как в случае с редкоземельными элементами. Поэтому при достаточно мощном лазере накачки усиление может быть получено на любой длине волны в инфракрасной области. Эта особенность позволяет применять рамановские усилители во всем диапазоне передачи кремниевых оптоволоконных кабелей, что крайне важно для сетей с использованием WDM.

Оптические усилители
Рис. 3
Оптические усилители
Рис. 4

При построении оптоволоконных сетей с рамановскими усилителями перед разработчиками встает вопрос: как направить луч накачки – в прямом или в обратном направлении по отношению к распространению информационного сигнала? Схема обратного распространения луча применяется чаще, так как она обладает рядом преимуществ. Дело в том, что при прямом распространении на сигналы сильное влияние оказывает шум лазера накачки, который обусловлен небольшими флуктуациями его мощности, что почти всегда имеет место. Поскольку рамановский процесс происходит почти мгновенно, то отдельные информационные биты могут усиливаться по-разному, что приводит соответственно к флуктуациям амплитуд. Если же применяется схема обратного распространения, то флуктуации мощности усредняются, так как каждый индивидуальный бит «видит» рамановскую накачку несколько миллисекунд (рис. 3).

В последнее время все большее распространение получают гибридные оптические усилители на базе EDFA и рамановского эффекта (рис. 4). Они помогают добиться необходимого отношения сигнал/шум в системах DWDM и достичь больших расстояний между последовательно устанавливаемыми усилителями. При этом легированный участок накачивается удаленно через передающее оптоволокно, в котором происходит рамановское усиление.

0 
 

Напечатать Отправить другу

Читайте также

 
 
IDC
Реклама

  •  Home  •  Рынок  •  ИТ-директор  •  CloudComputing  •  Hard  •  Soft  •  Сети  •  Безопасность  •  Наука  •  IoT