Оптические усилители на основе эффекта вынужденного комбинированного рассеивания (рамановские усилители)

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ТРАНСПОРТА Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

" Иркутский государственный университет путей сообщения"

(ФГБОУ ВПО ИрГУПС) Факультет «Системы обеспечения транспорта»

Кафедра «Телекоммуникационные системы»

Реферат Оптические усилители на основе эффекта вынужденного комбинированного рассеивания (рамановские усилители) Выполнил студент гр. АТС-08−2-1

Томин М.А.

Проверил доцент Куценко С.М.

Иркутск 2013

21 февраля 1928 г. Ландсберг и Мандельштам обнаружили эффект комбинационного рассеяния света (они зарегистрировали новые линии спектра, возникшие в результате модуляции рассеянного света колебаниями атомов кристаллической решетки в оптическом диапазоне частот). О своем открытии они сообщили на коллоквиуме от 27 апреля 1928 г. и опубликовали соответствующие научные результаты в советском и двух немецких журналах.

Индийский ученый Чандрасекара Венката Раман обнаружил новые линии спектра в исследуемом им излучении 28 февраля 1928 года, т. е. на неделю позже, чем Ландсберг и Мандельштам. Однако, индийские физики опубликовали 16 работ по поведению света в жидкостях и парах на момент выхода публикации Ландсберга и Мандельштама по комбинационному рассеянию света в кристаллах. Несмотря на то, что советские физики проводили свои исследования по рассеянию света с 1918 г и абсолютно независимо от Рамана, Нобелевская премия по физике 1930 года была присуждена лишь Раману «за его работы по рассеянию света и за открытие эффекта, названного по его имени». С тех пор комбинационное рассеяние света в иностранной литературе носит название «эффект Рамана» (Raman effect) или «Рамановское рассеяние» (Raman scattering) и, следовательно, усилитель, использующий в своей основе данное физическое явление, называется Рамановским. В русскоязычной научной литературе, вслед за классиками молекулярного рассеяния света Ландсбергом, Мандельштамом, Фабелинским и многими другими советскими учеными, данное явление традиционно называется «комбинационным рассеянием света», а усилители, следовательно, называются «ВКР-усилителями» (ВКР — вынужденное комбинационное рассеяние). И несмотря на то, что термин «комбинационное рассеяние» употребляется только русскоязычными учеными и в русскоязычных учебниках, такое положение вряд ли изменится, поскольку сопротивление несправедливому решению нобелевского комитета от 1930 года до сих пор весьма велико.

В волоконно-оптических линиях связи применяются полупроводниковые оптические усилители, Оптические усилители, использующие нелинейные явления в оптоволокне (эффект рассеяния), Оптические усилители на ОВ, легированном редкоземельными элементами, Оптические усилители, легированные эрбием (EDFA).

Технологии DWDM и оптические усилители в настоящее время являются одними из главнейших направлений в области развития опто-волоконных систем телекоммуникации. Технология DWDM революционно увеличила пропускную способность оптических систем передачи. К сегодняшнему дню пропускная способность коммерческих систем превысила 1 Тбит/с. Для дальнейшего увеличения пропускной способности необходимо повысить спектральную эффективность систем в диапазонах C и L или использовать диапазоны вне полосы усиления эрбиевых усилителей. Рамановские усилители (FRA) работающие на основе эффекта вынужденного комбинационного рассеивания (SRS — stimulated Raman scattering) представляют возможность повышения емкости оптических систем передачи в будущем используя оба из вышеуказанных подходов.

Эффект вынужденного комбинационного рассеивания можно увидеть, наблюдая, например, за монохроматическим световым пучком, полученным с помощью лазера, при его прохождении через прозрачный газ, жидкость или твердое тело. В отсутствие промежуточных веществ лазерное излучение было бы одноцветным. Однако при столкновении света с веществом фотоны в результате упругих столкновений с молекулами прозрачного вещества теряют или выигрывают энергию. Следствием этого является возникновение линий дополнительных цветов, называемых рамановским спектром, соответствующих увеличенным или уменьшенным длинам волн по сравнению с длиной волны первоначального излучением. Вид этого спектра зависит от природы вещества, рассеивающего свет.

Оптические усилители на основе эффекта рассеяния

Известны два вида оптических усилителей, в которых усиление оптических колебаний происходит в результате рассеяния излучения накачки на атомах вещества, служащего основой светопровода. Усилители работают на основе эффектов Рамана (ВКР-усилители) и Мандельштамма — Бриллюэна, имеющих место в стеклянных волноводах при большой мощности накачки.

Рамановские усилители могут быть распределенными или выполняться в виде дискретных устройств. Дискретный Рамановский усилитель — устройство, усиливающие оптические сигналы, в котором применяется оптическое волокно с эффектом Рамана, и все физические составляющие расположены внутри устройства. Распределенные усилители характеризуются тем, что эффект усиления сигнала в них достигается путем использования определенных участков или всего оптического волокна, применяемого для передачи.

Распределенные Рамановские усилители можно разделить на три подкатегории:

§ Рамановский усилитель с прямой накачкой — энергия накачки и передаваемый сигнал распространяются по волокну передачи в одном направлении.

§ Рамановский усилитель с обратной накачкой — энергия накачки и передаваемый сигнал распространяются по волокну передачи в противоположных направлениях.

§ Рамановский усилитель с накачкой в двусторонней накачкой — энергия накачки распространяется по волокну передачи в обе стороны. В этом случае часть энергии накачки распространяется в одном направлении с передаваемым сигналом, а часть — в направлении, противоположном направлению сигнала, передаваемого средствами связи.

Рис. 1. Схема применения Рамановских усилителей.

Волоконный усилитель Бриллюэна (ВУБ) в основном схож по принципу действия с усилителем Рамана, за исключением того, что оптическое усиление обеспечивается стимулированным рассеянием Бриллюэна. ВУБ также накачивается оптически, и часть накачиваемой мощности передается сигналу через рассеяние. Физически каждый фотон накачки с энергией hx f_Hиспользует ее часть, чтобы создать фотон сигнала с энергией, hxf_С в то время как фотон энергии возбуждает акустический фотон. Иначе говоря, волны накачки рассеиваются на акустической волне, движущейся через среду со скоростью звука.

Отличия от рамановского усиления:

§ усиление имеет место только тогда, когда сигнал распространяется в направлении, противоположном лучу накачки;

рамановский усилитель эффект рассеяние

§ сдвиг частоты сигнала по отношению к частоте накачки меньше 10 ГГЦ, т. е. на три порядка меньше, чем у рамановского усилителя, и зависит от частоты накачки;

§ спектр усиления узкий (полоса усиления менее 100 МГц).

§ Очень узкий усиливаемый спектр не позволяет применять этот тип усилителя в широкополосных системах передачи. Реальное усиление может достигать 20 ё 30 дБ при величине накачки около 1 мВт.

Основными характеристиками Рамановского усилителя являются: входная мощность, выходная мощность, мощность накачки, характеристика усиления и ее ширина, неравномерность усиления и другие. Данные характеристики относятся к мощности сигнала, мощности сигнала накачки и частоты.

Рамановское рассеяние (ВКР) может превратить волоконный световод в оптический усилитель с оптической накачкой. Усиление вследствие ВКР зависит от интенсивности (равной мощности накачки P_н, деленной на площадь модовой пятки А), длины взаимодействия L волны накачки и сигнальной волны и коэффициента усиления ВКР g:

В световоде с низкими потерями длина взаимодействия может составить более 1 км, что снижает требования по мощности накачки и коэффициенту усиления.

Величина коэффициента g зависит от присадок к стекловолокну таких, как бор, германий, фосфор. Для волокна на основе двуокиси кремния SiO₂ величина коэффициента g при накачке 1,55 мкм представлена зависимостью на рисунке 2.

Рис. 2. Зависимость коэффициента усиления от сдвига частоты при л=1,55 мкм в кремниевом волокне.

Из графика видно, что по уровню уменьшения усиления в два раза полоса частот усиления может быть около 5 ТГц при неравномерной характеристике усиления.

Усиление зависит и от длины волокна и от величины поглощения мощности в материале волокна:

где l — действительная длина, б — затухание волокна (дБ/км), — эффективная длина взаимодействия волн накачки и сигнала. На длинных линиях (десятки км) можно считать, что

.

Величина мощности Р_н рассматривается усредненной за интервал времени передачи импульсного сигнала. Величина усиления не зависит от поляризации усиливаемого сигнала.

Реальные величины коэффициентов усиления рамановских усилителей могут принимать значения от 3…5 дБ до 20…35 дБ в зависимости от примесного состава стекловолокна и мощности накачки. Ниже приведена спектральная диаграмма при среднем значении коэффициента усиления со ступенчатой регулировкой > 11дБ (рис 3).

Рис. 3. Спектральная диаграмма при среднем значении коэффициента усиления со ступенчатой регулировкой > 11дБ По диаграмме можно видеть, что усиление происходит в широком спектре частот.

Необходимо отметить, что в практике возможно использование каскадного включения эрбиевого и рамановского усилителей с дополнительным фильтром-выравнивателем характеристики усиления в полосе до 100 нм. Такое включение существенно уменьшает величину шума усиленной спонтанной эмиссии ASE.

Характерной особенностью нелинейного оптического усилителя Рамана является образование спектральных компонентов. В частности разностная частота между частотами сигнала и накачки называется стоксовой компонентой.

Усилитель Рамана может быть использован для увеличения скорости передачи существующих линий с 2.5 Гбит/с до 40 Гбит/с. Широкополосность усилителя превышает 5 ТГц и полоса усиления может смещаться в зависимости от выбора оптической частоты накачки. Пример конструктивного исполнения модуля накачки усилителя Рамана приведен на рисунке 4.

Рис. 4. Конструктив модуля накачки рамановского ВОУ Схема оптических и электрических цепей модуля рамановского ВОУ представлена на рисунке 5.

Рис. 5. Структура схемы накачки рамановского усилителя Для дальнейшего усовершенствования Рамановского усилителя одним из перспективных методов считается мониторинг и управление мощности и температуры источника накачки, для гарантирования стабильной работы Рамановского усилителя и расширения полосы усиления.

Рамановский усилитель в основном состоит из источника накачки, системы охлаждения и пассивных WDM устройств. Так как активной средой усиления является обычное нелегированное волокно, структура Рамановского усилителя намного проще, чем у других усилителей.

Оптический сигнал передается из оптического делителя и принимается фото-детектором, который преобразует оптический сигнал в электрический и передает его на микропроцессор. В соответствии со связью между входной и выходной мощностью система мониторинга и управления может судить о состоянии работы Рамановского усилителя. Сравнивая характеристики Рамановского усилителя с заданными характеристиками, эта система управляет подстройкой источников накачки. Так как обратная связь, управление сигналом и работа Рамановского усилителя осуществляются одновременно, выполняется автоматическое управление Рамановским усилителем.

Так как Рамановский усилитель использует нелинейные эффекты, происходящие в кварцевом волокне для усиления сигнала, оптическая мощность, распространяемая в волокне, значительно больше. В системе DWDM существует переход мощности между лучами накачки и сигнала, между лучами накачки, между лучами сигналов. Последние два типа перехода мощности плохо влияют на Рамановский усилитель, поэтому мощности источников накачки различных частот должны изменяться для осуществления обратной связи и подстройки. Когда длина волны сигнала накачки становится больше, тогда ширина полосы усиления Рамановского усилителя становится шире. Ручное управление системой непрактично. Система мониторинга и управления основана на интегрированной схеме и может автоматически отслеживать изменения в траектории луча и подстраивать лазерный диод, таким образом улучшая маневренность и стабильность, которые являются основными требованиями для будущих систем мониторинга и управления оптических усилителей.

Рассмотрим реализацию системы мониторинга и контроля Рамановского усилителя. Схема мониторинга и управления Рамановского усилителя с обратной накачкой показана на рис. 6.

Рис. 6. Схема мониторинга и управления Рамановского усилителя с обратной накачкой Согласно логической функции, данную схему можно разделить на три части: фотоэлектрическое преобразование, АЦП и ЦАП, и систему цифровой обработки сигнала.

Функция системы фотоэлектрического преобразования состоит в сборе информации по мощности каждого канала и мощностей различных источников накачки.

Система АЦП отбирает аналоговые сигналы и передает цифровые сигналы в систему цифровой обработки сигнала.

Система цифровой обработки сигнала состоит из микропроцессоров и программируемых логических устройств (на практике система SOC также интегрирует блоки АЦП и ЦАП), и соединяется с компьютером, который управляет ею через программу-клиент.

В соответствии с различными контролируемыми параметрами, можно выделить пять основных цепей мониторинга и контроля:

1. Цепь мониторинга и контроля входной мощности. Данная цепь помогает настраивать входную мощность и снизить потерю мощности в результате сдвига Рамановской частоты между двумя сигналами.

2. Цепь мониторинга и контроля выходной мощности. Эта цепь может вычислить коэффициент усиления в соответствии с входной и выходной мощностями и сравнить его с значением, установленным пользователем, таким образом подстраивать мощность источника накачки.

3. Цепь мониторинга и контроля мощности накачки. Фото-детектор, подключенный к источнику накачки и детектирующий мощность сигнала накачки имеет заданный динамический диапазон, его выходной электрический сигнал принимается TIA/Log и пересылается на микропроцессор через ADC№ 2, таким образом осуществляется мониторинг и контроль мощности накачки.

4. Цепь индукции тока смещения. Цепь индукции тока смещения подключена к лазеру накачки, ее функцией является мониторинг и контроль мощности LD.

5. Цепь контроля TEC (Thermo-Electric Cooler). Данная цепь устанавливает температуру LD и обеспечивает его стабильность.

Вывод

Поскольку рамановский спектр не привязан к фиксированным энергетическим уровням, как в случае редкоземельных элементов, таких как эрбий, он может быть получен на любой длине волны в инфракрасной области, если имеется источник необходимого возбуждающего излучения. Эта особенность позволяет применять рамановские усилители во всем диапазоне передачи кремниевых волоконно-оптических кабелей.

Поскольку для усилителей, в которых используется рамановский эффект, требуются повышенные мощности возбуждающего излучения (порядка одного ватта) и отрезки световодного кабеля большей длины, их стоимость по сравнению с усилителями EDFA оказывается более высокой. Тем не менее, их главным достоинством является способность обеспечить усиление оптических сигналов во всем диапазоне возможных частот передачи при использовании волоконно-оптических кабелей с низкими потерями, и поэтому на них может быть построена технология кремниевых усилителей, альтернативных PDFA или халькогенидным волоконно-оптическим усилителям в диапазоне 1,3 мкм. Благодаря недавним усовершенствованиям технологии получения «активных» волокон использование некоторых из них позволило получить усиление по мощности, достигающее примерно 0,06 дБ/мВт, что, будучи само по себе незначительной величиной по сравнению с известными величинами для EDFA (11 дБ/мВт), тем не менее представляет собой вполне разумную альтернативу при передаче данных в «не-эрбиевых» диапазонах длин волн. На сегодняшний день усиление на основе эффекта Рамана играет важную роль в системах сверхдальней связи, которые расширили возможности передачи на дальние расстояния с 500 км между соседними повторителями до 1500 км и более.

Рамановское усиление предлагает большие перспективы в большом усилении, большой мощности насыщении и нечувствительности к поляризации в оптоволоконных устройствах, вместе с ровной характеристикой усиления и относительно широкой полосой пропускания. Эти свойства делают его идеальным для использования в высокоскоростных системах передачи WDM.