Проектирование рамановского усилителя
Рамановский волоконно-оптический усилитель используется в волоконно-оптических системах передачи информации для решения задач усиления излучения среднего ИК диапазона и увеличения полосы пропускания. Принцип работы основан на комбинационном рассеянии - распределенном нелинейном эффекте, возникающим по длине оптического волокна, в результате взаимодействия между световым излучением (сигнал накачки) и флуктуациями поляризации среды, вызванными колебаниями заряженных частиц. Такое взаимодействие приводит к обмену энергией между световой волной и средой и к возникновению (генерации) или усилению рассеянных световых волн.
Стимулированное Рамановское рассеяние (SRS - Stimulated Raman Scattering) является частотно зависимым и более выражено проявляется в коротковолновой области (на более высоких частотах). На рис. 1 представлен типовой спектр 6-ти канальной DWDM системы (1550 нм) на входе ВОЛС, а рис. 2 иллюстрирует эффект Рамановского рассеяния. Длинноволновые каналы имеют много большую амплитуду, в сравнении с коротковолновыми каналы, что говорит об изменении амплитуд сигналов по каждому из каналов. При этом длинноволновый каналы (низкочастотные) менее подвержены затуханию, чем коротковолновые.
Явление SRS проявляется в том, что оптический сигнал рассеивается и смещается в область более длинных волн (рис. 3). При SRS спектр стимулированного излучения широкий (~ 7 ТГц) и смещен в длинноволновую сторону на величину порядка 10…13 ТГц.
- SRS наблюдается как для встречных волн (Стоксово излучение с уровнем порядка -50…-60 dB относительно интенсивности исходного излучения), так и для сонаправленных волн (антистоксово излучение с уровнем порядка -70…-80 dB относительно основной волны). Стоксовая и антистоксовая волны располагаются частотно симметрично относительно основной передаваемой частоты излучения.
- Пороговая мощность SRS довольно высока и рассчитывается по формуле:
где: KSRS – числовое значение, зависящее как от поляризационного состояния волны, так и еще от ряда факторов. Минимальное значение составляет 1. Типовое значение для большинства практических приложений KSRS = 2.
gR ≈ 4,2·10-14 м/Вт – SRS усилительный коэффициент;
Аэфф - эффективная площадь ядра ОВ в м2;
Lэфф – эффективная длина ОВ, определяемая из выражения:
График зависимости Lэфф от физической длины ОВ при разных значениях его погонных потерь α представлен на рис.4.
Рамановские усилители перспективны как для применения в научных исследованиях, так и в волоконно-оптических системах связи в силу их следующих принципиальных преимуществ перед эрбиевыми усилителями:
- широкая полоса усиления
- излучение может усиливаться в любом волокне, в том числе в пассивном, которое используется для передачи сигнала
- спектр усиления зависит от спектра длины волны накачки, благодаря чему можно формировать очень широкую (более 100 нм) полосу усиления
- низкий уровень шумов
- длинные участки волокна и более высокая скорость передачи сигнала
В зависимости от поставленной задачи, схема волоконного рамановского усилителя может быть реализована различными способами. Некоторые схемы отводят оставшуюся накачку через WDM-спектральные уплотнители или используются двухкаскадные схемы усиления. ВКР усилители все чаще используются в системах передачи данных, благодаря разнообразной и теперь все более доступной компонентной базе и, конечно, благодаря преимуществам, описанным выше.
- Излучение основного сигнала через циркулятор попадает в каскад усиления.
- Накачка осуществляется на длинах волн 1427 и 1462нм. Диоды компании Furukawa сделаны специально для ВКР усиления. Серия FOL14xx предлагает любые длины волн в диапазоне от 1400 до 1500нм и выходную мощность до 600мВт, а также встроенную стабилизацию по длине волны, термо-электрический контроллер и изолятор для защиты от обратного излучения.
- Дополнительно для защиты от обратного излучения диоды накачки защищены изолятором на диапазон длин волн 1445±20нм. Можно также использовать один изолятор, но большей мощности (~2Вт).
- Излучение накачки проходит через поляризационный объединитель и спектральный уплотнитель, и попадает в усилительный каскад. Здесь мы предлагаем использовать специальное волокно от компании OFS с уменьшенным диаметром поля моды, что позволяет достичь порога развития ВКР на меньшей мощности и меньшей длине волокна.
- Отражающая решетка может быть сделана, как для одной длины волны (например, 1550нм) так и для всего диапазона полезного сигнала(C+L) в зависимости от конкретной задачи.
- Усиленный сигнал возвращается в спектральный уплотнитель и, благодаря, его селективности (например, по каналам 1430±1460, 1530~1560/1420~1470) полезное излучение отводится обратно в циркулятор, а остаточное излучение накачки рассеивается на разветвителе (необходима допустимая мощность от 2 Вт) и изоляторах.
Лазерные диоды накачки
Пассивные волоконные компоненты
Также для сборки схемы Рамановского усилителя требуется нелинейное волокно и стандартное одномодовое волокно SMF-28