Оптоволоконные сети и технология DWDM, страница 10

Технические параметры EDFA

Ниже определяются ключевые параметры, характеризующие EDFA: мощность насыщения, коэффициент усиления, мощность усиленного спонтанного излучения и шум-фактор.

Мощность насыщения (saturation output power) - определяет максимальную выходную мощность усилителя. Большее значение мощности позволяет увеличивать расстояние безретрансляционного участка. Этот параметр варьируется в зависимости от модели оптического усилителя. У мощных EDFA он может превосходить 36 дБм (4 Вт).

Коэффициент усиления (gain) определяется из соотношения

, (1)

где и - мощности (полезных) сигналов на входе и выходе усилителя, а логарифмический эквивалент определяется по формуле (дБ). Величина коэффициента усиления зависит от входной мощности и стремиться к своему максимальному пределу по мере уменьшения мощности входного сигнала. Например, для лазеров EAU-200/350, выпускаемых IRE POLUSE-GROUP, предельное значение коэффициента усиления составляет 42 дБ (табл. 3).

Мощность усиленного спонтанного излучения ASE (amplified spontaneous emission). В отсутствии входного сигнала EDFA является источником спонтанного излучения фотонов. Спектр излучения зависит от формы энергетической зоны атомов эрбия и от статистического распределения заселенностей уровней зоны. Спонтанно образованные фотоны, распространяясь по волокну а активной зоне усилителя EDFA, тиражируются, в результате чего создаются вторичные фотоны на той же длине волны, с той же фазой, поляризацией и направлением распространения. Результирующий спектр спонтанных фотонов называется усиленным спонтанным излучение, (рис. 4). Его мощность нормируется в расчете на 1 Гц и имеет размерность Вт/Гц. Если на вход усилителя подается сигнал, от лазера, то определенная доля энергетических переходов, ранее работавшая на усиленное спонтанное излучение, начинает происходить под действием сигнала от лазера, усиливая входной сигнал. Таким образом происходит не только усиление полезного входного сигнала, но и ослабление ASE, (рис. 4). При подаче на вход мультиплексного сигнала происходит дальнейший отток мощности от ASE в пользу усиливаемых мультиплексных каналов. Обычно усилители работают в режиме насыщения по отношению к сигналу на выходе. Это создает естественное выравнивание уровней сигналов в каналах, что крайне желательно особенно для протяженных линиях с большим числом последовательных усилителей. Если лазер, предшествующий усилителю, генерирует излучение в спектральном окне (, где - скорость света), и соответственно в этом же окне пропускает сигнал фильтр в приемном оптоэлектронном модуле, то вклад в мощность шума на выходе благодаря усиленному спонтанному излучению будет равен .Таким образом, оптические линии с каскадом EDFA проявляют себя лучше, когда мультиплексный сигнал представлен более узкими в спектральном отношении отдельными каналами. Использование узкополосных фильтров непосредственно перед приемным оптоэлектронным модулем, настроенных на рабочую длину волны, также помогает уменьшить уровень шума от усиленного спонтанного излучения.

Большие собственные временные постоянные EDFA - постоянная времени перехода в метастабильное состояние ~1 мкс, время жизни метастабильного состояния ~10 мкс - устраняют кросс-модуляцию ASE в усилителе и делает более стабильной работу каскада оптических усилителей. Мощность усиленного спонтанного излучения связана к коэффициентом усиления формулой

, (2)

где - постоянная планка, равная 6,6252 x 10^-34 Вт*с² , - частота (Гц), соответствующая длине волны из диапазона 1530-1560 нм ( , - скорость света, равная 2.9979 x 10⁸ м/с), - коэффициент спонтанной эмиссии, - квантовая эффективность. В идеальном случае при отнесенная ко входу мощность усиленного спонтанного излучения идеального квантового усилителя просто равна , что при = 1550 нм составляет 1.28 x 10^-19 Вт/Гц в расчете на спектральную полосу 1 Гц. Размеру окна анализатора в 0,8 нм соответствует спектральное окно в 100 ГГц, что определяет приведенную к входу величину эффективной мощности усиленного спонтанного излучения 1.28 x 10^-8 Вт или -48,9 дБм).

Шум-фактор (noise figure) определяется как отношение сигнал/шум на входе () к отношению сигнал/шум на выходе ():

, (3)

Важно отметить, что мощность шума на входе является квантово-ограниченной минимальной величиной и определяется нулевыми флуктуациями вакуума .Мощность шума на выходе состоит из суммы мощности усиленного спонтанного излучения и мощности шума нулевых флуктуаций вакуума, которые проходят через усилитель без изменения: .Если учесть, что , то шум-фактор можно выразить через коэффициент усиления и мощность усиленного спонтанного излучения:

, (4)

Часто при описании EDFA значение шум-фактора указывается в дБ: . Минимальный шум-фактор равен 1 (0 дБ) и достигается при или при . Это означает, что усилитель вносит минимальный шум, равный шуму идеального оптического усилителя. На практике сразу на 3 дБ () необходимо увеличить , так как существует два направления поляризации (две моды), в связи с чем , а типичные значения составляют 5,5 дБ.

Чем ближе к 1 значение шум-фактора, тем меньше дополнительный шум вносит усилитель. В тоже время при использовании каскада из нескольких усилителей полный шум-фактор возрастает. Найдем полный шум-фактор двух усилителей, характеризующихся соответственно усилением и и шум-факторами и . Шум на выходе после двух каскадов записывается в виде

, (5)

где учтен квантовый шум вакуума, который возникает только на выходе цепочки усилителей, а сигнал на выходе

, (6)

откуда полный шум-фактор равен

. (7)

Как и в случае радиочастотных усилителей, лучший способ получения устройства с низкошумящими характеристиками состоит в использовании низкошумящего усилителя с бу льшим усилением в качестве первого каскада и шумящего усилителя высокой мощности в качестве второго каскада. Первый каскад определяет также шумовую характеристику многокаскадного усилителя.

Экспериментальное измерение шум-фактора основывается на использовании формулы (4), где и рассчитываются экспериментально. На рис. 5 показана схема экспериментальной установки.

Практическое значение имеет мощность усиленного спонтанного излучения, когда на вход EFDA подается полезный сигнал. По этому, измерять ASE следует именно при наличии такого сигнала. Анализатором измеряется мощность в окне (например, 100 МГц, 50 МГц или меньше) и приводится к 1 Гц. Поскольку выходной сигнал - линейно поляризован (поляризация его совпадает с поляризацией сигнала на входе от лазера), то поляризатор может полностью устранить эту компоненту полезного сигнал, пропуская шум только с нормальной поляризацией, которая измеряется экспериментально (первое измерение). Шум в отличии от полезного сигнала - не поляризован, т. е. . Полный шум учитывает вклады от двух нормальных поляризаций. Полезный сигнал вычисляется по формуле . Измерение - полного выходного сигнала - происходит, когда ось поляризатора совпадает с направлением линейной поляризации полезного сигнала (второе измерение). Затем при помощи анализатора непосредственно измеряется мощность сигнала на входе , то есть сигнал в отсутствии усилителя (третье измерение). Теперь по формуле (9) можно определить коэффициент усиления .

Для справки в табл. 3 приведены технические характеристики двух промышленных моделей оптических усилителей EDFA, выпускаемых институтом Радиоэлектроники РАН (г. Фрязино), совместно с зарубежными компаниями IPG Laser, IP Fibre Devices и IPC - группа IRE-POLUS.