Меню

Мощность насыщения усилителя это

П1.2 Технические параметры оптических усилителей

date image2015-05-10
views image2832

facebook icon vkontakte icon twitter icon odnoklasniki icon

Ключевые параметры, характеризующие оптический усилитель на основе волокна, легированого эрбием: рабочий диапазон, коэффициент усиления, мощность насыщения, мощность усиленного спонтанного излучения и шум-фактор.

Коэффициент усиления G (gain) – одна из самых важных измеряемых характеристик оптического усилителя определяется из соотношения

где и — мощности информационных сигналов на входе и выходе усилителя. Логарифмический эквивалент определяется по формуле

Коэффициент усиления зависит от множества параметров, которые по отдельности или вместе, могут влиять на эффективность усилителя. Коэффициент усиления зависит от длины волны сигнала, состояния поляризации на входе и мощности сигнала. Коэффициент усиления оптического усилителя в значительной степени зависит от уровня входного сигнала. Обычно усилитель хорошо усиливает слабые входные сигналы (например, типичный коэффициент усиления >30 дБ для предусилителя EDFA достигается при входном сигнале

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).

Рисунок П3. Зависимость уровня усиления от мощности сигнала на входе

Шумовые характеристики усилителя определяются мощностью усиленного спонтанного излучения PASE. 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 в 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 (см. рисунок 3.5). 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 РASE. (см. рисунок П4).

При подаче на вход мультиплексного сигнала происходит дальнейший отток мощности от РASE 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 с — 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

Рисунок П4 Спектр на выходе EDFA

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

где h — постоянная планка, равная 6,6252×10 -34 Вт×с 2 , — частота (Гц), соответствующая длине волны из диапазона 1530-1560 нм, — 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.

Читайте также:  Eve разъем малой мощности

Шум-фактор NF (noise figure) характеризует ухудшение отношения сигнал/шум после прохождения сигнала через оптический усилитель и определяется как отношение сигнал/шум на входе ( ) к отношению сигнал/шум на выходе ( ):

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:

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 идеального EDFA составляет 3 дБ ( ), так как существует два направления поляризации (две моды), в связи с чем , а типичные значения составляют 5¸6 дБ.

При использовании каскада из нескольких усилителей полный шум-фактор возрастает. Полный шум-фактор NF двух усилителей, характеризующихся соответственно усилением и , и шум-факторами и . Тогда полный шум-фактор записывается в виде

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

Для ВОСП-СР также важна такие характеристики оптического усилителя как ширина полосы усиления и равномерность коэффициента усиления во всей полосе (плоскостность спектральной характеристики). Равномерность коэффициента усиления определяется максимальным разбросом коэффициента усиления различных каналов при одной и той же входной мощности. Требование к равномерности спектра усиления обусловлено необходимостью иметь одинаковое усиление сигнала в каждом спектральном канале. Как правило, ни один из усилителей не имеет плоской спектральной характеристики, поэтому выравнивание спектра усиления осуществляется оптическими фильтрами различных типов. В основном усилители, применяемые в системах со спектральном уплотнением, имеют неравномерность коэффициента усиления в пределах не более нескольких дБ во всей полосе усиления.

При проектировании ВОЛП с оптическими усилителями необходимо определить и учесть зависимость коэффициента усиления усилителя EDFA от длины волны, особенно в случае передачи отдельных каналов через несколько усилителей. Кроме этого, накопление шумов за счет проявления шум-фактора в нескольких последовательно расположенных в линии связи усилителях EDFA может привести к невосстановимому разрушению оптического сигнала. Точный учет шум-фактора усилителей необходим для определения предельного числа каскадов усиления, а, следовательно, и максимальной длины линии связи.

Источник



7.2 ПАРАМЕТРЫ УСИЛИТЕЛЕЙ

Мощность насыщения. Мощность насыщения Рвых.нас. определяет максимальную выходную мощность усилителя. Большое значение мощности позволяет увеличивать расстояние безретрансляционного участка. Этот параметр варьируется в зависимости от модели оптического усилителя. У мощных EDFA он может превосходить 4Вт.
Коэффициент усиления. Коэффициент усиления G определяется из соотношения

где Рс.вх. и Рс.вых. – мощности (полезных) сигналов на входе и выходе усилителя, а логарифмический эквивалент определяется в децибелах по формуле

Величина коэффициента усиления зависит от входной мощности и стремится к своему максимальному пределу по мере уменьшения мощности входного сигнала. Для некоторых типов усилителей предельное значение коэффициента усиления достигает 42 дБ.
Мощность усиленного спонтанного излучения. В отсутствии входного сигнала EDFA является источником спонтанного излучения фотонов. Спектр излучения зависит от формы энергетической зоны атомов эрбия и от распределения заселённости уровней зоны. Спонтанно образованные фотоны, распространяясь по волокну в активной зоне усилителя EDFA размножаются, в результате чего создаются вторичные фотоны на той же длине волны, с той же фазой, поляризацией и направлением распространения. Так возникает усиленное шумовое спонтанное излучение.
Шум-фактор. Шум-фактор определяется как отношение сигнал/шум на входе к отношению сигнал/шум на выходе:

Читайте также:  Хватает ли дастеру мощности

Лучший способ получения устройства с низкошумящими характеристиками, как и в случае радиочастотных усилителей, состоит в использовании малошумящего усилителя с большим усилением в первом каскаде и шумящего усилителя большой мощности во втором каскаде. Первый каскад определяет также шумовую характеристику многокаскадного усилителя.

Источник

Основные параметры оптических усилителей

Оптические усилители можно рассматривать в тех же терминах и используя те же параметры, что и электронные усилители:

  • коэффициент усиления
  • уровень (коэффициент) шума
  • динамический диапазон
  • амплитудно-фазовую характеристику (АФХ)

Однако они имеют и свои (для ряда применений существенные) параметры:

  • коэффициент усиления среды
  • мощность насыщения
  • усиленное спонтанное излучение (УСИ)
  • чувствительность к поляризации сигнала
  • амплитудно-волновую характеристику (АВХ)

В общем случае коэффициент усиления оптического усилителя для одного сигнала на центральной частоте имеет вид:

где и — мощности оптического сигнала на входе и выходе усилителя, измеренные на рабочей угловой частоте (или соответствующей длине волны) при малом уровне входного сигнала, гарантирующем отсутствие насыщения выходного сигнала.

Основным активным агентом оптических усилителей является фотон, следовательно, идеальный оптический усилитель с коэффициентом усиления K должен синфазно генерировать на выходе ровно K фотонов на каждый фотон, попавший на его вход. То есть оптический усилитель должен пропорционально усиливать интенсивность входного оптического сигнала, оставляя его форму неизменной, независимо от его интенсивности, длины волны, состояния поляризации, формы отображаемой двоичной последовательности. Фактически же указанные факторы, а также ряд других факторов влияют на АФХ усилительной (или активной) среды g(w) или ее частотный спектр, а затем уже на АФХ собственно ОУ.

Коэффициент усиления среды и усилителя

Практика показывает, что большенство оптических усилительных (активных) сред можно рассматривать как однородную распределенную двухуровневую среду, для которой коэффициент усиления среды на единицу длины может быть описан выражением вида [1]:

Мощность насыщения

Аналогично электронным усилителям модуль усиления ОУ зависит от уровня входного сигнала. До определенного (малого) уровня входной мощности усиление практически постоянно, зятем оно начинает экспоненциально падать (см. рис. 3) с ростом уровня входной мощности. Этот «падающий» участок характеристики является областью насыщения усилителя и объясняется уменьшением коэффициента размножения, вызванным возрастающим с ростом входного сигнала дефицитом частиц, которые способны генерировать вторичные фотоны, на том уровне, где создается инверсия населенности. Эта область численно характеризуется мощностью насыщения Рн на выходе усилителя, определяемой по выходной характеристике на уровне -3 дБм, при котором коэффициент усиления среды g(w) падает в два раза.

Рис. 3 Зависимость коэффициента усиления от выходной мощности и определение мощности насыщения

Амплитудно-фазовая характеристика ОУ зависит от ряда специфических для ОУ параметров, влияние основных из них оценены ниже.

Рис. 4 Вид нормированных АФХ коэффициентов усиления среды и ОУ в целом

Влияние насыщения на АФХ

Оно обусловлено третьим слагаемым в выражении [1], которое может приводить к существенному снижению усиления среды в целом, даже в области, казалось бы, далекой от насыщения. Являясь ограничительным фактором, насыщение может играть и регулирующую роль в стабилизации общего коэффициента усиления при каскадном соединении многих усилителей в линии связи, что имеет место, например, на трансокеанских линиях связи.

Влияние времени релаксации диполей на АФХ

Из выражения [1] видно, что АФХ определяется двумя слагаемыми в знаменателе. Если принимать во внимание зависимость от частоты только второго слагаемого, то грубо, в первом приближении, ее можно аппроксимировать профилем Лоренца (см. рис. 4). Тогда, используя его, можно получить, что полная ширина спектра на уровне половины от максимума (FWHM) обратно пропорциональна:

Влияние длины активной (усиливающей) среды

Мощность усиливаемого оптического сигнала зависит от длины участка среды L от точки входа потока сигнала в усилитель до его выхода. Учитывая это, АФХ усилителя при условии постоянного коэффициента усиления среды g(w) будет иметь вид [2]:

Учитывая экспоненциальный характер этой зависимости, можно констатировать, что спектр G(w) усилителя будет существенно уже спектра g(w) среды, что и видно на рис. 4 , где приведены нормированные характеристики G(w) и g(w) в зависимости от расстройки (w — w 0 ) .

Чувствительность усиления к поляризации сигнала

Еще одним ограничивающим коэффициент усиления G фактором является чувствительность усиления ОУ к поляризации усиливаемого сигнала, когда усиление может меняться, и иногда значительно, в зависимости от поляризации. Ситуация ухудшается в ВОЛС , учитывая, что в них состояние поляризации сигнала не только не контролируется, но в волокне, даже одномодовом, может хаотически меняться под действием случайных изменений формы сердцевины и анизотропии, вызванной статическим напряжением отрезка оптоволокна (эффекты, известные, применительно к одномодовому ОВ, как модовое двойное лучепреломление). Аналогично страдают и системы с WDM, в которых степень поляризации входных сигналов может быть различной.

Изменение поляризации приводит к паразитной амплитудной модуляции (ПАМ) усиления, которая может носить периодический характер (как, например, для усилителей бегущей волны). Степень такой чувствительности зависит от типа ОУ.

Источники шума и динамический диапазон

Динамический диапазон определяется как диапазон входной мощности оптического сигнала, при котором коэффициент усиления G остается постоянным. Он тесно связан с другим параметром — коэффициентом шума, зависящим от уровня усиленного спонтанного излучения, остаточного сигнала накачки и перекрестной помехи, которые кратко рассмотрены ниже.

Усиленное спонтанное излучение

Оптические усилители добавляют шум к усиливаему оптическому сигналу. Этот шум обусловлен усиленным спонтанным излучением. Оно возникает под действием случайных возмущающих факторов различной физической природы, вызывающих спонтанное излучение, например нагрева усилителя (тепловые фотоны), а также за счет наличия рассеянных фотонов. Шум приводит не только к уменьшению динамического диапазона, но и к снижению максимально допустимого усиления. Уменьшение динамического диапазона обычно характеризуется известным параметром F — коэффициентом шума:

где и значения динамического диапазона на входе и выходе усилителя.

Оценка этого параметра оптических усилителей осуществляется на «электрическом уровне» путем преобразования оптического сигнала в электрический с помощью фотодетектора. Для уменьшения коэффициента шума, вызванного УСИ, сигнал на выходе ОУ фильтруют с помощью полосового оптического фильтра — ПОФ.

Остаточный сигнал накачки

Существует и еще один специфический источник шума в усилителях с накачкой — остаточный сигнал накачки на выходе усилителя, влияние которого (на передатчик или детектор в системе связи) может быть уменьшено как с помощью фильтра на выходе ОУ, так и путем соответствующего выбора частоты источника накачки.

Перекрестные помехи

Этот вид помех характерен для многоканальных усилителей в системах WDM. Он проявляется как паразитные амплитудная или частотная модуляции сигнала одного канала другими сигналами. Назад Содержание Вперед

Источник