Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Волоконные ВКР-усилители оптического сигнала
1. ВКР в оптических волокнах 10
2. Использование ВКР для усиления оптического сигнала 28
Глава 2. Разработка и исследование новых схем накачки волоконных ВКР-усилителей .
3. Численная модель 36
4. ВКР-усилители с трехволновой схемой излучения накачки 42
5. ВКР-усилители с непрерывным спектром излучения накачки 48
6. Комбинированные ВКР-усилители с использованием широкополосных источников излучения накачки 55
7. Сравнение разработанных схем накачки волоконных ВКР-усилителей 64
Глава 3. Моделирование и экспериментальное исследование ВКР-усилителя с уширенным излучением накачки за счет эффекта модуляционной неустойчивости .
8. Предпосышш для исследования ВКР-усилителей со спектрально-уширеииой накачкой 67
9. Эффект модуляционной неустойчивости в оптических волокнах 70
10. Экспериментальное и численное исследование ВКР-усилителя с использованием эффекта модуляционной неустойчивости 78
11. Обсуждение результатов 88
Заключение 90
Список литературы 95
- Использование ВКР для усиления оптического сигнала
- Комбинированные ВКР-усилители с использованием широкополосных источников излучения накачки
- Сравнение разработанных схем накачки волоконных ВКР-усилителей
- Экспериментальное и численное исследование ВКР-усилителя с использованием эффекта модуляционной неустойчивости
Введение к работе
Волоконная оптика является одним из самых быстро развивающихся направлений современной лазерной физики. Успехи этого направления связаны с проведением широких комплексных фундаментальных исследований, которые обеспечили не только создание волоконных световодов с предельно низкими потерями, но и уникальных источников когерентного излучения в необходимом спектральном диапазоне.
С момента внедрения в системах связи в начале 70-х годов, оптические волокна стали незаменимым средством передачи оптического сигнала. Основываясь на физическом принципе полного внутреннего отражения света, оптический сигнал в волокнах способен распространяться на десятки километров, а при периодическом оптическом усилении энергии сигнала - на сотни километров, что сделало возможным создание трансатлантических систем оптической связи. За последние 90 лет информационная емкость линий связи возросла на пять порядков, начиная с первых телефонных линий, скорость передачи информации которых составляла 1 бит/с. Примерно такой же рост отмечен и за последние 20 лет - достигнута скорость порядка 1 Тбит/с [1]. Мировое производство волоконных световодов в настоящее время составляет 60 млн. км/год.
Требование увеличения скорости передачи и обработки информации ставит на повестку дня необходимость создания оптических каналов передачи информации со спектральным уплотнением. Следовательно, дальнейшее развитие невозможно без детальных фундаментальных исследований в области- разработки новых элементов систем связи: волоконных световодов, высокоэффективных источников оптического излучения и оптических усилителей.
Именно разработка широкополосных оптических усилителей привела к созданию в конце 90-х годов экспериментальных волоконно-оптических систем связи со спектральным уплотнением 100 и более каналов, что позволило достичь суммарной скорости передачи информации более 1 Тбит/с. Всего же в 90-е годы проложено более 350 тыс. км волоконно-оптического кабеля, он связывает более 70 стран мира. Очевидно, что в ближайшие годы волоконно-оптические системы со скоростями передачи информации >1 Тбит/с найдуг широкое коммерческое применение, и в дальнейшем скорость передачи данных будет расти в соответствии с растущими потребностями пользователей. На сегодняшний день очевидным направлением развития существующих технологий спектрального уплотнения каналов излучения является расширение спектральной полосы передачи информации.
К настоящему моменту в волоконных линиях связи существует три типа усилителей оптического сигнала: полупроводниковые, волоконные эрбиевые и ВКР-усилители (рамановские усилители). Полупроводниковые усилители пока не используются в системах со спектральным уплотнением каналов в силу их быстрой динамики усиления, приводящей к перекрестным помехам между различными спектральными каналами, а так же высоким уровнем шумов. Широко распространены эрбиевые волоконные усилители, полная спектральная полоса усиления которых составляет около 80 нм, что обеспечивает усиления в основном коммуникационном диапазоне 1520-1600 нм, используемом в настоящее время для передачи данных [2].
Кроме ширины полосы усиления важна плоскостность его спектральной характеристики. Это связано с тем, что во всех спектральных каїїалах должно быть одинаковое усиление. Полупроводниковые и эрбиевые усилители не имеют плоской спектральной характеристики усиления вследствие зависимости контура усиления от свойств усиливающей среды, поэтому выравнивание спектра усиления осуществляется оптическими фильтрами различных типов. Это неизменно приводит к оптическим потерям и, следовательно, к уменьшению КПД всей системы.
По сравнению с предыдущими типами усилителей, ВКР-усилители перспективны в силу следующих принципиальных преимуществ: принципиальная возможность усиления практически па любой длине волны, зависящей только от доступности источников накачки в заданном спектральном диапазоне; в качестве их активной среды может использоваться сам волоконный световод, используемый для передачи оптического сигнала; спектр их усиления зависит от спектра накачки, поэтому подбор формы спектра полихроматичной накачки позволяет формировать очень широкую (более 100 нм) полосу усиления с низкой неравномерностью контура усиления; низкий уровень шумов.
Основной же их недостаток - относительно невысокая эффективность усиления, приводящая к необходимости использовать довольно мощную непрерывную накачку (~1 Вт), чтобы получать усиление около 30 дБ (типичная величина для систем оптической связи). Однако в последнее время разработаны высокоэффективные волоконные ВКР-лазеры, генерирующие практически на любой длине волны в диапазоне 1.2—1.5 мкм [3, 4], а также усилители данного типа, использующие специальные волоконные световоды с большим содержанием германия и низкими оптическими потерями [5]. Кроме того, стоит отметить еще одно не менее важное свойство ВКР-усиления - распределенность усиления при встречной накачке [6-8], когда излучение накачки распространяется навстречу сигналу. В этом случае удается достичь наиболее равномерного распределения мощности сигнала вдоль направления распространения, при этом энергия сигнала не опускается до уровня шумовых компонент, и в то же время, не достигает уровня энергии, при котором происходит нелинейное взаимодействие между различными спектральными компонентами сигнала. В усилителях точечного типа, которыми являются полупроводниковые и эрбиевые усилители, такая возможность исключена.
Таким образом, волоконные ВКР-усилители являются перспективным инструментом для усиления оптического сигнала в высокоскоростных системах оптической связи, использующих спектральное уплотнение каналов излучения. Оптимизация схем полихроматичной накачки ВКР-усилителей является основной задачей при разработке таких систем, требующей углубленных численных и экспериментальных исследований. На момент начала исследований, изложенных в данной работе, существовало относительно небольшое число публикаций, посвященных этой теме. В основном эти работы были посвящены сравнению экспериментальных и численных результатов по ВКР-усилению слабого сигнала при накачке узкополосными источниками излучения (полупроводниковыми лазерами) [9-Ю]. Методы оптимизации таких схем накачки ВКР-усилителей не имели достаточного освещения в литературе. Кроме того, значительный интерес представлял поиск альтернативных способов накачки ВКР-усилителей, которые могли бы упростить реализацию усилителей за счет уменьшения числа независимых источников излучения накачки при сохранении относительно высокой равномерности соответствующего контура ВКР-усиления.
В связи с этим, было поставлено несколько задач для численного исследования с перспективой последующей экспериментальной реализации и сравнением полученных результатов. План диссертационной работы включал в себя следующие этапы: оптимизация ВКР-усилителя с трехволновой схемой излучения накачки узкополосными источниками излучения в диапазоне 1420-1480 нм суммарной мощностью 1 Вт; поиск оптимальной непрерывной формы спектра излучения полихроматичной накачки ВКР-усилителя, как предельного случая многоволновой накачки, с перспективой получения минимально достижимой неравномерности контура усиления; поиск вариантов реализации непрерывного спектра полихроматичыой накачки ВКР-усилителя и численное исследование эффективности предложенных схем; экспериментальная реализация разработанных схем полихроматичной накачки ВКР-усилителя и последующее сравнение с результатами численных предсказаний, что может позволить сделать вывод о применимости численной модели ВКР-усиления и эффективности предложенных методов оптимизации.
В результате проведенной работы в соответствии с намеченным планом исследований и его поэтапной реализацией, было получено значительное количество результатов, часть из которых были получены впервые и не имели аналогов в отечественной и зарубежной литературе.
В частности, был разработан простой и эффективный метод оптимизации трехволновои схемы излучения накачіш ВКР-усилителя, который позволил минимизировать неравномерность усиления до уровня 1.2 дБ в спектральном диапазоне 1520-1595/1525-1565 нм в зависимости от спектральной схемы накачіш. Проведено численное исследование ВКР-усилителя с непрерывным спектром излучения накачки, позволяющей добиться минимально возможной неравномерности усиления. В результате определена оптимальная форма спектра излучения накачки в диапазоне 1408-1498 нм, при которой неравномерность контура усиления не превышала 0.2 дБ в диапазоне 1520-1598 нм в 100-километровом ВКР-усилителе. В дальнейшем разрабатывались варианты реализации требуемой непрерывной формы спектра накачки, была предложена и численно исследована схема накачки, состоящая из нескольких широкополосных источников излучения, суперпозиция которых обеспечивает форму спектра, наиболее близкую к требуемой. В результате было определено, что суперпозиция четырех широкополосных источников излучения накачки в спектральной полосе 1408-1498 нм позволяет получить неравномерность контура усиления не превышающую 0.2 дБ в диапазоне 1522-1596 нм в 100-километровом ВКР-усилителе. Продолжением этих исследований являлась экспериментальная реализация ВКР-усилителя с накачкой широкополосными источниками излучения накачки, при этом уширение спектра излучения непрерывной накачки осуществлялось в дополнительных участках волоконных световодов со специально подобранными параметрами за счет эффекта модуляционной неустойчивости и других нелинейных эффектов.
В заключении, в соответствии с вышесказанным, защищаемые положения диссертационной работы могут быть сформулированы следующим образом:
Разработанный метод оптимизации трехволновой схемы встречной накачки оптоволоконного ВКР-усилителя позволяет минимизировать неравномерность усиления в заданной спектральной области. Достижение наименьшей неравномерности усиления осуществляется как вариацией спектрального положения линий излучения накачки, так и изменением соотношения мощностей излучения накачки на разных линиях. Выбор схемы накачки позволяет варьировать ширину полосы усиления и среднее значение усиления.
Предложенный метод оптимизации формы непрерывного спеїсгра встречной накачки оптоволоконного ВКР-усилителя позволяет минимизировать неравномерность усиления в расширенном спектральном диапазоне.
Непрерывный спектр излучения накачки оптоволоконного ВКР-усилителя аппроксимируется с помощью четырех источников излучения с ширинами линий 5-20 нм. Найденные оптимальные схемы четырехволновой встречной накачки обеспечивают наилучшую равномерность усиления в широкой спектральной области.
Разработанный и созданный оптоволоконный ВКР-усилитель с двухволновой встречной накачкой со спектрально уширенными линиями излучения обеспечивает двукратное уменьшение неравномерности усиления в заданном спектральном диапазоне по сравнению с аналогичной схемой накачки, использующей более узкие линии излучения.
Результаты диссертации опубликованы в следующих работах:
СМ. Кобцев, А.А. Пустовских. "Волоконный рамаыовский усилитель с непрерывным спектром излучения накачки", Квантовая электроника, 2004, т. 34, N6, с. 575-578.
СМ. Кобцев, А.А. Пустовских. "Сглаживание контура ВКР-усиления при использовании источников излучения накачки с разными спектральными ширинами линий", Квантовая электроника, 2004, т. 34, N11, с. 1054-1056. S.M. Kobtsev, А.А. Pustovskikh. "Improvement of Raman amplifier gain flatness by broadband pumping sources", Laser Physics, 2004, v. 14, N12, pp. 1488-1492. T.J.EUingham, J.DЛпіа-Castanon, S.K. Turitsyn, A.A. Pustovskikh, S.M. Kobtsev, M.P. Fedoruk. "Dual-pump Raman amplification with increased flatness using modulation instability", Optics Express, 2005, vol. 13, N 4, pp. 1079-1084. S.M. Kobtsev, S.V. Kukarin, A.A. Pustovsldldi, N.V. Fateev. "Stimulated Raman scattering in lengthy AHWave fiber with Nd:YAG laser pumping", IOEC/LAT-2002 Conference, June 2002, Moscow. IQEC 2002 Tech. Digest, p. 317, QTuO!3. J.D. Ania-Castanon, S.M. Kobtsev, A.A. Pustovsldldi, S.K. Turitsyn. "Simple design method for gain-flattened three-pump Raman amplifiers", Lasers and Electro-Optics Society, 2002, Glasgow, Scotland. LEOS 2002, Tech. Prog., WQ4. The 15th Annual Meeting of the IEEE, v. 2, 10-14 Nov. 2002, v. 2, pp. 500-501.
I. S.M. Kobtsev, A.A. Pustovskikh. "Low gain ripple broadband Raman amplifier with continuous-spectrum pump", CLEO/Europe-2003, Munich, Germany, CL6-2-FRI. Lasers and Electro-Optics Europe, 2003, 22-27 June 2003, Proc. Conf,p. 630. S.M. Kobtsev, A.A. Pustovsldldi. "Gain-flattened Raman amplifier with broad-linewidth pumps approximating continuous-spectrum pump", The 5th Pacific Rim Conference "Lasers and Electro-Optics, 2003". CLEO/Pacific Run 2003, Taipei, Taiwan, 15-19 Dec. 2003, THP-(8)-12. Proc. Conf, v. 2, p. 570. T.J. EUmgham, A.A. Pustovsldldi, J.D. Ania-Castanon, M.P. Fedoruk, S.M. Kobtsev, S.K. Turitsyn. "Raman amplifier with increased flatness using modulation instability", 30th European Conference on Optical Communication, September 5-9, 2004, Stockholm, Sweden. ECOC-2004 Prog., Wei.3.4., p. 40. S.M. Kobtsev, A.A. Pustovskikh, S.V. Smimov. "Wide-spectrum supercontinuum generation in fibers with CW pump", ICONO/LAT-2005, May 11-15, 2005, St. Petersburg, Russia. ICONO/LAT-2005 Tech. Digest, IThS43.
II. T.J. Ellingham, J.D. Ania-Castanon, A.A. Pustovsldldi, M.P. Fedoruk, S.M. Kobtsev, S.K. Turitsyn. "Dual-pump Raman amplification with enhanced flatness using modulation instability", CLEO/Europe-2005, Munich, Germany, CD7-4-TUE. Lasers and Electro-Optics Europe, 2005, 12-17 June 2005.
Использование ВКР для усиления оптического сигнала
В предыдущем параграфе было показано, что вынужденное комбинационное рассеяние (ВКР) позволяет использовать волоконные световоды в качестве широкополосных усилителей оптического сигнала. Это становится особенно важным в связи с возрастающими потребностями в пропускной способности оптических коммуникационных систем. Основная задача в этом направлении состоит в максимально эффективном использовании доступного коммуникационного окна в области 1.55 мкм (а это область спектральной шириной около 100 нм, что соответствует около 12-13 ТГц). При скорости передачи данных внутри одного канала 40 Гбит/с, соотношение неопределенностей позволяет определить минимально возможное спектральное расстояние между несущими частотами сигнала, которое составляет 40 ГТц. Это означает, что внутри коммуникационного окна гипотетически можно разместить 375 независимых спектральных каналов излучения. Однако нелинейные эффекты в оптических волокнах ограничивают максимально возможное число каналов до уровня около 150 каналов с 100-ГГц спектральным интервалом между ними. Это в перспективе позволяет рассчитывать на достижение пропускной способности на уровне 6 Тбит/с. В настоящее время уже существуют экспериментальные образцы реализаций систем оптической связи с близкими параметрами [25-27].
Использование такого широкого спектрального диапазона для передачи оптических данных при помощи волоконных световодов накладывает особые требования на свойства усилителей сигнала. До недавних пор, наиболее широко используемой технологией в усилении являлись эрбиевые усилители. Однако, типичный диапазон усиления, обеспечиваемый каждым эрбиевым усилителем, составляет только около 20 нм, что обусловлено спектром флуоресценции ионов эрбия (Ег ). Более широкий диапазон усиления может быть получен за счет комбинирования нескольких допирующих элементов, в таком случае расширенный спектральный диапазон усиления достигает 48 им [28]. Чтобы обеспечить усиление во всем коммуникационном диапазоне в области 1.55 мкм, необходимо использовать два типа эрбиевых усилителей, каждый из которых перекрывает свою область спектра, а именно 1525-1562 нм и 1570-1615 нм, соответственно.
Однако последние достижения в технологиях высокоскоростной передачи оптических данных по волоконным световодам предъявляют повышенные требования не только к спектральной ширине полосы усиления оптического сигнала, а так же и к общей стоимости систем усиления, которая может быть значительно оптимизирована за счет увеличения протяженности усиления и уменьшения потерь оптического сигнала.
Этим требованиям вполне соответствуют оптические усилители сигнала, использующие для усиления эффект ВКР (или эффект Рамана), вследствие чего этот новый тип оптических усилителей называется ВКР-усилителями. Усиление сигнала осуществляется за счет материальных свойств обыкновенных кварцевых волоконных световодов. Это означает, что потери энергии при распространении сигнала могут быть скомпенсированы внутри коммуникационного волоконного световода без использования дополнительных участков волокон специального типа. По сравнению с эрбневыми усилителями, чей диапазон усиления зависит от свойств допирующего вещества, ВКР-усиление может быть достигнуто во всех коммуникационных диапазонах за счет применения накачки со специально подобранным спектром излучения генерации. Таким образом, спектральный диапазон ВКР-усиления зависит только от доступности источников накачки с требуемыми длинами волн излучения генерации.
Кроме того, свойство распределенности ВКР-усиления также позволяет существенным образом улучшить отношение сигнал/шум при усилении сигнала в оптоволоконных линиях связи. На рисунке 2.1 показано, что по сравнению с усилителями точечного типа, применение распределенных усилителей оптического сигнала обеспечивает восстановление уровня сигнала на протяжении всей линии связи. При этом мощность сигнала не опускается до уровня мощности шумовых компонент, а так же не достигает величин, при которых начинается нелинейное взаимодействие между различными спектральными компонентами сигнала. Это позволяет одновременно увеличить и соотношение сигнал/шум, и протяженность оптических линий связи. Характерная ширина полосы ВКР-усиления, обеспечиваемая одним монохроматическим источником излучения накачки, составляет около 40 нм (рис. 1.5). Однако при этом неравномерность контура усиления в этой полосе не позволяет использовать накачку на одной длине волны для широкополосного усиления многоканального оптического сигнала. Для расширения спектральной полосы усиления и одновременного сглаживания неравномерности контура ВКР-усиления в заданной области, требуется применение комбинированной накачки на нескольких длинах волн с соответствующими мощностями излучения [29-31]. Одна из первых и наиболее успешная на сегодняшний день реализация ВКР-усилителя с накачкой набором узкололосных источников излучения была представлена в [29]. В работе произведена оптимизация спектра усиления 25-километрового ВКР-усилителя с накачкой 12 диодными лазерами в диапазоне длин волн 1412.5-1504.5 им. В результате достигнута неравномерность контура усиления не превышающая 0.1 дБ в спектральной полосе 80 нм (1527-1607), при этом среднее значение усиления слабого сигнала составило 10.5 дБ. В результате, контур усиления, перекрывающий два основных коммуникационных диапазона, и низкая неравномерность усиления в перспективе позволяют использовать данный ВКР-усилитель для многоканальной передачи оптического сигнала на относительно большие расстояния.
Наиболее существенным недостатком многоволновой накачки ВКР-усилителей является техническая сложность и дороговизна такой схемы накачки. Объединение относительно большого числа источников излучения накачки требует применения соответствующих устройств (мультиплексоров), вносящих дополнительные энергетические потери. Кроме того, для стационарности контура усиления очень важна стабильность источников излучения накачки, поэтому каждый источник накачки должен быть снабжен системой стабилизации длины волны и мощности излучения. Теоретическое предсказание и оптимизация ВКР-усиления также затруднены для случая относительно большого числа независимых источников накачки. Результат ВКР-усиления не является простой суперпозицией стоксовых компонент вследствие того, что спектральные компоненты накачки оказывают взаимное влияние друг на друга при распространении по волоконному световоду. В связи с этим, особый интерес представляют численные методы решения и оптимизации параметров ВКР-усиления.
Комбинированные ВКР-усилители с использованием широкополосных источников излучения накачки
Минимизация неравномерности контура усиления является одной из важнейших задач при проектировании волоконных линий связи с оптическим усилением сигнала за счет ВКР. В традиционной схеме накачки ВКР-усилителей набором узкополосных источников излучения накачки (диодными лазерами), сглаживание спектра усиления напрямую связано с увеличением числа независимых источников накачки [29, 30]. Относительно большое число источников, используемых для накачки ВКР-усилителя, значительно усложняет реализацию и стоимость такой схемы накачки. Это вызвано тем, что каждый диодный лазер должен быть оборудован системой стабилизации и контроля частоты излучения генерации, а так же применением мультиплексоров для объединения всех источников излучения накачки на разных длинах волн внутри одного волоконного световода, используемого для передачи и усиления оптического сигнала. Одновременно с этим, для целого ряда задач по усилению оптического сигнала наличие остаточной неравномерности контура усиления на уровне 1 дБ является допустимой величиной (когда регистрирующая аппаратура позволяет разрешить такую разницу в уровнях мощности различных каналов сигнала, нелинейные и/или шумовые эффекты не оказывают значительного влияния на каналы с различными уровнями мощности и т.д.). Достижение такой неравномерности контура усиления в стандартном коммуникационном диапазоне позволяет минимизировать количество используемых источников излучения накачки и существенным образом уменьшить сложность и стоимость системы усиления.
В данной работе будет показано, что неравномерность контура ВКР-усиления на уровне 1 дБ в основном коммуникационном диапазоне может быть достигнута при использовании всего трех независимых источников излучения накачки на разных длинах волн. Одновременно с этим будет представлен простой метод оптимизации неравномерности усиления при трехволновой накачке. Для исследования ВКР -усиления оптического сигнала был выбран 25-километровый участок волоконной линии связи на основе стандартного одномодового коммуникационного волокна SMF-28. Оптический сигнал представлял собой некоторое количество каналов разнесенных по спектру на 1 нм, средняя мощность излучения внутри каждого канала составляла 100 мкВт (-10 dBm). Общее количество каналов оптического сигнала определялось шириной исследуемой спектральной полосы усиления.
Излучение накачки распространялось навстречу сигналу на трех длинах волн излучения генерации в диапазоне 1420-1480 нм, суммарная мощность всех трех источников излучения накачки составляла 1 Вт. Коротковолновая граница диапазона накачки была выбрана из соображений минимизации потерь из-за наличия пика поглощения в области 1390 нм в спектре потерь волоконного световода. Длинноволновая граница диапазона излучения накачки определялась требуемой шириной спектральной полосы усиления и неравномерностью усиления внутри этой полосы.
Было предложено исследовать две различные конфигурации накачки в исследуемом диапазоне 1420-1480 нм: источники излучения накачіси расположены эквидистантно внутри указанного диапазона (1420,1450, 1480 нм), оптимизируются мощности излучения накачек; мощности всех трех источников излучения накачки одинаковы, оптимизируется длина волны излучения средней накачки (1420, 14хх, 1480 нм). Предполагаемыми отличиями этих двух схем накачки являлись ширина спектральной полосы и среднее значение усиления. В случае равиомерного распределения источников накачіси по спектру предполагалось получить более высокое среднее значение усиления в относительно небольшой полосе, а в случае равномерного распределения общей мощности между источниками накачки - максимально возможную полосу усиления при меньшем среднем значении усиления. Обе схемы накачки и соответствующие результаты ВКР-усиления могут иметь широкое практическое применение в волоконных линиях связи, однако подобные исследования, на наш взгляд, не имели должного описания в литературе. В качестве критерия оптимизации был введен безразмерный параметр неравномерности контура усиления AG = (Gmax - Gmjn)/Gmin. Нормировка параметра неравномерности позволяет произвести сравнение различных схем накачки независимо от достигнутого среднего значения усиления слабого сигнала.
В первой схеме (эквидистантное расположение длин волн источников накачки внутри спектрального диапазона накачки) для оптимизации мощностей источников накачки был выбран безразмерный параметр kj = (Р3 — Р])/(Рз + iX где Рь Рг, Рз -мощности излучения накачки на длинах волн Х\, Х2 и А-з, соответственно, при этом Pi + Р2 + Рз = const. Мощность средней компоненты оставалась неизменной, и составляла 60% от общей мощности излучения накачки. Это было обусловлено тем, что в данной схеме накачки основной задачей являлось достижение усиления в области 1520-1560 нм. Этот спектральный диапазон в основном перекрывается контуром ВКР-усилеиия, обеспечиваемым средним источником излучения с длиной волны Х2, а накачка на длинах волн Х\ и Х3 необходима для корректировки и сглаживания результирующего контура ВКР-усиления. Зависимость параметра AG от kj представлена на рисунке 4.1(a). Из рисунка видно, что в этой зависимости существует четкий минимум при к] = — 0.6, чему соответствует Pi = 0.32 Вт и Рз = 0.08 Вт, Контур ВКР-усиления, соответствующий найденным оптимальным параметрам, приведен на рисунке 4.1(6). Неравномерность контура усиления не превышает 1.2 дБ в диапазоне 1525-1564 нм (40 сигнальных каналов излучения), при этом среднее значение усиления слабого сигнала составило 8.1 дБ в этом спектральном диапазоне.
Сравнение разработанных схем накачки волоконных ВКР-усилителей
Из рисунка 6.1 отчетливо видно наличие четырех локальных максимумов в спектре излучения накачки в окрестностях длин волн 1409, 1428, 1458 и 1497 нм. Таким образом, задача аппроксимации непрерывного спектра излучения накачки ВКР-усилителя решалась с помощью четырех источников накачки со спектрально уширенными контурами излучения генерации, расположенных в полосе 1410-1490 нм. Коротковолновая граница диапазона накачки определяется пиком поглощения в области 1.39 мкм, вследствие чего использование накачки с длиной волны менее 1410 нм снижает эффективность усиления. Длинноволновая граница диапазона накачки находилась из условия ее непересечения с полосой усиления. Основными критериями оптимизации являлись неравномерность контура и ширина полосы ВКР-усилеиия. На рисунке 6.2(a) приведен оптимальный спектр излучения накачки, состоящий из четырех спектрально-уширенных контуров шириной 8 им на полувысоте. Центральные длины волн излучения источников накачки составили 1420, 1435.5, 1451.3 и 1480 нм. Неравномерность соответствующего контура ВКР-усиления так же не превышала 0.2 дБ при пулевом среднем значении усиления в спектральном диапазоне, который составил 56 нм (1528-1584 нм). Для сравнения на рисунке 6.2(6) приведен результат ВКР-усиления для традиционного способа накачки ВКР-усилителей узкополосными источниками излучения накачки. Как видно из рисунка, в этом случае неравномерность усиления возрастет в 4 раза и составит 0.8 дБ внутри полосы усиления. Следует отметить, что четырехкратное уменьшение неравномерности контура ВКР-усиления достигается уже при незначительном уширеиии спектров накачек (до 8 нм), дальнейшее уширение спектров накачек может позволить получить дополнительное сглаживание в спектре усиления.
Уменьшение полосы усиления с низкой неравномерностью ( 0.2 дБ) с 78 нм (рис. 6.1) до 56 нм (рис. 6.2(a)) может быть объяснено малой спектральной мощностью излучения накачки на краях диапазона спектра накачки в случае, когда спектр накачки формируется суперпозицией из четырех контуров шириной 8 нм. Это является следствием того, что в данной работе рассматривался только случай полного использования всей спектральной мощности данных источников излучения накачки без применения спектральной фильтрации, которая могла бы нужным образом скорректировать спектр излучения накачки. Однако это ведет к энергетическим потерям, а, следовательно, и уменьшению эффективности всей системы усиления, поэтому такие варианты формирования спектра излучения иакачки рассмотрены не были.
Одним из вариантов получения необходимого распределения спектральной плотности мощности излучения накачки может являться применение источников накачки с переменной спектральной шириной - более узких на краях и более широких в середине диапазона излучения накачки. Такая суперпозиция источников накачки может позволить более точно аппроксимировать непрерывный спектр излучения накачки (рисунок 6.1) для достижения оптимальных характеристик ВКР-усилителя - минимально возможной неравномерности и максимальной спектральной ширины результирующего контура ВКР-усиления. Справедливость рассмотрения таких схем накачки может быть обоснована с точки зрения экспериментальной реализации необходимого спектрального уширения излучения накачки. Исследование схемы накачки ВКР-усилителл с одинаковым спектральным уширением компонент накачки до величины - 8-10 им актуально с точки зрения применения в качестве таких источников накачки диодных лазеров, в которых отсутствуют спектрально-селективные элементы, ограничивающие ширину линии генерации, которая может достигать в таких случаях требуемых 5-15 нм [66]. Однако последние исследования показывают, что спектральное уширение непрерывного излучения накачки в оптических волокнах может быть реализовано в волоконных световодах с высокими значениями нелинейных параметров за счет использования эффекта модуляционной неустойчивости и других сопутствующих нелинейных эффектов, таких как фазовая самомодуляция, четырехволновое смешение и др. [38-40] . При этом существует возможность управления шириной результирующего спектра излучения накачки за счет вариации длины волоконного световода и мощности излучения накачки. В связи с этим, исследование ВКР-усилителей с источниками накачки переменной спектральной ширины перспективно как с точки зрения получения результатов численных исследований по уменьшению неравномерности контура усиления, так и с точки зрения экспериментальной реализации данных схем накачки.
На рисунке 6.3(a) представлен вариант реализации такой схемы накачки. Центральные длины воли источников накачки составили 1415, 1428, 1451 и 1489 нм, а их спектральные ширины 5, 20, 20 и 5 нм соответственно. Неравномерность соответствующего контура ВКР-усилеиия так же не превышала 0.2 дБ при нулевом среднем значении усиления, при этом ширина спектрального диапазона усиления составила 74 нм (1522-1596 нм).
Данный результат демонстрирует, что относительно простое перераспределение спектральной плотности мощности излучения накачки внутри фиксированного диапазона за счет применения переменного спектрального уширения источников накачки позволяет при сохранении значения неравномерности контура рамановского усиления на уровне 0.2 дБ существенным образом увеличить полосу усиления (до 74 нм, по сравнению с 56 им в случае применения источников накачки с одинаковым спектральным уширением 8 им) и вплотную приблизиться к результату, полученному при использовании непрерывного спектра излучения накачки (78 нм). Это небольшое отличие от спектральной ширины диапазона усиления в случае непрерывного спектра излучения накачки (рисунок 6.1) так же объясняется краевыми эффектами спектрального диапазона накачки, их влияние на контур рамановского усиления можно свести к минимуму, производя дальнейшую корректировку спектральных ширин и центральных длин волн источников накачки. Кроме того, на рисунке 6.3(6) для сравнения представлен результат моделирования рамановского усилителя длиной 50 км. В этом случае, данная конфигурация излучения накачки позволяет получить неравномерность контура усиления не более 0.1 дБ в диапазоне 70 нм (1525-1595 нм). В заключение было проведено численное исследование стабильности ВКР-усиления при накачке спектрально-уширеныыми источниками излучения в схеме, приведенной на рисунке 6.2(a).
Экспериментальное и численное исследование ВКР-усилителя с использованием эффекта модуляционной неустойчивости
В данном параграфе будет подведен итог численных исследований ВКР-усиления и оптимизации схем излучения накачки ВКР-усилителей, представленных в работе. Кроме того, будет произведено сравнение разработанных схем накачки волоконных ВКР-усилителей и дана оценка их применимости и реализуемости в реальных системах передачи оптического сигнала.
Задача усиления оптического сигнала при передаче по волоконным линиям связи имеет большое число вариантов реализации. Соответственно требования, предъявляемые к оптическим усилителям, могут быть различными. В данной работе нами были рассмотрены два типа ВКР-усилителей, предназначенных для решения разного класса задач в оптическом усилении.
Первый тип ВКР-усилителей предназначен для усиления оптического сигнала, передаваемого на относительно небольшие расстояния ( 25 км) с максимально возможной эффективностью, экономичностью и простотой схемы излучения накачки, при этом неравномерность контура усиления не играет первостепенной роли и допустимы значения неравномерности ВКР-усиления на уровне 1 дБ. Также данный тип усилителей может быть использован в качестве источника как распределенного, так и точечного усиления за счет относительно высокого среднего усиления слабого сигнала. Исходя из постановки задачи, был предложен простой эффективный метод оптимизации ВКР-усилителя с трехволновой накачкой узкополосными источниками излучения (стандартные полупроводниковые лазеры). Кроме того, было предложено и исследовано две различных схемы трехволновой накачки - с равномерным расположением длин волн источников внутри диапазона накачки и оптимизации их мощностей для сглаживания неравномерности соответствующего контура ВКР-усиления, и с равномерным распределением общей мощности излучения между источниками накачки и оптимизацией длин волн источников внутри спектрального диапазона накачки.
В результате было найдены параметры оптимизации и выполнено сглаживание спектров ВКР-усиления для обеих схем накачки, в обоих случаях неравномерность ВКР-усиления составляла L2 дБ. Также было определено, что в зависимости от выбора схемы накачки можно варьировать свойства контура усиления. В первой схеме накачки среднее значение усиления составило 8.1 дБ в полосе 1525—1564 нм, а во второй — 4.9 дБ в полосе 1520-1595 нм. Таким образом, даже в простой схеме трехволновой накачки в зависимости от условий задачи существует возможность модификации контура ВКР-усиления.
Второй тип ВКР-усилителей, исследованных в данной работе, представляет интерес для другого класса задач - усиления оптического сигнала в протяженных ( 100 км и более) линиях связи, когда при периодическом усилении сигнала особую роль играет остаточная неравномерность контура ВКР-усиления на каждом отрезке усиления.
Наиболее эффективное сглаживание контура ВКР-усиления может быть достигнуто при использовании непрерывного спектра излучения накачки, как предельного случая многоволиовой накачки. В данной работе был предложен и реализован простой метод оптимизации ВКР-усилителя с непрерывным спектром излучения накачки, в результате достигнута неравномерность усиления, не превышающая 0.1 дБ в диапазоне 1528-1599 нм.
После определения формы спектра накачки усилителя, важнейшим вопросом является поиск способов реализации данного спектра. Относительная простота формы спектров, полученных в данной работе результате проведенной оптимизации, позволила аппроксимировать их при помощи набора из четырех спектрально уширенных контуров, сохранив при этом неравномерность ВКР-усиления. В качестве источников спектрально уширенного излучения могут быть использованы диодные лазеры, в которых отсутствуют спектрально-селективные элементы, ограничивающие ширину линии генерации - в этом случае ширина спектра излучения генерации может достигать требуемых 5-15 нм. Кроме того, были проведены численные исследования схем накачки, состоящей из спектрально уширенных контуров различной ширины, позволяющей расширить полосу усиления до 74 нм по сравнению с предыдущей (56 им), и максимально приблизиться к результату, полученному при использовании непрерывного спектра излучения накачки (78 нм). Управление спектральным уширением непрерывного излучения накачки может быть получено в результате предварительного уширения в волоконных световодах специального типа.
С другой стороны, схема накачки, состоящая из спектрально уширенных контуров, может рассматриваться как альтернатива традиционно используемым узкополосным источникам накачки, позволяя увеличить равномерность контура усиления и уменьшить количество независимых источников излучения накачки.
Таким образом, в данной главе были представлены результаты численных исследований по оптимизации схем накачки ВКР-усилителей, предназначенных для решения широкого круга задач усиления оптического сигнала в волоконных линиях связи. Применимость полученных численных результатов в реальных системах связи будет обсуждаться в Главе 3 на примере экспериментальной модели ВКР-усилителя с двумя спектрально уширенными источниками излучения накачки.
