Введение к работе
- з -1.
1.1. Актуальность работы
В диссертации решается задача совершенствования потенциальных возможностей обработки сигналов с помощью оптических и опто-алектронных устройств преобразования информации в радиоэлектронной аппаратуре (РЭА) специального и широкого применения. Наиболее важные вопросы связаны с уменьшением шумов волоконно-оптических усилителей,разработкой методик экспериментального исследования характеристик этих усилителей и с анализом возможности создания оптически управляемого переключателя оптических сигналов.
Интенсивное развитие обработки сигналов с помощью волоконно-оптических устройств в радиоэлектронной аппаратуре специального и широкого применения вызвано потребностями современного общества в увеличении объемов передаваемой информации.Человечество переживает "информационный взрыв".Ведущая роль в увеличении объемов передаваемой информации принадлежит волоконно-оптическим устройствам. Они используются в системах локации,радиосвязи ( кольцевые линии задержки,рециркуляторы,коммутаторы и т.д.) .метрологии, в волоконно оптических системах передачи (ВОСП).для организации телефонной городской и междугородной связи.кабельного телевидения.видеотеле-фонии,радиовещания,вычислительной техники,технологической связи и т.д.Связь по оптическим кабелям является одним из главных направлений научно-технического прогресса.
Темпы росте производства волоконной оптики и оптических кабелей на мировом рынке опережают темпы развития других отраслей техники и составляют около 40Ж в год.
В США,Японии,странах Западной Европы планируется строительство межконтинентальных подводных волоконно-оптических линий связи с использованием волоконно-оптических усилителей (ВОУ).На территории России строится часть кольцевой ВОЛС,которая будет охватывать северное полушарие Земли.
В волоконно-оптических системах передачи сейчас используется очень малая часть их потенциальной пропускной способности,что в основном объясняется ограничением традиционных электрических ме-
тодов обработки сигналов в нетрадиционной области. Созданные к настоящему времени отдельные компоненты позволяют говорить П0К8 только о подходе к решению задач обработки сигналов и информации (оптическими методами).Все это обосновывает актуальность выбранного направления исследований.
Краткая оценка современного состояния научных иследоввнии в этой области
Вследствие- резкого уменьшения затухания в серийно выпускаемых оптических волокнах,до 0,15-0,2дБ/км,что дает возможность реализовать сложные сети распределения информации без перехода к электрическим сигналам, появилась концепция представления сети связи в виде распределенной вычислительной машины. Обеспечивается разделение ресурсов процессоров,периферийного оборудования, программного обеспечения и банков данных,улучшается сопряжение тори-налов с помощью местного искусственного интеллекта и создается возможность динамического распределения нагрузки и резервного оборудования.
-Переход на оптические методы при реализации функциональных операций цифровой связи позволит улучшить технико-экономические характеристики аппаратуры,а также создать принципиально новые информационные сети с распределенной обработкой информации.
Основными функциональными операциями,осуществляемыми в цифровой связи,являются:
-
Аналого-цифровое и цифро-аналоговое преобразование.
-
Временное груцпообразование.
-
Посимвольная и цикловая синхронизация.
-
Регенерация сигналов в линейных трактах.
-
Преобразование кодов.
-
Синхронизация сити (частотная и фазовая).
-
Модуляция и демодуляция оптической несущей.
-
Коммутация цифровых сигналов в сети.
-
Сигнализация (абонентная и межстанциошіая).
Из этого комплекса преобразований (1-9) выделим,как наиболее важные,проблемы (4,8): регенерации сигналов в линейных трактах и коммутации цифровых сигналов в сети.Задачи,связанные с этими проб-
лемами (в основном с регенерацией).решаются в диссертации.
Регенерация - одна из наиболее сложных операции.Регенерация сигналов решает задачу увеличения максимальной протяженности линии связи.Полная регенерация оптического сигнала заключается в . воспроизведении исходной формы,восстановлений уровня и относительного временного положения оптических импульсов. При отсутствии универсального изрвключателя оптического диапазона маловероятна разработка полностью оптического регенератора,вшолняыцего все назвавше функции.
Вместо регенератора используют волоконно-оптические усилители (ВОУ).Еств три варианта применения ВОУ:
предусилитель оптического приемника,
усилитель в волоконно-оптической линии связи,
усилгг".ль мощности на выходе передатчика.
Возможна разработка регенератора с использованием преобразования к электрическим сигналам.Это снижает быстродействие и надежность устройства.Электронный регенератор не инвариантен к изменению скорости передачи.
Оптические усилители выполняют, функцию восстановления уровня сигнала.При этом сохраняется потенциальная пропускная способность волоконно-оптической системы передачи и инвариантность к изменению скорости передачи.Используются одаомодовыв волоконно-оптические усилители (ВОУ) с добйвками эрбия (Ег^КОни служат в качестве усилителей па выходе передатчика,в линии связи и яредусилителя оптического приемника.Исследуются усилители с добавками других редкоземельных элементов.
ВОУ состоит из меньшего числа компонентов,он проще,дешевле и надежнее оптического регенератора.
Использование ВОУ позволяет повысить чувотвитвльнслть приема, увеличить дальность волоконно-оптической линии связи. Щумсвыо свойства ВОУ определяют качество передачи в протяжаянат линиях связи и характеризуются оптическим коэффициентом иумо Р0.
Внедрение ВОУ в области передачи и обработки информации ставит вопрос о повышении конкурентоспособности и улучшении параметров ВОУ,в частности шумовых характеристик.Возвикеет необходимость развития теории шумов ВОУ.Эта работа не является обособленной и согласуется с проводившимися исследованиями.
При оценке шумов ВОУ,как правило.ограничиваются ісваятовнм пределом при большом усилении,либо трудоемкими численш;,»и расчетами.
Решение задачи минимизации шумов волоконно-оптических усилителей позволяет уточнить ограничения на использование ВОУ в составе волоконно-оптических систем передачи.Необходимость решения такой вариационной задача объясняется достаточно сложным (интегральным) окончательным представлением спектрального распределения коэффициента шума ВОУ.Эта задаче в общем виде ранее не была реше—' на.
Другая важная операция цифровой сзязи (8) - коммутация (переключение) цифровых сигналов в сети.При отсутствии унивэрсаяьно-іх> переключателя оптического диапазона маловероятна разработка полностью оптического регенератора,выполняющего все свои функции.
В электронных цифровых устройствах транзисторный переключатель применяется для построения базовых наборов логических операции Ш-НЕ,КЖ-НЕ).Базовый набор логических операций позволяет реализовать некоторые функциональные операции цифровой связи.
Аналог транзисторного переключателя в оптическом диапазоне тоже мог бы стать, основой построения базового набора логических операций.Последний,в свою очередь, позволил бы реализовать ряд функциональных операций цифровой связи в оптическом диапазоне.
Для создания такого аналога транзисторного переключателя необходимо использовать оптический нелинейный отклик среда.
Оптический нелинейный отклик среды может быть обусловлен рач-личными физическими явлениями с разной временной длительностью. Для полупроводников это.например:
-
мвжзонное поглощение (10-1ООпс);
-
нелинейные отклики связанных электронов и свободных носителей (<1пс);
3. оптическая нелинейность возбуадешшх полупроводников и
т.д.
Если оптическая чпстота о лежит далеко от полосы поглощения, то отклик электродной природы имеет длительность порядка (<о-о>0) = = 10 с,где (oq-положоиив основной полосы поглощения.
Каждый келинейшй олгичоский процесс можно представить со-отояііМ из доуі этапов: сначала свет большой интенсивности низывя-
- 7 -ет нелинейный отклик среды,а затем зтя реакция среды,в свою очередь .нелинейным образом изменяет оптпческоэ похо.Первый этап опн-сывется материальными уравнениями,второй - уравнениями Уаксвелла. В общем случае для наблвдэния нелинейных оптических эффектов
ТребуеТСЯ ИНТвНСИВНОСТЬ ОПТИЧеСКОГО ИЗЛуЧвНИЯ ПОрЯДКа 2.5КВТ/СМ2.
Для лазеров на InGaAsP при фокусировке в пятно даамегром 2,5 мкм достижимая интенсивность составляет гМВт/см2.
Возможность перехода к чисто оптическим методам обработіси информации появляется благодаря исследованиям нелинейных оптических явлений,оптической бистабидъности,различных пороговых оптических эффектов и разработке рядэ оптически управляемых устройств преобразования оптических сигналов,оптических логических схоы.
Созданные к нестоящему времени отдельные компоненты позволяют говорить покв только о подходе к решению задач обработки сигналов и информацЕи (оптическими методами).
Для создания оптически управляемого переключателя оптических сигналов предложено использовать различные эффекты.Основными критериями при выборе того или иного физического эффекта для создания переключателя являются быстродействие и энергия переклтэыял. В атом отношении наиболее перспективным представляется использование нелинейной реакции на оптическое возбуждение электронной, подсистемы полупроводников,в частности,оптической нелинейности в области вкситонного резонанса.Быстродействие эффекта составляет единицы-десятки пикосекуад.Для переключения требуется энергия менее 1пДж.Этот эффект по сравнению с другими близкими по быстродействию нелинейными эффектами реализуется при минимальной мощности излучения накачки.Анализ возможности создания оптически управляемого переключателя на основе экситонного резонанса в общем виде ранее не был проведен.
Основой построения значительной части интегрально-оптических устройств обработки информации служат планарные пленочные световода. Устройства на основе таких световодов могут использоваться для реализации функциональных операций (1-9) цифровой связи.
йзвостние программы расчета пленочных световодов имеют частное применению и ограниченный перечень рассчитываемых характеристик. Для ПробКТИроН.'ШИЯ ИНТОГраЛЫЮ-ОПТИЧеСКИХ УСТРОЙСТВ К'ЯрОКОГО
іг,;:шачг;-.г:ія (1-9) л;) ослино пленочных световодов трвбуется унявор-
- 8 -сальная программа расчета параметров и нолей этих световодов.
Переход на оптические метода при реализации функциональных операций цифровой связи (1-9) можно осуществись также на основе волоконно-оптических устройству частности,с применением ВОУ. Использование атих усилителей в ВОСП-достаточно новое направление. Об этом свидетельствует отсутствие ГОСТ и рекомендаций МКК по вопросу метрологии волоконно-оптических усилителей.В ближайшем будущем планируется широкое применение эрбиевых ВОУ в системах дальней связи, меадугородаой и подводной связи,в локальных сетях.
Измерение' параметров ВОУ должно предшествовать установке их. в линию связи.Вопросы измерения рабочих характеристик волоконно-оптических усилителей слабо разработаны,в том числе оценка влияния отражений на характеристики тракта с ВОУ.
Все это обосновывает актуальность работы.
1.2. Цель работы и методы решения поставленных задач
При переходе к оптическим методам реализации функциональных операций цифровой связи встают вопросы как фундаментального характера, связанные например с развитом некоторых направлений теории шумов ВОУ,так и прикладного характера,связанные с разработкой волоконно-оптических и интегрально-оптических элементов,решающих задачи переключения и каналированая оптических сигналов, а также вопросы измерения рабочих характеристик оптических усилителей.В связи с этим рассматриваются три актуальных задачи:
1. Научная задача состоит в постановке и решении задачи минимизации шумов одномодовых волоконно-оптических усилителей с добавками редкоземельных элементов (в линейном режиме усиления) и в получении конкретных результатов,позволящих улучшить характеристики как самих ВОУ,так и характеристики систем (содержащих ВОУ) для передачи информации.
В решении этой задачи состоит главная цель диссертационной работы.
2. Разработке методик экспериментального исследования рабочих характеристик усилителей на активных оптических волокнах с использованием серийной отечественной контролыю-изморитэльной аппаратуры.
3. Разработка метода анализа возможности создвния оптически управляемого переключателя оптических сигналов на основе экситон-ного резонанса.
Метод решения задачи (1) минимизации шумов ВОУ основан на применении теории вариационного исчисления.Для функционала коеф-фициента шума ВОУ ставится задача Лагранжа с граничными условия-ми.Необходимые условия экстремума коэффициента шума определяются путем решения дифференциального уравнения Эйлера-Лагранжа.Это позволяет определить экстремали коэффициента шума ВОУ. На поле экстремалей проверяется выполнение достаточных условий существования экстремума коэффициента шума.Задаче решается аналитическими методами.Пговвдвнв экспериментальная проверка полученных результатов.
В задаче (2) по разработке методик экспериментального исследования рабочих характеристик оптических усилителей рассмотрено измерение спектрального распределения коэффициента шума и усиления ВОУ.Приввдэны схекы экспериментальных установок и перечень контрольно-измерительной аппаратуры.
Проведено экспериментальное исследование усилительных и шумовых характеристик эрбиевого волоконно-оптического усилителя (изготовленного в ИРЭ РАН) в диапазоне длин волн 1529-1563 нм,являющегося прототипом малошумящего оптического усилителя для применения в качестве предварительного усилителя в высокоскоростных волоконно-оптических системах передачи.Экспериментально измерено влияние отражений в измерительном тракте на характеристики ВОУ.
Задача (3) анвлиза возможности создания оптически управляемого переключателя на основе экситовного резонанса решается с учетом процедуры оптимизации параметров и характеристик материала переключателя.Критерием служит максимальное значение параметре W,обобщающего характеристики материала с нелинейными свойствами и конструктивные решения по созданию оптического переключателя.Его величина определяет возможность создания переключателя. №=лп3Аа. Здесь Ап3-максимально9 нелинейное изменение показателя преломления, используемое для переключения,х-длина волны сигнала,а-коэффи-циент затухания.Задача решается аналитическими методами.
1.3. Научная новизна работы и ее практическая значимость
Автором:
-
Поставлена и решена вариационная задача оптимизации спектрального распределения коэффициента шума одиомодовых усилителей на оптических вслокн&х с добавками активных (редкоземельных) элементов в линейном режиме усиления для распространенного случая, когда доминирует шум биений сигнала и спонтанной эмиссии.
-
Получены новые оценки шумовых и усилительных характеристик одномодовых ВОУ в режиме бегущей волны:
- определены условия достижения экстремалей коэффициента шума
ВОУ;
определены экстремумы спектрального распределения коэффициента шума ВОУ ?0,в частности минимумы Рц для случаев,когда коэффициент усиления G>1,a также при G<1;
определены условия приближения коэффициента шуме Fq к миниму-
му -шниморуму;
- проведен анализ зависимости коэффициента шума ВОУ от производ
ной параметра возбуждения по длине активного волокна;
- определены три возможных варианта зависимости Pq от величины
постоянного по длине ВОУ возбуждения активной среды (при G>1).
3.Разработан метод внализа шумовых и усилительных характеристик одномодовых волоконно-оптических усилителей с добавкалга редкоземельных элементов,который:
справедлив для произвольного распределения концентрации и возбуждения активной добавки по длине ВОУ;
пригоден для различных длин волн сигнала и накачки,типов активного материала и оптического волокна;
позволяет упростить расчет шумовых и усилительных характеристик ВОУ.
4.Показано,что создание оптически управляемых переключателей оптических сигналов на основе экеитонного поглощения при использовании активных волокон перспективнее,чем их реализация на основе пассивных устройств.
Практическая ценность
-
Целесообразно использовать результаты и методы решения рассмотренной вариационной задачи для анализа волоконно-оптических усилителей конкретного применения.
-
Полученная оценка [P0(G)] позволяет выбирать тип ВОУ исхода из требовании системы,в которой он используется.Зависимость Pg(G) дает возможность реализовать требуемое сочетание PQ з G для ВОУ любого типа выбором мощности излучения накачки. Эта зависимость конкретизирует требования технического задания на разработку ВОУ.
-
Полученная связь шумовых и усилительных характеристик ВОУ с его внутренними параметрами позволяет целенаправленно искать новые активные материалы и разрабатывать на их основе волокна с улучшенными свойствами.
-
Метод анализа шумовых и усилительных характеристик одпо-модовых ВОУ с добавками редкоземельных элементов можно использовать для разработки более простого (чем сутествущие) итерационного алгоритма расчета этих характеристик.
-
Методика экспериментального исследования характеристик этических усилителей может применяться для измерения спектраль-яого распределения коэффициента шума и усиления волоконных и полупроводниковых оптических усилителей разного назначения.
-
Результаты,полученные при разработке метода анализа (воз-«жности создания оптически управляемого переключателя оптических сигналов на основе экситонного резонанса),можно использовать при сравнении различных материалов с нелинейными свойствами для разработки такого переключателя.
1.4. Личный вклад автора в исследование проблемы
-
Постановка и решение основных научных задач,теоретические зыводн и рекомендации,содержащиеся в диссертационной работе и пу-5ликациях,получены автором самостоятельно.
-
Разработка методик экспериментального исследования работах характеристик усилителей на активных оптических волокнах с
- 12 -использованием серийной отечественной контрольно-измеритвльнсй аппаратур*.
-
Разработка и создание экспериментальной установки для исследования характеристик волоконно-оптических усилителей.
-
Проведение измерений рабочих характеристик волоконно-оптических эрбиевых усилителей.
Работа по теме диссертации велась в течение 1989-1993 годов в Санкт-Петербургском Северо-Западном заочном политехническом институте на кафедре Теоретических основ радиотехники и радиолока-ции.Ее результаты использованы в отчетах по НИР,проводимых на кафедре.
1.5. Основные результаты работы,выносимые на защиту
1. Постановка и решение задачи минимизации коэффициента шума
одномодовых волоконно-оптических усилителей с добавками редкозе
мельных элементов.
2. Аналитические,численные результаты и рекомендации по
улучшению внутренних характеристик ВОУ и применению их в системах
волоконно-оптической связи,в частности:
экстремали и экстремумы (при (1 и G<1) коэффициента шума ВОУ;
условия приближения коэффициента шума PQ к минимуму-миниморуму
зависимости коэффициента шума ВОУ от производной параметра возбувдения по продольной координате активного волокна,
три возможных варианта зависимости коэффициента шума ВОУ от уровня возбуждения активной среды (при G>1);
сравнение сосредоточенных и распределенных ВОУ.
-
Метод анализа шумовых и усилительных характеристик одномодовых волоконно-оптических усилителей с добавками редкоземельных элементов.
-
Анализ использования активных волокон и пассивных устройств при создании оптически управляемых перекличатолей оптических сигналов на основе экситонного резонанса.
1.6. Апробация работы
Основные результати диссертации опубликованы в 11 научных
- 13 -работах.
Они докладывались и обсувдались:
на Третьей международной конференции по волоконной оптике к телесвязи ISP0C-93, 26-30 апреля 1993г., Санкт-Петербург;
на 48й конференции НТО РЭС им.А.С.Попова,посвященной дню Радио, апрель 1993г., Санкт-Петербург.
1.7. Реализация в народном хозяйстве
Основные результаты работы использованы и внедрены на предприятии НШІ "Дальняя Связь".00 этом имеется акт внедрения.
Диссертация состоит из введения,четырех разделов,заклочения, списка литературы и десяти приложений.
В первом разделе проводится анализ извостшх работ по оптическим и оптоэлэктронннм устройствам преобразования информации (переключатели, модуляторы, мульгиплексоры-демультиплексоры,преобразователи длины волны.фильтры,фотодетекторы).Отмечается преимущество универсальной программы расчета полей и параметров пленочного световода,как основы построения различных интегрально-оптических устройств преобразования информации.
Разработанная программа приведена в приложении 1.
Во втором разделе рассматривается физическая и математическая модель оптически управляемого переключателя оптических сигналов на основе экситонного резонанса.Ставится задача анализа возможности создания оптически управляемого переключателя на основе Якситонного резонанса.Она решается с учетом процедуры оптимизации тараметров и характеристик материала переключателя.Критерием служит максимальное значение параметра W,обобщающего характеристики материала с нелинейными свойствами а технические решения по создании оптического переключателя.Его величина определяет возможность создания переключателя. W=Ana/x«.Здесь лп -максимальное но-линейное изменение показателя преломления,используемое для переключенії я. к -длина волны сигнала.о»-коэффициент затухания.
По разделу 2 диссертации получены следующие результаты.Опро-
- 14 -делена оптимальная относительная отстройка длины волны сигнала от центра акситонного поглощения.Она принимает значения в области (1/13,1 ).В результате анализа математической модели перекдтателя при оптимальной отстройке подучена зависимость Я от п и *. Здесь 7)=0^/0^, ав - остаточное (пассивное) затухание в материале переключателя на длине волны сигнала, с> - коэффициент активлого поглощения невозбужденного материала в центре вкситонаого резонанса, »=І/Ід,І-интенсивность излучения накачки,Ід-параметр насыщения (интенсивность излучения некачки в центре акситонного резонанса при насыщении поглощения).
Задавая величину W=Wq,определяемую конструкцией переключателя,можно найти по графику W(n,») область (?feW0) допустимых значений пи &,лри которых реализация переключателя возможна.В идеальном случае требуется материал с нулевым пассивным затуханием. Это может быть активная среда с усилением, компенсирующим затухание опипеского сигнала.
Полученные результаты можно использовать при сравнении различных материалов с нелинейными свойствами для разработки переключателя -Особенностью проведенного анализа является определение зависимости W(r),e). при оптимальной отстройке длины волны сигнала от центра акситонного резонанса.
В третьем разделе представлена сравнительная характеристика волоконно-оптических усилителей разных типов,в том числе: Раманф-вские ВОУ.усилители с добавками редкоземельных элементов,Бриллуа-новские усилители.Отдельно проводится сравнение между активными оптическими волокнами с добавками различных редкоземельных элементов: эрбия,празеодима,неодима,тулия.По совокупности параметров эрбиевые ВОУ существенно превосходят другие типы волоконно-оптических усилителей.
Ставится задача минимизации коэффициента шума одномодовых волоконно-оптических усилителей с добавками редко: эмэльных элементов. Приводится физическая и математическая модели ВОУ. Сравнивается ВОУ с разными внутренними параметрами в целях уменьшения коэффициента шума Fq.Условия,при которых шумы волоконно-оптичес-кчх усилителей минимальны,устанавливаются вариационным методом.
Путем решения дифференциального уравнения Эйлерэ-Лагранжа определены иеобходимые условия существования экстремума спектраль-
- 15 -ного распределения коэффициента шума.Проверено выполнение достаточных условий существования экстремумов. Вариациям подвергаются поочередно:
- форма профиля возбуждения (или коэффициента усиления на едини
цу длины) при постоянном общем коэффициенте усиления ВОУ и
- коэффициент усиления при постоянной форме профиля возбуждения.
Критерием оптимальности в обоих случаях служит минимум коэффици
ента шума (имеется в виду оптический коэффициент шума ВОУ)
^VVbx^VVbmx» где Pq/Рщ - отношение квадрата среднего числа фотонов в секунду' к
дисперсии числа фотонов в секунду на входе и выходе усилителя,соответственно .
В результате определены те характеристики ВОУ (сечение поглощения, сечение излучения,возбуждение,объем активной среда),вариация которых при разработке и эксплуатации позволяет минимизировать коэффициент шума.
Получены следувдне результаты.
-
Вариационным методом решена задача оптимизации спектрального распределения коэффициента шума одномодовых усилителей на оптических волокнах с добавками активных (редкоземельных) элементов в линейном режиме усиления для распространенного случая,когда доминирует шум биений сигнала и спонтанной эмиссии.Определены экстремумы спектрального распределения коэффициента шума ВОУ ?0 для характерного случая ступенчатого профиля распределения активной добавки' в поперечном сечении сердцевины волокна.Продольное распределение концентрации добавки н поперечный профиль.показателя преломления произвольны.Анализ пригоден для различных длин волн сигнала и накачки,типов активного материала и оптического волокна.
-
Экстремали ?0 достигаются при постоянном возбуждении активной среды по длине волоконно-оптического усилителя.Под возбуждением активной среды понимается параметр
<(Z)=N2(Z)/[N1(Z)+N2(Z)1. Здесь N1(Z),N2(Z) - населенность нижнего и верхнего рабочего энергетического уровня,соответственно;г-координата вдоль активного волокна,нящмвлеігаая от ВХОда к выходу ВОУ.
3. Доказано,что в случае,когда коэффициент усиления G преш-
шает единицу,минимум PQ достигается при полном возбуждении активной среди С?(Z)-1).Если коэффициент усиления меньше единицы,то минимум Ра достигается в невозбужденной среде (?(Z)=0).B обоих случаях F0 определено точными аналитическими зависимостями.
4. мивлмум-миниморум PQ в обоих случаях стремится к единице
при стремлении объема активной среды к тулю.Коэффициент лума при
ближается к минимуму-миниморуму,когда распределенное усиление ВОУ
компенсирует пассивное затухание при полном возбуждении активного
волокна.
5. Проведен анализ зависимости FQ(?).Показано,что при со
хранений неизменным коэффициента усиления Р0 уменьшается при умень
шении призводной параметра возбуждения по длине волокна.В ходе
решения задачи получены аналитические выражения для PQ при посто
янном возбуждении вдоль активной среды и при произвольном законе
распределения возбуждения.Эти зашсимости позволяют обосновать
технические трэбовання к ВОУ.
6. В приближении достаточно большого сигнала (но в режиме
линейного усиления) определены три возможных варианта зависимости
Р0 (рис.1) от величины постоянного по длине ВОУ возбуждения актив
ной среда (при G>.1 у.Реализация одного из трех типов ВОУ опреде
ляется соотношением между сечением поглощения и излучения и объе
мом активной среды согласно рис.2.
Графики рис.1 получоны для характерного случая
ЩЩ » N(N+1 )/G2.
Здесь гЩТ) - среднее число фотонов сигнала на длине волны х. в одной (продольной и поперечной) моде на входе ВОУ. N - число спонтанных фотонов (на длине волны х) на выходе ВОУ в одной (продольной и подарочной) модо.
Для ВОУ первого типа производная ?0 по величине козффи-циента усиления отрицательна.Для ВОУ второго типа она принимает как положительные, таи и отрицательные значения.Для ВОУ третьего типа - положительна.Зависимости Pg(G) существенны при разработке и эксплуатации BOV.
7. Полученная оценка 1Р0(а)] позволяет выбирать тип ВОУ исходя из требований системи.is готовой он используется.Зависимость
^(2-1/0^)
<1+2W>-1>
^(2-1/6^32)
^U2xm/^
aI
?n(U
max
-JiV^f?*)
(1+2^)
Pkc.1.
0 и *
Зависимость спектрального распределения коэффициента пума ?Q от коэффициента усиления G (уровня возбуждения О активной среди
2=1^3=04-1)/ V(S)0S на поле экстремалей (?=conet вдоль активного волокна) длятрвх типов ВОУ {^^о^).Здесь ґ"^ +"е(х*/оа(х J' се и од - сечение излучения и сечение поглощения,соответственно, х -длина волнн усиливаемого сигнала,V(S)-объем активной среды. 7(3)=0-^)(^ (S)+I^(S)]b.
L-длина активного волокна,s-Оезразмерная координата вдоль активного волокна S е (0,11.
*max
Рис.2.
Три типа ВОУ:
-
область: rs2*-ijmji
-
область: 2+xma3
-
область: [2(6^^-1 J/x^lSr.
Здось 2max=lnGmax» ^(д^-козфїициент усиления ВОУ при полном возбуждении активной среда (?=1).
Pq(G) дает возможность реализовать требуемое сочетание PQ и G для ВОУ любого типа выбором мощности излучения накачки. Эта зависимость конкретизирует требования технического задания на разработку ВОУ.
8. В результате решения задачи оптимизации шумовых характеристик ВОУ разработаны рекомендации по использованию малошумя-щих ВОУ двух видов.Это короткие (сосредоточенные) усилители с достаточно большим коэффициентом усиления (предусилители,ретрансляторы) и распределенные усилители с суммарным коэффициентом усиления,равным единице,где распределенное.усиление активной среды точно компенсирует собственные потери.В последнем случае реализуется активная линия передачи с коэффициентом усиления и коэффициентом шума,близкими к единице.Для накачки возможно использование бокового ввода периодически вдоль распределенного активного волокна.
Проводится анализ полученных результатов.
По данным публикаций приводится сопоставительный анализ применения в аппаратуре линейного тракта полупроводниковых и волоконных (на основе волокон,легированных эрбием) оптических' усилителей.Показаны преимущества эрбиевнх ВОУ по совокупности параметров над полупроводниковыми оптическими усилителями.
В четвертом разделе разрабатываются методики экспериментального исследования рабочих характеристик оптических усилителей на активных одномодовых оптических волокнах с использованием серийной контрольно-измерительной аппаратуры.Они включают измэрэннэ спектрального распределения коэффициента усиления и коэффициента шума ВОУ.
Проведено экспериментальное исследование усилительных и шумовых характеристик эрбиевого волоконно-оптического усилителя (изготовленного в ИРЭ РАН) в диапазоне длин волн 1529нм - 1563нм, являющегося прототипом малошумящого оптического усилителя для применения в качестве предварительного усилителя в высокоскоростных волокошга-оптичоских системах передачи.Экспериментально лаыи-рено влияние отряжоїшй в измерительном тракте яя характеристики ВОУ.Получешшо экспериментально зависимости коэффициента шума и усиления согласуются с результатом;! роионля задачи минимизации шумов ВОУ раздола 3.
В разделе 4 приводятся опубликованные экспериментальные данные о коэффициенте шума ВОУ при различных возбуждениях активной среды, длинах волн некачки .сигнала, типах, активной добавки а уровнях сигнала.Они согласуются с теоретическими зависимостями раздела 3,подученными в результате решения задачи минимизации коэффициента шума ВОУ с добавками редкоземельных элементов.
В заклотении дан перечень основных результатов работы, обоснована их достоверность и практическая ценность.а также намечены перспективные направления дальнейших исследований.
В приложениях приведено: описание и текст универсальной программы расчета параметров и полей пленочного световода (Прилежание 1),формул разделов 2 (Приложения 2,3) и раздела 3 (Приложения 4-Ю).
