ОЦЕНКА МОЩНОСТИ ШУМА УСИЛЕННОГО СПОНТАННОГО ИЗЛУЧЕНИЯ В РАСПРЕДЕЛЕННЫХ РАМАНОВСКИХ УСИЛИТЕЛЯХ

В начале 1970-х годов Столен и Иппен продемонстрировали рамановское усиление в оптических волокнах [5]. Однако, на протяжении 1970-х и первой половины 1980-х годов рамановские усилители оставались в основном лабораторными изобретениями. В середине 1980-х годов во многих исследовательских работах прояснялись перспективы рамановских усилителей, но к концу 1980-х годов большая часть этих работ была вытеснена оптоволоконными усилителями, легированными эрбием (EDFA – Erbium-Doped Fiber Amplifier). Однако в середине и конце 1990-х годов возродился интерес к рамановскому усилению.

Быстрый рост оптических усилителей в системах оптической связи увеличивает пропускную способность канала и длину передачи, и в этом контексте рамановские усилители играют важную роль. Эти усилители используются в системах с мультиплексированием по длине волны (WDM – Wavelength Division Multiplexing). Рамановское усиление основано на явлении вынужденного комбинационного рассеяния света (ВКР), которое является нелинейным эффектом в оптических волокнах и его результатом является усиление оптического сигнала.

Существует два типа рамановских усилителей: дискретный рамановский усилитель и распределенный рамановский усилитель (РРУ). В РРУ в качестве активной среды используется волоконно-оптические линии связи, и предназначены эти усилители для улучшения оптического отношения сигнал/шум (OSNR – Optical Signal-to-Noise-Ratio) в системах передачи.

РРУ позволяет более низким пусковым мощностям сигнала проходить через диапазон выше минимального уровня шума, при этом увеличивая OSNR, улучшая коэффициент шума и снижая нелинейные потери волоконных систем, что позволяет использовать более длинные диапазоны усилителя, более высокие скорости передачи данных, меньшее расстояние между каналами и работу вблизи длины волны с нулевой дисперсией [4].

В РРУ существует три вида накачки, обеспечивающие усиление оптического сигнала. Когда мощность накачки распространяется в направлении сигнала, это называется схемой с сонаправленной или прямой накачкой, а когда накачка движется в противоположном направлении, это называется встречной или обратной накачкой. Если мощность накачки распространяется в обе стороны, схема накачки будет двунаправленной, включая как сонаправленную, так и встречную накачку, одновременно.

Мощность сигнала РРУ определяется как [3]:

где  – коэффициент комбинационного усиления, зависящий от характеристик волокна,  – мощность накачки при ,  – это чистый коэффициент усиления сигнала,  – длина усилителя, а  – его эффективная длина, определяемая как:

где  и  – коэффициенты затухания на длинах волн сигнала и накачки соответственно.

Используя прямую накачку, мощность накачки можно выразить как

где  – значение мощности накачки при .

В общем случае при использовании двунаправленной накачки  лазерные источники работают на одной длине волны и при разной мощности накачки. Следовательно, для расчета мощности накачки в точке  можно использовать

Согласно формуле (6), когда ),  равна нулю, а  равна 100%, это случай обратной накачки, а когда ),  равна 100% нулю, а  равна нулю, это случай прямой накачки. При ) как , так и  равны 50%, это случай двунаправленной накачки.

Результирующее усиление сигнала на участке , определяется на основании выражения [1]

где  – частота накачки и сигнала соответственно, а  – КПД волоконного комбинационного усиления определяющееся как

где  – эффективная площадь сечения волокна;  – коэффициент, зависящий от поляризации сигнала и накачки [1].

Для решения практических задач выражение для определения мощности шума УСИ будет иметь вид

где  – уровень УСИ на входе усилительного участка , определяемый граничными условиями, такими как, например, наличие предыдущих каскадов усиления;  – мощность усиленного спонтанного рамановского рассеяния, соответствующая одному фотону на моду, а  – постоянная Планка;  – ширина полосы частот оптического сигнала,  – коэффициент спонтанного излучения [1, 2].

За сравнительно короткий промежуток времени в телекоммуникационные системы различных предприятий и ведомств внедрены и успешно эксплуатируются волоконно-оптические системы передачи на основе DWDM-технологии. В процессе строительства и эксплуатации протяженных волоконно-оптических линейных трактов довольно часто встает вопрос поддержания качества передачи оптических сигналов для требуемых расстояний. Для решения задачи усиления оптических сигналов в широком диапазоне длин волн используются волоконно-оптические усилители.

В данной статье рассмотрена математическая модель мощности шума УСИ при различных конфигурациях накачки в РРУ, а также выведено упрощённое выражение для расчёта мощности УСИ при различных длинах усилительного участка.