Статья:

ОЦЕНКА МОЩНОСТИ ШУМА УСИЛЕННОГО СПОНТАННОГО ИЗЛУЧЕНИЯ В РАСПРЕДЕЛЕННЫХ РАМАНОВСКИХ УСИЛИТЕЛЯХ

Журнал: Научный журнал «Студенческий форум» выпуск №28(164)

Рубрика: Технические науки

Выходные данные
Ерёмин В.Е., Загайнов А.Г. ОЦЕНКА МОЩНОСТИ ШУМА УСИЛЕННОГО СПОНТАННОГО ИЗЛУЧЕНИЯ В РАСПРЕДЕЛЕННЫХ РАМАНОВСКИХ УСИЛИТЕЛЯХ // Студенческий форум: электрон. научн. журн. 2021. № 28(164). URL: https://nauchforum.ru/journal/stud/164/96716 (дата обращения: 28.03.2024).
Журнал опубликован
Мне нравится
на печатьскачать .pdfподелиться

ОЦЕНКА МОЩНОСТИ ШУМА УСИЛЕННОГО СПОНТАННОГО ИЗЛУЧЕНИЯ В РАСПРЕДЕЛЕННЫХ РАМАНОВСКИХ УСИЛИТЕЛЯХ

Ерёмин Владислав Евгеньевич
студент, Академия ФСО России, РФ, г. Орел
Загайнов Алексей Георгиевич
студент, Академия ФСО России, РФ, г. Орел

 

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]:

 

(1)

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

 

(2)

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

Используя прямую накачку, мощность накачки можно выразить как

 

(3)

При обратной накачке мощность накачки составляет

 

(4)

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

 

(5)

(6)

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]

(7)

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

(8)

 

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.

 

Список литературы:
1. Андреев В.А. Рамановские усилителина волоконно-оптических линиях передачи: Монография / В. А. Андреев, М. В. Дашков. – М.: Ириас, 2008. –219 с.
2. Fluger C.R.S., Handerek V. Fundamental Noise Limit in Broadband Raman Amplifiers // Optical Fiber Communication Conference. –  2001. paper MA5–1.
3. G. P. Agrawal, Nonlinear Fiber Optics, Academic Press, San Diego, 2001.
4. M. Islam, “Raman amplifiers for telecommunications,” IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics, vol. 8, no. 3, pp. 548-559, June 2002.
5. R. H. Stolen and E. P. Ippen, “Raman gain in glass opticalwaveguides,”Appl. Phys. Lett., vol. 22, no. 6, pp. 276-278, 1973.