В рубрику "Оборудование и технологии" | К списку рубрик | К списку авторов | К списку публикаций
Михаил Бородихин
Сибирский государственный
университет телекоммуникаций
и информатики
Для систем оптического телевидения и вещания большой протяженности потеря сигнала традиционно преодолевается оптоэлектронными говторителями (регенераторами), в которых оптический сигнал сначала преобразуется в электрический ток, а затем восстанавливается (регенерируется) передатчиком. Альтернативный подход состоит в использовании оптических усилителей (ОУ), они усиливают оптические сигналы непосредственно, не требуя их преобразования в электрические. Среди них можно выделить волоконно-оптические усилители Бриллюэна. В статье рассматриваются физические процессы и принципы работы таких оптических усилителей, а также применение многоканальной связи, в частности, в сетях оптического телевидения и радиовещания
Рассеяние Бриллюэна и его использование для усиления сигналов
Принцип усиления оптических усилителей основан на рассеянии Мандельштама-Бриллюэна. При распространении в среде свет рассеивается неоднородно. Частным случаем такой неоднородности является движущаяся волна распределения плотности вещества, которую называют фононом или звуком. Одной из разновидностей фононов (тепловых колебаний атомов решетки) являются акустические. Наглядно такие фононы легко представить себе как цепочки положительно и отрицательно заряженных ионов. В цепочке акустических фононов смещения атомов подобны бегущей волне в длинной струне.
В обычных условиях акустические фононы существуют в твердых телах за счет тепловой энергии. Если же в этом материале распространяется свет (будем называть его падающим), то возникают процессы рассеивания падающего света на акустических фононах, приводящие как к поглощению, так и испусканию фононов. Когда при рассеянии возникает новый фонон, то частота световой волны уменьшается. Поскольку вероятность рассеивания пропорциональна числу соответствующих фононов, а их число зависит от температуры, то оказывается, что этот эффект при обычных условиях довольно слаб.
Однако если увеличивать интенсивность падающего света, то начиная с некоторого значения интенсивности (порога) ситуация резко меняется. Дело в том, что наличие в материале кроме падающей еще и рассеянной световой волны увеличивает вероятность рассеяния. Совместное воздействие падающей и рассеянной волны благодаря некоторым механизмам (например, явлению электрострикции в твердых телах) приводит к возникновению новых неоднородностей плотности вещества, то есть к появлению новых фононов, на которых, в свою очередь, рассеивается падающая волна. Как только рассеяние становится настолько эффективным, что начинает превосходить затухание света, так рассеивание начинает лавинообразно нарастать, и интенсивность рассеянного света быстро становится сравнимой с интенсивностью падающего. Процесс с участием акустических фононов, когда активную роль играет рассеянный свет (рис. 1), называется вынужденным рассеянием Манделыптама-Бриллюэна (ВРМБ).
Усиление ВРМБ в световодах можно использовать для усиления слабых сигналов, частота которых смещена от частоты накачки на величину сдвига vB. Однако из-за исключительно узкой полосы усиления ВРМБ (Д vB < 100 МГц) полоса пропускания такого усилителя обычно меньше 100 МГц, в то время как в усилителях Рамана полоса составляет приблизительно 5 ТГц. По этой причине, несмотря на возможность заметного усиления при мощности накачки лишь в несколько милливатт, усилители ВРМБ до недавнего времени не привлекали большого внимания. Активность, заметная в этой области в последнее время, объясняется в основном потенциальной возможностью применения таких усилителей в системах связи.
Несколько примеров применения усилителей
1. Усилитель Бриллюэна в качестве оптического фильтра
Любой усилитель с шириной полосы, меньшей чем разнесение каналов, можно использовать в качестве оптического фильтра. Это делает его пригодным для выделения нужных каналов вещания на промежуточных станциях. Настройка достигается изменением длины волны, соответствующей пику усиления. Стимулированное рассеяние Бриллюэна (SBS) можно использовать для выборочного усиления канала, так как полоса усиления относительно мала (~100 МГц). Эффект SBS также включает взаимодействие оптических и акустических волн и определяется теми же законами сохранения энергии и количества движения, которые характерны для акустооптических фильтров.
Чтобы использовать усиление SBS в качестве перестраиваемого оптического фильтра, немодулированный луч накачки подается на приемном конце оптического волокна в направлении, обратном распространению многоканального сигнала, и длина волны накачки изменяется для выбора сигнала. Луч накачки передает часть своей энергии каналу, сдвинутому вниз по частоте от частоты накачки точно на величину сдвига Бриллюэна (около 10 ГГц при длине волны 1,55 мкм). В этом подходе настраиваемый лучом накачки лазер является исходным. Скорость передачи каждого канала ограничена значением 100 Мбит/с, если использовать узкополосный сигнал накачки. Полосу можно увеличить, расширяя спектр накачки, так как при этом ширина полосы усиления SBS также увеличивается.
Возможная реализация усилителя Бриллюэна в качестве оптического фильтра для 4-канальной системы приведена на рис. 2. Приведем пример использования усилителя для 4- канальной системы вещания. Имеются четыре различных канала (может быть как телевизионный сигнал, так и сигнал радиовещания, важно лишь ограничение скорости передачи до 100 Мбит/с) и необходимо в пунктах выделить по одному каналу в каждом. Для этого достаточно установить усилитель Бриллюэна и настроить его на выделение требуемого канала. Здесь отсутствует промежуточное преобразование оптика -электроника - оптика, что позволяет уменьшать накопление ошибок. Схема такой системы приведена на рис. 3.
2. Применение усилителя Бриллюэна при когерентном приеме
Узкий диапазон частот этих усилителей может быть использован в когерентных системах передачи по оптическому волокну. Основная идея -усилить оптическую несущую отдельно, оставляя боковые полосы модуляции неусиленными; усиленная несущая действует как местный генератор, фаза которого автоматически соответствует фазе, передаваемой несущей. Усилители Бриллюэна идеально подходят для этой цели, поскольку имеют узкий диапазон частот. Схема (рис. 4) хорошо работает при скоростях передачи меньше 100 Мбит/с, потому что боковые полосы модуляции выходят за пределы полосы усилителя и оптическая несущая усиливается избирательно.
Волоконные усилители Бриллюэна могут быть также использованы в качестве предварительных усилителей для улучшения чувствительности приемника.
Опубликовано: Журнал "Broadcasting. Телевидение и радиовещание" #7, 2006
Посещений: 14972
Автор
| |||
В рубрику "Оборудование и технологии" | К списку рубрик | К списку авторов | К списку публикаций
