Урядов В.Н. Волоконно-оптические системы передачи
Подождите немного. Документ загружается.
что частота излучения накачки выше частоты сигнала. Для кварца эта разность
составляет 13 ТГц (для первой стоксовой компоненты).
Обратимся к зависимости рамановского коэффициента gR от частоты,
представленной на рисунке 10.12. Как видно из графика, зависимость дц(ис) весьма
неравномерна. Для выравнивания амплитудно-частотной характеристики, а также
расширения полосы усиления следует производить накачку не на
одной частоте или
длине волны, а на двух-трех длинах волн. Для перекрытия всего диапазона
1530^1570 нм накачка осуществляется от двух лазеров с длинами волн
соответственно 1445 и 1456 нм. Для дальнейшего расширения полосы применяются
длины волн 1427 и 1462 нм и др.
Рисунок 10.12 - Зависимость рамановского коэффициента gR от частоты
В настоящее время полупроводниковых лазеров, способных излучать на
перечисленных длинах волн мощность более 0,2 Вт, не существует. Как было
отмечено выше, для получения достаточно высокого коэффициента усиления,
мощность излучения накачки должна составлять 0,5-0,8 Вт. Для получения
такой мощности излучения на нужных длинах волн используются многокаскадные
схемы
преобразования излучения от иттербиевых волоконных лазеров (мощностью
в несколько ватт) в стоксово излучение на требуемой длине волны.
На рисунке 10.13 представлена схема такого каскадного преобразования. Во
входной торец ОВ (на схеме - слева) вводится излучение иттербиевого лазера на
длине волны 1060-1100 нм. Поскольку мощность иттербиевого лазера достаточна
для возбуждения нескольких стоксовых компонент рамановского
излучения, то,
распространясь в ОВ, излучение накачки последовательно возбуждает
составляющие на необходимых длинах волн. Обеспечить это можно с помощью
оптических селективных зеркал в виде дифракционных решеток Брэгга, нанесенных
на боковой поверхности ОВ. Частоты (точнее длины волн) настройки зеркал
указаны на схеме. При подобном каскадном включении фильтров»зеркал длина
волны излучения на выходе рамановского лазера составляет 1455 нм. Излучение
вводится в один из входов оптического мультиплексора ОМл.
Рисунок 10.13 - Схема каскадного преобразования
В результате рамановского усиления в информационном волокне линии на
участке Ь2(^з,^4) до точки R0 не только повышается уровень мошности оптического
сигнала, но и значительно снижается степень уменьшения отношения мощности
оптического сигнала к мощности оптического шума (OSNR).
На рисунке 10.14 представлены кривые зависимости отношения оптической
мощности сигнала к оптической
мощности шума (OSNR) от длины линии для двух
случаев -с ВКР-усилением (непрерывная линия) и без него (пунктирная). Сравнение
двух кривых показывает, что с увеличением длины линии, т.е. затухания сигнала,
OSNR без ВКР-усиления линейно падает от 58 до ~37 дБ, а при включенном ВКР-
усилении OSNR отклоняется от линейного уменьшения и, начиная с
расстояния ~90
км, снижение OSNR прекращается, превышая примерно на 7 дБ OSNR без ВКР-
усиления.
Таким образом, анализ работы, а также свойств параметров ВКР-усилителей
показывает, что их использование в ВОСП существенно увеличивает дальность
передачи, а также длину регенерационной секции.
Рисунок 10.14 - Кривые зависимости отношения оптической мощности сигнала
к оптической мощности шума (OSNR) от длины линии
11. ВНЕШНЯЯ МОДУЛЯЦИЯ И МОДУЛЯТОРЫ [18, 19, 22]
Прямая модуляция применима не только к СД и полупроводниковым
лазерам. В принципе её можно использовать и для других типов лазеров. Если для
модуляции полупроводникового лазера управляют инжекционным током, то у
лазеров с оптической накачкой изменяют излучение накачки, а при других способах
возбуждения лазеров управляют соответствующим
возбудителем. Можно
регулировать также добротность или резонансную частоту оптического резонатора,
что приводит к модуляции выходного излучения по интенсивности либо частоте.
Для безынерционной модуляции без искажений с малой глубиной
полупроводникового лазера частота модуляции должна быть
1
1
−<
n
p
I
I
ττ
ω
, где
n
I
- пороговый ток. В полупроводниковых лазерах электроны имеют короткое
рекомбинационное время жизни
c
9
10
−
≈
τ
, а потери в оптическом резонаторе
настолько велики, что фотоны затухают еще быстрее с
c
p
12
10
−
≈
τ
. При этих
значениях времени жизни возможна прямая модуляция полупроводникового лазера
с достаточно высокой частотой.
Для твердотельных лазеров с оптической накачкой и газовых лазеров
величины
τ
и
p
τ
намного больше, а именно у Nd-YAG-лазера
c
3
10
−
≈
τ
и
c
p
8
10
−
≈
τ
, а
у He-Ne-лазера
c
7
10
−
≈
τ
и
c
p
9
10
−
≈
τ
. Такие большие времена жизни ограничивают
прямую модуляцию этих лазеров столь низкими частотами, что она теряет
практическое значение. Медленно протекают и переходные процессы при
включении и выключении твердотельных лазеров.
Обычно излучение твердотельных лазеров с оптической накачкой и газовых
лазеров модулируется внешними модуляторами, отделенными от лазеров. В этих
модуляторах используются материалы, у которых либо показатель преломления,
либо поглощение световой волны изменяется модулирующим сигналом. Управ-
ление показателем преломления основывается либо на электрооптическом эффекте
(на величину n влияет электрическое поле), либо на магнитооптическом эффекте
(на величину n действует магнитное поле), либо на пьезооптических эффектах (на
величину n влияют пьезоэлектрические изменения плотности). В модуляторах для
оптической связи используется преимущественно электрооптический эффект.
Материалы с выраженным магнитооптическим эффектом непрозрачны для света.
Пьезооптические модуляторы получаются сложнее, чем электрооптические, и более
громоздки.
Поглощение материала на световых волнах изменяется благодаря эффекту
Франца — Келдыша. Речь идет о смещении границы поглощения полупроводника в
электрическом поле, благодаря чему на частотах, примыкающих к этой границе,
поглощение меняется очень сильно. Итак, наиболее подходящим для внешней
модуляции света является электрооптический эффект и эффект Франца-Келдыша, на
которых работает
электроабсорбционные модуляторы. Поэтому данные эффекты и
основные на них модуляторы будут рассмотрены подробно.
11.1. Электрооптический эффект
Если к кристаллу приложено электрическое поле, его оптические свойства
меняются. При электрооптическом эффекте наблюдается как прямое влияние
электрического поля на поляризованность кристалла, так и посредством
деформации решетки. Оптические свойства кристалла без электрического поля
описываются полностью тремя показателями преломления —
x
n ,
y
n
,
z
n
, которые
соответственно справедливы для света, поляризованного в направлении осей
кристалла
zcybxa ≡≡≡ ,,
. Чтобы установить, как ведёт себя в кристалле свет с
определённым направлением распространения и поляризацией, используют
эллипсоид показателей преломления с полуосями
yx
nn ,
и
z
n
, показанный на рис.
11.1
1)/()/()/(
222
=++
zyx
nznynx
(11.1)
Рис. 11.1. Эллипсоид показателей преломления с эллиптическим свечением для
волновой нормали s; полуоси эллипса
1
n
и
2
n
Из плоскости, проходящей через начало координат, перпендикулярно нап-
равлению распространения света s, эллипсоид вырезает эллипс с полуосями
1
n
и
2
n
.
На компоненту световой волны, поляризованную линейно в направлении
1
n
,
действует показатель преломления
1
n
, а на компоненту, поляризованную в на-
правлении
2
n
действует показатель преломления
2
n
. Волновое число одной
компоненты
λ
π
2
11
nk =
, а другой
λ
π
2
22
nk =
. Материал преломляет свет с
поляризацией в направлении одной оси секущего эллипса, иначе чем свет с
поляризацией вдоль другой оси. Поэтому он считается двоякопреломляющим, а
явление в целом называют двойным лучепреломлением.
Под действием электрического поля эллипсоид показателей преломления
меняет ориентацию и величину своих полуосей. Ограничимся здесь линейным
электрическим эффектом, так как практически все электрооптические модуляторы,
используемые в оптической связи, работают на его основе. При линейном эффекте
эллипсоид показателей преломления в электрическом поле с компонентами
21
, EEEE
yx
==
и
3
EE
z
= получается из уравнения
∑
=
=++++++++
3
1
654
2
3
2
2
2
1
222
1)222()/()/()/(
k
kkkkkkkzyx
Exyrxzryzrzryrxrnznynx
(11.2)
Коэффициенты
jk
r
линейно зависящих от Е дополнительных членов называют
электрооптическими модулями. В силу симметрии кристалла большинство этих
коэффициентов исчезает для определенного кристалла. Ненулевые коэффициенты
сильно зависят от температуры и незначительно от длины волны. В табл. 11.1 даны
электрооптические модули (коэффициенты) для важнейших модуляторных
кристаллов при комнатной температуре на волне
1
=
λ
мкм
1
.
Кристаллы CuCl, ZnS, GaAs и ZnTe являются кубическими, т. е. изотропными
при отсутствии электрического поля с одинаковыми показателями преломления
0
n
для всех поляризаций. Тетрагональные кристаллы KDP, ADP и ВаТiO
3
, так же как и
тригональные кристаллы LiTaO
3
и LiNb0
3
, вне электрического поля одноосны, т. е.
для световых волн, распространяющихся в направлении оптической оси, они имеют
не зависящий от поляризации показатель преломления n
0
и при этом отсутствует
двойное лучепреломление. Во всех других направлениях распространения
показатель преломления зависит от поляризации волны. При распространении
перпендикулярно оптической оси и поляризации в направлении оси показатель
преломления равен
e
n . Эти простейшие кристаллы имеют эллипсоид показателей
преломления, симметричный относительно оптической оси (
z
c ≡
):
.1//)(
2
2
2
0
22
=++
e
nznyx
(11.3)
Если кристаллы KDP и ADP модулируются электрическим полем
напряженностью
3
EE
z
=
в направлении оптической оси, то эллипсоид показателей
преломления преобразуется согласно
.1/)/()()/()(
22
0
2'2
0
2'
=+Δ−+Δ+
e
nznnynnx
(11.4)
причем оси х’ и у’ повернуты относительно осей х и у на 45° в плоскости ху.
Показатели преломления для поляризаций вдоль х' и y’ больше или меньше по
сравнению с
0
n на
.2/
363
3
0
Ernn =Δ
(11.5)
Таблица 11.1. Свойства электрооптических кристаллов
На рис. 11.2 показано два сечения эллипсоида показателей преломления:
при наличии и отсутствии поля
3
E . Для кубических кристаллов электрическое поле
в направлении оси с превращает сферическую поверхность показателей
преломления в эллипсоид вращения согласно (11.4) и (11.5); только показатель
преломления для поляризации в направлении с остается в этом случае равным
0
n .
Рис. 11.2. Сечения эллипсоида показателей преломления для:
а) KDP, ADP; б) LiTaO
3;
––––– электрическое поле отсутствует; – – – – с электрическим полем
3
EE
z
=
Для LiTaO
3
или LiNbO
3
поле напряженностью
3
E , направленное вдоль
оптической оси (
c
z
≡
), преобразует эллипсоид показателей преломления согласно
,1)/()/()/(
222
00
22
00
2
=Δ++Δ++Δ+
ee
nnznnynnx
(11.6)
причем
.2/,2/
333
3
313
0
3
0
ErnnErnn
ee
−=Δ−=Δ
Сечения этого эллипсоида плоскостями ху и xz также показаны на рис. 11.2.
Если вектор
3
E направлен по оптической оси, то кристаллы LiTaO
3
и LiNbO
3
остаются одноосными; для света, распространяющегося вдоль оптической оси,
двойное лучепреломление отсутствует. Кристаллы KDP и ADP, наоборот, благодаря
электрическому полю
3
E становятся двоякопреломляющими для волн, идущих в
направлении z. На свет, поляризованный в направлении х', действует показатель
преломления nn Δ+
0
, а в направлении у' — показатель преломления nn Δ−
0
.
11.2. Фазовая модуляция
Изменяя показатель преломления в электрическом поле, можно
непосредственно модулировать фазу света. В зависимости от того, идет свет в
направлении приложенного поля или перпендикулярно к нему, различают
продольный и поперечный электрооптические эффекты. Чтобы использовать
продольный эффект, электроды наносят на торцевые плоскости модуляторного
кристалла перпендикулярно оси с. Поскольку электроды должны быть прозрачными
для света, то их выполняют либо очень тонкими, либо в них делаются отверстия
достаточной величины для светового луча, как показано на рис. 11.3а.
При фазовой модуляции с использованием продольного эффекта в KDP или
ADP свет поляризуют в направлении одной из новых основных осей х' или у'. При
длине пробега L света в кристалле и продольном напряжении LEU
3
= получаем
сдвиг фаз
,/
63
3
0
λπϕ
Urn=Δ
(11.7)
который не зависит более от длины L.
Для использования поперечного эффекта плоские электроды помещают
перпендикулярно оси с на боковых сторонах кристалла, как показано на рис. 11.3б;
свет распространяется параллельно этим электродам. Фазовая модуляция при
поперечном эффекте в KDP или ADP реализуется при поляризации света
перпендикулярно оси с. Если толщина модулятора d, а поперечное напряжение
LEU
3
= , то фазовый сдвиг
)./(
63
3
0
λπϕ
dULrn=Δ
(11.8)
Можно увеличить сдвиг фаз при заданном напряжении, увеличив отношение
сторон L/d.
В тригональных кристаллах LiNbO
3
и LiTaO
3
знаки величин
0
n
Δ
и
e
n
Δ
одинаковы и
0
nn
e
Δ>Δ . Поэтому с этими кристаллами применим только поперечный
эффект и свет должен быть поляризован в направлении электрического
управляющего поля. Фазовый сдвиг в данном случае
)./(
33
3
λπϕ
dULrn
e
=Δ
(11.9)
Коэффициент
33
r для LiNbO
3
и LiTaO
3
в 3-4 раза больше, чем
63
r для KDP и
ADP. Поэтому LiNbO
3
и LiTaO
3
являются наиболее эффективными
модуляционными кристаллами.
11.3. Модуляция по амплитуде и интенсивности
Продольный и поперечный эффекты позволяют модулировать по амплитуде
световые волны с линейной либо круговой поляризацией. Для использования
продольного эффекта в KDP или ADP свет в соответствии с рис. 11.4а поляризуется
линейно в направлении х или у с помощью поляризатора. Тогда ортогональные
компоненты световых волн, направленные по осям x` и y` , движутся с разными
фазовыми скоростями. После прохождения через кристалл они оказываются
свинутыми по фазе, и их суперпозиция образует эллиптически поляризованную
волну. Она попадает в анализатор, который повернут на 90° по отношению к
поляризатору и пропускает поэтому только поляризацию, ортогональную исходной.
Коэффициент передачи – отношение мощностей света на выходе и входе – в таком
устройстве зависит от произведения
nL
Δ
следующим образом:
)]./4cos(1)[2/1(
λ
π
nLT Δ−=
(11.10)
Рис. 11.4. Электрооптическая модуляция интенсивности при линейно
поляризованном свете на входе: а) модулятор (М) с поляризатором (Р) и
скрещенным с ним анализатором (А); б) модуляционная характеристика при
синусоидальном управлении
На рис. 11.4б показана характеристика управления — зависимость
коэффициента передачи от напряжения, определяющая при синусоидальном
управляющем сигнале глубину модуляции света по интенсивности. Для малых
напряжений
nLU Δ~
коэффициент передачи пропорционален квадрату напряжения.