Конструкции, принцип действия, основные характеристики полупроводниковых оптических усилителей для цифровых систем передач

Полупроводниковые усилители строятся в основном по двум схемам:

• Traveling-Wave (TW SOA) усилители бегущей волны, в которых эффект оптического усиления наблюдается при распространении входного излучения в инверсной среде активного слоя с просветленными, т.е. не отражающими торцами

• Vertical-Cavity SOA (VCSOA) резонансные усилители, в которых эффект усиления и отсутствие лазерной генерации обеспечивается за счет того, что уровень постоянного тока накачки в рабочем режиме выбирается близким, но все-таки ниже порогового значения.

Полупроводниковые оптические усилители также нашли применение в телекоммуникационных оптических системах в виде усилителей мощности (BOA, Booster Optical Amplifier) и универсальных усилителей (SOA, Semiconductor Optical Amplifier). Усилители представляют собой многослойные полупроводниковые кристаллы, в средней части которых находится p-n-переход, накачиваемый носителями зарядов (электронами и дырками). Эта среда с избыточным содержанием электронов и дырок служит каналом усиления оптических сигналов, подаваемых на один из двух торцов. При прохождении сигнала фотоны усиливаются благодаря вынужденному этим сигналом процессу рекомбинации электронов и дырок. Однако в этом потоке усиливаемых фотонов образуются также и случайные по времени, фазе и частоте фотоны из-за случайных рекомбинаций электронов и дырок, что вызывает оптический шум или шум спонтанной эмиссии (ASE).

Структура полупроводникового элемента

В усилителях типа BOA, в отличии от SOA, применяется высокоэффективный канал усиления на основе InP/InGaAsP Multiple Quantum Well (MQW), который позволяет заметно, снизить уровень шума.

Схема полупроводникового усилителя.

В большинстве SOA используются волноводные гетероструктуры, активная (усиливающая) среда представляет собой тонкий слой материала, расположенный между слоями материала с более широкими запрещенными зонами. В современных конструкциях используются антиотражающие покрытия и наклон торцов волновода относительно нормали к оптической оси усилителя. Эти меры позволяют уменьшить коэффициент отражения от торцов до значения меньше чем 0.001%. Поскольку потери на отражение меньше усиления, то паразитная лазерная генерация не возникает.

Усилители бегущей волны (УБВ (TW SOA)) могут быть реализованы с достаточно большим коэффициентом усиления (около 30 дБ) широкой полосой (около 5..10 ТГц), т.е. более 40 нм в районе 1300 нм. Именно такие усилители применяется в телекоммуникационных приложениях

Усилитель бегущей волны частотная характеристика

Антиотражающее покрытие торцов кристалла BOA или SOA, и также скошенный канал усиления позволяют устранить отражения сигнала от торцов и образования среды с лазерной генерацией, как в лазере типа F-P, что позволяет формировать равномерное усиление в широком диапазоне волн.

Конструкции усилителей бегущей волны с активным слоем и подавлением отраженных лучей

Для ввода и вывода оптического излучения используются одномодовые волоконные световоды двух типов: без сохранения поляризации сигнала типа SMF и с сохранением или приданием поляризации типа PMF. При этом волоконные световоды могут представлять собой отрезки волокон до 1–1,5 м с оконцеванием разъемными соединителями FC/APC или без них для сварки.

Конструкция SOA в корпусе типа с волоконными оконцованными выводами

Резонансный усилитель Фабри–Перо имеет слишком узкую полосу усиления на уровне -3 дБ от максимального (менее 10 ГГц) и мало пригоден для оптических систем передачи. Соотношение полос частот усиления для УБВ и усилителя Ф–П приведено на рисунке ниже.

Схема усилителя резонансного типа

Частотная характеристика усилителя резонансного типа Фабри-Перо

Сравнение спектральных характеристик усиления TW SOA и VCSOA

Пригодные для оптических систем передачи усилители бегущей волны (TW SOA) имеют разные коэффициенты усиления для продольных и поперечных мод (мод ТЕ и ТМ). Поэтому усилители выполняются из двух кристаллов с ортогональным расположением активных усиливающих слоев.

Усиление для продольных и поперечных мод в УБВ

Таблица. Характеристики полупроводниковых усилителей выполненных из различных материалов

Типичные обобщенные характеристики SOA

Нелинейные искажения сигналов из-за насыщения усиления полупроводниковых усилителей

В полупроводниковых усилителях наблюдаются нелинейные искажения оптических сигналов, вызываемые совместным действием временных изменений усиления и взаимосвязью коэффициента усиления и показателя преломления.

В англоязычной литературе этот эффект называется «saturation-induced non-linearity», что можно перевести на русский язык как «нелинейности, обусловленные насыщением».

Нелинейности, обусловленные насыщением, могут существенно ухудшить качество работы систем оптической связи, т.к. время жизни носителей заряда, T_cc (0.2-0.5 ns) полупроводниковых усилителей (SOA), сопоставимо с длительностью оптических импульсов в системах связи. В результате очень быстрого насыщения усиления в SOA коэффициент усиления переднего фронта и спада оптических импульсов оказываются разными. Временная зависимость коэффициента усиления в общем случае зависит от временной формы импульсов, а степень насыщения зависит от отношения энергии импульсов к энергии насыщения SOA.

Типичное значение мощности насыщения SOA равно примерно 30 мВт (не путать с 3 дБ насыщением, равным 10-15 мВт).

Такое временное поведение полупроводникового усилителя может приводить к появлению искажений, зависящих от последовательности символов (pattern effects), поскольку усиление в некоторый момент времени зависит от того, какой символ был предыдущим.

Важно отметить, что рассмотренное явление наблюдается в усилителях любого типа, в том числе в EDFA, но в SOA оно проявляется наиболее сильно из-за совпадения времени релаксации (насыщения) и характерной длительности единичного информационного сигнала.

Специфической особенностью работы SOA является также возникновение частотной модуляции и частотного сдвига из-за взаимосвязи между амплитудными и фазовыми характеристиками SOA. Причина этого заключается в том, что оптический импульс, усиливаясь в SOA, уменьшает плотность носителей заряда и, тем самым, изменяет показатель преломления полупроводника.

Влияние нелинейных искажений в усилителе на работу систем связи

В стандартных одноканальных оптических системах связи типа точка-точка использующих амплитудные форматы модуляции без возвращения к нулю (NRZ) основной источник искажений в усилителе – эффект зависимости усиления от последовательности сигналов (pattern effects) а также, в меньшей степени индуцируемая SOA частотная модуляция (чирп). Эти эффекты проявляются и в системах связи, использующих формат с возвращением к нулю (RZ). В этом случае к заметному ухудшению качества передачи информации может привести зависящий от насыщения частотный сдвиг. При линий связи с накопленной дисперсией отличной от 0 частотные сдвиги превращаются во временной джиттер, ограничивающий дальность работы систем связи. Этот эффект наиболее сильно проявляется в системах связи, использующих нелинейные режимы распространения, например в солитонных линиях связи. Это связано с тем, что в солитонных линиях связи энергия импульсов поддерживается на значительном уровне и дисперсия линии отлична от нуля.

Для ослабления нелинейных искажений, вызванных насыщением, можно использовать усилители в линейном режиме, либо применить технику оптической стабилизации коэффициента усиления (gain clamping). В первом случае необходимо обратить внимание на накопление шумов усиленного спонтанного излучения (ASE).

При уровне выходной мощности (1-5 мВт) и дисперсии близкой к нулю экспериментально продемонстрировано высокое качество работы систем связи как с NRZ так и с RZ-форматами модуляции при длине линии связи до 400 км.

Типовые применения BOA:

• в составе систем передачи: выходные усилители излучения лазеров в передатчиках;

• компенсаторы потерь оптической мощности таких пассивных устройств, как мультиплексоры и демультиплексоры

• оптические фильтры.

Типовые применения SOA:

• в составе систем передачи: линейный усилитель вместо регенератора;

• предусилитель перед фотодетектором;

• быстрый оптический коммутатор

• управляемая коммутационная ячейка (время переключения ~1 нс).

Выводы

Полупроводниковые усилители отличаются малыми размерами и в них используется электрическая накачка. Они дешевле других типов усилителей (по крайней мере RAMAN) и допускают интеграцию с полупроводниковыми лазерами, модуляторами и другими устройствами. Однако по техническим характеристикам они все еще уступают эрбиевым усилителям: у SOA шум больше, усиление меньше, есть некоторая поляризационная чувствительность и присутствуют значительная нелинейность, обусловленная быстрой релаксацией носителей заряда (порядка ноносекунд и менее). Недавно были разработаны так называемые «Линейные оптические усилители» (Linear optical amplifiers), в которых используется технология оптической стабилизации коэффициента усиления (gain-clamping techniques).