DOI: 10.22184/2070-8963.2020.88.3.54.59

Представлены ключевые интегральные характеристики удаленного эрбиевого усилителя и результаты их сравнения для усилителей на отечественном и импортном активном оптоволокне. Приводятся значения таких параметров, как коэффициент усиления и шум-фактор, играющих ключевую роль при проектировании линий связи. Показаны методики измерения сечений поглощения и люминесценции активного волокна, поясняются преимущества универсальной методики. Аргументируется вывод о том, что активное волокно производства ПАО "Пермская научно-производственная приборостроительная компания" по своим характеристикам не уступает импортным аналогам, которые применяются в удаленных эрбиевых усилителях.

sitemap
Наш сайт использует cookies. Продолжая просмотр, вы даёте согласие на обработку персональных данных и соглашаетесь с нашей Политикой Конфиденциальности
Согласен
Поиск:

Вход
Архив журнала
Журналы
Медиаданные
Редакционная политика
Реклама
Авторам
Контакты
TS_pub
technospheramag
technospheramag
ТЕХНОСФЕРА_РИЦ
© 2001-2025
РИЦ Техносфера
Все права защищены
Тел. +7 (495) 234-0110
Оферта

Яндекс.Метрика
R&W
 
 
Вход:

Ваш e-mail:
Пароль:
 
Регистрация
Забыли пароль?
Книги по связи
Листвин В. Н., Трещиков В. Н.
Другие серии книг:
Мир связи
Библиотека Института стратегий развития
Мир квантовых технологий
Мир математики
Мир физики и техники
Мир биологии и медицины
Мир химии
Мир наук о Земле
Мир материалов и технологий
Мир электроники
Мир программирования
Мир строительства
Мир цифровой обработки
Мир экономики
Мир дизайна
Мир увлечений
Мир робототехники и мехатроники
Для кофейников
Мир радиоэлектроники
Библиотечка «КВАНТ»
Умный дом
Мировые бренды
Вне серий
Библиотека климатехника
Мир транспорта
Мир фотоники
Мир станкостроения
Мир метрологии
Мир энергетики
Книги, изданные при поддержке РФФИ
Выпуск #3/2020
М.Жулидова, О.Наний, В.Трещиков, М.Цибиногина, Д.Шевцов, И.Шихалиев
ЭРБИЕВЫЕ УСИЛИТЕЛИ С УДАЛЕННОЙ НАКАЧКОЙ НА ОТЕЧЕСТВЕННОМ АКТИВНОМ ОВ
Просмотры: 2546
DOI: 10.22184/2070-8963.2020.88.3.54.59

Представлены ключевые интегральные характеристики удаленного эрбиевого усилителя и результаты их сравнения для усилителей на отечественном и импортном активном оптоволокне. Приводятся значения таких параметров, как коэффициент усиления и шум-фактор, играющих ключевую роль при проектировании линий связи. Показаны методики измерения сечений поглощения и люминесценции активного волокна, поясняются преимущества универсальной методики. Аргументируется вывод о том, что активное волокно производства ПАО "Пермская научно-производственная приборостроительная компания" по своим характеристикам не уступает импортным аналогам, которые применяются в удаленных эрбиевых усилителях.
ЭРБИЕВЫЕ УСИЛИТЕЛИ С УДАЛЕННОЙ НАКАЧКОЙ
на отечественном активном ОВ


М.Жулидова, инженер компании "Т8" / Zhulidova@t8.ru,
О.Наний, д.ф.-м.н., профессор МГУ, начальник научного отдела
компании "Т8",
В.Трещиков, к.ф.-м.н., генеральный директор компании "Т8",
М.Цибиногина, начальник бюро ПАО "ПНППК",
Д.Шевцов, заместитель директора НТЦ ПАО "ПНППК",
И.Шихалиев, инженер компании "Т8"

УДК: 681.7.068:621.375, DOI: 10.22184/2070-8963.2020.88.3.54.59

Представлены ключевые интегральные характеристики удаленного эрбиевого усилителя и результаты их сравнения для усилителей на отечественном и импортном активном оптоволокне (ОВ). Приводятся значения таких параметров, как коэффициент усиления и шум-фактор, играющих ключевую роль при проектировании линий связи. Показаны методики измерения сечений поглощения и люминесценции активного волокна, поясняются преимущества универсальной методики. Аргументируется вывод о том, что активное волокно производства ПАО "Пермская научно-производственная приборостроительная компания" по своим характеристикам не уступает импортным аналогам, которые применяются в удаленных эрбиевых усилителях.

ВВЕДЕНИЕ

Типичная DWDM-линия состоит из волоконных пролетов, между которыми расположены волоконно-оптические эрбиевые усилители (Erbium-Doped Fiber Amplifier – EDFA) с локальной накачкой. Они отличаются высокой эффективностью преобразования мощности накачки, низким шум-фактором NF и широкой полосой пропускания (до 40 нм). Для этих устройств, как правило, совместно используются накачка на длине волны 980 нм для обеспечения хорошего шум-фактора усилителя и накачка на длине волны 1480 нм с высокой энергетической эффективностью [1].

В эрбиевом усилителе с удаленной накачкой (Remote Optical Pumped Amplifier – ROPA) лазер накачки на длине волны 1 480 нм находится на расстоянии около ста километров. Накачка на длине волны 980 нм не используется из-за высоких потерь в оптическом световоде. Для того чтобы добиться максимальной эффективности преобразования накачки малой мощности, получить при этом высокий коэффициент усиления и низкое значение шум-фактора, рекомендуется применять для ROPA активные волокна, для которых характерны большое значение числовой апертуры и среднее значение концентрации ионов эрбия [2].

Рассмотрим характеристики и измерим параметры активного эрбиевого волокна производства ПАО "Пермская научно-производственная приборостроительная компания" (далее – ПНППК) с целью его использования в ROPA.

ИССЛЕДОВАНИЕ ЗАГОТОВКИ И ОПТИЧЕСКОГО ВОЛОКНА

Заготовка волокна была изготовлена по MCVD-хелатной технологии. Для снижения уровня кластеризации ионов эрбия в матрицу стекла сердцевины добавляли оксид алюминия. Кроме того, легирование сердцевины диоксидом германия позволило увеличить числовую апертуру в два раза по сравнению с числовой апертурой пассивных волокон, используемых для линий дальней связи. Показатель преломления алюмоэрбие­вогерманосиликатного стекла сердцевины заготовки оценивался согласно правилу аддитивности для четырехкомпонентного стекла. Элементный состав в поперечном сечении заготовки волокна определялся методом рентгеновского микро­анализа с помощью сканирующего электронного микроскопа. Измеренные концентрации оксидов алюминия и германия получили соответственно 3 и 9 масс % (безразмерная физическая величина, равная отношению массы компонентов смеси к массе смеси).

Содержание ионов эрбия в сердцевине заготовки оказалось меньше погрешности измерения данным методом. Концентрация ионов эрбия определялась методом оценки оптического поглощения в волокне на длине волны 1,53 мкм – 0,02 масс %. Расчетный профиль показателя преломления сердцевины заготовки через полученные концентрации совпал с профилем в заготовке, измеренным с помощью анализатора заготовок PK-2600 фирмы Photon Kinetics. Расчетное значение числовой апертуры в заготовке составило 0,20. Вытягивание световодов выполнялось с одновременным нанесением двухслойного акрилатного покрытия при температуре нагревателя печи вытяжной установки около 1 900 °C.
ИЗМЕРЕНИЕ И РАСЧЕТ ХАРАКТЕРИСТИК АКТИВНОГО ВОЛОКНА

A. Коэффициент усиления и шум-фактор

Ключевые интегральные параметры активного волокна, такие как коэффициент усиления G (1) и шум-фактор NF (2), определяют возможность повышения производительности при использовании усилителя на основе данного волокна.
(1)
(2)
, (3)
где Psin – входная мощность сигнала, Ps°ut – выходная мощность сигнала, Pnoiseout – выходная мощность шума, Δν – полоса частот сигнала, νs – частота сигнала, h – постоянная Планка.

Значения интегральных параметров играют ключевую роль при проектировании линий связи с ROPA.

На рис.1 изображена схема эксперимента по исследованию интегральных параметров эрбиевого усилителя на основе активных эрбиевых волокон (AEF – Active Erbium-doped Fiber). Проводились сравнительные исследования волокна ПНППК и активного волокна зарубежного производства.

Опорный сигнал представляет собой излучение на восьми длинах волн, равномерно распределенных в диапазоне 1 530–1 560 нм. Различные длины волн (каналов) объединялись с помощью активного мультиплексора, предусматривающего возможность перестройки канальных мощностей для создания выровненного сигнала на входе.

С помощью усилителя в сочетании с переменным аттенюатором EDFA+VOA1 можно изменять мощность входного сигнала в активное волокно в широком диапазоне. Мощность сигнала на входе в тестируемое активное волокно (AEF) варьировалась в диапазоне от –33 до 10 дБм. Попутно с сигналом в активное волокно посредством тонкопленочного мультиплексора WDM вводится излучение накачки на длинах волн 1473 и 1 480 нм. Мощность накачки координировалась с помощью переменного аттенюатора VOA2. Значение мощности накачки определялось с применением измерителя мощности PM и калиброванного сплиттера 90/10. Входной и выходной спектр сигнала регистрировался с помощью оптического анализатора спектра (OSA). Длина волокна ПНППК, как и длина волокна зарубежного производства, составила 9 м. Мощность накачки соответствовала 18 дБм.


По разности выходного и входного спектров сигналов вычисляются коэффициент усиления и шум-фактор усилителя. На рис.2 показан спектр усиления в С-диапазоне DWDM для различных мощностей входного сигнала при активном волокне 9 м и накачке 18 дБм. Сплошной линией отображены характеристики отечественного волокна производства ПНППК, пунктирной – параметры одного из импортных волокон.

На рис.3 показан спектр шум-фактора в С-диапазоне DWDM для входного сигнала различной мощности при активном волокне длиной 9 м и накачке 18 дБм. Сплошной линией отображены характеристики отечественного волокна ПНППК, пунктирной – параметры одного из импортных волокон.
Б. Сечение поглощения

Параметр, характеризующий усиление сигнала по мощности на коротком участке, – инкремент затухания γ(λ) – зависит от спектров сечений поглощения σa(λ), люминесценции σe(λ) и населенностей верхнего и нижнего энергетических уровней n2 и n1: γ(λ) = n2 σe (λ) – n1 σa (λ). В ходе экспериментальных исследований измерялись сечения поглощения и люминесценции активных волокон.

Для экспериментального определения спектра коэффициента поглощения с последующим пересчетом в спектр сечения поглощения была разработана универсальная методика, схема которой изображена на рис.4. Коэффициент поглощения вычисляется с помощью разностного измерения при двух различных длинах оптического волокна. С помощью данной методики можно получить спектр поглощения в широком спектральном диапазоне для любого оптического волокна (не обязательно активного).

Предварительно измеряется опорный спектр – источник излучения соединен с анализатором спектра напрямую волокном SMF-28. Затем волокно разрывается, чтобы вварить в него кусок активного волокна. Длина волокна должна быть такой, чтобы чувствительности анализатора спектра было достаточно для измерения прошедшей мощности излучения. Измеряется спектр I излучения, прошедшего через кусок исследуемого волокна.

На следующем шаге длина измеряемого волокна уменьшается. Для этого исследуемый материал разрывается и с каждой стороны остается по небольшому куску, необходимому для сварки этого волокна. Измеряется спектр II излучения, прошедшего через короткий кусок исследуемого волокна.

По разности спектров II и I определяется коэффициент потерь. Описанное разностное измерение позволяет избежать неконтролируемых потерь между волокном SMF-28 и исследуемым, что значительно улучшает погрешность измерения.
Еще один эффект, оказывающий влияние на точность измерения, – появление дополнительных мод в диапазоне небольших длин волн (менее 1 500 нм). Для измерения в одномодовом режиме и смещения длины волны отсечки используются дополнительные петли диаметром 5 см (3–4 петли).

В. Сечение люминесценции

Сечение люминесценции можно вычислить по методу Фюхтбауэра-Ладенбурга из спектра спонтанного излучения [3, 4]:
, (4)
где τ – время жизни фотонов на верхнем энергетическом уровне, n – показатель преломления, Р(λ) – мощность спектра спонтанного излучения.
Сечение поглощения связано с сечением люминесценции по формуле Маккамбера:
, (5)
где E0 – энергия перехода из первого возбужденного состояния в основное состояние, приблизительно 0,811 эВ [5], kБ – постоянная Больцмана.
Другим способом форму спектра поглощения можно рассчитать из спектра коэффициента поглощения:
, (6)
где α – коэффициент поглощения дБ/м, N – концентрация ионов эрбия в волокне.
В нашем эксперименте использовалась вторая методика вычисления сечения поглощения по измерению потерь в волокне.

РЕЗУЛЬТАТЫ

Определение ключевых интегральных параметров активного волокна, таких как коэффициент усиления и шум-фактор (рис.2 и 3), позволяет оценить вклад усилителя на данном волокне в производительность линии связи. По результатам выполненных измерений можно заключить, что отечественное волокно по своим характеристикам находится на уровне импортных образцов. В табл.1 приведены сравнительные (средние по спектру) значения коэффициента усиления и шум-фактора для активного волокна ПНППК и импортного аналога при следующих параметрах сигнала и накачки: мощность сигнала Рs = –18 дБм, длина волны накачек 1473 и 1480 нм, мощность накачки Рр = 18 дБм.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

На основе отечественного активного волокна ПНППК с оптимизированными для использования в удаленных эрбиевых усилителях характеристиками возможна реализация сверхдлинных однопролетных линий (>500 км) [6–7]. По характеристикам данное волокно не уступает зарубежным аналогам, которые применяются в удаленных эрбие­вых усилителях. Описанные методики измерения коэффициента усиления, шум-фактора, сечений поглощения и люминесценции позволяют точно оценивать характеристики активных волокон.

ЛИТЕРАТУРА

Листвин В.Н., Трещиков В.Н. DWDM-системы. – М.: ТЕХНОСФЕРА, 2017. 352 c.
Benyuan Z., David W.P. et al. Enabling fibre and amplifier technologies for submarine transmission systems // SubOptic 2016, TU2A.5.
Giles C.R., Desurvire E. Modeling Erbium-Doped Fiber Amplifiers // Journal of lightwave technology. 1991. V. 9. № 2. Р. 271–283.
Pedersen B. The design of erbium-doped fiber amplifiers // Journal of lightwave technology. 1991. V. 9. № 9. Р. 1105–1112.
Wysocki P.F. et al. Characteristics of erbium-doped superfluorescent fiber sources for interferometric sensor applications // Journal of lightwave technology. 1994. V. 12. № 3. Р. 550–567.
Starykh D. et al. 200 Gb/s per Channel Unrepeatered Transmission Over 520 km Terrestrial Fibers // IEEE PTL. 2019. V. 31. № 22. Р. 1799–1802.
Gainov V. et al. Record 500 km unrepeatered 1 Tbit/s (10 × 100G) transmission over an ultra-low loss fiber // Opt. Express. 2014. V. 22. № 19. Р. 22308–22313.
Chang D. et al. 100 G unrepeatered transmission over 626.8 km with a span loss in excess of 100 dB // Asia Communications and Photonics Conference 2015. 2015. P. 1–6.
 
 Отзывы читателей
Разработка: студия Green Art