CC BY
58ВКВ0-2019 Стендовые
МНОГОКАНАЛЬНЫЙ УСИЛИТЕЛЬДЛЯ ДИАПАЗОНА 1430-1490 НМ
НА ОСНОВЕ СВЕТОВОДА, ЛЕГИРОВАННОГО ВИСМУТОМ Двойрин В. В. 12 Пушкарев Д. В. 2,3 Мазаева И. В. 3, Мелькумов М. А. 4, Турицын С. К. 12
1 Физический Факультет, Новосибирский государственный университет, Новосибирск, 630090, Россия 2Институт Фотонных Технологий университета Астон, университет Астон, Бирмингем, B4 7ET, Великобритания.
3 Физический факультет, МГУ им. М. В. Ломоносова, Москва, 119991, Россия 4 Научный центр волоконной оптики РАН, Москва, 11933, Россия.
* E-mail: d-push@yandex.ru
DOI 10.24411/2308-6920-2019-16216
Увеличение пропускной способности существующих оптоволоконных систем связи является одной из ключевых задач развития современных телекоммуникаций. Расширение спектрального диапазона их работы, ограниченного шириной полосы пропускания наиболее распространенных эрбиевых волоконных усилителей, работающих в области 1.55 мкм - т.н. С- и L- телекоммуникационных диапазонах, актуально для решения этой задачи. Широкие полосы оптического усиления новых, легированных висмутом, световодов позволяют разрабатывать волоконные лазеры и широкополосные усилители, работающие в О-, Е- и S- диапазонах [1-8].
В данной работе сообщается о создании прототипа многоканального усилителя для систем Coarse Wavelength Division Multiplexing (CWDM), или грубого спектрального уплотнения, с использованием активного световода, легированного висмутом, способного усиливать каналы излучения, принадлежащего E- и S-телекоммуникационным диапазонам. За исключением активного световода, применялись только коммерчески доступные оптические компоненты, предназначенные для использования в волоконных линиях связи.
В многоканальном усилителе использовался активный световод длиной 260 м с диаметром сердцевины и апертурой, соответствовавшими параметрам широко используемого для передачи информации в волоконных линиях связи световода SMF-28 (Corning Glass Inc.), концентрация атомов висмута не превосходила 0,02% [2]. Схема эксперимента представлена на Рис. 1. В качестве входных сигналов выступало непрерывное излучение лазерных диодов с рабочими длинами волн 1430, 1450, 1470 и 1490 нм и выходной мощностью 2,3, 2,2, 2,1 и 2,4 мВт, соответственно. После мультиплексирования сигналы объединялись с оптической накачкой, источником которой служил лазерный диод с рабочей длиной волны 1310 нм и выходной оптической мощностью до 300 мВт, и поступали в активный световод. Для изоляции каскада усиления использовались волоконно-оптические изоляторы. После усиления в активном световоде сигналы разделялись с остаточным излучением накачки, демультиплексировались и измерялись калиброванными полупроводниковыми детекторами излучения, позволяющими определять оптическую мощность. Суммарные оптические потери в компонентах усилителя (за исключением активного световода) составляли около 3 дБ и не учитывались при вычислении коэффициента усиления (КУ). КУ в спектральном канале усилителя определялся как отношение мощностей выходного и входного сигналов. Для определения шум-фактора усилителя регистрировались выходные спектры излучения.
Рис. 1. Экспериментальная схема, состоящая из излучающих сигнал лазерных диодов (1), мультиплексоров (2 и 10), изоляторов (3 и 8), волоконно-оптических объединителей (5 и 7), активного световода (6), входа и выхода оптической накачки (4 и 9, соответственно), поглотителя остаточной накачки (11) и оптических детекторов (12)
На Рис. 2 (а) представлен характерный вид зависимости КУ в спектральных каналах усилителя от мощности накачки. При работе только одного канала максимальный КУ достигал 14 дБ (выходная оптическая мощность 54 мВт) на длине волны 1430 нм, монотонно уменьшаясь в более длинноволновой области до величины 7.8 дБ на длине волны 1490 нм. При одновременной работе всех каналов КУ в каждом канале уменьшался по сравнению с одноканальным режимом работы, причем максимальный КУ достигался на длине волны 1450 нм и составлял 10,7 дБ, Рис. 2 (б). Суммарная выходная мощность каналов составила 63 мВт. Эффекты уменьшения КУ и спектрального сдвига максимального КУ при совместной работе каналов объяснялись выходом из режима усиления малого сигнала части активного световода, в результате чего сигнал заметно влиял на населенность возбужденного состояния активной среды. Суммарное увеличение мощности входного сигнала вело к уменьшению населенности возбужденного состояния и, соответственно, увеличению населенности ее основного состояния. Поскольку активная среда работает по частично трехуровневой схеме, то,
№6 2019 СПЕЦВЫПУСК «ФОТОН-ЭКСПРЕСС-НАУКА 2019» www.fotonexpres.rufotonexpress@mail.ru 411
ВКВО-2019- Стендовые
при увеличении суммарной мощности сигнала, на более короткой длине волны (1430 нм), где сечение поглощения из основного состояния больше, КУ становился меньше, чем на больших длинах волн (1450 и 1470 нм). Это позволяет предполагать увеличение КУ при использовании сигналов меньшей интенсивности либо при увеличении мощности накачки. Усиление малого сигнала в подобных активных световодах исследовалось ранее [5-8], в данной работе изучалось усиление при умеренной оптической накачке нескольких спектрально разнесенных сигналов, характерных по мощности для входных эрбиевых волоконных усилителей в линиях связи со спектральным уплотнением каналов.
-е-#
A A
A f
Я/А /? —e— 1430 HM
Hi • - ' i i i a -43— 1450 п м —A-- 1470нм •V- 1490 HM
э я к
-е-<&
у m ч \
m - -ф- используется одни канал т каналы не пользуются -Ç-1 одновременно N, ч \ \ *ч ч 3 Œ
а)
50 100 150 200 250 300 Мощность накачки, мВт
б)
1440 1450 146D 14Î0 1480 Длила пил I п,|, iiit
Рис. 2. Зависимость КУ от мощности накачки при работе усилителя в одноканальном режиме (а), и максимальные значения КУ в различным каналах усилителя для одноканального и многоканального режимов работыг (б)
Характерные спектры выходного излучения усилителя представлены на Рис. 3 (а), отношение сигнал/шум для спектрального максимума сигнала составляло не менее 50 дБ. Шум-фактор усилителя приведен на Рис. 3(б). Его величина на данный момент заметно превышает характерные значения шум-фактора в телекоммуникационных эрбиевых волоконных усилителях, что может частично объясняться неполной инверсией населенностей активной среды [9]. Дальнейшая оптимизация схемы, включая параметры активного световода, должна привести к существенному улучшению характеристик усилителей такого типа.
LÛ -20
И
о -40
m
s
X 0> -60
s
-80
-100
Рн = 37,6 мВт
Рн = Рн = 157 мВт 280 мВт
а)
1 400 1 410
1420 1 430 1 440 Длина волны, нм
1 450 1 460
Рис. 3. Спектр выходного сигнала на длине волны 1430 нм (а), и шум-фактор усилителя (б)
В данной работе сообщается о первой, насколько известно авторам, реализации многоканального усилителя для CWDM-систем на основе легированного висмутом световода, одновременно усиливающего оптические сигналы в E- и S- телекоммуникационных диапазонах. Продемонстрированное усиление сигналов с входной мощностью около 2 мВт на спектральный канал (1430, 1450, 1470 и 1490 нм) с максимальным КУ > 10 дБ и суммарной выходной мощностью до 63 мВт, обуславливает перспективность разработок на основе подобных световодов многоканальных усилителей, которые позволят существенно расширить пропускную способность современных телекоммуникационных линий связи со спектральным уплотнением каналов.
Литература
1. 2.
3.
4.
5.
6.
7.
8. 9.
Mikhailov, V., et al, Optical Fiber Communication Conference (OFC), OSA Technical Digest, paper M1J.4 (2019) Dvoyrin V. V., et al, In Conference on Lasers and Electro-Optics, p. STu1F.4. Optical Society of America (2016) Firstov, S. V., et al, Scientific reports, 6, pp. 28939 (2016) Thipparapu N. K., et al, Opt. Lett., 40(10), 2441-2444 (2015)
Dianov, E. M., et al, Optical Fiber Communication Conference (OFC), OSA Technical Digest, paper OMH1 (2011)
V. V. Dvoyrin, et. al, 18 th Intern. Laser Phys. Workshop (July 13-17, 2009, Barcelona, Spain), Book of abstracts, p.646 (2009)
Mashinsky, V.M., Dvoyrin, V.V., 2009IEEE LEOS Annual Meeting Conference Proc., Belek-Antalya, Turkey, pp 775-776 (2009)
Dvoyrin, V.V., et al, Quant. Electron, 39, p. 583 (2009)
A.CKypme, O.RHanm, Lightwave russian edition, 1,14-19 (2003)
412
№6 2019 СПЕЦВЫПУСК «ФОТОН-ЭКСПРЕСС-НАУКА 2019» www.fotonexpres.rufotonexpress@mail.ru
