TTS Moduł 11

Wzmacniacze i odbiorniki optyczne to kolejne elementy torów łączy optycznych, decydujące o ich parametrach, takich jak długość łączy i ich szybkość transmisji. Fala elektromagnetyczna poruszając się w rzeczywistym ośrodku jest zwykle silniej lub słabiej tłumiona. Co więc należy uczynić, aby ją wzmocnić? W zakresie pasm radiowych i mikrofalowych elektronicy postępują w sposób, który możemy już nazwać tradycyjnym. Fala zostaje skierowana do prowadnicy falowej i tam na jej drodze umieszczamy układ z tranzystorami mikrofalowymi, elementami aktywnymi, odpowiednio spolaryzowanymi. Umiemy tak dobrać tranzystor i jego otoczenie, aby wzmocnić sygnał elektryczny do odpowiedniego poziomu. Takie rozwiązanie nie może być stosowane w pasmach optycznych. Rozwiązaniem jest wprowadzenie fali do ośrodka aktywnego, aby tam zamiast zostać stłumioną, jak to zwykle ma miejsce, ulec wzmocnieniu. Droga do uaktywnienia ośrodka prowadzi przez inwersję obsadzeń, w jeden ze sposobów opracowanych przez konstruktorów laserów.

---

W pierwszej części wykładu opisane zostaną wzmacniacze optyczne, ze szczególnym uwzględnieniem wzmacniaczy światłowodowych, zasady działania i ich parametry. Druga część poświęcona jest fotodetektorom, a dokładniej mówiąc fotodiodom rozmaitych typów. Fotodioda p-i-n zostanie potraktowana ze szczególną uwagą. Na zakończenie omówione zostaną konstrukcja i parametry odbiorników optycznych wykorzystujących fotodiody p-i-n. Krótko zostaną opisane właściwości szumowe odbiorników optycznych.

---

Znając właściwości światłowodu wiemy, że sygnały transmitowane światłowodami są tłumione. Przy transmisji sygnałów cyfrowych stosowane są układy regenerujące, z wykorzystaniem układów elektronicznych. Ideę działania regeneratora ilustruje rysunek a). Przy transmisji sygnałów analogowych ta droga jest praktycznie niemożliwa. Demodulacja sygnału optycznego, jego wzmocnienie na drodze elektronicznej i ponowna modulacja mocy optycznej lasera są możliwe, ale w trakcie tych procesów stosunek sygnału do szumu ulegnie silnej degradacji. Wzmacniacz optyczny pozwala podnieść poziom transmisji sygnałów optycznych bez stosowania elektroniki, co pokazano na rysunku b).

---

Łącze optyczne tworzą: nadajnik i odbiornik połączone światłowodem jako medium transmisyjnym. Podstawowym problemem łączy do transmisji długodystansowej jest tłumienie sygnału przez światłowód. Wzmacniacz optyczny istotnie ułatwia rozwiązanie problemu. Zwiększenie mocy wyjściowej nadajnika, umieszczony za laserem wzmacniacz optyczny zwiększa o $20...30dB$ poziom mocy optycznej nadajnika, problem szumów jest mało istotny w tym miejscu, decydującym jest moc wyjściowa wzmacniacza optycznego. Zwiększenie poziomu mocy sygnału osłabionego transmisją, wzmacniacz umieszczony jest w torze optycznym, decydującym parametrem jest duże wzmocnienie wzmacniacza, na kolejnym miejscu należy umieścić niski poziom szumów, aby stosunek sygnał/szum nie uległ znacznej degradacji. Zwiększenie czułość odbiornika, przedwzmacniacz umieszczony przed odbiornikiem zwiększa czułość odbiornika, najważniejszym parametrem jest niski poziom szumów, potem wzmocnienie, poziom mocy wyjściowej jest mało istotny.

---

Optyczny wzmacniacz półprzewodnikowy SOA (ang. - Semiconductor Optical Amplifier) jest półprzewodnikowym laserem pracującym poniżej progu oscylacji. Podstawowym elementem wzmacniacza jest półprzewodnikowy obszar aktywny, pobudzany - tak jak w laserze półprzewodnikowym – prądem. Izolator optyczny uniezależnia wzmocnienie od odbić, rezonansowy filtr optyczny obniża poziom szumów wywołanych emisją spontaniczną. W praktycznych rozwiązaniach wzmocnienia wzmacniacza przekraczają $25dB$, natomiast znacznie poszerza się pasmo wzmacniacza, które teraz wynosi $\mathrm{\Delta }{f}_{3dB}=40...200nm$. Wzmocnienie $G(f)$ jest funkcją mocy wyjściowej, obserwuje się efekty nasycania. Wadą wzmacniaczy półprzewodnikowych jest znaczny ubytek wzmocnienia ze względu na straty połączenia ze światłowodami, który może przekraczać $10dB$. Z tego też względu produkowane są zintegrowane układy laser-wzmacniacz jako jedna struktura. Także opracowano układy odbiorników optycznych, w których wzmacniacz SOA jest zintegrowany z fotodiodą p-i-n. Dodajmy ponadto, że emisja spontaniczna obszaru aktywnego wzmacniacza istotnie zwiększa poziom szumów.

---

---

---

---

---

---