Элементы оптических систем связи

Одним из основных факторов ограничивающих применение ЛАСС является воздействие помех естественного и искусственного происхождения, снижающих прозрачность атмосферы (туман, снег, дым и др.)

Теоретически дальность связи определяется соотношением:

(95)

где P_t пиковая мощность лазерного излучения,

P_r - пороговая мощность фотоприемного устройства,

S_r - площадь апертуры фотоприемного устройства (равна площади линзы объектива),

- длительность принимаемых импульсов,

- угол расходимости луча передатчика,

- суммарный коэффициент потерь сигнала в системе.

В формуле (89) не учитываются помехи, вызванные искажением сигнала, поскольку атмосферные шумы имеют спектр до 1 МГц, а скорость передачи более 1 Мбит/с.

Величина суммарного коэффициента потерь в выражении для дальности связи является самой неопределенной, т.к. зависит от состояния атмосферы и достоверными признаются только экспериментальные методы ее оценки.

В настоящее время при сохранении конкурентоспособной цены высокоскоростная ЛАСС принципиально реализуема для дальности не более 1-2 км. Пути повышения дальности следуют из формулы (95). Снижение порога чувствительности фотоприемника определяется состоянием элементной базы, либо применяемыми принципами приема.

Для увеличения дальности следует либо увеличивать диаметр линз, что существенно увеличивает цену системы, либо применять линзы Френеля большого диаметра, что усложняет эксплуатацию.

Уменьшение коэффициента потерь (с целью увеличения дальности) в атмосфере возможно лиши при использовании более длинноволновой части светового диапазона, где снижаются помехи, однако сегодня не существует ЛАСС на длинах волн более 950 нм.

Уменьшение угла расходимости требует не только усложнения настройки системы но и применения более дорогих объективов, что в ряде случает экономически не оправдано.

Сегодня эксплуатируется более 2 тыс. ЛАСС различного класса, выпускаемых Canon Inc., Laser Communications Inc, Jolt Communications Ltd, Freebird Communications Ltd, Modular Technology PLC, A.T. Schindler Communications, цена которых лежит в пределах 10 - 20 тыс. Долларов США. Дальность связи таких ЛАСС от 300 до 1200 м и обеспечивается в основном светодиодами, имеющими наработку на отказ порядка 70 тыс. часов. Наиболее дорогой (110 тыс. долларов США) и технологически совершенной считается ЛАСС Canobeam II (фирмы Canon) с дальностью до 4 км и со скоростью связи 155 Мбит/с.

Отечественные ЛАСС сегодня обладают наибольшей дальностью (порядка 10 км) при незначительной скорости передачи 115,2 Кбит/с с единственным поддерживаемым интерфейсом RS232. Большинство ЛАСС работает на дистанциях от 200 м до 4 км со скоростью передачи 2 Мбит/c. Разрабатываются и уже запущена в производство ЛАСС на 100 Мбит/с с дальностью 1,5 км (Воронежский НИИ связи). Кроме указанного НИИ активно работает над ЛАСС Институт лазерной физики Сибирского отделения Академии наук.

Главным ограничением ЛАСС кроме дальности (не более 10 км) является их абсолютная надежность.

Наилучшими параметрами эти системы обладают в космическом пространстве при организации информационного обмена. Такие лазерные космические системы связи (ЛКСС) в настоящее время разрабатываются в США (NASA), Японии (NASDA), Франции (SILEX), НПО космического приборостроения, РКК «Энергия» и работают со скоростями передачи информации и при дальностях 6 км и 40 тыс. км соответственно 1,2 Гбит/с и 128 Мбит/c.

11. Усилители фотоприемных устройств

В ПРОМ в качестве предварительных усилителей применяются в основном два типа усилителей: интегрирующие и трансимпедансные. Схема интегрирующего усилителя приведена на рис. 52. Входная цепь интегрирующего усилителя (ИУ) выполняется с использованием затвора полевого транзистора.

Рис. 52

Элементы входной цепи фотоприемного устройства представлены на рисунке как эквивалентные (R_Э, С_Э). Эквивалентное сопротивление определяется

1/R_э = 1/R₁ + 1/R₂ + 1/ + 1/R_д ,(96)

где R_т - сопротивление "затвор - исток",

R_д - сопротивление фотодиода,

R₁ - сопротивление смещения фотодиода, R₂ - сопротивление смещения транзистора. Эквивалентная емкость определяется:

С_э = С_д + С_т + С_п, (97)

где С_д - емкость фотодиода,

С_т - входная емкость транзистора,

С_п - паразитная емкость соединений Напряжение на входе усилителя без учета С_э

U_вх = I_фGR_э, (98)

где I_ф - фототок,

G - коэффициент усиления фотодиода (ЛФД). Напряжение на входе усилителя с учетом С_э

(99)

Напряжение на выходе усилителя

(100)

где К - коэффициент усиления усилителя. Совмещение усилителя с корректором может расширить до требуемой величину полосы пропускания входной цепи

(101)

Такой корректор может быть включен после усилителя и, обеспечить условие

U_вых = K₀I_фGR_э. (102)

Кроме того, между фотодиодом и транзистором могут быть включены дополнительные устройства противошумовой коррекции (рис. 53).

Рис. 53

Достоинства схемы фотоприемного устройства с интегрирующим (еще называемым высокоимпедансным) усилителем состоят в том, что может быть получена (благодаря коррекции) любая полоса пропускания, малые шумы, простота схемы для реализации, технологическая совместимость фотоэлемента и усилителя.

Недостатки этой схемы связаны с ограниченным динамическим диапазоном по входному сигналу и необходимостью индивидуального корректирования полосы частот усиления.

Схема трансимпедансного усилителя отличается от рассмотренной наличием отрицательной обратной связи (рис. 54).

Рис. 54

На рис. 55 представлена принципиальная схема входной цепи ФПУ с трансимпедансным усилителем (ТИУ).

Полоса частот пропускания фотоприемного устройства с ТИУ определяется из простого соотношения

,(103)

при условии, что R_OC << R_Э. Таким образом, выбором значений К и R_ОС может быть достигнута требуемая полоса частот усиления.

Достоинствами фотоприемного устройств с ТИУ являются:

- большой динамический диапазон входных сигналов;

- простота регулировки полосы частот усиления без дополнительных корректоров;

- простота настройки схемы.

Недостатками следует считать:

- возможную неустойчивость работы усилителя при разной глубине обратной связи в широкой полосе частот;

- уменьшенное соотношение с/ш на выходе усилителя из-за дополнительно шумящего сопротивления R_ОС.

Рис. 55

Необходимо заметить, что в случае применения p-i-n-фотодиодов порог чувствительности определяется шумами схемы усилителя. При этом шум полевого транзистора существенно меньше шума биполярного транзистора, однако биполярный транзистор обеспечивает лучшую передачу энергии высоких частот. В случае использования ЛФД шум схемы усилителя имеет меньшее значение, а при больших коэффициентах М (лавинного умножения) совсем не влияет на порог чувствительности фотоприемного устройства.

Рассмотрим несколько принципиальных схем фотоприемных устройств. При освещении фотодиодов V_D1 и V_D2 в фотоприемнике на рис. 56 [20] вырабатываются электрические токи i_g1 и i_g2, протекающие через R₃ и R₆ для V_D1 и через R₄ и R₆ для V_D2. Токи протекают по R₃ и R₄ и на входах операционных усилителей D_A1 и D_A2 возникают напряжения U_C1 ? i_g1R₃ и U_C2 ? i_g2R₄. На входе операционного усилителя D_A1 образуется напряжение, равное разности U_ВЫХ1= U_C2 - U_C1. По резистору R₆ протекают фототоки двух фотодиодов. На неинвертирующем входе образуется напряжение U_C3 ? R₆(i_g1 + i_g2), а на выходе D_A2 появляется напряжение U_ВЫХ2 = U_C1 + U_C2

Рис. 56

Фотоприемное устройство с подавлением постоянной и низкочастотной компонент фотосигнала приведено на рис. 57 [23].

Рис. 57

Входной МДП-транзистор 2 служит для ввода фототока i_ВХ в устройство, задания потенциала на приемнике и развязке фотоприемника 1 с остальным устройством. Через транзистор обратной связи 9 протекает ток обратной полярности i_об, который вычитается из тока i_вх. Согласованная пара транзисторов 5 и 6 образует делитель тока, причем подавляющая часть тока протекает через транзистор 5, а меньшая часть тока ответвляется в цепь обратной связи через транзистор 6. Коэффициент деления тока можно задавать, во-первых геометрией МДП-транзисторов 5 и 6; во-вторых, путем подачи разных, но близких напряжений смещений U2 и U4 на затворы указанных транзисторов. Ток i₀ c опорного источника 8 разряжает дополнительную емкость 7. Этот процесс способствует закрыванию транзистора 9 и уменьшению тока i_об. При этом разностный ток i_вх - i_об, возрастает и вместе с этим возрастает и ток i₄, который заряжает емкость 7 и приоткрывает транзистор 9. В установившемся режиме при любом постоянном входном токе i_вх токи i₀ и i₄ должны быть равны.

В работах [17, 18, 19, 21, 22] рассмотрены варианты интегральных реализаций усилителей на основе последних технологических достижений микроэлектронной промышленности.

Крупными поставщиками ПРОМ являются фирмы: Epitaxx Inc., Hamamatsu Corp., Hewlett-Packard, Hitachi, Honeywell Inc., Lasertron Inс., Laser Diode Inc., NEC Electronics Inc., OKI Semiconductors, Optek Technology Inc., Optical Communication Product Inc., Ortel Corp, Siemens Corp., Sumitomo Electric Industries Ltd., Toshiba и др. [5].

Повторители и оптические усилители ВОСС

Хорошо известно, что через каждые 50-100 км ВОЛС происходит ослабление оптического сигнала на 10-20 дБ, что требует его восстановления. До начала 90-х г. в действующих линиях связи единственным способом компенсации потерь в линии было применение регенераторов. Регенератор - это сложное устройство, включающее в себя как электронные, так и оптические компоненты. Регенератор преобразует световой сигнал в электрический, распознает его и производит электронное восстановление первоначальной формы сигнала, а затем вновь излучает оптический сигнал, передаваемый дальше по волокну. Пропускная способность сети или линии дальней связи с регенераторами ограничена возможностями электроники (на сегодняшний день предельная скорость обработки сигналов для электроники порядка 40 Гбит/с, а в 1986 г. она не превышала 1 Гбит/с). Интенсивные исследования (1985-1990 годах), ряд открытий и изобретений привели к появлению технически совершенных промышленных эрбиевых усилителей (Erbium-Doped Fiber Amplifier - EDFA). Усилители на волоконном световоде, легированном ионами эрбия (Er-doped fiber), обладают сочетанием уникальных свойств, обеспечившим им быстрое внедрение в системы дальней связи.

Среди этих свойств следующие:

- возможность одновременного усиления сигналов с различными длинами волн;

- непосредственное усиление оптических сигналов, без их преобразования в электрические сигналы и обратно;

- практически точное соответствие рабочего диапазона эрбиевых усилителей области минимальных оптических потерь ОВ на основе кварцевого стекла;

- низкий уровень шума и простота включения в ВОЛС.

В общем случае, ретранслятор выполняет функцию усиления оптического сигнала, и дополнительно (при цифровой передаче) может восстанавливать форму импульсов, уменьшать уровень шумов и устранять ошибки - такой ретранслятор называется регенеpaтopoм.

Типы ретрансляторов

По методу усиления оптического сигнала ретрансляторы подразделяются на повторители и оптические усилители.

Ретрансляторы детектируют оптические сигналы, преобразуют их в электронные сигналы, отделяют от них шумы и вновь ретранслируют в виде оптических сигналов, обычно с использованием электронных устройств.

Повторители занимают некоторое промежуточное положение между оптическими усилителями и регенераторами. С приходом полностью оптических усилителей использование повторителей в оптических сетях перестало быть повсеместным.

Электронно-оптический повторитель сначала преобразует оптический сигнал в электрическую форму, усиливает, корректирует, а затем преобразует обратно в оптический сигнал, рис. 58 а. Можно представить повторитель как последовательно соединенные приемный и передающий оптические модули. Аналоговый повторитель, в основном, выполняет функцию усиления сигнала и вместе с полезным сигналом усиливает входной шум. При цифровой передаче повторитель вместе с функцией усиления выполняет функцию регенерации сигнала, рис. 35б, поэтому блок регенерации содержит цепь принятия решения и таймер.

В блоке регенерации восстанавливается прямоугольная форма импульсов (рис. 59), устраняется шум, ресинхронизируется передача так, чтобы выходные импульсы попадали в соответствующие тайм-слоты.

Повторитель может не содержать таймера и не восстанавливать прямоугольную форму импульсов по определенному порогу, независимо от того, на какой скорости ведётся передача. Такие "средонезависимые" повторители применяются в локальных сетях, где имеет место асинхронный режим передачи.

а

б

Рис. 58

В локальных ВОСС повторители распространены больше, чем оптические усилители, хотя при построении оптических магистралей оптические усилители незаменимы.

Рис. 59

Оптический усилитель (ОУ) не осуществляет оптоэлектронного преобразования, а сразу производит усиление оптического сигнала, рис. 58б. ОУ не способны в принципе производить регенерацию оптического сигнала и в равной степени усиливают как входной сигнал, так и шум, добавляя к последнему и собственный шум.

Простота конструкции, в которой, преобладают пассивные компоненты и высокая надежность должны обеспечить низкую цену, так как число компонентов в ОУ меньше, чем в повторителе. Но реально цена ОУ сегодня выше повторителей и будет падать только с увеличением рынка продаж. Надежность ОУ является главным преимуществом при создании ретрансляторов для подводных ВОЛС. Кроме того, ОУ не привязан к скорости передачи, в то время как повторитель обычно исполняется для работы на определенной скорости, на которую конфигурируется таймер повторителя.

Повторитель принципиально работает с одним сигналом, в то время как ОУ может одновременно усиливать несколько оптических сигналов, представленных несколькими длинами волн (WDM сигнал) в пределах определенного интервала, который называется зоной усиления. Это позволяет наращивать пропускную возможность ВОЛС, на которой установлены ОУ, без добавления новых волокон.

Повторители для цифровых линий связи

Хотя повторители для цифровых линий связи могут быть независимыми от среды, большинство из них рассчитано на вполне определенный стандарт. В локальных сетях распространены повторители, преобразующие сигналы из многомодового (mm) в одномодовое (sm) волокно. Такие повторители получили название конвертеры. Широко распространены FDDI (100 Мбит/с) [8, 9], АТМ (155 Мбит/с), АТМ (622 Мбит/с) [10] sm/mm конвертеры.

Оптические усилители

Усилители являются устройствами, увеличивающими амплитуду и ширину спектра сигналов и способствуют поддержанию мощности сигналов на должном уровне при прохождении ими больших расстояний. К сожалению, они наряду с сигналами усиливают также шумы и искажения.

Различают три типа усилителей, в зависимости от участков сети, на которых они располагаются. Для усиления сигнала перед тем, как он поступит в сеть, непосредственно за передатчиком устанавливаются постусилители. Для компенсации ослабления сигналов через каждые 80-100 км ВОЛС устанавливаются линейные усилители. Предусилители, назначением которых является усиление сигнала до уровня мощности в пределах чувствительности приемного устройства, размещаются непосредственно перед приемником (см. рис. 60).

Рис. 60

Усилители используют принцип индуцированного излучения, аналогично лазерам. Существует пять типов оптических усилителей для различных областей применения (см. таблицу 2).

Таблица 2

№	Тип усилителя	Область применения
1	С областью Фабри-Перо	Усиление одного канала (одна )
2	На волокне с бриллюэновским рассеянием	Усиление одного канала
3	На волокне с рамановским рассеянием	Усиление нескольких каналов одновременно
4	Полупроводниковые лазерные усилители	Усиление большого количества каналов в широкой области дин волн одновременно
5	Усилители на примесном волокне	Усиление большого количества каналов в широкой области дин волн одновременно

1. Усилители Фабри-Перо. Усилители оснащаются плоским резонатором с зеркальными полупрозрачными стенками. Они обеспечивают высокий коэффициент усиления (до 25 дБ) в очень узком (1,5 ГГц), но широко перестраиваемом (800 ГГц) спектральном диапазоне. Кроме этого, эти устройства не чувствительны к поляризации сигнала и характеризуются сильным подавлением боковых составляющих (ослабление на 20 дБ за пределами интервала в 5 ГГц). В силу своих характеристик, усилители Фабри-Перо идеально подходят для работы в качестве демультиплексоров, поскольку они могут всегда быть перестроены для усиления только одной определенной длины волны одного канала из входного многоканального WDM сигнала.

2. Усилители на волокне, использующие бриллюэновское рассеяние. Стимулированное бриллюэновское рассеяние - это нелинейный эффект, возникающий в кремниевом волокне, когда энергия от оптической волны на частоте, скажем, f₁ переходит в энергию новой волны на смещенной частоте f₂.

Если мощная накачка производится на частоте f₁, стимулированное бриллюэновское рассеяние способно усиливать слабый входной сигнал на частоте f₂. Выходной сигнал сосредоточен в узком диапазоне, что позволяет выбирать канал с погрешностью 1,5 ГГц.

Усилители на волокне, использующие рамановское рассеяние. Принцип действия рамановских усилителей основан на эффекте Рамана, открытом индийским физиком сэром Чандрасекара Венката Раманом в 1928 году. Как известно, эффект Рамана заключается в изменении наблюдаемой частоты света при его рассеянии в прозрачном материале. (Явление комбинационного рассеяния света было открыто советскими физиками Г.С. Ландсбергом и Л.И. Мандельштамом на кристаллах и одновременно индийскими физиками Ч.В. Раманом и К.С. Кришнаном на жидкостях.)

Стимулированное рамановское рассеяние подобно бриллюэновскому но при нем частотный сдвиг между сигнальной волной и волной накачки (f₂ - f₁) больше, а выходной спектральный диапазон усиления шире, что допускает усиление сразу нескольких каналов в связи.

Обнаружить этот эффект можно наблюдая, например, за монохроматическим лазерным пучком при его прохождении через прозрачный газ, жидкость или твердое тело. В отсутствие промежуточных веществ лазерное излучение было бы одноцветным. Однако при столкновении света с веществом фотоны (в результате упругих столкновений с молекулами прозрачного вещества) теряют или приобретают энергию, в следствием чего возникают линии дополнительных цветов, называемых рамановским спектром, соответствующих увеличенным или уменьшенным длинам волн по сравнению с длиной волны первоначального излучением. Вид этого спектра зависит от природы вещества, рассеивающего свет.

Поскольку рамановский спектр не привязан к фиксированным энергетическим уровням, как в случае редкоземельных элементов, таких как эрбий, он может быть получен на любой длине волны в инфракрасной области, коль скоро имеется источник необходимого возбуждающего излучения. Эта особенность позволяет применять рамановские усилители во всем диапазоне передачи кремниевых ВОК.

Так как подобные усилители требуют большей мощности возбуждающего излучения (порядка одного ватта) и отрезков световодного кабеля большей длины, их стоимость по сравнению с усилителями EDFA (Erbium-Doped Fiber Amplifiers) оказывается более высокой. Тем не менее, их главным достоинством является способность обеспечить усиление оптических сигналов во всем диапазоне возможных частот передачи при использовании ВОК с низкими потерями, и поэтому на них может быть построена технология кремниевых усилителей, альтернативных PDFA (Praseodymium-Doped Fiber Amplifiers) или халькогенидным волоконно-оптическим усилителям в диапазоне 1,3 мкм. Благодаря недавним усовершенствованиям технологии получения «активных» волокон использование некоторых из них позволило получить усиление по мощности, достигающее примерно 0,06 дБ/мВт, что, будучи само по себе незначительной величиной по сравнению с известными величинами для EDFA (11 дБ/мВт), тем не менее представляет собой вполне разумную альтернативу при передаче данных в «не эрбиевых» диапазонах длин волн. На сегодняшний день усиление на основе эффекта Рамана играет важную роль в системах сверхдальней связи, которые расширили возможности передачи на дальние расстояния с 500 км между соседними повторителями до 1500 км и более.

Вместе с тем большие переходные помехи между усиливаемыми каналами представляют существенную проблему при разработке таких усилителей.

4. Полупроводниковые лазерные усилители (ППЛУ). Основу ППЛУ составляет активная среда, аналогичная той, которая используется в полупроводниковых лазерах [11, 12|. В ППЛУ отсутствуют зеркальные резонаторы, характерные для полупроводниковых лазеров. Для уменьшения френелевского отражения с обеих сторон активной среды наносится специальное покрытие толщиной /4 с согласованным показателем преломления, рис. 61.

Полупроводниковые лазерные усилители не получили широкого распространения, как усилители на примесном волокне, поскольку обладают двумя существенными недостатками.

Светоизлучающий активный слой ППЛУ имеет поперечный размер единицы микрон, тогда как светонесущей части ОВ значительно больше (~ 9 мкм - для одномодового волокна). Вследствие этого большая часть светового потока из входящего волокна не попадает в активную область и теряется, что уменьшает КПД усилителя. Увеличить КПД можно, поставив между входящим волокном и активной средой линзу, но это приводит к усложнению конструкции.

Рис. 61

Второй недостаток состоит в том, что коэффициент усиления ППЛУ зависит от поляризации и может отличаться на 4-8 дБ для двух ортогональных вариантов. Это существенная проблема, так как в стандартном одномодовом волокне поляризация распространяемого светового сигнала не контролируется. Мощность светового потока данной поляризации может флуктуировать вдоль длины. Отсюда вытекает, что коэффициент усиления ППЛУ зависит от неконтролируемого фактора. Можно уменьшить эту зависимость от поляризации путем установки двух лазеров - возможно как параллельное (требуется пара разветвителей), так и последовательное их подключение. Но это снова приводит к усложнению конструкции и росту стоимости.

Оба указанных недостатка устранятся только в случае, когда ППЛУ интегрирован с другими оптическими устройствами. В таком варианте и используются ППЛУ. Одна из возможностей - производство совмещенного светоизлучающего лазерного диода, непосредственно на выходе которого устанавливается ППЛУ.

Рис. 62

На рис. 62 приведена еще одна реализация источника мультиплексного многоволнового излучения, в котором ППЛУ используются в качестве широкополосного ОУ. Несколько узкополосных ППЛУ на разных длинах волн генерируют световые сигналы, которые мультиплексируются и размножаются посредством оптического разветвителя. ППЛУ (интегрированные с массивом лазерных диодов и оптическим разветвителем) устанавливаются на конечном участке, чтобы усилить ослабленные после разветвления оптические мультиплексные сигналы.

5. Усилители на примесном волокне. Оптические усилители этого типа наиболее широко распространен и является основным элементом в технологии полностью оптических сетей, поскольку он позволяет усиливать сигнал в широком спектральном диапазоне [13, 14, 15].

Рис. 63

На рис. 63 приведена схема такого усилителя, в которой слабый входной оптический сигнал (1) проходит через оптический изолятор (2), который пропускает свет в прямом направлении (слева направо), но не пропускает рассеянный свет в обратном направлении, далее проходит через блок фильтров (3), которые блокируют световой поток на длине волны накачки, но прозрачны к длине волны сигнала. Затем сигнал попадает в катушку с волокном, легированным примесью из редкоземельных элементов (4). Длина такого участка волокна составляет несколько метров. Этот участок волокна подвергается сильному непрерывному излучению полупроводникового лазера (5), установленного с противоположенной стороны, с более короткой длиной волны накачки. Свет от лазера накачки - волна накачки (6) - возбуждает атомы примесей. Возбужденные состояния имеют большое время релаксации, чтобы спонтанно перейти в основное состояние. Однако при наличии слабого сигнала происходит индуцированный переход атомов примесей из возбужденного состояния в основное с излучением света на той же длине волны и с той же самой фазой, что и повлекший это сигнал. Селективный разветвитель (7) перенаправляет усиленный полезный сигнал (8) в выходное ОВ (9). Дополнительный оптический изолятор на выходе (10) предотвращает попадание обратного рассеянного сигнала из выходного сегмента в активную область ОУ.

Активной средой ОУ является одномодовое волокно, сердцевина которого легируется примесями редкоземельных элементов с целью создания трехуровневой атомной системы, рис. 64. Лазер накачки возбуждает электронную подсистему примесных атомов. В результате чего электроны с основного состояния (уровень А) переходят в возбужденное состояние (уровень В). Далее происходит релаксация электронов с уровня В на промежуточный уровень С. Когда заселенность уровня С становится достаточно высокой, так что образуется инверсная заселенность уровней А и С, то такая система способна индуцировано усиливать входной оптический сигнал в определенном диапазоне длин волн. Если же входной сигнал не нулевой, то происходит спонтанное излучение возбужденных атомов примесей, приводящее к шуму.

Рис. 64

Особенности работы ОУ во многом зависят от типа примесей и от диапазона длин волн, в пределах которого он должен усиливать сигнал. Наиболее широко распространены ОУ на кремниевом ОВ, легированном эрбием. Такие ОУ получили название EDFA. Межатомное взаимодействие приводит к уширению уровней, что обеспечивает ОУ широкую зону усиления сигнала [16]. Наиболее широкая зона усиления (от 1530 до 1560 нм), соответствующая переходу h_CA в EDFA достигается при длине волны лазера накачки 980 нм.

В окне прозрачности 1300 нм усиление можно осуществить при использовании в качестве примеси празеодимия, однако такие усилители не нашли большого распространения.

Коэффициент усиления сигнала зависит от его входной амплитуды и длины волны. При малых входных сигналах амплитуда выходного сигнала линейно растет с ростом входного сигнала, коэффициент усиления достигает при этом своего максимального значения. Например, если входной сигнал 1 мкВт (30 дБм), то выходной сигнал может быть на уровне 1 мВт (0 дБм), что соответствует усилению в 30 дБ. Но при большом входном сигнале сигнал на выходе достигает своего насыщения, что приводит к падению коэффициента усиления. Например, на той же длине волны входной сигнал 1 мВт приведет к генерации выходного сигнала 20 мВт в режиме насыщения, что будет соответствовать коэффициенту усиления всего лишь 13 дБ.

На рис. 65 показано, как ведет себя коэффициент усиления К для EDFA в зависимости от длины волны и при различных значениях мощности входного сигнала (по материалам фирмы Corning).

Рис. 65

Уменьшение К при Р_вх = 1 мВт связано с насыщением усилителя. На кривой зависимости К() для малых значениях мощности входного сигнала заметны минимумы и максимумы. Отсутствие плато в широком диапазоне длин волн (от 1530 до 1560 нм) требует дополнительно на линейке ОУ устанавливать эквалайзеры с целью выравнивания амплитуд мультиплексных сигналов разных длин волн. В настоящее время ведется активный поиск путей выравнивания кривой усиления. Следует отметить, что построение усилителей с такими характеристиками является вопросом отработки технологии производства всех элементов усилителя.

Характерным для ОУ является широкополосный собственный шум (рис. 66), который главным образом связан со спонтанным излучением инверсно-заселенных уровней на примесных атомах и избежать его невозможно.

Разновидности усилителей EDFA

В коммерческих реализациях сегодня преобладают две разновидности ОУ EDFA с примесным волокном: на кремниевой основе, и на фтор-цирконатной основе [14]. Отличие указанных ОУ заключается только заготовочным волокном.

Рис. 66

Первыми на рынке появились ОУ EDFA на кремниевой основе, которые и определили их широкое использование благодаря возможности усиления WDM сигнала в широком спектральном интервале при приемлемых вносимых шумах на разных длинах волн. Сегодня оба типа указанных ОУ способны работать во всем диапазоне выхода оптического излучения эрбия от 1530 нм до 1560 нм. Однако ОУ на кремниевой основе не имеют такой ровной передаточной кривой коэффициента усиления, как усилители на фтор-цирконатной основе, рис. 67 (кривая выходной мощности, представляющей собой мощность входного шума, при отсутствии сигнала на входе).

Рис. 67

Из-за особенностей конструкции усилители EDFA вносят определенный шум в усиливаемый сигнал, снижая соотношение с/ш и ограничивая число каскадов и расстояние между двумя электронными регенераторами.

Этот недостаток не помешал дальнейшему развитию технологии и серийногo производства ОУ EDFA. Четырехволновое мультиплексирование в окне 1550 нм, появившееся всего несколько лет назад, сегодня уступает место мультиплексным, системами с числом волновых каналов более 40. Увеличение числа каналов уменьшает удельную мощность (мощности на канал) в выходном сигнале, которая снижается примерно на 3 дБ при удвоении числа каналов.

Усилители на кремниевой основе

Усиление DWDM сигнала в традиционных ОУ на кремниевом волокне связано с проблемой - нерегулярности коэффициента усиления как функции длины волны. На рис. 68 а (кривые выходной мощности (сигнала и шума) при поступлении на вход ОУ DWDM сигнала для ОУ: а - на кремниевой основе (наблюдается завал в окрестности 1540 нм); б - на фтор-цирконатной основе) показана кривая выходной мощности при усилении 16-канального мультиплексного сигнала со скоростью на канал STM-16 (2,5 Гбит/с). Как видно, на некоторых каналах сохраняется довольно высокое отношение с/ш (SNR), в то время как на других, особенно в районе 1540 нм, значение SNR низкое. В результате может оказаться, что DWDM сигнал, проходящий через ОУ на одних каналах (например, выше 1545 нм) будет имеет приемлемое SNR, а на других (район 1540 нм) не удовлетворительное для используемого приложения соотношение SNR.

Так как становление и развитие технологии усилителей EDFA на кремниевой основе произошло раньше, то сегодня большее распространение имеет именно эти разновидности EDFA. Ряд потребителей решают проблему завала кривой исключением области низкого усиления (от 1530 до 1542 нм), ограничиваясь более узким окном. Но это приводит в некоторых случаях к высокой плотности каналов, что нежелательно, так как с ростом плотности сильней начинают проявляться нелинейные эффекты (например, четырехволновое смешивание). Кроме этого, учитывая состояние дел по технологии фильтрации, стоимость выделения отдельных каналов из более плотного DWDM сигнала будет значительно выше.

Другим вариантом решения проблемы завала является намеренное предварительное селективное ослаблении входного сигнала (для получения более ровной картины амплитуд выходных сигналов и более согласованных значений SNR на разных каналах), но при этом приходится учитывать, что энергия на других каналах также перераспределяется.

а б

Рис. 68



В результате этого оптимизация системы становится сложной итерационной процедурой. Дополнительные сложности возникают, когда битовые скорости добавляемых или устраняемых каналов различны. Например, соотношение SNR для передачи STM-64 (10 Гбит/с) должно быть на 6 дБ больше, чем для передачи STM-16 (2,5 Гбит/с). В последнем случае, дополнительная мощность должна быть добавлена в канал STM-64.

Производители оборудования, учитывая эту проблему внедряют различные самооптимизирующиеся алгоритмы в элементы полностью оптической сети [17, 18]. Обеспечение возможности динамического оптического выравнивания по энергии между каналами важно не только для работы с EDFA на кремниевой основе, но и само по себе, поскольку позволяет значительно повысить надежность сети.

Усилители на фтор-цирконатной основе

Такие ОУ обладают более регулярным плато. Дело в том, что фторосодержащее волокно способно поглотить больше эрбия, что и приводит к улучшению профиля в области 1530 - 1542 нм, которая теперь доступна для усиления DWDM сигнала.

Рис. 68б показывает, насколько эффективно усиливается DWDM сигнал. Мультиплексированные каналы практически по всей полосе пропускания имеют близкие значения SNR, что существенно упрощает процедуру оптического балансирования при воспроизведении сигналов, когда каналы добавляются или удаляются.

У фтор-цирконатных ОУ EDFA есть один недостаток - выше (чем у кремниевого) уровень шума, что является следствием большей рабочей длины волны лазера накачки 1480 нм. Дело в том, что длина волны накачки 980 нм, характерная для кремниевого EDFA, не эффективна для работы флюоридного усилителя EDFA, поскольку на этой длине волны велико сечение поглощения, сопровождающееся возбуждением других состояний. Указанный недостаток проявляется при строительстве сверхпротяженных безрегенерационных сегментов с каскадом оптических усилителей, ограничивая расстояния между усилителями. В настоящее время определены пути преодоления этой проблемы, и производители собираются поставлять следующее поколение фтор-цирконатных усилителей EDFA, имеющих ровный профиль, низкий уровень шумов и более высокую надежность.

Сигналы с более низкими частотами можно усиливать, легируя волокна другим элементом - празеодимием, в результате чего получаются усилители на ОВ, легированных празеодимием (Praseodymium-Doped Fiber Amplifiers - PDFA). Эти усилители перспективны для усиления сигналов, передаваемых с использованием длины волны около 1300 нм. Аналогичным образом, рамановские усилители эффективно функционируют на длинах волн 1300, 1400 и 1500 нм. Весьма многообещающе применение этих усилителей в системах передачи цифровых данных, использующих мультиплексирование по длине волны высокой плотности (dense wavelength division multiplexing - DWDM).



Литература

1. Болушевский С.В.: Эффективный Интернет: Трюки и эффекты. - СПб.: Питер, 2009

2. Санкт-Петербургский гос. ун-т телекоммуникаций им. М.А. Бонч-Бруевича; отв. ред. Л.А. Медведева; ред. кол.: А.А. Костин и др.: Труды учебных заведений связи. - СПб.: Санкт-Петербургский гос. университет телекоммуника, 2009

3. Санкт-Петербургский гос. ун-т телекоммуникаций им. М.А. Бонч-Бруевича; отв. ред. Л.А. Медведева; ред. кол.: А.А. Костин и др.: Труды учебных заведений связи. - СПб.: Санкт-Петербургский гос. университет телекоммуника, 2009

4. Абилов А.В.: Закономерности развития регионального инфокоммуникационного комплекса. - М.: Горячая линия - Телеком, 2008

5. Санкт-Петербургский гос. ун-т телекоммуникаций М.А. Бонч-Бруевича; отв. ред. Л.А. Медведева; ред. кол.: А.А. Костин и др.: Труды учебных заведений связи. - СПб.: Санкт-Петербургский гос. университет телекоммуникаций, 2008

6. Санкт-Петербургский государственный ун-т телекоммуникации им. проф. М.А. Бонч-Бруевича: Труды учебных заведений связи. - СПб.: Санкт-Петербургский гос. ун-т телекоммуникаций им., 2008

7. Бардиян Д.В.: Работа на компьютере. Трюки и эффекты. - СПб.: Питер, 2007

8. Берлин А.Н.: Цифровые сотовые системы связи. - М.: Эко-Трендз, 2007

9. Санкт-Петербургский гос. ун-т телекоммуникаций М.А. Бонч-Бруевича; отв. ред. Л.А. Медведева; ред. кол.: А.А. Костин и др.: Труды учебных заведений связи. - СПб.: Санкт-Петербургский гос. университет телекоммуникаций, 2007

10. Голдман М.: Работа на компьютере. - СПб.: Питер, 2005

11. Кучников Т.В.: IP-телефония не для профессионалов. - М.: Новый издательский дом, 2005

12. Беллами Дж.: Цифровая телефония. - М.: Эко-Трендз, 2004

13. Балабанов И.Т.: Электронная коммерция. - СПб.: Питер, 2001

Размещено на Allbest.ru