Материал: Элементы оптических систем связи

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

. 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.

. 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 (½f₂ - f₁½) 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.

. 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 l/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.

. 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 hn_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