Материал: Элементы оптических систем связи

Уменьшение К при Р_вх = 1 мВт связано с насыщением усилителя. На кривой зависимости К(l) 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

.        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

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

.        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

.        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

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

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

.        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

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

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

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

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