Оптические системы связи и обработка информации

В развернутой MCI системе WDM были использованы производимые Nortel устройства - S/DMS Transport Node OC-192 пропускной способностью 10 Гбит/с. Они подключались к системам оптических повторителей, работающим на разных длинах волн (Multi-Wavelength Optical Repeater Systems), что и позволяло достичь пропускной способности 80 Гбит/с. В 1996 г. сотрудники корпорации Nippon Telegraph and Telephone (NTT) продемонстрировали экспериментальную систему, способную обеспечить полосу пропускания 400 Гбит/с.

Сверхкогерентный источник света (патентованная лазерная установка) генерирует последовательность импульсов длительностью в доли пикосекунды каждый, которые занимают непрерывный диапазон длин волн шириной свыше 200 нм. Демультиплексор WDM выбирает из светового потока четыре последовательности импульсов с разными длинами волн. Схема оптического TDM-мультиплексирования объединяет каждые 16 импульсов входной последовательности, обладающих пропускной способностью 6,3 Гбит/с, в один 100-Гбит/с сигнал. Затем WDM-мультиплексор из четырех полученных 100-Мбит/с сигналов формирует оптический сигнал, передающий 400 Гбит/с. После этого все сигналы усиливаются широкополосным волоконно-оптическим усилителем с эрбиевыми добавками (Erbium Doped Fiber Amplifier - EDFA) и транспортируются по оптоволоконной линии длиной 100 км.

На противоположной стороне оптический приемник с помощью WDM-демультиплексора разделяет 400-Гбит/с сигналы по четырем каналам на 100-Гбит/с составляющие с разными длинами волн. В каждом канале 100-Гбит/с сигнал в свою очередь расчленяется на два компонента: один поступает в схему восстановления тактовой синхронизации в составе системы фазовой подстройки частоты (phase-locked loop, PLL), где из сигнала извлекается задающий импульс с частотой 6,3 ГГц, а другой попадает в оптический TDM-демультиплексор, где 100-Гбит/с сигналы разветвляются по 16 каналам, передающим 6,3-Гбит/с сигналы.

В заключение оптико-электрический конвертер преобразует демультиплексированные оптические 6,3-Гбит/с сигналы в электрические, после чего специальные схемы оценивают коэффициенты битовых ошибок.

В начале (февраль, март) 1999 года концерн Siemens завершил тестирование системы передачи данных по одному оптическому волокну со скоростью 1,2 Тбит/с. В ходе экспериментов применялась технология уплотнения по длине волны (WDM). 60 каналов по 20 Гбит/с каждый использовались для одновременной передачи данных по оптическому волокну на расстояние 80 км. Эти 20-Гбит/с каналы формировались с использованием разработанного Siemens процесса Electronic Time Division Multiplexing (ETDM), позволяющего объединять различные потоки данных, помещая их в соответствующие временные слоты одного канала связи. Представители Siemens убеждены, что по различным каналам можно одновременно передавать трафик протоколов ATM, Gigabit Ethernet, SONET и др. Даже новейшие маршрутизаторы, включая изделия фирмы Juniper Networks и подобные им, не поддерживают достаточно высоких скоростей передачи данных или плотностей портов, чтобы полностью задействовать пропускную способность основанной на технологии WDM оптоволоконной сети.

Сложности WDM

Как и в случае любой новой технологии мультиплексирование по длине волны (WDM) имеет свою оборотную сторону, поскольку реализация данной технологии сопряжена с некоторыми техническими трудностями.

Это сложность адекватного контроля за конкретными волнами в системе, которые должны, кроме того, соответствовать полосе пропускания оптического фильтра. (Такие фильтры выборочно передают или блокируют волны определенных диапазонов, которые называются, соответственно, полоса пропускания и полоса запирания.). Затем, оптические усилители по-разному усиливают волны различной длины, а это приводит к неравномерному распределению мощности между различными каналами.

Кроме того, одна из главных проблем здесь - дисперсия. Импульс света состоит из множества частот, каждая из которых обладает своей скоростью. При дисперсии - а это явление наиболее ярко проявляется в случае дальней связи - одиночный короткий импульс размазывается по времени. Это размазывание означает, что окно, в которое он прибывает, становится все шире и шире. Таким образом, качество сигнала становится хуже, и вероятность ошибок возрастает.

Дисперсия начинает проявляться, когда протяженность линии превышает несколько сот километров или темп передачи превосходит уровень нескольких гигабит в секунду. Чем короче световой импульс, тем серьезнее проблема, потому что времени до прибытия следующего импульса остается меньше. Частично эта проблема решается посредством использования бездисперсионного оптоволокна как в межконтинентальной глубоководной связи.

Другая проблема возникает, когда сигналы WDM передаются по линии SONET (Synchronous Optical Network). Системы с применением технологий ATM и SONET, например, требуют решения ряда сложных задач управления сетью. Появление здесь плюс ко всему WDM добавляет еще один трудный в управлении компонент.

Необходимо тщательно продумать процедуру "передачи эстафеты" между технологиями. Если TDM-системы уже исчерпали все ресурсы действующих сетевых компонентов и средств коммутации, то развитие WDM еще идет по нарастающей. Главное препятствие на пути развертывания гибридных структур, целесообразных на переходном этапе, - это несоответствие между различными сетями с точки зрения администрирования и производительности. Кроме того, до сих пор еще не выработаны стандарты взаимодействия, призванные обеспечить совместимость WDM-продуктов разных производителей. В настоящее время исследовательская группа ITU 15/WP4 Q.25 занимается определением стандартного набора длин волн, на базе которого можно будет достичь требуемого взаимодействия аппаратных средств WDM.

Теоретически, например, одной волоконно-оптической нити достаточно для обслуживания всех телефонных разговоров, происходящих в США в течение дня. Однако сетевая инфраструктура современного типа и сами элементы сети (такие, как коммутаторы и маршрутизаторы) в своей работе связаны определенными внутренними ограничениями. Процессору маршрутизатора приходится выполнять большой объем действий с каждым пакетом. Он должен прочитать адрес назначения, решить, куда следует послать пакет, и направить его по соответствующему каналу.

Уровень требований к полосе пропускания растет стремительными темпами, чего нельзя сказать о возможностях коммуникационных инфраструктур - всех, кроме оптоволоконной. Кроме того, появляется еще другой потенциальный недостаток как с технической, так и с финансовой точки зрения. Увеличение емкости WDM системы может потребовать замены и других элементов сети.

Технологии WDM, DWDM и TDM требуют создания и применения новых элементов. К этим элементам предявляют более высокие требования по устойчивости их работы и качеству изготовления. Т.к. экспериментальное создание подобного оптического устройства требует больших капиталовложений нужно использовать компьютерное моделирование. Такие программы, как BeamPROP и iFROST позволяют достаточно точно моделировать различные волоконно-оптическое линии.

2. ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИХ УСИЛИТЕЛЕЙ, ПРИМЕНЯЕМЫХ В ВОСП

Волоконно-оптические системы передачи (ВОСП) начали широко использоваться в 1980-х. Каждое волокно передавало один поток импульсов, представляющих двоичные 1 и 0. Модель такой системы в 1980-х могла бы включать источник света, подключенный к нему волоконно-оптический кабель, и детектор света, удаленный на какое-то расстояние. Максимальное расстояние между источником и детектором зависело от уровня выходной мощности лазерного источника, потерь в оптических разъемах, в сростках, в волокне, а также от скорости передачи и чувствительности детектора света. Если нужно было увеличить длину линии связи, то устанавливали регенератор. Регенератор принимает искаженный оптический сигнал на свой вход и преобразует его в почти идеальную копию сигнала, похожую на ту, какая была передана предыдущим передатчиком. Этот регенерированный сигнал практически свободен от искажений. Функция регенерации выполняется полностью цифровым передатчиком и приемником. емкость этой системы связи могла составлять сотни мегабит в секунду. Эта полная емкость могла бы передаваться по одному волокну в одном направлении, для обеспечения полнодуплексной связи можно было бы использовать другое волокно, для передачи в противоположном направлении. При увеличении емкости в такой системе регенераторные секции становились короче и короче. Число активных элементов в такой схеме формирования системы заметно ухудшало доступность системы в целом. Кроме этого также возрастал уровень джиггера.

С появлением волоконно-оптических усилителей расширились возможности ВОСП. При наличии усиления в 20 дБ у такого усилителя волоконно-оптическая линия могла быть использована на значительно большую длину, прежде чем ей требовался бы регенератор, тем более, если можно было бы установить последовательно несколько таких усилителей. Использование усилителей позволило также использовать системы WDM, а также способствовало внедрению оптической коммутации.

Регенератор имеет два преимущества, которых не имеет усилитель. Усилитель не регенерирует цифровой сигнал, тогда как регенератор делает это. Преимущество здесь состоит в том, что на вход усилителя подается сигнал, в котором аккумулированы все формы искажений. Этот же цифровой сигнал, содержащий те же самые плюс добавленные усилителем шумы и искажения, выходит из усилителя. В противоположность этому, регенератор устраняет большинство искажений и ухудшений цифрового сигнала и подает на выход прямоугольную последовательность двоичных импульсов.

Второе преимущество регенератора состоит в том, что он имеет доступ к заголовку поля ОА&М (управления, эксплуатации и технического обслуживания) в SONET или SDH для обеспечения статуса регенератора и битового потока, проходящего через него. Этот статус сообщается в сетевой центр управления, ответственный за данную сеть. Это обеспечивает сетевому оператору прекрасную возможность для мониторинга и технического обслуживания.

Усилитель же не имеет такого легкого доступа к битовому потоку, так как он не занимается демодуляцией-демодуляцией двоичного потока, в отличие от регенератора.

Одно из преимуществ оптического усилителя над регенератором в том, что в многоканальной системе WDM на каждый канал требуется отдельный регенератор, тогда как на всю систему WDM требуется только один усилитель. Пусть, например, система WDM имеет 16 каналов. Тогда для этой конфигурации требуется 16 регенераторов и всего один оптический усилитель. Более того, оптический усилитель прозрачен по отношению к проходящему потоку бит, тогда как регенератор рассчитан на определенную скорость потока. При большой длине системы (например, больше 700 км) требуется использовать по крайней мере один регенератор для того, чтобы ослабить действие дисперсии и восстановить форму сигнала.

2.1 Физические основы функционирования оптических усилителей

На линейных оптических явлениях в оптическом волокне оптические усилители обеспечивают внутреннее усиление оптического сигнала без его преобразования в электрическую форму. Они используют принцип индуцированного излучения, аналогично лазерам. Если существует некая активная среда, имеющая только два энергетических состояния E1 и E2 (см. рис.2.1), причем E2 > E1, т.е. E2 является возбужденным по отношению к E1 состоянием, то в равновесных условиях число рабочих частиц (электронов, ионов или молекул - потенциальных усилительных агентов среды) распределено по статистике Больцмана так, что N1 > N2. В результате, если на вход такой среды попадает фотон, то он с большей вероятностью будет поглощен этой средой, что может сопровождаться переходом частицы с уровня E1 на уровень E2, если энергия фотона . Усиление в такой среде невозможно, хотя и существует малая вероятность эмиссии (испускания) фотона, если электрон спонтанно перейдет с верхнего возбужденного уровня на нижний релаксационный уровень. Усиление станет возможным, если удастся создать инверсию населенностей уровней, когда N2 > N1. Для этого используется система энергетической накачки.

Рис.2.1 Cхема двухуровневой модели оптического усилителя.

В качестве накачки можно использовать инжекцию электронов или излучение лазера соответствующей длины волны для создания фотонов нужной энергии. В результате накачки и создания определенной инверсии населенности активная среда становится способной генерировать вторичные фотоны (той же частоты и направления распространения) с коэфициентом размножения K при попадании на ее вход возбуждающего фотона из светового потока усиливаемого сигнала. В результате осуществляется его усиление за счет возбуждаемой эмиссии. Усиление носит распределенный характер - следствие генерации вторичных фотонов в течении всего времени прохождения усиливаемого оптического сигнала через активную среду, имеющую конечную длину L, что и обуславливает появление этого параметра в формулах для коэффициента усиления оптического усилителя.

Усиление неизбежно сопровождается двумя другими процессами:

-поглощением энергии светового сигнала, которое обычно носит экспоненциальный характер, возрастая с ростом L;

-спонтанной эмиссией вxz торичных фотонов, которая может быть усилена, приводя к появлению так называемого усиленного спонтанного излучения.

Рис.2.2.Сxема трехуровневой модели оптического усилителя.

2.2 Основные характеристики и параметры характеризующие, оптические усилители

Оптические усилители можно рассматривать в тех же терминах и используя те же параметры, что и электронные усилители, т.е. имеют место параметры:

- коэффициент усиления;

- динамический диапазон;

- амплитудно-фазовую характеристику (АФХ); Однако они имеют и свои (для ряда применений существенные) параметры:

- коэффициент усиления среды;

- мощность насыщения;

- усиленное спонтанное излучение (УСИ);

- чувствительность к поляризации сигнала;

- амплитудно-волновую характеристику (АВХ);

В общем случае коэффициент усиления оптического усилителя для

одного сигнала на центральной частоте имеет вид:

(2.1)

где и - входные и выходные мощности оптического сигнала на входе и выходе усилителя, измеренные на рабочей угловой частоте (или соответствующей длине волны) при малом уровне входного сигнала, гарантирующем отсутствие насыщения выходного сигнала. Основным активным агентом оптических усилителей является фотон, следовательно, идеальный оптический усилитель с коэффициентом усиления K должен синфазно генерировать на выходе ровно K фотонов на каждый фотон, попавший на его вход. То есть оптический усилитель должен пропорционально усиливать интенсивность входного оптического сигнала, оставляя его форму неизменной, независимо от его интенсивности, длины волны, состояния поляризации, формы отображаемой двоичной последовательности. Фактически же указанные факторы, а также ряд других факторов влияют на АФХ усилительной (или активной) среды g(w) или ее частотный спектр, а затем уже на АФХ собственно ОУ.

Коэффициент усиления среды и усилителя

Практика показывает, что большенство оптических усилительных (активных) сред можно рассматривать как однородную распределенную двухуровневую среду, для которой коэффициент усиления среды на единицу длины может быть описан выражением вида [1]:

g 0

g(ѓ) = ----------------------- (2. 2)

1 + дѓ2 TД 2 + Pc Ph

g - Максимальное (вычисленное для малого входного сигнала значение коэффициента усиления) зависящее от мощности накачки;

дѓ - Разность частоты входного оптического сигнала и частоты квантового перехода электронов с верхнего уровня на нижний;

Т - время релаксации диполей из одного равновесного состояния в другое (имеет порядок 0,01-1 нс в зависимости от типа диполей);

Рс - оптическая мощность входного сигнала;

Рн - мощность насыщения;

Мощность насыщения

Аналогично электронным усилителям модуль усиления ОУ зависит от уровня входного сигнала. До определенного (малого) уровня входной мощности усиление практически постоянно, затем оно начинает экспоненциально падать (см. рис. 2.3) ростом уровня входной мощности. Этот "падающий" участок характеристики является областью насыщения усилителя и объясняется уменьшением коэффициента размножения, вызванным возрастающим с ростом входного сигнала дефицитом частиц, которые способны генерировать вторичные фотоны, на том уровне, где создается инверсия населенности. Эта область численно характеризуется мощностью насыщения Рн на выходе усилителя, определяемой по выходной характеристике на уровне -3 дБм, при котором коэффициент усиления среды g(w) падает в два раза.

Рис. 2.3. Зависимость коэффициента усиления от выходной мощности и определение мощности насыщения

Амплитудно-фазовая характеристика ОУ зависит от ряда специфических для ОУ параметров, влияние основных из них оценены ниже.

Рис.2.4. Вид нормированных АФХ коэффициентов усиления среды и ОУ в целом.

Влияние насыщения на АФХ

Оно обусловлено третьим слагаемым в числителе выражения (2.2.) которое может приводить к существенному снижению усиления среды в целом, даже в области, казалось бы, далекой от насыщения. Являясь ограничительным фактором, насыщение может играть и регулирующую роль в стабилизации общего коэффициента усиления при каскадном соединении многих усилителей в линии связи, что имеет место, например, на трансокеанских линиях связи.

Влияние времени релаксации диполей на АФХ

Из выражения (2.2) видно, что АФХ определяется двумя слагаемыми в знаменателе. Если принимать во внимание зависимость от частоты только второго слагаемого, то грубо, в первом приближении, ее можно аппроксимировать профилем Лоренца (см. рис. 2.4) Тогда используя его, можно получить, что полная ширина спектра на уровне половины от ТД максимума обратно пропорциональна:

Влияние длины активной (усиливающей) среды

Мощность усиливаемого оптического сигнала зависит от длины участка среды L от точки входа потока сигнала в усилитель до его выхода. Учитывая это, АФХ усилителя при условии постоянного коэффициента усиления среды g(f) будет иметь вид:

G(f) = e g(f)L (2.3)

Учитывая экспоненциальный характер этой зависимости, можно констатировать, что спектр G(f) усилителя будет существенно уже спектра g(f) среды, что и видно на рис. 2.4, где приведены нормированные характеристики G(f) и g(f) в зависимости от расстройки (f - f0).

Чувствительность усиления к поляризации сигнала

Еще одним ограничивающим коэффициент усиления G фактором является чувствительность усиления ОУ к поляризации усиливаемого сигнала, когда усиление может меняться, и иногда значительно, в зависимости от поляризации. Ситуация ухудшается в ВОЛС, учитывая, что в них состояние поляризации сигнала не только не контролируется, но в волокне, даже одномодовом, может хаотически меняться под действием случайных изменений формы сердцевины и анизотропии, вызванной статическим напряжением отрезка оптоволокна (эффекты, известные, применительно к одномодовому ОВ, как модовое двойное лучепреломление). Аналогично страдают и системы с WDM, в которых степень поляризации входных сигналов может быть различной. Изменение поляризации приводит к паразитной амплитудной модуляции (ПАМ) усиления, которая может носить периодический характер (как, например, для усилителей бегущей волны). Степень такой чувствительности зависит от типа ОУ.

Источники шума и динамический диапазон

Динамический диапазон определяется как диапазон входной мощности оптического сигнала, при котором коэффициент усиления G остается постоянным. Он тесно связан с другим параметром - коэффициентом шума, зависящим от уровня усиленного спонтанного излучения, остаточного сигнала накачки и перекрестной помехи, которые кратко рассмотрены ниже.

Усиленное спонтанное излучение

Оптические усилители добавляют шум к усиливаему оптическому сигналу. Этот шум обусловлен усиленным спонтанным излучением. Оно возникает под действием случайных возмущающих факторов различной физической природы, вызывающих спонтанное излучение, например нагрева усилителя (тепловые фотоны), а также за счет наличия рассеянных фотонов. Шум приводит не только к уменьшению динамического диапазона, но и к снижению максимально допустимого усиления. Уменьшение динамического диапазона обычно характеризуется известным параметром F - коэффициентом шума:

 (2.4)

где и значения динамического диапазона на входе и выходе усилителя.

Оценка этого параметра оптических усилителей осуществляется на "электрическом уровне" путем преобразования оптического сигнала в электрический с помощью фотодетектора. Для уменьшения коэффициента шума, вызванного усилением спонтанного излучения, сигнал на выходе ОУ фильтруют с помощью полосового оптического фильтра.

Остаточный сигнал накачки

Существует и еще один специфический источник шума в усилителях с накачкой - остаточный сигнал накачки на выходе усилителя, влияние которого (на передатчик или детектор в системе связи) может быть уменьшено как с помощью фильтра на выходе ОУ, так и путем соответствующего выбора частоты источника накачки.

Перекрестные помехи

Этот вид помех характерен для многоканальных усилителей в системах WDM. Он проявляется как паразитные амплитудная или частотная модуляции сигнала одного канала другими сигналами.

Основные типы волоконно-оптических усилителей

Существует пять типов оптических усилителей (см. таблицу 2.1)

Таблица 2.1

Типы оптических усилителей.

Типы усилителей	Область применения
Усилитель с полостью Фабри-Перо	Усиление одного канала
Усилители на волокне, использующие бриллюэновское рассеяние	Усиление одного канала
Усилители на волокне, использующие романовское рассеяние	Усиление нескольких каналов одновременно
Полупроводниковые лазерные усилители	Усиление большого числа каналов в широкой области длин волн одновременно
Усилители на примесном волокне	Усиление большого числа каналов в широкой области длин волн одновременно

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

Стимулированное рамановское рассеяние - также нелинейный эффект, который подобно бриллюэновскому рассеянию может использоваться для преобразования части энергии из мощной волны накачки в слабую сигнальную волну. Однако, при рамановском рассеянии частотный сдвиг между сигнальной волной и волной накачки (|f2-f1|) больше, а выходной спектральный диапазон усиления шире, что допускает усиление сразу нескольких каналов в WDM сигнале. Большие переходные помехи между усиливаемыми каналами представляют основную проблему при разработке таких усилителей.

Полупроводниковые лазерные усилители (ППЛУ)

Основу ППЛУ составляет активная среда, аналогичная той, которая используется в полупроводниковых лазерах. В ППЛУ отсутствуют зеркальные резонаторы, характерные для полупроводниковых лазеров. Для уменьшения френелевского отражения с обеих сторон активной среды наносится специальное покрытие толщиной л/4 с согласованным показателем преломления.

Усилители на примесном волокне. Этот тип оптического усилителя наиболее широко распространен и является ключевым элементом в технологии полностью оптических сетей, поскольку он позволяет усиливать сигнал в широком спектральном диапазоне.

2.3 EDFA усилители: устройство, физический механизм работы, основные характеристики и параметры

На рисунке приведена схема усилителя на примесном волокне. 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 (б) - 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 волокно (9). Дополнительный оптический изолятор на выходе (10) предотвращает попадание обратного рассеянного сигнала из выходного сегмента в активную область оптического усилителя.

Рис. 2.5. Оптический усилитель на примесном волокне.

Механизм работы EDFA

Активной средой усилителя является одномодовое волокно, сердцевина которого легируется примесями редкоземельных элементов с целью создания трехуровневой атомной системы, рис. 2.6. Лазер накачки возбуждает электронную подсистему привесных 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. 2.6. Энергетическая диаграмма уровней атомной системы усилителя на примесном волокне

Особенности работы усилителя во многом зависят от типа примесей и от диапазона длин волн, в пределах которого он должен усиливать сигнал. Наиболее широко распространены усилители, в которых используется кремниевое волокно, легированное эрбием. Такие усилители получили название EDFA. Межатомное взаимодействие является причиной очень важного положительного фактора -- уширении уровней, что, в конечном итоге, обеспечивает усилителю широкую зону усиления сигнала. В EDFA наиболее широкая зона усиления от 1530 до 1560 нм, соответствующая переходу достигается при оптимальной длине волны лазера накачки 980 нм. Усиление в другом окне прозрачности 1300 нм можно реализовать с использованием примесей празеодимия, однако такие оптические усилители не получили 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 (О 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. 2.7. показано, как ведет себя коэффициент усиления для EDFA в зависимости от длины волны и при различных значениях мощности входного сигнала. Уменьшение К при Р =1 мВт связано с насыщением усилителя. На кривой зависимости от длины волны при малых значениях мощности входного сигнала заметны минимумы и максимумы. Отсутствие плато в широком диапазоне длин волн (от 1530 до 1560 нм) заставляет дополнительно на линии из каскада оптических усилителей устанавливать эквалайзеры с целью выравнивания амплитуд мультиплексных сигналов разных длин волн. В то же время ведутся интенсивные исследования по выравниванию кривой усиления. Следует подчеркнуть, что построение усилителей с такими характеристиками не является непреодолимой задачей, но скорее требует тщательно отработанной технологии производства всех элементов усилителя.

Рис. 2.7. Коэффициент усиления кремниевого EDFA при различных значениях мощности входного оптического сигнала(по материалам фирмы Corning)

Разновидности усилителей ЕDFА

Две разновидности усилителей ЕDFА с примесным волокном преобладают в коммерческих реализациях сегодня:

-на кремниевой основе

-на фтор-цирконатной основе

При очень схожем внутреннем строении эти усилители отличаются только заготовочным волокном. Усилители EDFA на кремниевой основе первыми появились на рынке и определили развитие благодаря возможности усиления WDM сигнала в широком спектральном интервале при небольших вносимых шумах на разных длинах волн. Сегодня оба типа усилителей (кремнивые и фтор-цирконатные) способны работать во всем диапазоне выхода оптического излучения эрбия от 1530 нм до 15б0 нм. Однако оптические усилители на кремниевой основе не имеют столь ровной передаточной кривой коэффициента усиления, как усилители на фтор-цирконатной основе.

В силу особенностей конструкции усилители ЕDFА вносят определенный шум в усиливаемый сигнал, приводя к уменьшению соотношения сигнал/шум и ограничивая число каскадов и расстояние между двумя электронными регенераторами. Этот недостаток не помешал дальнейшему стремительному развитию технологии и серийного производства усилителей ЕDFА. Четырехволновое мультиплексирование в окне 1550 нм, появившееся всего несколько лет назад, сегодня сменяется мультиплексными системами с числом волновых каналов более 40. Плата за увеличение числа каналов выражается в уменьшении удельной мощности (мощности на канал) в выходном сигнале, которая ослабевает примерно на 3 дБ при удвоении числа каналов.

Усилители на кремниевой основе

Усиление DWDM сигнала в традиционных усилителях на кремниевом волокне связано с одной технологической проблемой - нерегулярностью коэффициента усиления как функции длины волны. На рис. 2.8 а показана кривая выходной мощности при усилении канального мультиплексного сигнала со скоростью на канал STM-16 (2,5 Гбит/с). Как видно, на некоторых каналах сохраняется довольно высокое отношение сигнал/шум (SNR), в то время как на других, особенно в районе 1540 нм, значение SNR низкое. В результате может оказаться, что DWDM сигнал, проходящий через усилитель на одних каналах (например, выше 1545 нм) будет имеет приемлемое SNR, а на других (район 1540 нм) не удовлетворительное для используемого приложения соотношение SNR. В результате того, что признание технологии усилителей ЕDFА на кремниевой основе произошло раньше, на сегодняшний день большее распространение имеет именно эти разновидности ЕDFА. Некоторые потребители операторы связи) решают проблему завала кривой простым исключением области низкого усиления от 1530 до 1542 нм, довольствуясь более узким окном. Но это может повлечь в некоторых случаях к очень высокой плотности каналов, что нежелательно, так как с ростом плотности сильней начинают проявляться нелинейные эффекты, как, например, четырехволновое смешивание. Кроме этого, принимая во внимание настоящее состояние дел по технологии фильтрации, стоимость выделения отдельных каналов из более плотного DWDM сигнала будет выше.

В результате чего оптимизация системы становится сложной итерационной процедурой. Другой способ решения проблемы завала состоит в намеренном предварительном селективном ослаблении входного сигнала с целью получения более ровной картины амплитуд выходных сигналов и более согласованных значений SNR на разных каналах. При выполнении селективного ослабления приходится принимать во внимание то, что энергия на других каналах также перераспределяется. Дополнительные сложности возникают, когда битовые скорости добавляемых или устраняемых каналов различны. Например, соотношение SNR для передачи SТМ-64 (10 Гбит/с) должно быть на 6 дБ больше, чем для передачи SТМ-16 (2,5 Гбит/c). В последнtм случае, дополнительная мощность должна быть добавлена в канал SТМ-64.

Рис. 2.8..Кривые выходной мощности: а - усилители на кремниевой основе, б - усилители на фтор - цирконатной основе.

Производители оборудования, понимая эту проблему, начинают внедрять различные самооптимизирующиеся алгоритмы в элементы полностью оптической сети. Обеспечение возможности динамического оптического балансирования по энергии между каналами важно не только для работы с ЕDFА на кремниевой основе, но и само по себе, поскольку позволяет значительно повысить надежность сети.

Усилители на фтор -цирконатной основе

Эти усилители обладают более регулярным плато. Дело в том, что фторсодержащее волокно способно поглотить больше эрбия, что и приводит к улучшению профиля в области 1530-1542 нм, которая теперь открывается для усиления DWDM сигнала. Рис. 2.8 б показывает, насколько эффективно усиливается DWDM сигнал. Мультиплексированные каналы практически по всей полосе пропускания имеют близкие значения SNR. Это значительно упрощает процедуру оптического балансирования при воспроизведении сигналов, когда каналы добавляются или удаляются.

Фтор -цирконатный силитель ЕDFА имеет 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 ЕDFА, не эффективна для работы фторидного усилителя ЕDFА, 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. Есть пути преодоления этой проблемы, и производители собираются поставлять следующее поколение фтор -цирконатных усилителей ЕDFА, имеющих ровный профиль, низкий уровень шумов и более высокую надежность.

Лазеры накачки для EDFA

Важнейший компонент усилителя EDFA - лазер накачки (рис. 2.9). Он является источником энергии, за счет которой усиливается оптический сигнал. Энергия лазера накачки распределяется в усилителе EDFA между всеми оптическими каналами. Чем больше число каналов, тем большая требуется мощность накачки. В усилителях EDFA, рассчитанных на большое количество каналов, часто используется несколько лазеров накачки.



Рис. 2.9. Схема применения лазера накачки в EDFA усилителях.

Для накачки усилителей EDFA подходят лазеры с длинами волн излучения 980 нм и 1480 нм. Излучение обеих длин волн соответствует уровням энергии возбужденных ионов и хорошо поглощается волокном, легированным эрбием. Однако при выборе того или иного типа лазеров накачки приходится идти на компромисс. С одной стороны, усилители EDFA с лазерами 980 нм обладают более низким коэффициентом шума, чем усилители с лазерами 1480 нм, что лучше для многоканальных систем и предусилителей систем DWDM. С другой стороны, использование лазеров 1480 нм позволяет создать более мощные усилители за меньшую цену. Выбор осложняется тем, что тип лазеров накачки необходимо определить в самом начале проектирования сети, когда еще не известно окончательное число каналов и достаточно сложно определить, что важнее - высокая мощность усилителя или низкий уровень его шума. В некоторых усилителях EDFA используется накачка на двух длинах волн, что позволяет совместить преимущества обоих способов.

Если лазерный передатчик выдает в волокно с типичным затуханием 0,2 дБ/км в области длины волны 1550 нм сигнал мощностью +16 дБм, то после прохождения 80 км мощность этого сигнала упадет до уровня 0 дБм (1 мВт) (не учитываются другие источники потерь, таких как стыки и т. д.). Если же лазер выдает сигнал мощностью 0 дБм, то при прохождении тех же 80 км он понизится до уровня -16 дБм. На первых этапах развития волоконно-оптической связи лазеры имели относительно низкую мощность, и сигнал необходимо было восстанавливать электронными методами при прохождении расстояний много меньших, чем 80 км. Электронный регенератор получал оптический сигнал, преобразовывал его в электрический, усиливал и снова преобразовывал в оптический. Хотя эта технология не имела спектральных ограничений и позволяла с равным успехом восстанавливать сигналы как на 1310 нм, так и на 1550 нм, она была достаточно сложной, а увеличение скорости передачи системы требовало замены регенераторов.

В начале 1980-х годов Пэйн (Payne) и Ламинг (Laming) из Саутгэмптонского университета (University of Southampton) в Великобритании предложили усиливать оптические сигналы без оптоэлектронного преобразования с помощью волокна, легированного эрбием. С этого момента началась эпоха полностью оптических повторителей. У предложенной технологии было одно небольшое ограничение: она позволяла усиливать сигналы только в узком спектральном диапазоне с центром на длине волны 1550 нм.

Схемы накачки EDFA усилителей

Возможно несколько схем накачки EDFA на длинах волн 1480 нм или 980 нм (рис. 2.10).

Прямое направление накачки (рис. 2.10-а) дает наиболее низкий уровень шума. Это предпочтительно при небольшой мощности входного сигнала и максимальных значениях коэффициента усиления. При обратном направлении накачки (рис. 2.10-б) проще достигается режим насыщения. Это предпочтительно в тех случаях, когда требуется на выходе сигнал с максимально возможной мощностью.



Рис. 2.10.Типовые схемы накачки EDFA (DCD - устройство компенсации дисперсии, dispersion compensation device)

При совместном применении двух лазеров накачки различных длин волн рекомендуется осуществлять накачку на 1480 нм в обратном направлении, а накачку на 980 нм - в прямом. Это позволяет наилучшим образом использовать преимущества обоих методов. Лазер накачки 1480 нм обладает более высокой квантовой эффективностью, но при этом и несколько более высоким коэффициентом шума, в то время как для лазера 980 нм можно снизить уровень шумов почти до уровня квантовых флуктуаций.

Волоконные эрбиевые усилители обеспечивают “прозрачное” усиление произвольно поляризованного оптического сигнала в С2-диапазоне (1535-1565 нм) с максимальной выходной мощностью до 25дБм на один спектральный канал. В усилителях используется уникальная технология накачки мощными многомодовыми диодами специального волокна легированного эрбием. Усилители на основе эрбиевого волокна имеют малый шум-фактор, что позволяет передавать оптический сигнал на большие расстояния без его регенерации.

2.4 Оптические усилители, использующие нелинейные явления в ОВ

В оптических системах, использующих волоконно-оптический кабель, для усиления сигналов можно использовать нелинейные явления в оптическом волокне, такие, как ВКР или эффект Рамана, ВРМБ и параметрическое усиление.

Оптический световод, как и любой диэлектрик, демонстрирует нелинейное поведение в сильном электромагнитном поле. Такие поля образуются даже при использовании относительно маломощных источников излучения за счет большой плотности мощности, реализуемой в силу малого поперечного сечения одномодового кабеля (порядка 5*10-11 м2). Ситуация усугубляется в системах с оптическими усилителями, используемых для обеспечения большой длины регенерационного участка, а также в высоко-плотных системах с разделением по длинам волн, где используются источники интенсивного лазерного излучения. Наиболее явно проявляются нелинейные эффекты низших порядков:

-нелинейное преломление - явление, при котором показатель преломления зависит от интенсивности электрического поля Е;

-вынужденное неупругое рассеяние - явление, при котором оптическая волна передает часть своей энергии нелинейной среде в результате взаимодействия с молекулами;

-модуляционная неустойчивость - явление модуляции стационарного волнового состояния под действием нелинейных и дисперсионных эффектов

-параметрические процессы - явления, вызванные взаимодействием оптических волн с электронами внешних оболочек (четырехволновое смешение (ЧВС), генерация гармоник и параметрическое усиление).

Нелинейное преломление, фазовая самомодуляция и фазовая кросс-модуляция.

Показатель преломления оптической среды не только зависит от частоты (этот факт рассматривается в рамках линейной теории), но и от интенсивности света I и квадрата напряженности электрического поля Е:

, (2.5)

где n1 - линейная часть, описываемая уравнением Селлмейера и зависящая от частоты, n2 - нелинейная составляющая показателя преломления, зависящая от электрического поля. Нелинейная составляющая n2 может быть выражена следующим уравнением:

(2.6)

где kn - коэффициент нелинейности показателя преломления, - составляющая нелинейной диэлектрической восприимчивости 3-го порядка. Зависимость n от |Е|2 приводит к таким нелинейным эффектам, как фазовая самомодуляция (ФСМ) и фазовая кросс-модуляция (ФКМ):

-ФСМ обусловлена нелинейным набегом фазы, который оптическое поле приобретает при распространении в световоде, причем набег фазы увеличивается с увеличением длины распространения z, приводя к симметричному спектральному уширению коротких импульсов;

- ФКМ обусловлена набегом фазы, наведенным электрическим полем источника, излучающего на другой длине волны; эта волна распространяется совместно с исходной и вызывает асимметричное спектральное уширение совместно распространяющихся импульсов.

Изменение фазы при появлении ФСМ вызывает паразитную частотную модуляцию (ПЧМ) импульса, глубина которой растет с ростом z, что и объясняет уширение спектра импульса. Этот спектр имеет обычно осциллирующий характер и зависит от формы импульса и его начальной паразитной частотной модуляции (ПЧМ), которая наблюдается у многих источников излучения. Если на ФСМ накладывается ДГС, то для волокна с положительной дисперсией ее влияние обычное и сводится к уширению спектра и расплыванию импульса со временем. Если же дисперсия волокна отрицательна, то ее влияние необычное - гауссовский импульс несколько расширяется, затем стабилизируется, а спектр импульса сужается. Если же импульс имеет форму гиперболического секанса (близок к гауссовскому), то в отсутствие начальной ПЧМ импульс ведет себя как солитон - ни форма, ни спектр импульса не изменяются при распространении.

Таким образом, совместное действие ФСМ и ДГС в световоде в области отрицательных дисперсий является одной из основных причин, которая объясняет существование оптических солитонов (см. ниже).

Вынужденное неупругое рассеяние.

Это явление, в отличие от упругого взаимодействия (изучаемого в линейной теории), обусловлено неупругим взаимодействием, при котором оптическое поле передает часть своей энергии нелинейной среде. С ним связаны два явления:

- вынужденное рамановское/комбинационное рассеяние (ВКР)

- вынужденное рассеяние Мандельштама-Бриллюэна (ВРМБ)

Квантовый механизм рассеяния состоит в том, что фотон падающего пучка (например пучка лазерной накачки оптического усилителя) распадается на фотон меньшей (комбинационной или разностной) частоты и фонон. Если принять, что fc и fнак - частоты сигнала и накачки, то это происходит по схеме: fнак-fс=fр. Излучение разностной частоты wр называется стоксовой волной. Для ВКР стоксовая волна может распространяться в обоих направлениях, но преимущественно распространяется по направлению падающего пучка, для ВРБМ - в противоположном направлении.

Оба эти явления носят пороговый характер, но имеют и существенные различия: одно наблюдается при мощностях накачки порядка 1 Вт (ВКР), другое -порядка 10 mВт (ВРМБ). Важной особенностью этих явлений является то, что их интенсивность в волоконных световодах может увеличиваться на много порядков (до 109 раз на длине волны 1550 нм при затухании 0,2 дБ/км), создавая возможность для оптического усиления. Благодаря этому оба эти явления используются в оптических усилителях, имеющих одноименные названия:

Явление ВРМБ стало предметом более пристального изучения в последнее время в связи с значительным усовершенствованием систем передачи с одной несущей и достижением близких к предельным показателей по длине пролета (участка перекрытия - аврал), за счет использования все более мощных лазерных источников излучения, а также показателей по скорости передаваемого сигнала, за счет увеличения разрешающей способности (степени монохроматичности) лазерного сигнала. В обоих случаях происходит увеличение плотности потока световой энергии, приводящее к усилению нелинейных эффектов, которые в первую очередь проявляются через ВРБМ, учитывая, что оно имеет самый низкий порог возникновения. Возникнув, ВРБМ само приводит, при определенных уровнях излучения накачки, к возникновению пороговых явлений, ограничивающих мощность полезного распространяющегося сигнала.

Физическая суть явления такова. Фонон, рождаемый в схеме процесса, возбуждает акустические волны, распространяющиеся в том же направлении, но со значительно меньшей скоростью 5 км/с за счет эффекта электрострикции (основная волна распространяется в одномодовом ОВ с фазовой скоростью порядка 204000 км/с). Они создают пространственные колебания плотности в волокне (сгустки и разрежения), приводя к локальному изменению показателя преломления. Фотон, также рождаемый в схеме этого процесса, формирует стоксовую волну, которая распространяется в обратном направлении и называется волной обратного рассеяния. Ее интенсивность тем выше, чем больше эффект фотоупругости, а он, в свою очередь, тем больше, чем выше уровень накачки. При некотором его уровне, называемом пороговым уровнем ВРБМ, начинает резко увеличиваеться интенсивность волны обратного рассеяния, что ухудшает эффективность передачи основного сигнала. При дальнейшем увеличении подаваемого в ОВ сигнала интенсивность основного сигнала перестает расти и даже начинает падать.

Итак, очевидно, что ВРБМ приводит к двум эффектам:

- установлению верхней границы оптической мощности, эффективно используемой системой (увеличение длины перекрытия, например, за счет увеличения мощности источника сигнала оказывается ограниченным величиной порогового уровня ВРБМ)

-ухудшению качества основного сигнала за счет взаимодействия основной волны с волной обратного рассеяния, а также с волной двойного обратного рассеяния, возникающей за счет отражения волны обратного рассеяния.

Пороговый уровень ВРБМ зависит от ряда факторов:

- ширины линии лазерного источника (чем она шире, тем пороговый уровень выше)

- эффективной площади поперечного сечения ОВ (чем он больше, тем лучше)

- длины ОВ (при длине до 10 км проблем с ВРБМ не возникает)

- технологии модуляции сигнала (лазерный источник с прямой модуляцией имеет ширину порядка 1 ГГц, а с внешней модуляцией - 1МГц).

2.5 Волоконно-оптические усилители с использованием Рамановского рассеяния оптического излучения. Основные характеристики и параметры

Такие усилители используют нелинейное явление, связанное со стимулированным Рамановским рассеянием. Рамановское рассеяние названо в честь индийского физика Рамана, открывшего этот эффект в 1928 году. Принцип действия усилителя заключается в том, что частица энергии распространяющегося в волокне излучения с частотой f1 возбуждает молекулы вещества, вызывая появление компонента светового потока с частотой f2 (антистоковый компонент, где f2 меньше f1). Если на этой частоте передавать полезный сигнал, а мощность накачки на частоте f2 достаточно велика, энергия сигнала с частотой f1 переходит к сигнальному потоку, то есть оптическое волокно играет роль распределенного усилителя с коэффициентом усиления, пропорциональным мощности сигнала.

Таким образом, принцип действия Рамановских усилителей идентичен принципу действия усилителей с рассеиванием Мандельштама-Бриллюэна, однако смещение между частотой полезного сигнала, который усиливается, и частотой волны накачки - больше. Полоса пропускания усилителя также более широкая, что позволяет усиливать сразу несколько каналов системы. Явление рассеивания Рамана возникает при мощности накачки порядка 0,5..1,4 Вт в зависимости от длины оптического волокна.

Для накачки используются лазеры, функционирующие на длине волны, равной 0,98 мкм или 1,48 мкм. Одновременно по оптическому волокну передаются сигналы линейного тракта, служащие для передачи информации, и сигналы накачки, энергия которых расходуется для усиления сигналов, переносящих информацию.



Рис. 2.11. Спектр рамановского усиления в ОВ

Такой тип оптических усилителей является достаточно перспективным, поскольку позволяет функционировать широкополосным системам, например WDM (Wavelength Division Multiplexing), с возможностью независимой передачи информации по одному оптическому волокну на различных длинах волн (охватывая диапазоны O, E, S, C, L одновременно).

Амплитудно-частотная характеристика малосигнального рамановского усиления в диапазоне S+C+L (1470-1620 нм) показана на рис. 2.11 для случая использования длины волны накачки 1443 нм мощностью 100 и 200 мВт в кварцевом ОВ.

Из рисунка видно, что ширина полосы примерно соответствует 30 нм и укладывается в диапазон С, однако характеристика достаточно неравномерна и требует выравнивания для систем DWDM

Для случая, когда интенсивность сигнала Iс меньше интенсивности накачки Iнак, усиление рамановского ОУ определяется следующим выражением [3]:

(2.7)

где Рнак=Iнак Аэфф - мощность накачки; Lэфф и Аэфф - эффективные длина и площадь поперечного сечения ОВ, a gэ - эквивалентная крутизна усиления оптического усилителя.

Использование эффективной Lэфф вместо действительной L длины световода позволяет учесть факт поглощения волны накачки путем введения коэффициента потерь на частоте накачки нак. Соотношение между ними может быть записано в виде:

(2.8)

Усиление G0 растет почти линейно с ростом мощности накачки вплоть до Рнак= 1 Вт, затем зависимость становится характерно экспоненциальной за счет насыщения, которое происходит при очень большой мощности накачки (несколько Вт). Типичными параметрами для Рамановских усилителей являются, согласно [3], мощность накачки порядка 1 Вт, коэффициент усиления порядка 17-30 дБ. Причем коэффициент усиления уменьшается с ростом длины волны накачки. На практике, однако, используются более низкие уровни накачки, порядка 100-200 мВт, позволяющие реализовать, как видно из рис. 2.1.1, рамановское усиление порядка 4-8 дБ. Мощность насыщения Рн у рамановских усилителей может быть значительно больше, чем у ППОУ (2-3 Вт против 1 мВт при больших мощностях накачки) [3], причем накачка может быть как сонаправленная, так и противонаправленная, хотя в большинстве случаев используется последняя. В качестве накачки обычно используются лазеры с длиной волны 1060 нм (для усиления сигналов 1300 нм) и 1320 или 1443 нм (для усиления сигналов с длиной волны 1550 нм).

...