Оптические системы связи и обработка информации

Этот тип усилителей достаточно широкополосный (5-10 ТГЦ), однако крайне неравномерен и пригоден для усиления коротких импульсов (пикосекундного диапазона). При усилении сигналов в системах WDM требуется выравнивание АВХ. Ориентировочные значения параметров усилителей Рамана приведены в табл. 4.3-1 (по материалам [3]).?

При практической реализации усилителей Рамана свет накачки вводится в ОВ усилителя противонаправленно. В этом варианте усилитель Рамана работает как малошумящий предусилитель, практически не вносящий дополнительной нелинейности в ОВ.

На рис. 2.12. приведена блок-схема распределенного рамановского усилителя [10]. В этой схеме ортогонально поляризованные сигналы диодов лазерной накачки мультиплексируются по состоянию поляризации в П-мультиплексоре, а затем подаются в мультиплексор WDM для создания противонаправленной накачки в передающем волокне. В результате распространяющийся в прямом направлении сигнал получает рамановское усиление в передающем волокне. Использование противонаправленной накачки уменьшает общий уровень шума.

Рис. 2.12. Блок-схема усилителя Рамана

Усиление и выходная характеристика рамановского усилителя, как видно из рис 2.11 и 2.12, зависят от мощности накачки, эффективной площади и длины волокна, рамановского сдвига между частотами накачки и сигнала (который в полосе усиления может составлять 13-13,2 ТГц) и коэффициента поглощения сигнала накачки в передающем волокне. На практике используемые уровни накачки позволяют реализовать усиление на уровне 3,75-7,78 дБ [10], при котором неравномерность усиления может быть снижена до приемлемой для систем WDM/DWDM величины. Различные сигналы принципиально получают различное усиление, зависящее от рамановского сдвига, следовательно, колебания уровня усиления неизбежны.

По сравнению с широко применяемыми в настоящее время усилителями EDFA Рамановские усилители значительно лучше по шумовым характеристикам и менее чувствительны к температурным колебаниям.

Рамановские усилители могут быть распределенными или выполняться в виде дискретных устройств. Распределенные усилители характеризуются тем, что эффект усиления сигнала в них достигается путем использования определенных участков или всего оптического волокна, применяемого для передачи. Распределенные Рамановские усилители могут классифицироваться на три подкатегории:

-Рамановский усилитель с накачкой вперед - энергия накачки и передаваемый сигнал распространяются по волокну передачи в одном направлении.

-Рамановский усилитель с накачкой назад - энергия накачки и передаваемый сигнал распространяются по волокну передачи в противоположных направлениях.

-Рамановский усилитель с накачкой в обе стороны - энергия накачки распространяется по волокну передачи в обе стороны. В этом случае часть энергии накачки распространяется в одном направлении с передаваемым сигналом, а часть - в направлении, противоположном направлению сигнала, передаваемого средствами связи.

Дискретный Рамановский усилитель - устройство, усиливающие оптические сигналы, в котором применяется оптическое волокно с SRS-эффектом, и все физические составляющие расположены внутри устройства.

Применение рамановского волоконно-оптического усилителя

Рамановский волоконно-оптический усилитель предназначен для увеличения протяженности оптических многоканальных цифровых линий связи без промежуточного усиления и регенерации сигнала.

Рис. 2.13 Рамановский усилитель с накачкой назад

Прибор включает в себя волоконный лазер накачки, определяющий рабочий спектральный диапазон устройства, и схему управления, посредством которой осуществляется изменение и контроль значения коэффициента усиления. Взаимодействие сигнала и накачки осуществляется при помощи их объединения через мультиплексор, и сам процесс усиления происходит непосредственно в линии связи.

Типичными параметрами рамановского волоконно-оптического усилителя являются мощность накачки 1 Вт, коэффициент усиления порядка 30 дБм (1000 раз). Мощность насыщения Рн ВКР-усилителей значительно больше, чем ППОУ (1Вт против 1 мВт), причем накачка может быть как попутная, так и встречная. В качестве накачки используются лазеры с длиной волны 1060 нм (для усиления сигналов 1300 нм) и 1320 нм (для усиления сигналов с длиной волны 1550 нм). Этот тип усилителей достаточно широкополосен (5-10 ТТц) и годится для усиления сигналов в схемах с WDM и усиления коротких импульсов (пикосекундного диапазона)

Рамановский волоконно-оптический усилитель используется для увеличения мощности оптических сигналов в диапазоне длин волн 1548-1561 нм в магистральных, внутризоновых, местных первичных сетях и оптических сетях доступа. Выход оптического усилителя передачи подключается к оконечному оборудованию, а вход - к волоконно-оптической линии связи.

Исполнение

Рамановский волоконно-оптический усилитель выполнен в корпусе высотой 6U в стандартной стойке шириной 19 дюймов.

Рамановский волоконно-оптический усилитель характеризуется следующими достоинствами:

- возможность работать при любой скорости передачи данных;

-возможность присоединения с различными оптическими стыками (интерфейсами);

- возможность управлять коэффициентом усиления;

- возможность изменения рабочего спектрального диапазона;

- высокое соотношение качества и цены.

Ниже приведены основные технические характеристики Рамановских волоконно-оптический усилителей:

Диапазон мощности накачки Коэффициент усиления Спектральный диапазон Неравномерность коэффициента усиления (внутри спектрального диапазона) Рабочая температура Допустимый уровень влажности, %	10.. 30 дБм 3.0.. +23.0 дБ 1548 - 1561 нм < 3.0 дБ +5.. +45 єC от 5 до 95

Время включения:

- до начала работы 0.6 сек

- до полной стабилизации 3 мин

Оптические разъемы FC/APC SC/APC и другие по заказу

Конструкция Корпус 6U, 19”

Потребляемая мощность < 20 Вт 5/12 В,

Напряжение питания DC 42-72 В, AC 220 В

Размеры блока, ВxШxГ 265x32.5x265 мм

Широкополосные усилители Рамана

Использование систем WDM, как известно, требует определенной широкополосности используемых усилителей, причем в последнее время эти требования уже простираются за границы диапазона C+L. Выше было отмечена принципиальная широкополосность рама-новского усиления в целом, однако это усиление принципиально неравномерно, если обратить внимание на характер его спектра (см. рис. 2.14).

Однако этот спектр характерен только для усилителей с одной длиной волны накачки. Если определенным образом подобрать несколько длин волн накачки в требуемой полосе усиления и оптимизировать уровни накачки, то можно получить выровненное по полосе (без использования специальных выравнивающих фильтров) широкополосное усиление. Сделать это, однако, не так просто, учитывая наличие существенного взаимодействия между волнами коротковолновой и длинноволновой накачки. Это можно сделать достаточно аккуратно, если воспользоваться методами численного моделирования, позволяющего достаточно просто вычислить суперпозицию АВХ усиления от отдельных волн накачки G;

Gtotal=G1G2...Gn. (2.13)

Эта принципиальная простота подхода к решению задачи создания широкополосного рамановского усилителя, причем с оптимизацией неравномерности АВХ без использования выравнивающих фильтров начинает приносить свои плоды. Так, в [13] сообщается о распределенном рамановском усилителе с непрерывной АВХ шириной 95 нм (1520-1615 нм), неравномерностью порядка 2 дБ при среднем усилении 12 дБ, полученной при использовании 4 волн накачки: 1423, 1443, 1464 и 1495 нм. Другой источник [14] сообщает о рамановском усилителе с непрерывной АВХ шириной 80 нм (1530-1610 нм), неравномерностью порядка 0,5 дБ при среднем усилении 9 дБ, полученной при использовании 5 волн противонаправленной накачки (3 слева (1,2,3) и 5 справа): 1423,2 (1), 1438,5 (2), 1451,8 (3), 1466 (4) и 1495,2 (5) нм. На начало 2003 года наибольшая зафиксированная в публикациях ширина полосы усилителя Рамана составила 136,6 нм (1503-1640 нм) с использованием 5 волн накачки: 1408, 1439, 1470, 1502 и 1535 нм, тогда как для усилителей типа EDFA она достигла только 132 нм при использовании двухполосной схемы усилителя, аналогично описанной ниже в разд. 4.3.7.1 [15].

2.6 Волоконные ВРМБ усилители

Явление ВРМБ также может быть использовано для усиления оптического сигнала. Однако ширина полосы такого усиления значительно меньше, чем у ВКР- усилителей (десятки мегагерц против терагерц). Кроме того, частота накачки должна отличаться от частоты усиливаемого сигнала на малую величину (< 100 МГц), что делает их непригодными для усиления сигналов в схемах с WDM. Формула для коэффициента усиления аналогична коэффициенту усиления у ВКР- усилителей, с той только разницей, что Рнак и мощность насыщения усилителя Рн составляют около 1 мВт.

Принцип усиления оптических усилителей основан на рассеянии Мандельштама -Бриллюэна. При распространении в среде свет рассеивается неоднородно. Частным случаем такой неоднородности является движущаяся волна распределения плотности вещества, которую называют фононом или звуком. Одной из разновидностей фононов (тепловых колебаний атомов решетки) являются акустические. Наглядно такие фононы легко представить себе как цепочки положительно и отрицательно заряженных ионов. В цепочке акустических фононов смещения атомов подобны бегущей волне в длинной струне.

В обычных условиях акустические фононы существуют в твердых телах за счет тепловой энергии. Если же в этом материале распространяется свет (будем называть его падающим), то возникают процессы рассеивания падающего света на акустических фононах, приводящие как к поглощению, так и испусканию фононов. Когда при рассеянии возникает новый фонон, то частота световой волны уменьшается. Поскольку вероятность рассеивания пропорциональна числу соответствующих фононов, а их число зависит от температуры, то оказывается, что этот эффект при обычных условиях довольно слаб.

Рис. 2.18. Распространение волны накачки,звуковой волны и рассеянной волны.

Однако если увеличивать интенсивность падающего света, то начиная с некоторого значения интенсивности (порога) ситуация резко меняется. Дело в том, что наличие в материале кроме падающей еще и рассеянной световой волны увеличивает вероятность рассеяния. Совместное воздействие падающей и рассеянной волны благодаря некоторым механизмам (например, явлению электрострикции в твердых телах) приводит к возникновению новых неоднородностей плотности вещества, то есть к появлению новых фононов, на которых, в свою очередь, рассеивается падающая волна. Как только рассеяние становится настолько эффективным, что начинает превосходить затухание света, так рассеивание начинает лавинообразно нарастать, и интенсивность рассеянного света быстро становится сравнимой с интенсивностью падающего. Процесс с участием акустических фононов, когда активную роль играет рассеянный свет (рис. 2.18), называется вынужденным рассеянием Мандельштама-Бриллюэна (ВРМБ).

Усиление ВРМБ в световодах можно использовать для усиления слабых сигналов, частота которых смещена от частоты накачки на величину сдвига vB. Однако из-за исключительно узкой полосы усиления ВРМБ (Д vB < 100 МГц) полоса пропускания такого усилителя обычно меньше 100 МГц, в то время как в усилителях Рамана полоса составляет приблизительно 5 ТГц. По этой причине, несмотря на возможность заметного усиления при мощности накачки лишь в несколько милливатт, усилители ВРМБ до недавнего времени не привлекали большого внимания. Активность, заметная в этой области в последнее время, объясняется в основном потенциальной возможностью применения таких усилителей в системах связи.

Несколько примеров применения усилителей.

1. Усилитель Мандельштама - Бриллюэна в качестве оптического фильтра

Любой усилитель с шириной полосы, меньшей чем разнесение каналов, можно использовать в качестве оптического фильтра. Это делает его пригодным для выделения нужных каналов вещания на промежуточных станциях. Настройка достигается изменением длины волны, соответствующей пику усиления. Стимулированное рассеяние Бриллюэна (SBS) можно использовать для выборочного усиления канала, так как полоса усиления относительно мала (~100 МГц). Эффект SBS также включает взаимодействие оптических и акустических волн и определяется теми же законами сохранения энергии и количества движения, которые характерны для акустооптических фильтров.

Чтобы использовать усиление SBS в качестве перестраиваемого оптического фильтра, немодулированный луч накачки подается на приемном конце оптического волокна в направлении, обратном распространению многоканального сигнала, и длина волны накачки изменяется для выбора сигнала. Луч накачки передает часть своей энергии каналу, сдвинутому вниз по частоте от частоты накачки точно на величину сдвига Бриллюэна (около 10 ГГц при длине волны 1,55 мкм). В этом подходе настраиваемый лучом накачки лазер является исходным. Скорость передачи каждого канала ограничена значением 100 Мбит/с, если использовать узкополосный сигнал накачки. Полосу можно увеличить, расширяя спектр накачки, так как при этом ширина полосы усиления SBS также увеличивается.

2. Применение усилителя Бриллюэна при когерентном приеме

Узкий диапазон частот этих усилителей может быть использован в когерентных системах передачи по оптическому волокну. Основная идея -усилить оптическую несущую отдельно, оставляя боковые полосы модуляции неусиленными; усиленная несущая действует как местный генератор, фаза которого автоматически соответствует фазе, передаваемой несущей. Усилители Бриллюэна идеально подходят для этой цели, поскольку имеют узкий диапазон частот. Волоконные усилители Бриллюэна могут быть также использованы в качестве предварительных усилителей для улучшения чувствительности приемника.

Параметрические усилители

Параметрическое усиление основано на использовании явления, называемого частично вырожденным четырехволновым смешением ЧВЧВС. Стоксова и антистоксова компоненты при этом называются сигнальной и холостой волнами. При точном фазовом синхронизме и gL»l, где g - коэффициент параметрического усиления, в области, далекой от насыщения, а также в случае вырождения по накачке, когда существует только одна частота накачки, формула для коэффициента усиления параметрического усилителя, полученного за один проход, имеет вид [3]

G0 = [ехр(РнакLсв)]/4, (2.14)

где - среднее значение коэффициента нелинейности, Lce - длина световода.

Грубая оценка ширины полосы усиления дает величину порядка 100 ГГц. Эта величина является промежуточной между аналогичными величинами ВКР-усилителей и ВРМБ-усилителей. Параметрический усилитель имеет ряд специфических недостатков и требует: точного соблюдения фазового синхронизма, жесткого контроля длины световода, учета положения и уровня усиления холостой волны, учета истощения накачки и уширения ее спектра, приводящих к уменьшению параметрического усиления и др. Эксперименты с такими усилителями показывают возможность достижения больших коэффициентов усиления 38-46 дБм, однако требуют большой мощности накачки (30-70 Вт) и спецсредств для поддержания синхронизма. Все это не позволяет (по крайней мере, сегодня) использовать такие усилители в синхронных системах связи. Ориентировочные значения параметров ВРМБ-усилителей приведены ниже

3. ВОПРОСЫ ПРИМЕНЕНИЯ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИХ УСИЛИТЕЛЕЙ

3.1 Анализ рекомендаций ITU-T по применению волоконно-оптических усилителей

Действующая нормативная база

Разработка нормативных документов (НД) - стандартов, рекомендаций, норм - в области волоконно-оптической техники началась в середине 70-х годов. Уже в 1980 году Международный консультативный комитет по телефонии и телеграфии (МККТТ), ныне ITU-T, издал первую Рекомендацию по оптическому волокну (ОВ). Сегодня разработкой стандартов по оптоволокну и оптическим кабелям (ОК) занимаются такие международные институты и организации, как IEC (International Electrotechnical Commission - Международная электротехническая комиссия), ISO (International Standards Organization - Международная организация по стандартизации), ITU-T (International Telecommunication Union - Telecommunication - Международный союз электросвязи - сектор стандартизации электросвязи), ETSI (European Telecommunications Standards Institute - Европейский институт стандартов в области связи), Bellcore (Bell Communications Research - Исследовательский центр в области связи лаборатории Белла) и др. Все необходимые стандарты, характеристики, нормы и положения относящиеся к области волоконно-оптической техники изложены в соответствующих рекомендациях ITU-T и ETSI.

В рекомендациях МСЭ-Т серии G изложены и определены типовые характеристики являющиеся характерными для использования приборов оптического усиления (таких, как усилители мощности, предусилители или линейные усилители) и подсистем оптического усиления (таких, как передатчики с оптическим усилением или приемники с оптическим усилением), предназначенных, в первую очередь, для применения в цифровой передаче, при условии обеспечения максимальной совместимости с рекомендациями МСЭ-Т серии G по линейным системам и оборудованию, например с такими рекомендациями МСЭ-Т как G.957, G.959.1, G.661., G.662., G.663., G.664., G.665.,G.667. и др.

В рекомендациях МСЭ-Т G.664 содержатся руководящие указания и требования к методам обеспечения оптически безопасных рабочих условий (для глаз и кожи человека) на оптических интерфейсах оптической транспортной сети для оборудования, расположенного в местах ограниченного доступа и местах проведения контроля, в частности, для систем, в которых применяются рамановские методы усиления большой мощности. В частности рассмотрены вопросы безопасности для обслуживающего персонала (безопасность глаз и кожи), вопросы предупреждения повреждения оптических волокон. Приведены примеры архитектур APR (автоматического снижения мощности) для систем ОАС- вспомогательный оптический канал (включая те, которые основаны на Рамановском усилении).

В рекомендациях МСЭ-Т G.665 устанавливаются определения и методы тестирования функциональных параметров следующих типов Рамановских (Raman) волоконно-оптических усилителей и Рамановских усилительных подсистем:

-распределенный Рамановский усилитель с обратной накачкой;

-распределенный Рамановский усилитель с прямой накачкой;

-распределенный Рамановский усилитель с двусторонней накачкой;

-распределенный композитный Рамановский усилитель с обратной накачкой;

-распределенный композитный Рамановский усилитель с двусторонней накачкой;

-дискретный Рамановский усилитель.

В этих рекомендациях описаны классификация, код типа и эталонные модели различных Рамановских усилителей. В рекомендациях также даны в общих чертах основные характеристики Рамановских усилителей такие как:

-эквивалентная входная мощность;

-стабильность выхода при большом сигнале;

-выходная мощность насыщения;

-номинальная мощность выходного сигнала;

-максимальная общая выходная мощность;

-диапазон входной мощности;

-диапазон выходной мощности;

и описаны параметры функционирования и тестирования Рамановских усилителей.

В рекомендациях МСЭ-Т G.662 определены типовые характеристики (для одноканальных и многоканальных приложений, характеристики усилителей мощностей, предусилителей, линейных усилителей, передатчиков с оптическим усилением и приёмников с оптическим усилением) которые необходимы для спецификации оптических усилителей как приборов и подсистем, в первую очередь предназначенных для применения при цифровой передаче, а также в обеспечении максимальной совместимости с рекомендациями МСЭ-Т серии G по линейным системам и оборудованию.

В рекомендациях МСЭ-Т G.661 определены важные параметры, общие для всех типов оптических усилителей (такие как оптический входной и выходной порт, даны определения для оптического усилителя как элемента оптической сети, указаны параметры подсистем оптического усиления, даны основные различия между оптоволоконными усилителями и полупроводниковыми оптическими усилителями, в приложениях указаны механические и физические параметры устройств и подсистем оптического усиления) и методы тестирования вышеуказанных параметров, которые нужно контролировать, для соответствия оптических устройств усилителя и подсистем рекомендациям МСЭ-Т.

Рекомендации МСЭ-Т G.663 охватывают приложение связываюшее аспекты устройств оптического усиления и подсистем, первоначально использованных в цифровых системах. Приложения включают как одноканальные так и многоканальные системы использываюшиеся в дальних сетях и оптических сетях доступа. Цель этой рекомендации в том, чтобы установить аспекты необходимые для каждого приложения и определение подходящих величин параметров и областей для каждого типа устройства оптического усиления.

В рекомендациях МСЭ-Т G.667 содержатся параметры и определения для устройств, обеспечивающих адаптивную хроматическую компенсацию распределения. Эти устройства необходимы для передачи и обнаружения оптических сигналов в системе, показывающей высокие уровни динамического изменения хроматического распределения, которое могло бы испортить работу системы.

В рекомендациях ETSI Tc-TM изложены важные общие характеристики устройств оптического усиления и подсистем. Рекомендации охватывают как оптические волоконные усилители так и полупроводниковые оптические усилители.

Цель этих рекомендаций в том, чтобы определить общие характеристики важные для использования устройств оптического усиления (усилители мощности, предусилители или линейные усилители) и подсистемы оптического усиления (передатчики с оптическим усилением или приёмники с оптическим усилением).

В рекомендациях ITU-T и ETSI указывается, что соблюдение положений данных рекомендаций носит добровольный характер, однако в рекомендациях содержатся определенные обязательные положения (например, для обеспечения возможности взаимодействия или применимости), и в этих случаях соответствие данной Рекомендации достигается в случае выполнения всех этих обязательных положений.

3.2 Сравнительная характеристика волоконно-оптических усилителей

Таблица 3.1

Параметры	EDFA	ВКР (RA)	Fabri-Perot	ВРМБ
Максимальная выходная мощность, дБм	10-33	10-30	< 10 мВт	10-25
Коэффициент усиления, дБ	19-33 30-45	4-8 (Рвх = 100- 200 мВт) 17-30 (Рвх=1 Вт)	< 25	15-22
Неравномерность коэф. усиления.	+ 03	+ 08	+ 05	+ 05
Уровень шума, дБ	3 - 5	2 - 3	5-7	< 5
Диапазон рабочих длин волн, нм	1535-1565	1300-1330 1548-1561	1310-1550	1550
Диапазон рабочих температур	-10 … +50 0C	+5 … +45 0C	+5 …+500 С	+5… +500 С

Сравнивая характеристики оптоволоконных усилителей можно отметить,что максимальную выходную мощность в 33 дБм обеспечивают усилители EDFA и соответственно у них наибольшее значение коэффициента усиления 33 дБ. Но необходимо отметить что по шумовым характеристикам наиболее приемлемым является усилитель ВКР (Рамана). Большой уровень шума образуют усилители Фабри-Перо, но в тоже время на длине волны 1310 нм усилитель Фабри - Перо даёт хорошие выходные характеристики, в то время как эта длина волны для других типов усилителей неприемлема. Усилитель EDFA более подходит для применения в регионах с низкой температурой, хотя в обслуживаемых усилительных пунктах усилители помещают в специальные помещения. Изучение практики применения оптоволоконных усилителей показывает, что хороший практический и экономический эффект даёт комбинированное применение разнотипных усилителей (гибридные усилители), например EDFA - RA - EDFA.

3.3 Особенности применения различных типов волоконно-оптических усилителей в ВОСП

Самыми распространенными в настоящее время являются эрбиевые волоконные усилители. Главным образом это определяется спектром люминесценции ионов эрбия, лежащим в области длин волн l = 1,54 мкм -- области минимальных потерь современных кварцевых световодов. Эрбиевый волоконный усилитель характеризуется следующими основными параметрами:

-коэффицентом линейного усиления (усиления при малом входном сигнале);

-мощностью насыщения;

-спектральной полосой усиления;

-рабочей длиной волны;

-эффективностью оптического преобразования и мощностью накачки.

Современные эрбиевые волоконные усилители обеспечивают усиление модулированных оптических сигналов в полосе до 40 ГГц. Имеются экспериментальные работы, в которых показана возможность усиления модулированных сигналов со скоростями модуляции до 160 Гбит/с.

Ниже приводятся основные параметры коммерчески доступных эрбиевых волоконных усилителей:

- коэффициент линейного усиления (малосигнального) -- 30-40 дБ;

- мощность насыщения -- до 0,5 Вт;

- спектральная полоса усиления - 30-40 нм;

- диапазон рабочих (усиливаемых) длин волн -- (1530-1570) нм;

- коэффициент шума -- (4-6) дБ.

Для многоканальных волоконно-оптических систем со спектральным мультиплексированием очень важным является спектральная полоса усиления и ее равномерность (плоскостность). Поскольку в настоящее время число каналов достигает 100, и практически трудно реализовать разделение отдельных спектральных каналов с интервалами менее чем 0,4 нм (100 ГГц), то эти параметры начинают оказывать определяющее влияние на полосу пропускания системы или скорость передачи информации.

Полоса пропускания, ее равномерность, динамический диапазон и другие перечисленные выше характеристики усилителя напрямую зависят от параметров активированного световода (его длины, диаметра световедущей жилы, распределения ионов эрбия по диаметру световедущей жилы, степени однородности накачки и т.д.), а также топологии усилителя. В связи с тем, что невозможно создать усилители с одним активным элементом (световодом), полностью удовлетворяющие требования DWDМ-систем, в последнее время стали разрабатываться многокаскадные эрбиевые волоконно-оптические усилители. Так, фирма Lucent Technologies сообщила о создании двухкаскадных эрбиевых волоконных усилителей, имеющих спектральную полосу усиления Dl = 35 нм с максимальным отклонением коэффициента усиления не более 0,6 дБ (или 2,5%) в пределах всей полосы. Современная технология изготовления активированных эрбиевых световодов позволяет сдвигать границы полосы усиления в пределах длин волн Dl = (1530-1650) нм, перекрывая тем самым С и L полосы DWDМ-систем. Фирмой Алкатель разработан эрбиевый волоконный усилитель для DWDМ-систем, работающий в L спектральной полосе (Dl = 1570-1603 нм) и имеющий среднее значение коэффициента усиления, равное 34 дБ с отклонением не более 1,8 дБ по всей полосе усиления. При мощности накачки, равной 1,76 Вт, выходная мощность усилителя составляла +26 дБм.

Последним достижением можно считать разработку эрбиевых усилителей на основе теллуридного волокна (легированного примесями теллура), имеющих спектральную полосу Dl = 80 нм, которая перекрывает C и L рабочие полосы DWDМ систем. Именно с помощью таких усилителей была реализована экспериментальная система, обеспечивающая полную скорость передачи информации 3 Тбит/с (19 спектральных каналов емкостью 160 Гбит/с в каждом канале).

В диапазоне длин волн 1310 нм, где усилители типа EDFA имеют неудовлетворительные характеристики предпочтительно применение усилителей на лазерных диодах (Fabri-Perot).

Рамановские усилители перспективны для применения в волоконно-оптических системах связи в силу их следующих принципиальных преимуществ:

-они могут усиливать на любой длине волны;

-в качестве активной среды рамановских усилителей может использоваться сам волоконный световод;

-спектр усиления этих усилителей зависит от спектра (длины волны) накачки, поэтому, в принципе, подбором источников накачки можно формировать очень широкую (более 100 нм) полосу усиления;

-рамановские усилители имеют низкий уровень шумов.

Кроме того, Рамановские усилители (Raman amplifiers) позволяют увеличивать число каналов в существующих линиях связи без замены уже установленных EDFA. Они могут успешно применяться в подводных линиях средней протяженности без регенераторов (длиной около 300 км), где установка усилителей EDFA требует больших затрат. Однако в рамановских усилителях при усилении возникает значительная перекрестная модуляция между усиливаемыми каналами, что ограничивает применение таких усилителей либо одноканальными системами, либо системами WDM с большим числом каналов, где влияние такой модуляции устраняется за счет усреднения.

Основным недостатком рамановских усилителей является их невысокая эффективность преобразования, что требует использования довольно мощного непрерывного излучения накачки (~1 Вт) для получения типичной для оптических систем связи величины усиления сигнала 30 дБ.

Кроме того, рамановские усилители имеют определенные недостатки, связанные с нелинейными эффектами и зависимостью от поляризации. С учетом низкого уровня преобразования сигнала в эффекте рассеяния Рамана в кварцевом волокне, их применение ограничено узким кругом специфических областей, по крайней мере на данный момент. По сравнению с широко применяемыми в настоящее время усилителями EDFA Рамановские усилители значительно лучше по шумовым характеристикам и менее чувствительны к температурным колебаниям.

Перспективным направлением является также разработка и создание гибридных волоконных усилителей, состоящих из различных комбинаций, включающих распределенный рамановский усилитель и эрбиевый волоконный усилитель. Варианты схем гибридных усилителей приведены на рисунке.

На рисунке показаны четыре типа оптических систем гибридных усилителей.

В схемах типа 1 и 2 используются распределенные рамановские усилители (секции обычного связного волокна) и дискретные эрбиевые волоконные усилители.

Дискретный эрбиевый усилитель в схеме 1 представляет собой двухступенчатый эрбиевый усилитель с промежуточным устройством выравнивания коэффициента усиления по спектру (эквалайзером), а в схеме 2 применен одноступенчатый эрбиевый усилитель и общий внешний эквалайзер.

В схеме 3 используется двухступенчатый эрбиевый усилитель с промежуточным эквалайзером и рамановским усилителем, представляющий собой отрезок высокоапертурного волокна с легированной германием световедущей жилой.

Четвертый вариант схемы содержит дискретные эрбиевый и рамановский усилители и внешний эквалайзер.

Рис 3.1 Схемы гибридных усилителей.

Поскольку любой усилитель с шириной полосы, меньшей чем разнесение каналов, можно использовать в качестве оптического фильтра и это делает его пригодным для выделения нужных каналов вещания на промежуточных станциях. Настройка достигается изменением длины волны, соответствующей пику усиления. Стимулированное рассеяние Бриллюэна (SBS) можно использовать для выборочного усиления канала, так как полоса усиления относительно мала (~100 МГц). Возможна реализация усилителя Бриллюэна в качестве оптического фильтра для многоканальной системы. Для выделения в пунктах по одному каналу в каждом достаточно установить усилитель Бриллюэна и настроить его на выделение требуемого канала. Здесь отсутствует промежуточное преобразование оптика -электроника - оптика, что позволяет уменьшать накопление ошибок. Узкий диапазон частот усилителей Бриллюэна может быть использован в когерентных системах передачи по оптическому волокну. Основная идея -усилить оптическую несущую отдельно, оставляя боковые полосы модуляции неусиленными; усиленная несущая действует как местный генератор, фаза которого автоматически соответствует фазе, передаваемой несущей. Усилители Бриллюэна идеально подходят для этой цели, поскольку имеют узкий диапазон частот.

Приведём пример реализации линии ВОСП с применением SDH-WDM платформы ONS-15464 компании Cisco, оборудования DWDM (активное и пассивное) в том числе оптические усилители EDFA марки EAU-100 и EAU- 10P компании ИРЭ-ПОЛЮС. Реализация представлена в трёх вариантах (рис.1):

а) Линия использует систему ONS-15464 компании Cisco без усилителей; максимально реализуемая длина пролёта равна 90 км.

б) К системе ONS-15464 добавляется выходной ОУ (бустер) типа EAU-100 максимальная длина пролёта при этом увеличивается до 150 км.

в) К системе ONS-15464 добавляется выходной ОУ и входной ОУ типа EAU- 10P на дальнем конце звена связи. Максимальная длина пролёта при этом увеличивается до 250 км.



Рис. 3.2. Варианты реализации линии передачи с использованием оптических усилителей.

Дополнительное использование Рамановских усилителей со встречной (противонаправленной)накачкой (рис.3.3) позволяет расширить длину пролёта до 300 км.

Рис 3.3. Однопролётная схема передачи с усилителями накачки и предусилителями.

Наилучший эффект для усиления сигнала в ВОЛС достигается при работе усилителей EDFA и RA в паре (один на ближнем (EDFA) другой на дальнем (RA)концах).

Последовательно соединяя несколько линейных усилителей (ЛОУ) или несколько усилительных пролётов можно передать сигнал на расстояние более 1000-1500 км без регенерации. (рис.3.4)

Рис. 3.4 Использование пословательного включения оптических усилителей.

Представлены параметры применяемых оптических усилителей серии EAU-x компании ИРЭ-ПОЛЮС.

Таблица 3.2

	EAU- 10P EPA-10	EAU-100- C2-W	EAU-200- W	EAU-200-W	EAU-500-W	EAU-1-W	EAU-2-W
Максимальная выходная мощность. дБм	10	20	23	23	27	30	33
Номинальный коэффициент усиления. дБ	-	-	19-33	18-26	24-30	27-33	30-36
Уровень шума, типовой, дБ	<5.5	<5.5	<5.5	<5.0	<5.0	<5.0	<5.5
Неравномерность АВХ. дБ	±1.0	±1.0	±0.5	±0.4	±0.4	±0.4	±0.4
Диапазон изменения входного сигнала, дБм	-38	-6	-10…+4	-	-	-	-
Диапазон рабочих длин волн: полоса С, нм	1535-1585	1529-1564
Диапазон рабочих длин волн: полоса Ц нм	-	1570-1605
Поляризационная зависимость усиления, дБ	0.3	0.3
Поляризационная модовая дисперсия, пс	0.9	0.4
Оптическая изоляция входа/выхода, дБ	35	35
Возвратные потери на входе/выходе, дБ	45	45
Уровень остаточного сигнала накачки. дБ	-	-35
Диапазон рабочих температур. *С	-10…+50	-10…+70

При этом параметры усилителей можно изменять: максимальную выходную мощность и номинальный коэффициент усиления - настроить, диапазон рабочих длин волн - сдвинуть влево/ вправо для обесбечения нужной полосы пропускания в соответствии со стандартной сеткой волнового плана ITU-T, а диапазон рабочих температур - расширить по желанию пользователя.

Дополнительно усилители могут снабжаться микропроцессорными печатными платами, ваыполняющие следующие функции: AGC (автоматическая регулировка усиления), АРС (автоматический контроль поляризации), АСС (автоматическая регулировка несущей), ОSC (оптического канала супервизорного управления).

Использование ОУ позволяет реализовать следующие преимущества:

-увеличение длины пролёта до 250-300 км,

-экономию при обслуживании линии ВОЛС в целом,

-более простую конфигурацию сети (ниже ценв, выше надёжность, проще эксплуатация)

-ОУ прзрачен для используемых протоколов и скоростей передачи и может усиливать входной сигнал практически любого формата.

-Возможность одновременного усиления ряда каналов / несущих DWDMлежащих внутри полосы пропускания ОУ.

Модернизация действующей сети с помощью ОУ значительно снижает затраты на закупку оборудованияи на эксплуатацию сети, так как позволяет в 2-3 раза уменьшить число регенераторов SDH / WDM. Такое уменьшение затрат приводит к окупаемости средств, вложенных в модернизацию, примерно за один год. В проектируемых сетях применение ОУ также позволяет снизить затраты на оборудование, так как цена ОУ в несколько раз меньше цены регенератора.

ВЫВОДЫ

Выводы по первой главе магистерской диссертации

1. Проведён обзор литературы по особенностям функционирования ВОСП.

2. На основе анализа физических процессов, протекающих в оптическом волокне (процессов затухания и дисперсии оптического сигнала) рассмотрены пути преодоления проблем расстояния и скорости передачи с использованием оптических усилителей.

3. Сформулированы цели и задачи магистерской диссертационной работы.

Выводы по второй главе магистерской диссертационной работы

1. Проведена классификация волоконных оптических усилителей по природе явлений, составляющих физическую основу их работы и по диапазону рабочей длины волны.

2. Исследованы особенности функционирования, характеристик и параметров различных типов волоконных оптических усилителей - примесных усилителей (EDFA усилителей, Рамановскихъ усилителей, уасилителей Бриллюэна-Мандельштамма).

3. Дана сравнительная характеристика различных типов волоконных оптических усилителей с точки зрения их применимости в ВОСП.

Выводы по третьей главе магистерской диссертации

1. Сравнение характеристик оптоволоконных усилителей приводит к следующим выводам:

- максимальную выходную мощность обеспечивают усилители EDFA и более подходят для применения в регионах с низкой температурой;

- по шумовым характеристикам наиболее приемлемым является усилитель ВКР (Рамана);

- усилитель Фабри - Перо на длине волны 1310 нм даёт хорошие выходные характеристики, в то время как эта длина волны для других типов усилителей неприемлема;

2. Изучение практики применения оптоволоконных усилителей показывает, что хороший практический и экономический эффект даёт комбинированное применение разнотипных усилителей (гибридные усилители), например EDFA - RA - EDFA.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Проведён обзор литературы по особенностям функционирования ВОСП.

2. На основе анализа физических процессов, протекающих в оптическом волокне (процессов затухания и дисперсии оптического сигнала) рассмотрены пути преодоления проблем расстояния и скорости передачи с использованием оптических усилителей.

3. Сформулированы цели и задачи магистерской диссертационной работы.

4. Проведена классификация волоконных оптических усилителей по природе явлений, составляющих физическую основу их работы и по диапазону рабочей длины волны.

5. Исследованы особенности функционирования, характеристик и параметров различных типов волоконных оптических усилителей - примесных усилителей (EDFA усилителей, Рамановскихъ усилителей, уасилителей Бриллюэна-Мандельштамма).

6. Дана сравнительная характеристика различных типов волоконных оптических усилителей с точки зрения их применимости в ВОСП.

7. Сравнение характеристик оптоволоконных усилителей приводит

к следующим выводам:

- максимальную выходную мощность обеспечивают усилители EDFA и более подходят для применения в регионах с низкой температурой;

- по шумовым характеристикам наиболее приемлемым является усилитель ВКР (Рамана);

- усилитель Фабри - Перо на длине волны 1310 нм даёт хорошие выходные характеристики, в то время как эта длина волны для других типов усилителей неприемлема;

8. Изучение практики применения оптоволоконных усилителей показывает, что хороший практический и экономический эффект даёт комбинированное применение разнотипных усилителей (гибридные усилители), например EDFA - RA - EDFA.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1. Гауэр Дж. Оптические системы связи. - М.: Радио и связь,1989.-504с.

2. Волоконно-оптические системы передачи и кабели. Справочник / Гроднев И.И., Мурадян А.Г., Шарафутдинов Р.М. и др. -М.: Радио и связь, 1993.-264с.

3. Б.В. Скворцов, В.И. Иванов, В.В. Крухмалев и др.; Под ред. В.И. Иванова/ Оптические системы передачи: Учебник для ВУЗов. - М.: Радио и связь, 1994. - 224с.

4. Стерлинг Д. Дж. Техническое руководство по волоконной оптике. - М.: ЛОРИ, 1998.

5. Убайдуллаев Р.Р. Волоконно-оптические сети.-М.: ЭкоТрендз, 1998.

6. Иванов А.Б. Волоконная оптика: компоненты, системы передачи, измерения.-М.: САЙРУС СИСТЕМС, 1999.

7. Слепов Н. Н. Современные технологии цифровых оптоволоконных сетей связи. - М.: Радио и Связь, 2000. -468 с.

8. Скляров О. К. Современные волоконно-оптические системы передачи, аппаратура и элементы. - М.: СОЛОН-Р, 2001. - 237 с.

9. Гринфилд Д. Оптические сети. - К.: ООО «ТИД «ДС», 2002. - 256 с.

10. Листвин А. В., Листвин В. Н., Швырков Д. В. Оптичекие волокна для линий связи. - М.: ЛЕСАРарт, 2003. - 288 с.

11. Н.Слепов. Современные технологии цифровых оптоволоконных систем связи. М.: Радио и связь, 2003, -468 с.

12. Слепов Н.Н. Параметры промышленных одномодовых оптических волокон // Вестник связи, 1999, №11.

13. Г.П.Агравал. Нелинейная волоконная оптика. - М., Мир, 1996.

14. В.Трещиков., Н.Слепов. Оптические усилители и системы мониторинга на магистральных сетях WDM. Электроника: Наука, Технология, Бизнес. 7/ 2006.

15. Рекомендация G651 МСЭ-Т Оптические стыки для одноканальных систем с оптическими усилителями.

16. Рекомендация G652 МСЭ-Т Характеристики одномодовых волоконно-оптических кабелей.

17. Рекомендации ITU-TRec. G.707.

18. http://optictelecom.ru.

Размещено на Allbest.ru

...