1. Оптические волокна. Оптические кабели

1.1. Общие сведения

1.2. Многомодовые оптические волокна

1.3. Одномодовые оптические волокна

1.4. Конструкция оптических кабелей

2. Оптические соединения. Разъемные соединители

2.1. Общие сведения

2.2. Сварные соединения

2.3. Механические соединители

2.4. Параметры оптических разъемных соединителей

2.5. Конструкции разъемных соединителей

3. Оптические разветвители

3.1. Общие сведения

3.2. Классификация разветвителей

4. Аттенюаторы

5. Оптические изоляторы

6. Передающие оптоэлектронные модули

6.1. Общие сведения

6.2. Классификация оптоэлектронных модулей

6.3. Светоизлучающие диоды

6.4. Лазерные диоды

6.4.1. Лазерный диод с резонатором Фабри-Перо (FPR)

6.4.2. Лазерный диод с распределенной обратной связью (DFB лазер)

6.4.3. Лазерный диод с внешним резонатором

7. Приемные оптоэлектронные модули

7.1. Общие сведения

7.2. p-i-n фотодиод

7.3. Лавинный фотодиод

7.4. Технические характеристики фотоприемников (ФПр)

8. Оптические усилители

8.1. Общие сведения

8.2. Полупроводниковые оптические усилители (ППОУ)

8.3. Усилители на примесном волокне

8.3.1. Принцип работы эрбиевого усилителя

8.3.2. Разновидности усилителей ЕDFА

8.3.3. Основные параметры

8.4. Модификации волоконно-оптических усилителей

1. Оптические волокна. Оптические кабели

1.1. Общие сведения

Волоконно-оптические кабели используются в качестве основной физической среды передачи в волоконно-оптическом линейном тракте (ВОЛТ) оборудования синхронной цифровой иерархии (СЦИ).

Преимущества использования оптических кабелей (ОК) по сравнению с медными:

· огромная пропускная способность (другими словами: большая полоса пропускания),

Скорость передачи информации по одному оптическому волокну (ОВ) составляет несколько Терабит в секунду

· малое затухание светового сигнала в волокне,

На длине волны 1, 55 мкм коэффициент затухания ОВ составляет 0,2 дБ/км

· высокая помехозащищенность и малое собственное излучение,

ОВ невосприимчиво к электромагнитным помехам. В оптическом кабеле не возникает проблемы перекрестного влияния электромагнитного излучения отдельных волокон

· высокая защищенность от несанкционированного доступа

Передаваемую по ОВ информацию трудно «подслушать», не нарушая приема-передачи

· малый вес и объем и др.

Для количественной оценки линейного тракта ВОСП вводят понятие энергетического потенциала ВОСП (Budget).

ЭП^ВОСП= р_пер–р_{пр мин}, дБ,

где

p_{пер макс} – уровень мощности передатчика,

p_{пр мин} – минимальный уровень мощности приемника, другими словами чувствительность приемника.

Абсолютный уровень мощности р = , дБм,

где P_x–измеряемая мощность в мВт, Р₀ = 1мВт,

относительный уровень мощности р = , дБ,

где Р₁ и Р₂ – любые мощности.

Оптическое волокно представляет собой моноструктуру в виде сердцевины и оболочки, изготавливаемую из кварцевого стекла с различными показателями преломления (причем n_серд >n_обол, где n—показатель преломления).

n = c₀/ V,

где c₀ — скорость электромагнитной волны в вакууме,

V— скорость электромагнитной волны в физической среде (в оптическом волокне).

Так как кварцевое стекло хрупкое, оптическое волокно покрывают защитными оболочками из полимерных материалов (рис.1).

Рис.1

Оптическое волокно, защищенное одной или несколькими защитными оболочками, называется первичным оптическим модулем.

Первичный оптический модуль или совокупность оптических модулей составляют основу оптического кабеля.

Оптические кабели имеют различные /достаточно сложные/ конструкции, отвечающие тем или иным условиям применения.

Используемый в ВОСП диапазон длин волн оптических волокон на основе кварцевого стекла составляет от 850 нм до 1675 нм (рис.2).

Рис.2

Оборудование СЦИ работает во 2-ом и 3-ем окнах прозрачности, что соответствует длинам волн 1310 нм и 1550 нм.

Окно прозрачности – это область длин волн на кривой затухания, где коэффициент затухания имеет минимальное значение. 1-е окно прозрачности соответствует длине волны 850 нм, 2-е окно прозрачности – 1310 нм, 3-е – 1550 нм, 4-е – 1620 нм, 5-е – 1420 нм.

Основой конструирования ОК и основным принципом работы ОК является реализация закона Снеллиуса (рис.3). Если луч падает на границу раздела двух сред (n₁ и n₂), то он частично отражается, а частично проходит в другую среду (преломляется).

n₁sinΘ_пад= n₂sinΘ_прелом

Рис.3

Физической основой передачи светового сигнала по оптическому волокну служит явление полного внутреннего отражения света от границы раздела двух сред с различными показателями преломления (условие выполнения этого явления - угол преломления = 90°).

Подбирая n₁ и n₂, можно добиться того, что угол преломления составил 90° (рис.3).

Различают следующие типы лучей в ОВ:

· Направляемые — основной тип лучей, претерпевают полное внутреннее отражение (апертурные лучи на рис.4)

· Вытекающие — на границе сердцевина-оболочка преломляются и распространяются в оболочке, теряя при этом часть энергии. На некотором расстоянии от начала волокна затухают (примерно 1-3 км). (неапертурные лучи на рис.4)

· Излучаемые — излучаются из оболочки в окружающее пространство

Рис.4

Учитывая конечный диаметр сердцевины (рис.4), в ОВ попадает не один луч, а поток лучей, образующих входной конус с углом при вершине 2Q_крит,определяемым так называемой числовой апертурой NA (эквивалентом половинного угла при вершине конуса, равного апертурному углу Q_крит):

NA₀ = sinQ_крит = ,

где n_с – показатель преломления сердцевины, n_о – показатель преломления оболочки.

Лучи, которые попадают под углом Q≤Q_крит – апертурные, если нет - неапертурные.

Применяются многомодовые и одномодовые ОВ.

Мода—тип электромагнитной волны с соответствующими характерными признаками (траектория распространения (прямолинейная, криволинейная); соотношение диаметра сердцевины и длины волны λ ; плоскость поляризации электромагнитной волны).

Количество мод, распространяющихся в ОВ, находится из решения системы уравнений Максвелла.

В оптике основная волна НЕ₁₁- основная мода.

В одномодовых волокнах распространяется один тип волны (одна мода НЕ₁₁).

В многомодовых волокнах распространяется много типов волн.

К основным передаточным параметрам оптических волокон и, следовательно, оптических кабелей относятся:

· рабочая длина волны;

· коэффициент затухания (километрическое затухание);

· пропускная способность, которая для многомодовых ОВ оценивается коэффициентом широкополосности, а для одномодовых — коэффициентом дисперсии.

Рабочая длина волны определяется одним из окон прозрачности кварцевого стекла (850, 1310, 1550 нм).

Затухание ОК определяется собственными потерями ОВ (поглощением, рассеянием, излучением) и потерями, связанными с монтажом кабеля, при изгибе, при прокладке кабеля, с технологией производства кабеля (микроизгибы). Детально составляющие затухания ОК показаны на рис.5.

Рис.5

Дисперсия — это рассеяние во времени отдельных спектральных составляющих оптического излучения. Дисперсия (рис.6) приводит к уширению импульса на выходе ОВ, т.е. к межсимвольной интерференции и увеличению коэффициента ошибок, т.к. разные спектральные составляющие имеют разные скорости и огибающая импульса на выходе ОК искажается.

Результатом этого являются межсимвольные помехи, что приводит к увеличению коэффициента ошибок К_ош при заданной скорости передачи и заданной длине регенерационного участка L_р.

Среднеквадратическая разность длительностей импульсов на входе и выходе ОВ называется уширением импульса.

В оптическом кабеле, в отличие от электрического, длина регенерационного участка Lр определяется еще и дисперсией.

Причины дисперсии:

· диспергирующая среда (особенности структуры ОВ);

· некогерентность источника излучения, его несовершенство (конечная ширина спектра излучения);

· показатель преломления, (закон его изменения (профильная дисперсия));

· несовершенство конструкции ОВ (эллиптичность сердцевины) (поляризационная модовая дисперсия)

Различают хроматическую – материальную и волноводную – и

поляризационную модовую (ПМД) дисперсии (рис.6). Межмодовая дисперсия возникает в многомодовых волокнах.

Материальная дисперсия – зависимость скорости распространения луча (волны) от длины волны или зависимость показателя преломления от длины волны.

Волноводная (внутримодовая) дисперсия обусловлена процессами внутри моды. Она характеризуется направляющими свойствами сердцевины ОВ, а именно: зависимостью групповой скорости моды от длины волны, что приводит к различию скоростей распространения частотных составляющих излучаемого спектра. Поэтому волноводная дисперсия, в первую очередь, определяется профилем показателя преломления ОВ и пропорциональна ширине спектра источника излучения.

Для лазерных диодов (ЛД) с шириной спектра излучения Δλ < 0,1 нм при переходе со скорости передачи 2,5 Гбит/с на 10 Гбит/с из-за хроматической дисперсии протяженность линии уменьшается в 16 раз. Методы, уменьшающие хроматическую дисперсию, ведут к увеличению потерь, стоимости, сложности. Для стандартного одномодового волокна G.652 для скорости передачи 10 Гбит/с длина линии связи без компенсации дисперсии составляет Lр = 50-75 км.

Рис.6

Хроматическая дисперсия оценивается коэффициентом хроматической дисперсии в пс/нм/км и наклоном кривой дисперсии в пс/нм²/км.

Хроматическую дисперсию в ОВ можно скомпенсировать с помощью компенсаторов хроматической дисперсии.

Поляризационная модовая дисперсия PMD (Polarization Mode Dispersion) возникает из-за различной скорости распространения двух взаимно перпендикулярных составляющих излучения (рис.7).

Рис.7

В оптической линии связи PMD обычно накапливается статистически, как квадратный корень из длины пути L , а не линейно. Полное значение PMD имеет размерность времени (обычно измеряется в пс) и определяется по формуле:

,

где K_PMD - коэффициент PMD (пс/км^1/2). Физический смысл K_PMD - это дисперсия PMD на длине волокна 1 км.

1.2. Многомодовые оптические волокна

Параметры ОВ регламентируются рекомендациями Международного Союза Электросвязи (ITU-T).

Параметры многомодовых ОВ представлены в рекомендации G.651. Эти ОВ работают в первом (850 нм) и втором (1300) окнах прозрачности. Многомодовые ОВ имеют диаметр сердцевины (1 на рис.8) 50мкм (или другое часто используемое стандартное значение 62,5 мкм), диаметр оболочки (2 на рис.8) 125мкм, диаметр защитной оболочки (3 на рис.8) 250 мкм, может присутствовать плотное буферное покрытие 900 мкм.

Рис. 8. Распространение света в многомодовом оптическом волокне со ступенчатым профилем показателя преломления

Больший, в сравнении с одномодовым, диаметр сердцевины многомодового ОВ и большая числовая апертура облегчает его монтаж и эксплуатацию. Основным недостатком такого волокна является наличие межмодовой дисперсии, возникающей из-за того, что разные моды проходят в волокне разный оптический путь. Для уменьшения влияния этого явления было разработано многомодовое волокно с градиентным профилем показателем преломления (рис. 9). Из рисунка видно, что за счет уменьшения показателя преломления от оси ОВ к оболочке скорость распространения лучей увеличивается. Таким образом происходит выравнивание скоростей для лучей (мод), распространяющихся под разными углами.

Рис. 9. Многомодовое волокно с градиентным профилем показателя преломления

Таблица 1. Характеристики многомодовых оптических волокон

1.3. Одномодовые оптические волокна

Одномодовые ОВ имеют диаметр сердцевины от 8 до 10мкм, диаметр оболочки 125 мкм, диаметр защитной оболочки 250 мкм, может присутствовать плотное буферное покрытие 900 мкм.

Параметры стандартного одномодового ОВ регламентируются рекомендацией G.652 МСЭ-Т. Это наиболее широко распространенное волокно. Это ОВ работает во втором окне прозрачности (диапазон длин волн 1,285¸1,330 мкм), в котором коэффициент затухания ~0,35дБ/км, а величина хроматической дисперсии в ОВ достигает минимального, близкого к нулю значения, и в третьем окне прозрачности (диапазон 1,525¸1,565 мкм), где затухание очень мало (~0,2 дБ/км), а дисперсия составляет 16¸18 пс/(нм×км). Стандартное одномодовое волокно имеет ступенчатый профиль показателя преломления.

Параметры одномодового волокна со смещенной в область 1,55 мкм длиной волны нулевой дисперсией (DSF) регламентируются рекомендацией G.653 МСЭ-Т. В этом волокне область минимума оптических потерь совпадает с областью минимальной хроматической дисперсии. Такой тип волокна предпочтителен для высокоскоростных линий связи с большой длиной регенерационного участка, без применения технологий оптического уплотнения (DWDM).

Одномодовое ОВ со смещенной ненулевой дисперсией (NZDSF) было разработано для систем, использующих DWDM-технологии. Его параметры регламентируются рекомендацией G.655 МСЭ-Т. Рабочий диапазон для этих ОВ 1,530¸1,565 мкм, уровень хроматической дисперсии в рабочем диапазоне 0,1¸6 пс/(нм×км). Такой уровень дисперсии достаточно низок для того, чтобы обеспечить скорость передачи до 10 Гбит/с в каждом спектральном канале, и в то же время достаточно высок для эффективного подавления нелинейных эффектов при использовании DWDM-технологий (в частности, для подавления эффекта четырехволнового смешения). Этот эффект приводит к тому, что после прохождения DWDM-сигналом определенной длины волокна возникают компоненты на кратных частотах, т. е. становится невозможным демультиплексирование сигнала. Для данного типа волокна возможно получение волокон с одинаковой по величине, но разной по знаку дисперсией (NZDSF⁺ и NZDSF^– волокна), что дает возможность построения линий со скомпенсированной, близкой к нулю дисперсией, без применения дополнительных устройств. Спектральные зависимости затухания и дисперсии различных одномодовых волокон показаны на рис.10,11,12, а некоторые их характеристики приведены в таблице 2.

Рис. 10. Спектральные зависимости затухания и дисперсии волокон

Рис.11

Рис.12

Таблица 2.

1.4. Конструкция оптических кабелей

ОК подразделяют по ряду признаков: назначение и условия применения, конструктивные и технологические особенности, число ОВ и электрических жил.

ОК можно разделить на кабели для внешней (линейные кабели) и внутренней (внутриобъектовые кабели) прокладки.

По условиям применения кабели делятся на подвесные, подземные (в грунте, в кабельной канализации, в тоннеле) и подводные.

Основное назначение элементов конструкции ОК заключается в том, чтобы сохранять характеристики передачи и механическую прочность волокон стабильными в процессе изготовления, прокладки и эксплуатации кабеля, должны обладать механической прочностью и химической стойкостью.

К факторам, учитываемым при конструировании ОК относятся:

- механические характеристики и характеристики окружающей среды,

- долгосрочная надежность,

- легкость выполнения работ по прокладке и сращиванию,

- применение на сети.

Можно выделить несколько основных групп конструктивных элементов (рис.13) оптических кабелей:

- ОВ с защитными покрытиями,

- сердечники,

- силовые элементы,

- гидрофобные или гидрофильные материалы,

- оболочки и броня.

Рис.13

Как правило, для первичного покрытия ОВ применяют акрилат или силиконовую смолу. Для облегчения идентификации волокон первичное покрытие окрашивается.

ОВ, имеющие первичное покрытие, могут быть вторично защищены:

- посредством свободной укладки внутри трубки или в пазу,

- с помощью плотного покрытия из полимера,

- за счет использования ленточно-полимерной конструкции.

Гидрофобные и гидрофильные материалы препятствуют проникновению влаги в ОК и способствуют увеличению срока службы ОВ. Как правило, это специальный гидрофобный заполнитель. Гидрофильная лента имеет свойство разбухать при попадании воды. Может использоваться комбинация этих материалов. Свободное пространство в ОМ, пазах, а также между ОМ заполняется гидрофобным компаундом. Гидрофобная лента используется для обмотки ОМ и сердечников ОК. Применяется непрерывное и дискретное заполнение гидрофобным компаундом.

Сердечник ОК формируется из одного (сердечник малой емкости) или нескольких (сердечник большой емкости) ОМ. Используются конструкции сердечников с небольшим (менее 100) и с большим (более 100) числом ОВ.

Силовые элементы вводятся в ОК с тем, чтобы обеспечить необходимую прочность ОК и не допустить больших напряжений в ОВ. В качестве материалов для силовых элементов применяют стальную проволоку, а также арамидные нити и стеклопластиковые стержни.

Силовые элементы размещают в центре – для большей гибкости и на периферии – для большей стойкости ОК к ударам и растягивающим усилиям.

Оболочки ОК предназначены для защиты сердечников ОК от внешних воздействий и механических повреждений. Подразделяются на пять типов:

o металлическая/пластмассовая оболочка с металлическими лентами или металлическим слоем,

o пластмассовая оболочка, o пластмассовая оболочка с силовыми элементами, o пластмассовая оболочка, в которую впрессованы силовые элементы с металлической лентой, o бронированная оболочка кабеля.

Рассмотрим примеры маркировки оптических кабелей производства ОАО «Одессакабель»:

ОКК-50-01-0,7-8 это кабель городской связи,

К – для прокладки в канализации,

50 – диаметр сердцевины (ММ волокно),

01 – модификация кабеля – центральный элемент из стеклопластика,

0,7 – коэффициент затухания, дБ/км,

8 – число ОВ.

ОКК-10-02-0,35-4, 10 – одномодовое ОВ, 02 – центральный элемент из стали.

ОКЛ – линейный, магистральный кабель

ОКЛС – с броней из стеклопластиковых стержней

ОКЛБ – с броней из стальных лент

ОКС – ОК станционный.

Рассмотрим примеры конструктивного исполнения и эксплуатационных характеристик оптических кабелей ОКЛ и ОКЛБг производства ОАО «Одессакабель»:

Конструкция

Эксплуатационные характеристики кабеля.

Температурный режим эксплуатация ... -40oС до + 60oС хранение ... -40oС до + 60oС прокладка, монтаж ...-10oС до +50oСРастягивающие нагрузки При прокладке зависят от конструкции кабеля, но не менее 3,5 кН

Радиусы изгиба Циклические при нормальных условиях 200 мм Разовые при t = - 30oС, t = +60oС 150 мм При образовании петли 150 мм При монтаже и эксплуатации 300 ммВодопроницаемость не проницаем по IEC 794-1-F5

Раздавливающее усилие не менее - 3000 Н/100 мм Кабель не подвержен электромагнитным воздействиям, если отсутствуют металические элементы. Электрическое сопротивление изоляции оболочки 2000 MОм* км Коэффициент затухания Для одномодовых волокон: 1310 нм - 0,36 дБ/км; 1550 нм - 0,22 дБ/км Для многомодовых волокон: 850 нм - 3,00 дБ/км; 1300 нм - 1,00 дБ/км Поставка Строительная длина, более - 2 км Максимальная длина - 7 км Поставка на барабанах N 10 .... 18

Конструкция

1	Оптические волокна по ITU-T G.652 и G.651, от 4 до 144 шт.
2	Оптический модуль	полибутилентерефталат (ПБТ)
3	Центральный силовой элемент	стеклопластик или стальной трос в полиэтиленовой оболочке
4	Заполняющий компаунд модуля	тиксотропный гель
5	Заполняющий компаунд сердечника	гидрофобный заполнитель
6	Скрепляющий слой под оболочкой	нити капроновые, пленка ПЭТ-Э
7	Упрочняющий слой (1 и более)	арамидные нити "Кевлар", "Тварон" (могут отсутствовать)
8	Оболочка	полиэтилен, толщиной - 1,0 мм
9	Бронепокров	гофрированная ламинированная стальная лента; водоблокирующая лента или гель под гофрированной лентой
10	Защитная оболочка	полиэтилен или ПВХ, толщиной - 2,0 мм*

*Примечание: бронепокров со сваренным швом. Защитная оболочка сварена с гофрированной лентой.

Эксплуатационные характеристики кабеля.

Температурный режим эксплуатация - 40oС до + 60oС хранение - 40oС до + 60oС прокладка, монтаж -10oС до +50oС Растягивающие нагрузки При прокладке зависят от конструкции кабеля, но не менее 3,5 кН

Радиусы изгиба Циклические при нормальных условиях 250 мм Разовые при t = - 30oС, t = +60oС 150 мм При образовании петли 150 мм При монтаже и эксплуатации 300 мм Водопроницаемость не проницаем по IEC 794-1-F5

Раздавливающее усилие не менее - 3000 Н/100 мм Категория молниестойкости по K.25 ITU-T ( I>105 кA ) Электрическое сопротивление изоляции оболочки 2000 MОм* км Коэффициент затухания

	Длина волны, нм	КЗ
Для одномодовых волокон:	1310 1550	0,36 0,22
Для многомодовых волокон:	850 1300	3,00 1,00

Поставка Строительная длина, более 2 км Максимальная длина 7 км. Поставка на барабанах N 10 .... 20

2. Оптические соединения. Разъемные соединители

2.1. Общие сведения

Соединения оптических волокон можно разделить на разъемные и неразъемные.

Методы соединения оптических волокон:

- термическим способом—методом сварки получают неразъемные соединения,

- с помощью механического контакта получают разъемные соединения:

механические соединители (сплайсы),

оптические разъемы (разъемные соединители).

Целью сварки является создание постоянного соединения оптических волокон ОК с низкими потерями передачи оптического излучения через место соединения.

Отличительной особенностью механических соединителей является возможность многократного сочленения (более 10) оптических волокон, что особенно важно при создании временного соединения ОК в процессе устранения неисправностей на линии, а также при подключении измерительных приборов.

Разъемные соединители (РС) допускают многократную сборку и разборку (не менее 100 циклов) без ухудшения параметров и применяются в оптических кроссах и для подключения к кабелю оборудования.

Механический соединитель представляет собой прецезионное самоюстирующее оптомеханическое устройство. Это же относится и к оптическому разъему.

Основные требования к соединителям:

· минимальные потери, вносимые в тракт распространения оптического сигнала,

· низкие обратные потери,

· долговременная стабильность, (большое число циклов включения-отключения—для разъемных),

· простота изготовления или установки.

2.2. Сварные соединения

Для сварных соединений типичный диапазон достигаемых вносимых потерь составляет 0,02–0,1 дБ как для одномодовых, так и для многомодовых волокон.

В настоящее время получение хорошего сростка упростилось благодаря постоянному прогрессу сварочного оборудования, процедур сварки – с одной стороны, и постоянному улучшению геометрических параметров волокна – с другой стороны.

На качество сварного соединения влияют множество факторов, среди которых основными являются

- вносимые потери сростка,

- прочность на растяжение.

Эти параметры определяются несовпадением диаметров волокон и числовых апертур, несовпадением показателей преломления, неконцентричностью сердцевины и оболочки. Кроме того, в процессе сращивания могут возникать продольные и угловые смещения, загрязнение и деформация сердечника, однако, влияние этих факторов может быть сведено до минимума за счет использования современных автоматических сварочных аппаратов и обученного персонала.

Процесс создания сростка состоит из трех этапов:

- подготовки волокон – удаления оболочки, удаления загрязнения с очищенных поверхностей и скола очищенных волокон;

- непосредственно процесса сварки и оценки качества сварного соединения;

- защиты оголенного участка волокна от механического давления и влияния окружающей среды посредством герметичной оболочки – термоусадочной гильзы.

Процесс сварки заключается в сближении волокон с предварительно подготовленными торцевыми поверхностями на заданное расстояние, центрировании осей волокон вдоль оси абсцисс и последующем создании дугового разряда между электродами. При этом подготовка торцевых поверхностей осуществляется скалывателем, параметры которого имеют большое значение, так как они определяют перпендикулярность полученной в результате скола поверхности к оси волокна, что является существенным фактором при сварке ОВ.

2.3. Механические соединители

При соединении однотипных волокон, что имеет наибольшее распространение на практике, эффективным является соединение торец в торец (core to core), которое может быть реализовано только при обеспечении строгой соосности волокон, идентичности геометрии, а также высокой степени гладкости и перпендикулярности торцевых поверхностей к оси волокна.

Потери, вносимые механическим соединителем, определяются дефектами сопряжения, вызванными радиальным, угловым и осевым смещением соединяемых волокон. Так как осевое смещение сказывается на качестве соединения в меньшей степени, при создании механических соединителей основное внимание уделяется минимизации радиального и углового смещения. Это достигается, с одной стороны, использованием высококачественных скалывателей, обеспечивающих перпендикулярность скола волокна с точностью до 1 градуса, а с другой – шарнирных центрирующих элементов (Fibrlok фирмы 3М) или направляющих, имеющих V-образную форму (Corelink фирмы 3М). Кроме того, в механических соединителях используется иммерсионный гель как согласующая среда. Такие конструкции обеспечивают типовое значение потерь, равное 0,2–0,5 дБ для многомодовых волокон и 0,2–1 дБ для одномодовых волокон при отражении, не превышающем –45 дБ (Fibrlok) и –55 дБ (Corelink). Количество циклов соединения составляет более 10, а время соединения после подготовки волокон не превышает 30 сек. Диапазон рабочих температур данных соединителей лежит в пределах от –40°С до +80°С.

2.4. Параметры оптических разъемных соединителей

Оптические соединители изготавливаются как в многомодовом (ММ), так и в одномодовом (ОМ) варианте. ОМ вариант отличается в основном более жесткими допусками на геометрические размеры наконечника и центрирующих элементов розетки, позволяющими удержать в приемлемых пределах потери при сращивании ОМ волокон.

Таблица 3. Параметры основных типов разъемных соединителей

К основным параметрам оптических соединителей относятся:

· вносимые потери (insertion loss) IL=–10lgD=–10lg P_out/P_in, дБ, P_out и P_in – мощности на выходе и входе соединения, D=P_out/P_in - коэффициент передачи оптической мощности при торцевом соединении,

· потери на обратном отражении или просто обратные потери b=10lgR=10lgР_отр/P_пад, дБ,

Р_отр – интенсивность отраженного излучения,

Р_пад – интенсивность падающего излучения,

R=Р_отр/P_пад - коэффициент обратного отражения.

Лучше соединение с более низкими вносимыми потерями (ближе к 0 дБ) и более низкими (более отрицательными) обратными потерями. Величина обратных потерь определяется типом полировки. Для РС-разъемов (РС – Physical contact – физический контакт) этот параметр может сильно измениться из-за износа, даже незначительного, в области торца волокна.

Обратное отражение может быть уменьшено при использовании углового (наклонного) (APC) физического контакта. При наклонном торце даже в том случае, когда нет физического контакта, сильный отраженный сигнал не распространяется обратно в сердцевину ОВ, а попадает в оболочку.

Для угла 8° обратное отражение ≈ –70дБ.

В зависимости от коэффициента обратного отраженияодномодовые соединители делятся на классы:

Ø PC (physical contact—стекло световода одного коннектора прижато к стеклу другого) <–30дБ

Ø Super PC <–40дБ

Ø Ultra PC <–50дБ

Ø Angled PC <–60дБ

2.5. Конструкции разъемных соединителей

Основой большинства конструкций разъемных соединителей (РС) является штекерный наконечник, который вставляется в юстирующий элемент в виде втулки, а сам соединитель состоит из двух частей: вилки (коннектора) и розетки (адаптера).

Рис.14

Большинство разъемных соединений содержит следующие элементы:

· наконечник (ferrule) – используется для фиксации волокон в разъеме,

· соединительная гильза – служит для совмещения наконечников, является частью адаптера,

· антивращательный механизм – предотвращает вращение наконечников, не допуская разрушения волокна,

· пружинный механизм – обеспечивает необходимое усилие сжатия наконечников,

· система гашения натяжения – передает усилие натяжения кабеля на несущую конструкцию разъема,

· адаптер (для соединения двух волокон используется гильза, входящая в состав адаптера).

Приведем некоторые типы разъемных соединителей.

Коннектор типа ST (straight tip connector, неофициальная расшифровка Stick and Twist– “вставь и поверни”) разработан Lucent Technologies в середине 80-х годов.

Конструкция основана на керамическом наконечнике диаметром 2,5 мм с выпуклой торцевой поверхностью, которая обеспечивает физический контакт сращиваемых световодов. Для защиты наконечника от проворачивания в момент установки использован выступ, вводимый в паз розетки. Фиксация вилки на розетке выполняется подпружиненным байонетным элементом. Три варианта коннектора ST, STïï, STïï+, которые полностью совместимы друг с другом по посадочным местам в розетке и имеют незначительные конструктивные отличия, улучшающие их эксплуатационные свойства по мере перехода к более совершенной модели.

Недостаток: сильно выступающий и за счет этого плохо защищенный от загрязнений наконечник и необходимость вращательного движения при подключении к розетке соединителя.

Коннекторы типа SC (subscriber connector, неофициальная расшифровка Stick and Click–«вставь и защелкни»).

Конструкция—устройство с пластмассовым корпусом прямоугольной в сечении формы, хорошо защищающим наконечник, обеспечивающим плавное подключение и эффективную механическую развязку фиксирующего элемента и кабеля.

Подключение и отключение коннектора SC производится линейным движением, что полностью устраняет проблемы, связанные с проворачиванием наконечников соединителей друг относительно друга в момент фиксации в розетке. Защелка коннектора открывается только при вытягивании за корпус.

За счет отсутствия вращательных движений при установке и демонтаже обеспечиваются меньшие потери и большая стабильность параметров. Правильность установки коннектора в розетке задает направляющий выступ.

Недостаток: более высокая цена и меньшая механическая прочность.

Коннекторы типа LC разработаны Lucent Technologies в 1997г. Могут быть в одномодовом или многомодовом варианте.

Конструкция основана на применении керамического наконечника диаметром 1,25 мм и пластмассового корпуса с внешней лепестковой защелкой для фиксации в гнезде соединительной розетки. Допускает как одиночное, так и дуплексное использование.

Коннекторы типа FC разработаны японской телекоммуникационной корпорацией NTT.

Для получения низкого уровня потерь и минимума обратного отражения наконечник коннектора изготавливают с жесткими допусками на геометрические параметры со скруглением на конце (это обеспечивает нахождение световедущей сердцевины ОВ в вершине наконечника и физический контакт сращиваемых световодов—добавляют PC—physical contact).

Конструкция коннектора позволяет добиться надежной защиты керамического наконечника от загрязнений, а применение для фиксации накидной гайки дает большую герметичностьь зоны соединения.

Соединитель типа Е-2000 создан на основе керамического наконечника диаметром 2,5 мм, который в нерабочем состоянии полностью закрыт корпусом коннектора и аналогично коннекторам LC может эксплуатироваться как в одиночном, так и в дуплексном исполнении.

От более ранних конструкций Е-2000 отличается возможностью применения эффективной цветовой кодировки (в настоящее время стандартизовано 8 цветов) и механической блокировки за счет сменной рамки розетки, а также наличием интегрированной в конструкцию коннектора защитной крышки. Крышка открывается автоматически при установке в розетку и эффективно защищает коннектор от загрязнения.

С весны 2000г. поставляются коннекторы серии E2000 0.1dB RANDOM с гарантированным вносимым затуханием менее 0,1dB и обратным рассеянием более 85dB.

Параметры некоторых типов коннекторов представлены в таблице 4.

Таблица 4

3. Оптические разветвители

3.1. Общие сведения

Оптический разветвитель (сплиттер) — это пассивный оптический элемент, который распределяет поток оптического излучения на несколько волокон в одном направлении и объединяет несколько потоков в обратном направлении.

Разветвитель MxN – это разветвитель, у которого M входных и N выходных портов.

Изготавливается сваркой световодов и конструктивно выполнен, в большинстве случаев, в виде корпуса с соединительными шнурами.

Различают направленные и двунаправленные, а также разветвители, чувствительные к длине волны и нечувствительные.

В двунаправленном каждый полюс может работать или на прием сигнала, или на передачу, или осуществлять прием и передачу одновременно, так что группы приемных и передающих полюсов могут меняться местами в функциональном смысле.

Основные категории оптических разветвителей:

- древовидный,

- звездообразный,

- ответвитель.

Древовидный разветвитель (Tree coupler) осуществляет расщепление одного входного сигнала на несколько входных (обычно мощность между выходными полюсами распределяется в равной степени), или выполняет обратную функцию—объединение нескольких сигналов в один выходной. Выходных портов от 2 до 32. Большинство древовидных разветвителей полностью двунаправленные.

Звездообразныйразветвитель (star coupler) обычно имеет одинаковое число входных и выходных полюсов (2´2, 4´4) и сигнал, приходящий на входной полюс, в равной степени распределяется между выходными полюсами.

Ответвитель (tap). Обобщение древовидного разветвителя, когда выходная мощность распределяется необязательно в равной пропорции между выходными полюсами. Реализуется в виде направленного ответвителя и имеет два входных и выходных канала, причем данные пары каналов развязаны друг относительно друга. Осуществляет деление оптической мощности, поступающей на один из входов, между выходными каналами.

По своей конструкции разветвители разделяют на две основные группы - биконические, в которых излучение передается через боковую поверхность, и торцевые, в которых излучение передается через торец. В обеих группах передача излучения может осуществляться либо при непосредственном контакте OK, либо через вспомогательные элементы - зеркала, линзы, смесители.

При конструировании оптического разветвителя ставится задача достижения малых вносимых потерь, малой модовой зависимости конструкции, хорошей воспроизводимости параметров, простоты конструкции, малых размеров и массы.

Параметры, характеризующие разветвитель:

Коэффициент передачи или вносимые потери (insertion loss) определяют потери мощности сигнала, который приходит на один из входных полюсов и выходит с одного из выходных полюсов.

Разветвители и ответвители используются главным образом для измерительных целей и решения различных контрольных задач. Есть реализация ответвителя в виде корпуса с гнездами оптических соединителей.

3.2. Классификация разветвителей

По технологии производства:

• сплавные (производятся путем скрутки нескольких волокон и их последующего сплавления);

• планарные (производятся путем специальной обработки оптопроводящей подложки).

По рабочей полосе пропускания:

• стандартные однооконные (λраб ± 10 нм);

• широкополосные однооконные (λраб ± 40 нм);

• двухоконные (1310±40 нм и 1550±40 нм).

По числу выходных портов:

• разветвители 1xN и 2xN с числом выходных портов N от 2 до 32;

• любые другие конфигурации - под заказ.

По коэффициенту деления мощности:

• разветвители 1x2 и 2x2 с шагом коэффициентов деления на выходных портах в 5%;

• разветвители 1хN с равномерным распределением мощности между выходными портами;

• любые другие конфигурации - под заказ.

По разделке окончаний:

неоконцованные (для сварки в муфты) и оконцованные (для монтажа в кросс).

По способу монтажа (при большом числе портов):

в настольном исполнении и в стоечном исполнении.

По типу волокна: одномодовые; многомодовые.

Рассмотрим пример ответвителя

ОДНОМОДОВЫЙ ОТВЕТВИТЕЛЬ

Технические характеристики:

Стандартные выпуски кабеля – 1м. Область применения: · телекоммуникационные системы; · телевидение; · тестовое оборудование; · волоконно-оптические датчики.

4. Аттенюаторы

Аттенюатор - устройство, применяющееся для ослабления сигналов в коротких линиях и тогда, когда мощность сигнала слишком велика для нормальной работы приемника. А также для имитации потерь оптической линии в процессе различных тестовых проверок и испытаний активного оборудования.

Ослабление сигнала осуществляется путем внесения дополнительного затухания в оптический сигнал.

Известны реализации этого устройства в виде соединительного шнура, MF-коннектора или розетки.

Аттенюаторы-шнуры, оконцовываются с обеих сторон соединителями (ST, SC и FC). Затухание в шнуре обеспечивается благодаря специальному волокну.

Аттенюаторы-розетки и аттенюаторы-коннекторы бывают как переменные (с плавно изменяемым вносимым затуханием за счет изменения величины воздушного зазора), так и фиксированные (с нерегулируемым воздушным зазором или фильтром - например, отрезком специального оптического волокна). Аттенюаторы-розетки устанавливаются между стандартной переходной розеткой и оптическим соединителем, обычно выпускаются с фиксированным набором значений 5, 10, 15 и 20 дБ.

Основные параметры аттенюаторов:

· вносимое затухание,

· глубина регулировки,

· уровень обратного отражения.

Обычно для многомодового волокна—диапазон изменения вносимого затухания 15 дБ, для одномодового—20 дБ.

Основные качественные показатели аттенюаторов - высокая стабильность установленного ослабления, низкий уровень обратного отражения (до -65 дБ и ниже), широкий диапазон рабочих температур, компактность и высокая механическая прочность.

Кроме фиксированных аттенюаторов-розеток, переменных аттенюаторов-розеткок, выпускаются сварные аттенюаторы и прецезионные аттенюаторы.

Оптические измерительные аттенюаторы (как правило прецезионные) предназначены для регулирования и измерения затухания оптического сигнала в одномодовых волоконно-оптических системах передачи.

Сварные аттенюаторы
	Представляет собой сварной отрезок волокна. Вносимые затухания обеспечиваются возможностью сварочных аппаратов задавать уровень потерь. Может быть оконцован коннекторами любого типа.

Аттенюатор FM-адаптер
	Представляет собой розетку – коннектор (FM - Female-Male). Вносимые затухания обеспечиваются путем использования волокон с повышенным затуханием. Поставляются стандартные одномодовые FM-ST; FM-FC; FM-SC аттенюаторы.

Аттенюаторы - розетки
	Представляет собой розетку оптическую с вращающимися гранями, которые и производят выставление требуемого затухания. Вносимые затухания обеспечиваются использованием оптических фильтров или методом апертурных потерь.

Прецезионные аттенюаторы

Вносит нормированное затухание в оптический сигнал на длинах волн 1310 нм и 1550 нм. Используется для моделирования потерь в оптической линии, что применяется для стрессового тестирования линии, при измерении коэффициента ошибок (BER), калибровке и проверке измерителей мощности, тестировании оптоэлектронных и электро-оптических преобразователей, анализе оптического бюджета линии. Технические характеристики диапазон затухания От 3 до 60 дБ шаг 0,1 дБ диапазон рабочих температур -5... +50 C

5. Оптические изоляторы

Оптический изолятор – это пассивное оптическое устройство, которое обеспечивает пропускание света в одном направлении почти без потерь, а в другом направлении (обратном) с большим затуханием.

Используется в одномодовых волоконно-оптических системах передачи для эффективного уменьшения влияния обратных отражений.

Оптический сигнал, распространяясь по волокну, отражается от различных неоднородностей (например, оптических соединителей). Отраженный сигнал, попадая в резонатор лазера, способен индуцированно усиливаться, приводя к паразитному сигналу. Наиболее кардинальный способ подавления отраженного сигнала основан на использовании оптических изоляторов.

Преимущества

· Нечувствительность к поляризации излучения

· Высокая степень изоляции

· Малые вносимые потери

· Высокие обратные отражения

Применение

· Системы передачи с длинными (сверхдлинными) участками

· Волоконно-оптические усилители

· Системы кабельного телевидения

Оптический изолятор (рис.15), как правило, состоит из трех элементов: 1 - поляризатора (входного поляризатора), 2 - ячейки Фарадея , 3 - анализатора (выходного поляризатора). Параметры ячейки Фарадея выбираются так, что бы ось поляризации света, проходящего через нее, разворачивалась на 45 ⁰. Под таким же углом устанавливаются оси поляризаторов.

Рис.15

Входной полезный сигнал, проходя через поляризатор, оставляет свою вертикальную составляющую без изменения. Далее вертикально поляризованный свет проходит через ячейку Фарадея, которая разворачивает плоскость поляризации на 45 ⁰, после чего свет проходит через анализатор.

При распространении света в обратном направлении он также поляризуется в плоскости анализатора 3, затем, проходя через ячейку Фарадея 2, становится горизонтально поляризованным. Таким образом, оси поляризации света и поляризатора 1 составляют угол 90 0, поэтому поляризатор 1 не пропускает обратное излучение (отраженный сигнал).

6. Передающие оптоэлектронные модули

6.1. Общие сведения

Передающий оптоэлектронный модуль (ПОМ) или оптический передатчик обеспечивает преобразование входного электрического (цифрового или аналогового)сигнала в выходной оптический сигнал.

Передающие оптоэлектронные модули включают в себя источник излучения, электронные схемы для стабилизации режимов работы источника излучения (дазерного диода), оптический соединитель или отрезок оптического кабеля. Выполнены в едином конструктивном блоке.

Обобщенная структурная схема ПОМ показана на рис.25.

Главным элементом передающего оптоэлектронного модуля (ПОМ) является источник излучения, к которому предъявляются следующие основные требования :

· излучение должно вестись на длине волны одного из окон прозрачности волокна, где достигаются меньшие потери света при распространении,

· источник должен выдерживать необходимую частоту модуляции для обеспечения передачи информации на требуемой скорости,

· источник должен быть эффективным, т.е. большая часть излучения источника должна попадать в ОВ с минимальными потерями,

· должен иметь большую мощность, чтобы сигнал можно было передавать на большие расстояния, но не на столько, чтобы излучение приводило к нелинейным эффектам или могло повредить ОВ или оптический приемник,

· температурные вариации не должны сказываться на функционировании источника излучения,

· стоимость производства источника излучения должна быть относительно невысокой.

6.2. Классификация оптоэлектронных модулей

Используются два типа источников излучения: светодиоды и лазерные диоды (рис.16). Главное их отличие — в ширине спектра излучения.

Рис.16. Лазерный диод и светодиод

Принцип работы полупроводниковых источников основан на явлении электролюминесценции—излучении света материалом, через который протекает электрический ток, вызванный электрическим полем. Излучение вследствие электролюминесценции (в отличие от теплового) характеризуется сравнительно узким спектром шириной в 10…50 нм для светодиодов и 0,1…3 нм для лазерных диодов.

6.3. Светоизлучающие диоды

Светодиоды — это приборы на основе p-n перехода, которые при прямом напряжении смещения могут испускать спонтанное излучение в УФ, видимой (используют в качестве индикаторов) или ИК (используют в оптронах и ВОСП) областях электромагнитного спектра.

Другими словами, принцип работы основан на излучательной рекомбинации носителей заряда в активной области гетероструктуры при пропускании через нее тока. Носители заряда—электроны и дырки—проникают в активный слой (гетеропереход) из прилегающих пассивных слоев (p- и n-слоя) вследствие подачи напряжения на p-n структуру и затем испытывают спонтанную рекомбинацию, сопровождающуюся излучением света. Излучение некогерентное, происходит непосредственно в области p-n перехода и равномерно распространяется по всем направлениям.

Длина волны l (мкм) связана с шириной запрещенной зоны активного слоя Ез (эВ) законом сохранения энергии l = 1,24/Ез.

Показатель преломления активного слоя выше ограничивающих пассивных слоев, благодаря чему рекомбинационное излучение может распространяться в пределах активного слоя, испытывая многократное отражение, что значительно повышает кпд источника излучения.

Основной материал

для = 0,85 мкм (0,5 = 35 нм)	- GaAs - арсенид галлия,
для =1,3 мкм (0,5 = 110 нм)	- GaInAsP - четырехэлементные полупроводники.
и для =1,55 мкм (0,5=150 нм)

Длину волны излучения ₀ определяют как значение, соответствующее максимуму спектрального распределения мощности. _0,5 - ширина спектра излучения на уровне половины максимальной мощности излучения источника.

Гетерогенные структуры могут создаваться на основе разных полупроводниковых материалов. Обычно в качестве подложки используются GaAs и InP. Состав активного материала выбирается в зависимости от длины волны излучения и создается посредством напыления на подложку.

Существуют светоизлучающие диоды бокового излучения, когда свет излучается перпендикулярно поверхности перехода

( поскольку энергия запрещенной зоны в обоих слоях оболочки больше энергии активного слоя, излучаемый свет не поглощается электронами валентной зоны оболочек, а проходит наружу беспрепятственно)

и светоизлучательные диоды торцевого излучения (повышенной яркости), которые излучают свет параллельно поверхности перехода и имеют более высокую мощность излучения.

6.4. Лазерные диоды

Полупроводниковые лазерные диоды (ЛД) – генераторы излучения, когерентного в пространстве и во времени, т.е. излучение ЛД монохроматично и сосредоточено в узком пучке.

ЛД существенно отличаются от лазеров других типов.

1. В обычных лазерах квантовые переходы происходят между дискретными энергетическими уровнями, тогда как в ЛД переходы осуществляются между энергетическими зонами.

2. Полупроводниковые ЛД имеют очень малые размеры (около 0,1 мм в длину) и так как активная область у них очень узкая (около 1 мкм и меньше), расхождение лазерного луча значительно больше, чем у обычного лазера.

3. Пространственные и спектральные характеристики излучения ЛД сильно зависят от свойств материала, из которого сделан переход (структура запрещенной зоны и коэффициент преломления).

4. В лазере с p-n переходом излучение возникает непосредственно под действием тока, протекающего через прямо смещенный диод. В результате легко осуществлять модуляцию интенсивности излучения путем изменения силы тока накачки пропорционально модулирующему сигналу.

5. Модуляция ЛД-ов может производиться на очень высоких частотах, т.к. они характеризуются очень малым временем стимулированного излучения.

Работа ЛД связана с тремя основными процессами, обусловленными переходами носителей: поглощением, спонтанной эмиссией и стимулированным излучением.

Лазерные диоды (ЛД) в отличие от светодиодов имеют 2 главных конструктивных отличия:

1. ЛД имеет встроенный оптический резонатор,

2. Работает при больших токах накачки, что позволяет при превышении порогового значения получить режим индуцированного излучения (рис.17). Такое излучение характеризуется высокой когерентностью (ширина спектра ЛД 1-2нм, СД 30-50нм).

Рис.17

При создании лазерных передатчиков надо решить ряд задач, обусловленных следующими особенностями лазера:

1. Для уменьшения времени задержки, то есть увеличения быстродействия лазерного передатчика, рабочая точка (РТ) в состоянии покоя должна быть вблизи излома энергетической характеристики (І нач смещения » І пороговое),

2. Величина І порог (ток, при котором начинается лазерная генерация) сильно зависит от температуры кристалла излучателя и возрастает с течением времени из-за эффектов его старения,

3. Большая крутизна энергетической характеристики при токах, превышающих пороговое значение, в сочетании с низкой стойкостью лазера к перегрузкам требует контроля выходной мощности излучения.

Выходная мощность излучения отражает мощность вводимого в ОВ излучения. Измеряется в Вт и дБм.

На длине волны 1,55 мкм удельная хроматическая дисперсия у SMF составляет 17 пс/нм*км. А так как полоса пропускания обратно пропорциональна ширине спектра излучения, то увеличить полосу пропускания можно только уменьшая ширину спектра излучения лазера. При Dl = 4нм полоса пропускания на 100км составляет 63 МГц, а при Dl = 0,2нм 1260 МГц. Поэтому, чтобы использовать оптические передатчики на 1,55 мкм с SMF, надо делать ширину спектра излучения как можно меньше.

Ввод излучения для одномодового оптоволокна осуществляется узким лучом точно вдоль оси сердечника оптоволокна. В качестве оптического источника излучения здесь применим только лазерный диод. Для многомодовых волокон может использоваться и более дешевый светодиодный излучатель, имеющий более широкую диаграмму направленности излучения.

В настоящее время стало возможным также применение новых, более дешевых излучателей, но имеющих более узкую диаграмму направленности с большой интенсивностью излучения. Таким источником оптического излучения является VCSEL (Vertical Cavity Surface Emitting Laser) — Лазер поверхностного излучения с вертикальным объемным резонатором (рис.18), работающий на длине волны 850 нм и 1300 нм. Применение данного источника излучения будет особенно экономически выгодным на длине волны 850 нм.

Рис. 18. Лазер поверхностного излучения с вертикальным объемным резонатором (VCSEL)

Достоинствами VCSEL являются: технологичность производства излучателя; снижение цены по сравнению с лазерным диодом; узконаправленный и интенсивный спектр оптического излучения.

Наибольшее распространение в качестве источников излучения получили лазерные диоды (ЛД):

· ЛД с резонатором Фабри-Перо (FPR),

· ЛД с распределенной обратной связью (DFB),

· ЛД с распределенным брэгговским отражением (DBR),

· с внешним резонатором.

6.4.1. Лазерный диод с резонатором Фабри-Перо (FPR)

В этом ЛД (рис.19) резонатор образуется торцевыми поверхностями, окружающими с обеих сторон гетеропереход. Одна из поверхностей отражает свет с коэффициентом отражения около 100 %, другая является полупрозрачной, обеспечивая выход излучения наружу.

Рис.19

В спектре наряду с главным пиком, в котором сосредоточена основная мощность излучения, существуют побочные максимумы. Причина связана с условиями образования стоячих волн. Для усиления света надо выполнить 2 условия:

1. должна удовлетворять условию 2D = Nl, где D- диаметр резонатора Фабри-Перо, N- некоторое целое число.

2. должна попадать в диапазон, в пределах которого свет может усиливаться индуцированным излучением. Если этот диапазон достаточно мал, то имеет место одномодовый режим с шириной спектра меньше 1 нм. В противном случае в область Dl0,5 могут попасть 2 и более соседних максимума (многомодовый режим).

FP лазер имеет не самые высокие технические характеристики и используется в силу простоты конструкции, где не требуется очень высокая скорость передачи и подходит с точки зрения цена-эффективность.

Когда реализуется ОМ режим, с ростом скорости передачи у этого ЛД происходит перераспределение мощности в модах, которое приводит к паразитному эффекту- динамическому уширению спектра (до 10 нм при частоте модуляции 1-2ГГц).

Спектральные характеристики многомодового и одномодового лазерных диодов показаны на рис.20,21,22.

6.4.2. Лазерный диод с распределенной обратной связью (DFB лазер). Лазерный диод с распределенным брэгговским отражением (DBR лазер)

Эти лазерные диоды представляют собой модификацию плоского резонатора Фабри-Перо, в которой добавлена периодическая пространственная модуляционная структура. Она в DFB (рис.23) лазерах совмещена с активной областью, а в DBR вынесена за пределы активной области. Периодическая структура влияет на условия распространения и характеристики излучения.

Рис.23

Преимущества этих лазеров в сравнении с FPR :

· уменьшение зависимости l лазера от тока инжекции и температуры (температурный коэффициент Dl/DT для FPR порядка 0,5-1 нм/°С. в то время как для DFB порядка 0,07-0,09 нм/°С )

· высокая стабильность одномодовости

· практически 100%-ная глубина модуляции.

Недостатки:

· Сложная технология изготовления и, значит, более высокая цена.

6.4.3. Лазерный диод с внешним резонатором

В ЛД с внешним резонатором (EC лазер) (рис.24) один или оба торца покрываются слоем, уменьшающим отражение, и одно или два зеркала ставятся вокруг активной области полупроводниковой структуры. Антиотражающее покрытие уменьшает коэффициент отражения примерно на 4 порядка, в то время как другой торец активного слоя отражает до 30 % светового потока благодаря Френелевскому отражению. Зеркало, как правило, совмещает функции дифракционной решетки. Для улучшения обратной связи между зеркалом и активным элементом устанавливается линза.

Рис.24

Изменяя расстояние до зеркала и одновременно разворачивая зеркало-решетку (это эквивалентно изменению шага решетки), можно плавно изменять l излучения, причем диапазон настройки достигает 30 нм. Поэтому ЕС лазеры незаменимы при разработке аппаратуры волнового уплотнения и измерительной аппаратуры для ВОЛС. По характеристикам схожи с DFB и DBR лазерами.

Другими важными характеристиками источников излучения наряду с рабочей длиной волны и шириной спектра излучения являются:

- быстродействие

Экспериментально измеряемым параметром, отражающим быстродействие источника излучения, является максимальная частота модуляции. Она определяется как частота входных электрических импульсов, при которой выходной оптический сигнал перестает пересекать пороговые значения 0,1 и 0,9 . оставаясь при этом во внутренней области. Для светодиодов эта частота может достигать до 200МГц, а для ЛД единицы-десятки ГГц. Времена нарастания и спада (t) предоставляют информацию о полосе пропускания W. Если положить, что они равны, то полосу можно определить W = 0,35/t.

- деградация и время наработки на отказ

По мере эксплуатации падает мощность излучения и в конце концов ЛД выходит из строя. Это связано с деградацией полупроводникового слоя. Среднее время наработки на отказ составляет до 150 000часов и более 5-8 лет.

Обобщенная структурная схема передающего оптического модуля показана на рис.25.

Рис.25

Основным элементом является лазерный диод (ЛД).

Система, обеспечивающая работоспособность ЛД, включает функциональные элементы управления электрическим режимом работы лазера и управления температурным режимом работы лазера, а также элементы индикации системы управления состояния лазерного диода.

При малых токах накачки ЛД работает как СИД—ширина спектра большая (рис.16). Чтобы обеспечить необходимый режим работы ЛД, надо задать ток смещения и выбрать рабочую точку (РТ). При подаче управляющих импульсов нужно, чтобы РТ не попала в область недопустимой мощности.

ЛД излучает и в линию, и на фотоприемник схемы контроля и управления током ЛД. При выходе тока смещения за пределы рабочего режима будет выработан сигнал «Авария тока смещения», который идет к системе контроля и управления (светодиод сигнализации на плате ОЛТ, локальный менеджер и сетевой). Одновременно формируется сигнал «Авария мощности излучения».

Система стабилизации работы ЛД основана на обратной связи.

В системе термостабилизации имеется термистор—датчик температуры. Напряжение с термистора поступает на схему контроля и управления температурой ЛД, оттуда на термоэлектромикроохладитель (на эффекте Пельтье — обратимом) и на формирователь сигнала «Авария температуры».

Информация и синхросигналы от мульдексного оборудования поступают на интерфейс, который управляет модулятором (генератором накачки).

Автоматическое отключение ЛД происходит при его аварийном состоянии режима работы и при обрыве волокна.

7. Приемные оптоэлектронные модули

7.1. Общие сведения

Приемный оптоэлектронный модуль (ПрОМ) или оптический приемник обеспечивает преобразование входного оптического сигнала в выходной электрический (цифровой или аналоговый) сигнал.

Основными функциональными элементами приемного оптоэлектронного модуля (ПРОМ) являются:

- фотоприемник, преобразующий полученный оптический сигнал в электрическую форму,

- каскад электрических усилителей, усиливающих сигнал и преобразующих его в форму, пригодную к обработке,

- демодулятор, воспроизводящий первоначальную форму сигнала.

Обобщенная структурная схема ПрОМ представлена на рис.26.

Рис.26

Главным элементом приемного оптоэлектронного модуля является - ФОТОПРИЁМНЫЙ ДИОД.

В основе работы фотоприемника лежит явление внутреннего фотоэффекта, при котором в результате поглощения фотонов с энергией, превышающей энергию запрещенной зоны, происходит переход электронов из валентной зоны в зону проводимости (генерация электронно-дырочных пар). При наличии электрического потенциала с появлением электронно-дырочных пар от воздействия оптического сигнала появляется электрический ток, обусловленный движением электронов в зоне проводимости и дырок в валентной зоне. Эффективная регистрация генерируемых электронно-дырочных пар обеспечивается путем разделения носителей заряда, для чего используется конструкция с p-n переходом (p-i-n фотодиоды (ФД), лавинные фотодиоды (ЛФД), фототранзисторы). p-n переход включен в обратном направлении.

7.2. p-i-n фотодиод

Рис.27. p-i-n фотодиод

Таким образом, в p-i-n ФД между сильно легированными слоями р⁺ и n⁺ типа расположен обедненный свободными носителями i-слой (слаболегированный полупроводник n-типа, i - intrinsic - собственный) (рис.28). На ФД подается обратное смещение. Сильное легирование крайних слоев делает их проводящими, и максимальный градиент электрического поля создается в i-слое. Так как нет свободных носителей, то нет тока и i-слой испытывает только поляризацию. При наличии падающего света на i-слой, в нем образуются электронно-дырочные пары, которые под действием электрического поля движутся и образуют электрический ток.

Рис.28

Эффективным является взаимодействие света только с i-слоем, т.к. при попадании фотонов в р⁺ и n⁺ слои возникает диффузионный ток, который имеет большую инерционность и ухудшает быстродействие. Поэтому эти слои стремятся делать как можно тоньше, а обедненную область достаточно протяженной, чтобы она полностью поглощала весь падающий свет.

Квантовая эффективность обедненной области в рабочем диапазоне длин волн достаточно высока 80-100%. Однако часть падающего излучения испытывает Френелевское отражение от фоточувствительной поверхности из-за скачка показателей преломления на границе между этой поверхностью и средой. Для уменьшения отражения приемную поверхность обедненного слоя покрывают антиотражающим слоем, подобранным прозрачным для l материалом толщиной кратной l/4 и показателем преломления Ön₁n₂ (i-слоя и воздуха).

Кроме PIN фотодиодов используютя APD фотодиоды (или лавинные фотодиоды – ЛФД, рис.29).

7.3. Лавинный фотодиод

Главное отличие лавинного фотодиода (ЛФД) — внутреннее усиление сигнала, базируемое на лавинном электронном умножении сигнала.

Рис.29

У ЛФД добавляется р-слой (p⁺-i-р-n⁺ структура) (рис.29). Причем профиль распределения легирующих примесей таков, чтобы наибольшее сопротивление, а, значит, и наибольшую напряженность электрического поля имеет р-слой. При воздействии света на i-слой, как и в PIN ФД, образуются электронно-дырочные пары. Благодаря небольшому полю, происходит направленное движение носителей к полюсам. При попадании свободных электронов из i-слоя в р-слой они получают большее ускорение. Ускоряясь в зоне проводимости р-слоя, такие электроны накапливают энергию, достаточную, чтобы выбить другие электроны из валентной зоны в зону проводимости. Это процесс лавинного усиления или умножения первичного фототока.

Коэффициент умножения несколько десятков и токовая чувствительность ЛФД выше. ЛФД имеют высокое быстродействие, однако случайная природа лавинного тока приводит к шуму. Однако, у ЛФД более высокое рабочее напряжение по сравнению с p-i-n и повышенная температурная чувствительность коэффициента умножения. Поэтому необходима цепь, вырабатывающая нужное рабочее напряжение и система термостабилизации.

7.4. Технические характеристики фотоприемников (ФПр)

Токовая чувствительность (А/Вт) S_ph – отношение фототока к полной оптической мощности излучения на l, падающего на площадку ФПр.

Квантовая эффективность h– отношение количества фотонов, падающих за единицу времени на приемник, к количеству рожденных в результате этого свободных электронов (или электронно-дырочных пар). S_ph =еl/(hc)* h =lh/1,24. Для p-i-n квантовая эффективность не может быть больше 1, а токовая чувствительность составляет 0,5-0,8 А/Вт. Для ЛФД 20-60 А/Вт.

Характеристики S_ph и h используют при создании ПРОМ, когда необходимо согласовывать последующий каскад электронных усилителей.

Темновой ток протекает при обратном смещении через нагрузку в отсутствие падающего света. Его величина зависит от материала полупроводника, температуры среды, конструкции приемника.

Шумовой ток складывается из дробового и теплового Джонсоновского токов. Зависит от полосы пропускания (частота модуляции).

Время нарастания (спада) – самая важная динамическая характеристика фотоприемника. Это время, за которое выходной сигнал нарастает от 0,1 до 0,9 от установившегося максимального значения, при условии, что на вход подаются импульсы прямоугольной формы большой длительности. Зависит от геометрии ФД, материала, напряженности электрического поля в слаболегированной области, температуры.

С увеличением частоты модуляции входных импульсов максимальный фототок уменьшается. Предельная частота определяется как частота модуляции, при которой токовая чувствительность=0,707 токовой чувствительности при низких частотах модуляции.

Эти времена в основном определяют полосу пропускания. Для p-i-n 0,01-5нс, для ЛФД 0,3-1нс.

Эквивалентная мощность шума – определяет минимальную мощность оптического сигнала на входе ФПр, при которой С/Ш=1.

P_ш= I_ш/ S_ph, пропорциональна квадратному корню из полосы пропускания.

С/Ш зависит от приложения. Может быть хорошо 50-60 дБ, а может 30дБ.

Чувствительность аналогового ПРОМ- минимальная входная мощность, при которой вносимые искажения и шумы в пределах нормы.

Частота появления ошибок BER-отношение неправильно принятых битов к полному числу принятых битов. BER не больше 10^-9, в вычислительных сетях - 10^-12. Зависит от скорости передачи.

Чувствительность цифрового ПРОМ- минимальная мощность входного сигнала, при которой BERне выходит за рамки максимального значения.

Диапазон значений мощности от чувствительности до насыщения ПРОМ называется динамическим диапазоном.

Максимально допустимое обратное напряжение.

Рабочий диапазон температур. Влияет на квантовую эффективность, темновой ток.

Наработка на отказ.

8. Оптические усилители

8.1. Общие сведения

Оптические усилители (Optical amplifier ) - устройства, обеспечивающие увеличение мощности оптического излучения. Усиление света в оптических каналах и системах осуществляется за счёт энергии внешнего источника.

Основой усилителя является активная физическая среда, в которой за счёт энергетической подкачки увеличивается мощность излучения. В качестве активной среды используются те же материалы, что и в лазерах. Накачка является непрерывной либо импульсной. При усилении может происходить преобразование спектра исходного сигнала.

В волоконно-оптических линиях связи применяются различные виды оптических усилителей:

- полупроводниковые оптические усилители,

- оптические усилители на ОВ, легированном редкоземельными элементами,

- оптические усилители, использующие нелинейные явления в оптоволокне (вынужденное комбинационное рассеяние (Рамана), вынужденное рассеяние Мандельштама-Бриллюэна, параметрическое усиление).

8.2. Полупроводниковые оптические усилители (ППОУ)

Полупроводниковые оптические усилители основаны на электрическом возбуждении и имеют высокое быстродействие. Для устранения отражений от торцов кристалла усилителя используются специальные покрытия с низким коэффициентом отражения.

ППОУ могут быть использованы в:

• усилителях
• компенсаторах дисперсии
• оптических коммутаторах

Как усилители (т.е. по основному назначению) ППОУ могут быть использованы в качестве предусилителей перед детектированием оптического сигнала, а также в качестве усилителей мощности в линейных системах для компенсации распределенных потерь в линии, позволяющих увеличить длину регенерационного участка.

ППОУ могут быть интегрированы вместе с полупроводниковым лазером для создания эффективного источника в когерентных оптических системах.

ППОУ могут быть использованы как компенсаторы дисперсии в ОВ, учитывая то, что они даже в одноканальном варианте вызывают увеличение крутизны переднего и уменьшение крутизны заднего фронтов импульсов (эффект, характерный для линейной частотной модуляции (ЛЧМ)), а в многоканальном варианте к нему прибавляется эффект фазовой кросс-модуляции (ФКМ). Если использовать четырехволновое смешение (ЧВС) в ППОУ для частотной конверсии спектра, приводящей к инвертированию порядка следования частотных составляющих импульса, т.е. фактически к изменению знака дисперсии, то можно компенсировать дисперсию на последующем участке с ОВ.

ППОУ, наконец, могут быть использованы в качестве оптических коммутаторов для пространственной коммутации или разделения по длинам волн.

Существуют два типа ППОУ:

• подпороговые усилители
• надпороговые усилители.

Подпороговые усилители - это лазеры, работающие в режиме ниже порога генерации излучения (усилители бегущей волны (УБВ), усилители Фабри-Перо (УФП)).

Надпороговые усилители (или усилители с фиксированным усилением) - напротив - лазеры, работающие в режиме выше порога генерации излучения (ОУ на лазере с распределенной обратной связью, ОУ на лазере с распределенным отражателем Брегга).

Основными характеристиками ППОУ, как и любого усилителя, являются:

• коэффициент усиления
• уровень шумов
• динамический диапазон
• неравномерность амплитудно-волновой характеристики (АВХ).

Коэффициент усиления ППОУ представляет собой экспоненциальную, характерную для систем с насыщением функцию, зависящую от длины усилителя и коэффициента усиления материала полупроводника. Ширина полосы АВХ для коэффициента усиления материала оказывается существенно большей, чем для усилителя. Эта особенность еще больше усиливается для многопроходных усилителей типа УФП. В целом ширина полосы для УБВ оказывается на три порядка шире, чем для УФП.

Реализуемые коэффициенты усиления составляют для УБВ -15 дБ (волна ТМ) или 22 дБ (волна ТЕ); для УФП -22-25 дБ. Максимум коэффициента усиления зависит от величины тока через полупроводник и лежит в диапазоне 1520 - 1460 нм, смещаясь в сторону меньших длин волн при большей величине тока.

Динамический диапазон без учета шума ППОУ может достигать 35-45 дБ. ППОУ, как и любой ОУ, добавляет шум за счет усиленного спонтанного излучения (УСИ) к усиливаемому оптическому сигналу. Шум приводит не только к уменьшению динамического диапазона, но и к снижению максимально допустимого усиления. Например, если уровень мощности шума составляет около 20 дБ, а уровень усиления сигнала на его фоне - 25 дБ, то динамический диапазон, который мог бы в отсутствие шума составить 45 дБ, уменьшается при наличии шума до величины 25 дБ.

Амплитудно-волновая характеристика - зависимость амплитуды сигналов от длины волны.

Неравномерность этой характеристики обусловлена тем, что коэффициенты усиления на различных длинах волн различны. Это в общем является недостатком и требует корректирования (выравнивания), кроме случаев, когда необходимо усилить строго определенный диапазон длин волн.

8.3. Усилители на примесном волокне

Эти усилители создаются на основе примесного оптического волокна с ионами эрбия, неодима либо празеодима, а также тулия.

Атомы легирующих примесей в отрезке оптического волокна возбуждаются лазером накачки. В результате происходит стимуляция излучения возбуждённых атомов на длине волны усиливаемого сигнала. Усилители, легированные редкоземельными элементами, могут усиливать амплитуду светового сигнала в сотни и тысячи раз в широком диапазоне длин волн. Использование ниобата лития позволяет также создавать электрически управляемые усилители, которые являются оптическими транзисторами.

Усилители ЕDFА

Очень широкое распространение получили оптические усилители на отрезке ОВ, легированном ионами эрбия - ЕDFА (erbium doped fiber amplifier) (рис.30).

Рис.30. Оптический усилитель на примесном волокне

В усилителе ЕDFА лазер накачки может осуществлять противонаправленную (как показано на схеме) накачку или сонаправленную. В двухступенчатых усилителях накачка может осуществляться с двух сторон для совмещения преимуществ со- и противонаправленной накачки.

Оптическая накачка необходима для перевода ионов эрбия в возбужденное состояние.

Оптические изоляторы (устройства, пропускающие световые сигналы только в одном направлении) на входе и выходе усилителя применяются для того, чтобы предотвратить проникновение в усилитель паразитных отраженных от неоднородностей линии связи сигналов. Отраженные сигналы являются источником шумов, ухудшающих работу усилителя.

В многоступенчатых усилителях изоляторы, разделяющие на участки ЕDFA, обеспечивают эффективное снижение оптического шума усилителя.

8.3.1. Принцип работы эрбиевого усилителя

Основан на явлении усиления света при вынужденном излучении (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation).

Усиление света в эрбиевом усилителе происходит благодаря переходу между энергетическими уровнями АВСА (рис.31). Каждый из этих уровней расщеплен на ряд подуровней из-за взаимодействия ионов эрбия с внутрикристаллическим полем кварцевого стекла (эффект Штарка). Под действием энергии накачки за счет поглощения фотонов накачки ионы эрбия переходят из основного состояния (уровень А) в верхнее возбужденное состояние (уровень В), которое является короткоживущим (время жизни t_В=1 мкс), и за счет процессов релаксации переходят в долгоживущее состояние на метастабильный уровень энергии (уровень С). Термин метастабильный означает, что время пребывания иона эрбия на этом уровне энергии (время жизни) относительно велико (t_С=10 мс, т.е. t_С=10 000t_В). Поэтому число ионов, находящихся на уровне С, при соответствующей мощности накачки может превышать число ионов на основном уровне А.

Уровень А называется основным состоянием, так как в отсутствие накачки практически все ионы эрбия находятся на этом энергетическом уровне, то есть населенность основного уровня энергии вещества максимальна, населенности всех остальных уровней энергии быстро уменьшаются с увеличением энергии уровня.

Число ионов в единице объема, находящихся на некотором уровне энергии, называется населенностью этого уровня энергии.

Состояние среды, при котором населенность некоторого более высокого уровня энергии иона превышает населенность некоторого нижележащего уровня, является очень необычным и получило название состояния с инверсией населенностей уровней, или, более коротко, инверсией населенности.

Рис.31

Если в среду с инверсией населенности попадает излучение (излучение полезного сигнала) с энергией фотона, совпадающей с энергией перехода из метастабильного состояния в основное, то с большой вероятностью происходит переход иона с метастабильного уровня С на основной уровень А с одновременным рождением еще одного фотона (стимулированная эмиссия).

Увеличение числа фотонов при их взаимодействии с ионами эрбия означает, что происходит усиление света, распространяющегося в среде с инверсией населенности.

Отметим, что длина волны и спектр усиления жестко определены типом активных ионов. То, что спектр усиления волокна, легированного ионами эрбия, совпадает с областью минимальных потерь кварцевого ОВ, является удачным совпадением.

Не все ионы эрбия находятся в метастабильном состоянии и обеспечивают усиление.

Часть ионов находится на уровне А и эти ионы, взаимодействуя с фотонами, энергия которых совпадает с энергией перехода, эффективно их поглощают, переходя на уровень С. При этом спектр усиления ионов эрбия практически совпадает со спектром поглощения. Если количество ионов, находящихся на уровне С, меньше числа ионов, находящихся на основном уровне А, то наблюдается поглощение. Именно поэтому необходимым условием усиления света является создание инверсии населенностей между двумя рабочими уровнями энергии С и А.

Для создания инверсии населенностей в эрбиевом усилителе необходимо перевести примерно половину ионов эрбия на метастабильный уровень С. Мощность накачки оптического усилителя, при которой населенности уровней А и С равны, называется пороговой мощностью.

При мощности накачки ниже пороговой наблюдается не усиление, а поглощение светового сигнала.

По мере увеличения мощности накачки все большее число активных ионов переходит в возбужденное состояние. Это приводит сначала к уменьшению коэффициента поглощения, а затем к усилению света. Отметим также, что спектр усиления несколько сдвинут в длинноволновую область относительно спектра поглощения. Следовательно, для усиления в длинноволновой части спектра требуется меньшее значение инверсии.

Использование трехуровневой схемы накачки (рис.31) приводит к появлению следующих важных свойств эрбиевого усилителя:

• Наличию пороговой мощности накачки, при которой происходит «просветление» активного волоконного световода, т.е. достигаются нулевые потери. При превышении пороговой мощности накачки начинается усиление сигнала. В зависимости от структуры активного волоконного световода, концентрации легирующей примеси и длины волны накачки величина пороговой мощности составляет от долей до нескольких единиц мВт.
• Необходимости выбора оптимальной длины эрбиевого волокна, то есть длины, при которой достигается максимальное усиление при заданной концентрации ионов эрбия. При длине волокна больше оптимальной в дальних участках волокна будет наблюдаться поглощение сигнала, а при использовании эрбиевого волокна недостаточной длины излучение накачки используется не полностью. Оптимальная длина эрбиевого волокна, вообще говоря, зависит от частоты усиливаемого сигнала. Чем меньше частота сигнала, тем более длинный отрезок эрбиевого волокна соответствует максимальному усилению.

При отсутствии усиливаемого сигнала ионы эрбия переходят в основное состояние самопроизвольно, излучая фотоны с энергией, соответствующей данному переходу. То есть появляется спонтанное излучение. И в рабочем режиме при наличии усиливаемого сигнала часть возбужденных ионов переходит в основное состояние спонтанно, при этом спонтанное излучение также усиливается, приводя к появлению усиленного спонтанного излучения.

Усиленное спонтанное излучение является основным источником шумов, а также ограничивает коэффициент усиления, особенно в случае слабого сигнала.

Оптическая накачка, необходимая для перевода ионов эрбия в возбужденное состояние, осуществляется на длинах волн, соответствующих одной из их полос поглощения. Эффективность использования накачки определяется максимальным значением отношения коэффициента усиления к мощности накачки, для нескольких полос поглощения. Наибольшая эффективность на 980 и 1480 нм. Разработаны устройства накачки с мощностью в несколько сотен мВт, введенной в ОМ волокно. Большая мощность накачки требуется для обеспечения высокого коэффициента усиления одновременно большого числа информационных каналов в системах со спектральным разделением каналов (DWDM).

Принципиальным является выбор легирующих добавок, формирующих сердцевину активного световода, а также подбор концентрации ионов эрбия. Различные добавки в кварцевое стекло изменяют характер штарковского расщепления уровней энергии ионов эрбия. Это приводит к изменению спектров поглощения и излучения. (Добавка – Al)

Концентрация ионов эрбия в сердцевине ОВ фактически определяет его длину, используемую в усилителе при заданных уровнях сигнала и накачки.

Верхний предел концентрации активных ионов определяется возникновением эффекта кооперативной апконверсии. Это явление состоит в том, что при большой концентрации активных ионов возможно образование кластеров, состоящих из двух и более ионов эрбия. Когда эти ионы оказываются в возбужденном состоянии, происходит обмен энергиями, в результате чего один из них переходит в состояние с еще более высокой энергией, а второй – безызлучательно релаксирует на основной уровень. Таким образом, часть ионов эрбия поглощает излучение усиленного сигнала, снижая эффективность усилителя.

Нижний предел по концентрации ионов эрбия определяется тем, что слишком длинный активный световод неудобен при изготовлении усилителя, а также тем, что при использовании большого количества активного световода повышается стоимость усилителя. На практике концентрация ионов эрбия составляет 10¹⁸…10¹⁹ см^–3, что обеспечивает длину используемого активного световода от нескольких единиц до нескольких десятков метров.

8.3.2. Разновидности усилителей ЕDFА

• 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 получили 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 длину регенерационного участка.

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.32 показана кривая выходной мощности при усилении канального мультиплексного сигнала со скоростью на канал STM-16 (2,5 Гбит/с).

Рис.32

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 имеют 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.

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 в разных каналах. При выполнении селективного ослабления приходится принимать во внимание то, что энергия в других каналах также перераспределяется. 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 SТМ-64 (10 Гбит/с) должно быть на 6 дБ больше, чем для передачи SТМ-16 (2,5 Гбит/c). В последнем случае, дополнительная мощность должна быть добавлена в канал SТМ-64.

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 фторосодержащее волокно способно поглотить больше эрбия, что и приводит к улучшению профиля в области 1530-1542 нм, которая теперь открывается для усиления DWDM сигнала.

Рис.33 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.

Рис.33

Фтор-цирконатный усилитель ЕDFА имеет один недостаток – выше чем у кремниевого уровень шума, что является следствием большей рабочей длины волны лазера накачки 1480 нм. Длина волны накачки 980 нм, характерная для кремниевого ЕDFА, не эффективна для работы фтор-цирконатного 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.

8.3.3. Основные параметры

· коэффициент усиления

· выходная мощность сигнала

· шум-фактор и мощность усиленного спонтанного излучения

· спектральная ширина и равномерность полосы усиления

Коэффициент усиления слабого сигнала, влиянием которого на величину населенностей уровней энергии ионов эрбия можно пренебречь, называется ненасыщенным коэффициентом усиления. Он увеличивается при увеличении мощности накачки и длины эрбиевого волокна. В то же время неограниченному возрастанию коэффициента усиления препятствуют самонасыщение усилителя усиленным спонтанным излучением и возникновение паразитной лазерной генерации. В лабораторных условиях усиление 50 дБ, в серийных усилителях для слабого сигнала 30 дБ. Увеличение мощности входного сигнала уменьшает населенность метастабильного лазерного уровня С и, тем самым, снижает коэффициент усиления.

Выходная мощность сигнала определяет расстояние до следующего усилителя. Поэтому это важный параметр усилителя как и энергетическая эффективность накачки – PCE (отношение изменения мощности сигнала к мощности накачки). Чтобы обеспечить высокую PCE, необходимо, чтобы практически все фотоны накачки передавали свою энергию фотонам сигнала. Отношение числа фотонов сигнала, появившихся в процессе усиления сигнала, к числу поглощенных фотонов накачки называется квантовой эффективностью накачки QE. Так как энергия фотона выходного излучения меньше энергии фотона накачки, то энергетическая эффективность меньше квантовой и зависит от соотношения длин волн накачки и сигнала PCE=l_p¤l_SQE. Поэтому в настоящее время при накачке на 1480 нм достигнута энергетическая эффективность 86% при квантовой эффективности 91%. На 980 нм энергетическая эффективность 55% при квантовой 86%.

Большая энергетическая эффективность позволяет использовать для накачки источники излучения меньшей мощности, а следовательно, более дешевые. Эта характеристика особенно важна в системах со спектральным разделением каналов, где требуется усиливать одновременно большое количество сигналов большой суммарной мощности.

Усилители на основе эрбиевых волоконных световодов с двойной оболочкой обеспечивают получение выходного излучения мощностью более 1,5 Вт (33дБ).

Основной источник шума – самопроизвольное (спонтанное) излучение при переходе иона эрбия с метастабильного уровня энергии С на основной уровень А. Это спонтанное излучение усиливается и повторно поглощается по всей длине усилителя приблизительно так же, как слабый сигнал, распространяющийся по усилителю. Именно этим объясняется отличие между формами спектра усиленного спонтанного излучения (ASE) и спектра неусиленного спонтанного излучения (SE).

Усиленное спонтанное излучение при распространении по волокну поглощается и усиливается так же, как и сам информационный сигнал. Увеличение мощности ASE приводит к увеличению шума фотоприемника, который является источником ошибок в цифровых системах связи. Качество принятого системой передачи информации цифрового сигнала определяется величиной отношения мощности принятого электрического сигнала к мощности шума. Это величина – электрическое отношение сигнал/шум, равна отношению квадрата фототока, создаваемого сигналом, к среднеквадратичному отклонению фототока.SNR_e зависит от характеристик фотоприемника и поэтому не может характеризовать непосредственно качество оптического сигнала. Поэтому вводят понятие оптическое отношение сигнал/шумOSNR в оптической спектральной полосе В_О, которое численно равно электрическому в идеальном фотоприемнике с полосой В_Э=В_О. Идеальным называется фотоприемник, в котором отсутствуют тепловые шумы и квантовая эффективность равна 100%.

Величина шум-фактора N_f является мерой ухудшения отношения С/Ш входного когерентного сигнала при прохождении через оптический усилитель

Шум Шоттки (дробовый) – происхождение связано с квантовой природой света. Фототок, создаваемый сигналом.

G –коэффициент усиления

n_sp– фактор спонтанного излучения, зависящий от средних населенностей рабочих уровней.

Определяет относительные вероятности спонтанного и вынужденного излучения. Вероятность спонтанного излучения определяется средней населенностью метастабильного уровня энергии С, а вероятность вынужденного перехода разностью населенностей уровней С и А. Минимальное значение фактора спонтанного излучения n_sp=1 достигается при полной инверсии населенностей рабочего перехода.

Значение шум-фактора 3 дБ является минимально возможным для усилителей любого типа с большим усилением. Типичные значения для серийных усилителей 5 дБ.

Поскольку коэффициент шума при большом усилении зависит только от соотношения населенностей метастабильного уровня С и основного А, то обеспечить минимальное значение шума можно с использованием накачки большой мощности на 980 нм, работающей по трехуровневой схеме. В этом случае теоретически населенность основного уровня А может быть снижена практически до нуля. Излучение накачки на 1480 нм само эффективно взаимодействует с ионами эрбия, находящимися на метастабильном уровне энергии С, а это приводит к тому, что населенность уровня А не может быть снижена до нуля. Поэтому уровень шума при накачке на 1480 нм выше, чем при накачке на 980 нм. При встречной накачке шум-фактор тоже несколько выше, поскольку очень важно обеспечить большую населенность метастабильного уровня С и малую населенность уровня А.

Ширина полосы усиления оказывает определяющее влияние на число спектральных каналов в системах со спектральным мультиплексированием. Она определяется спектром излучения ионов эрбия в материале сердцевины ОВ. Влияние материала сердцевины на спектр излучения связан с тем, что ионы эрбия окружены молекулами этого материала. Под действием молекул окружения уровни энергии ионов эрбия расщепляются на подуровни. Величина расщепления определяет ширину полосы излучения. Чем шире полоса излучения, тем более широкого спектра усиления можно добиться при конструировании усилителя. Наиболее широким спектром излучения обладают ионы эрбия в алюмосиликатном стекле.

Увеличивая длину активного волокна, удается получать достаточно большой коэффициент усиления вплоть до длины волны 1560 нм, при превышении которой усиление резко падает. Таким образом, ширина полосы усиления для традиционной конфигурации усилителя составляет примерно 30 нм (1530—1560 нм). Эта полоса усиления называется стандартный диапазон (conventional band) C-диапазон. Интенсивность люминесценции имеет заметное значение вплоть до 1600 нм, при этом поглощение в 1560—1600 нм падает очень быстро, что позволяет использовать и этот диапазон для усиления световых сигналов. Это длинноволновый диапазон (long wavelength band) L-диапазон, в нем возможно усиление, если использовать длинное эрбиево волокно.

Следует отметить, что при такой конструкции усилителя активная среда оказывается не полностью инвертированной, и для оптических сигналов С-диапазона такое устройство работает как поглотитель. Поэтому перед усилением оптические сигналы разделяются по диапазонам С и L, и для каждого используется свой усилитель.

Дальнейшее расширение рабочего спектрального диапазона связано с использованием области 1480—1530 нм S-диапазон (short wavelength band). Интенсивность люминесценции ионов эрбия в этой области не меньше, чем в L, однако существенным является сильное поглощение сигнала. Эта проблема решается использованием более мощных источников накачки по сравнению с другими усилителями. Вторая проблема серьезнее и связана с сильной конкуренцией между усилением сигнала в S-диапазоне и спонтанным излучением в С-диапазоне, для которого условия усиления являются более благоприятными. Есть работы, в которых показана возможность усиления в S-диапазоне при использовании фильтров или введении изгибных потерь в диапазоне 1530—1560 для подавления усиленного спонтанного излучения.

Другое направление исследований в области расширения полосы связано с поиском материала сердцевины волокна, позволяющего расширить спектр люминесценции. Усилители на основе теллуритного стекла пока находятся на стадии лабораторных исследований.

Для систем со спектральным разделением каналов важна равномерность коэффициента усиления в пределах рабочего спектрального диапазона. Неравномерность для слабого сигнала может превышать 10 дБ в пределах полосы. В рабочих условиях неравномерность коэффициента усиления уменьшается из-за повышения суммарной мощности оптического сигнала.

Тем не менее при прохождении в длинной линии через ряд усилителей суммарная неоднородность усиления может привести к потере информации в каналах с меньшим усилением. Таким образом, актуальным является сглаживание спектра усиления. Для этого в схему усилителя обычно вводятся спектрально селективные поглощающие фильтры на основе как световодных, так и объемных элементов.

Одним из популярных видов фильтра является фотоиндуцированная длиннопериодная решетка (LPG, long-period grating). Такие решетки изготавливают путем пространственно периодического облучения сердцевины световода ультрафиолетовым излучением через его поверхность. Решетка, период которой, как правило, лежит в диапазоне 0,1—1 мм, обеспечивает резонансное взаимодействие фундаментальной моды с модами оболочки. Следствием такого взаимодействия являются преобразование части энергии основной моды волоконного световода с резонансной длиной волны в энергию оболочечных мод и быстрое затухание этих мод. Спектр и интенсивность поглощения задаются периодом решетки и временем облучения световода.

Применение сглаживающих фильтров, изготовленных с использованием этой техники, позволяет уменьшить вариации коэффициента усиления до десятых долей дБ в пределах рабочего диапазона.

Волоконно-оптические усилители на основе волокна, легированного эрбием, предназначены для реализации сверхдлинных участков на сетях связи. Например: применение волоконно-оптических усилителей (ВОУ) позволяет реализовать регенерационные участки длиной до 200 км на кабелях с затуханием до 0,2 дБ/км.

8.4. Модификации волоконно-оптических усилителей

Волоконно-оптические усилители имеют три модификации:

• Усилитель мощности, используемый для увеличения уровня оптического сигнала на входе волоконно-оптической связи (ВОЛС)
• Предварительный усилитель для увеличения чувствительности фотоприёмного устройства
• Линейный усилитель, используемый вместо оптического регенератора

Технические характеристики:

Волоконно-оптический усилитель мощности

Волоконно-оптический предварительный усилитель

Линейный волоконно-оптический усилитель

Технические характеристики моделей EDFA EAU-200 и EAU-350

EM316OAx - ОПТИЧЕСКИЕ УСИЛИТЕЛИ

Модули оптических усилителей для платформы Fiber Driver (EM316OAC18AS и EM316OAL18AS) компании MRV Communications являются эрбиевыми оптическими усилителями (EDFA), которые усиливают оптический сигнал на величину до 18 дБм без преобразования оптического сигнала в электрический (как происходит в обычных повторителях).

Оптические усилители Fiber Driver являются независимыми от протокола и длины волны и могут усиливать один или несколько каналов в диапазонах C (1529-1565 нм) или L (1565-1605 нм). Эти модули могут быть использованы как бустеры, линейные усилители или как предусилители, снижая тем самым количество сетевых элементов и упрощая дизайн сети. Они могут быть использованы в различных сетевых топологиях, включая кольцевую, «точка-точка» и топологию с промежуточными мультиплексорами ввода/вывода.

Возможности

• Увеличение дальности оптических линий без преобразования оптического сигнала в электрический
• Выходная мощность до 18 дБм
• Прозрачны для различных протоколов и длин волн
• Поддерживают диапазоны WDM C или L
• Могут быть использованы как бустеры, предусилители или линейные усилители
• Работают в топологиях «кольцо», «точка-точка» и топологиях с промежуточными мультиплексорами ввода/вывода
• Управление через SNMP, Telnet через CLI или с помощью MegaVision Web
• Компактные размеры

Рис.16. Бустер–оптический усилитель на выходе передатчика.

Рис.17. Предварительный оптический усилитель–усилитель на входе приемника.

Список литературы

1. Д.В. Иоргачев, О.В.Бондаренко «Волоконно-оптические кабели и линии связи».- М.: Эко-Трендз, 2002.- 282 с.

2. Иванов А.Б. «Волоконная оптика: компоненты, системы передачи, измерения».- М.:Компания САЙРУС СИСТЕМС, 1999.- 671с.

3. Р.Р.Убайдуллаев «Волоконно-оптические сети».- М.: Эко-трендз, 1998.- 267с.

4. В.И.Корнейчук, Т.В.Макаров, И.П.Панфилов «Оптические системы передачи».- К.: «Техніка», 1994. 388 с.

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

6. А.С.Курков, О.Е.Наний «Эрбиевые волоконно-оптические усилители»// LIGHTWAVE russian edition, №1, 2003. С.14-19.

7. Андрэ Жирар. Руководство по технологии и тестированию систем WDM.-М.:EXFO, 2001./Пер.с англ. под ред. М. Бродниковского, Р.Р. Убайдуллаева, А.В.Шмалько. /Общая редакция А.В.Шмалько.