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

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.