Системы со спектральным уплотнением каналов (системы WDM и DWDM) в волоконно-оптических системах передачи информации (ВОСПИ) В.Таценко, А. Шишов

Потребности в информации растут, и скоростей передачи в 10 Гбит/с в одном волокне операторам уже недостаточно. Вновь интерес к системам со спектральным уплотнением возник с разработкой технологии изготовления лазеров диапазона 1550 нм, имеющих разнос по рабочей длине волны менее 1 нм. Были созданы лазеры с шириной линии излучения 0.05 нм.

Как и всякая ВОСП, система DWDM имеет 3 основных элемента — передатчик, оптическое волокно, приемник. Но кроме этого, в ее состав входит и такой важнейший элемент, как мультиплексор (демультиплексор) — рис.1.

Принцип действия лазера. Он основан на вынужденном стимулированном излучении рабочего активного вещества. Активное вещество помещается в резонатор. В него извне вводится энергия, называемая энергией накачки. Под ее воздействием атомы активного вещества переходят в возбужденное состояние. В этом состоянии они находятся недолго и вновь возвращаются в основное, с минимальной энергией. В процессе перехода в основное состояние атом излучает квант света. У разных атомов эти кванты имеют различную длину волны, и переходы происходят независимо друг от друга. И если бы не было резонатора, то излучение рабочего вещества состояло бы из большего количества спектральных линий с большой шириной. Это так называемое спонтанное излучение. Однако резонатор лазера вырезает из широкого спектра спонтанного изучения только одну линию. Кроме селекции, резонатор осуществляет еще важнейшую функцию — он формирует обратную связь, заставляя кванты только одной длины волны несколько раз проходить через активное вещество, вызывая вынужденные переходы атомов на основной уровень только с определенных верхних. Тем самым спонтанное излучение преобразуется в стимулированное. Фильтрующее действие резонатора и обратная связь приводят к тому, что излучение на выходе резонатора становится монохроматическим и когерентным. Схема полупроводникового лазера представлена на рис.2.

Рис. 2

Для изготовления активных кристаллов лазеров используют полупроводники с прямыми зонами, например, широко распространенные сплавы на основе GaAs, в которых возникают переходы электронов из зоны в зону без участия фотонов. Создание инверсной заселенности уровней в них происходит при интенсивной инжекции основных носителей в рабочую зону. Такой режим обеспечивается в гетеропереходах, которые получают между р — и n — областями материалов с различной шириной запрещенной зоны. Это дает многоступенчатую структуру р-n — перехода. При формировании гетероструктуры используют полупроводниковые материалы с высокой концентрацией примесей. На рис.2 показана структура инжекционного лазера с двумя переходами. Из n — области электроны через p — n — переход инжектируются в активную область, где происходит их рекомбинация с дырками, в результате которой возникает оптическое излучение. Положительную обратную связь (оптический резонатор) формируют зеркальные грани активного кристалла — ортогональные плоскости p — n -перехода.

Чем излучение лазера отличается от излучения обычного источника света, например, лампы накаливания? Двумя основными параметрами: монохроматичностью и когерентностью. Собственно, эти два параметра связаны: чисто монохроматическое излучение когерентно и, наоборот, полностью когерентное излучение монохроматично.

В первых полупроводниковых лазерах, работавших при комнатных температурах, ширина линии излучения достигала нескольких десятков нм. Назвать такое излучение когерентным можно с большой натяжкой, и полупроводниковые лазеры, если и использовались, то только в системах атмосферной связи с небольшой скоростью передачи на короткие (1-2 км) расстояния. В дальнейшем, с совершенствованием технологии и конструкции полупроводниковых лазеров, ширина линии излучения уменьшалась, а стабильность мощности и частоты генерации возрастала. Однако в одноканальных (работающих на одной длине волны) ВОСП первого поколения, с модуляцией излучения по интенсивности (это цифровые системы передачи, составляющие большинство), требования к когерентности излучения не очень жесткие. Ширина линии должна быть такой, чтобы в ее пределах дисперсия волокна была постоянной. Но скорости передачи росли и стали достигать нескольких Гбит/с в одном волокне. А при этом ширина линии излучения уже стала существенно влиять на помехоустойчивость передачи из-за дисперсионных свойств волокна.

Еще более возросли требования к ширине оптической несущей (точнее, к ее минимизации) после реализации идеи плотного спектрального уплотнения — английская аббревиатура DWDM.(Dense Wavelength Division Multiplexing). А реализация ее стала возможной после прорыва в технологии изготовления полупроводниковых лазеров диапазона 1550 нм и оптических усилителей на основе волокон, легированных эрбием.

В принципе, физика явлений не возбраняет создавать лазеры с близко расположенными частотами генерации даже в диапазоне 1330 нм. Для этого лишь нужны зеркала с соответствующим образом подобранным коэффициентом отражения. Но в этом диапазоне отсутствуют оптические усилители, позволяющие без оптико-электронного преобразования производить усиление сигнала. А погонные потери, обусловленные так называемым рэлеевским рассеянием в материале волокна, в этом диапазоне составляют 0,4 дБ/км, вместо 0,22 дБ/км в диапазоне 1550 нм.

К счастью, природа так распорядилась, что спектр излучения AsGa-лазеров, легированных определенными добавками, совпал со спектральной полосой прозрачности волоконных усилителей на основе волокон, легированных эрбием (опять английская аббревиатура EDFA — Erbium Doped Fiber Amplifier). Оптический усилитель — это тот же лазер, работающий в подпороговом режиме, т. е., уровень энергии накачки у него ниже уровня потерь в рабочем веществе. А потребности в увеличении скоростей передачи информации направили усилия физиков на создание эффективных мультиплексоров, способных объединить в одном волокне излучение нескольких десятков лазеров.