Оптические усилители систем DWDM

Хотя погонные потери в современных волокнах и очень низкие — 0,2 дБ/км, тем не менее, через 100 км (а реально и менее) излучение даже очень мощного 20 — 25 милливатного лазера ослабится до уровня ниже порога чувствительности приемника. Дело в том, что, кроме погонных потерь собственно материала волокна, есть еще потери в местах сварки волокон, в оптических соединителях и разветвителях. Для строительства более протяженных линий есть два пути: использование электронных регенераторов (это преобразователи: излучение — электрический сигнал — излучение) или применение усиления непосредственно оптического сигнала. На начальном этапе развития ВОСПИ применялся первый способ. Однако ему присущ недостаток, обусловленный тем, что, в процессе двойного преобразования, в сигнале возникают дополнительные ошибки. Но так как в то время использовались лазеры, работающие в диапазонах 850 нм, а затем 1330 нм, в которых оптических усилителей создать не удалось, приходилось с этим мириться. Все изменилось после того, как удалось получить полупроводниковые материалы, генерирующие в спектральном диапазоне 1550 нм. Хотя выходная мощность таких лазеров была несколько меньше, чем у лазеров на 1330 нм, однако и потери в волокне на этой длине волны составляли не 0,4 дБ/км, а 0,22 дБ/км. А кроме того, было обнаружено, что кварцевое волокно, легированное эрбием, является таким же активным материалом, как и стекло с добавками неодима, которое используется в мощных твердотельных лазерах. Только генерирующий переход в эрбиевом волокне лежит в диапазоне 1550 нм, а не в 1060 нм, как у неодимового лазера. (Заметим, что сейчас разработаны и полупроводниковые лазеры с рабочей длиной волны 1060 нм).

Оптический усилитель — это, фактически, тоже лазер, имеющий рабочее тело, систему накачки; правда, уровень мощности накачки несколько ниже уровня суммарных потерь. Т.е., такое устройство самостоятельно не излучает. Входное излучение, попадая в активное вещество усилителя, вызывает стимулированные переходы возбужденных атомов только между уровнями, частота переходов которых резонансна частоте входного сигнала. В волоконном усилителе резонатор отсутствует, и усиление сигнала происходит за счет достаточно длинного участка взаимодействия входного излучения с возбужденным активным веществом. Для накачки активного волокна используют обычно мощные полупроводниковые лазеры, излучение которых через ответвители вводится в активное волокно (рис.6).

На рис. 6 активный световод усилителя, 2. лазер накачки с длиной волны 980 нм, 3. лазер накачки с длиной волны 1480 нм, 4. сварные оптические разветвители, 5. волоконные световоды, подводящие излучение накачки.

Рис. 6

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

Возможно несколько схем накачки на длинах волн 1480 нм или 980 нм — прямая и обратная. В прямой схеме направление распространения излучения накачки совпадает с направлением распространения усиливаемого сигнала. При обратной схеме они противоположны.

Прямая схема накачки дает наиболее низкий уровень шума. Это важно при небольшой мощности входного сигнала и максимальных значениях коэффициента усиления. При обратной накачке проще достигается режим насыщения. Это существенно в тех случаях, когда требуется на выходе сигнал максимально возможной мощности.

Если используется комбинированная схема накачки, рекомендуется осуществлять накачку на 1480 нм в обратном направлении, а накачку на 980 нм — в прямом. Это позволяет эффективно использовать преимущества обоих методов. Лазер накачки 1480 нм обладает более высокой квантовой эффективностью, но при этом и несколько более высоким коэффициентом шума, в то время как у лазера 980 нм можно снизить уровень шумов практически до уровня квантовых флуктуаций.

Следует отметить, что лазеры с длиной волны 1480 нм считаются более предпочтительными, так как они более надежные, не требуют жесткого контроля длины волны (излучают в более широкую полосу поглощения ионов эрбия) и вместе с тем, позволяют реализовать достаточно низкий уровень шумов усилителя (»5 дБ), хотя их эффективность и составляет 70 % от эффективности лазеров на длину волны 980 нм.

Чем большее число каналов транслируется в волокне, тем большая энергия накачки требуется. Поэтому в системах с большим числом и плотной расстановкой каналов используется несколько лазеров накачки.

Разработка различных схем мощной накачки позволила создать усилители EDFA с расширенным рабочим диапазоном от 1570 нм до 1605 нм (L-диапазон). Такие усилители также называют длинноволновыми усилителями LWEDFA (Long Wavelength EDFA).

Рис. 7

Усилители могут использоваться по-разному, в зависимости от выбранной области коэффициента усиления (рис.7).

• В режиме насыщения (область С, рис. 7) — как усилитель мощности (бустер) сразу после лазера-передатчика. Бустер повышает мощность сигнала и позволяет максимально увеличить расстояние до первого повторителя.
• В режиме промежуточных значений усиления и шума (область В,) — как повторитель. Повторитель усиливает сигнал насколько это возможно, внося при этом как можно меньше шума.
• В режиме наименьшего шума (область А) — как предусилитель перед приемником. Предусилитель повышает мощность слабого сигнала в конце линии связи. Он практически всегда используется вместе с узкополосным фильтром.

В спектральном распределении коэффициента усиления имеется широкий максимум на длине волны 1535 нм и относительно ровная область между 1540 нм и 1560 нм. Эта узкая область шириной около 20 нм и является рабочим диапазоном эрбиевых усилителей, в пределах которого должны лежать длины волн всех каналов систем DWDM. Было предложено множество методов, позволяющих выровнять спектр усиления и расширить рабочий диапазон усилителей до 40 нм и более. В усилителе LWEDFA верхняя граница рабочего диапазона достигает 1610 нм. Это позволяет передавать информацию по одному волокну в обоих направлениях в двух взаимно не пересекающихся спектральных окнах и в тоже время снижает уровень технических требований при более плотной упаковке каналов DWDM.

В современных усилителях имеется ряд компонентов, которые увеличивают их надежность. Оптические изоляторы подавляют обратное распространение усиленной спонтанной эмиссии и предохраняют усилитель от попадания всевозможных отраженных сигналов и излучения накачки от усилителей, расположенных ниже по линии связи. Устройства компенсации дисперсии выравнивают временные задержки, возникающие при распространении сигналов различных длин волн, особенно, между двумя каскадами двухкаскадного усилителя.

Рис. 8

Современный оптический усилитель производства фирмы Harmonic представлен на фото (рис.8).

В настоящее время в EDFA используется волокно на кварцевой или фторидной основе. Применение других материалов пока находится в стадии исследования. Оба типа волокна имеют практически одинаковую внутреннюю структуру, но волокно на фторидной основе обеспечивает более высокий уровень легирования эрбием. Обе технологии обеспечивают приемлемое усиление в окне 1525-1560 нм., однако, спектральное распределение коэффициента усиления для усилителей EDFA на кварцевой основе менее однородное, чем для усилителей на фторидной основе.

Поиски новых активных материалов привели к использованию в качестве легирующего вещества празеодима. Это позволило создать усилители диапазона 1310 нм — PDFFA (Praseodymium Doped Fluoride based Fiber Amplifier). Хотя потери в волокне на длине волны 1310 нм больше, чем в диапазоне 1550 нм, однако и мощность лазеров здесь выше. К сожалению, необходимый уровень накачки в волокне, легированном празеодимом, достигается только тогда, когда его диаметр значительно меньше диаметра стандартного волокна. Из-за разности диаметров волокон на обоих стыках возникают оптические потери. Кроме того, достаточно сложно обеспечить механическую надежность стыков, потому возможность широкого коммерческого использования усилителей PDFFA пока затруднена.

Был испробован в качестве активной легирующей присадки и другой материал — тулий. Усилитель на фторидной основе, легированный тулием, — TDFFA (Thulium Doped Fluoride-based Fiber Amplifier) — имеет два рабочих диапазона: в области длины волны 1460 нм и в области длины волны 1650 нм. К его преимуществам относятся высокая мощность выходного сигнала в режиме насыщения, не зависящий от поляризации коэффициент усиления и низкий коэффициент шума.

В усилителях с очень высокой мощностью выходного сигнала в качестве легирующей примеси используется также иттербий.

Другое направление исследований — обеспечение режима усиления входного излучения в волокне за счет стимулированного эффекта рассеяния Рамана (также известного как вынужденное комбинационное рассеяние) Этот метод позволяет создать усилители с низким уровнем собственных шумов и обеспечивает широкий выбор рабочего диапазона длин волн. Рамановские усилители (Raman amplifiers) дают возможность увеличивать число каналов в существующих линиях связи без замены уже установленных EDFA. Однако в рамановских усилителях возникает значительная перекрестная модуляция между каналами, что ограничивает применение таких усилителей либо одноканальными системами, либо системами DWDM с очень большим числом каналов, где влияние такой модуляции устраняется за счет усреднения. Кроме того, рамановские усилители чувствительны к поляризации входного излучения. С учетом низкого уровня преобразования сигнала в эффекте рассеяния Рамана в кварцевом волокне, их применение ограничено узким кругом специфических областей, по крайней мере, на данный момент.

Ну и продолжают совершенствоваться полупроводниковые оптические усилители SOA (Semiconductor Optical Amplifiers), первыми нашедшие применение в протяженных линиях. В них излучение фотонов стимулируется рекомбинацией электронов и дырок в полупроводнике посредством прямой инжекции тока (а не внешней накачкой оптическим излучением). Такие усилители представляют значительный интерес, поскольку позволяют достичь высокой эффективности усиления в широком спектральном диапазоне, пусть и с высоким коэффициентом шума (обычно на 5-6 дБ больше, чем у EDFA, в основном, за счет неизбежных потерь на стыке активного слоя с волокном). Как и в рамановских усилителях, в SOA возникает значительная перекрестная модуляция между усиливаемыми каналами, что препятствует их применению в системах DWDM с небольшим числом каналов.

Для полупроводниковых усилителей, как и для PDFFA, возникает проблема стыковки с волокном, поскольку толщина активного слоя полупроводникового усилителя значительно отличается от диаметра сердцевины стандартного оптического волокна.

Технология БИС и интегральной оптики позволяет создать лазеры со встроенными в один модуль модуляторами и мультиплексоры. В ближайшее время ожидается появление модулей, в которых будут объединены несколько лазеров, соответствующее количество модуляторов, усилителей SOA и мультиплексор.