Оптичні підсилювачі EDFA

Оптичні підсилювачі на основі легованих ербієм оптичних волокон (ОПЕОВ), [англомовно –Erbium Dopel Fiber Amplifiers (EDFA)] вносять значні зміни в технологію оптичного зв’язку, знижуючи загальну вартість систем передачі SDH і одночасно підвищувати надійність та якісні показники роботи систем.

Основні властивості EDFA: сумісність з оптичними волокнами, чутливість до поляризаційних ефектів, захист від перехідних завад в лінійному тракті, простота побудови.

EDFA можуть використовуватись як підсилювачі потужності оптичних передавачів, як лінійні оптичні підсилювачі, як оптичні передпідсилювачі для підвищення чутливого приймача. Вони працюють на довжині хвилі оптичного випромінювання 1,55 мкм з рівнем підсилення від 10 до 55 дБ.

Рисунок 12

В основу роботи оптичного підсилювача покладений принцип стимульованого (примусового) випромінювання, аналогічний лазерному. Активним середовищем підсилювача є відрізок оптичного волокна (ОВ) короткої довжини (декілька десятків метрів), осердя якого леговане ербієм, рідко земельним оптично активним елементом. Крім того, до складу EDFA входить лазер, пристрій об’єднання (спрямований відгалужувач або пристрій спектрального ущільнення) та деякі інші елементи.

Принцип роботи EDFA

Рівень Б

0,98 мкм Рівень В

hv 1,53-1,56

Накачка 1,48 мкм мкм

Рівень А

Випромінювання накачки проходить ербієвим волокном з довжиною хвилі 0,98 або 1,48 мкм. Іони ербію збуджуються і переходять від стаціонарного енергетичного рівня А до більш високих рівнів Б і В, тобто іони ербію поглинають світлову енергію джерела накачки, відбувається накачка іонів ербію і вони переходять на більш високий енергетичний рівень. Їх подальший перехід на низький енергетичний рівень супроводжується одночасним випромінюванням фотону з довжиною хвилі в інтервалі

1,53-1,56 мкм. Це може носити спонтанний характер (природний розлад збуджений іонів при відсутності будь-якого зовнішнього впливу) або стимульований характер (в присутності іонів, що здійснюють процес передачі енергії). Стимульована емісія виробляє додаткові фотони із швидкістю, пропорційною інтенсивності їх надходження.

Оптичний і інформаційний сигнал походить цим волокном, стимулює емісію світла і збуджених іонів, що в свою чергу, підсилює цей сигнал.

Таким чином, в активному середовищі відбувається підсилення як сигнального, так і спонтанного (шумового випромінювання, яке приводить до збільшення коефіцієнту шуму волоконно-оптичного підсилювача (ВОП). Важливо оптимізувати направлення подачі і довжину хвилі випромінювання накачки для збільшення коефіцієнту підсилення і зниження шумів. Крім того, для збільшення коефіцієнта підсилення ербієвого волокна необхідно добитися найкращого узгодження полів сигналу і накачки шляхом відповідного розподілу легуючої суміші в активному матеріалі. Для цього бажано використовувати волокна з більш числовою апертурою і малим діаметром осердя.

Довгострокове перебування іонів в збудженому стані 10 мс гарантує, що замість шуму створеного шляхом спонтанної емісії, більшість іонів ербію “очікуватимуть” надходження сигналу, тобто емісія світла іонами ербію в кожній точці ербієвого волокна відбувається тільки в момент проходження через цю точку імпульсів оптичного сигналу. Таким чином, “додаткове” світло всієї емісії “накладається” на оптичний сигнал і підсилює його. EDFA знижує якість сигналу, оскільки додає шум спонтанної емісії. Але шумовий спектр лежить далеко за межами спектру оптичного інформаційного сигналу. Крім того, більша частина шуму може бути усунена за допомогою смугових оптичних фільтрів. Потужні сигнали накачки, головним чином, витрачаються на підсилення інформаційного сигналу і спонтанна емісія не перевищує дозволеного рівня.

Область застосування EDFA можна розділити на два основних направлення:

1. ВОЛЗ великої довжини (в тому числі підводні). Тут EDFA виконують роль підсилювачів оптичних передавачів, проміжних лінійних підсилювачів та перед підсилювачів. В цьому випадку основна мета використання EDFA – збільшити довжину регенераційної ділянки.

2. Абонентські лінії (лінії абонентського доступу). EDFA тут використовується як підсилювач потужності після передавачів з метою компенсації втрат, обумовлених наявністю таких елементів, як фідери, а також з метою підвищення рівня потужності сигналу в світловоді.

При використання оптичних підсилювачів зберігається потреба в спеціальних каналах для здійснення контролю роботи самих підсилювачів.

Враховуючи, що звичайне мультиплексування (демультиплексування) є неможливим в підсилювачах, ці контрольні канали можуть бути введені шляхом спектрального ущільнення основного інформаційного сигналу, або шляхом його модуляції.

Питання для самостійної підготовки:

1. Переваги оптичних підсилювачів;

2. Основні їх властивості;

3. Конструктивне оформлення оптичних підсилювачів;

4. Принцип роботи підсилювача;

5. Область застосування підсилювачів.

1.4 Спектральне ущільнення оптичних сигналів

1.4.1 Оптичне мультиплексування з розділенням по довжині хвилі

Оптичне мультиплексування з розділенням по довжині хвилі (Wavelength Division Multiplexing, WDM) - порівняно нова технологія оптичного (чи спектрального) ущільнення, що була запропонована в 1980 р. Дж. П. Лауде (компанія Instruments SA). В даний час WDM грає в оптичних синхронних системах ту ж роль, що і мультиплексування з частотним поділом (Frequency Division Multiplexing, FDM) в аналогових системах передачі даних. З цієї причини WDM-системи часто називають системами оптичного мультиплексирования з частотним поділом (Optical FDM, OFDM), однак по суті своєї технології FDM і OFDM мають мало загального.

Розходження між ними не зводяться до того, що в OFDM-системах використовуються оптичні, а не електричні сигнали. При звичайному частотному мультиплексировании застосовується механізм амплітудної модуляції з однією боковою смугою і визначеною несучою частотою, що модулюють сигнали які однакові за структурою, тому що вони аналогічні сигналам у стандартних каналах ТЧ. При OFDM механізм модуляції, необхідний у WDM несущі генеруються окремими джерелами (лазерами), сигнали яких потім об’єднуються мультиплексором у єдиний многочастотный сигнал. Його складові можуть передавати потоки цифрових сигналів, сформовані на основі різних синхронних технологій - АТМ, SDH, PDH і т.д. Для цього несущі модулюються цифровим сигналом, що відповідає переданому трафіку.

З теоретичної точки зору для WDM-систем не важливо, які методи використовуються для кодування і формування конкретного цифрового сигналу. На практиці ж у цих системах, як правило, передається однотипний трафик, що диктується використовуваним методом синхронізації і вимогою однаковості процесу обробки.

1.4.2 Класифікація WDM на основі канального плану

Схема розширеного канального плану дозволяє запропонувати наступну схему класифікації, що враховує сучасні погляди і тенденції виділяти три типи мультиплексорів WDM:

- звичайні (грубі) WDM;

- щільні WDM (DWDM);

- високощільні WDM (HDWDM), або UWDM.

Хоча дотепер і немає точних меж розподілу між цими типами, можна запропонувати, слідом за фахівцями компанії Alcatel, деякі межі, засновані на історичній практиці розробки систем WDM і стандарті G.692 з його канальним планом, названим також “хвильовим планом” або “частотним планом” у залежності від того, чи використовується хвильова або частотна шкала канального плану. Отже, можна сказати, що:

- WDM – системи з частотним рознесенняом каналів не менш 200 Ггц, що дозволяють мультиплексувать не більш 16 каналів,

- DWDM – системи з рознесенняом каналів не менш 100 Ггц, що дозволяють мультиплексувать не більш 64 каналів,

- HDWDM – системи з рознесенняом каналів 50 ГГц і менш, що дозволяють мультиплексувать не менш 64 каналів.

Перші мультиплексори класу WDM, як відомо, використовувалися для мультиплексування двох несучих: 1310 нм і 1550 нм, відстань між якими була настільки велика (240нм), що для її реалізації не потрібні були спеціальні фільтри для їхнього розділення. Подальші зусилля, спрямовані на поліпшення селективности (зменшення рознесення каналів) при використанні традиційної дискретної оптики не давали результатів кращих, за наступні:

- рознесення каналів – 20-30 нм,

- перехідне загасання між каналами – 20 дБ,

- рівень внесених утрат – 2-4 дБ.

Це дозволило формувати не більше 4 каналів у 2-м вікні прозорості. У 1996-1998 роках відбувся істотний прорив у технології мультиплексування, обумовлений, з одного боку, переходом до інтегральних оптичних технологій, з іншого боку – мініатюризацією і поліпшенням якості виготовлення елементів традиційної дискретної оптики.

У даний час використовуються три конкуруючі технології виділення каналів (демультиплексирования). Дві з них на основі інтегральної оптики: одна використовує виділення несучих на основі дифракційних ґрат на серії хвилеводів – AWG (Arrayed Waveguide Grating) і друга на основі увігнутих дифракційних ґрат – CG (Concave Grating). У третій технології застосовується традиційна мініатюрна (на новому рівні технології) дискретна оптика, що використовує виділення каналів на основі технології тривимірного оптичного мультиплексування – 3DO (3-D Optics WDM).

Хвильове мультиплексування використовується вже більш десяти років і спочатку було спрямовано на об'єднання двох несучих (1310 і 1550 нм) в одному оптоволокні, що дозволяло подвоїти ємність системи. Цей підхід виправдував себе протягом всієї історії розвитку ВОЛС і в даний час застосовується в багатьох стандартних системах SDH. Ряд дослідників називали такі системи широкосмуговими WDM-системами (рознесення по довжині хвилі складає 240 нм) на противагу вузькосмуговим, де рознесення було на порядок нижче (12-24 нм), так що у вікні прозорості 1550 нм удавалося розмістити чотири канали.

Сьогодні подібний розподіл виглядає не зовсім коректним, оскільки насправді в "широкосмугових" WDM-систем спектр не був суцільним, а складався з двох ізольованих смуг. Крім того, зараз формується клас дійсно широкосмугових DWDM-систем, що перекривають у суміжних вікнах прозорості (третьому і четвертому) смугу 1528-1612 нм. Якщо орієнтуватися на характеристики однієї з кращих розробок у цій області - WaveStar AllMetro компанії Lucent Technologies, що використовує волокно, що усуває пік поглинання в п'ятому вікні прозорості (~ 1400 нм), - те очікується, що в майбутньому системи даної категорії зможуть покрити смугу від 1280 до 1620 нм.

1.4.3 Класифікація WDM-систем

В даний час прийнято виділяти три типи WDM-мультиплексоров: звичайні (WDM), щільні (DWDM), високощільні (HDWDM). Хоча точні межі між цими класами поки чітко не визначені, слідом за фахівцями компаній Alcatel і ECI можна запропонувати варіант класифікації, заснований на історичній практиці розробки WDM-систем і зазначеному вище стандарті G.692 з його канальним планом:

- WDM-системи - мають частотне рознесення каналів не менше 200 Ггц, зараз дозволяють мультиплексувать не більше восьми каналів;

- DWDM-системи - забезпечують рознесення каналів не менше 100 ГГц і дають можливість мультиплексувать не більше 32-40 каналів;

- HDWDM-системи - підтримують рознесення каналів 50 ГГц і менше, у даний час дозволяють мультиплексувати не менше 40 каналів.

Рисунок 1.4.1

Спочатку в основу проекту стандарту покладений канальний (частотний) план з рівномірним розташуванням несущих частот каналів з мінімальним рознесенням (кроком) каналів на 0,1 ТГц, або 100 ГГц. Обрана в плані область частот покриває стандартизований діапазон ∆F_ст =5,1 ТГц і практично відповідає діапазонові довжин хвиль (від 1528,77 до 1569,59 нм) амплітудно-хвильової характеристики АВХ широко використовуваних ОУ. При виборі постійного кроку h=0,1 ТГц (100 ГГц) у цьому діапазоні можна розмістити максимально 51 канал з несучими, зазначеними у верхньому ряді нижченаведеної таблиці (для перерахування на довжини хвиль використовується звичайна (уточнена) формула ∆ = 2.99792458• 10¹⁷/f [нм/Гц], при цьому крок по λ виходить різним від 0,780 до 0,821 нм, або в середньому 0,8 нм).

При використанні кроку 0,2 ТГц (200 ГГц, або в середньому 1,6 нм) можна одержати похідну таблицю.

Таблиця 1.4.1. Стандартний канальний план з рознесенням каналів на 100 ГГц

Аналогічно можна одержати похідні таблиці при використанні більшого кроку 0,4 ТГц (400 ГГц, або 3,2 нм), 0,6 ТГц (600 ГГц, або 4,8 нм) і 1,0 ТГц (1000 ГГц, або 8,0 нм).

Таблиця 1.4.2. Стандартний канальний план при розносі каналів на 200 ГГц

Нижче приведена таблиця відповідності канальних планів устаткування WDM семи ведучих виробників канальному плану ITU-T, з якої видно, що усі вони відповідають цьому планові, тому що не використовують кроку менше 100 Мгц. Крім того, виявляється, що весь стандартний діапазон ∆F_ст поділений на два піддіапазона: S (Short band, що використовує більш короткі довжини хвиль) і L (Long band, що використовує більш довгі хвилі) – у позначеннях, використовуваних компанією Alcatel. Вибір того або іншого піддіапазону диктується досяжною нерівномірністю АХХ у цьому піддіапазоні. Ясно, що більш кращий в цьому змісті піддіапазон L, що дозволяє одержати гарну нерівномірність навіть зі стандартними ОП без спеціального вирівнювання.

Згадана таблиця може бути представлена в наступному розширеному виді:

Таблиця 1.4.3 Практика використання стандартного канального плану

З табл. 1.4.3 видно, що компанія Ciena, а в майбутньому, видимо, і інші компанії, що використовують крок 0,05 ТГц (50 ГГц), вийдуть за рамки стандартного плану, бажаючи збільшити число каналів як в області найбільш плоскої АВХ стандартного ОУ (Ciena), так і у всій області стандартизованого діапазону з вирівняним посиленням ОУ 1529-1565 нм. Однак цього не відбулося, так як до моменту публікації проект стандарту був скоректований і в остаточній версії (на 23.10.98), з'явилася таблиця з канальним частотним планом, що враховує і менший крок – 0,05 ТГц (50 ГГц, або 0,4 нм).

Ясно, що число каналів, яке можна розмістити в зазначеному стандартному діапазоні, можна оцінити по формулі N_h=Int[∆_ст/h], де функція Int означає операцію узяття цілої частини. Використовуючи її, одержимо наступну таблицю (у нижньому рядку зазначене число каналів N_h2, кратне 2ⁿ, що може бути отримане для даного кроку):

Таблиця 1.4.4 Оцінка максимального числа каналів, реалізованих у смузі ОП 5,1 ТГц

З цієї таблиці видно, що схема канального плану з числом каналів, кратним 2ⁿ, що дотримують ряд виробників, нераціональна з погляду використання стандартизованої вирівняної смуги ОУ. У-12других, видно, що старий канальний план стандарту G.692 допускав формування не більш 51 каналу. Цей показник був перекритий рядом компаній, що застосовують 96, 128 і 160 канальні системи.