Волоконно-оптические усилители и их применение в линейных трактах

Наряду  с  полупроводниковыми    оптическими  усилителями   (см.  подразд.  3.6.2)   в качестве компонентов оптических линейных трактов со второй половины 90-х гг. все чаще применяются оптические  усилители  на основе  легированных  эрбием оптических  волокон (ОУЭОВ)   [39].   В   данной   работе   их    для   краткости  далее   будем    называть   ВОУ. Рассматриваемые усилители способны внести коренные изменения  в технологию  волоконно-  оптических телекоммуникаций,  снижая их стоимость,  повышая надежность и  качественные показатели работы.  Усилители  ВОУ  работают  в  диапазоне  длин волн 1530…1560  нм  и обеспечивают   высокий  уровень усиления  оптического сигнала (до  46  дБ), значительную выходную мощность (до 4 Вт), большое отношение сигнал/шум на выходе ВОУ (до 50 дБ), т. е. имеют наилучшие усилительные и шумовые параметры, которые сегодня не могут быть обеспечены  ни   одной  другой  технологией усиления оптических сигналов. Указанные значения параметров и простота их получения,  а также ряд других достоинств за последние несколько  лет  вывели   ВОУ  из  исследовательских   лабораторий на  путь  коммерческого применения.

Однако следует отметить, что наряду с преимуществами, которые дает использование ВОУ в  линейных трактах, имеют место и  некоторые недостатки. В основном  они касаются возникновения   шумов   в   ВОУ,  а  также  проблем,  связанных   их   с  работой  в  режиме  насыщения. Кроме  того,  ВОУ  по  сравнению с  ПОУ,   более  сложны  в   устройстве и энергоёмки.

Волоконно-оптические усилители   могут  использоваться   как  выходные   усилители мощности ОПД, промежуточные (линейные) оптические  усилители и  входные  усилители (предусилители)  ОПМ  для  повышения их  чувствительности.  Поскольку  при  этом  ВОУ совмещаются с волокнами OS, то они соединяются  с волокнами путем сварки, а потери на соединение составляют десятые доли децибела.

Главный компонент  всех ВОУ  –  короткий (от  нескольких метров до  нескольких десятков метров) отрезок ООВ на кремниевой   или фторцирконатной  основе, сердцевина которого  легирована эрбием –  оптически активным элементом.   Концентрация эрбия в сердцевине ОВ составляет менее 0,1 %.

Вторым по важности компонентом ВОУ является источник накачки отрезка волокна с примесью эрбия. В качестве  таких источников используются полупроводниковые лазерные диоды с мощностью накачки несколько десятков  миливатт.  Остальные компоненты ВОУ (устройства  оптического  объединения,   оптические изоляторы,  полосовые  оптические фильтры и др.) являются вспомогательными.

Типовые  схемы  построения ВОУ  показаны  на  рис. 3.64  [39,  76].  Их  различают  по направлению прохождения по отрезку активного волокна излучения источника накачки. По этому признаку различают три варианта построения указанных схем:

1)      с прямой накачкой, когда информационный сигнал (оптический ЦЛС) и излучение источника накачки проходят по участку эрбиевого ОВ в одном направлении (рис. 3.64, а);

2)      с  обратной  накачкой,  когда  оптический ЦЛС  и   излучение источника   накачки проходят  по  указанному  участку  волокна усилителя в  противоположных  направлениях (рис. 3.64, б);

3)      с двунаправленной накачкой, когда используются  два источника накачки, излучение которых проходит по участку эрбиевого ОВ во встречных  направлениях (рис. 3.64, в).

Наибольшее значение отношения сигнал/шум на  выходе ВОУ  обеспечивает  прямая накачка эрбиевого ОВ, а обратная накачка позволяет получить высокий  уровень  выходной мощности. Выбор  варианта для  практического использования  всякий раз  определяется местом включения ВОУ в линейном тракте.

Рис. 3.64

Накачка волокна с примесями эрбия может осуществляться на нескольких длинах волн, но эффективнее  всего это происходит в  тех случаях, когда источник  накачки имеет длину волны излучения 0,98 или 1,48 мкм, где поглощение  оптического излучения ионами эрбия наиболее  интенсивное.

Рассмотрим принцип работы ВОУ, построенного по схеме, приведенной на рис. 3.64, б. Слабый входной оптический ЦЛС, поступающий на вход ВОУ, проходит через оптический изолятор ОИ1, который пропускает входной ЦЛС в прямом направлении, но не пропускает отраженный (рассеянный) сигнал в  обратном направлении. После изолятора входной ЦЛС следует  через   прозрачный   для  него  оптический фильтр ПОФ1.  Последний блокирует излучение на длине волны источника накачки. Далее передаваемый ЦЛС поступает на вход отрезка ООВ, сердцевина которого легирована эрбием. Этот отрезок  волокна подвергается сильному непрерывному воздействию излучения лазера накачки ЛН, который установлен с противоположной стороны отрезка эрбиевого волокна и имеет   меньшую длину волны, чем входной ЦЛС. Излучение от ЛН возбуждает  ионы эрбия. Их возбужденные  состояния имеют большое время  релаксации,  чтобы спонтанно перейти в  основное состояние. Однако при появлении  слабого  входного сигнала (внешних фотонов) происходит  стимулированный (индуцированный) переход ионов эрбия  из возбужденного состояния в  основное. При этом излучаются  кванты оптической  энергии на той же длине волны и с той же самой фазой, что и вызвавший излучение входной   сигнал.    Это   вызывает  его   усиление.  Селективный разветвитель  СР  направляет  усиленный сигнал в  линейное волокно оптического кабеля. Изолятор ОИ2 на выходе предотвращает попадание отраженного сигнала  в активную  область ВОУ. Шумы ВОУ на его выходе ограничиваются с помощью фильтра ПОФ2.

Таким образом, активной средой ВОУ является сердцевина ООВ, легированная эрбием.

При работе ВОУ состояние ионов  эрбия можно пояснить трехуровневой  энергетической диаграммой, которая приведена на рис. 3.65 [76,80].

Излучение ЛН  проходит через  сердцевину  волокна с примесью эрбия.  Ионы эрбия поглощают оптическую энергию  источника накачки. Это возбуждает  ионы эрбия, которые способны накапливать энергию до некоторого момента времени. Но лазер накачки работает непрерывно и ионы  эрбия,  получившие достаточную дополнительную энергию, переходят из основного состояния  (уровень  А) в  возбужденное, т. е. на более высокий энергетический уровень   (уровень  В).   Далее   происходит релаксация   ионов эрбия  с   уровня  В   на

промежуточный  энергетический  уровень С. Когда населенность этого уровня  становится достаточно  высокой,  при  которой  образуется  инверсная населенность   энергетических уровней В и  С, эрбиевое волокно способно индуцировано усиливать  входной оптический ЦЛС в  определенном диапазоне длин волн. Последующее  возвращение  ионов на нижний (основной) энергетический  уровень одновременно  сопровождается излучением  фотонов. Этот  процесс  может  иметь спонтанный   (природный распад  возбужденных ионов при отсутствии какого-либо   внешнего на  них воздействия)   или стимулированный   характер. Стимулированное   излучение   происходит в   присутствии   и    под  воздействием   внешних фотонов, которые  передают   дополнительную  энергию ионам эрбия. Стимулированная эмиссия  вырабатывает    дополнительные   фотоны   со    скоростью,    пропорциональной интенсивности  их поступления.

Рис. 3.65

Оптический ЦЛС также проходит через сердцевину волокна с примесями эрбия. Этот сигнал, являясь источником внешних фотонов, стимулирует излучение возбужденных ионов, что  усиливает  оптический   ЦЛС.  Длительное (около  10  мс)  пребывание ионов  эрбия в возбужденном состоянии приводит к тому, что вместо образования шума из-за спонтанной эмиссии   большинство ионов «ожидает» поступления оптического ЦЛС   (усиливаемого сигнала). Излучение фотонов ионами  эрбия в  каждой  точке  сердцевины  ОВ  происходит только в момент прохождения через эту точку оптических импульсов усиливаемого ЦЛС.

Следовательно,    образующееся     «дополнительное»    излучение   эрбиевого      ОВ накладывается на  оптический ЦЛС  и  усиливает    его.  Конечно,  во  всем этом  процессе существует доля спонтанного излучения, что приводит к возникновению шумов на выходе ВОУ.   Эти  шумы   ограничиваются ПОФ,   который   может   иметь   различную  полосу пропускания.

Скорость,    с    которой    ионы   эрбия   переходят     в      возбужденное     состояние, пропорциональна интенсивности  излучения   источника накачки. Чтобы  повысить темпы накачки ионов, обеспечивая  минимальную  мощность источника  накачки, излучение,  т. е. фотоны  последнего  и   атомы  эрбия, необходимо  сконцентрировать  по  возможности на меньшем расстоянии  друг от друга. Этой цели  можно эффективно  достигнуть или  путем увеличения  разницы между показателями  преломления сердцевины и  оболочки эрбиевого ОВ,  или  уменьшением диаметра  легированной  эрбием сердцевины  ОВ,  который  обычно находится в пределах 2…4 мкм.

Важен  также  вопрос  о  концентрации и    материале примесей  в    сердцевине   ОВ, используемого для построения ВОУ. Например, добавление  алюминия  в  сердцевину  ОВ приводит  к  увеличению  ширины  спектральной  линии излучения   на  выходе ВОУ,  а  чем

больше концентрация эрбия в  сердцевине ОВ, тем выше степень усиления ВОУ.  Но если концентрация эрбия очень  высокая (свыше 1019   см-3   для  сердцевины  с  алюминиевыми примесями   или 1018  см-3  для сердцевины, легированной германием), то ионы «сбиваются  в комья» и передача излучения между ними ухудшает качество работы ВОУ.

Особенности работы ВОУ во  многом зависят от типа примесей и  от  диапазона длин волн, в  пределах которого он должен усиливать сигнал. Наиболее широко распространены ВОУ, в  которых используется  кремниевое волокно, легированное   эрбием.  Такие  усилители получили  название эрбиевых волоконно-оптических  усилителей EDFA (Erbium Doped Fiber Amplifier) [80].

Взаимодействие   между   ионами эрбия,  находящимися   на   разных   энергетических уровнях,  является   причиной очень   важного  положительного   фактора  –   расширения динамического  диапазона энергетических  уровней, что,  в  конечном  итоге, обеспечивает усилителю  широкий  диапазон длин волн  усиливаемого  сигнала. В  эрбиевых ВОУ  этот диапазон находится в пределах 1530… 1560 нм, который соответствует переходу ионов эрбия с  промежуточного  уровня   С  на  уровень основного состояния А.  Указанный  диапазон достигается при оптимальной  длине волны излучения лазера накачки 980 нм (см. рис. 3.65).

Для  практического использования   ВОУ  важнейшими   его  параметрами   являются уровень (коэффициент) усиления, выходная мощность и собственные шумы.

Уровень  усиления.  Для  получения большого  коэффициента  усиления  оптического сигнала  в    ВОУ   достаточно   иметь  источник накачки  малой   мощности. Именно   это достоинство ВОУ  является ключевым моментом  практичности  его  использования.  Для источника накачки в ВОУ применяются компактные полупроводниковые лазерные диоды с током питания (накачки) в несколько сотен милиампер.

Зависимости коэффициентов усиления усилителя от мощности источника накачки Рнак для различных уровней сигнала на входе ВОУ рвх  (1 – минус 27 дБм; 2 – минус 8 дБм; 3 – минус 4 дБм) приведены на рис. 3.66 [39]. При этом другие параметры ВОУ имеют значения: длины волн оптического  ЦЛС и источника накачки равны 1,552 и 1,48 мкм соответственно; концентрация эрбия в сердцевине ОВ – 0,0025 %; длина эрбиевого волокна – 50 м.

Рис. 3.66

Зависимости коэффициентов усиления ВОУ от длины отрезка эрбиевого волокна l при различных значениях мощности источника накачки (1 – 90 мВт; 2 – 50  мВт;  3 – 30 мВт) показаны на рис. 3.67. Прочие параметры ВОУ такие же, как  и  в  предыдущем варианте. Однако длина волокна, которая обеспечивает  наибольшее усиление,  т. е. самый большой уровень  выходной  мощности   оптического  ЦЛС,  не  всегда  является  оптимальной  по критерию  максимального отношения сигнал/шум на выходе ВОУ. В случае же не очень большого усиления сигнала (при работе ВОУ в режиме  ненасыщенного усиления), короткий отрезок  эрбиевого  волокна  и   мощная  накачка  позволяют получить  достаточно  хорошее отношение сигнал/шум.

Рис. 3.67

Поскольку   ВОУ  типа  EDFA  являются  широкополосными усилителями   (рабочий диапазон длин волн 1530…  1560  нм)  и   должны  усиливать  входной сигнал  в  большом динамическом диапазоне,  то  важными являются  зависимости   коэффициента   усиления указанного типа ВОУ от мощности Рвх  (1 – 1 мкВт; 2 – 70 мкВт; 3 – 1 мВт) и  длины волны входного сигнала. Эти зависимости представлены на рис. 3.68 [80].

Рис. 3.68

При малых  значениях мощности входного сигнала Рвх    с  его  ростом   амплитуда выходного  сигнала  линейно  возрастает,  коэффициент усиления усилителя   при  этом достигает своего максимального  значения. Например, если входной сигнал имеет значение 1 мкВт,  что  соответствует его  уровню мощности минус 30  дБм,  то  сигнал на  выходе усилителя может иметь значение 1 мВт (0 дБм), что соответствует усилению сигнала в 30 дБ. Но  если входной сигнал имеет большое  значение, то  он  приводит  усилитель  в  режим  насыщения  (см.   ниже  Выходная   мощность)   и   коэффициент усиления уменьшается. Например, пусть  на  той  же  длине волны  входной сигнал имеет значение 1  мВт.  При мощности  сигнала 20 мВт на выходе  усилителя  он войдет в  режим насыщения. Это будет соответствовать уровню усиления всего лишь 13 дБм.

Выходная  мощность.  Зависимости   выходных уровней сигналов   рвых   от   уровней сигналов на входе усилителя рвх  для трех вариантов построения  схемы эрбиевых ВОУ при заданной мощности  источников накачки 64 мВт (прочие параметры ВОУ такие же, как и  в предыдущих  вариантах) изображены на рис. 3.69 [39]. На этом рисунке кривая 1 относится к

ВОУ с двунаправленной накачкой (64 мВт + 64 мВт); 2 – с обратной накачкой; 3 – с прямой накачкой. Из рис. видно, что выходной уровень мощности сигнала не всегда пропорционален его входному уровню. Это объясняется тем, что во всяком усилителе существует некоторое значение уровня мощности входного сигнала, превышение которого приведет ВОУ в режим  насыщения.

Рис. 3.69

Насыщение –  это  такое  состояние ВОУ,  при котором  резкое  возрастание  входного сигнала снижает усиление усилителя, ограничивая таким образом мощность на его выходе. Это вызвано тем, что возрастание входного сигнала  больше заданного значения вызывает стимулированную  эмиссию,  которая  происходит с большей скоростью, чем инверсия,  т. е. при этом существенно снижается количество возбужденных  ионов эрбия.

Однако колебания уровня  входного сигнала не снижает стабильности  усиления ВОУ типа  EDFA,  поскольку  существует   длительный период   спонтанного  распада  эрбия в возбужденном состоянии. Поэтому изменение усиления усилителя происходит инерционно. Как правило, снижение интенсивности  усиления ВОУ происходит через 0,1… 1,0 мс после поступления на его вход сигнала, обеспечивающего состояние насыщения. Поскольку такие временные   интервалы значительно превышают  длительности импульсов усиливаемых оптических  ЦЛС,  передаваемых по  линейным трактам  с  ВОУ  со  скоростями  передачи 2,5 Гбит/с  и более, ВОУ вносят  в усиливаемый  сигнал  минимальные искажения.

Амплитудные характеристики волоконно-оптических  усилителей, т. е. зависимости  их рабочего усиления G от уровня мощности сигнала на выходе ВОУ (G = φ(рвых)), изображены на рис. 3.70. Амплитудные  характеристики ВОУ, в которых используются отрезки эрбиевых волокон разной длины l (1 – 100 м; 2 – 50 м; 3 – 25 м) при одинаковой мощности  источника накачки показаны на рис. 3.70, а, а на  рис. 3.70, б – амплитудные характеристики ВОУ с отрезком эрбиевого волокна  длиной 100 м и  источниками накачки  разной мощности (1 – 90 мВт; 2 – 50 мВт; 3 – 40 мВт). По амплитудной характеристике судят о мощности, которую можно  получить на выходе ВОУ до состояния насыщения. Насыщение ВОУ приводит  к резкому уменьшению его усиления.

Уровень сигнала на выходе ВОУ рmax, при котором усиление снижается  на ΔG = 3 дБ относительно  значения  усиления в    ненасыщенном   состоянии   усилителя, называется максимальным   уровнем   на   выходе   ВОУ.   Этому   уровню  соответствует   максимальная

мощность на выходе ВОУ, которая определяется выражением

максимальный уровень на выходе ВОУ, дБм.

Рис. 3.72

Переходя к вопросу об использовании ВОУ на телекоммуникационных сетях, следует указать два основных  направления  их практического применения:

1)в СЛТ волоконно-оптических систем передачи большой протяженности (в том числе  и подводных);

2)в оптических сетях доступа.

Рассмотрим  кратко   основные  особенности   применения ВОУ   в    первом  из   этих направлений.

Применение ВОУ в структуре СЛТ имеет следующие особенности:

1.      Усилитель  ВОУ, включенный на выходе ОПД, используется  преимущественно  в качестве усилителя мощности. Он предназначен для компенсации потерь, вносимых такими пассивными компонентами ВОУ, как оптические соединители и  разветвители, изоляторы и фильтры, а также для повышения уровня оптического ЦЛС на входе ООВ линейного кабеля. Кроме того, шум усиленной спонтанной  эмиссии, создаваемый ВОУ, в  этом случае, как и передаваемый  оптический ЦЛС, будет затухать в процессе распространения по волокну OS.

2.      Оптический приемник,  на   входе   которого   ВОУ   используется  в    качестве предусилителя, может быть построен или  по схеме прямого  детектирования,  или  по схеме когерентного   приема.  Рассмотрим  работу   ОПМ,    построенного   по   схеме   прямого детектирования  с  предусилителем  на  входе.  Качество работы  такого  ОПМ  зависит  от широкополосности   (ширины полосы  частот спектральной линии)  лазера ОПД и  ширины  полосы пропускания ПОФ,  включенного на выходе ВОУ. Для каждого значения ширины полосы  частот  оптического ЦЛС  существует оптимальная (по  критерию  максимального отношения сигнал/шум на  выходе ОПМ)  ширина полосы  частот  ПОФ.  Фазовый  шум расширяет спектр принимаемого оптического ЦЛС.

Следовательно, чем  больше  ширина  полосы  частот  оптического ЦЛС,  тем  больше должна быть ширина полосы пропускания ПОФ. Если эта полоса пропускания больше, чем оптимальная, ОПМ  регистрирует   шум  усиленной   спонтанной  эмиссии,   поскольку  он проходит через этот фильтр, и  чувствительность ОПМ ухудшается. Увеличение мощности оптического ЦЛС не снимает проблему, так как уровень фазового шума зависит от уровня ЦЛС и пропорционален ему. Применение в таком ОПМ сразу после детектора фильтра ФНЧ позволяет несколько  уменьшить влияние  шума  спонтанной  эмиссии,  но  эффективность применения ВОУ в такой схеме незначительна.

При когерентном  приеме потенциал ВОУ,  включаемого на  входе ОПМ  в  качестве предусилителя, используется эффективнее. Применение  оптического  гетеродина позволяет  избавиться от мешающего шума в спектре оптического ЦЛС. Благодаря этому когерентный ОПМ становится менее чувствительным к воздействию широкополосного шума усиленной спонтанной эмиссии, который  является доминирующей шумовой составляющей  на выходе ВОУ. В результате когерентный ОПМ с ВОУ на входе является более чувствительным, чем приемник прямого детектирования оптического  ЦЛС (см. подразд. 3.6.3).

3.      Применение ВОУ в структуре СЛТ вместо части регенераторов практически ничего не меняет по сравнению с использованием для этих целей  ПОУ, за исключением  варианта применения в  ВОУ «удлиненных» эрбиевых волокон. Сердцевина таких ОВ по всей длине легирована эрбием с очень низкой концентрацией (0,00002…0,0001 %). Благодаря этому их усилительные  свойства распространяются на всю длину ОВ. В результате обеспечивается непрерывная компенсация затухания оптического ЦЛС. Поскольку  мощность  оптического ЦЛС по  всей длине ОВ постоянно поддерживается  на довольно низком уровне,  влияние нелинейных эффектов практически может быть сведено к нулю. Применение такого способа передачи оптических ЦЛС возможно только после разработки технологии усилителей ВОУ с

«удлиненными» эрбиевыми волокнами.

4)      Рабочий диапазон длин волн ВОУ находится в пределах 1530… 1560 нм, т. е. имеет ширину спектра около 30 нм. В указанной ширине  спектра  ВОУ может быть образовано несколько десятков оптических трактов (см.  подразд. 3.6.1). Примером системы передачи DWDM является разработанная в лаборатории Bell Labs фирмы Lucent оптическая линейная система типа  WaveStar OLS 400G, которая образует 40 оптических трактов  со скоростью передачи 10  Гбит/с в   каждом,  т.  е.  суммарный  поток  трафика составляет  400  Гбит/с одновременной передачи по одному ООВ. Наиболее  эффективное  применение  ВОУ типа EDFA в линейных трактах систем передачи подобного типа показано на рис. 3.55.

5)      Новейшее  применение ВОУ   –   использование их    в    солитонных   волоконно- оптических системах передачи [25,79]. При передаче оптических солитонов, или солитонных импульсов, т. е. при высококачественной передаче узких оптических импульсов с высоким значением пиковой мощности по  OS   большой  протяженности со  скоростью  передачи несколько гигабит  в секунду, существует несколько способов применения ВОУ:

а)  компенсация  потерь   мощности солитонов в    ООВ   для   поддержания   условий передачи солитонных импульсов;

б)  генерирование кратковременных  высокомощных  импульсов  для    образования оптических солитонов;

в)   усиление   кратковременных импульсов  до уровня солитонов   (в  этом  случае ВОУ работает в режиме  насыщения).

Подробнее солитонные системы передачи рассмотрены в следующем подразделе.

Источник: Хмелёв К. Ф. Основы SDH: Монография. – К.: ІВЦ «Видавництво «Полігехніка»», 2003.-584 с.:ил.

Вы можете следить за любыми ответами на эту запись через RSS 2.0 ленту. Вы можете оставить ответ, или trackback с вашего собственного сайта.

Оставьте отзыв

XHTML: Вы можете использовать следующие теги: <a href="" title=""> <abbr title=""> <acronym title=""> <b> <blockquote cite=""> <cite> <code> <del datetime=""> <em> <i> <q cite=""> <s> <strike> <strong>

 
Rambler's Top100