Оптичні підсилювачі




Оптичні підсилювачі.



    Згідно рекомендації ITU-T G.661 Підсилювачі оптичного діапазону Optical Amplifiers (OAs) - пристрої або вузли системи, в котрих оптичні сигнали можуть бути підсилені за допомогою вимушеної емісії, що відбувається у відповідному активному середовищі. У цьому активному середовищі створюються умови, що необхідні до виникнення вимушеної емісії, котра досягається і підтримується за допомогою відповідної системи накачування.
    Іншими словами оптичний підсилювач (ОП) - пристрій волоконно-оптичної системи передачі, котрий призначений для підсилення оптичного сигналу без перетворення його в електричний.
    На практиці також використовується поняття оптичного волоконного підсилювача (ОВП) - тобто підсилювачі, виготовлені як відрізок оптичного волокна із осердям з матеріалу, легованого іонами рідкоземельних хімічних елементів (активне середовище) і оптичною системою накачування.
    Активне середовище це речовина, що містить мікрочастинки, котрі мають енергетичні рівні ε1 і ε2, які задовольняють умові hν=ε2 - ε1, де h - постійна Планка, ν - частота підсинюваного сигналу
    Накачування це процес переводу мікрочасток речовини активного середовища підсилювача на вищі енергетичні рівні під впливом зовнішнього електромагнітного випромінення або постійного електричного струму (або напруги) Посуті накачування переводить речовину активного середовища підсилювача у стан, за якого можливе підсилення (або генерація) електромагнітних хвиль.
    В системах зі спектральним ущільненням каналів оптичні підсилювачі забезпечують підсилення всіх оптичних каналів, котрі передані WDM мультиплексором, без їх перетворення в електричні сигнали та назворот в оптичні. Оптичні підсилювачі підсилюють сигнал, котрий проходив крізь них, і використовують різноманітні активні оптичні середовища та нелінійні ефекти.
    На відміну від регенераторів оптичні підсилювачі не виконують 3R регенерацію.
    Згідно рисунку А1 рекомендації ITU-T G.872 регенерація сигналу поділяється на:

    1R (Підсилення і корекція частоти та дисперсії);
    2R (1R + відновлення первинної цифрової форми і подавлення шуму);
    3R (2R + відновлення форми і положення імпульсу).

    Посуті оптичний підсилювач здатний виконувати функції 1R регенератора лише у сукупності з використанням компенсаторів дисперсії.
    На практиці між регенераторами може використовуватись до 10 оптичних підсилювачів (на число оптичних підсилювачів впливає шум що вноситься підсилювачем).
    Оптичні підсилювачі обов'язково використовуються після WDM мультиплексору і перед WDM демультиплексором для компенсації енергетичних втрат.
    Параметри оптичних підсилювачів та їх характеристики, а також методи вимірювання характеристик наведені у рекомендаціях ITU-Т G.661, G.662, G.663, G.665 і стандартах IEC 61290-1, IEC 61290-3-1, IEC 61290-3-2, IEC 61290-4-1, IEC 61290-5-1, IEC 61290-5-2, IEC 61290-5-3, IEC 61290-10-2, IEC 61291-1, IEC 61291-4, IEC 61292-3 основними з котрих є:
    Коефіцієнт підсилення каналу
    Рівномірність коефіцієнту підсилення
    Поляризаційна залежність коефіцієнту підсилення
    Профіль підсилення
    Підсилене спонтанне випромінення
    Шум-фактор
    В залежності від застосування, оптичні підсилювачі класифікують як:
    1. Попередній підсилювач (ПоП) (має низький рівень шуму) розташовують перед оптичним приймачем для збільшення відношення сигналу до шуму. Застосування описано у рекомендації ITU-Т G.663.
    2. Лінійний підсилювач (ЛП) (має низький рівень шуму) вмикають на виході ділянки оптичного волокна для компенсування втрат, що вносяться волокном. Застосування описано у рекомендації ITU-Т G.692.
    3. Підсилювачі потужності (ПП) (бустер) використовують для збільшення потужності джерела випромінення та встановлюють після оптичного передавача. Застосування описано у рекомендації ITU-Т G.663.
    Декотрі додаткові відомості стосовно оптичних підсилювачів а також їх параметрів і застосування можна знайти у ITU-Т G.Sup39.
    При застосуванні оптичних підсилювачів важливо визначити число каскадів оптичних підсилювачів, необхідних для кожного оптичного каналу. Число каскадів оптичних підсилювачів, допустиме в оптичному каналі, обмежується сумарним шумом, котрий вносить кожний підсилювач. Кожний підсилювач дещо погіршує відношення сигнал шум (OSNR). З досягненням мінімального відношення OSNR (тобто значення OSNR, нижче котрого на боці приймача будуть з'являтись помилки), стає необхідним оптико-електрично-оптичний вузол регенерації (ОЕО).
    Окрім цього, у випадку використання оптичних підсилювачів потужності (бустерів) максимальна допустима потужність на канал не повинна перевищувати +10 дБм для каналу 10 Гбіт/с та +15 дБм для каналу 2,5 Гбіт/с та нижчої швидкості. Перевищення може викликати нелінійні ефекти в оптичному волокні.
    Також ефективним засобом для збільшення дальності роботи системи є використання FEC (Forward Error Correction - система зі зворотно вирішувальним зв'язком для попередньої корекції помилок) що наведена у рекомендації ITU-Т G.709/Y.1331.

    На сучасному етапі існує велика різноманітність оптичних підсилювачів котрі використовують різні активні середовища і ефекти для підсилення оптичних сигналів.
Типи оптичних підсилювачів
Типи підсилювачів Сфера застосування Рекомендації
1 Підсилювач на волокні, що використовує розсіювання Мандельштама-Брілюена Підсилення одного каналу (однієї довжини хвилі) -
2 Підсилювач на волокні, що використовує Раманівське розсіювання Підсилення кількох каналів одночасно ITU G.665
IEC 61292-3
3 Параметричні оптичні підсилювачі Підсилення кількох каналів одночасно -
4 Напівпровідникові лазерні підсилювачі Підсилення великої кількості каналів в широкій області діапазону хвиль одночасно ITU G.661,
G.662, G.663
5 Підсилювачі на волокні з домішками Підсилення великої кількості каналів в широкій області діапазону хвиль одночасно ITU G.661,
G.662, G.663


Підсилювач на волокні, що використовує розсіювання Мандельштама-Брілюена
    Стимульоване розсіювання Мандельштама-Брілюена - нелінійне явище, за якого енергія оптичної хвилі (на частоті ƒ1) переходить у енергію нової хвилі (на частоті ƒ2) Якщо накачування відбувається на частоті ƒ1, то такий підсилювач здатен підсилювати корисний сигнал на частоті ƒ2.
    Явище розсіювання Мандельштама-Брілюена виникає за потужності накачування порядку 10 мВт. Рівень порогової потужності за якого виникає розсіювання Мандельштама-Брілюена, пропорційний ширині спектральної лінії лазера накачування, ефективній площі серцевини волоконного світловоду, та обернено пропорційний довжині волокна.
Підсилювач на волокні, що використовує комбінаційне розсіювання Рамана
    Такі підсилювачі використовують нелінійне явище, пов'язане із стимульованим Раманівським розсіюванням. Раманівським, розсіювання назване на честь індійського фізика С. В. Рамана, котрий відкрив цей ефект у 1928р. Принцип дії підсилювача полягає в тому, що частка енергії випромінення з частотою ƒ1, що поширюється у волокні, збуджує молекули речовини, при цьому з'являється компонента світлового потоку з частотою ƒ2 (антистоксова компонента, де ƒ21). Якщо на частоті ƒ2 передавати корисний сигнал, а потужність накачування на частоті ƒ1 зробити достатньо великою, тобто енергія сигналу з частотою ƒ1 може повністю перейти до сигнального потоку, тобто волокно стає розподіленим підсилювачем, з коефіцієнтом підсилення, пропорційним потужності накачування.
    Таким чином, принцип дії Раманівських підсилювачів тотожній підсилювачам з розсіюванням Мандельштама-Брілюена, однак зсув між частотою корисного сигналу, що підсилюється, та частотою хвилі накачування є більшим. Спектральна смуга підсилення також є ширшою, що дозволяє підсилювати одразу кілька каналів WDM системи.
    Явище розсіювання Рамана виникає при потужності накачування порядку 0,5 ÷ 1,4 Вт (в залежності від довжини волокна).
    Оптичні підсилювачі, котрі побудовані на ефекті стимульованого Раманівського розсіювання, та їхні параметри описані у рекомендації ITU G.665 та стандарті ІЕС 61292-3.
    Цей тип оптичних підсилювачів є досить перспективним, оскільки такі підсилювачі дозволяють будувати WDM системи, що можуть охоплювати діапазони O+Е+S+C+L одночасно.
    Порівняно з широко застосовуваним на дійсний час підсилювачем EDFA Раманівськи підсилювачі набагато кращі за шумовими характеристиками та менш чутливі до температурних впливів.
    Раманівскі підсилювачі (Raman amplifiers) дозволяють збільшувати число каналів у існуючих лініях зв'язку без заміни вже встановлених EDFA. Вони можуть успішно застосовуватись у підводних лініях середньої протяжності без повторювачів (довжиною біля 300 км), де встановлення підсилювачів EDFA потребує значних витрат. Однак в раманівських підсилювачах при підсилені виникає значна перехресна модуляція між підсилюваними каналами, що обмежує застосування таких підсилювачів або одноканальними системами, або системами DWDM зі значним числом каналів, де вплив такої модуляції нівелюється за рахунок усереднення. Окрім того, раманівські підсилювачі мають певні недоліки, пов'язані з нелінійними ефектами і залежністю від поляризації.
    Використання раманівських оптичних підсилювачів дозволяє досягти (при інших рівних умовах) суттєво більшої дальності роботи системи, так як допустиме число каскадів збільшується в 4 рази, як показано в рекомендації ITU-Т G.966.1.
    Внаслідок високої оптичної потужності, котру розподілені Раманівські підсилювачі вводять у волокно (потенційно вище +30 дБм), потрібно виконувати процедури безпеки, вказані у рекомендації ITU-Т G.664, і стандартах IEC 61292-4, IEC 60825-1 та IEC 60825-2. Інакше в місцях з'єднання з волокном, конекторах і на згинах волокна може виникнути оптичний розряд що призведе до оплавлення волокна і як наслідок виходу системи з ладу.
    Для уникнення подібних небажаних ефектів при використанні раманівських підсилювачів необхідно обмежувати потужність лазерів накачування в них до 500мВт, проводити моніторинг потужності, контролювати радіус згину волокон в лінії.
Перед впровадженням раманівських підсилювачів необхідно:
    Визначити відстань, від підсилювача, що встановлюється, на якій потужність оптичного випромінення буде зменшуватись до значень менше 150 мВт. Оглянути трасу ВОЛС до цієї відстані і ліквідувати всі згини менше 20 мм в діаметрі, або зменшити величину згину. При неможливості візуального огляду провести тестування за допомогою рефлектометра з високою роздільною здатністю, для визначення місць збільшення втрат. Це необхідно виконати оскільки в наслідок виходу, в місці згину, частини оптичної потужності в оболонку відбувається її нагрівання і деградація волокна або його займання. Перевірити чистоту і цілісність роз'ємних оптичних з'єднувачів.. По можливості контролювати відбиту потужність, якщо графік залежності величини відбитої потужності від величини потужності що вводиться буде носить нелінійний характер, то це буде свідчити про наявність значних поглинаючих подій в лінії. Якщо в процесі експлуатації відбувається падіння рівня підсилення, то це може свідчити як про зменшення рівня потужності накачування так і про збільшення втрат що викликані пошкодженням або деградацією у з'єднаннях або волокні лінії.

Згідно рекомендації ITU-Т G.665 Раманівські оптичні підсилювачі поділяють на:
    Розподілені Раманівські підсилювачі - це підсилювачі, у котрих ефект підсилення досягається за допомогою відрізка оптичного волокна, що використовується для передавання. Такі підсилювачі вважають розподіленими, оскільки частина або все робоче волокно використовується з метою підсилення. Також розподілені Раманівські підсилювачі можна поділити на три підкатегорії:
    Співнаправлені (в котрих енергія накачування здійснюється в напрямку розповсюдження корисного сигналу) як показано на рисунку:
Співнаправлені РОП
    Зворотньонаправлені (в котрих енергія накачування здійснюється в напрямку, протилежному напрямку розповсюдження корисного сигналу) як показано на рисунку:
Зворотньонаправлені РОП
    Двонаправлені (в котрих енергія накачування здійснюється в обох напрямках) як показано на рисунку:
Двонаправлені РОП
Дискретні Раманівські підсилювачі - це підсилювач оптичних сигналів, у котрого підсилення досягається за допомогою ефекту волокна SRS (Stimulated Raman Scattering - Змушене Раманівське Розсіювання), при котрому всі фізичні компоненти підсилювача повністю містяться всередині одного пристрою:
Дискретні РОП
Композитні Раманівські підсилювачі - це дискретні або розподілені Раманівські підсилювачі с використанням додаткових оптичних підсилювачів (так само поділяються на композитні
Раманівські підсилювачі з прямим, зворотнім або двостороннім накачуванням)

Маркування Раманівських підсилювачів згідно з G.665 здійснюється у такий спосіб:
Cnyz
C Символ позначки Раманівського оптичного підсилювача
n Номер:
    1 - зосереджені підсилювачі (наприклад, додаткові підсилювачі)
    2 - зосереджені попередні підсилювачі
    3 - зосереджені лінійні підсилювачі
    4 - зосереджений підсилювач, суміщений з передавачем (OAT)
    5 - зосереджений підсилювач, суміщений з приймачем (OAR)
    6- розподілений Раманівський підсилювач
    7- складний розподілений та зосереджений підсилювач
y Перша літера:
    a - підсилювач для аналогової, одноканальної (однохвильової) передачі
    b - підсилювач для цифрової, одноканальної (однохвильової) передачі
    c - підсилювач для цифрової, багатоканальної (багатохвильової) передачі

z Друга літера:

    f - співнаправлене накачування
    r - зворотньонаправлене накачування
    b - двонаправлене накачування
Наприклад:
C6cr - зворотньонаправлений розподілений Раманівський підсилювач для цифрової багатоканальної передачі.
C7bb - двонаправлений складний Раманівський підсилювач для цифрової одноканальної передачі Параметричні оптичні підсилювачі
    Оптичні підсилювачі, що використовують ефект чотирихвильового змішування. Такі підсилювачі потребують великої потужності накачування (порядку 30 ÷ 70 Вт), мають значний коефіцієнт підсилення (до 50 дБ), але їх реалізація потребує значної складності, що стримує їхнє практичне використання.
Підсилювачі на волокні з домішками:
    Оптичні підсилювачі, котрі використовують як активний матеріал рідкоземельні елементи (або лантаніди - елементи с 57 по 71 в періодичній таблиці Менделєєва).
    Як правило, це Неодим (Nd3+) і Празеодим (Рr3+) для підсилення у вікні прозорості 1300 нм, Ербій (Er3+) а також з ним використовують Ітербій (Yb3+) для підсилення у вікні прозорості 1550 нм. Однак ведуться роботи і з іншими елементами Тулій (Тn3+) Гольмій (Ho3+) Церій (Ce3+). Робота над створенням волоконних підсилювачів не обмежується лише використанням вказаних елементів. Необхідно також уточнить, що часто перспективним є застосування легуванням не одним рідкоземельним елементом, а їх комбінацією. Наприклад комбінацією Er3+ - Yb3+ або Nd3+ - Рr3+ - Yb3+.
    Оскільки у сучасних WDM системах звичайно використовують С та L діапазони, частіше за все на сучасному етапі використовують підсилювачі, виготовлені на волокні, легованому ербієм, EDFA (erbium-doped fiber amplifier) на основі волокна легованого іонами ербію Er3+. Такі підсилювачі ефективно працюють у смузі 1535 ÷ 1565 нм, а також в області 1565 ÷ 1630 нм [1]
    За типом виконання EDFA можна поділити за величиною потужності накачування, концентрацією іонів ербію і довжині волокна.
    Накачування в таких підсилювачах здійснюється на довжинах хвиль 980 нм або 1480 нм (чи їх комбінацією). Лазери на 1480 нм, є менш ефективними (біля 70% від ефективності лазерів на 980 нм), однак вони вважаються більш бажаними внаслідок більш високої надійності, та реалізувати достатньо низький рівень шуму (порядку 5 дБ). В WDM системах для досягнення рівномірності підсилення в заданій смузі частот необхідно використовувати вузькосмугові згладжуючи фільтри, а також компенсатори дисперсії групових швидкостей, що виникає при проходженні оптичного волокна великої довжини. Для компенсації втрат від цих пристроїв використовують багатокаскадні EDFA [1]; [2].
    Підсилювач на волокні на фторидній основі, легованому іонами тулія Тi3+ TDFFA (Thulium Doped Fluoride-based Fiber Amplifier) має два робочих діапазони (з шириною діапазону до 35 нм): в області довжин хвиль 1460 нм і 1650 нм і коефіцієнтом підсилення на рівні 20 дБ [3]. До його переваг відносяться висока потужність вихідного сигналу в режимі насичення, не залежний від поляризації коефіцієнт підсилення і низький коефіцієнт шуму. До недоліків таких підсилювачів відносяться окрім високої вартості також достатньо висока ламкість волокна легованого іонами тулія и неможливість виконувати якісні зварні з'єднання волокна легованого іонами тулія з волокном що використовується у ВОК.
    Оптичний підсилювач на оптичному волокні, легованому неодимом Nd3+ (NDFA), працює на довжині хвилі порядку 1340 нм і може бути використаний для отримання суттєвого підсилення на робочій довжині хвилі систем зв'язку 1310 нм лише в лабораторних умовах. Більш вдалим в цьому плані можна вважати празеодим, оскільки у нього відсутнє помітне поглинання підсиленого випромінення зі збудженого стану. Основними властивостями підсилювачів цього діапазону є те, що матеріалом для легування звичайно є флюоритове, а не кварцове скло, а також низька ефективність накачування (не вище 4 дБм/мВт). Дослідні результати дають підсилення с рівнем біля 34 дБм при потужності насичення порядку 200 мВт.
    Оптичні підсилювачі в котрих в якості легуючої добавки використовуються іони празеодиму Pr3+. Підсилювач на волокні на фторидній основі, легованому празеодимом PDFFA (Praseodymium Doped Fluoride-based Fiber Amplifier) підсилює сигнали в області довжини хвилі 1310 нм. Підсилювачі PDFFA мають низький рівень коефіцієнту шуму, але по енергетичним параметрам вони менш ефективні, чим підсилювачі EDFA. Потужність вихідного сигналу підсилювача PDFFA в режимі насичення достатньо висока, а коефіцієнт його підсилення не залежить від поляризації, також як и у підсилювача EDFA. Однак, достатня ефективність накачування для волокна, легованого празеодимом, досягається лише, тоді коли його діаметр значно менше діаметру стандартного волокна. Внаслідок розбіжностей діаметрів волокон на стику з'єднання виникають оптичні втрати. Також це викликає труднощі в забезпеченні надійності з'єднання.
    В підсилювачах з надто високою потужністю вихідного сигналу в якості легуючих домішок використовується на додачу до ербію також ітербій Yb3+. В оптичних підсилювачах YDFA легуючі елементи знаходяться, як правило в пропорції 1 атом ербію на 15 ÷ 50 атомів ітербію для покращення ефективності підсилювача для уникнення перегріву лазеру за високого рівня накачування [4].
При використанні в підсилювачах ітербію в якості додаткового легуючого елементу, можна скористатись лазерними діодами накачування, що працюють на довжині хвилі 1053 нм (так звані DPSS (Diod Pumped Solid State lasers) - лазери з діодним накачуванням). Це дозволяє отримати більш потужне джерело накачування, що збільшує підсилення або продовжує термін придатності.
Напівпровідникові оптичні підсилювачі:
    Напівпровідниковий оптичний підсилювач - підсилювач, активною речовиною котрого є напівпровідниковий матеріал, а система накачування - електрична.
    Напівпровідникові оптичні підсилювачі використовують стимульовану емісію фотонів, котра виникає при взаємодії фотонів що випромінюються при передачі сигналу з рекомбінацією носіїв заряду в напівпровіднику.
    Перевагою напівпровідникових підсилювачів є безпосереднє перетворення електричної енергії накачування в енергію світла сигналу при цьому не потрібно мкультиплексору (селективного розгалужувача). Малий розмір спрощує їх використання с другими оптичними компонентами системи зв'язку.
    У таких підсилювачів коефіцієнти підсилення звичайно мають 22 ÷ 25 дБ. Максимум коефіцієнту підсилення залежить від величини струму через напівпровідник, зміщуючись в бік менших довжин хвиль при більший величині струму, і знаходиться у діапазоні 1520 нм ÷ 1460 нм,.
    В дійсний час розробляються також напівпровідникові оптичні підсилювачі SOA (Semiconductor Optical Amplifiers). В них випромінення фотонів стимулюється рекомбінацією електронів та дірок в напівпровіднику за допомогою прямої інжекції струму (а не зовнішнього накачування оптичним випроміненням, як у випадку волокна, легованого ербієм). Такі підсилювачі мають значний інтерес, оскільки дозволяють досягнути високої ефективності підсилення і гнучкості робочої довжини хвилі, хоч і з достатньо високим коефіцієнтом шуму (звичайно на 5-6 дБ більше, чим у EDFA, в основному за рахунок неможливості уникнути втрат на стику активного шару з волокном). Як і в раманівських підсилювачах, в SOA виникає значна перехресна модуляція між підсинюваними каналами, що є перепоною до їх використання у системах DWDM з невеликим числом каналів. Однак, ця ж перехресна модуляція може стати перевагою при використанні підсилювачів SOA для комутації або перетворення довжин хвиль.

Для підсилювачів SOA, як і для PDFFA, виникає проблема стиковки з волокном, оскільки товщина активного шару напівпровідникового підсилювача значно відрізняється від діаметру осердя стандартного оптичного волокна.

    В дійсний час стають доступні модулятори з високими швидкостями модуляції, що використовують інтегральну оптику. Наявні модулятори, вмонтовані в один модуль з лазером. В найближчий час повинні з'явитись модулі, котрі об'єднуватимуть в собі кілька лазерів, відповідну кількість модуляторів і підсилювачів SOA та мультиплексор.


[1] Trivedi D. A., Strite T., Gerlas van den Hoven// WDM solutions. 2000 № 4. P. 14-20.
[2] Дианов Е.М., Карпов В.И., Курков А.С., Протопопов В.Н. "Методы сглаживания спектра усиления эрбиевых волоконных усилителей". Квантовая электроника, 1996, т.23, сс.1059_1064.
[3] Yvonne Carts-Powell// WDM solutions. 2000 № 7. P. 9, 20.
[4] Fedrighi M., Di Pasquale F. // IEEE Photonics Technology Lett. 1995. Vol. 7. N 3. P. 303.



Перейти на головну сторінку
Повернутись до списку Літератури