Усиление оптических сигналов

Технологии спектрального уплотнения, в частности CWDM и DWDM, позволили провайдерам и операторам связи расширить пропускную способность имеющихся сетей и избавили от необходимости финансировать расширение инфраструктуры ВОЛС. В сегментах сети, в которых расстояния между узлами небольшие, доминирующее положение заняли пассивные системы спектрального уплотнения. Мощности передатчиков и чувствительности приемников в оптических трансиверах достаточно для обеспечения работоспособности системы и компенсации затухания в волокне и на компонентах сети.

Но если возникает задача спектрального уплотнения линии большой протяженности, то без оптических усилителей или регенераторов решения она не имеет. При выборе способа усиления сигнала (безусловно, при существовании возможности выбора) предпочтение отдается оптическим усилителям: они не осуществляют оптоэлектронных преобразований сигнала и достаточно просты в исполнении.

Большую популярность в оптических сетях получили усилители EDFA (Erbium-Doped Fiber Amplifier: оптический усилитель, легированный эрбием). Длины волн, усиливаемых простыми EDFA оптических сигналов, лежат в диапазоне от 1525 до 1565 нм, что идеально подходит для усиления мощности излучения в «С-диапазоне» DWDM-систем. Для усиления сигналов из «L-диапазона» используются LWEDFA (Long Wavelength EDFA: длинноволновые EDFA), работающие в диапазоне от 1570 до 1605 нм. Использование усилителей EDFA для увеличения мощности сигнала в системах DWDM позволило конструктивно упростить эти системы и снизить общую стоимость комплекса оборудование DWDM.

Основные характеристики усилителей EDFA

• Мощность насыщения (saturation output power)
• Коэффициент усиления G (gain)
• Мощность усиленного спонтанного излучения ASE (amplified spontaneous emission)
• Шум-фактор NF (noise figure)

Принцип работы усилителей EDFA

Принцип работы эрбиевого усилителя основывается на способности волокна, легированного эрбием, усиливать сигналы за счет внешнего излучения, формируемого «лазерами накачки» (именно развитие схем «накачки» позволило создать усилители LWEDFA).

В усилителях EDFA могут использоваться волокна на кварцевой или на фторидной основе. Использование волокон на фторидной основе позволяет обеспечить более насыщенное легирование эрбием и добиться более равномерного усиления сигналов на всех длинах волн. Усилители EDFA на базе оптических волокон c кварцевой основой обладают меньшим уровнем шума.

Излучение на длинах волн 1480 и 980 нм отлично поглощается активной средой усилителя — одномодового волокна, сердцевина которого легируется примесями редкоземельных элементов с целью создания трехуровневой атомной системы. Лазер накачки возбуждает электронную подсистему примесных атомов. В результате чего электроны с основного состояния (уровень 1) переходят в возбужденное состояние (уровень 2). Далее происходит релаксация электронов с уровня 2 на промежуточный уровень 3. Когда заселенность промежуточного уровня 3 становится достаточно высокой, так что образуется инверсная заселенность уровней 1 и 3, система начинает индуцировано усиливать входной оптический сигнал в определенном диапазоне длин волн.

Слабый входной оптический сигнал проходит через оптический изолятор, пропускающий свет в прямом направлении и предотвращающий распространение обратного рассеянного излучения. Сигнал проходит через блок фильтров, которые блокируют световой поток на длине волны накачки и пропускают остальное излучение. Затем сигнал попадает в катушку с волокном, легированным примесью из редкоземельных элементов, в случае усилителей EDFA — эрбий. Длина такого участка волокна составляет несколько метров. Этот участок волокна подвергается сильному непрерывному излучению одного или нескольких полупроводниковых лазеров накачки. Излучение лазера накачки возбуждает атомы примеси, которые в возбужденном состояния имеют большое время релаксации, для спонтанного перехода в основное состояние. При наличии слабого сигнала происходит индуцированный переход атомов примесей из возбужденного состояния в основное с излучением света на той же длине волны и с той же самой фазой, что и повлекший это сигнал. Далее разветвитель перенаправляет усиленный полезный сигнал в выходное волокно. Оптический изолятор на выходе усилителя предотвращает попадание обратного рассеянного сигнала из выходного сегмента в активную область оптического усилителя.

Лазеры накачки

Вернемся к лазерам накачки – источникам энергии усиления. Стандартно в EDFA используются лазеры с длинами волн 980 и 1480 нм.

Рисунок 1. Схемы накачки

Лазеры накачки с длиной волны 980 нм имеют низкий коэффициент шума, а лазеры 1480 нм позволяют добиться большего коэффициента усиления. Исходя из этих фактов, лазеры накачки 980 нм используются для предусилителей и систем с большим количеством каналов, а лазеры 1480 нм применяются для более мощных усилителей. Компромиссом в данной ситуации служит схема двойной накачки обоими типами лазеров. Мощность лазера накачки теоретически равномерно распределяется между всеми каналами, потому чем больше каналов в системе, тем мощнее должен быть лазер накачки или каскад накачки.

Существует несколько схем накачки:

• Прямая накачка (1) — обеспечивает низкий уровень шума. При малой мощности входящего сигнала и большом коэффициенте усиления
• Встречная накачка (2) — быстрее приводит к режиму насыщения волокна проще достигается режим насыщения — для максимальной выходной мощности сигнала

При использовании двух лазеров накачки с разными длинами волн, лазер 1480 нм подключается в обратном направлении, а накачку на 980 нм – в прямом (3). Высокая квантовая эффективность лазера 1480 нм с высоким уровнем шума в сочетании с малошумящим лазером 980 нм позволяют добиться высоких показателей для коэффициента усиления и выходной мощности излучения. Применение компенсаторов дисперсии в схемах с двумя лазерами (4) позволяет еще лучших результатов, однако увеличивает стоимость усилителя EDFA.

Типы усилителей EDFA

В зависимости от применения различают:

• Усилители мощности/бустеры (1)
• Предварительные усилители (2)
• Линейные усилители (3)

Рисунок 2. Типы усилителей

Усилители мощности (бустеры) устанавливаются непосредственно после лазерных передатчиков и предназначены для дополнительного усиления сигнала до уровня, который не может быть достигнут на основе лазерного диода. Бустеры могут также устанавливаться перед оптическим разветвителем (например, при передаче нисходящего трафика в гибридных волоконно-коаксиальных архитектурах кабельного телевидения).

Предварительные усилители (предусилители) используются непосредственно перед приёмником сигнала и способствуют увеличению отношения сигнал/шум на выходе электронного каскада усиления в оптоэлектронном приёмнике. Оптические предусилители часто используются в качестве замены сложных и дорогих когерентных оптических приёмников.

Линейные усилители устанавливаются в промежуточных точках протяженных линий связи между регенераторами или на выходе оптических разветвителей с целью компенсации ослабления сигнала, которое происходит из-за затухания в оптическом волокне или из-за разветвления в оптических разветвителях, ответвителях, мультиплексорах xWDM. Линейные усилители заменяют оптоэлектронные повторители и регенераторы в тех случаях, когда нет необходимости в точном восстановлении сигнала.

Изменение характеристик усилителей EDFA в зависимости от типа

Параметр	Предусилитель	Линейный усилитель	Усилитель мощности
Коэффициент усиления (G)	высокий	средний	низкий
Коэффициент шума (NF)	низкий	средний	низкий
Мощность насыщения (Pout sut)	низкая	средняя	высокая
Нелинейность	низкая	низкая	низкая
Зона усиления	узкая	широкая	широкая

Области применения EDFA

Усилители EDFA являются протоколонезависимыми устройствами, что также делает их незаменимыми в системах DWDM, в которых часто организуются каналы с различными протоколами передачи данных. Стоит отметить, что усилители EDFA увеличивают уровень мощности несущих волн в диапазоне, поэтому эти устройства работают как с цифровыми, так и с аналоговыми сигналами. Последний тип сигналов используется в сетях кабельного телевидения, поэтому EDFA усилители широко применяются в таких сетях.

Технология FTTH подразумевает отсутствие необходимости использования дорогостоящего оборудования на стороне клиента и для снижения стоимости абонентских устройств в них используются приемники с низкой чувствительностью. Поэтому сигнал у клиента должен быть достаточно сильным. А пассивные оптические сети (PON) — с большим числом абонентов, со сложной структурой делителей и огромными потерями, но при этом экономически эффективные — сложно представить без оптических усилителей.