Fokin_Kogerentnye_opticheskie_seti_

Рис 5.21. Пример оптоэлектронной интеграции когерентного оптического приемника для 112 Гбит/с сигнала без источника опорного гетеродина LO

Отдельные интегрированные компоненты когерентных оптических систем входят в блоки транспондеров, пример одного блока представлен компанией NTT1 на рис. 5.22. В состав транспондера NTT входят гибридные интегральные схемы: оптическая на основе технологии PLC и электрическая с фотодетекторами и электрическими трансимпедансными усилителями (TIA) (рис. 5.23). Сопряжение между схемами выполнено оптическими линзами, фокусирующими излучения сигнала и гетеродина на отдельных фотодетекторах.

Рис. 5.22. Компоненты транспондера с когерентным приемником

Другое интегрированное решение представлено продукцией компании Optoplex (рис. 5.24), в которой объединены аналоговая оптическая и электрическая схемы когерентного приемника на единой подложке (рис. 5.25).

1 URL: www.ntt.com/ (дата обращения: 27.01.2015).

221

Рис. 5.23. Гибридный когерентный оптический приемник для сигналов DP-QPSK 112 Гбит/с

Рис. 5.24. Конструктивное исполнение оптоэлектронной аналоговой части когерентного приемника Optoplex DP-QPSK1

Типовые характеристики когерентных оптических приемников разработаны ведущими производителями, объединенными в ассоциацию OIF (Optical Internetworking Forum), насчитывающую более 90 участников2. Примеры характеристик для когерентных оптических приемников представлены в табл. 5.5 для сигналов DP-QPSK 112 Гбит/с.

1URL: www.optoplex.com (дата обращения: 27.01.2015).

2URL: www.oiforum.com (дата обращения: 27.01.2015).

222

Табл. 5.5. Технические характеристики оптического когерентного приемника

Рис. 5.25. Полная (аналоговая и цифровая части) структура когерентного приемника Optoplex DP-QPSK для скорости передачи 112 Гбит/с

Также в характеристиках когерентных приемников определены сигнальные, гетеродинные и токовые характеристики во взаимной увязке, представленные в табл. 5.6 и на рис. 5.26.

223

Табл. 5.6. Рекомендованные OIF предельные характеристики оптической мощности и токов для фотодиодов с чувствительностью 0,8 А/Вт

Рис. 5.26. Маска нормируемых уровней мощности оптических сигналов на приеме и гетеродина

Контрольные вопросы

1.Что относится к порядку и алгоритмам преобразований в когерентных оптических приемниках?

2.В каких форматах может поступать оптический сигнал на вход когерентного приемника?

3.Какие проблемы с обработкой сигнала решаются в оптическом когерентном приемнике?

4.Какие методы детектирования оптических сигналов различных форматов могут использоваться в когерентных приемниках?

5.Что входит в состав простого когерентного оптического приемника?

6.Что входит в состав квадратурного когерентного оптического приемника?

7.От чего зависит результирующий фототок на выходе балансного детек-

тора?

8.Какие токовые составляющие балансного детектора присутствуют в гомодинном квадратурном приемнике?

224

9.Какие методы демодуляции принятого сигнала могут применяться в когерентных гомодинных приемниках?

10.Что входит в состав цифровой схемы когерентного приемника?

11.Что относится к процедурам цифровой обработки сигнала в когерентном приемнике?

12.Что представляет собой схема цифрового корректора хроматической дисперсии?

13.Чем компенсируется ПМД в цифровой части когерентного приемника?

14.Какие функции выполняет алгоритм Витебри при цифровой обработке сигнала (DSP) в когерентном приемнике?

15.Чем определяется отношение OSNR при когерентном приеме?

16.Почему OSNR определяется при коэффициенте ошибок 10-3?

17.С чем может быть связана некогерентность детектирования на приеме?

18.Чем оценивается некогерентность детектирования на приеме?

19.Чем обусловлен фазовый шум в когерентных приемниках?

20.Какими техническими характеристиками описывают когерентные оптические приемники?

225

6. ОПТИЧЕСКИЕ УСИЛИТЕЛИ В КОГЕРЕНТНЫХ СИСТЕМАХ

Оптические усилители являются составными компонентами когерентных систем передачи, поддерживающими необходимые уровни передачи на всех участках по дистанции и на всех рабочих частотах со спектральными каналами.

Оптические усилители отличаются конструкциями, принципом действия и характеристиками передачи сигналов. В известных диапазонах волн (оптических частот), используемых для построения когерентных систем передачи, применяются волоконные оптические усилители примесного типа (легирование эрбием – Er, тулием – Tm, теллуром – Tе и другими редкоземельными элементами), волоконные рамановские и полупроводниковые (рис. 6.1). Обращают на себя внимание рамановские усилители, которые пригодны во всех рабочих диапазонах от 1420 нм до 1620 нм. При этом все остальные могут использоваться только в ограниченных частотах. Это обусловлено различным принципом увеличения оптической мощности сигналов, проходящих через среду усиления. Основными характеристиками оптических усилителей являются: полоса или диапазон частот (волн) усиления; коэффициент усиления и его равномерность; шумы, вносимые усилителем; поляризационная чувствительность; нелинейные искажения или перегрузка; показатели энергоэффективности; массогабаритные показатели; температурная устойчивость и т. д.

Рис. 6.1. Виды оптических усилителей и рабочие диапазоны

226

Примеры некоторых интегрированных характеристик рамановских и примесных (эрбиевых) усилителей применительно к когерентным системам с оптическими каналами 100 Гбит/с представлены на рис. 6.2.

Преимущество рамановских усилителей состоит в большей усиливаемой полосе и, соответственно, в большей емкости волоконной линии по числу каналов и их совокупной скорости передачи информационных сигналов.

Рис. 6.2. Соотношения для примесных и рамановских оптических усилителей

Сочетание различных типов усилителей (распределенных рамановских

DRA (Distributed Raman Amplifiers), сосредоточенных примесных и раманов-

ских – Discrete Raman Amplifier) позволяет строить протяженные оптические каналы с гарантированными соотношениями OSNR на всех участках, на которых сведены к минимуму последствия от нелинейных эффектов стекловолокон и шумов спонтанной эмиссии усилителей (рис. 6.3).

Рис. 6.3. Ограничения на величину усиления оптических усилителей

227

6.1. Примесные усилители оптического излучения

Волоконно-оптические усилители (ВОУ) с примесными редкоземельными компонентами (Er, Tm, Te) получили большое распространение в волоконнооптических системах передачи. Это связано с рядом их неоспоримых достоинств:

─простота конструкции;

─высокая надежность;

─большие коэффициенты усиления;

─малые шумы;

─широкая полоса усиления;

─нечувствительность к поляризации усиливаемого света и т. д.

Для передачи оптических сигналов в линиях с усилением для диапазонов С, L чаще всех применяются EDFA, на принципе действия которых далее поясняются характеристики усиления.

Основу конструкции ВОУ-EDFA составляет оптическое волокно длиной от 10 м до 100 м с примесью редкоземельного материала Er. Принцип действия ВОУ основан на эффекте возбуждения посредством внешней накачки атомов редкоземельного материала, помещенных в сердцевину обычного одномодового стекловолокна (рис. 6.4). Редкоземельные материалы выбраны с таким расчетом, чтобы имелись зоны поглощения внешней энергии и создавалась инверсная населенность, которая приводит в конечном результате к спонтанной и стимулированной эмиссии (рис. 6.5). При этом вынужденное свечение будет обусловлено входным сигналом и совпадает с ним по длине волны.

Рис. 6.4. Схема оптического усиления в эрбиевом волоконном усилителе

В сердцевине стекловолокна помещены ионы эрбия (Er 3+). Для накачки ионов могут применяться излучения с длинами волн 1480 нм, 980 нм, 800 нм, 670 нм и 521 нм. Реально используются 1480 нм и 980 нм. Это обусловлено рядом причин: эффективностью полупроводниковых лазеров большой мощности, малым затуханием оптического волокна, низкими требованиями к точности длины волны накачки.

228

На длине волны 980 нм наблюдаются наименьшие шумы усиления, а на длине волны 1480 нм нет жестких требований к точности настройки. Оптический усилитель с накачкой на длине волны 1480 нм называют двухуровневым, а усилитель с накачкой на длине волны 980 нм – трехуровневым (рис. 6.5).

Рис. 6.5. Коэффициенты поглощения атомов эрбия на различных волнах накачки

Ионы эрбия возбуждаются за счет поглощения энергии волн генератора накачки ( Н). Они переходят с основного уровня на более высокие энергетические уровни, а затем без излучения в требуемом диапазоне снижаются (релаксируют) до метастабильного уровня. Одновременно на возбужденные атомы воздействует излучение сигнала ( С), вызывающее стимулированное излучение на всей длине активного волокна.

Однако не все атомы взаимодействуют с излучением сигнала и спонтанно переходят на основной уровень за время примерно 10 мс. Спонтанная эмиссия фотонов порождает шум излучения, который тоже может усиливаться (такие шумы принято обозначать: ASE, Amplified Spontaneous Emission). При доста-

точно интенсивном входном сигнале с длиной волны С спонтанное излучение в эрбиевом усилителе может быть подавлено (рис. 6.6). Использование лазеров накачки на разных волнах (980 нм и 1480 нм) создает различные условия усиления относительно ASE, коэффициента усиления и схем накачки.

Лазеры с волной накачки 980 нм обеспечивают наименьший шум усиления, а лазеры на волне 1480 нм позволяют получить больший коэффициент усиления при большей величине шума ASE. Исходя из этих фактов можно определить применение: на волне 980 нм накачка необходима в усилителях предварительных на входе приемников оптического излучения в системах с большим числом спектральных каналов; на волне 1480 нм накачка необходима для получения максимального усиления для получения максимальной мощности ввода в волоконную линию. Особенности характеристик EDFA на разных волнах накачки приведены в табл. 6.1.

229

Рис. 6.6. Подавление шума спонтанной эмиссии в EDFA

Коэффициент шума (или фигура шума, как часто указывается в литературе) EDFA определяется следующим соотношением:

где PASE – мощность усиленной спонтанной эмиссии, h – постоянная Планка, f – частота оптического сигнала, ∆f – полоса усиления. Обычно 3 дБ < NF < 6 дБ, GA – коэффициент усиления. При каскадном включении усилителей может происходить накопление шумов от n числа усилителей

Характеристики волоконного световода с атомами Er исследованы достаточно детально [79] и показывают возможности по усилению для различной мощности накачки, длины волокна и насыщения. Примеры характеристик приведены на рис. 6.7–6.9.

230