Fokin_Kogerentnye_opticheskie_seti_

Рис. 6.7. Зависимость усиления легированного Er волокна от длины и мощности накачки на волне 1480 нм

Рис. 6.8. Экстремальные характеристики усиления волокна с Er для различных длин и мощностей накачки на волне 1480 нм

Рис. 6.9. Характеристики насыщения волокна с Er при различных мощностях накачки на волне 1480 нм

Известные частотные характеристики усиления эрбиевых усилителей отличаются неравномерностью (рис. 6.10), что способствует различиям оптических каналов на разных волнах по OSNR. Для устранения неравномерности усиле-

231

ния применяются другие базовые компоненты (например, фтор, цирконий) и отдельные оптические выравниватели (GEF, Gain Equalising Filters) с противоположными усилению характеристиками передачи (рис. 6.11), что способствует выравниванию усиления широкой полосе частот (волн до 40 нм) (рис. 6.12). Также могут использоваться управляемые эквалайзеры в структурах с эрбиевыми усилителями.

Рис. 6.10. Фигуры характеристик неравномерности усиления и шума EDFA

Рис. 6.11. Принцип выравнивания усиления EDFA

232

Рис. 6.12. Кривые уровней мощности оптических каналов и шума: а) для EDFA на кремниевой основе; б) для EDFA на фтор-цирконатной основе [80]

Усилители на фтор-цирконатной основе имеют один недостаток – они больше шумят, т. к. для накачки используется только волна 1480 нм.

Уменьшить шумовые составляющие и расширить полосу равномерного усиления до 84 нм предложила компания Lucent за счет параллельного включения примесных усилителей с выравнивателями GEF и пятью каскадами накачки в каждой из двух усиливающих цепей [81]. Полученная при этом характеристика усиления представлена на рис. 6.13.

Рис. 6.13. Характеристика усиления пятикаскадного двухканального оптического усилителя

233

При организации спектральных каналов для оптических усилителей принято считать, что мощность лазера накачки теоретически равномерно распределяется между ними, поэтому, чем больше каналов в системе, тем мощнее должен быть лазер накачки или каскад накачки. Наибольшее распространение получили три схемы накачки примесного волокна оптического усилителя: согласованная или прямая; встречная или противонаправленная по отношению к усиливаемому сигналу; двунаправленная при использовании двух лазеров. Упрощенные схемы этих способов накачки представлены на рис. 6.14–6.16.

Прямая накачка на волне 980 нм обеспечивает низкий уровень шума при малой мощности входного сигнала и большом коэффициенте усиления. Встречная накачка на волне 1480 нм быстрее приводит к режиму насыщения волокна, проще достигается режим максимальной выходной мощности. Использование двух лазеров накачки с разными длинами волн (согласованно 980 нм, встречно 1480 нм) позволяют получить от усилителя минимальные шумы при максимальном усилении.

Рис. 6.14. Прямая накачка в оптическом усилителе

Рис. 6.15. Противонаправленная накачка в оптическом усилителе

Рис. 6.16. Двунаправленная накачка в оптическом усилителе

234

Ниже в качестве примера приведены характеристики EDFA ONS 15216Cisco, входящего в номенклатуру устройств для оптических сетей DWDM с числом спектральных каналов до 40 в диапазоне волн 1530–1563 нм (рис. 6.17).

Рис. 6.17.Типовая структура эрбиевого усилителя ONS 15216 EDFA1 Cisco

Усилитель допускает общий уровень мощности на входе от −29 дБм до −6 дБм, т. е. при одном сигнале (λ1) на входе допустимый уровень −6 дБм, при двух сигналах (λ1, λ2) на входе допустимый уровень −9 дБм, при трех сигналах на входе (λ1, λ2, λ3) допустимый уровень −10,8 дБм и т. д. При 40 λ на входе допустимый уровень одного канального сигнала составит только −22,1 дБм.

Максимальный уровень мощности на выходе усилителя может достигать +17 дБм. Общий коэффициент усиления 23 дБ при неравномерности в полосе усиления ±1,25 дБ. Столь точная характеристика усиления обеспечивается оптическим выравнивающим фильтром GEF. Фигура кривой шума спонтанной эмиссии ASE не превышает 6 дБ при волнах накачки 980 нм. Вносимая ПМД не превышает 0,6 пс. Поляризационная чувствительность составляет 0,5 дБ. Усилитель может быть подключен в систему управления через стандартный интерфейс RS232. В усилителе могут фиксироваться аварийные сигналы на передней панели со светодиодами.

235

6.2.Оптические усилители на эффекте вынужденного комбинационного (рамановского) рассеяния

Принцип действия рамановских усилителей основан на эффекте комбинационного рассеяния, который был открыт индийским ученым Раманом в 1929 г. При спонтанном комбинационном рассеянии света на молекулах какого-либо материала (среды распространения) небольшая часть мощности излучения накачки преобразуется в излучение с более низкой частотой, причем величина частотного сдвига определяется колебательными модами среды распространения (рис. 6.18). Известны два типа колебательных мод: акустические и оптические фононы. Взаимодействие фотонов с акустическими фононами называется рассеянием Мандельштама–Бриллюэна. Оптические фотоны связаны с электрическим полем, длина которого лежит в оптическом диапазоне. В обоих случаях фотон высвобождает некоторую энергию, которая создает один или несколько фононов с различной энергией импульсом. Таким образом падающая волна служит волной накачки для генерации излучения на смещенной частоте, называемой также стоксовой компонентой излучения (V-VR). Также возможно наблюдение процесса, при котором падающий фотон (волна) получает энергию от фонона и рассеивается с увеличением частоты. Такое излучение называется антистоксовым (V + VR). При значительном увеличении уровня накачки образуется явление – вынужденное комбинационное (рамановское) рассеяние, при котором интенсивность стоксовой компоненты возрастает так быстро, что в нее переходит большая часть энергии накачки. Таким образом, при одновременном распространении в среде излучения накачки и сигнала, отстоящего на величину стоксова сдвига, будет наблюдаться его усиление (на рис. 6.18 показано фотоном).

В технике оптической связи рамановские усилители строятся на основе волоконных световодов. При этом коэффициент усиления зависит от состава стекловолокна (рис. 6.19). Наибольший коэффициент усиления наблюдается в волокнах DCF, т. е. в волокне для компенсации дисперсии.

Рис. 6.18. Рамановское рассеяние в стекловолокне и принцип действия оптического усилителя

236

Рамановское усиление значительно зависит от состояний поляризации сигналов (накачки и информационных). В случае совпадения состояний поляризации сигналов, рамановское усиление на порядок выше, чем при ортогональном расположении состояний поляризации. В волокнах без сохранения поляризации из-за явления случайной связи мод поляризационная зависимость снижается. Усиление вследствие ВКР зависит от интенсивности (равной мощности накачки Pн, деленной на площадь модового пятна А), длины взаимодействия L волны накачки и сигнальной волны и коэффициента усиления g (рис. 6.19) определяется по (6.3):

Рис. 6.19. Коэффициент рамановского усиления g для различных волокон на волне накачки 1510 нм [77], отличающихся эффективной площадью:

DCF ~20 мкм2; DSF ~50 мкм2; SMF ~80 мкм2

В световоде с низкими потерями длина взаимодействия может составить более 1 км, что снижает требования по мощности накачки и коэффициенту усиления.

Величина коэффициента усиления g зависит от присадок к стекловолокну таких, как бор, германий, фосфор. Для волокна на основе двуокиси кремния SiO2 величина коэффициента g при накачке 1480 нм представлена зависимостью на рис. 6.20. Из графика видно, что по уровню уменьшения усиления в два раза полоса усиления составляет около 5 ТГц при неравномерной характеристике усиления. Сдвиг рассеянного излучения происходит в длинноволновую область (рис. 6.21), т. е. туда, где передаются информационные оптические сигналы.

Усиление вследствие ВКР зависит от интенсивности (равной мощности накачки Pн, деленной на площадь модового пятна А), длины взаимодействия L волны накачки и сигнальной волны и коэффициента усиления g:

237

Величина мощности Рн рассматривается усредненной за интервал времени передачи импульсного сигнала. Величина усиления принимается независимой от поляризации усиливаемого сигнала.

Коэффициент шума рамановского усилителя определяется выражением

т.е. при увеличении коэффициента усиления уменьшатся величинашума, однако это происходит при увеличении мощности накачки, что, в свою очередь, может породитьувеличениестоксовашумового излучения, несвязанногоссигналом [77,78].

Реальные величины коэффициентов усиления рамановских усилителей могут принимать значения от 3… 5 дБ до 20… 35 дБ в зависимости от примесного состава стекловолокна и мощности накачки. Пример схемы распределенного усилителя рамановского типа DRA (Distributed Raman Amplifier) приведен на рис. 6.22. Особенность схемы – встречная по отношению к сигналу накачка от мощного лазерного диода (до 1 Вт), при этом достигаются существенные увеличения длины участков передачи (рис. 6.23, 6.24) [88]. Необходимо отметить, что схемы усилителей Рамана могут строиться не только по распределенной схеме с линейным оптическим волокном в кабеле, но и по схеме со средоточенным усилением в катушке оптического волокна DCF [77] (Discrete Raman Amplifier).

Для расширения полосы усиливаемых частот и придания равномерности усиления используются комбинированные схемы (рис. 6.25): эрбиевый+рамановский; рамановский сдвухстронней накачкой на нескольких частотах.

Рис. 6.22. Схема распределенного усилителя DRA со встречной накачкой

Рис. 6.23. Выигрыш с применением DRA в каналах 10 Гбит/с и 100 Гбит/с

239

Рис. 6.24. Распределение уровней мощности оптических каналов при использовании распределенной накачки (DRA) в протяженной линии

Результатом использования нескольких лазеров накачки (рис. 6.26), т. е. включения нескольких лазеров с использованием мультиплексоров в одном месте или в каскадной цепочке для подачи накачки по отдельным участкам, могут быть получены характеристики усиления высокой степени равномерности (отклонение не более 0,1 дБ) в широком диапазоне волн (рис. 6.27), что крайне необходимо для систем передачи с DWDM. Кроме того, подбором мощности накачки, длин волн накачки и схемы включения возможно формирование характеристик усиления с различным наклоном, что необходимо для выравнивания уровней мощности спектральных каналов на различных волнах на приемной стороне и выполнения требований по OSNR.

Рис.6.25.Схемы включения широкополосного усилителяРаманасовместносEDFA, встречной накачкой и двухсторонней накачкой

240