optical amplifier что это
EDFA усилители
Оптические усилители (optical amplifier) – активные устройства, обеспечивающие увеличение мощности (амплитуды) оптического сигнала без оптоэлектронного преобразования. В современных волоконно-оптических линиях связи применяются три основных вида усилителей:
В данной статье будут рассмотрены только оптические усилители на основе оптического волокна легированного эрбием (Erbium Doped Fibre Amplifier, сокращенно EDFA) получившие в настоящее время наибольшую популярность за счёт низкой стоимости и простоты производства.
Что такое оптические EDFA усилители
Оптический усилитель на основе волокна легированного эрбием (от англ. Erbium Doped Fibre Amplifier, сокращенно EDFA) – это активное оптическое устройство обеспечивающее увеличение оптической мощности (амплитуды) входящего в него одиночного или группового (без необходимости предварительного демультиплексирования) оптических сигналов, без оптоэлектронного преобразования. Оптические усилители EDFA являются базовыми компонентами протяжённых линий связи, таких как: системы спектрального уплотнения DWDM; сети передачи КТВ.
Принцип работы EDFA усилителей
Принцип действия усилителей на основе волокна, легированного эрбием схож с принципом действия твердотельных лазеров с объёмными активными элементами, он построен на эффекте вынужденного испускания излучения ионами редкоземельных металлов. В волокне, легированном ионами, при помощи оптической накачки на длине волны 980 нм или 1490 нм создается инверсия населённости ионов, которая запускает процесс вынужденного испускания излучения, за счет которого происходит усиление подаваемого вместе с накачкой полезного сигнала.
Оптический усилитель EDFA состоит из следующих компонентов:
Следует заметить, что лазер накачки (на англ. Pump laser, сокращенно PUMP), может устанавливаться как по направлению распространения полезного сигнала – сонаправленная накачка, так и против него – противонаправленная накачка. В двухступенчатых усилителях используются оба типа накачки как сонаправленная, так и противонаправленная для получения преимуществ обоих типов.
Принцип современных однокаскадных оптических усилителей прост:
Описанный принцип работы эрбиевого усилителя называется «усилитель с обратной связью», так как в зависимости от выходного сигнала, управляющая плата усилителя может корректировать работу лазера накачки через подаваемый на него ток (параметр BIAS).
Основные параметры EDFA усилителей
Основными параметрами EDFA усилителей, применяемых на сегодняшний день в ВОЛС, принято считать:
Спектральная ширина полосы усиления оказывает определяющее влияние на число спектральных каналов в системах DWDM. Она определяется спектром излучения ионов эрбия, которыми легирован отрезок волокна являющееся неотъемлемым компонентом EDFA. Под действием молекул окружения, уровни энергии ионов эрбия расщепляются на подуровни. Величина расщепления определяет ширину полосы излучения. Чем шире полоса излучения, тем более широкого спектра усиления нужно от оптического усилителя.
Коэффициент усиления представляет собой экспоненциальную функцию, зависящую от длины волны и мощности входного сигнала. Рассчитывается по формуле:
Где PSout и PSin— мощности (полезных) сигналов на входе и выходе усилителя. Зависимость от длины волны определяется формой энергетических уровней легированных атомов эрбия, их концентрацией, распределением, длиной волны лазера накачки и многими другими параметрами.
Зависимость коэффициента усиления от мощности входного сигнала для длины волны 1550 нм приведена на графике ниже.
Динамический диапазон (SNR) определяется как диапазон входной мощности оптического сигнала, при котором коэффициент усиления остаётся постоянным. SNR связан с другим важным параметром – коэффициентом шума.
Основным источником шума в усилителе на волокне, легированном эрбием, является спонтанное излучение. Это спонтанное излучение усиливается и повторно поглощается по всей длине усилителя. Для характеристики качества оптического усилителя используется параметр, получивший название шум-фактор (noise figure). Величина шум-фактора является мерой ухудшения отношения сигнал/шум входного когерентного сигнала при прохождении через оптический усилитель. Рассчитывается по формуле:
Где OSNRin – это соотношение сигнал-шум на входе, OSNRout – соотношение сигнал-шум на выходе.
Уровень шума при использовании накачки на длине волны 1480 нм выше, чем при использовании накачки на длине волны 980 нм.
Типы эрбиевых усилителей
В зависимости от размещения усилителей на трассе их можно разделить на три основных типа:
Сферы применения
В современных телекоммуникационных системах можно выделить две основные сферы применения оптических усилителей на эрбиевом волокне:
При разговоре про протяжённые системы передачи данных первое, что приходит на ум это системы спектрального уплотнения DWDM. В них могут применяться все виды оптических усилителей, но в основной все протяжённые линии DWDM так или иначе сводятся к топологии «точка-точка», из-за чего наибольшей популярностью пользуются EDFA бустеры и предусилители. Линейные же усилители применяются в сложных, разветвлённых системах уплотнения с количеством узлов связи более трёх.
Кроме DWDM систем актуальной сферой применения EDFA усилителей являются протяжённые линии SDH. На сегодняшний день этот сегмент весьма узкий в связи с непопулярностью SDH-систем, но в нем востребованы те же типы оптических усилителей, которые применяются в DWDM. Единственным кардинальным отличием SDH усилителей от DWDM усилителей является ширина спектра усиления. В SDH применяются так называемые Single Lambda EDFA (усилители, рассчитанные на усиление одного сигнала), в то время как в DWDM используются широкополосные усилители, рассчитанные на работу с длинами волн C-диапазона или L-диапазона.
Оптические усилители, применяемые в КТВ сетях, схожи по принципу с усилителями, используемыми в SDH, так как они тоже усиливают один сигнал. Спектральная ширина полосы усиления в КТВ EDFA составляет всего ≈20 нм в диапазоне 1540-1560 нм, в то время как оптические усилители для DWDM усиливают сигналы во всем С-диапазоне (1529-1565 нм) или L-диапазоне. Такая ширина спектра усиления в CATV усилителях связана с тем, что передаваемый КТВ сигнал представляет собой спектр 1550±5 нм. Другим важным отличием оптических усилителей для КТВ является выходная мощность, которая может достигать 41 дБм, в то время как DWDM EDFA ограничиваются выходной мощностью в 24 дБм. Так же в качестве отличий можно указать специфическую архитектуру КТВ EDFA усилителей, которая может включать в себя оптические делители на выходном порту и широкополосные WDM фильтры, но это является всего лишь необходимой для отросли модификацией, а не отличием.
Оптические усилители
Эти устройства обеспечивают внутреннее усиление оптического сигнала без его преобразования в электрическую форму. Они используют принцип индуцированного излучения, аналогично лазерам. Существует пять типов оптических усилителей, см. табл. 4.5.
Таблиц 4.5. Типы и области применения оптических усилителей
1. Усилители Фабри-Перо. Усилители оснащаются плоским резонатором с зеркальными полупрозрачными стенками. Они обеспечивают высокий коэффициент усиления (до25 дБ) в очень узком (1,5 ГГц), но широко перестраиваемом (800 ГГц) спектральном диапазоне. Кроме этого, эти устройства не чувствительны к поляризации сигнала и характеризуются сильным подавлением боковых составляющих (ослабление на 20 дБ за пределами интервала в 5 ГГц). В силу своих характеристик, усилители Фабри-Перо идеально подходят для работы в качестве демультиплексоррв, поскольку они могут всегда быть перестроены для усиления только одной определенной длины волны одного канала из входного многоканального WDM сигнала.
2. Усилители на волокне, использующие бриллюэновское рассеяние. Стимулированное бриллюэновское рассеяние — это нелинейный эффект, возникающий в кремниевом волокне, когда Энергия от оптической волны на частоте, скажем, f1 переходит в энергию новой волны на смещенной частоте f2.
Если мощная накачка производится на частоте f1, стимулированное бриллюэновское рассеяние способно усиливать слабый входной сигнал на частоте f2. Выходной сигнал сосредоточен в узком диапазоне, что позволяет выбирать канал с погрешностью 1,5 ГГц.
3. Усилители на волокне, использующие рамановское рассеяние. Стимулированное рамановское рассеяние — также нелинейный эффект, который подобно бриллюэновскому рассеянию может использоваться для преобразования части энергии из мощной волны накачки в слабую сигнальную волну. Однако, при рамановском рассеянии частотный сдвиг между сигнальной волной и волной накачки (|f2-f1|) больше, а выходной спектральный диапазон усиления шире, что допускает усиление сразу нескольких каналов в WDM сигнале. Большие переходные помехи между усиливаемыми каналами представляют основную проблему при разработке таких усилителей.
4. Полупроводниковые лазерные усилители (ППЛУ). Основу ППЛУ составляет активная среда, аналогичная той, которая используется в полупроводниковых лазерах. В ППЛУ отсутствуют зеркальные резонаторы, характерные для полупроводниковых лазеров. Для уменьшения френелевского отражения с обеих сторон активной среды наносится специальное покрытие толщиной λ/4 с согласованным показателем преломления, рис. 4.13.
Рис. 4.13. Полупроводниковый лазерный усилитель
Полупроводниковые лазерные усилители не получили столь широкого распространения, как усилители на примесном волокне. Дело в том, что ППЛУ свойственны два существенных недостатка.
Светоизлучающий активный слой имеет поперечный размер несколько микрон, но толщину в пределах одного микрона, что много меньше, чем диаметр светонесущей части оптического волокна (
9 мкм — для одномодового волокна). Вследствие этого большая часть светового потока из входящего волокна не попадает в активную область и теряется, что уменьшает КПД усилителя. Увеличить КПД можно, поставив между входящим волокном и активной средой линзу, но это приводит к усложнению конструкции.
Два приведенных недостатка нивелируются в тех случаях, когда ППЛУ интегрирован с другими оптическими устройствами. И именно так преимущественно используются ППЛУ. Одна из возможностей — производство совмещенного с вето излучающего лазерного диода, непосредственно на выходе которого устанавливается ППЛУ.
На рис. 4.14 показана еще одна реализация источника мультиплексного многоволнового излучения, в котором ППЛУ используются в качестве широкополосного усилителя. Несколько узкополосных полупроводниковых лазеров на разных длинах волн генерируют световые сигналы, которые мультиплексируются и размножаются посредством оптического разветвителя. ППЛУ устанавливаются на конечном участке, чтобы усилить ослабленные после разветвления оптические мультиплексные сигналы.
Рис. 4.14. Источник мультиплексного излучения, (полупроводниковые лазерные усилители интегрированы с массивом лазерных светодиодов и оптическим разветвителем)
5. Усилители на примесном волокне. Этот тип оптического усилителя наиболее широко распространен и является ключевым элементом в технологии полностью оптических сетей, поскольку он позволяет усиливать сигнал в широком спектральном диапазоне].
На рис. 4.15 приведена схема усилителя на примесном волокне. Слабый входной оптический сигнал (1) проходит через оптический изолятор (2), который пропускает свет в прямом направлении — слева направо, но не пропускает рассеянный свет в обратном направлении, далее проходит через блок фильтров (3), которые блокируют световой поток на длине волны накачки, но прозрачны к длине волны сигнала. Затем сигнал попадает в катушку с волокном, легированным примесью из редкоземельных элементов (4). Длина такого участка волокна составляет несколько метров. Этот участок волокна подвергается сильному непрерывному излучению полупроводникового лазера (5), установленного с противоположенной стороны, с более короткой длиной волны накачки. Свет от лазера накачки — волна накачки (б) — возбуждает атомы примесей. Возбужденные состояния имеют большое время релаксации, чтобы спонтанно перейти в основное состояние. Однако 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. Селективный разветвитель (7) перенаправляет усиленный полезный сигнал (8) в выходное волокно (9). Дополнительный оптический изолятор на выходе (10) предотвращает попадание обратного рассеянного сигнала из выходного сегмента в активную область оптического усилителя.
Рис 4.15 — Оптический усилитель на примесном волокне
Активной средой усилителя является одномодовое волокно, сердцевина которого легируется примесями редкоземельных элементов с целью создания трехуровневой атомной системы, рис. 4.16. Лазер накачки возбуждает электронную подсистему примесных атомов. В результате чего электроны с основного состояния (уровень А) переходят в возбужденное состояние (уровень В). Далее происходит релаксация электронов с уровня В на промежуточный уровень С. Когда заселенность уровня С становится достаточно высокой, так что образуется инверсная заселенность уровней А и С, то такая система способна индуцировано усиливать входной оптический сигнал в определенном диапазоне длин волн. Если же входной сигнал не нулевой, то происходит спонтанное излучение возбужденных атомов примесей, приводящее к шуму.
Рис 4.16 — Энергетическая диаграмма уровней атомной системы улилителя нп примесном
Усиление в другом окне прозрачности 1300 нм можно реализовать с использованием примесей празеодимия, однако такие оптические усилители не получили большого распространения.
Коэффициент усиления сигнала зависит от его входной амплитуды и длины волны. При малых входных сигналах амплитуда выходного сигнала линейно растет с ростом входного сигнала, коэффициент усиления достигает при этом своего максимального значения. Например, если входной сигнал 1 мкВт (-30 дБм), то выходной сигнал может быть на уровне 1 мВт (0 дБм), что соответствует усилению в 30 дБ. Но при большом входном сигнале сигнал на выходе достигает своего насыщения, что приводит к падению коэффициента усиления. Например, на той же длине волны входной сигнал 1 мВт приведет к генерации выходного сигнала 20 мВт в режиме насыщения, что будет соответствовать коэффициенту усиления всего лишь 13 дБ.
На рис. 4.17 показано, как ведет себя коэффициент усиления К для EDFA в зависимости от длины волны и при различных значениях мощности входного сигнала. Уменьшение К при Рщ = 1 мВт связано с насыщением усилителя. На кривой зависимости К от длины волны при малых значениях мощности входного сигнала заметны минимумы и максимумы. Отсутствие плато в широком диапазоне длин волн (от 1530 до 1560 нм) заставляет дополнительно на линии из каскада оптических усилителей устанавливать эквалайзеры с целью выравнивания амплитуд мультиплексных сигналов разных длин волн. В то же время ведутся интенсивные исследования по выравниванию кривой усиления. Следует подчеркнуть, что построение усилителей с такими характеристиками не является непреодолимой задачей, но скорее требует тщательно отработанной технологии производства всех элементов усилителя.
Рис. 4.17. Коэффициент усиления кремниевого EDFA при различных значениях мощности входного оптического сигнала (по материалам фирмы
Corning)
Характерным для оптических усилителей является широкополосный собственный шум, рис. 4.18 Этот шум, которого избежать невозможно, главным образом связан со спонтанным излучением инверсно-заселенных уровней на примесных атомах.
Рис. 4.18. Мощность выходного сигнала и шума в EDFA
7.1 ТИПЫ РЕТРАНСЛЯТОРОВ
По методу усиления оптического сигнала ретрансляторы подразделяются на две категории:
В волоконно-оптических системах локальных сетей повторители значительно больше распространены, чем оптические усилители, в то время как при построении оптических магистралей оптические усилители играют первостепенную роль.
7.1.1 Повторители
Повторитель – это электронно-оптическое устройство, которое преобразует оптический сигнал в электрическую форму, усиливает, корректирует, а затем преобразовывает обратно в оптический сигнал (рисунок 7.1).
Рисунок 7.1 – Структурная схема электронно-оптического повторителя (а) и форма оптического и электрического сигналов (б)
Можно представить повторитель как последовательно соединённые приёмный и передающий оптический модули. Аналоговый повторитель, в основном, выполняет функцию усиления сигнала. При этом вместе с полезным сигналом усиливается также входной шум.
Однако при цифровой передаче повторитель наряду с функцией усиления может выполнять функцию регенерации сигнала.
Обычно блок регенерации охватывает цепь принятия решения и таймер. Блок регенерации восстанавливает прямоугольную форму импульсов, устраняет шум, ресинхронизирует передачу так, чтобы выходные импульсы попадали в соответствующие временные интервалы. Повторитель может и не содержать таймера и восстанавливать прямоугольную форму импульсов по определенному порогу, независимо от того, на какой скорости ведётся передача. Такие «средонезависимые» повторители применяются в локальных сетях.
В локальных сетях распространены повторители, преобразующие сигналы из многомодового в одномодовое волокно и наоборот. Такие повторители получили название конвертеры. Широко распространены ОМ/ММ конвертеры на 100, 155 и 622 Мбит/с.
7.1.2 Оптические усилители
Оптический усилитель (ОУ), в отличие от повторителя, не осуществляет оптоэлектронного преобразования, а сразу производит усиление оптического сигнала (рисунок 7.2).
Рисунок 7.2 – Структурная схема оптического усилителя
ОУ не способны в принципе производить регенерацию оптического сигнала. Они в равной степени усиливают как входной сигнал, так и шум. Кроме того, вносится собственный шум в выходной оптический канал. ОУ используют принцип индуцированного излучения, аналогично лазерам. Существуют несколько типов оптических усилителей. Рассмотрим два из них.
а) Полупроводниковые усилители (ППУ).
Основу полупроводникового усилителя составляет активная среда, аналогичная той, которая используется в полупроводниковых лазерах. В ППУ отсутствуют зеркальные резонаторы, характерные для полупроводниковых лазеров. Для уменьшения френелевского отражения с обеих сторон активной среды наносится специальное просветляющее покрытие толщиной λ/4 (рисунок 7.3).
Полупроводниковые усилители пока не получили столь широкого распространения, как усилители на примесном волокне. Дело в том, что ППУ свойственны два существенных недостатка.
Рисунок 7.3 – Структурная схема оптического полупроводникового усилителя
Первый недостаток связан с тем, что светоизлучающий активный слой имеет ширину несколько микрометров, но толщину в пределах одного микрометра. Это много меньше, чем диаметр светонесущей части оптического волокна (примерно 9мкм – для одномодового волокна). Вследствие этого большая часть светового потока, исходящего из волокна, не попадает в активную область и теряется, что уменьшает КПД усилителя. Увеличить КПД можно, поставив между входящим волокном и активной средой линзу, но это приводит к усложнению конструкции.
Второй недостаток имеет более тонкую природу. Дело в том, что коэффициент усиления ППУ зависит от направления поляризации и может отличаться на 4-8дБ для двух ортогональных поляризаций. Это нежелательно, так как в стандартном одномодовом волокне поляризация распространяемого светового сигнала не контролируется. Мощность светового потока данной поляризации может флуктуировать вдоль длины. Отсюда вытекает, что коэффициент усиления ППУ зависит от неконтролируемого фактора.
Два приведённых недостатка имеют меньшее значение в тех случаях, когда ППУ интегрирован с другими оптическими устройствами. И именно так преимущественно используются ППУ. Одна из возможностей – производство совмещённого светоизлучающего лазерного диода, непосредственно на выходе которого устанавливается ППУ.
На рисунке 7.4 показана реализация источника мультиплексного многоволнового излучения, в котором ППУ используется в качестве широкополосного усилителя.
Рисунок 7.4 – Структурная схема источника мультиплексного излучения (а)
и форма световых сигналов лазеров (б)
(Полупроводниковые усилители интегрированы с массивом лазерных светодиодов и оптическим разветвлением)
Несколько узкополосных полупроводниковых лазеров на разных длинах волн генерируют световые сигналы, которые разветвляются и коммутируются посредством оптического разветвителя. ППУ устанавливается на конечном участке, чтобы усилить ослабленные после разветвления оптические сигналы.
б) Усилители на примесном волокне.
Этот тип оптического усилителя наиболее широко распространён и является ключевым элементом в технологии полностью оптических сетей, поскольку он позволяет усиливать сигнал в широком спектральном диапазоне. На рисунке 7.5 приведена схема усилителя на примесном волокне.
Рисунок 7.5– Структурная схема оптического усилителя на примесном волокне
Слабый входной оптический сигнал (1) проходит через оптический изолятор (2), который пропускает свет в прямом направлении – слева направо, но не пропускает отражённый свет в обратном направлении. Далее проходит через блок фильтров (3), который блокирует световой поток на длине волны накачки, но прозрачен к длине волны сигнала. Затем сигнал попадает в катушку с волокном, легированным примесью из редкоземельных элементов (4). Длина такого участка волокна составляет несколько метров. В этот участок волокна поступает интенсивное непрерывное излучение накачки от полупроводникового лазера (5) с более короткой длиной волны. Свет от лазера накачки (6) возбуждает атомы примесей. Возбуждённые атомы имеют большое время спонтанного перехода в основное состояние. Однако при наличии внешнего слабого оптического 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 внешний сигнал. Селективный разветвитель (7) перенаправляет усиленный сигнал (8) в выходное волокно (9). Дополнительный оптический изолятор на выходе (10) предотвращает попадание обратного отражённого сигнала из выходного сегмента в активную область оптического усилителя.
Активной усиливающей средой усилителя является, как правило, одномодовое волокно, сердцевина которого легируется примесями редкоземельных элементов с целью создания трехуровневой атомной системы (рисунок 7.6).
Рисунок 7.6 – Энергетическая диаграмма уровней атомной системы усилителя на примесном волокне
Лазер накачки возбуждает электронную подсистему примесных атомов. В результате чего электроны из основного состояния (уровень А) переходят в возбуждённое состояние (уровень В). Далее происходит релаксация электронов с уровня В на промежуточный уровень С. Когда заселённость уровня С становится достаточно высокой, так что образуется инверсия населённостей уровня С, система способна индуцировано усиливать входной оптический сигнал в определённом диапазоне длин волн. Если же входной сигнал отсутствует, то происходит спонтанное излучение возбуждённых атомов примесей, приводящее к шуму.
Особенности работы усилителей во многом зависят от типа примесей и от диапазона длин волн, в пределах которого он должен усиливать сигнал. Наиболее широко распространены усилители, в которых используется кварцевое волокно, легированное эрбием. Такие усилители получили название EDFA (Erbium Doped Fiber Amplifier) – оптический усилитель на волокне, легированном эрбием. Межатомное взаимодействие является причиной очень важного положительного фактора – уширение уровней, что, в конечном итоге, обеспечивает усилителю широкую зону усиления сигнала. В EDFA наиболее широкая зона усиления от 1530 до 1565нм. К счастью, этот диапазон длин волн в точности соответствует диапазону минимальных потерь в кварцевом волокне, который поэтому наиболее широко используется в магистральных ВОЛС. Этот диапазон (1530–1565нм) достигается при оптимальной длине волны лазера накачки 980нм. В некоторых системах используют длину волны накачки 1480нм.