Пасивні елементи трактів ВОЛЗ.

Включают в себя: оптические соединители, розетки, шнуры, распределительные панели, кроссовые шкафы, соединительные муфты, оптические разветвители, аттеньюаторы, сист. спектрального уплотнения и т.д. Т.е. все, что необходимо для обеспечения передачи оптического сигнала по волоконно-оптическому кабелю от передатчика к приемнику.

По мере роста сложности и увеличения протяженности волоконно-оптической кабельной системы роль пассивных компонентов возрастает. Практически все системы волоконно-оптической связи, реализуемые для магистральных инф сетей, локальных вычислительных сетей, а также для сетей кабельного телевидения, охватывают сразу все многообразие пассивных волоконно-оптических компонентов.

Самой важной проблемой передачи информации по ВОЛС является обеспечение надежного соединения оптических волокон. Оптический соединитель – это устройство, предназначенное для соединения различных компонентов волоконно-оптического линейного тракта в местах ввода и вывода излучения. Такими местами являются: оптические соединения оптоэлектронных модулей (приемников и передатчиков) с волокном кабеля, соединения отрезков оптических кабелей между собой, а также другими компонентами. Различают неразъемные и разъемные соединители. Неразъемные соединители используются в местах постоянного монтажа кабельных систем. Основным методом монтажа, обеспечивающим неразъемное соединение, является сварка. Разъемные соединители (коннекторы) допускают многократные соединения/разъединения. Промежуточное положение занимают соединения типа механического сплайса.

Механический сплайс – это простое в использовании устройство для быстрой стыковки обнаженных волокон с покрытием с диаметром 250 мкм-1 мм посредством специальных механических зажимов. Используется как для одноразового, так и для многократного использования. По надежности и по вносимым потерям механический сплайс уступает сварному соединению.

По конструкции соединения бывают симметричными и несимметричными.

К соединителям предъявляют следующие требования:малые вносимые потери;

малое обратное отражение;устойчивость к внешним механическим, климатическим воздействиям;высокая надежность и простота конструкции;

незначительное ухудшение характеристик после многочисленных повторных соединений.

Известно, что основными элементами ВОЛС являются волоконно-оптический кабель (ВОК), оптический излучатель, оптический приемник и оптический соединитель (ОС).

Практика показала, что параметры этих элементов взаимосвязаны и зависимы друг от друга. Особо сильная зависимость параметров от параметров других элементов наблюдается у ОС.

 

58. Оптические разветвители

Одним из наиболее важных устройств, относящихся к пассивным компонентам ВОЛС, является оптический разветвитель (coupler, другое название splitter). Разветвители широко используются при построении распределенных волоконно-коаксиальных сетей кабельного телевидения, а также в межгосударственных проектах полностью оптических сетей. В обоих случаях сети без использования разветвителей были бы значительно до­роже.

Оптический разветвитель представляет собой в общем случае многополюсное устрой­ство, в котором излучение, подаваемое на часть входных оптических полюсов, распределяет­ся между его остальными оптическими полюсами.

Различают направленные и двунаправленные разветвители, а также разветвители, чув­ствительные к длине волны и нечувствительные. В двунаправленном разветвителе каждый полюс может работать или на прием сигнала, или на передачу, или осуществлять прием и пе­редачу одновременно, так что группы приемных и передающих полюсов могут меняться мес­тами в функциональном смысле.

Основные категории оптических разветвителей следующие:

- древовидный разветвитель - осуществляет расщепление одного вх оптического сигнала на несколько вых, или выполняет обратную функцию - объединение нескольких сигналов в один выходной (рис. 3.12 а). Обычно древовидные разветвители распределяют мощность в равной степени между всеми вых полюсами. Конфигурация полюсов обо­значается как nxm, где n - число входных полюсов (для древовидного разветвителя n = 1), а m - число выходных полюсов(от 2 до 32), когда устройство работает в режиме расщепления. Разветвитель может выполнять функцию объединения сигналов.;

- звездообразный разветвитель - обычно имеет одинаковое число вх и вых по­люсов. Оптический сигнал приходит на один из n входных полюсов и в равной степени рас­пределяется между п выходными полюсами. Большее распространение получили звездооб­разные разветвители 2x2 и 4x4. Во избежании путаницы по входным и выходным полюсам, принято обозначать входные полюса латинскими буквами, а выходные полюса - цифрами, рис. 3.12 б. Звездообразные разветвители распределяют мощность в равной степени между всеми выходными полюсами;

- ответвитель - это обобщение древовидного разветвителя, когда вых мощность распределяется необязательно в равной пропорции между вых полюсами, рис.3.12 в. Конфигурации ответвителей бывают 1x2, 1x3, 1x4, 1x5, 1x6, 1x8, 1x16, 1x32. Некоторая доля (меньше 50%) выходной мощности идет на канал (каналы) ответвления, в то время как боль­шая часть остается в магистральном канале. Выходные полюса нумеруются в порядке убыва­ния мощности.

Рис. 3.12. Типы разветвителей: а) древовидный разветвитель; б) звездообразный разветвитель; в) ответвитель

Параметры, характеризующие разветвитель

Поскольку Pi - мощность оптического сигнала, приходящего на полюс i (например, на порт d);

Рij - мощность, регистрируемая на выходном полюсе j при условии поступления сигнала на входной полюс i (например, на порт 1).

Следующие три набора параметров считаются основными при описании разветвителя:

- Коэффициенты передачи или вносимые потери определяют потери мощно­сти сигнала, который приходит на один из входных полюсов и выходит с одного из выходных полюсов. Коэффициенты передачи определяются соотношением а_ins(i,j)=-10lg(P_i,j/P_i). Индексы i, j пробегают значения номеров вх и вых полюсов соответственно, напри­мер i - a, j = 1.

- Коэффициент направленности является мерой того, как хорошо разветвитель передает мощность в предназначенные выходные полюса. Он показывает интенсивность нежелательно­го обратного сигнала, возникающего на другом полюсе из входной группы полюсов, и опре­деляется как b(i,j)=10lg(P_i,j/P_i) дБ. Индексы i, j относятся к одной группе полюсов, на­пример i = 2, j = 3, или i = a, j = с.

- Потери на обратном рассеянии b(i)=10lg(P_i,i/P_i) дБ. Здесь P_i,i - регистрируемая выходная мощность на полюсе i при условии подачи сигнала на этот же полюс. Этот коэффи­циент схож с коэффициентом обратных потерь в оптических соединителях.

Коэффициенты передачи принимают положительные значения и характеризуют эффек­тивность передачи в прямом направлении. Коэффициенты направленности и потерь на об­ратном рассеянии принимают отрицательные значения и характеризуют нежелательные об­ратные сигналы. При изготовлении разветвителей стремятся достичь как можно меньших (бо­лее отрицательных) значений для коэффициентов направленности и потерь на обратном рас­сеянии.

59. Оптические мультиплексоры.

Разветвители (ответвители) сигнала играют важную роль в ВОЛС. Различают разветвители чувствительные (селективные) к длине волны и нечувствительные (неселективные). К селективным разветвителям относят оптические мультиплексоры и демультиплексоры.

Оптические мультиплексоры предназначены для объединения оптических сигналов, передаваемых на нескольких длинах волн. Специфические требования предъявляються к этим устройствам в отношении числа каналов, ширины спектра пропускания и величины перекрестной помехи между каналами.

Основными их функциональными элементами являются частотно-селективные элементы:

1) дифракционные решетки (рис. а) - представляют собой системы с большим числом профилированных штрихов, обеспечивающих концентрацию энергии, которая отражается от решетки, в направлении главного максимума. С помощью дифракционных решеток обеспечивается параллельное разделение (объединение) несущих.

2) Интерференционные фильтры (рис. б) - состоят из набора тонких диэлектрических слоев, который (в результате суперпозиции) является прозрачным для одних частот и непрозрачным — для других; посредством интерференционных фильтров выполняется последовательное объединение несущих.

3) Призма (рис. в)

4) Поглощающие фильтры (рис. г)

На рисунках (а,б,в,г): 1-градиентная цилиндрическая линза; 2-дифракционная решетка; 3-хроматический фильтр; 4-призма; 5-отражающее покрытие; 6-селективные фотодетекторы.

Параллельное разделение возможно осуществить как для малого так и для большого количества каналов (несколько десятков спектрально уплотненных несущих в одном ВС). Параллельные делители представляют собой мини спектрометры.

Последовательное разделение применяется при небольшом количестве каналов так как с увеличением их количества пропорционально увеличивается число элементов схемы (светофильтров, делительных пластин, зеркал, фокусирующих элементов) и соответственно растут потери на излучение.

60. Оптические переключатели

Оптические переключатели осуществляют механическую, то есть без оптоэлектронного преобразования, коммутацию одного или нескольких оптических сигналов, переходящих из одних волокон в другие. При этом управление процессом переключения может быть ручное, (например, при помощи тумблера), или электрическое (при помощи электрического потенциала). Последний тип переключателей более распространен.

Основная область применения - в со­ставе оборудования для тестирования и мониторинга ВОЛС, а также в составе системы, обеспечивающей повышенную надежность (как, например, оптический обходной переключа­тель в технологии FDDI). Реализации отличаются функциональными возможностями: количе­ством входных и выходных волокон-полюсов и типом волокон (многомодовое или одномодовое), возможностью неблокирующей коммутации сигналов, а также техническими характери­стиками, из которых наиболее важные: вносимые потери, обратное отражение, время сраба­тывания, влияние параметров окружающей среды, наработка на отказ. Оптические переключатели являются изотропными устрой­ствами - вносимые потери не зависят от направления распространения сигнала.

Различают несколько типов оптических переключателей:

• Переключатель 1xN - имеет один входной полюс, сигнал из которого перенаправляется в один из N выходных, рис. 3.19 а;

• Дуплексный переключатель 2xN - имеет два входных полюса, сигналы из которых могут перенаправляться в выходные полюсы с шагом 2, рис. 3.19 б;

• Блокирующий переключатель 2xN - имеет два входных полюса, но только один сигнал из двух входных можно передать в выходной полюс - оставшийся сигнал не выходит наружу, рис. 3.19 в;

• Неблокирующий переключатель 2xN - имеет два входных полюса, сигналы из которых могут перенаправляться в выходные полюсы с шагом 1, рис. 3.19 г.

Рис. 3.19. Типы оптических переключателей

Количество выходных полюсов в зависимости от модели может быть от двух до не­скольких десятков. Из-за наличия механического элемента с ростом количества полюсов время срабатывания оптического переключателя, управляемого электрическим потенциалом, возрастает и может варьирозаться в пределах от 25 мс до 500 мс.

 

61.Оптичні ізолятори.

Оптический сигнал, распространяясь по волокну, отражается от различных неоднород-ностей, в особенности от мест сухого стыка, образуемых оптическими соединителями. В ре­зультате такого отражения часть энергии возвращается обратно. Если в качестве источников излучения используются лазерные диоды, то отраженный сигнал, попадая в резонатор лазе­ра, способен индуцировано усиливаться, приводя к паразитному сигналу. Особенно это не желательно, когда источник излучения генерирует цифровой широкополосный сигнал (>100 МГц), или аналоговый широкополосный сигнал (в смешанных волоконно-коаксиальных сетях кабельного телевидения до 1 ГГц). В сложных широкополосных сетях, когда имеется множество подключений коннекторов и другие оптические устройства (разветвители, WDM устройства, оптические усилители), такая обратная связь усиливается и приводит к росту уровня шума источника излучения. Наиболее кардинальный способ подавления обратного по­тока основан на использовании оптических изоляторов. Оптический изолятор обеспечивает пропускание света в одном направлении почти без потерь, а в другом (обратном) направле­нии с большим затуханием. Оптические изоляторы сегодня являются ключевым элементом многих лазерных систем, оптических усилителей, а также используются в качестве отдельного элемента оптической линии связи.

Вращение плоскости поляризации

В основе работы оптического изолятора лежит эффект Фарадея - вращение плоскости поляризации света оптически неактивными веществами под действием продольного магнит­ного поля.

Принцип действия оптического изолятора

Оптический изолятор состоит из трех элементов: поляризатора 1 (входного поляризато­ра), ячейки Фарадея 2 и анализатора 3 (выходного поляризатора), рис. 3.17. Параметры ячей­ки Фарадея выбираются так, чтобы ось поляризации света, проходящего через нее, развора­чивалась на 45°. Под таким же углом устанавливаются оси поляризаторов.

Входной полезный сигнал, проходя через поляризатор 1, оставляет свою вертикальную составляющую без изменения, устраняя горизонтальную составляющую, рис. 3.17 а. Далее вертикально поляризованный свет проходит через ячейку Фарадея 2, разворачивает плос­кость поляризации на 45° и беспрепятственно проходит через анализатор 3.

При распространении света в обратном направлении (рис. 3.17 б) он также поляризует­ся в плоскости анализатора 3, затем, проходя через ячейку Фарадея 2, становится горизон­тально поляризованным. Таким образом, оси поляризации света и поляризатора 1 составляют угол 90°, поэтому поляризатор 1 не пропускает обратное излучение.

Основными требованиями, предъявляемыми к оптическому изолятору, являются малые вносимые потери в прямом направлении (~ 1-2 дБ) и высокая изоляция (потери при распро­странении обратного сигнала) в обратном направлении (>30 дБ). Кроме того, должны обес­печиваться прозрачность во всем диапазоне рабочих длин волн, стабильность параметров при изменении температуры. В диапазоне длин волн 1,3-1,55 мкм магнитооптическим мате­риалом, используемом в ячейке Фарадея, является . На длине волны 0,85 мкм ис­пользуется парамагнитное стекло.

Оптические изоляторы часто интегрируются в лазерный передающий модуль. Высокая эффективность такого решения связана с тем, что выходной оптический сигнал от лазерного светодиода имеет эллиптическую поляризацию. Оптический изолятор устанавливается так, чтобы плоскость поляризации анализатора 1 совпадала с плоскостью поляризации макси­мальной составляющей выходного сигнала от лазерного светодиода.

Оптические изоляторы также являются неотъемлемой частью оптических усилителей на примесном волокне. В этом случае устанавливается пара оптических изоляторов - один на входе, другой на выходе оптического усилителя. Поскольку оптические усилители, как прави­ло, осуществляют усиление мультиплексного оптического сигнала, то необходимо, чтобы оп­тические изоляторы имели высокие характеристики во всем диапазоне длин волн, представленных в оптическом сигнале. Для этой цели используются специальные широкозонные опти­ческие изоляторы.

 

62.Підсилювачі трактів ВОЛЗ (Оптические усилители ВОЛЗ)

ОУ ставятся между передатчиком и приемником и служат либо для полного востановления сигнала, либо для его усиления. Обеспечивают внутреннее усиление оптического сигнала без его преоб­разования в электрическую форму. Они используют принцип индуцированного излучения, аналогично лазерам. Существует пять типов оптических усилителей.

Типы и области применения оптических усилителей

№	Типы усилителей	Область применения
	Усилитель с полостью Фабри-Перо	Усиление одного канала (одной длины волны)
	Усилители на волокне, использующие бриллюэновское рассеяние	Усиление одного канала
	Усилители на волокне, использующие рамановское рассеяние	Усиление нескольких каналов одновременно
	Полупроводниковые лазерные усилители	Усиление большого числа каналов в широкой области длин волн одновременно
	Усилители на примесном волокне	Усиление большого числа каналов в широкой области длин волн одновременно

1. Усилители Фабри-Перо оснащаются плоским резонатором с зеркаль­ными полу-прозрачными стенками. Они обеспечивают высокий коэффициент усиления (до 25 дБ) в очень узком (1,5 ГГц), но широко перестраиваемом (800 ГГц) спектральном диапазоне. Они 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 демультиплексоров, поскольку они могут всегда быть перестроены для усиления только 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, f2 переходит в энергию но­вой волны на смещенной частоте f2. Если мощная накачка производится на частоте fj, 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 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 с согласованным показателем преломления. ППЛУ не получили столь широкого распространения, как усилители на примесном волокне.

5. Усилители на примесном волокне EDFA. 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. Усилители на волокне, легированном эрбием EDFA (Erbium-Doped Fiber Amplifier) за последние несколько лет произвели революцию в телекоммуникационной промышленности. Они обеспечивают непосредственное усиление оптических сигналов, без их преобразования в электрические сигналы и обратно, обладают низким уровнем шумов, а их рабочий диапазон длин волн практически точно соответствует окну прозрачности кварцевого оптического волокна. Именно благодаря появлению усилителей с таким сочетанием качеств линии связи и сети на основе систем DWDM стали экономически привлекательными.

Эти устройства обеспечивают внутреннее усиление оптического сигнала без его преоб­разования в электрическую форму.

1. Усилители Фабри-Перо. Усилители оснащаются плоским резонатором с зеркаль­ными полупрозрачными стенками. Они обеспечивают высокий коэффициент усиления (до 25 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 демультиплексоров, 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, f2 переходит в энергию но­вой волны на смещенной частоте f2.

Если мощная накачка производится на частоте fj, 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 с согласованным показателем преломления,.

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.

Второй недостаток имеет более тонкую природу. Дело в том, что выход (коэффициент усиления) ППЛУ зависит от направления поляризации и может отличаться на 4-8 дБ 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. 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 светоизлучающего лазерного диода, не­посредственно на выходе которого устанавливается ППЛУ.

 

63.Конвертори трактів ВОЛЗ.

Оптические конвертеры обеспечивают преобразование электрического сигнала из витой пары и тонкого коаксиального кабеля в оптический сигнал, идущий по многомодовому или одномодовому волокну. Конвертер, в отличие от трансивера, должен иметь свой отдельный блок питания. Конвертеры могут выпускаются как в виде отдельной небольшой коробочки с внешним блоком питания, так и в виде шасси 19", которое может наполняться разнообразными конвертерными модулями. Исполнение в виде шасси особенно удобно при обустройстве центральных оптических узлов сетей с топологией звезды. Разнообразные модули позволяют подключаться как по многомодовому, так и по одномодовому волокну, как по Ethernet, так и по Fast Ethernet, Для повышения надежности, шасси некоторых производителей могут иметь резервирование по питанию.

Конвертеры 10Base-T/10Base-FL сразу преобразовывают манчестерский электрический код на входе в манчестерский оптический сигнал на выходе и наоборот, внося минимальную задержку (1-3 бита). Большинство конвертеров могут поддерживать как полудуплексную, так и дуплексную связь, причем в первом случае в устройство внедряется специальный узел обнаружения коллизий. Но фактически, даже при наличии коллизий, канал связи остается дуплексным, а работа устройства не выходит за пределы уровня MDI.

Особенностью оптических конвертеров Ethernet BNC (10Base2/10Base-FL), которые подключаются к коаксиальному сегменту обычно вместо терминатора, является ретрансляция сигнала коллизии в коаксиальный сегмент. Сигнал коллизии генерируется и передается в коаксиальный сегмент всякий раз, когда на конвертер приходят одновременно данные из коаксиального и волоконно-оптического сегментов, или приходит сигнал коллизии по коаксиальному сегменту. В последнем случае говорят, что сигнал коллизии отражается конвертером обратно в коаксиальный сегмент. Фактор отражения приводит к эффективному увеличению длины сегмента в два раза и запрещает установку на обе стороны коаксиального сегмента рассматриваемых конвертеров - с одной стороны обязательно должен быть стандартный терминатор 50 Ом.

64. Усилители EDFA.

Толчок к бурному развитию DWDM сетей дало появление недорогих и эффективных волоконных эрбиевых усилителей (EDFA), работающих в промежутке от 1525 до 1565 нм (третье окно прозрачности кварцевого волокна). 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. Усилители на волокне, легированном эрбием EDFA (Erbium-Doped Fiber Amplifier) за последние несколько лет произвели революцию в телекоммуникационной промышленности. Они обеспечивают непосредственное усиление оптических сигналов, без их преобразования в электрические сигналы и обратно, обладают низким уровнем шумов, а их рабочий диапазон длин волн практически точно соответствует окну прозрачности кварцевого оптического волокна (рис. 2.20). Именно благодаря появлению усилителей с таким сочетанием качеств линии связи и сети на основе систем DWDM стали экономически привлекательными.

Рис. 2.20 Зависимость коэффициента усиления EDFA от длины волны

 

Усилитель EDFA состоит из отрезка волокна, легированного эрбием. В таком волокне сигналы определенных длин волн могут усиливаться за счет энергии внешнего излучения накачки. В простейших конструкциях EDFA усиление происходит в достаточно узком диапазоне длин волн – примерно от 1525 нм до 1565 нм. В эти 40 нм умещается несколько десятков каналов DWDM.

 

Усилители EDFA полностью "прозрачны" – не зависят от используемых протоколов, форматов, скорости передачи и (в пределах указанных выше ограничений) длины волны оптического сигнала. При использовании усилителей EDFA требуется тщательно учитывать их неоднородное спектральное усиление и шум, вносимый ими за счет усиленной спонтанной эмиссии. В силу особенностей конструкции усилители EDFA вносят определенный шум в усили­ваемый сигнал, приводя к уменьшению соотношения сигнал/шум и ограничивая число каска­дов и расстояние между двумя электронными регенераторами. Этот недостаток не помешал дальнейшему стремительному развитию технологии и серийно­го производства усилителей EDFA.

Сети с усилителями EDFA имеют многочисленные преимущества. Пропускную способность таких сетей можно наращивать экономично и постепенно, добавляя новые каналы по мере роста потребности. Применение усилителей EDFA позволяет создавать полностью оптические сети, в которых обработка сигнала электронными компонентами происходит только в начальной (где информация впервые попадает в сеть) и конечной (где информация достигает конечного получателя) точках сети.

Разработка различных схем мощной накачки позволила создать усилители EDFA с расширенным рабочим диапазоном от 1570 нм до 1605 нм (L-диапазон). Такие усилители также называют длинноволновыми усилителями LWEDFA (Long Wavelength EDFA).

Две разновидности усилителей EDFA с примесным волокном преобладают в коммерче­ских реализациях сегодня: на кремниевой основе, и на фтор-цирконатной основе. При очень схожем внутреннем строении эти усилители отличаются только заготовочным волокном. Оба типа усилителей способны работать во всем диапазоне выхода оптического из­лучения эрбия от 1530 нм до 1560 нм. Однако оптические усилители на кремниевой основе не имеют столь ровной передаточной кривой коэффициента усиления, как усилители на фтор-цирконатной основе.

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 (6) - 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.

Особенности работы усилителя 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 кремниевое волокно, легированное эрбием. Такие усилители получили на­звание EDFA. Межатомное взаимодействие является причиной очень важного положи­тельного фактора - уширения уровней, что, в конечном итоге, обеспечивает усилителю широ­кую зону усиления сигнала [16]. В EDFA наиболее широкая зона усиления от 1530 до 1560 нм, соответствующая переходу , достигается при оптимальной длине волны лазера накачки 980 нм.

 

Рис. 4.16. Энергетическая диаграмма уровней атомной системы усилителя на примесном волокне

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. 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 = 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

 

 

 

65. Параметры EDFA

Толчок к бурному развитию DWDM сетей дало появление недорогих и эффективных волоконных эрбиевых усилителей (EDFA), работающих в промежутке от 1525 до 1565 нм (третье окно прозрачности кварцевого волокна).

Ключевые параметры, характеризующие EDFA:

- мощность насыще­ния:определяет макс вы­ходную мощность усилителя. Большее значение мощности позволяет увеличивать расстояние безретрансляционного участка. Этот параметр варьируется в зависимости от модели оптиче­ского усилителя. У мощных EDFA он может превосходить 36 дБм (4 Вт).