Эрбиевый волоконный усилитель (EDFA – Erbium doped fiber amplifier)

Преимущества эрбиевых волоконных усилителей

• эффективная накачка;

• минимальная зависимость от поляризации; • высокая выходная мощность;

• низкий уровень шума;

• минимальные вносимые искажения и перекрестные помехи.

Недостатки эрбиевых волоконных усилителей

• работают только в C- и L-областях; • менее эффективны, чем рамановские усилители, при большой мощности накачки (при использовании большого числа каналов).

Лазер накачки. Источником накачки обычно служит лазер, излучающий на длине волны 980 или 1480 нм (рис. 3.16).

Волокно, легированное эрбием. Одномодовое волокно, легированное ионами эрбия, служит активной средой, преобразующей излучение накачки в излучение на частоте сигнальной волны (см. рис. 9).

 

Рис. 3.16. Схема волоконного эрбиевого усилителя

Селективный волновой соединитель (coupler). Вводит излучение лазера накачки с длиной волны 980 или 1480 нм в активное волокно, при этом вносит минимальное затухание сигнала (см. рис. 3.16).

Изолятор. Пропускает излучение, распространяющееся в прямом направлении и препятствует распространению света во встречном направлении. В частности, выходной изолятор препятствует попаданию в усилитель излучения, отраженного от внешних элементов линии связи.

Рамановский оптический усилитель (рис. 3.17). Рамановские усилители построены на эффекте вынужденного комбинационного рассеяния (ВКР), при котором мощность накачки преобразуется в излучение на частоте сигнальной волны.

 

Рис. 3.17. Схемы рамановских усилителей (а – дискретного, б – распределенного)

Преимущества рамановских усилителей

• Широкий спектр усиления, позволяющий применять рамановские усилители в C-, L- и S-областях.

• Рамановское усиление можно получить в стандартных волокнах.

• Большая, чем у EDFA, эффективность при больших мощностях накачки (возможность применения при большем числе каналов).

Недостатки рамановских усилителей

• Меньшая, чем у EDFA, эффективность при меньших мощностях накачки (неудобство применения при небольшом числе каналов).

П/п оптический усилитель (SOA). Как и в п/п лазере, в SOA накачка активной среды создается инжекцией носителей заряда в рабочую область. Для предотвращения возникновения паразитной генерации на торцы активного элемента наносят антиотражающие покрытия.

Преимущества полупроводниковых усилителей

• Усилитель представляет собой маленькое полупроводниковое устройство, что позволяет интегрировать его в другие элементы и делает возможным его массовое производство.

• Широкий спектр усиления.

Недостатки полупроводниковых усилителей

• большой уровень шума по сравнению с эрбиевыми или рамановскими усилителями;

• низкая выходная мощность;

• большие перекрестные помехи между каналами;

• чувствительность к поляризации входящего света;

• большие вносимые потери;

• трудности соединения SOA с передающим волокном.

Методы стабилизации коэффициента усиления оптических усилителей. В сетях DWDM необходимо обеспечить постоянство коэффициента усиления. Поскольку отключение/подключение каналов приводит к изменению суммарной усиливаемой мощности, то в отсутствии стабилизации происходит изменение значения коэффициента усиления оптического усилителя в результате насыщения. Изменение усиления, а следовательно, и мощности рабочих каналов приводит к увеличению количества ошибок (BER), а может привести и к выходу системы из строя. Проведем анализ методов стабилизации коэффициента усиления EDFA.

Методы стабилизации коэффициента усиления. Коэффициент усиления EDFA пропорционален величине инверсной населенности активного элемента, который в свою очередь определяется балансом между действием накачки и спонтанных и вынужденных переходов. Т.к. управлять спонтанными переходами нельзя, могут быть реализованы две возможности стабилизации уровня инверсной населенности: путем управления накачкой или насыщением. В первом случае используются электрические методы стабилизации, во втором – оптические. Возможно также совмещение электрических и оптических методов стабилизации.

Электрические методы стабилизации коэффициента усиления. Заключаются в корректировке мощности лазера накачки для обеспечения постоянства коэффициента усиления. Корректировка может быть: упреждающей, с использованием цепи ОС, а также их комбинацией.

Упреждающая коррекция накачки. Принцип действия упреждающей коррекции накачки поясняет рис. 3.18а. Разветвитель отводит часть мощности входного сигнала на фотодетектор, который выполняет его оптоэлектронное преобразование. Усиленный электрический сигнал, пропорциональный мощности входного оптического сигнала, используется для управления мощностью лазера накачки. В первом приближении необходимое для обеспечения постоянства коэффициента усиления изменение мощности накачки происходит пропорционально изменению мощности усиливаемого оптического излучения.

Коррекция накачки с использованием цепи обратной связи. Принцип действия коррекции накачки цепью обратной связи поясняет рис. 3.18б. Два разветвителя отводят часть мощности входного и выходного сигнала на фотодетекторы, выполняющие их оптоэлектронное преобразование, затем эти сигналы подаются на специальную электрическую схему, она сравнивает реальное значение коэффициента усиления, определяемое по отношению мощностей входного и выходного сигналов, с требуемым коэффициентом усиления и соответствующим образом корректирует мощность лазера накачки. Комбинация упреждающей коррекции накачки и коррекции накачки цепью обратной связи. Для повышения эффективности стабилизации коэффициента усиления может быть использована комбинация рассмотренных методов (рис. 3.10в).

 

Рис. 3.10 Принципы стабилизации коэффициента усиления эрбиевых оптических усилителей: а) упреждающая коррекция накачки; б) коррекция накачки цепью обратной связи; в) комбинация упреждающей коррекции накачки и коррекции накачки с цепью обратной связи; г) оптическая обратная связь (кольцевой резонатор); д) оптическая обратная связь (линейный резонатор); е) совмещенная оптоэлектронная стабилизация

 

Оптическая стабилизация коэффициента усиления. Принцип: усиливающая область помещается в резонатор лазера, генерирующего на нерабочей длине волны. Свойство лазера: коэффициент усиления в нем в режиме генерации в точности равен потерям в резонаторе. Если на активный элемент лазера одновременно подать внешнее излучение на негенерирующей длине волны, то выходная мощность лазера изменится, а коэффициент усиления останется прежним. Лазерное излучение оказывается некоторым балластным излучением, обеспечивающим постоянство коэффициента усиления. Уменьшение общей мощности входящего оптического сигнала автоматически компенсируется увеличением лазерной мощности и наоборот. Оптическая ОС может быть осуществлена двумя путями: с помощью кольцевого резонатора и с помощью линейного резонатора. Кольцевой резонатор (рис. 3.18г) Кольцевой резонатор для создания оптической ОС состоит из отрезка стандартного ОВ, соединяющего выходную часть секции EDFA с входной, и узкополосного фильтра, задающего длину волны лазерного излучения. Линейный резонатор (рис. 3.18д) Линейный резонатор для создания оптической ОС состоит из двух распределенных дифракционных отражателей, расположенных на входе и выходе EDFA. Максимумы коэффициентов отражения решеток задают длину волны лазерного излучения. Коэффициенты отражения на длинах волн сигнала и накачки должны быть равны нулю.

Комбинация оптических и электрических методов стабилизации коэффициента усиления. Совмещение оптических и электрических методов стабилизации коэффициента усиления, с одной стороны, может привести к улучшению характеристик усилителя, с другой – к чрезмерному усложнению схемы стабилизации. Поэтому целесообразность такого совмещения должна быть определена в каждом конкретном случае.

Эффективность стабилизации можно охарактеризовать следующими параметрами: Время стабилизации коэффициента усиления – это время восстановления заданного значения коэффициента усиления. Максимальное отклонение коэффициента усиления – это максимальное его отклонение от заданного значения. Смещение коэффициента усиления – это установившееся по прошествии времени стабилизации его отклонение от заданного значения. Эффективность стабилизации тем выше, чем меньше численные значения трех приведенных параметров.

Сравнительный анализ различных схем стабилизации. Для сравнительного анализа представленных схем были использованы модифицированные уравнения эрбиевого оптического усилителя. На основе этих уравнений численным методом была промоделирована работа усилителя при отключении/подключении некоторой части спектральных каналов. Результаты моделирования для всех описанных схем стабилизации представлены в таблице 3.11.

Таблица 3.11 Параметры стабилизации для рассмотренных методов G=18 дБ, Pin/channel = –10 дБ, что соответствует отключению 15 из 16 каналов

Методика расчета протяженности регенрационной секции ВОСП с WDM . Расчет предельной протяженности регенерационной секции принято производить исходя из ограничения допустимой величины коэффициента ошибок ВОСП.

 

Рис. 3.19. Регенерационная секция ВОСП с ОУ

Расчет коэффициента ошибок. Предлагается следующая формула для расчета коэффициента ошибок, учитывающая затухание сигнала и его искажения:  где K_Σош. – суммарный коэффициент ошибок; Kош. потери – коэффициент ошибок, определяемый влиянием потерь на распространение сигнала; K_ОШДФМ – коэффициент ошибок, определяемый влиянием дисперсии и эффектами фазовой модуляции (ФМ).

Выражение  справедливо при допущении, что механизмы снижения помехоустойчивости из-за потерь, а также дисперсии и эффектов ФМ являются совместными событиями, т.е. одновременно влияют на распространение оптического сигнала и независимо формируют суммарный коэффициент ошибок.

В работе используется выражение, которое устанавливает зависимость между значением коэффициента ошибок и требуемым отношением сигнал/шум:  (2). Кроме того, в статье показано, что при расчете степени воздействия межсимвольной помехи на практике достаточно обеспечить значение коэффициента ошибок в 8 раз ниже, чем требование к качеству передаваемого сигнала.

Это снижает требование к отношению сигнал/шум и объясняет вид второго слагаемого в выражении для определения суммарного коэффициента ошибок:

 

 (3),

 

где K_Спотери – отношение сигнал/шум, связанное с влиянием потерь на распространение сигнала (критерий оценки по потерям); Kс_ДФМ – отношение сигнал/шум, связанное с влиянием дисперсии и эффектов фазовой модуляции на распространение сигнала (критерий оценки по скорости).

Отношение сигнал/шум Kс_ДФМ, связанное с влиянием потерь, определяется как отношение сигнал/шум на выходе оптического тракта при условии отсутствия влияния дисперсии и эффектов фазовой модуляции на распространение сигнала. Соответственно отношение сигнал/шум Kс_ДФМ , связанное с влиянием дисперсии и эффектов фазовой модуляции, рассчи тывается в предположении отсутствия влияния потерь на распространение сигнала. Таким образом, для расчета указанных величин следует рассмотреть предельные случаи.

В формуле (3) для расчета коэффициентов ошибок, связанных с влиянием как потерь, так и дисперсии и эффектов фазовой модуляции, в силу предположения об их независимом влиянии на формирование суммарного коэффициента ошибок использовано выражение (2).

Расчет отношений сигнал/шум. Теперь определим вид выражений для оценки Kс потери и Kс_ДФМ. При этом следует учесть, что в формуле (2) отношение сигнал/шум должно быть безразмерным, тогда как в выражениях, приведенных ниже, они задаются в децибелах (kс потери и kс ДФМ соответственно). Взаимосвязь между ними записывается в виде: . Отношение сигнал/шум, связанное с влиянием потерь на распространение сигнала, выраженное в децибелах, может быть определено следующим образом:

 

(4),

 

(при этом OSNR, используемое в, в настоящей работе обозначено как k_Спотери). В формуле (4) мощность оптического сигнала на входе каждого канала ВОСП-СР (компонентного сигнала) определяется как где Pагр – мощность агрегатного оптического сигнала на входе ВОСП-СР; M – количество оптических каналов в тракте ВОСП-СР; h – постоянная Планка; c/λ определяет значение частоты оптической несущей; c = 3*10⁸ м/с – скорость света в вакууме; λ – длина волны оптической несущей сигнала; Δfсигн – ширина спектра цифрового сигнала, модулирующего оптическую несущую в частотной области; α_Σ – суммарные потери на ЭКУ; NF – фактор шума оптического усилителя; G_M – коэффициент усиления бустера (усилителя мощности) на входе ВОСП-СР. Количество линейных усилителей на участке регенерации равно k–1.

Однако выражение (4) не учитывает дополнительные потери оптической мощности из-за дисперсии и эффектов ФМ, а также запас, связанный с временным ухудшением характеристик ОВ. С учетом вышесказанного, а также принимая, что (6) где B – скорость передачи цифрового сигнала и f определяет формат сигнала (f = 1 для сигнала без возврата к нулю (NRZ)), выражение (4) приобретает вид:

 

где α_ДФМ – дополнительные потери оптической мощности из-за дисперсии и эффектов ФМ, αдоп. – дополнительный запас, связанный с временным ухудшением характеристик ОВ.

SNR, связанное с влиянием дисперсиии эффектов ФМ на распространение сигнала, можно определить как  (8) где P_Σпомехи – суммарная мощность межсимвольной помехи, возникающей в результате уширения импульса.

Выражение (7) можно пояснить следующим образом. Величина межсимвольной помехи определяет математическое ожидание для комплексного влияния различных шумовых составляющих, которые имеют случайное распределение, т.е. суммарный эффект может быть представлен в виде гауссова распределения с математическим ожиданием, равным величине межсимвольной помехи. Таким образом, справедливо утверждение о том, что SNR может быть определено как отношение величины сигнала к мощности межсимвольной помехи. При этом суммарная мощность межсимвольной помехи, выраженная в ваттах, может быть рассчитана следующим образом:

 

(9)

 

где T – длительность импульса оптического сигнала, τвых_0,5. – длительность импульса по уровню 0,5 на выходе оптического тракта.

Окончательное выражение для определения суммарной мощности помехи, выраженной в дБм, может быть представлено в виде

 

(10)

Суммарные энергетические потери на элементарном кабельном участке (ЭКУ) учитывают влияние основных причин снижения мощности исходного оптического излучения и определяются выражением

 

 

где αсред – среднее километрическое затухание оптического волокна, αрс – затухание разъемного соединения, αнс – затухание неразъемного соединения, l_ЭКУ – протяженность элементарного кабельного участка (ЭКУ), lстр – средняя строительная длина волоконно-оптического кабеля.

На рис. 3.20 представлены графические зависимости предельной протяженности регенерационной секции в зависимости от требования к BER, которые были построены для ВОСП со следующими параметрами: λ=1,55мкм – длина волны оптической несущей сигнала; Δλизл.=0,1нм – ширина спектральной линии источника излучения; NF = 6,8 дБ – шум-фактор оптического усилителя; k=1 – количество ЭКУ на участке регенерации; αдоп=3дБ – дополнительный запас, связанный с временным ухудшением характеристик ОВ; αов=0,25дБ/км – километрическое затухание оптического волокна; αрс=0,3дБ – затухание разъемного соединения; αнс=0,1дБ – затухание неразъемного соединения; lстр – средняя строительная длина волоконнооптического кабеля; αxp_λ=17пс/(км*нм) – коэффициент хроматической дисперсии для волокна G.652 на длине волны λ; k_ПМД=0,08пс/км1/2 – коэффициент поляризационно-модовой дисперсии; С = 0 – коэффициент линейной фазовой модуляции; Wэфф.=80мкм² – эффективная площадь моды.

 

Рис. 3.20. Предельная протяженность регенерационной секции

 

Расчет проводился в предположении, что все усилители имеют одинаковые параметры, включая фактор шума NF. Из рис. 3.20 видно, что коэффициент ошибок K_Σош на расстоянии около 170км начинает резко расти – из-за ограничения предельной протяженности регенерационной секции по критерию энергетических потерь, т.е. на этом расстоянии K_Спотери начинает вносить существенный вклад в суммарный BER. При этом на рис. 3.20 приведены также две кривые для случая, когда влияние потерь на распространение сигнала считается пренебрежимо малым.

Эти кривые продолжают расти плавно. Это характерно для современных высокоскоростных ВОСП со скоростями передачи 2,5 и 10 Гбит/с. Предложенный подход позволяет независимо оценивать возможности проектируемых ВОСП-СР и рассчитывать степень влияния основных факторов, действующих на распространение оптического сигнала. Для протяженных ВОЛС, где нет необходимости организовывать регенерационные пункты в промежуточных узлах, протяженность всех ЭКУ, как правило, одинакова.

Рамановские усилители в качестве ретранслятора. Рамановский усилитель предназначен для увеличения протяженности ВОЛС без промежуточного усиления и регенерации сигнала. Включает в себя волоконный лазер накачки, определяющий рабочий спектральный диапазон устройства, и схему управления, посредством которой осуществляется изменение и контроль значения коэффициента усиления.

Взаимодействие сигнала и накачки осуществляется при помощи их объединения через мультиплексор, и сам процесс усиления происходит непосредственно в линии связи.

"Рамановское усиление" возникает тогда, когда фотоны накачки высокой энергии рассеивают колебательные моды матричной решетки материала и когерентно добавляют их к сигнальным фотонам низкой энергии. При практической реализации этот процесс носит название передача с помощью эффекта Романа (D-RAT); свет накачки вводится в волоконный линейный усилитель со стороны, противоположной вводу сигнала. В этой конфигурации рамановский усилитель работает как МШУ предусилитель. Основное преимущество низкоуровневого рамановского усиления в том, что он не вносит дополнительных нелинейностей в волокно (рис. 3.21)

 

Рис. 3.21. Блок-схема распределенного рамановского усилителя

Сигналы двух ортогонально поляризованных диодов лазерной накачки мультиплексируются по признаку поляризации (П-мультиплексирование) и объединяются в WDM для создания противонаправленной накачки в передающем волокне. В результате распространяющийся в прямом направлении сигнал получает рамановское усиление в волокне. Использование противонаправленной накачки уменьшает влияние шума накачки на сигнал.

Выходная характеристика распределенного рамановского усилителя зависит от свойств передающего волокна, таких как поглощение сигнала накачки, эффективная площадь и рамановский коэффициент усиления.

Неравномерность усиления является одним из важных параметров для ВОУ, в частности тогда, когда используются системы WDM/DWDM. В случае рамановского усилителя, усиление для конкретного сигнала зависит от разности частот сигнала и накачки. На рис. 3.22 показано малосигнальное рамановское усиление в волокне большой длины. Произведение коэффициента усиления на ширину полосы более 20 ТГц, с пиком усиления в районе 13,2 ТГц. Различные сигналы получают различное усиление, зависящее от разности их частоты и частоты накачки.

 

Рис. 3.22. Спектр рамановского усиления в волокне большой длины с накачкой 1443 нм при уровнях мощности накачки 100 и 200 мВт. На рисунке указан С диапазон длиной 30 нм (1530-1560 нм), см.

 

Любой из диапазонов длин волн будет иметь некоторое колебание уровня усиления. Для уровня накачки 200 мВт, показанного на рис. 3.22, получается максимальное усиление 7,78 дБ с колебаниями уровня в 3,5 дБ. Фактическое колебание уровня усиления, определяемое как (колебание усиления в дБ)/(максимальное усиление в дБ) = 3,5/7,78 = 0,45 в полосе С, показанной на рис. 3.22.

При проектировании ВОСП оптоволоконный пролет переносит сформированный сигнал WDM; комбинация распределенного рамановского усилителя и усилителя EDFA в тандемном соединении (рис. 3.23) дает прекрасные результаты и позволяет уменьшить нарастание ASE.

На рис. 3.23 показан оптический спектр системы DWDM с 32 длинами волн, где отмечено отношение сигнал/шум (OSNR) для волокна длиной 125км для двух случаев: 1) гибридный предусилитель с каскадом рамановского усиления + EDFA, 2) используется только EDFA. Из рисунка видно, что гибридная схема дает на 4,2 дБ большее отношение сигнал/шум.

 

Рис. 3.23.. усиливаются либо гибридным предусилителем с каскадом рамановского усиления и EDFA, либо только EDFA.4,2

 

Судя по этому рисунку 3.24. несомненное преимущество при использовании в системах DWDM у Рамановские усилителей по сравнение с EDFA.

 

Рис. 3.24. Полосы пропускания EDFA и Raman усилителей