Оптические усилители в волоконно-оптических линиях связи

Усилители для окна прозрачности 1550 нм

Таким усилителем является оптический усилитель на ОВ, легированном эрбием ОУЛЭ (EDFА). Этот тип усилителя использует кварцевое стекло в качестве материала  для легирования эрбием. Ионы эрбия  имеют пики поглощения в районе длин волн 532,660,808, 980 и 1480 нм. Из этого следует, что источником накачки могут служить известные типы лазеров с длинами волн 797/800, 980 и 1480 нм. Из них лазеры на 800 и 980 нм соответствуют трехуровневой модели взаимодействия, а на 1480 нм - двухуровневой модели, причем более эффективно использовать лазер на 980 нм. Эти лазеры используются достаточно широко, учитывая их возможность (благодаря трехуровневой модели взаимодействия) реализовать очень низкий уровень шумов (порядка 3-5 дБ). Однако лазеры на 1480 нм, хотя и являются менее эффективными (70% от эффективности лазеров на 980 нм), считаются более предпочтительными (как более надежные), позволяющими вместе с тем реализовать достаточно низкий уровень шума (порядка 5 дБ).

При использовании иттербия в качестве дополнительного легирующего элемента для ЕDFА можно воспользоваться лазерными диодами накачки, работающими на длине волны 1053 нм (так называемые DPSS-лазеры). Их использование позволяет получить более мощный источник накачки, что повышает усиление или увеличивает срок службы при меньших фактически используемых мощностях.

Технические параметры EDFA

Ниже определяются ключевые параметры, характеризующие EDFA:

• мощность насыщения
• коэффициент усиления
• мощность усиленного спонтанного излучения
• шум-фактор

Мощность насыщения (saturation output power)

- определяет максимальную 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).

Коэффициент усиления G (gain)

Коэффициент усиления определяется из соотношения:

где и - мощности (полезных) сигналов на входе и выходе усилителя, а логарифмический эквивалент определяется по формуле (дБ). Величина коэффициента усиления зависит от входной мощности и стремиться к своему максимальному пределу по мере уменьшения мощности входного сигнала.

Мощность усиленного спонтанного излучения ASE (amplified spontaneous emission)

В отсутствии входного сигнала EDFA является источником спонтанного излучения фотонов. Спектр излучения зависит от формы энергетической зоны атомов эрбия и от статистического распределения заселенностей уровней зоны. Спонтанно образованные фотоны, распространяясь по волокну в активной зоне усилителя EDFA, тиражируются, в результате чего создаются вторичные фотоны на той же длине волны, с той же фазой, поляризацией и направлением распространения. Результирующий спектр спонтанных фотонов называется усиленным спонтанным излучением. Его мощность нормируется в расчете на 1 Гц и имеет размерность Вт/Гц.

Если на вход усилителя подается сигнал, от лазера, то определенная доля энергетических переходов, ранее работавшая на усиленное спонтанное излучение, начинает происходить под действием  сигнала от лазера, усиливая входной сигнал. Таким образом происходит не только усиление полезного входного сигнала, но и ослабление ASE.

При подаче на вход мультиплексного  сигнала происходит дальнейший отток  мощности от ASE в пользу усиливаемых  мультиплексных каналов. Обычно усилители работают в режиме насыщения по отношению к сигналу на выходе. Это создает естественное выравнивание уровней сигналов в каналах, что крайне желательно особенно для протяженных линиях с большим числом последовательных усилителей.

Если лазер, предшествующий усилителю, генерирует излучение в спектральном окне ( , где - скорость света), и соответственно в этом же окне пропускает сигнал фильтр в приемном оптоэлектронном модуле, то вклад в мощность шума на выходе благодаря усиленному спонтанному излучению будет равен .Таким образом, оптические линии с каскадом EDFA проявляют себя лучше, когда мультиплексный сигнал представлен более узкими в спектральном отношении отдельными каналами. Использование узкополосных фильтров непосредственно перед приемным оптоэлектронным модулем, настроенных на рабочую длину волны, также помогает уменьшить уровень шума от усиленного спонтанного излучения.

Рис. 7. Выходной спектр EDFA, снятый спектральным анализатором (ASE - спектральная плотность шума)

Большие собственные временные  постоянные EDFA - постоянная времени перехода в метастабильное состояние ~1 мкс, время жизни метастабильного состояния ~10 мкс - устраняют кросс-модуляцию ASE в усилителе и делает более стабильной работу каскада оптических усилителей. Мощность усиленного спонтанного излучения связана к коэффициентом усиления формулой:

где

• - постоянная планка, равная 6,6252 x 10^-34 Вт*с² ,
• - частота (Гц), соответствующая длине волны из диапазона 1530-1560 нм ( , - скорость света, равная 2.9979 x 10⁸ м/с ),
• - коэффициент спонтанной эмиссии,
• - квантовая эффективность. В идеальном случае при отнесенная ко входу мощность усиленного спонтанного излучения идеального квантового усилителя просто равна , что при = 1550 нм составляет 1.28 x 10^-19 Вт/Гц в расчете на спектральную полосу 1 Гц.

Размеру окна анализатора в 0,8 нм соответствует спектральное окно в 100 ГГц, что определяет приведенную к входу величину эффективной мощности усиленного спонтанного излучения 1.28 x 10^-8 Вт или -48,9 дБм).

Шум-фактор NF (noise figure)

Шум-фактор определяется как отношение сигнал/шум на входе ( ) к отношению сигнал/шум на выходе ( ):

Важно отметить, что мощность шума на входе является квантово-ограниченной минимальной величиной и определяется нулевыми флуктуациями вакуума  .Мощность шума на выходе состоит из суммы мощности усиленного спонтанного излучения и мощности шума нулевых флуктуаций вакуума, которые проходят через усилитель без изменения: .Если учесть, что , то шум-фактор можно выразить через коэффициент усиления и мощность усиленного спонтанного излучения:

, (4)

Часто при описании EDFA значение шум-фактора  указывается в дБ: . Минимальный шум-фактор равен 1 (0 дБ) и достигается при или при . Это означает, что усилитель вносит минимальный шум, равный шуму идеального оптического усилителя. На практике сразу на 3 дБ ( ) необходимо увеличить , так как существует два направления поляризации (две моды), в связи с чем , а типичные значения составляют 5,5 дБ.

Чем ближе к 1 значение шум-фактора, тем меньше дополнительный шум вносит усилитель. В тоже время при использовании каскада из нескольких усилителей полный шум-фактор возрастает. Найдем полный шум-фактор двух усилителей, характеризующихся соответственно усилением и и шум-факторами и . Шум на выходе после двух каскадов записывается в виде

где учтен квантовый шум вакуума, который возникает только на выходе цепочки усилителей, а сигнал на выходе

откуда полный шум-фактор равен

.

Как и в случае радиочастотных усилителей, лучший способ получения устройства с низкошумящими характеристиками состоит в использовании низкошумящего усилителя с большим усилением в качестве первого каскада и шумящего усилителя высокой мощности в качестве второго каскада. Первый каскад определяет также шумовую характеристику многокаскадного усилителя.

Экспериментальное измерение шум-фактора  основывается на использовании формулы (4), где  и рассчитываются экспериментально. На рис. 8 показана схема экспериментальной установки.

Рис. 8 Схема экспериментального измерения коэффициента шума EDFA

Практическое значение имеет мощность усиленного спонтанного излучения, когда на вход EFDA подается полезный сигнал. По этому, измерять ASE следует  именно при наличии такого сигнала. Анализатором измеряется мощность в окне (например, 100 МГц, 50 МГц или меньше) и приводится к 1 Гц. Поскольку выходной сигнал - линейно поляризован (поляризация его совпадает с поляризацией сигнала на входе от лазера), то поляризатор может полностью устранить эту компоненту полезного сигнал, пропуская шум только с нормальной поляризацией, которая измеряется экспериментально (первое измерение). Шум в отличии от полезного сигнала - не поляризован, т. е. . Полный шум учитывает вклады от двух нормальных поляризаций. Полезный сигнал вычисляется по формуле . Измерение - полного выходного сигнала - происходит, когда ось поляризатора совпадает с направлением линейной поляризации полезного сигнала (второе измерение). Затем при помощи анализатора непосредственно измеряется мощность сигнала на входе , то есть сигнал в отсутствии усилителя (третье измерение). Теперь можно определить коэффициент усиления .

Классификация EDFA по способам применения

В зависимости от применения различают:

• предварительные усилители
• линейные усилители
• усилители мощности

Предварительные усилители (предусилители) устанавливаются непосредственно перед приемником регенератора и способствуют увеличению отношения сигнал/шум на выходе электронного каскада усиления в оптоэлектронном приемнике. Оптические предусилители часто используются в качестве замены сложных и обычно дорогих когерентных оптических приемников.

Линейные усилители устанавливаются в промежуточных точках протяженных линий связи между регенераторами или на выходе оптических разветвителей с целью компенсации ослабления сигнала, которое происходит из-за затухания в оптическом волокне или из-за разветвления в оптических разветвителях, ответвителях, мультиплексорах WDM. Линейные усилители заменяют оптоэлектронные повторители и регенераторы в тех случаях, когда нет необходимости в точном восстановлении сигнала.

Усилители мощности (бустеры) устанавливаются непосредственно после лазерных передатчиков и предназначены для дополнительного усиления сигнала до уровня, который не может быть достигнут на основ лазерного диода. Бустеры могут также устанавливаться перед оптическим разветвителем, например при передаче нисходящего трафика в гибридных волоконно-коаксиальных архитектурах кабельного телевидения.

Рис. 9 Применение разных типов оптических усилителей

В таблице указана степень значимости параметров EDFA в зависимости от типа усилителя.

Таблица 1 Сравнительный анализ параметров трех типов EFDA

Параметр	Предусилитель	Линейный усилитель	Усилитель мощности
Коэффициент усиления G	высокий *	средний	низкий
Коэффициент шума NF	низкий	средний *	низкий
Мощность насыщения Pout sut	низкая	средняя	высокая *
Нелинейность **	низкая	низкая	низкая
Зона усиления	узкая	широкая	широкая
Отклонение от плато  G	не указывается	высокая линейность	высокая линейность
* - указан  наиболее значимый параметр;  ** - нелинейность охватывает совокупность характеристик: зависимость G от Pin , поляризационную чувствительность, PMD усилителя, поперечные помехи между каналами

 

Расчет числа каскадов линейных EDFA

На рис. 10 показана типовая диаграммы  мощности сигнала в процессе распространения, а также процесс накопления шума в линии из каскада усилителей EDFA. Каждый усилитель осуществляет усиление сигнала (коэффициент усиления (дБ) и вносит определенный уровень шума (Вт).

Далее будем пренебрегать мощностью  шума нулевых флуктуаций.

Рис. 10 Диаграммы мощности в межрегенерационной линии с каскадом усилителей EDFA

Обозначим удельное затухание в  волокне  (дБ/км), тогда полное затухание на длине (км) сегмента между EDFA составляет . Ниже приведены основные соотношения, описывающие процессы затухания в линии и усиление на EDFA для полезного сигнала и шума:

, , (8)/(9)

, , (10)/(11)

где введены обозначения  , , , соответственно для мощности входного и выходного сигнала, а также входного и выходного шума по отношению к усилителю . Оптические усилители характеризуются определенной мощностью насыщения выходного сигнала . Эффективная работа усилителя достигается при таком входном сигнале, когда выходной сигнал сравним с мощностью насыщения (обычно немного превосходит мощность насыщения) - при меньшем уровне входного сигнала возрастает удельный вес постоянной составляющей вносимого шума, а при большем уровне входного сигнала (следовательно и входного шума) происходит усиление только шума.. Таким образом, в идеально сбалансированной линии из каскада усилителей . Отсюда . Тогда, приравнивая соотношения (10) и (11) получаем . Пренебрегая уровнем шума в выходном сигнале от стартового регенератора, т.е. положив , для отношения сигнал/шум на выходе k-го усилителя находим: дБ. И окончательно, если мощность сигнала и шума указана в дБм, запишем это соотношение в виде:

(дБ), (12)

где (дБм), значение нужно подставлять в Гц.

Как видно из (12), SNR падает с ростом числа каскадов EDFA. Допустимая величина SNR сильно зависит от сетевого/телекоммуникационного  стандарта. По этой причине выбор  оптических усилителей с теми или  иными параметрами, равно как расчет максимального число усилителей в регенерационной линии и максимальной протяженности сегментов, должны проводится строго в соответствии с планируемым сетевым приложением. Например, если в мультиплексных каналах одновременно будут использоваться сетевые стандарты: ATM/STM-1, ATM/STM-4, Gigabit Ethernet, STM-16, то достаточно удовлетворить самому жесткому требованию на SNR из них, в данном случае это - STM-16.

Разновидности усилителей ЕDFА

Две разновидности усилителей ЕDFА  с примесным волокном преобладают в коммерческих реализациях сегодня: