Оптические усилители в волоконно-оптических линиях связи

• на кремниевой основе
• на фтор-цирконатной основе

При очень схожем внутреннем строении эти усилители отличаются только заготовочным волокном. Усилители EDFA на кремниевой основе первыми появились  на рынке и определили развитие благодаря возможности усиления WDM сигнала в широком спектральном интервале при небольших вносимых шумах на разных длинах волн. Сегодня оба типа усилителей (кремнивые и фтор-цирконатные) способны работать во всем диапазоне выхода оптического излучения эрбия от 1530 нм до 15б0 нм. Однако оптические усилители на кремниевой основе не имеют столь ровной передаточной кривой коэффициента усиления, как усилители на фтор-цирконатной основе.

В силу особенностей конструкции усилители ЕDFА 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 ЕDFА. Четырехволновое мультиплексирование в окне 1550 нм, появившееся всего несколько лет назад, сегодня сменяется мультиплексными системами с числом волновых каналов более 40. Плата за увеличение числа каналов выражается в уменьшении удельной мощности (мощности на канал) в выходном сигнале, которая ослабевает примерно на 3 дБ при удвоении числа каналов.

Усилители на кремниевой основе

Усиление DWDM сигнала в традиционных усилителях на кремниевом волокне связано  с одной технологической проблемой - нерегулярностью коэффициента усиления как функции длины волны. На рис. 10.а показана кривая выходной мощности при усилении канального мультиплексного сигнала со скоростью на канал STM-16 (2,5 Гбит/с). Как видно, на некоторых каналах сохраняется довольно высокое отношение сигнал/шум (SNR), в то время как на других, особенно в районе 1540 нм, значение SNR низкое. В результате может оказаться, что DWDM сигнал, проходящий через усилитель на одних каналах (например, выше 1545 нм) будет имеет приемлемое SNR, а на других (район 1540 нм) не удовлетворительное для используемого приложения соотношение SNR.

В результате того, что признание технологии усилителей ЕDFА на кремниевой основе произошло  раньше, на сегодняшний день большее  распространение имеет именно эти разновидности ЕDFА. Некоторые потребители операторы связи) решают проблему завала кривой простым исключением области низкого усиления от 1530 до 1542 нм, довольствуясь более узким окном. Но это может повлечь в некоторых случаях к очень высокой плотности каналов, что нежелательно, так как с ростом плотности сильней начинают проявляться нелинейные эффекты, как, например, четырехволновое смешивание. Кроме этого, принимая во внимание настоящее состояние дел по технологии фильтрации, стоимость выделения отдельных каналов из более плотного DWDM сигнала будет выше.

Рис. 10 Кривые выходной мощности: а - усилители на кремниевой основе, б - усилители на фтор-цирконатной основе.

Другой способ решения проблемы завала состоит в намеренном предварительном  селективном ослаблении входного сигнала  с целью получения более ровной картины амплитуд выходных сигналов и более согласованных значений SNR на разных каналах. При выполнении селективного ослабления приходится принимать во внимание то, что энергия на других каналах также перераспределяется. В результате чего оптимизация системы становится сложной итерационной процедурой. Дополнительные сложности возникают, когда битовые скорости добавляемых или устраняемых каналов различны. Например, соотношение SNR для передачи SТМ-64 (10 Гбит/с) должно быть на 6 дБ больше, чем для передачи SТМ-16 (2,5 Гбит/c). В последнtм случае, дополнительная мощность должна быть добавлена в канал SТМ-64.

Производители оборудования, понимая эту проблему, начинают внедрять различные самооптимизирующиеся алгоритмы  в элементы полностью оптической сети. Обеспечение возможности динамического  оптического балансирования по энергии  между каналами важно не только для работы с ЕDFА на кремниевой основе, но и само по себе, поскольку позволяет значительно повысить надежность сети.

Усилители на фтор-цирконатной  основе

Эти усилители обладают более регулярным плато. Дело в том, что фторосодержащее  волокно способно поглотить больше эрбия, что и приводит к улучшению профиля в области 1530-1542 нм, которая теперь открывается для усиления DWDM сигнала. Рис. 10.б показывает, насколько эффективно усиливается DWDM сигнал. Мультиплексированные каналы практически по всей полосе пропускания имеют близкие значения SNR. Это значительно упрощает процедуру оптического балансирования при воспроизведении сигналов, когда каналы добавляются или удаляются.

Фтор-цирконатный  силитель ЕDFА имеет один недостаток – выше чем у кремниевого уровень шума, что является следствием большей рабочей длины волны лазера накачки 1480 нм. Дело в том, что длина волны накачки 980 нм, характерная для кремниевого ЕDFА, не эффективна для работы флторидного усилителя ЕDFА, поскольку на этой длине волны велико сечение поглощения, сопровождающееся возбуждением других состояний. Указанный недостаток проявляется при строительстве сверхпротяженных безрегенерационных сегментов с каскадом оптических усилителей, ограничивая расстояния между усилителями. Есть пути преодоления этой проблемы, и производители собираются поставлять следующее поколение фтор-цирконатных усилителей ЕDFА, имеющих ровный профиль, низкий уровень шумов и более высокую надежность.