1.5.2. Применение оптических усилителей edfa

Оптический

передатчик

Оптический

регенератор

Оптический

регенератор

Оптический

приемник

Оптический Электронное Оптический

приемник восстановление сигнала передатчик

Оптический

передатчик

Оптический

приемник

Традиционные цифровые волоконно-оптические системы передачи используют оптические регенераторы, восстанавливающие оптический сигнал по амплитуде, форме и временному положению оптических импульсов (рис 1.28 а). Когда длина участка волоконно-оптического кабеля между двумя удаленными мультиплексорами превосходит предельное значение, обеспечивающее требуемый коэффициент ошибок, в промежуточных точках устанавливают дополнительные регенераторы. Они принимают слабый оптический сигнал, усиливают его и в процессе оптоэлектронного преобразования переводят в электрическую форму. Затем в электронной форме осуществляется восстановление скважности, фронтов и временных положений следования электрических импульсов, которые после преобразования в оптическую форму передаются дальше в том виде и с такой же амплитудой, с какой они были на выходе предыдущего регенератора.

а)

EDFA EDFA

б)

Рис.1.28. Применение оптических регенераторов и усилителей.

Такие системы передачи с регенерацией сигнала работают надежно и обеспечивают малый коэффициент ошибок. Однако, в некоторых случаях, когда по условиям прокладки трассы не удавалось реализовать длину участка, обеспечивающую требуемый коэффициент ошибок, на этих участках устанавливали совмещенные с регенераторами оптические усилители, которые за счет дополнительного усиления оптического сигнала поднимали его уровень до необходимой величины. С внедрением волнового уплотнения и, в частности, плотного спектрального уплотнения DWDM большую актуальность приобретают усилители EDFA.

На основе EDFA потери мощности в линии преодолеваются с помощью оптического усиления (рис. 1.28 б). В отличие от регенераторов такое усиление не привязано к битовой скорости сигнала, что позволяет передавать информацию на более высоких скоростях и наращивать пропускную способность до тех пор, пока не вступают в силу такие ограничивающие факторы, как хроматическая дисперсия и поляризационная модовая дисперсия. Усилители EDFA в силу своей широкополосности способны усиливать многоканальный DWDM сигнал, что является их основным преимуществом, так как в этом случае вместо большого числа регенераторов (по одному для каждого волнового канала) можно использовать один усилитель.

В отличие от регенераторов, оптические усилители вносят дополнительный шум, который необходимо учитывать. Поэтому, наряду с коэффициентом усиления, одним из важных параметров EDFA является коэффициент шума.

Технические параметры усилителей EDFA. Основными параметрами, характеризующими EDFA, являются: мощность насыщения, коэффициент усиления, мощность усиленного спонтанного излучения и шум-фактор.

Мощность насыщения - определяет максимальную выходную мощность усилителя. Чем больше эта величина, тем больше растояние участка между ретрансляторами можно реализовать. Этот параметр варьируется в зависимости от модели оптического усилителя. У мощных EDFA он может превосходить 36 дБм (4 Вт).

Коэффициент усиления G определяется из соотношения

, (1.7)

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 стремится к своему максимальному значению по мере уменьшния мощности входного сигнала. Например, для усилителей EAU-200/350, выпускаемых IRE POLUSE-GROUP, предельное значение коэффициента усиления составляет 42 дБ.

Мощность усиленного спонтанного усиления 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 (рис. 1.29). Его мощность нормируется в расчете на 1 Гц и имеет размерность Вт/Гц. Если на вход усилителя подается сигнал, то определенная доля энергетических переходов, ранее работавшая на усиленное спонтанное излучение, начинает происходить под действием оптического сигнала, усиливая входной сигнал. Таким образом, происходит не только усиление полезного входного сигнала, но и ослабление ASE (рис. 1.29). 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 линий с большим числом последовательных усилителей. Если лазер, предшествующий усилителю, генерирует излучение в спектральном окне ( , где с – скорость света), и фильтр в приемном оптоэлектронном модуле пропускает сигнал соответственно в этом же окне, то вклад в мощность шума на выходе бдагодаря 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 непосредственно перед приемным оптоэлектронным модулем узкополосных фильтров, настроенных на рвбочую длину волны, также помогает уменьшить уровень шума от усиленного спонтанного излучения.

ASE при отсутствии

сигнала на входе

ASE при наличии

сигнала на входе

Мощность выходного

с игнала (дБм) 10

0

-10

-20

-30

-40

-50

1500 1520 1540 1560 1580 1600

Длина волны (нм)

Рис. 1.29. Усиленное спонтанное излучение

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

, (1.8)

где h – постоянная Планка, равная Вт , - частота (Гц), соответствующая длине волны из диапазона 1530-1560 нм ( , с – скорость света, равная м/с), - коэффициент спонтанной эмиссии, - квантовая эффективность. В идеальном случае при G>>1, отнесенная ко входу мощность усиленного спонтанного излучения идеального квантового усилителя просто равна , что при нм составляет 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 ко входу величину эффективной мощности усиленного спонтанного излучения Вт или – 48,9 дБм.

Шум-фактор NF определяется как отношение сигнал/шум на входе, отнесенное к отношению сигнал/шум на выходе

(1.9)

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:

. (1.10)

Часто при описании EDFA значение шум-фактора указывается в дБ: nf = 10lgNF. Минимальный шум-фактор равен 1 (0 дБ) и достигается при или при G = 1. Это означает, что усилитель вносит минимальный шум, равный шуму идеального оптического усилителя. На практике nf необходимо увеличить сразу на 3 дБ (10lg2), так как существует два направления поляризации (две моды), в связи с чем , а типичные значения составляют 5,5 дБ.

При использовании каскадно-включенных усилителей полный шум-фактор на выходе каскада возрастает. Найдем полный шум-фактор NF двух усилителей, характеризующихся соответственно усилением и и шум-факторами и . Шум на выходе после двух каскадов записывается в виде

, (1.11)

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

, (1.12)

откуда полный шум-фактор равен

. (1.13)

Лучший способ получения устройства с низкошумящими характеристиками, как и в случае радиочастотных усилителей, состоит в использовании низкошумящего усилителя с большим усилением в первом каскаде и шумящего усилителя высокой мощности во втором каскаде. Первый каскад определяет шумовую характеристику многокаскадного усилителя.

Классификация усилителей EDFA по способам применения.

В зависимости от применения различают предварительные усилители, линейные усилители и усилители мощности (рис. 1.30).

Предварительные усилители (предусилители) устанавливаются непосредственно перед приемным оптоэлектронным модулем и способствуют увеличению отношения сигнал/шум на его выходе. Это позволяет получить требуемый коэффициент ошибок регенератора на участках с длиной, превышающей предельную.

Линейные усилители устанавливаются в промежуточных точках протяженных магистралей с волновым спектральным уплотнением между регенераторами. В этом случае нет необходимисти демультиплексировать групповой DWDM сигнал на отдельные волновые каналы для их регенерации и снова их мультиплексировать после регенерации. Таким образом, один линейный усилитель заменяет DWDM мультиплексор/демультиплексор и столько регенераторов, сколько волновых каналов содержится в групповом DWDM сигнале.

Оптический

передатчик

Оптический

приемник

Оптический

передатчик

Оптический приемник

Оптический

передатчик

Оптический

приемник

EDFA

Предусилитель

EDFA

Линейный усилитель

EDFA

Усилитель мощности

Рис. 1.30. Типы усилителей EDFA

Поскольку распространение оптического сигнала вдоль цепочки линейных усилителей приводит к накоплению шума, вносимого каждым усилителем, это ограничивает число последовательно включенных в регенерационную секцию усилителей и уменьшает максимально допустимое расстояние между ними.

Усилители мощности (бустеры) устанавливаются непосредственно после лазерных передатчиков (передающих оптических модулей) и предназначены для дополнительного усиления сигнала до уровня, который не может быть достигнут на основе лазерного диода.

Расчет числа каскадов линейных усилителей EDFA

На рис 8.11 показана типовая диаграмма мощности сигнала в процессе распространения по цепочке усилителей, а также процесс накопления шума в линии из каскада усилителей EDFA. Каждый усилитель осуществляет усиление сигнала с коэффициентом усиления (дБ) и вносит определенный уровень шума (Вт). Далее будем пренебрегать мощностью шума нулевых флуктуаций.

Оптическая мощность (дБм) Отношение С/Ш (дБ)

10

35

0 30

-10 Мощность сигнала

25 на канал

-20 20 Мощность спонтанного

излучения (шума)

-30 15 на канал

10

-40

5

-50

1 2 3 4 5 6 7

Количество усилителей EDFA

Рис. 1.31. Диаграмма мощности сигнала по цепочке усилителей

Обозначим удельное затухание в волокне (дБ/км), тогда полное затухание на длине L участка между двумя усилителями составит . Рассмотрим основные соотношения, описывающие затухание в линии и усиление на EDFA для полезного сигнала и шума:

(1.14) , (1.15)

, (1.16) (1.17)

где обозначают, соответственно, мощности входного и выходного сигнала, а также входного и выходного шума по отношению к усилителю i. Оптические усилители имеют определенныую мощность 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 (1.16) и (1.17), получаем Пренебрегая уровнем шума в выходном сигнале от первого регенератора, т. е. положив для отношения синал/шум на выходе k-го усилителя имеем:

дБ. И окончательно, если мощность сигнала и шума приведена в дБм, запишем это соотношение в виде:

(дБ), (1.18)

где (дБм), значение нужно подставлять в Гц.

Как видно из (1.18), С/Ш падает с ростом числа последовательно установленных уилителей EDFA. Допустимая величина отношения С/Ш сильно зависит от сетевого приложения. По этой причине выбор оптических усилителей с теми или иными параметрами, равно как и расчет максимального числа усилителей в межрегенерационной секции и ее максимальная протяженность, должны проводиться строго в соответствии с планируемым сетевым приложением. Например, если в мультиплексных каналах волнового уплотнения одновременно будут использоваться разные сетевые стандарты: STM-1, STM-4, Gigabit Ethernet, STM-16, то достаточно удовлетворить самому жесткому требованию на соотношение С/Ш, т. е. для STM-16.