8.3. Применение оптических усилителей EDFA

Развитие технологии оптического усиления на основе EDFA сильно изменило методологию конструирования волоконно-оптических систем связи. Традиционные волоконнооптические системы используют повторители-регенераторы, повышающие мощность сигнала (рис. 8.3 а). Когда длина между удаленными узлами начинает превосходить по условиям затухания сигнала максимальную допустимую длину пролета между соседними узлами, в промежуточных точках устанавливаются дополнительные регенераторы. Они принимают слабый сигнал, усиливают его в процессе оптоэлектронного преобразования, восстанавливают скважность, фронты и временные характеристики следования импульсов, и после преобразования в оптическую форму передают дальше правильный усиленный сигнал, в том же виде, в каком он был на выходе предыдущего регенератора. Хотя такие системы регенерации работают хорошо, они являются весьма дорогими и, будучи установленными, не могут наращивать пропускную способность линии.

На основе EDFA потери мощности в линии преодолеваются путем оптического усиления (рис. 8.3 б). В отличие от регенераторов, такое "прозрачное" 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 другие ограничи- вающие факторы, такие как хроматическая дисперсия и поляризационная модовая дисперсия. Усилители EDFA также способны усиливать многоканальный WDM сигнал, добавляя еще одно измерение в пропускную емкость.

Хотя оптический сигнал, генерируемый исходным лазерным передатчиком, имеет вполне определенную поляризацию, все остальные узлы на пути следования оптического сигнала, включая оптический приемник, должны проявлять слабую зависимость своих параметров от направления поляризации. В этом смысле оптические усилители EDFA, характеризуясь слабой поляризационной зависимостью коэффициента усиления, имеют ощутимое преимущество перед полупроводниковыми усилителями.

а)

Оптический Электронное Оптический передатчик восстановление приемник сигнала

б)

Ðèñ. 8.3. Оптические системы связи на основе: а) каскада регенерационных повторителей; б) каскада оптических усилителей EDFA

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

Ниже определяются ключевые параметры, характеризующие EDFA: мощность насыщения, коэффициент усиления, мощность усиленного спонтанного излучения и шум-фактор.

Мощность насыщения Pout sut (saturation output power) – определяет максимальную выходную мощность усилителя. Большее значение мощности позволяет увеличивать расстояние

безретрансляционного участка. Этот параметр варьируется в зависимости от модели оптиче- ского усилителя. У мощных EDFA он может превосходить 36 дБм (4 Вт).

Коэффициент усиления G (gain) определяется из соотношения

ãäå PS in è PS out – мощности (полезных) сигналов на входе и выходе усилителя, а логарифми-

ческий эквивалент определяется по формуле g = 10lg G (дБ). Величина коэффициента усиле-

ния зависит от входной мощности и стремится к своему максимальному пределу по мере уменьшения мощности входного сигнала. Например, для лазеров EAU-200/350, выпускаемых IRE POLUSE-GROUP, предельное значение коэффициента усиления составляет 42 дБ (табл. 8.4).

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 (рис. 8.4). 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 (рис. 8.4). 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 из-

лучение в спектральном окне ∆ ν ( ∆ ν = λc2 ∆ λ , ãäå c – скорость света), и фильтр в приемном

оптоэлектронном модуле пропускает сигнал соответственно в этом же окне, то вклад в мощность шума на выходе благодаря усиленному спонтанному излучению будет равен

ASE∆ ν = ASE ∆ ν . Таким образом, оптические линии с каскадом EDFA проявляют себя луч-

ше, когда мультиплексный сигнал представлен более узкими в спектральном отношении отдельными каналами. Использование непосредственно перед приемным оптоэлектронным модулем узкополосных фильтров, настроенных на рабочую длину волны, также помогает уменьшить уровень шума от усиленного спонтанного излучения.

Ðèñ. 8.4. 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 [9] – устраняют кросс-модуляцию ASE в усилителе и делают более стабильной работу каскада опти- ческих усилителей. Мощность усиленного спонтанного излучения связана с коэффициентом усиления формулой [10]

λ = 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 приве-

изменения: PN out = ASE∆ ν + hν ∆ ν . Если учесть, что PS out PS in = G , то шум-фактор можно выразить через коэффициент усиления и мощность усиленного спонтанного излучения:

Часто при описании EDFA значение шум-фактора указывается в дБ: nf = 10lg NF . Минимальный шум-фактор равен 1 (0 дБ) и достигается при nsp η = 1 èëè ïðè G = 1. Ýòî îçíà-

чает, что усилитель вносит минимальный шум, равный шуму идеального оптического усилителя. На практике сразу на 3 дБ (10lg 2 ) необходимо увеличить nf , так как существует два на-

правления поляризации (две моды), в связи с чем nsp = 2 , а типичные значения составляют

5,5 äÁ.

Чем ближе к 1 значение шум-фактора, тем меньше дополнительный шум вносит усилитель. В то же время при использовании каскада из нескольких усилителей полный шумфактор возрастает. Найдем полный шум-фактор NF двух усилителей, характеризующихся

соответственно усилением G1 è G2 и шум-факторами NF1 è NF2 . 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

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

Ðèñ. 8.5. Схема экспериментального измерения коэффициента шума EDFA

Практическое значение имеет мощность усиленного спонтанного излучения, когда на вход EFDA подается полезный сигнал. Поэтому, измерять ASE следует именно при наличии такого сигнала. Анализатором измеряется мощность в окне ∆ ν (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 сигнала, пропуская шум ASE только с нормальной поляризацией, которая измеряется экспериментально (первое измерение). Шум в отличие от полезного сигнала – не поляризован, т. е. . Полный шум

ASE = ASEII + ASE = 2ASE учитывает вклады от двух нормальных поляризаций. Полезный сигнал вычисляется по формуле Pout = Ptot − ASE ∆ ν . Измерение Ptot – полного выход-

ного сигнала – происходит, когда ось поляризатора совпадает с направлением линейной поляризации полезного сигнала (второе измерение). Затем при помощи анализатора непосред-

ственно измеряется мощность сигнала на входе Pin , то есть сигнал в отсутствии усилителя

(третье измерение). Теперь по формуле (8-4) можно определить коэффициент усиления G. Для примера в табл. 8.4 приведены технические характеристики двух промышленных

моделей оптических усилителей EDFA, выпускаемых институтом Радиоэлектроники РАН (г. Фрязино) совместно с зарубежными компаниями IPG Laser, IP Fibre Devices и IPC – группа IRE-POLUS [12].