Оптические системы связи / 3.Волоконно-оптические системы связи (Фриман Р., 2003)

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.»

Рис. 7.11. Блок-схема распределенного рамановского усилителя (С разреше-

ния компании Corning, Inc., [7.15])

Выходная характеристика распределенного рамановского усилителя зависит от свойств передающего волокна, таких как поглощение сигнала накачки, эффективная площадь и рамановский коэффициент усиления. В одном из практических примеров, приведенном в [7.11], усиление составило всего лишь 3,75 дБ.

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. 7.12 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. Следовательно, любой из диапазонов длин волн будет иметь некоторое колебание уровня усиления. Для уровня накачки 200 мВт, показанного на рис. 7.12, получается максимальное усиление 7,78 дБ с колебаниями уровня (максимальный -

минимальный) 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. 7.12.

Рис. 7.12.Спектр романовского 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. [7.10, 7.11,7.15].

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

ASE.

На рис. 7.13 показан оптический спектр системы DWDM с 32 длинами волн, где отмечено отношение сигнал/шум (OSNR) для волокна длиной 125 км 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.

Улучшение отношения сигнал/шум после прохождения пролета длиной 125 км с волокном LEAF

Рис. 7.13. Оптический спектр системы DWDM с 32 длинами волн, проходящих через волокно, они усиливаются либо гибридным предусилителем

скаскадом рамановского усиления и EDFA, либо только EDFA Максимальное усиление одинаково, тогда как пороговый пьедестал у гибридной схемы на

4,2 дБ ниже. (С разрешения компании Coming, Inc., [7.10, 7.11])

ГЛАВА 8 МУЛЬТИПЛЕКСИРОВАНИЕ С РАЗДЕЛЕНИЕМ ПО ДЛИНЕ ВОЛНЫ

8.1. Возрастание требований на пропускную способность ВОСП

В работе [8.1] приведена оценка роста требований на емкость/скорость передачи, показывающая, что емкость ВОСП возрастает в 4 раза каждые 18 месяцев. Из всех средств, имеющихся в нашем распоряжении, только оптоволокно удовлетворяет этим потребностям роста. Существует два пути удовлетворить этим требованиям:

1.Установить новый кабель с большим числом волокон или использовать имеющиеся темные волокна.

2.Применить технологию мультиплексирования с разделением по длине волны на уже имеющемся волокне или на новом проложенном волокне. Практически при каждом таком рассмотрении преимущество будет на стороне выбора технологии WDM, учитывая стоимость прокладки нового кабеля, особенно для длинных кабельных систем. Цель данной главы - познакомить читателя с WDM и возможностью ее применения.

На ранней стадии применения ВОСП каждая работающая жила оптоволокна передавала один поток бит (практически каждая ВОСП содержит темные волокна, некоторые владельцы ВОК сдают их в аренду). Техника ВОСП развивалась так, что сначала осваивался диапазон несущей 1310 нм, а потом - 1550 нм. Следовательно, битовый поток передавался на некоторой длине волны этого диапазона волн. С возрастанием требований на емкость систем передачи развивалась и технология передачи в этом диапазоне волн. Когда стали осваивать диапазон длин волн 1550 нм, то следующий (второй) битовый поток был помещен в этом диапазоне. Следовательно, мы имели грубый, но эффективный вариант раннего WDM, а именно двухканальную систему. Концепция этой системы показана на рис. 8.1.

Рис. 8.1. Концептуальная блок-схема двухволновой системы WDM. На начальном этапе эти две волны соответствовали: 1 = 1310 нм и 2 = 1550 нм.

На рис. 8.1 разветвитель играет роль оптического комбайнера. Для простоты разветвитель (из комбайнера) мог бы быть пассивным сплиттером при использовании, например, биконического сплавного с отводами разветвителя (рассмотренного в разд. 3.5) в обратном направлении (замене входов на выходы). Сплитгер, приведенный на правой стороне рис. 8.1, мог бы быть тем же самым устройством, использованном в обратном направлении. Оба порта этого сплиттера содержат сигналы 1 и 2.

В отечественной литературе термин Coupler традиционно переводят как разветвитель, полагая что его основная функция — разветвлять поток, тогда как в англоязычной литературе для этой цели используют по большей части Splitter, а за термином Coupler оставляют роль объединителя, или

комбайнера.

Фильтры, на основе технологии тонких пленок, блокируют передачу энергии нежелательного спектра сигнала и позволяют пропустить энергию желаемого спектра сигнала. Технология тонких пленок рассматривается в разд. 8.6. Важность использования фильтров в операциях WDM трудно переоценить. Именно поэтому мы посвятили технологии фильтров три четверти главы.

8.2. Основы WDM-систем

Пара мультиплексор-демультиплексор является основой для системы WDM. Как показано на рис. 8.1, мультиплексор может быть просто комбайнером - устройством объединения нескольких несущих длин волн. Демультиплексор - напротив, выполняя обратную операцию, может быть совсем другим. Он должен выделять отдельные длины волн из агрегированного потока. Следовательно, демультиплексор требует использования механизма селекции длин волн. Эти механизмы делятся на две широкие категории: демулътиплексоры на основе дифракции и демулътиплексоры на основе интерференции.

Демультиплексоры на основе дифракции используют элементы с угловой дисперсией, такие как дифракционные решетки, которые пространственно диспергируют падающий луч на различные составляющие длины волн. Принцип действия такой решетки показан на рис. 8.2. Демультиплексор на основе интерференции использует свойства таких устройств, как направленные разветвители и оптические фильтры. Благодаря присущим им свойствам взаимности оптических волн в диэлектрической среде, эти устройства могут быть использованы как мультиплексоры и Демультиплексоры в зависимости от направления распространения.

Рис. 8.2. Принцип действия дифракционной решетки с угловой дисперсией и фокусирующей линзой, используемой в качестве демультиплексора.

Необходимым элементом систем WDM является оптический усилитель типа EDFA. Достаточно высокий (20-25 дБ) коэффициент усиления усили-

теля EDFA позволяет компенсировать потери, вносимые пассивными элементами мультиплексора и демультиплексора, включая многие из устройств, описанных ниже. Если допустить, что мультиплексор и демультиплексор могут (каждый) вносить потери порядка 6 дБ, то мы уже имеем потери порядка 12 дБ. При увеличении числа каналов WDM потери начинают значительно расти. Потери расщепителя на разделение двух каналов равны 3 дБ, четырех каналов — 6 дБ и т. д. Вторичным эффектом этого является то, что мы привязаны к полосе 1530 — 1565 нм — рабочей полосе усилителей EDFA. Организация ITU-T разработала для этой полосы стандартизованную сетку частот с шагом между каналами 200/100/50 ГГц и возможностью его снижения до 25 ГГц. Сетка ITU-T формируется на основе уравнения:

где 193,1 ТГц - опорная частота, а т — целое число, см. разд. 8.9.

Даже будучи ограничены полосой 1530-1565 нм, можно ожидать к 2004 году размещения в системе DWDM 160 каналов, каждый из которых передает 40 Гбит/с.

8.3. Интерферометр Фабри-Перо

Интерферометр Фабри—Перо (Ф—П) является устройством интерференционного типа, основанным на многократном отражении светового луча от двух поверхностей тонких пластин. Его принцип действия показан на рис. 8.3. Существует интерференционный максимум для каждой длины волны, который математически выражается так:

где т — целое число, a d — расстояние между пластинами.

Интерферометр использует многократные отражения между двумя близко расположенными частично посеребренными поверхностями. Часть

света проходит, а часть отражается каждый раз, когда свет достигает второй поверхности, образуя в результате много смещенных лучей, которые могут интерферировать друг с другом. Большое количество интерферирующих лучей создает интерферометр с исключительно высоким разрешением. Это чемто напоминает множество щелей (шлицев) дифракционной решетки, которое увеличивает ее разрешение.

Рис. 8.3. Принцип действия интерферометра Фабри-Перо (см. [8.2])

Резонатор Фабри-Перо - устройство, полученное из интерферометра Ф-П. Он представляет собой две параллельные пластины, отражающие свет вперед и назад. Степень дисперсности (тонкость структуры линий) является показателем того, как много волновых каналов могут одновременно пройти без серьезной интерференции между ними. Она является мерой энергии волн внутри резонансной полости относительно энергии, потерянной за цикл. Чем больше степень дисперсности, тем уже ширина резонансной линии. Степень дисперсности может рассматриваться как эквивалент понятия добротности Q электрических фильтров.

На основе интерферометра Ф—П можно создать прекрасный оптический фильтр. Настройка фильтра осуществляется путем изменения

длины зазора между двумя зеркалами. При более сложной конструкции интерферометра Ф—П, вся структура целиком помещается в пьезоэлектрическую камеру так, что указанная длина зазора может быть изменена электрически для настройки и выбора определенного канала. Преимущества фильтров Фабри—Перо в том, что они могут быть интегрированы в систему без возникновения потерь на стыковку. Число каналов ограничивается 50-100, учитывая ограниченную степень дисперсности практического фильтра Ф—П (F = 100 для 97% зеркала в тандеме, что увеличивает эффективную степень дисперсности до F ~ 1000). На рис. 8.4. приведена схема конструкции практического фильтра Ф—П [8.3].

Рис. 8.4. Схема конструкции практического фильтра Ф-П

8.4. Фильтры Маха-Цендера

Интерферометр Маха—Цендера (М—Ц) можно сделать путем соединения двух выходных портов 3-дБ разветвителя к двум входным портам другого 3- дБ разветвителя, как показано на рис. 8.5. Первый разветвитель расщепляет оптический сигнал на два равных потока, где каждый поток приобретает различные фазы (когда длины ветвей разветвителя оказываются различны ми до того, как во втором разветвителе произойдет интерференция одного

расщепленного сигнала с другим).

Рис. 8.5. Оптический интерферометр Маха—Цендера

Относительная фаза зависит от длины волны и коэффициента пропускания T ( ) , который тоже зависит от длины волны. Он может быть вычислен по формуле:

где m — относительная задержка между двумя ветвями интерферометра М

— Ц, a v — частота. Цепочка каскадов таких интерферометров М—Ц с определенным образом настроенными задержками работает как оптический фильтр, который может быть настроен путем небольшой подстройки длин ветвей.

В работе [8.3] сообщается, что общие методы, используемые для расчета относительной задержки m , реализуются так, что каждый М—Ц каскад последовательно блокирует альтернативные каналы. Эта схема требует, чтобы m 2m vch 1 , для шага между каналами, равного vch .

Результирующий коэффициент передачи 10-каскадного фильтра имеет такую же избирательность, какая эквивалентна избирательности фильтра Ф-П, имеющего степень дисперсности 1600. Эта каскадная схема способна выделять близко стоящие каналы. Каскадное включение интерферометров М-Ц дает проектировщику систем WDM еще одну заслуживающую внимания технологию [8.2].