Шпоры по мультиплексорам. шпоры Шарангович1. 1. История развития многоволновых восп и устройств волнового уплотнения wdm. Мировой
 Скачать 1.86 Mb.
|
|
G (Gain) определяется из отношения мощности (полезных) сигналов на входе и выходе усилителя. 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 SpontaneousEmission). В отсутствии входного сигнала EDFA является источником спонтанного излучения фотонов. Спектр излучения зависит от формы энергетической зоны атомов эрбия и 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. где h — постоянная Планка; — частота (Гц), соответствующая длине волны в диапазоне 1,53–1,56 мкм; nsp — коэффициент спонтанной эмиссии; — квантовая эффективность. В идеальном случае nsp n sp 1 при Gı 1отнесенная ко входу мощность усиленного спонтанного излучения идеального квантового усилителя просто равна h , что при = 1,55 мкм составляет 1,28 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 10–8 Вт или – 48,9дБм [15]. Шум-фактор NF (Noise Figure) определяется как отношение синал/шум на входе (SNRin) к сигнал/шум на выходе (SNRout): Важно отметить, что мощность шума на входе является квантовоограниченной минимальной величиной и определяется нулевыми флуктуациями вак . Мощность шума на выходе состоит из суммы мощности усиленного флуктуаций вакуума, которые проходят через усилитель без изменения: Если учесть, , то шум-фактор можно выразить через коэффициент усиления и мощность усиленного спонтанного излучения Зависимость усиления от поляризации в EDFA возникает вследствие зависимости поляризации от поперечного сечения ионов эрбия в волокне из кварцевого стекла. Данное явление приводит к спаду усиления в зависимости от поляризации, известному как polarization hole-burning (PHB), или поляризационный провал усиления с глубиной, зависящей от степени сжатия волокна: PHB= 0,027Cp – 0,001Cp для коэффициента сжатия CР< 8 дБ. Также при большом количестве усилителей на линии имеет место зависимость усиления от поляризации света лазера накачки. Спектральный провал усиления. Зависимое от мощности ослабление сигнала в определенном диапазоне длин волн носит название спектрального провала усиления spectral hole-burning (SHB) [7]. Это явление имеет место в EDFA, когда сильный сигнал уменьшает среднее количество ионов, способствуя тем самым возникновению спада усиления на определенной длине волны.Исследования показали, что снижение усиления имеет тенденцию к проявлению в области длины волны 1,55 мкм со скоростью 0,3 дБ на каждый децибел [7]. Неравномерность и спад усиления EDFA приводит к негативным последствиям в системах, чувствительных к искажениям (WDM, DWDM).Отклонение усиления определяется как отношение изменения усиления на тестовой длине волны к изменению усиления на эталонной длине волн. 27. Математическая модель многоволнового EDFA Основные характеристики усилителей EDFA производителя THORLABS (Япония, 2002) Моделирование поведения и характеристик EDFA осуществляется с помощью скоростных уравнений для населенностей n1,2(r,j,z,t) рабочих уровней (двухуровневая модель) и уравнений распространения для оптической мощности P(z). Записав исходные уравнения модели из [13] для случая распространения нескольких сигналов и используя методы решения поставленной задачи и обозначения, описанные в [13], можно получить уравнения, характеризующие поведение многоволнового EDFA. На рис. 2.4 схематически показана диаграмма рабочих уровней при наличии накачки и нескольких информационных сигналов. 28. Разновидности усилителей EDFA Усилители EDFA на кремниевой основе , и на фторцирконатной основе. Сравнительная характеристика. Разновидности усилителей EDFA Две разновидности усилителей EDFA с примесным волокном преобладают в коммерческих реализациях сегодня: на кремниевой основе, и 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 (кремниевые и фтор- цирконатные) способны работать во всем диапазоне выхода оптического излучения эрбия от 1530 нм до 1560 нм. Однако оптические усилители на кремниевой основе не имеют столь ровной передаточной кривой коэффициента усиления, как усилители на фтор-цирконатной основе, рис. 4.19. В силу особенностей конструкции усилители EDFA 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 EDFA. Четырехволновое мультиплексирование в окне 1550 им, 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. Рис. 4.19. Кривая выходной мощности, представляющей собой мощность входного шума, при отсутствии сигнала на входе 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. 4-20 а показана кривая выходной мощности при усилении 16-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. Рис. 4.20. Кривые выходной мощности (сигнала и шума) при поступлении на вход усилителя DWDM сигнала для усилителей: а) на кремниевой основе (наблюдается завал в окрестности 1540 нм); б) на фтор-цирконатной основе В результате того, что признание технологии усилителей EDFA на кремниевой основе ПРОИЗОШЛО раньше, на сегодняшний день большее распространение имеет именно эти разновидности EDFA. 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. 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 STM-64 (10 Гбит/с) должно быть на 6 дБ больше, чем для передачи STM-16 (2,5 Гбит/с). В последнем случае, дополнительная мощность должна быть добавлена в канал STM-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 EDFA 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. 4.20 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 усилитель EDFA 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 EDFA, не эффективна для работы флюоридного усилителя EDFA, 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 EDFA, имеющих ровный профиль, низкий уровень шумов и более высокую надежность. 29. Типовые характеристики EDFA Усиление волоконно- оптического усилителя. Усиление слабого сигнала Насыщенное усиление Зависимость усиления от поляризации Спектральный провал усиления. 30. Типовые характеристики EDFA Неравномерность и спад усиления Расширение полосы частот усилителей - использовании EDFA усилителей с оптическими фильтрами, выравнивающими усиление; Методы стабилизации коэффициента усиления В связи с развитием DWDM-систем в направлении увеличения числа длин волн передачи, возникает необходимость увеличения диапазона длин волн усиления [3]. В настоящее время полоса усиления для EDFA в области 1,55 мкм составляет порядка 35 нм. Однако, имея ввиду, что они имеют плоскую характеристику усиления в области 1,58 и 1,55 мкм, увеличение диапазона может быть достигнуто путем использования обеих полос посредством методов, основанных на использовании:1)EDFA с оптическими фильтрами, выравнивающими усиление; 2)двух полос частот усиления EDFA с параллельной конфигурацией;3) каскадного соединения EDFA с частично плоским усилением и усилителя Рамана. Методы стабилизации коэффициента усиления. Коэффициент усиления оптического усилителя пропорционален величине инверсной населенности активного элемента, который, в свою очередь, определяется балансом между действием накачки и спонтанных и вынужденных переходов. Поскольку управлять спонтанными переходами не представляется возможным, могут быть реализованы две возможности стабилизации уровня инверсной населенности: путем управления накачкой или насыщением. В первом случае используются электрические методы стабилизации, во втором — оптические. Возможно также совмещение электрических и оптических методов стабилизации. Электрические методы стабилизации коэффициента усиления заключаются в корректировке мощности лазера накачки для обеспечения постоянства коэффициента усиления. Корректировка может быть упреждающей с использованием цепи обратной связи. Для повышения эффективности стабилизации коэффициента усиления может быть использована их комбинация (рис. 1.11). Рис. 1.11 — Электрическая стабилизация коэффициента усиления EDFA В части комбинированной схемы, отвечающей за упреждающую коррекцию накачки, разветвитель отводит часть мощности входного сигнала на фотодетектор, который выполняет его оптоэлектронное преобразование. Усиленный электрический сигнал, пропорциональный мощности входного оптического сигнала, используется для управления мощностью лазера накачки. В первом приближении необходимое для обеспечения постоянства коэффициента усиления изменение мощности накачки происходит пропорционально изменению мощности усиливаемого оптического излучения. В части схемы, отвечающей за коррекцию накачки цепью обратной связи, два разветвителя отводят часть мощности входного и выходного сигнала на фотодетекторы, выполняющие их оптоэлектронное преобразование. Затем сигналы подаются на специальную электрическую схему, которая сравнивает реальное значение коэффициента усиления, определяемое по отношению мощностей входного и выходного сигналов, с требуемым коэффициентом усиления и соответствующим образом корректируетмощность лазера накачки. Оптическая стабилизация коэффициента усиления. Принцип оптической стабилизации коэффициента усиления заключается в том, что усиливающая область помещается в резонатор лазера, генерирующего на нерабочей длине волны. Хорошо известное свойство лазера заключается в том, что коэффициент усиления в нем в режиме генерации в точности равен потерям в резонаторе. Если на активный элемент лазера одновременно подать внешнее излучение на негенерирующей длине волны, то выходная мощность лазера изменится, а коэффициент усиления останется прежним. Лазерное излучение, таким образом, оказывается некоторым балластным излучением, обеспечивающим постоянство коэффициента усиления. Эффективность стабилизации можно охарактеризовать следующими параметрами: - — время восстановления заданного значения коэффициента усиления; - — максимальное его отклонение от заданного значения; - — установившееся по прошествии времени стабилизации его отклонение от заданного значения. 32. Принцип действия оптических демультиплексоров на основе интерференционных фильтров Основные параметры и характеристики. Принцип действия данного мультиплексора/демультиплексора основан на применении интерференционных (тонкопленочных) фильтров (thin films). Интерференционный фильтр состоит из нескольких чередующихся слоев прозрачного диэлектрического материала с различными показателями преломления, нанесенных на прозрачную подложку (рис. 2.13). Прозрачный диэлектрик имеет точный показатель преломления, который может изменяться от 1,42 до 2,0 (с точностью до 6 знаков после запятой), а разность показателей преломления обычно составляет величину порядка 10–3–10– 4. Толщина структуры L обычно составляет несколько десятков миллиметров. Интерференционный фильтр отражает заданный интервал длин волн и пропускает все остальные. Для определения этого интервала необходимо рассчитать следующие параметры фильтра: показатели преломления n1, n2, толщину периодической структуры L, период следования слоев (дельта) - и опреде- лить угол падения светового пучка на фильтр θ. Тонкопленочные фильтры имеют достаточную полосу пропускания для использования в системах WDM с 16 и 32 каналами. На рис. 2.14 приведена структурная схема оптического мультиплексора/демультиплексора, состоящая из набора тонкопленочных фильтров, каждый из которых добавляет/выделяет из общего сигнала один информационный. Фильтры расположены под наклоном q = 45° к оптической оси, чтобы отраженный свет не попадал обратно в общий сигнал. На рис. 2.15 представлена структурная схема модуля мультиплексора/демультиплексора для выделения/ответвления одного канала из группового сигнала. Основу модуля составляют два одинаковых интерференционных фильтра находящихся в разных плечах интерферометра Маха — Цендера Рассмотрим принцип действия этого устройства на примере выделения второго канала с λ2. Групповой сигнал подается на вход 1, делится поровну и попадает на фильтры, для которых условие Брегга выполняется для оптической несущей второго канала. Далее сигнал второго канала отражается от фильтра, вновь попадает на направленный ответвитель, где когерентно складывается и поступает на вход 2. Этот модуль может так же добавлять сигнал с заданной несущей (в данном случае с λ2) в групповой сигнал через порт 3. Структурная схема демультиплексора на основе этого модуля представлена на рис. 2.16. К недостаткам демультиплексоров на основе этих модулей можно отнести условие точного равенства плеч у интерферометра Маха — Цендера. Часто при построении демультиплексоров используется структурная схема, изображенная на рис. 2.17. Из группового сигнала фильтр отражает обратно только один канал, который затем отводится с помощью циркулятора. Данная схема позволяет делать решетку Брега непосредственно в оптическом волокне (волоконная решетка), как показано на рис. 2.18. |