В. Г. Фокин Когерентные оптические сети
 Скачать 13.92 Mb.
|
Для волны 1480 нм Для волны 980 нм Полупроводник лазера/тип лазера InGaAs/InP (Фабри-Перо) InGaAs (Суперрешетка) Эффективность усиления 5 дБ/мВт 10 дБ/мВт Шум ASE Около 5,5 дБ 3–4 дБ Выходная мощность насыщения +20 дБ +5 дБ Диапазон волн накачки 1470–1490 нм (20 нм) 979–981 нм (2 нм) Мощность накачки 50–200 мВт 10–20 мВт Характеристики волоконного световода с атомами Er исследованы доста- точно детально [79] и показывают возможности по усилению для различной мощности накачки, длины волокна и насыщения. Примеры характеристик при- ведены на рис. 6.7–6.9. 231 Рис. 6.7. Зависимость усиления легированного Er волокна от длины и мощности накачки на волне 1480 нм Рис. 6.8. Экстремальные характеристики усиления волокна с Er для различных длин и мощностей накачки на волне 1480 нм Рис. 6.9. Характеристики насыщения волокна с Er при различных мощностях накачки на волне 1480 нм Известные частотные характеристики усиления эрбиевых усилителей отли- чаются неравномерностью (рис. 6.10), что способствует различиям оптических каналов на разных волнах по OSNR. Для устранения неравномерности усиле- 232 ния применяются другие базовые компоненты (например, фтор, цирконий) и отдельные оптические выравниватели (GEF, Gain Equalising Filters) с противо- положными усилению характеристиками передачи (рис. 6.11), что способствует выравниванию усиления широкой полосе частот (волн до 40 нм) (рис. 6.12). Также могут использоваться управляемые эквалайзеры в структурах с эрбие- выми усилителями. Рис. 6.10. Фигуры характеристик неравномерности усиления и шума EDFA Рис. 6.11. Принцип выравнивания усиления EDFA 233 Рис. 6.12. Кривые уровней мощности оптических каналов и шума: а) для EDFA на кремниевой основе; б) для EDFA на фтор-цирконатной основе [80] Усилители на фтор-цирконатной основе имеют один недостаток – они больше шумят, т. к. для накачки используется только волна 1480 нм. Уменьшить шумовые составляющие и расширить полосу равномерного усиления до 84 нм предложила компания Lucent за счет параллельного включе- ния примесных усилителей с выравнивателями GEF и пятью каскадами накачки в каждой из двух усиливающих цепей [81]. Полученная при этом характеристи- ка усиления представлена на рис. 6.13. Рис. 6.13. Характеристика усиления пятикаскадного двухканального оптического усилителя 234 При организации спектральных каналов для оптических усилителей при- нято считать, что мощность лазера накачки теоретически равномерно распреде- ляется между ними, поэтому, чем больше каналов в системе, тем мощнее дол- жен быть лазер накачки или каскад накачки. Наибольшее распространение по- лучили три схемы накачки примесного волокна оптического усилителя: согла- сованная или прямая; встречная или противонаправленная по отношению к усиливаемому сигналу; двунаправленная при использовании двух лазеров. Упрощенные схемы этих способов накачки представлены на рис. 6.14–6.16. Прямая накачка на волне 980 нм обеспечивает низкий уровень шума при малой мощности входного сигнала и большом коэффициенте усиления. Встреч- ная накачка на волне 1480 нм быстрее приводит к режиму насыщения волокна, проще достигается режим максимальной выходной мощности. Использование двух лазеров накачки с разными длинами волн (согласованно 980 нм, встречно 1480 нм) позволяют получить от усилителя минимальные шумы при макси- мальном усилении. Рис. 6.14. Прямая накачка в оптическом усилителе Рис. 6.15. Противонаправленная накачка в оптическом усилителе Рис. 6.16. Двунаправленная накачка в оптическом усилителе 235 Ниже в качестве примера приведены характеристики EDFA ONS 15216Cisco, входящего в номенклатуру устройств для оптических сетей DWDM с числом спектральных каналов до 40 в диапазоне волн 1530–1563 нм (рис. 6.17). Рис. 6.17. Типовая структура эрбиевого усилителя ONS 15216 EDFA1 Cisco Усилитель допускает общий уровень мощности на входе от −29 дБм до −6 дБм, т. е. при одном сигнале (λ 1 ) на входе допустимый уровень −6 дБм, при двух сигналах (λ 1 , λ 2 ) на входе допустимый уровень −9 дБм, при трех сигналах на входе (λ 1 , λ 2 , λ 3 ) допустимый уровень −10,8 дБм и т. д. При 40 λ на входе допу- стимый уровень одного канального сигнала составит только −22,1 дБм. Максимальный уровень мощности на выходе усилителя может достигать +17 дБм. Общий коэффициент усиления 23 дБ при неравномерности в полосе усиления ±1,25 дБ. Столь точная характеристика усиления обеспечивается оп- тическим выравнивающим фильтром GEF. Фигура кривой шума спонтанной эмиссии ASE не превышает 6 дБ при волнах накачки 980 нм. Вносимая ПМД не превышает 0,6 пс. Поляризационная чувствительность составляет 0,5 дБ. Уси- литель может быть подключен в систему управления через стандартный интер- фейс RS232. В усилителе могут фиксироваться аварийные сигналы на передней панели со светодиодами. 236 6.2. Оптические усилители на эффекте вынужденного комбинационного (рамановского) рассеяния Принцип действия рамановских усилителей основан на эффекте комбина- ционного рассеяния, который был открыт индийским ученым Раманом в 1929 г. При спонтанном комбинационном рассеянии света на молекулах какого-либо материала (среды распространения) небольшая часть мощности излучения накачки преобразуется в излучение с более низкой частотой, причем величина частотного сдвига определяется колебательными модами среды распростране- ния (рис. 6.18). Известны два типа колебательных мод: акустические и оптиче- ские фононы. Взаимодействие фотонов с акустическими фононами называется рассеянием Мандельштама–Бриллюэна. Оптические фотоны связаны с элек- трическим полем, длина которого лежит в оптическом диапазоне. В обоих слу- чаях фотон высвобождает некоторую энергию, которая создает один или не- сколько фононов с различной энергией импульсом. Таким образом падающая волна служит волной накачки для генерации излучения на смещенной частоте, называемой также стоксовой компонентой излучения (V-V R ). Также возможно наблюдение процесса, при котором падающий фотон (волна) получает энергию от фонона и рассеивается с увеличением частоты. Такое излучение называется антистоксовым (V + V R ). При значительном увеличении уровня накачки обра- зуется явление – вынужденное комбинационное (рамановское) рассеяние, при котором интенсивность стоксовой компоненты возрастает так быстро, что в нее переходит большая часть энергии накачки. Таким образом, при одновременном распространении в среде излучения накачки и сигнала, отстоящего на величину стоксова сдвига, будет наблюдаться его усиление (на рис. 6.18 показано фото- ном). В технике оптической связи рамановские усилители строятся на основе волоконных световодов. При этом коэффициент усиления зависит от состава стекловолокна (рис. 6.19). Наибольший коэффициент усиления наблюдается в волокнах DCF, т. е. в волокне для компенсации дисперсии. Рис. 6.18. Рамановское рассеяние в стекловолокне и принцип действия оптического усилителя 237 Рамановское усиление значительно зависит от состояний поляризации сигналов (накачки и информационных). В случае совпадения состояний поля- ризации сигналов, рамановское усиление на порядок выше, чем при ортого- нальном расположении состояний поляризации. В волокнах без сохранения по- ляризации из-за явления случайной связи мод поляризационная зависимость снижается. Усиление вследствие ВКР зависит от интенсивности (равной мощ- ности накачки P н , деленной на площадь модового пятна А), длины взаимодей- ствия L волны накачки и сигнальной волны и коэффициента усиления g (рис. 6.19) определяется по (6.3): Рис. 6.19. Коэффициент рамановского усиления g для различных волокон на волне накачки 1510 нм [77], отличающихся эффективной площадью: DCF 20 мкм 2 ; DSF 50 мкм 2 ; SMF 80 мкм 2 A L gP G í R exp (6.3) В световоде с низкими потерями длина взаимодействия может составить более 1 км, что снижает требования по мощности накачки и коэффициенту уси- ления. Величина коэффициента усиления g зависит от присадок к стекловолокну таких, как бор, германий, фосфор. Для волокна на основе двуокиси кремния SiO 2 величина коэффициента g при накачке 1480 нм представлена зависимо- стью на рис. 6.20. Из графика видно, что по уровню уменьшения усиления в два раза полоса усиления составляет около 5 ТГц при неравномерной характери- стике усиления. Сдвиг рассеянного излучения происходит в длинноволновую область (рис. 6.21), т. е. туда, где передаются информационные оптические сиг- налы. Усиление вследствие ВКР зависит от интенсивности (равной мощности накачки P н , деленной на площадь модового пятна А), длины взаимодействия L волны накачки и сигнальной волны и коэффициента усиления g: 238 A L gP G í R exp (6.4) В световоде с низкими потерями длина взаимодействия может составить более 1 км, что снижает требования по мощности накачки и коэффициенту усиления. Усиление зависит и от длины волокна и от величины поглощения мощно- сти в материале волокна: l э 1 e L , (6.5) где l – действительная длина, – затухание волокна (дБ/км), э L – эффектив- ная длина взаимодействия волн накачки и сигнала. Рис. 6.21. Схема рамановского рассеяния На длинных линиях (десятки километров) можно считать, что э 1 L (6.6) Рис. 6.20. Зависимость коэффициента усиления от сдвига частоты при н = 1480 нм в волокне SiO 2 [77] 239 Величина мощности Р н рассматривается усредненной за интервал времени передачи импульсного сигнала. Величина усиления принимается независимой от поляризации усиливаемого сигнала. Коэффициент шума рамановского усилителя определяется выражением R R G NF ln 2 , (6.7) т. е. при увеличении коэффициента усиления уменьшатся величина шума, однако это происходит при увеличении мощности накачки, что, в свою очередь, может поро- дить увеличение стоксова шумового излучения, не связанного с сигналом [77, 78]. Реальные величины коэффициентов усиления рамановских усилителей мо- гут принимать значения от 3… 5 дБ до 20… 35 дБ в зависимости от примесного состава стекловолокна и мощности накачки. Пример схемы распределенного усилителя рамановского типа DRA (Distributed Raman Amplifier) приведен на рис. 6.22. Особенность схемы – встречная по отношению к сигналу накачка от мощного лазерного диода (до 1 Вт), при этом достигаются существенные увели- чения длины участков передачи (рис. 6.23, 6.24) [88]. Необходимо отметить, что схемы усилителей Рамана могут строиться не только по распределенной схеме с линейным оптическим волокном в кабеле, но и по схеме со средоточенным уси- лением в катушке оптического волокна DCF [77] (Discrete Raman Amplifier). Для расширения полосы усиливаемых частот и придания равномерности уси- ления используются комбинированные схемы (рис. 6.25): эрбиевый+рамановский; рамановский с двухстронней накачкой на нескольких частотах. Рис. 6.22. Схема распределенного усилителя DRA со встречной накачкой Рис. 6.23. Выигрыш с применением DRA в каналах 10 Гбит/с и 100 Гбит/с 240 Рис. 6.24. Распределение уровней мощности оптических каналов при использовании распределенной накачки (DRA) в протяженной линии Результатом использования нескольких лазеров накачки (рис. 6.26), т. е. включения нескольких лазеров с использованием мультиплексоров в одном ме- сте или в каскадной цепочке для подачи накачки по отдельным участкам, могут быть получены характеристики усиления высокой степени равномерности (отклонение не более 0,1 дБ) в широком диапазоне волн (рис. 6.27), что крайне необходимо для систем передачи с DWDM. Кроме того, подбором мощности накачки, длин волн накачки и схемы включения возможно формирование ха- рактеристик усиления с различным наклоном, что необходимо для выравнива- ния уровней мощности спектральных каналов на различных волнах на прием- ной стороне и выполнения требований по OSNR. Рис. 6.25. Схемы включения широкополосного усилителя Рамана совместно с EDFA, встречной накачкой и двухсторонней накачкой 241 Рис. 6.26. Принцип расширения полосы частот усилителя Рамана с применением группы волн накачки [88] Возможности по организации протяженных оптических каналов высоких скоростей передачи также достаточно эффективно могут решаться с DRA при регулярном размещении накачки, как показано в [88] и на рис. 6.28. Ограничивающим фактором по дальности передачи оптических сигналов в линиях с DRA является накопление шумов усиления [89]. Исследования пока- зывают, что встречная и согласованная накачки DRA вызывают различные ве- личины шума ASE (рис. 6.29), т. е. наихудшие шумовые свойства демонстри- руют усилители с встречной накачкой. Рис. 6.27. Широкополосное усиление (диапазоны C и L) при многоволновой накачке [77] 242 Рис. 6.28. Возможности по организации оптических каналов на протяженных оптических линиях при использовании DRA При согласованной накачке коэффициент шума находится в пределах 4 дБ, а при встречной может возрасти до 9 дБ при мощности накачки 300 мВт на волне 1400 нм для обоих способов. Однако встречная накачка используется для предварительных усилителей, т. к. в месте приема сигнала и вводе изучения накачки соотношение сигнал шум остается высоким из-за усиления сигнала вынужденным рассеянием. Признанным по своей эффективности построения оптических усилителей для когерентных оптических со спектральными каналами на скорости 112 Гбит/с стали комбинированные и интегрированные на одной карте усилитель Рамана и EDFA, которые получили название EDRA, Erbium Doper Raman Amplifier (рис. 6.30, 6.31). Рис. 6.29. Примеры шумовых характеристик DRA для согласованной и встречной накачки в DRA 243 Эффективность состоит в следующем: меньшие вносимые собственные шумы на 6 дБ, чем у существующих EDFA усилителей с аналогичным коэффи- циентом усиления; возможным широким диапазоном перестройки усиления; поддержка в полосе C до 96 спектральных каналов, а в двух диапазонах C и L до 192 спектральных каналов. Примеры таких разработок представлены различными компаниями. Ниже рассматриваются возможности EDRA. Рис. 6.30. Комбинированный усилитель EDRA на диапазон С или L Рис. 6.31. Комбинированный усилитель EDRA на диапазоны С и L 244 Табл. 6.2. Характеристики оптического усилителя EDRA Cisco для диапазона C в мультисервисной транспортной платформе ONS 15454 № Спецификация Данные Общие характеристики 1 Рабочий диапазон волн 1529,0–1562,5 нм 2 Диапазон волн сервисного канала OSC 1500–1520 нм 3 Отклонения коэффициента усиления (EDFA+DRA) ±0,2 − ±0,5 дБ 4 Поляризационно-зависимые потери 0,2 дБ 5 Максимум ПМД 0,15 пс 6 Потери на отражение 40 дБ Секция рамановского усиления 7 Диапазон волн накачки 1425–1452 нм 8 Общая мощность накачки До 500 мВт 9 Управление общей накачкой в пределах 100–450 мВт 10 Точность настройки мощности ±2 % 11 Время перестройки мощности 1 с 12 Типовой рамановский коэффициент усиления: SMF (G.652) E-LEAF (G.655) TW-RS (G.655) 8,5 дБ 10 дБ 13,5 дБ Секция EDFA 13 Величина усиления: Нормальное Диапазон перестройки усиления Контролируемая точность 14 дБ (с аттенюатором 0 дБ) 8–20 дБ ±0,5 дБ 14 Реакция усилителя при добавлении канала 0,1 мс 15 Выходной уровень мощности для всех каналов максимальный Минимальный (для одного канала) Точность мощности +17 дБм −10 дБм 0,1 дБ 16 Диапазон перестройки аттенюатора От 0 дБ до 25 дБ 17 Вносимая ПМД (максимум) 0,5 пс 18 Вносимая хроматическая дисперсия ±0,5 пс 19 Фигура шума (при 0 дБ аттенюатора): Общий шум всех каналов Шум одного канала 5,7 дБ (максим. 7 дБ) 6,7 дБ (максим. 7,5 дБ) 6.3. Полупроводниковые оптические усилители (ППОУ) Полупроводниковые оптические усилители также нашли применение в ко- герентных оптических системах в виде усилителей мощности (BOA, Booster Optical Amplifier) и универсальных усилителей (SOA, Semiconductor Optical Amplifier). Усилители представляют собой многослойные полупроводниковые кристаллы, в средней части которых находится p-n-переход, накачиваемый но- сителями зарядов (электронами и дырками). Эта среда с избыточным содержа- нием электронов и дырок служит каналом усиления оптических сигналов, по- 245 даваемых на один из двух торцов (рис. 6.32). При прохождении сигнала фотоны усиливаются благодаря вынужденному этим сигналом процессу рекомбинации электронов и дырок. Однако в этом потоке усиливаемых фотонов образуются также и случайные по времени, фазе и частоте фотоны из-за случайных реком- бинаций электронов и дырок, что вызывает оптический шум или шум спонтан- ной эмиссии (ASE). В усилителях типа BOA, в отличии от SOA, применяется высокоэффек- тивный канал усиления на основе InP/InGaAsP Multiple Quantum Well (MQW), который позволяет заметно, как показано ниже в характеристиках, снизить уро- вень шума. Рис. 6.32. Конструкция полупроводникового широкополосного оптического усилителя SOA Антиотражающее покрытие торцов кристалла BOA или SOA, и также скошенный канал усиления (рис. 6.33) позволяют устранить отражения сигнала от торцов и образования среды с лазерной генерацией, как в лазере типа F-P, что позволяет формировать равномерное усиление в широком диапазоне волн (1520–1620 нм). Для ввода и вывода оптического излучения используются одномодовые волоконные световоды двух типов: без сохранения поляризации сигнала типа SMF и с сохранением или приданием поляризации типа PMF. При этом воло- конные световоды могут представлять собой отрезки волокон до 1–1,5 м с оконцеванием разъемными соединителями FC/APC или без них для сварки (рис. 6.34). 246 Рис. 6.33. Конструктивное оформление ППОУ со скошенным каналом усиления для исключения отраженных волн Рис. 6.34. Конструкция SOA в корпусе типа «butterfly» с волоконными оконцованными выводами В состав BOA/SOA могут входить оптические изоляторы, совмещаемые со входом и выходом усилителя. Типовые применения BOA в составе систем передачи: выходные усилите- ли излучения лазеров в передатчиках; компенсаторы потерь оптической мощ- ности таких пассивных устройств, как мультиплексоры и демультиплексоры, оптические фильтры. Типовые применения SOA в составе систем передачи: линейный усилитель вместо регенератора; предусилитель перед фотодетектором; быстрый оптиче- ский коммутатор или управляемая коммутационная ячейка (время переключе- ния 1 нс). Возможности по увеличению оптической мощности представлены в харак- теристиках: амплитудной (рис. 6.35), где показана зависимость выходной мощ- ности оптического сигнала от тока накачки и зависимость усиления от тока накачки и выходной мощности сигнала; частотной (рис. 6.36), где показаны за- висимости усиления и коэффициента шума от длины волны усиливаемого сиг- нала. Кроме того, представлены зависимости усиления для сигналов с различ- ной поляризацией (рис. 6.37). 247 Рис. 6.35. Характеристики усиления полупроводникового оптического усилителя ППОУ 1 Рис. 6.36. Характеристики усиления и шума ППОУ 1 URL: www.kamelian.com (дата обращения: 27.01.2015). 248 Рис. 6.37. Характеристики усилителя SOA1013Covega для различно поляризо- ванных сигналов при шуме 8,5–9,0 дБ Усилители отличаются значительными отличиями в усилении оптических сигналов с разными значениями поляризации (1,0–1,5 дБ). Общая полоса уси- ления ППОУ может достигать от 40 нм до 85 нм и более (рис. 6.36, 6.37, 6.38). Рис. 6.38. Характеристики усилителя BOA1007 Covega Для сравнительной оценки BOA и SOA в табл. 6.3 приведены основные характеристики 1 1 URL: www.covega.com (дата обращения: 27.01.2015). |