EDFA усилители

Оптические усилители (optical amplifier) – активные устройства, обеспечивающие увеличение мощности (амплитуды) оптического сигнала без оптоэлектронного преобразования. В современных волоконно-оптических линиях связи применяются три основных вида усилителей:

1. Усилители на основе оптического волокна легированного редкоземельными металлами (Doped Fibre Amplifier);
2. Полупроводниковые оптические усилители (Optical Semiconductors Amplifier);
3. Оптические усилители, использующие нелинейные явления в оптоволокне (Raman Amplifier).

В данной статье будут рассмотрены только оптические усилители на основе оптического волокна легированного эрбием (Erbium Doped Fibre Amplifier, сокращенно EDFA) получившие в настоящее время наибольшую популярность за счёт низкой стоимости и простоты производства.

Что такое оптические EDFA усилители

Оптический усилитель на основе волокна легированного эрбием (от англ. Erbium Doped Fibre Amplifier, сокращенно EDFA) – это активное оптическое устройство обеспечивающее увеличение оптической мощности (амплитуды) входящего в него одиночного или группового (без необходимости предварительного демультиплексирования) оптических сигналов, без оптоэлектронного преобразования. Оптические усилители EDFA являются базовыми компонентами протяжённых линий связи, таких как: системы спектрального уплотнения DWDM; сети передачи КТВ.

Принцип работы EDFA усилителей

Принцип действия усилителей на основе волокна, легированного эрбием схож с принципом действия твердотельных лазеров с объёмными активными элементами, он построен на эффекте вынужденного испускания излучения ионами редкоземельных металлов. В волокне, легированном ионами, при помощи оптической накачки на длине волны 980 нм или 1490 нм создается инверсия населённости ионов, которая запускает процесс вынужденного испускания излучения, за счет которого происходит усиление подаваемого вместе с накачкой полезного сигнала.

Оптический усилитель EDFA состоит из следующих компонентов:

1. Оптический сплавной делитель FBT с неравномерным коэффициентом деления оптического излучения;
2. WDM-фильтр для смешивания полезного сигнала с сигналом накачки;
3. Лазер накачки, генерирует сигнал накачки на длинах волн 980 нм или 1480 нм;
4. Эрбиевое волокно, специальное одномодовое оптическое волокно, легированное редкоземельным металлом Эрбием, в котором происходит передача энергии от сигнала накачки к полезному сигналу;
5. Оптический изолятор, который пропускает через себя только полезный сигнал, отсекая сигнал накачки;
6. Gain Flatting Filter (сокр. GFF), оптический фильтр используемый для выравнивания спектра усиления, зачастую используется в двухсекционных усилителях.

Следует заметить, что лазер накачки (на англ. Pump laser, сокращенно PUMP), может устанавливаться как по направлению распространения полезного сигнала – сонаправленная накачка, так и против него – противонаправленная накачка. В двухступенчатых усилителях используются оба типа накачки как сонаправленная, так и противонаправленная для получения преимуществ обоих типов.

Принцип современных однокаскадных оптических усилителей прост:

1. Полезный сигнал (далее ПС) подается на входной порт усилителя.
2. ПС делится на два направления. По направлению меньшей мощности (5%) сигнал поступает на встроенный фотоприемник, который дает команду управляющей плате включить лазер накачки.
3. По направлению большей мощности (95%) ПС поступает на оптический изолятор, который предотвращает подачу обратных отражений или паразитных сигналов во входной порт.
4. ПС, пройдя оптический изолятор, поступает в WDM-фильтр, в котором он смешивается с оптическим излучением накачки (далее ОИН).
5. После смешения в WDM-фильтре, сигналы поступают в эрбиевое волокно, в котором происходит передача энергии от ОИН в ПС.
6. После прохождения эрбиевого волокна, остатки ОИН и усиленный ПС поступают на выходной изолятор, который отсекает ОИН и пропускает только ПС.
7. ПС поступает на оптический делитель, по направлению большей мощности сигналы уходят в выходной порт.
8. По направлению меньшей мощности сигналы поступают на фотоприемник, который управляет мощностью лазера накачки. В случае если детектируемый сигнал ниже заданного значения, управляющая плата повышает подаваемый на лазер накачки ток, что в свою очередь повышает выходную мощность оптического излучения лазера; если же значение пришедшей мощности выше порогового, управляющая плата снижает выходную мощность лазера накачки.

Описанный принцип работы эрбиевого усилителя называется «усилитель с обратной связью», так как в зависимости от выходного сигнала, управляющая плата усилителя может корректировать работу лазера накачки через подаваемый на него ток (параметр BIAS).

Основные параметры EDFA усилителей

Основными параметрами EDFA усилителей, применяемых на сегодняшний день в ВОЛС, принято считать:

• Спектральная ширина полосы усиления;
• Коэффициент усиления;
• Динамический диапазон;
• Равномерность спектра усиления;
• Шум фактор.

Спектральная ширина полосы усиления оказывает определяющее влияние на число спектральных каналов в системах DWDM. Она определяется спектром излучения ионов эрбия, которыми легирован отрезок волокна являющееся неотъемлемым компонентом EDFA. Под действием молекул окружения, уровни энергии ионов эрбия расщепляются на подуровни. Величина расщепления определяет ширину полосы излучения. Чем шире полоса излучения, тем более широкого спектра усиления нужно от оптического усилителя.

Коэффициент усиления представляет собой экспоненциальную функцию, зависящую от длины волны и мощности входного сигнала. Рассчитывается по формуле:

G = P_Sout/P_Sin, g = P_Sout– P_Sin

Где P_Sout и P_Sin— мощности (полезных) сигналов на входе и выходе усилителя. Зависимость от длины волны определяется формой энергетических уровней легированных атомов эрбия, их концентрацией, распределением, длиной волны лазера накачки и многими другими параметрами.

Зависимость коэффициента усиления от мощности входного сигнала для длины волны 1550 нм приведена на графике ниже.

Динамический диапазон (SNR) определяется как диапазон входной мощности оптического сигнала, при котором коэффициент усиления остаётся постоянным. SNR связан с другим важным параметром – коэффициентом шума.

Основным источником шума в усилителе на волокне, легированном эрбием, является спонтанное излучение. Это спонтанное излучение усиливается и повторно поглощается по всей длине усилителя. Для характеристики качества оптического усилителя используется параметр, получивший название шум-фактор (noise figure). Величина шум-фактора является мерой ухудшения отношения сигнал/шум входного когерентного сигнала при прохождении через оптический усилитель. Рассчитывается по формуле:

Где OSNR_in – это соотношение сигнал-шум на входе, OSNR_out – соотношение сигнал-шум на выходе.

Уровень шума при использовании накачки на длине волны 1480 нм выше, чем при использовании накачки на длине волны 980 нм.

Типы эрбиевых усилителей

В зависимости от размещения усилителей на трассе их можно разделить на три основных типа:

1. Входные усилители мощности (бустеры от англ. booster) устанавливаются непосредственно после лазерных передатчиков и предназначены для дополнительного усиления сигнала до уровня, который не может быть достигнут на основе лазерного диода трансивера или передающего модуля.
2. Линейные усилители устанавливаются в промежуточных точках регенерации на протяжённых линиях связи с целью компенсации ослабления передаваемого сигнала, которое происходит в следствии затухания в оптическом волокне или из-за деления в оптических разветвителях или мультиплексорах ввода-вывода OADM. В общем случае можно сказать, что линейные усилители представляют собой альтернативу оптоэлектронным повторителям 2R – типа и регенераторам, но только в тех случаях, когда нет необходимости в точном восстановлении сигнала или восстановлении синхронизации.
3. Предварительные усилители (предусилители от англ. preamplifier) устанавливаются в конце линии передачи перед оптическим приёмником или демультиплексором, для предварительного усиления принимаемого сигнала до величины приемлемой для детектирования приемником.

Сферы применения

В современных телекоммуникационных системах можно выделить две основные сферы применения оптических усилителей на эрбиевом волокне:

1. Протяжённые системы передачи данных, такие как DWDM и SDH Long-Haul;
2. Сети передачи кабельного телевидения – КТВ (CATV).

При разговоре про протяжённые системы передачи данных первое, что приходит на ум это системы спектрального уплотнения DWDM. В них могут применяться все виды оптических усилителей, но в основной все протяжённые линии DWDM так или иначе сводятся к топологии «точка-точка», из-за чего наибольшей популярностью пользуются EDFA бустеры и предусилители. Линейные же усилители применяются в сложных, разветвлённых системах уплотнения с количеством узлов связи более трёх.

Кроме DWDM систем актуальной сферой применения EDFA усилителей являются протяжённые линии SDH. На сегодняшний день этот сегмент весьма узкий в связи с непопулярностью SDH-систем, но в нем востребованы те же типы оптических усилителей, которые применяются в DWDM. Единственным кардинальным отличием SDH усилителей от DWDM усилителей является ширина спектра усиления. В SDH применяются так называемые Single Lambda EDFA (усилители, рассчитанные на усиление одного сигнала), в то время как в DWDM используются широкополосные усилители, рассчитанные на работу с длинами волн C-диапазона или L-диапазона.

Оптические усилители, применяемые в КТВ сетях, схожи по принципу с усилителями, используемыми в SDH, так как они тоже усиливают один сигнал. Спектральная ширина полосы усиления в КТВ EDFA составляет всего ≈20 нм в диапазоне 1540-1560 нм, в то время как оптические усилители для DWDM усиливают сигналы во всем С-диапазоне (1529-1565 нм) или L-диапазоне. Такая ширина спектра усиления в CATV усилителях связана с тем, что передаваемый КТВ сигнал представляет собой спектр 1550±5 нм. Другим важным отличием оптических усилителей для КТВ является выходная мощность, которая может достигать 41 дБм, в то время как DWDM EDFA ограничиваются выходной мощностью в 24 дБм. Так же в качестве отличий можно указать специфическую архитектуру КТВ EDFA усилителей, которая может включать в себя оптические делители на выходном порту и широкополосные WDM фильтры, но это является всего лишь необходимой для отросли модификацией, а не отличием.