Рисунок 7.1 – Структурная схема электронно-оптического повторителя (а) и форма оптического и электрического сигналов (б)
| Предыдущая | Оглавление | Следующая |
По методу усиления оптического сигнала ретрансляторы подразделяются на две категории:
В волоконно-оптических системах локальных сетей повторители значительно больше распространены, чем оптические усилители, в то время как при построении оптических магистралей оптические усилители играют первостепенную роль.
Повторитель – это электронно-оптическое устройство, которое преобразует оптический сигнал в электрическую форму, усиливает, корректирует, а затем преобразовывает обратно в оптический сигнал (рисунок 7.1).
Рисунок 7.1 – Структурная схема электронно-оптического повторителя (а) и форма оптического и электрического сигналов (б)
Можно представить повторитель как последовательно соединённые приёмный и передающий оптический модули. Аналоговый повторитель, в основном, выполняет функцию усиления сигнала. При этом вместе с полезным сигналом усиливается также входной шум.
Однако при цифровой передаче повторитель наряду с функцией усиления может выполнять функцию регенерации сигнала.
Обычно блок регенерации охватывает цепь принятия решения и таймер. Блок регенерации восстанавливает прямоугольную форму импульсов, устраняет шум, ресинхронизирует передачу так, чтобы выходные импульсы попадали в соответствующие временные интервалы. Повторитель может и не содержать таймера и восстанавливать прямоугольную форму импульсов по определенному порогу, независимо от того, на какой скорости ведётся передача. Такие «средонезависимые» повторители применяются в локальных сетях.
В локальных сетях распространены повторители, преобразующие сигналы из многомодового в одномодовое волокно и наоборот. Такие повторители получили название конвертеры. Широко распространены ОМ/ММ конвертеры на 100, 155 и 622 Мбит/с.
Оптический усилитель (ОУ), в отличие от повторителя, не осуществляет оптоэлектронного преобразования, а сразу производит усиление оптического сигнала (рисунок 7.2).
Рисунок 7.2 – Структурная схема оптического усилителя
ОУ не способны в принципе производить регенерацию оптического сигнала. Они в равной степени усиливают как входной сигнал, так и шум. Кроме того, вносится собственный шум в выходной оптический канал. ОУ используют принцип индуцированного излучения, аналогично лазерам. Существуют несколько типов оптических усилителей. Рассмотрим два из них.
а) Полупроводниковые усилители (ППУ).
Основу полупроводникового усилителя составляет активная среда, аналогичная той, которая используется в полупроводниковых лазерах. В ППУ отсутствуют зеркальные резонаторы, характерные для полупроводниковых лазеров. Для уменьшения френелевского отражения с обеих сторон активной среды наносится специальное просветляющее покрытие толщиной λ/4 (рисунок 7.3).
Полупроводниковые усилители пока не получили столь широкого распространения, как усилители на примесном волокне. Дело в том, что ППУ свойственны два существенных недостатка.
Рисунок 7.3 – Структурная схема оптического полупроводникового усилителя
Первый недостаток связан с тем, что светоизлучающий активный слой имеет ширину несколько микрометров, но толщину в пределах одного микрометра. Это много меньше, чем диаметр светонесущей части оптического волокна (примерно 9мкм – для одномодового волокна). Вследствие этого большая часть светового потока, исходящего из волокна, не попадает в активную область и теряется, что уменьшает КПД усилителя. Увеличить КПД можно, поставив между входящим волокном и активной средой линзу, но это приводит к усложнению конструкции.
Второй недостаток имеет более тонкую природу. Дело в том, что коэффициент усиления ППУ зависит от направления поляризации и может отличаться на 4-8дБ для двух ортогональных поляризаций. Это нежелательно, так как в стандартном одномодовом волокне поляризация распространяемого светового сигнала не контролируется. Мощность светового потока данной поляризации может флуктуировать вдоль длины. Отсюда вытекает, что коэффициент усиления ППУ зависит от неконтролируемого фактора.
Два приведённых недостатка имеют меньшее значение в тех случаях, когда ППУ интегрирован с другими оптическими устройствами. И именно так преимущественно используются ППУ. Одна из возможностей – производство совмещённого светоизлучающего лазерного диода, непосредственно на выходе которого устанавливается ППУ.
На рисунке 7.4 показана реализация источника мультиплексного многоволнового излучения, в котором ППУ используется в качестве широкополосного усилителя.
Рисунок 7.4 – Структурная схема источника мультиплексного излучения (а)
и форма световых сигналов лазеров (б)
(Полупроводниковые усилители интегрированы с массивом лазерных светодиодов и оптическим разветвлением)
Несколько узкополосных полупроводниковых лазеров на разных длинах волн генерируют световые сигналы, которые разветвляются и коммутируются посредством оптического разветвителя. ППУ устанавливается на конечном участке, чтобы усилить ослабленные после разветвления оптические сигналы.
б) Усилители на примесном волокне.
Этот тип оптического усилителя наиболее широко распространён и является ключевым элементом в технологии полностью оптических сетей, поскольку он позволяет усиливать сигнал в широком спектральном диапазоне. На рисунке 7.5 приведена схема усилителя на примесном волокне.
Рисунок 7.5– Структурная схема оптического усилителя на примесном волокне
Слабый входной оптический сигнал (1) проходит через оптический изолятор (2), который пропускает свет в прямом направлении – слева направо, но не пропускает отражённый свет в обратном направлении. Далее проходит через блок фильтров (3), который блокирует световой поток на длине волны накачки, но прозрачен к длине волны сигнала. Затем сигнал попадает в катушку с волокном, легированным примесью из редкоземельных элементов (4). Длина такого участка волокна составляет несколько метров. В этот участок волокна поступает интенсивное непрерывное излучение накачки от полупроводникового лазера (5) с более короткой длиной волны. Свет от лазера накачки (6) возбуждает атомы примесей. Возбуждённые атомы имеют большое время спонтанного перехода в основное состояние. Однако при наличии внешнего слабого оптического сигнала происходит индуцированный переход атомов примесей из возбужденного состояния в основное с излучением света на той же длине волны и с той же самой фазой, что и внешний сигнал. Селективный разветвитель (7) перенаправляет усиленный сигнал (8) в выходное волокно (9). Дополнительный оптический изолятор на выходе (10) предотвращает попадание обратного отражённого сигнала из выходного сегмента в активную область оптического усилителя.
Активной усиливающей средой усилителя является, как правило, одномодовое волокно, сердцевина которого легируется примесями редкоземельных элементов с целью создания трехуровневой атомной системы (рисунок 7.6).
Рисунок 7.6 – Энергетическая диаграмма уровней атомной системы усилителя на примесном волокне
Лазер накачки возбуждает электронную подсистему примесных атомов. В результате чего электроны из основного состояния (уровень А) переходят в возбуждённое состояние (уровень В). Далее происходит релаксация электронов с уровня В на промежуточный уровень С. Когда заселённость уровня С становится достаточно высокой, так что образуется инверсия населённостей уровня С, система способна индуцировано усиливать входной оптический сигнал в определённом диапазоне длин волн. Если же входной сигнал отсутствует, то происходит спонтанное излучение возбуждённых атомов примесей, приводящее к шуму.
Особенности работы усилителей во многом зависят от типа примесей и от диапазона длин волн, в пределах которого он должен усиливать сигнал. Наиболее широко распространены усилители, в которых используется кварцевое волокно, легированное эрбием. Такие усилители получили название EDFA (Erbium Doped Fiber Amplifier) – оптический усилитель на волокне, легированном эрбием. Межатомное взаимодействие является причиной очень важного положительного фактора – уширение уровней, что, в конечном итоге, обеспечивает усилителю широкую зону усиления сигнала. В EDFA наиболее широкая зона усиления от 1530 до 1565нм. К счастью, этот диапазон длин волн в точности соответствует диапазону минимальных потерь в кварцевом волокне, который поэтому наиболее широко используется в магистральных ВОЛС. Этот диапазон (1530–1565нм) достигается при оптимальной длине волны лазера накачки 980нм. В некоторых системах используют длину волны накачки 1480нм.
| Предыдущая | Оглавление | Следующая |