Волоконные усилители для телекоммуникаций

 Введение

Хорошо  известно, что через каждые 50 –100 км волоконно-оптического тракта происходит ослабление оптического сигнала на 10 – 20 дБ, что требует его восстановления. До начала 90-х г. в действующих линиях связи единственным способом компенсации потерь в линии было применение регенераторов. Регенератор – это сложное устройство, включающее в себя как электронные, так и оптические компоненты. Регенератор преобразует световой сигнал в электрический, распознает его и производит электронное восстановление первоначальной формы сигнала, а затем вновь излучает оптический сигнал, передаваемый дальше по волокну. Пропускная способность сети или линии дальней связи с регенераторами ограничена возможностями электроники (на сегодняшний день предельная скорость обработки сигналов для электроники порядка 40 Гбит/с, а в 1986 г. она не превышала 1 Гбит/с). Интенсивные исследования нескольких групп ученых в 1985 – 1990 годах, каскад открытий и изобретений привели, в конечном счете к появлению технически совершенных промышленных эрбиевых усилителей (Erbium_Doped Fiber Amplifier – EDFA).

Усилители на волоконном световоде, легированном ионами эрбия (Er_doped fiber), обладают сочетанием уникальных свойств, обеспечившим им быстрое внедрение в системы дальней связи. Среди этих свойств следующие:

1. Возможность одновременного усиления сигналов с различными длинами волн.
2. Непосредственное усиление оптических сигналов, без их преобразования в электрические сигналы и обратно.
3. Практически точное соответствие рабочего диапазона эрбиевых усилителей области минимальных оптических потерь световодов на основе кварцевого стекла.
4. Низкий уровень шума и простота включения в волоконно-оптическую систему передачи.

Преимущества  оптических усилителей над регенераторами были очевидными и до их практической реализации. Поэтому первое же сообщение (1987 г.) об успешных экспериментах научной группы из Университета Саутгемптона (Великобритания) под руководством Д. Пэйна (D. Payne) по усилению света в волоконном световоде, легированном ионами эрбия, привлекло пристальное внимание ученых и разработчиков. За короткое время были проведены экспериментальные и теоретические исследования, подтвердившие практическую возможность создания компактного, обладающего хорошими характеристиками чисто оптического усилителя.

В 1990 г. были проведены крупные конференции, посвященные исключительно эрбиевым усилителям и их компонентам; на эту тему было опубликовано множество статей и уже в 1992 г. на рынке появились готовые для применения модули таких усилителей. Существенный вклад наряду с группой из Саутгемптона внесла научная группа под руководством Эммануила Десурвира (Emmanuel Desurvire) из лаборатории Bell (США). В нашей стране работы в этом направлении велись под руководством Е.М. Дианова в отделе волоконной оптики Института общей физики АН СССР (в настоящее время Научный центр волоконной оптики при ИОФ им. А.М. Прохорова РАН). Разработка и применение эрбиевых волоконных усилителей привели к революционным изменениям в линиях дальней связи и обеспечили внедрение технологии спектрального уплотнения DWDM. Быстрый рост информационной емкости волоконно-оптических линий связи, основанных на новых технологиях, способствовал возникновению телекоммуникационного бума и росту инвестиций в эту область в конце 90-х.

История волоконно-оптических усилителей, легированных редкоземельными элементами, восходит к 1960 годам, когда впервые был  продемонстрирован оптический усилитель  на стеклянном волокне с покрытием  из ниодима при длине волны 1,06 мкм. По прошествии ряда лет было выполнено объединение физических принципов, положенных в основу работы одномодового стеклянного волокна и полупроводникового лазера, создавших условия для появления 1,55 мкм волоконно-оптического усилителя. Так как оптические потери в кремниевом стеклянном волокне при 1,55 мкм имеют наименьшее значение (-0,2 дБ/км), данная длина волны стала наиболее часто использоваться для дальних телекоммуникаций. Демонстрация в 1987 году усилителя (EDFA) на легированном волокне показала большой потенциал волоконно-оптических усилителей. После получения этих начальных результатов телекоммуникационные лаборатории по всему миру начали проводить исследования, нацеленные на использование EDFA в оптических системах телекоммуникаций.

EDFA имеет определённое количество характеристик, которые делают его идеальным для использования в оптических коммуникациях, включая усиление, независимость от поляризации, низкие перекрёстные помехи между каналами, широкую полосу рабочих оптических частот и низкий уровень генерации шумов. Таким образом, EDFA действительно является идеальным способом компенсации потерь при распространении сигнала по высокоскоростным одномодовым волоконно-оптическим линиям связи. 

 

Квантовые оптические усилители

Эти устройства обеспечивают внутреннее усиление оптического сигнала без его  преобразования в электрическую  форму. Они используют принцип индуцирования излучения в активной среде, аналогично лазерам. Существует пять типов оптических усилителей, см. табл. 1:

- Усилители с резонатором  Фабри-Перо.

- Усилители на волокне,  использующие бриллюэновское рассеяние.

- Усилители на волокне,  использующие рамановское рассеяние.

-  Полупроводниковые  лазерные усилители.

- Квантовые усилители  на эрбиевом волокне (EDFA).

Таблица 1. Типы и области применения оптических усилителей     

№	Типы усилителей	Область применения
1	Усилители с резонатором Фабри-Перо	Усиление одного канала (одной длины  волны)
2	Усилители на волокне, использующие бриллюэновское рассеяние	Усиление одного канала
3	Усилители на волокне, использующие рамановское рассеяние	Усиление нескольких каналов одновременно
4	Полупроводниковые лазерные усилители	Усиление большого числа каналов  в широкой области длин волн одновременно
5	Квантовые усилители на эрбиевом волокне EDFA	Усиление большого числа каналов  в широкой области длин волн одновременно

 

Рассмотрим особенности конструкции  и преимущества разных типов оптических усилителей.

1. Усилители с резонатором Фабри-Перо. Усилители оснащаются плоским резонатором с зеркальными полупрозрачными стенками. Они обеспечивают высокий коэффициент усиления (до 25 дБ) в очень узком (1,5 ГГц), но широко перестраиваемом (800 ГГц) спектральном диапазоне. Кроме этого, эти устройства не чувствительны к поляризации сигнала и характеризуются сильным подавлением боковых составляющих (ослабление на 20 дБ за пределами интервала в 5 ГГц). В силу своих характеристик, усилители Фабри-Перо идеально подходят для работы в качестве демультиплексоров, поскольку они могут всегда быть перестроены для усиления только одной определенной длины волны одного канала из входного многоканального WDM сигнала.

2. Бриллюэновские усилители на волокне, использующие бриллюэновское рассеяние. Стимулированное бриллюэновское рассеяние – это нелинейный эффект, возникающий в кварц-германатном волокне, когда энергия от оптической волны на частоте f, переходит в энергию новой волны на смещенной частоте f₁.

Если мощная накачка производится на частоте f, стимулированное бриллюэновское рассеяние способно усиливать слабый входной сигнал на частоте f₁. Выходной сигнал сосредоточен в узком диапазоне, что позволяет выбирать канал с погрешностью 1,5 ГГц.

3. Рамановские усилители на волокне, использующие рамановское рассеяние. Стимулированное романовское рассеяние – также нелинейный эффект, который подобно бриллюэновскому рассеянию может использоваться для преобразования части энергии из мощной волны накачки в слабую сигнальную волну. Однако, при рамановском рассеянии частотный сдвиг между сигнальной волной и волной накачки f) больше, а выходной спектральный диапазон усиления шире, что допускает усиление сразу нескольких каналов в WDM сигнале. При разработке таких усилителей основную проблему представляют большие переходные помехи между усиливаемыми каналами.

4. Полупроводниковые квантовые усилители. Структурная схема полупроводникового квантового усилителя приведена на рис. 1.

Рис. 1. Полупроводниковый квантовый усилитель

              Основу полупроводникового квантового усилителя составляет активная среда, аналогичная той, которая используется в полупроводниковых лазерах. В этом усилителе отсутствуют зеркальные резонаторы, характерные для полупроводниковых лазеров. Для уменьшения френелевского отражения с обеих сторон активной среды наносится специальное покрытие толщиной λ/4 с согласованным показателем преломления.

 Полупроводниковым квантовым  усилителям (ППКУ) свойственны три  существенных недостатка ограничивающие  их применение. Светоизлучающий  активный слой имеет ширину  несколько микрон, а толщину в  пределах одного микрона, что  много меньше, чем диаметр световодной части оптического волокна (9 мкм – для одномодового волокна). Вследствие этого большая часть светового потока из входящего волокна не попадает в активную область и теряется, что уменьшает коэффициент усиления. Увеличить ввод излучения в активный слой можно, поставив между входящим волокном и активной средой эллиптическую линзу, но это приводит к усложнению конструкции.

Второй недостаток имеет более  тонкую природу. Дело в том, что выход (коэффициент усиления) ППКУ зависит  от направления поляризации и  может отличаться на 4-8 дБ 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 ППКУ зависит от неконтролируемого фактора. Можно уменьшить эту зависимость от поляризации путем установки двух лазеров – возможно как параллельное (требуется пара разветвителей), так и последовательное их подключение. Но это снова приводит к усложнению конструкции и росту стоимости.

Третий недостаток ППКУ заключается  в малой длине активного канала усилителя (2...3 мм), что не дает возможности  повысить коэффициент усиления более  чем на 20 дБ. Для них также характерен низкий КПД преобразования электрической  энергии в световую (≈5%).

Приведенные недостатки не так важны  в тех случаях, когда ППКУ интегрирован с другими оптическими устройствами. И именно так преимущественно используются ППКУ в интегральных схемах. Одна из возможностей – производство совмещенного светоизлучающего лазерного диода, на выходе которого устанавливается ППКУ. В этом случае такой усилитель называется бустером.

На рис. 2 показана структурная схема реализация источника мультиплексного многоволнового излучения, в котором ППКУ используются в качестве широкополосного усилителя. Несколько узкополосных полупроводниковых лазеров на разных длинах волн генерируют световые сигналы, которые мультиплексируются и размножаются посредством оптического разветвителя. ППКУ устанавливаются на конечном участке, чтобы усилить ослабленные после разветвления оптические мультиплексные сигналы.

 

 

Рис. 2. Структурная схема интегрально-оптического источника мультиплексного излучения

5. Квантовые оптические усилители на эрбиевом волокне (EDFA - erbium doped fiber amplifier). Этот тип оптического усилителя наиболее широко распространен и является ключевым элементом в технологии полностью многоканальных оптических сетей, поскольку он позволяет усиливать сигнал на 20…30 дБ в широком спектральном диапазоне.

 

На рис.  приведена структурная схема усилителя на эрбиевом волокне и ниже описана его работа. Принцип действия основан на том, что слабый входной оптический сигнал проходит через волокно легированное примесью редкоземельного элемента эрбия Er³⁺. Излучение от специального лазера накачки возбуждает атомы примесей Er³⁺ и создает активную среду, при прохождении которой слабый входной сигнал усиливается на 20…30 дБ.

 

 

Эрбиевые оптические усилители (EDFA)

Принципиальным  отличием оптического усилителя  от регенератора является то, что в  усилителе нет оптоэлектронного преобразования. Оптический усилитель  увеличивает амплитуду входных  оптических импульсов чисто оптическим путем, не выполняя при этом никакого восстановления формы импульсов. Первыми были исследованы полупроводниковые и рамановские усилители, однако наличие ряда технологических недостатков в первое время ограничили их практическое использование.

В 1990 г. создаются первые оптические усилители  на основе волокна, легированного эрбием (EDFA), и становятся очевидным возможности их широкого использования в протяженных линиях связи. Несмотря на позднее рождение, EDFA первыми проникают на телекоммуникационный рынок и на сегодняшний день доминируют на нем. Оптический усилитель имеет три существенных преимущества перед регенератором. Во-первых, оптический усилитель конструктивно проще. Во-вторых, оптический усилитель в отличие от регенератора не привязан к протоколу или скорости передачи и может преобразовывать (усиливать) входной сигнал любого формата. В-третьих, оптический усилитель способен одновременно усиливать большое число независимых спектрально разделенных каналов, в то время как регенератор может обрабатывать только один канал, одну длину волны. Перечисленные преимущества оптического усилителя настолько значительны, что позволяют мириться с главным недостатком – дополнительным шумом, вносимым усилителем.

 

Принцип работы эрбиевого усилителя

Принцип работы усилителей EDFA основан на явлении усиления света при вынужденном излучении (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation). Это то же самое явление, которое обеспечивает возникновение генерации в лазерах и, собственно говоря, дало им название (слово LASER это и есть аббревиатура вышеприведенной фразы). Возможность усиления света в световодах, легированных ионами эрбия, обуславливается схемой уровней энергии данного редкоземельного элемента, представленной в упрощенном виде на рис.1.