Оптические усилители на ВОЛП. Классификация основных видов ОУ. Схема составного широкополосного EDFA-усилителя

2. Теоретические сведения

2.1 Оптические усилители на ВОЛП

В настоящее время оптические усилители (ОУ) являются неотъемлемой частью современных ВОЛП и оптических сетей. Возможность усиления оптического сигнала в широком диапазоне длин волн без преобразования в электрическую форму способствовала развитию и широкому внедрению технологии спектрального уплотнения.

В зависимости от назначения и местоположения на ВОЛП оптические усилители можно классифицировать следующим образом:

- усилитель мощности (бустер);

- линейный усилитель;

- предварительный усилитель.

Усилитель мощности (бустер) устанавливается на выходе оптических передатчиков терминального оборудования или оборудования регенерации. Главная функция бустера заключается в усилении мощности оптического излучения, вводимой в оптический тракт, что позволяет скомпенсировать потери в пассивных элементах (например, в оптических мультиплексорах) и увеличить протяженность первого усилительного участка. Основные требования предъявляются к линейности характеристики усиления мощности и максимально допустимой мощности сигнала на выходе. Требования по шумовым характеристикам бустера не высоки.

Линейные усилители располагаются в пределах секции регенерации для компенсации потерь в оптическом волокне усилительного участка. В данном случае требуется, чтобы ОУ имел высокий уровень усиления слабых сигналов, низкий уровень вносимого шума и равномерный спектр характеристики усиления.

Предварительный усилитель располагается перед оптическим приемником терминального оборудования. Основная функция данного усилителя заключается в усилении слабых сигналов до уровня чувствительности приемного оборудования. Главное требование к предусилителю заключается в минимальном уровне вносимого шума. Применение предварительного усилителя позволяет значительно улучшить чувствительность приемника прямого детектирования.

В зависимости от принципа работы можно ввести следующую классификацию оптических усилителей:

- волоконно-оптические усилители на основе оптических волокон, легированных редкоземельными элементами (эрбий (Er), празеодим (Pr), неодим (Nd), туллий (Tu), иттербий (Yr) и др.);

- полупроводниковые усилители, такие как усилители бегущей волны (УБВ) и усилители на резонаторе Фабри-Перо (УФП);

- нелинейные волоконно-оптические усилители, основанные на явлениях вынужденного комбинационного рассеяния Рамана (SRS) и вынужденного рассеяния Мандельштама-Бриллюэна (SBS);

- параметрические усилители.

Рис. 2.1.1 – Классификация основных видов ОУ

До появления в конце 1980-х гг. оптических усилителей на основе волокна, легированного эрбием, ВКР являлось практически единственным методом оптического усиления для телекоммуникаций и было использовано в первых успешных экспериментальных протяженных ВОЛП. Однако для ВОЛП тех поколений было характерным использование одной несущей при мощности сигнала порядка нескольких милливатт. Таким образом, эрбиевый усилитель с мощностью накачки порядка десятка милливатт позволял усиливать сигнал в требуемом диапазоне, и было нецелесообразно использовать рамановский усилитель, требующий накачки сотни милливатт. Кроме того, доступные и эффективные источники излучения для накачки в требуемом диапазоне практически отсутствовали.

В настоящее время на ВОЛП наиболее широко распространены ОУ на основе волокна, легированного эрбием. Во многих ВОСП со спектральным разделением несущих (ВОСП-СР) количество каналов и, следовательно, полная пропускная способность ограничивается полосой пропускания стандартного диапазона (1530-1565 нм – С диапазон), в котором работает EDFA. Для увеличения пропускной способности ВОСП-СР первоначальной задачей является увеличение рабочей полосы усиления оптических усилителей. Кроме использования окон прозрачности 800 нм и 1300 нм, где могут применятся усилители на фторидном волокне, легированном туллием или празеодимом, предпринимаются исследование примесей и несущей среды, позволяющих обеспечить достаточное усиление в диапазонах 1450-1530 нм и 1570-1650 нм, где коэффициент затухания ниже 0,3 дБ/км. В коротковолновом диапазоне (S-диапазон) эффективным является оптический усилитель на волокне, легированном туллием (TDFA), а в длинноволновом диапазоне (L-диапазон) могут использоваться EDFA со смещенным спектром усиления (GS-EDFA).

Практически эрбиевый усилитель для широкополосных ВОСП-СР, как правило, реализуется в виде составной конструкции, в которой используется два отдельных усилителя, разработанные под конкретный диапазон. На рисунке 2.1.2 представлена типовая схема построения подобных усилителей.

Рис. 2.1.2 – Схема составного широкополосного EDFA-усилителя

Кроме того, по мере увеличения числа мультиплексируемых оптических каналов, значительно возрастает суммарная мощность, вводимая в оптическое волокно, а следовательно, повышаются требования и к мощности источников накачки. Таким образом, эти факторы привели к усложнению конструкции эрбиевых усилителей, и требуемые значения мощности накачки сравнились с значениями, необходимыми для обеспечения рамановского усиления. Таким образом, ВОЛП с использованием EDFA почти достигли своего предела пропускной способности.

В настоящие время для использования на оптических сетях