Оптические усилители. Классификация. Требования. Принцип действия волоконно- оптического усилителя.

ОУ- устройство, обеспечивающее внутреннее усиление оптического сигнала без его преобразования в эл форму.

Существует 5 типов ОУ:

6. усилитель с полостью Ф-П – усиление одного канала (одной длины волны).

7. усилитель на волокне, использующие бриллюэновское рассеяние – усиление одного канала.

8. усилитель на волокне, использующие рамановское рассеяние – усиление нескольких каналов одновременно.

9. полупроводниковые лазерные усилители – усиление большого числа каналов в широкой области длин волн одновременно.

10. усилители на примесном волокне- усиление большого числа каналов в широкой области длин волн одновременно.

Принцип действия:

ОУ, аналогично лазерам, используют принцип индуцированного излучения.

Если существует низкая активная среда, имеющая только 2 энергетических состояния E₁ и E₂, причем

E₁ < E₂, т.е. E₂ является возбужденным по отношению к E₁ состоянию, то в равновесных условиях, число рабочих частиц (электронов, ионов или молекул- потенциальных усилительных агентов среды) распространено по статистике Больцмана так, что N₂< N₁. В результате, если на вход такой среды попадает фотон, то он большей вероятностью будет поглащен этой средой, что может сопровождаться переходом частицы с уровня E₁ на E₂, если энергия фотона ω > (E₂-E₁). Усиление в такой среде невозможно, хотя и существует некоторая вероятность эмиссии (испускания) фотона, если электрон спонтанно перейдет с верхнего возбужденного уровня на нижний релаксационный уровень.

Усиление станет возможным, если удастся создать инверсию населенности уровней, когда N₂> N₁. для этого используется система энергетической накачки. В качестве накачки можно использовать инжекцию электронов или излучение лазера соответствующей длины волны для создания фотонов нужной энергии. В результате накачки и создания определенной инверсии населенности активная среда становится способной генерировать вторичные фотоны (той же частоты и направления распространения с коэффициентом размножения K при попадании на ее вход возбуждающего фотона из светового потока усиливаемого сигнала. В результате осуществляется его усиление за счет возбуждаемой эмиссии.

Усиление неизбежно сопровождается 2мя другими процессами: поглощением энергии светового сигнала, который обычно носит экспоненциальный характер, возрастая с ростом L, и спонтанной эмиссией вторичных фотонов, которая м.б. усилена приводя к появлению так называемого усиленного спонтанного излучения.

Некоторые типы ОУ, использующие для накачки лазеры, требуют рассмотрения более сложной 3х уровневой схемы взаимодействия, где третий, так называемый метастабильный уровень E₃ лежит между 1 и 2 уровнями. Схема создания инверсии населенности при этом такова: с 1го уровня частицы накачкой переводятся на 2ой, с которого они в результате релаксации переходят на 3ий (метастабильный) уровень, время жизни которого (среднее время до спонтанного испускания фотона) достаточно велико. На этом 3ем уровне частицы накапливаются и создается достаточный уровень (не менее 2х кратного) инверсии населенностей по отношению к 1уровню (N₃> N₁).

Мультиплексирование с разделением по длинам волн. Структурная схема системы WDM. Канальный план.

Технологии WDM и DWDM – новые сетевые технологии для транспортных магистральных сетей, основанные на спектральном уплотнении оптического излучения по длине волны.

Для увеличения пропускной способности вместо увеличения скорости передачи в 1 канале в технологии WDM увеличивают число каналов (длин волн). Рост пропускной способности осуществляется без замены оптического кабеля. Технология WDM позволяет сдавать в аренду отдельные длины волн, т.е. реализовать концепцию виртуального волокна. По 1 волокну передаются самые различные приложения: кабельное ТВ, видео по требованию, трафик Internet, ТФ.

Применение технологии исключает дополнительных прокладок оптических кабелей. Надо учитывать, что ВО инфраструктура всегда будет стоить очень дорого.

Технология WDM применяется на линиях большой протяженности, кроме того в сетях городского и регионального масштаба системы кабельного ТВ.

Многочисленные преимущества DWDM отражаются на их цене.

Структурная схема системы DWDM.

Структурная схема системы DWDM включает основные блоки:

Цифровые сигналы любого уровня STM- N в количестве 2, 4, 6, 8 и т.д. поступают на вход системы WDM. Согласование одноволновых систем с многоволновой производится через транспондеры (ТП) – приемопередатчики- которые осуществляют преобразование длины волны в соответствии с заданным канальным планом системы.

Оптические MUX /DEMUX, усилители (в составе аппаратуры DWDM), линейные усилители.

Канальный план.

Основным параметром в технологии DWDM является интервал в длинах волн оптического излучения соседних каналов. Стандартизация пространственного распределения оптических каналов является основой для возможности тестирования на взаимную совместимость оборудования разных производителей. В рек. G.692 ITU-T определен частотный план систем DWDM с разнесением частот между соседними каналами 100 ГГц, что соответствует интервалу по длине волны 0, 8 нм. Продолжает обсуждаться возможность принятия частотного плана с частотным интервалом 50 ГГц (0, 4 нм).

Равномерное распределение каналов позволяет оптимизировать работу волновых конверторов, перестраиваемых лазеров и др устройств оптической сети, а также облегчает возможность ее наращивания. Реализация той или иной сетки частотного плана во многом зависит от типа используемых ВО усилителей на основе кварца, легированного эрбием, скорости передачи в каналах – STM –16 (2, 4 Гбит/с), STM-64 (10 Гбит/с), STM-256 (40 Гбит/с) и влияние нелинейных эффектов в волокне ОУ. Более плотная сетка частотного плана, с интервалом 50 ГГц позволяет эффективнее использовать спектральный диапазон волн 1540…1560нм, в котором работают усилители EDFA. Но:

1. с уменьшением межканальных интервалов растет влияние эффекта 4хволнового смешения в волокне ОУ, что ограничивает максимальную длину регенерационного участка линии.

2. при уменьшении межканального интервала по длине волны до значения примерно 0, 4 нм начинают проявляться ограничения по мультиплексированию каналов более высокого уровня (STM – 64). Видно, что мультиплексирование каналов уровня STM – 64, имеющих частотный интервал 50 ГГц, не допустимо из-за перекрытия спектров соседних каналов. Кроме того, частотный интервал в 50 ГГц накладывает более жесткие требования к перестраиваемым лазерам, MUX и др компонентам аппаратуры систем DWDM, что ведет к увеличению ее стоимости.