Слепов Н.Н. Современные технологии Цифровых оптоволоконных сетей связи (ATM, PDH, SDH, SONET и WDM)

Подождите немного. Документ загружается.

Глава 9

Введение в оптические цифровые сети

305

Потери мощности солитона в световоде

Для сохранения свойств солитона при распространении по световоду необходимо сохра-

нять его пиковую мощность, которая экспоненциально убывает по длине световода, см. формулу

(9-11). Практика показывает, что ширина солитонного импульса г растет линейно при прохожде-

нии по световоду со скоростью меньшей, чем для обычного импульса в линейной среде:

где L

- дисперсионная длина, на которой дисперсионные эффекты становятся важными для эво-

люции импульса, L

= τ

/ /β

Солитонные линии связи могут использоваться либо для увеличения длины регенерацион-

ного участка (по меньшей мере в два раза по сравнению с обычной) вплоть до частот порядка 40

Гбит/с (уровень STM-256), либо для передачи информации на очень большие расстояния (не-

сколько тысяч километров) без использования регенераторов. Возникающая при этом неизбежная

потеря пиковой мощности солитона может быть компенсирована использованием оптических

усилителей (ОУ). Причем усилитель восстанавливает солитон как физическую сущность, обла-

дающую известными свойствами, после чего солитонный импульс самостоятельно сжимается до

первоначальной ширины.

В результате такого сжатия часть энергии солитона превращается в дисперсионную волну,

которая может стать значительной помехой в работе линии связи. Для ее ограничения приходится

уменьшать расстояние между ОУ до 10-25 км. Выходом из создавшегося положения является ли-

бо совершенствование ОУ (как это было сделано позже с использованием ОВ, легированного эр-

бием, см. ниже), либо усиление солитонов за счет ВКР, при котором существенно уменьшается

доля рассеянной энергии. Так как усиление распределено по всей длине световода, то излучение

накачки, имеющее более высокую частоту (меньшую длину волны, например порядка 1460-1480

нм), можно периодически инжектировать в световод в нескольких местах в направлении, проти-

воположном направлению распространения солитонов. Длина такой линии может составлять от

нескольких тысяч до нескольких десятков тысяч километров.

Наличие частотной модуляции в начальном импульсе

Другим ограничивающим моментом является наличие паразитной частотной модуляции -

ПЧМ в начальном импульсе. Импульс, генерируемый лазерным источником не только имеет фор-

му, отличную от гиперболического секанса, но и подвержен ПЧМ. Она накладывается на ФСМ и

нарушает баланс между дисперсионными и нелинейными эффектами, который необходим для

существования солитонов. В этом случае поведение импульса может быть сложным: он может

сужаться в начале пути, а затем уширяться и устанавливаться окончательно, пройдя некоторое

расстояние, зависящее от периода солитона (см. рис. 9-8). При некоторых критических значениях

параметров солитон может даже разрушиться (коллапсировать), поэтому частотная модуляция

начального импульса должна быть сведена к минимуму.

Взаимодействие соседних солитонных импульсов

Солитонный импульс в системе связи играет роль информационного импульса. При увели-

чении скорости передачи информации (которая обратна длине периода, занимаемого информацион-

ным импульсом) расстояние между такими импульсами, а значит, и солитонами становится настоль-

ко малым, что нельзя избежать их взаимодействия. При определенном малом расстоянии между ни-

ми такое взаимодействие может периодически вызывать коллапс солитонов, что нежелательно, так

как это ведет к ошибкам в передаваемой информации. Если не принимать специальных мер, то со-

литонные системы могут обеспечить передачу на скоростях порядка 40 Гбит/с (т.е. на уровне STM-

256) с минимальным взаимным влиянием, если использовать импульсы шириной 2-3 пс. Используя

специальные меры, например устанавливая определенную ненулевую относительную фазу или не-

равную относительную амплитуду соседних солитонов (практически используемый вариант), мож-

но довести скорость передачи до 80 Гбит/с (т.е. на уровне ОС-1536) при длине участка регенерации

Оглавление

306

до 500 км и, наконец, используя солитоны, поляризованные в ортогональных плоскостях, - до 160

Гбит/с (т.е. на уровне STM-1024) при длине участка регенерации 225 км [172].

Сжатие солитонных импульсов

Одним из методов уменьшения эффекта взаимодействия солитонов и увеличения скорости

солитонных систем передачи является сжатие солитонных импульсов.

В световоде существует дисперсия групповых скоростей - ДГС, при которой различные

частотные составляющие распространяются с различными скоростями. Основанная на ДГС идея

сжатия достаточно проста: импульс сжимается (т.е. уменьшается расстояние между его перед-

ним и задним фронтами), если задержать Приход переднего и/или ускорить приход заднего фрон-

тов. Чтобы это было возможно, импульс должен быть, например, линейно частотно модулирован

(ЛЧМ). ЛЧМ называется положительной, если частота линейно нарастает от переднего к заднему

фронту импульса, и отрицательной, если она линейно нарастает от заднего к переднему фронту.

Для сжатия импульса с положительной ЛЧМ нужна отрицательная ДГС, а для импульса с отрица-

тельной ЛЧМ - положительная ДГС.

Роль ЛЧМ в световодах может играть ФСМ, а водоразделом положительной и отрицатель-

ной ДГС является, как известно, длина волны нулевой дисперсии λ

. В этой связи компрессоры им-

пульсов (будучи основаны на нелинейных эффектах) делятся на две категории:

- волоконно-решетчатые компрессоры, используемые для ОВ с положительной ДГС (λ< λ

);

- компрессоры на эффекте многосолитонного сжатия, используемые для ОВ с отрицатель-

ной ДГС (λ> λ

);

В волоконно-решетчатых компрессорах импульс сначала распространяется в световоде с

положительной ДГС, приобретая ЛЧМ за счет комбинации нелинейных и дисперсионных эффек-

тов, а затем подвергается сжатию при помощи пары дифракционных решеток, создающих отрица-

тельную ДГС. Эти методы работают в диапазоне малых длин волн (первое и второе спектральные

окна) и не используются для сжатия солитонов, работающих в третьем окне.

Компрессоры на эффекте многосолитонного сжатия используют световод с отрицательной

ДГС. Такой световод в силу влияния ФСМ сам действует как компрессор. Дополнительная ком-

прессия может быть реализована для солитонов высших порядков. Она обусловлена начальной

фазой в периодической картине эволюции, через которую они проходят. В этой фазе солитон

высшего порядка сжимается. "Отсечь" эту фазу, т.е. оставить солитон сжатым, можно путем со-

ответствующего выбора длины отрезка начальной фазы световода L

сж

. При этом коэффициент

сжатия k

сж

такого солитонного компрессора зависит от выбранного порядка солитона N. Эти ве-

личины определяются следующими эмпирическими зависимостями:

Из формулы (9-29) видно, что уже выбор солитонов 2-3 порядков обеспечивает возмож-

ность сжатия импульса в 8-12 раз. Использование солитонов высших порядков, в свою очередь,

определяется возможностью формирования той или иной требуемой пиковой мощности солитона,

учитывая, что она растет пропорционально квадрату N.

В пограничной области (второе окно) можно использовать оба метода, что позволяет получить

большие (до 5000) коэффициенты сжатия и импульсы длительностью в несколько фемтосекунд.

Глава 10

Функциональные элементы сетей

307

Глава 10

Функциональные элементы оптических сетей

Оборудование, как основное, так и вспомогательное, используемое в оптических сетях не

менее разнообразно, чем в аналогичных электрических сетях, и включает как усилители, регенера-

торы (повторители), мультиплексоры и коммутаторы, так и модуляторы, преобразователи (кон-

вертеры), источники, приемники, фильтры, кабели и т.д. Это оборудование имеет не только доста-

точно широкую номенклатуру, но и большое разнообразие функциональных характеристик. В этом

издании мы не собираемся описывать все это оборудование в целом, а лишь кратко остановимся на

основных блоках: усилителях, коммутаторах, модуляторах и преобразователях, как формирующих

топологию сети, так и отвечающих за основные функциональные характеристики сети.

Более полный охват указанного оборудования или более подробные его характеристики по

отдельным блокам можно найти в ряде других источников, например, [169, 170, 196, 216, 217, 246,

260], или на Web-страницах фирм производителей и в фирменных спецификациях конкретного

оборудования.

10.1. Оптические усилители

Усиление оптических сигналов рассматривалось первоначально (60-е годы) как сопутствующее

явление, наблюдаемое при исследовании процессов в лазерных устройствах [194]. Однако уже в

начале 80-х годов в связи с развитием волоконно-оптической техники и технологии оно стало са-

мостоятельным направлением развития оптической техники. В это время наметились несколько

направлений в создании оптических усилителей:

- наиболее старое - использование оптических световодов, легированных активными редкозе-

мельными ионами, для усиления оптического пучка (один из результатов развития лазерной тех-

ники) - 1964 [194] (нами не рассматривается);

- использование полупроводниковых усилителей, разрабатываемых на единой основе (физики

твердого тела) с полупроводниковыми источниками излучения для формирования интеграль-

ного твердотельного устройства (1983) [195];

- прямое использование ОВ, как усилительной среды, а не только как среды распространения,

возможное в двух направлениях:

• использование нелинейных явлений типа ВКР и ВРМБ (1981, Ikeda M., см. ссылку в [168, с.228]),

• использование легирования материала ОВ редкоземельными материалами;

- параметрическое усиление (1982) [168]

Необходимость в использовании оптических усилителей (ОУ) в синхронных цифровых се-

тях стала особенно очевидной в связи с использованием регенераторов в технологии SONET/SDH.

Она диктовалась, в первую очередь, высокими скоростями передачи - 155 Мбит/с, 622 Мбит/с и

выше. На первом уровне SDH - 155 Мбит/с - использовались как электрический, так и оптический

SDH-трибы, однако регенераторы работали только с оптическими трибами на входе по схеме:

прием оптического сигнала - оптоэлектрическое преобразование (ОЭЩ - электрическое усиление

и регенерация электрического сигнала - электрооптическое преобразование ООП) - передача оп-

тического сигнала.

Уже на следующем уровне SDH - 622 Мбит/с и выше - использование электрических три-

бов, ввиду необходимости дополнительного ОЭП, было бы неэффективным. Поэтому на этих

уровнях используют только оптические SDH-трибы, однако регенераторы работают по той же

схеме. С точки зрения минимизации числа преобразователей ОЭП-ЭОП, было бы логично осуще-

ствлять регенерацию по схеме: прием оптического сигнала - усиление и регенерация оптического

сигнала (с помощью оптических усилителя и регенератора) - передача оптического сигнала.

Глава 10

Функциональные элементы сетей

308

Реализовать указанную схему пока не удается ввиду отсутствия собственно оптических

регенераторов (понимая под этим оптическое восстановление формы деградированного оптиче-

ского сигнала и определенного уровня отношения сигнал/шум). Однако использование ОУ позво-

ляет увеличить длину регенерационного участка до 600-700 км, за счет разбивки его на несколько

пролетов, на границе которых используется только оптическое усиление. Это уменьшает число

регенераторов и упрощает схему передачи (за счет исключения промежуточных ОЭП-ЭОП преоб-

разований) и в целом удешевить оборудование.

Это дало дополнительный мощный толчок исследованиям в области оптических усилите-

лей. Особенно интенсивно начали разрабатываться полупроводниковые оптические усилители

(ППОУ) и усилители на основе нелинейных явлений в ОВ, а затем и оптические усилители на ос-

нове ОВ, легированного примесями редкоземельных элементов (главным образом эрбия). Эти по-

следние (а также ППОУ) и стали в настоящее время основными типами ОУ синхронных оптиче-

ских сетей.

10.1.1. Основные особенности оптических усилителей

Оптические усилители можно рассматривать в тех же терминах и используя те же параметры, что

и электронные усилители: коэффициент усиления, уровень (коэффициент) шума, динамиче-

ский диапазон, амплитудно-фазовую характеристику - АФХ. Однако они имеют и свои (для

ряда применений) существенные важные параметры, например, коэффициент усиления среды,

мощность насыщения, усиленное спонтанное излучение - УСИ (ASE), чувствительность к

поляризации сигнала, которые кратко рассмотрены ниже. Кроме того, вместо АФХ используют

обычно амплитудно-волновую характеристику - АВХ.

В общем случае коэффициент усиления ОУ для одного сигнала на центральной частоте

имеет вид

где Р

вых

(ω) и Р

вх

(ω) - мощности оптического сигнала на входе и выходе усилителя, измерен-

ные на рабочей угловой частоте со (или соответствующей длине волны) при малом уровне входно-

го сигнала, гарантирующем отсутствие насыщения выходного сигнала.

Основным активным агентом таких усилителей является фотон, следовательно, идеальный

ОУ с коэффициентом усиления k должен синфазно генерировать на выходе ровно k фотонов на каж-

дый фотон, попавший на его вход. То есть ОУ должен пропорционально усиливать интенсивность

входного оптического сигнала, оставляя его форму неизменной, независимо от уровня интенсивно-

сти, длины волны, состояния поляризации, формы отображаемой двоичной последовательности.

Фактически же указанные факторы, а также ряд других факторов влияют на АФХ усилительной (или

активной) среды g(ω) или частотный спектр ∆ω

, а затем уже на АФХ собственно ОУ.

10.1.1.1. Принцип действия оптического усилителя

Если существует некая активная среда, имеющая только два энергетических состояния Е

и Е

(см. рис. 10-1,а), причем Е

> Е

т.е. Е

является возбужденным по отношению к E

состоянием,

то в равновесных условиях, число рабочих частиц (электронов, ионов или молекул - потенциаль-

ных усилительных агентов среды) распределено по статистике Больцмана так, что N

< N

. В

результате, если на вход такой среды попадает фотон, то он с большей вероятностью будет по-

глощен этой средой, что может сопровождаться переходом частицы с уровня E

на уровень Е

если энергия фотона ω > (Е

– Е

). Усиление в такой среде невозможно, хотя и существует неко-

торая вероятность эмиссии (испускания) фотона, если электрон спонтанно перейдет с верхнего

возбужденного уровня на нижний релаксационный уровень.

Глава 10

Функциональные элементы сетей

309

Усиление станет возможным, если уда-

стся создать инверсию населенностей уровней,

когда N

> N

. Для этого используется система

энергетической накачки. В качестве накачки

можно использовать инжекцию электронов или

излучение лазера соответствующей длины волны

для создания фотонов нужной энергии (см., на-

пример, [218]). В результате накачки и создания

определенной инверсии населенности активная

среда становится способной генерировать вто-

ричные фотоны (той же частоты и направления

распространения) с коэффициентом размноже-

ния k при попадании на ее вход возбуждающего

фотона из светового потока усиливаемого сигна-

ла. В результате осуществляется его усиление за

счет возбуждаемой эмиссии.

Важным для понимания моментом является то, что усиление носит распределенный ха-

рактер (хотя в зависимости от типа усилителя может носить и циклически-распределенный ха-

рактер, например при наличии резонаторов в цепи обратной связи усилителей). Распределенный

характер обусловлен генерацией вторичных фотонов в течение всего времени прохождения усили-

ваемого оптического сигнала через активную среду, имеющую конечную длину L, что и обуславли-

вает появления этого параметра в формулах для коэффициента усиления ОУ.

Нужно помнить также, что усиление неизбежно сопровождается двумя другими процесса-

ми: поглощением энергии светового сигнала, которое обычно носит экспоненциальный характер,

возрастая с ростом L, и спонтанной эмиссией вторичных фотонов, которая может быть усилена,

приводя к появлению так называемого усиленного спонтанного излучения (см. ниже).

Некоторые типы ОУ, использующие для накачки лазеры, требуют рассмотрения более

сложной трехуровневой схемы взаимодействия, где третий, так называемый метастабильный

уровень Е

лежит между первым и вторым уровнями (см. рис. 10-1,6). Схема создания инверсии

населенностей при этом такова: с первого уровня частицы накачкой переводятся на второй, с ко-

торого они в результате релаксации переходят на третий (метастабильный) уровень, время жизни

которого (среднее время до спонтанного испускания фотона) достаточно велико. На этом третьем

уровне частицы накапливаются и создается достаточный уровень (не менее двукратного) инвер-

сии населенностей по отношению к первому уровню (N

> N

10.1.1.2. Коэффициент усиления среды и усилителя

Практика показывает, что большинство оптических усилительных (активных) сред можно рас-

сматривать как однородную распределенную двухуровневую среду (см. выше), для которой коэф-

фициент усиления среды на единицу длины может быть описан выражением вида [196]:

где g

- максимальное (вычисленное для малого входного сигнала) значение коэффициента усиле-

ния, зависящее от мощности накачки; δω - разность частоты входного оптического сигнала и

частоты квантового перехода электронов с верхнего уровня на нижний; t

- время релаксации ди-

Глава 10

Функциональные элементы сетей

310

полей вещества активной среды, определяемое скоростью перехода диполей из одного равновес-

ного состояния в другое (имеет порядок 0,01-1 не [196] в зависимости от типа диполей); Р

- опти-

ческая мощность входного сигнала; Р

- мощность насыщения.

10.1.1.3. Мощность насыщения Р

Аналогично электронным усилителям

модуль усиления ОУ зависит от уровня вход-

ного сигнала. До определенного (малого)

уровня входной мощности усиление практи-

чески постоянно, затем оно начинает экспо-

ненциально падать (см. рис. 10-2) с ростом

уровня входной мощности. Этот "падающий"

участок характеристики является областью

насыщения усилителя. Ее наличие объясня-

ется уменьшением коэффициента размноже-

ния, вызванным возрастающим (с ростом

входного Сигнала) дефицитом частиц, кото-

рые способны генерировать вторичные фото-

ны, на том уровне, где создается инверсия

населенности. Эта область численно характе-

ризуется мощностью насыщения Р

на выходе

усилителя, определяемой по выходной харак-

теристике на уровне -3 дБм, при котором ко-

эффициент усиления среды g(ω) падает в два

раза.

Амплитудно-фазовая характеристика ОУ зависит от ряда его специфических параметров,

влияние основных из них оценено ниже.

Влияние насыщения на АФХ

Оно обусловлено третьим слагаемым в (10-2), которое может приводить (в отличие от

электронных усилителей) к существенному снижению усиления среды в целом, даже в области,

казалось бы, далекой от насыщения. Так уже при Р

/Р

=0,5 коэффициент усиления G усилителя

снижается на треть по сравнению G

при Р

/Р

<< 1, когда это слагаемое не оказывает влияния на

коэффициент усиления. Являясь ограничительным фактором, насыщение может служить и регу-

лирующую роль в стабилизации общего коэффициента усиления при каскадном соединении мно-

гих усилителей в последовательной линии связи, что имеет место, например, на трансокеанских

линиях связи.

Влияние времени релаксации диполей на АФХ

Из (10-2) видно, что АФХ определяется двумя слагаемыми в знаменателе. Если принимать

во внимание зависимость от частоты только второго слагаемого, то грубо, в первом приближении,

ее можно аппроксимировать профилем Лоренца* [191] (см. рис. 10-3). Тогда, используя его, мож-

но получить, что полная ширина спектра на уровне половины от максимума (FWHM) обратно

пропорциональна t

, т.е. ∆ω

-2/t

Влияние длины активной ("усиливающей) среды

Уже отмечалось, что мощность усиливаемого оптического сигнала зависит от длины уча-

стка среды L от точки входа потока сигнала в усилитель до его выхода. Учитывая это, АФХ уси-

лителя при условии постоянного коэффициента усиления среды g(ω) будет иметь вид [191]

Учитывая экспоненциальный характер этой зависимости, можно констатировать, что

спектр G(ω) усилителя будет существенно уже спектра g(ω) среды, что и видно на рис. 10-3, где

приведены нормированные характеристики G(ω) и g(ω) в зависимости от расстройки (ω – ω

Глава 10

Функциональные элементы сетей

311

Чувствительность усиления к поляри-

зации сигнала

Еще одним ограничивающим коэффи-

циент усиления G фактором является чувст-

вительность усиления ОУ к поляризации уси-

ливаемого сигнала, когда усиление может ме-

няться, и иногда значительно, в зависимости

от поляризации. Ситуация ухудшается в

ВОЛС, учитывая, что в них состояние поля-

ризации сигнала не только не контролирует-

ся, но в волокне, даже одномодовом, может

хаотически меняться под действием случай-

ных изменений формы сердцевины и анизо-

тропии, вызванной статическим напряжением

отрезка оптоволокна (эффекты, известные,

применительно к ОМ ОВ, как модовое двой-

ное лучепреломление [168]). Аналогичным

эффектам подвержены и системы с WDM, в

которых степень поляризации входных сиг-

налов может быть различной.

Изменение поляризации приводит к паразитной амплитудной модуляции (ПАМ) усиления,

которая может носить периодический характер (как, например, для усилителей бегущей волны).

Степень такой чувствительности зависит от типа ОУ, что отражено ниже в табл. 10-1.

10.1.1.4. Источники шума и динамический диапазон

Динамический диапазон определяется как диапазон входной мощности оптического сигнала, при

котором коэффициент усиления G

остается постоянным. Он тесно связан с другим параметром -

коэффициентом шума, зависящим от уровня усиленного спонтанного излучения, остаточным

сигналом накачки и перекрестной помехой, которые кратко рассмотрены ниже.

Усиленное спонтанное излучение

Оптические усилители добавляют шум к усиливаемому оптическому сигналу. Этот шум

обусловлен усиленным спонтанным излучением - УСИ (ASE). Это излучение возникает под

действием случайных возмущающих факторов различной физической природы, например нагрева

усилителя (тепловые фотоны), а также за счет наличия рассеянных фотонов. Шум приводит не

только к уменьшению динамического диапазона, но и к снижению максимально допустимого уси-

ления (см. разд. 10.1.2.). Уменьшение динамического диапазона обычно характеризуется извест-

ным параметром F - коэффициентом шума:

где SNR

вx

, SNR

выx

- значения динамического диапазона на входе и выходе усилителя.

Оценка этого параметра ОУ осуществляется на "электрическом уровне" путем преобразо-

вания оптического сигнала в электрический с помощью фотодетектора. Для уменьшения коэффи-

циента шума, вызванного УСИ, сигнал на выходе ОУ фильтруют с помощью полосового оптиче-

ского фильтра - ПОФ.

Остаточный сигнал накачки

Существует еще один специфический источник шума в усилителях с накачкой - остаточ-

ный сигнал накачки на выходе усилителя, влияние которого (на передатчик или детектор в систе-

ме связи) может быть уменьшено как с помощью фильтра на выходе ОУ, так и путем соответст-

вующего выбора частоты источника накачки.

Глава 10

Функциональные элементы сетей

312

Перекрестные помехи

Этот вид помех характерен для многоканальных ОУ в системах WDM. Он проявляется как

паразитная амплитудная (ПАМ) или паразитная частотная (ПЧМ) модуляции сигнала одного ка-

нала другими сигналами. В силу специфики помех, они не рассматриваются здесь детально.

Более подробные общие сведения об оптических усилителях можно найти также в работах

[190, 191, 195, 196].

10.1.2. Полупроводниковые оптические усилители

Полупроводниковые оптические усилители (ППОУ) оказались, если не исторически, то факти-

чески, первыми ОУ, проработанными до уровня промышленного использования. До недавнего

времени они считались наиболее подходящими усилителями оптических сигналов только в окне

длин волн 1300 нм [190], однако в последнее время появились сообщения об успешных разработ-

ках ОУ компании Alcatel и для окна 1550 нм [198], что особенно актуально, учитывая миграцию

современных оптических систем в этот диапазон волн.

10.1.2.1. Принцип действия ППОУ

ППОУ основаны на использовании возбуждаемой эмиссии, возникающей благодаря взаи-

модействию фотонов входного возбуждающего излучения с электронами на возбужденном уров-

не в зоне проводимости - аналогично описанному выше. Полупроводник можно рассматривать

при этом как идеально простую систему с двумя неперекрывающимися энергетическими уровня-

ми: нижним (релаксационным) - валентная зона и верхним (возбужденным) - зона проводимости,

разделенными определенным зазором - потенциальным барьером (подробнее см., например, в

[214]).

Как и в общем случае, оптическое усиление возможно при условии создания определенно-

го уровня инверсии населенности (здесь избытка электронов в зоне проводимости) за счет накач-

ки, роль которой здесь играет инжекция тока в полупроводник. Однако при этом уровень накачки

выбирается таким, что энергия основной массы электронов еще недостаточна для преодоления

потенциального барьера между зонами. Чтобы это произошло, требуется дополнительная энергия

возбуждения. Входной сигнал - источник первичных фотонов - и служит дополнительным источ-

ником возбуждения, энергия которого должна быть достаточна, чтобы сбросить электроны с

верхнего уровня на нижний, где электрон и дырка рекомбинируют, вызывая появление вторичных

фотонов. Если один первичный фотон вызывает эмиссию к вторичных фотонов, возникает k-

кратное оптическое усиление.

10.1.2.2. Типы полупроводниковых ОУ

Существуют два типа ППОУ: подпороговые и надпороговые усилители. Подпороговые усилите-

ли - это лазеры, работающие в режиме ниже порога генерации излучения. Надпороговые усилите-

ли (или усилители с фиксированным усилением) - напротив - лазеры, работающие в режиме выше

порога генерации излучения.

Первый тип ОУ может также отличаться отсутствием или наличием обратной связи (ОС),

обеспечивающей многократную процедуру усиления. Если усиление осуществляется за один проход

(ОС отсутствует), то ОУ называется усилителем бегущей волны - УБВ (TWA). На входном и вы-

ходном торцах такого усилителя (полупроводникового блока длиной L) формируются грани с анти-

отражающим покрытием (см. рис. 10-4,6), чтобы минимизировать отраженный луч, приводящий к

колебательности АВХ. Это позволяет поддерживать ее неравномерность на уровне не выше 1 дБ.

В многопроходных усилителях, наоборот, применяется оптическая обратная связь ООС,

в качестве которой используется оптический резонатор. Им может быть, например, плоский ли-

нейный резонатор Фабри-Перо* [167] - пара параллельных полупрозрачных зеркал, закрепляе-

Глава 10

Функциональные элементы сетей

313

мых на входе и выходе усилителя, между которыми в процессе многократного отражения оптиче-

ской волны и происходит усиление интенсивности оптического сигнала (за счет преобразования

энергии накачки в энергию сигнала) до величины, достаточной для выхода оптического луча за

пределы резонатора (см. рис. 10-4,а). Такой ОУ называется усилителей (с резонатором) Фабри-

Перо - УФП (FPA).

Отличительной особенностью указанных типов ОУ является то, что УБВ имеет непрерыв-

ную АВХ с достаточно большим плоским участком (порядка 60-100 нм на уровне -3 дБ), тогда как

АВХ для УФП имеет вид, характерный для оптического гребенчатого фильтра с узкими пиками

импульсного усиления и постоянным шагом пиков гребенки, обусловленным наличием у резонанс-

ной системы ряда продольных мод с равномерным пространственным распределением (см. рис. 10-

4,а). Для широкополосных оптических систем плоская АВХ более предпочтительна, чем гребенча-

тая, которая к тому же чувствительна к изменению характеристик оптической системы в целом.

Второй тип ОУ основан на использовании нормального (лазерного) режима функциониро-

вания, когда поддерживается постоянное усиление, необходимое для генерации основной излу-

чаемой моды [218]. В этих условиях могут быть без искажения усилены и нужные нам сигналы,

если их частоты достаточно далеки от частоты указанной моды. Различают два типа лазеров, ге-

нерирующих одну продольную моду, которые могут играть роль такого ОУ:

- лазеры с распределенной обратной связью - ЛРОС (DFB lasers);

- лазеры с распределенным отражателем Брэгга - ЛРОБ (DBR lasers).

Усиление у таких лазеров в режиме ОУ осуществляется на частотах, отличных от резо-

нансной, и оказывается возможным благодаря тому, что АВХ лазера имеет достаточно большое

усиление на широком, непрерывном и гладком пьедестале, который обычно симметричен относи-

тельно резонансного пика генерируемой продольной моды (см. рис. 10-5). Такие усилители легко

могут обеспечить усиление 10-15 дБ и отличаются пониженным значением переходной помехи

при использовании в многоканальном режиме [190].

10.1.2.3. Характеристики ППОУ

Основными характеристиками ППОУ, как и любого усилителя, являются коэффициент усиления,

уровень шумов, динамический диапазон и неравномерность АВХ.

Коэффициент усиления

Под коэффициентом усиления ППОУ, реализуемым за один проход, понимается величина

где γ

из

- коэффициент изоляции оптической моды; g

- коэффициент усиления материала в отсут-

ствие насыщения; а

- коэффициент поглощения; L - длина усилителя.

Глава 10

Функциональные элементы сетей

314

Зависимость (10-5) - экспоненциальная, характерная для систем с насыщением. Коэффи-

циент усиления зависит от длины усилителя и коэффициента усиления материала полупроводни-

ка. Ширина полосы АВХ для коэффициента усиления материала g

, как уже отмечалось выше,

оказывается существенно большей, чем для G

. Эта особенность еще больше усиливается для

многопроходных усилителей типа УФП. В целом ширина полосы для УБВ оказывается на три по-

рядка шире, чем для УФП. Реализуемые коэффициенты усиления составляют: для УБВ - 15 дБ

(волна ТМ) или 22 дБ (волна ТЕ); для УФП - 22-25 дБ. Максимум коэффициента усиления зависит

от величины тока через полупроводник и лежит в диапазоне 1520 - 1460 нм, смещаясь в сторону

меньших длин волн при большей величине тока [190].

Уровень шума и динамический диапазон

Динамический диапазон без учета шума

ППОУ может достигать 35-45 дБ. Полупровод-

никовый усилитель, как и любой ОУ, добавляет

шум за счет УСИ к усиливаемому оптическому

сигналу. Шум приводит не только к уменьше-

нию динамического диапазона, но и к сниже-

нию максимально допустимого усиления. В

этом можно наглядно убедиться, обратившись

к рис. 10-5, на котором показан типичный

спектр шума, вызванного УСИ. Этот спектр

много шире АВХ усилителя и имеет характер-

ную форму пьедестала. Из рисунка видно, что

уровень мощности шума составляет около 20

дБ, а уровень усиления сигнала на его фоне - 25

дБ. Это означает, что динамический диапазон,

который мог бы в отсутствие шума составить

45 дБ, уменьшается при наличии шума до ве-

личины 25 дБ.

Импульсные усилители

Учитывая, что кодовые последовательности, передаваемые по цифровым сетям связи,

приводят к необходимости передачи импульсов, усилитель должен быть импульсным. Импульсы.

передаваемые по сети, фактически являются импульсами ЛД и имеют, как правило, симметрич-

ную гауссовскую форму. Импульсные усилители могут искажать форму этих импульсов, если ши-

рина импульса τ

меньше времени жизни носителей заряда в полупроводнике τ

. Это искажение

приводит к асимметрии импульсов - передний фронт становится круче, задний положе. Это явле-

ние проявляется тем больше, чем ближе коэффициент усиления к величине, соответствующей на-

сыщению. Если в этих условиях передается последовательность коротких импульсов, соответст-

вующая определенной структуре двоичной последовательности, то эта структура может искажать-

ся. Если же τ

соизмеримо с τ

, то импульс может уширяться, и тем больше, чем ближе усиление к

насыщению. Искажения формы импульсов может быть обусловлено возникновением ФСМ и

ФКМ, см. выше.

При многоканальном усилении, имеющем место в системах с WDM, может проявляться

еще один вид искажений - комбинационные гармоники, возникающие из-за перекрестной модуля-

ции - ПКМ (XGM) и четырехволнового смешения - ЧВС (FWM). ПКМ может проявляться либо в

виде амплитудной кросс-модуляции - АКМ, которая приводит к симметричному уширению спек-

тра импульса, либо в виде уже упоминавшейся ФКМ, которая приводит к асимметричному уши-

рению спектра импульса. Если, например, используются только две частоты f

u f

, то при ПКМ

возникают как минимум гармоники f

± f

а при ЧВС - гармоники 2f

- f

и 2f

- f

- Наличие гармо-

ник приводит не только к нелинейным искажениям, но и к тому, что насыщение происходит при

меньшем уровне усиливаемого сигнала, а сам сигнал дополнительно случайно флуктуирует в за-

висимости от характера последовательности бит. Причем наибольшее влияние оказывает ЧВС.