Оптические усилители. В первых поколениях линий оптические усилители не применялись. Основными факторами, ограничивающими длину пролета в линии передачи, являлись потери и хроматическая дисперсия, которые компенсировались оптоэлектронными регенераторами (OEO – optical-electrical-optical). OEO-регенераторы осуществляют полное восстановление цифрового сигнала, при котором восстанавливаются три основных параметра импульса: амплитуда, форма и положение на шкале времени (синхронизация) (3R-регенерация – reamplifying, resharping, retiming) – но только для какого-нибудь одного определенного формата модуляции и скорости передачи.

В четвертом поколении OEO-регенераторы заменили оптическими усилителями. Оптические усилители восстанавливают только амплитуду сигнала (1R – reamplifying), но зато линии с оптическими усилителями оптически прозрачны: по ним можно передавать сигналы с любой скоростью, в любых форматах и на любой длине волны (в полосе оптического усилителя). Это особенно важно для DWDM-систем, где по одному волокну передаются сигналы на многих длинах волн. В линии с OEO-регенератором для каждой длины волны (спектрального канала) необходим отдельный OEO-регенератор. В линии с оптическим усилителем все спектральные каналы усиливаются с помощью одного усилителя, что и делает технологию DWDM экономически эффективной.

Оптические усилители позволили компенсировать потери в волокнах и в компенсаторах хроматической дисперсии и существенно увеличить тем самым длину регенерационного участка линии. Основными факторами, ограничивающими длину этого участка, стали нелинейные эффекты в волокне и накопленное спонтанное излучение оптических усилителей. Наиболее сильно нелинейные эффекты проявляются в DWDM-системах, так как с увеличением числа длин волн, предаваемых по волокну, увеличивается и передаваемая по нему суммарная оптическая мощность. В одноканальных линиях мощность на входе в волокно ограничена вынужденным бриллюэновским рассеянием (SBS — Stimulated Brillion Scattering) и эффектом самомодуляция волн (SPM — Self Phase Modulation). В многоканальных линях дополнительное ограничение по входной мощности (в канале) возникает еще и из-за перекрестных помех, обусловленных четырехволновым смешением (FWM — Four Wave Mixing), перекрестной фазовой модуляцией (ХРМ — Cross Phase Modulation) и вынужденным рамановским рассеянием (SRS — Stimulated Raman Scattering).

В многоканальных линиях необходимо также, чтобы спектр усиления был постоянным во всем рабочем диапазоне длин волн и не зависел от уровня входной мощности. Достигается это путем выравнивания спектра усиления с помощью оптических фильтров (GFF — Gain Flatting Filter) и стабилизации одновременно и коэффициента усиления, и величины выходной мощности. Коэффициент усиления регулируется мощностью накачки, а для регулировки выходной мощности усилителя применяется оптический аттенюатор (VOA — Variable Optical Attenuator).

Спектр потерь, вносимых VOA в полосе усиления, практически плоский и не влияет на форму результирующего спектра. В качестве GFF-фильтров используются волоконные брэгговские решетки (FBG — Fiber Brag Gratings), длиннопериодические волоконные решетки (LPFG — Long-Period Fiber Gratings), тонкопленочные фильтры TFF и биконические переходы. Для того чтобы компенсировать потери, вносимые аттенюатором и GFF-фильтром, их устанавливают между секциями усилителя (рис. 7.1).

Рисунок 7.1 Широкополосный усилитель EDFA с переменным коэффициентом усиления

EDFA (Erbium Doped Fiber Amplifier). В DWDM-системах наибольшее распространение получили эрбиевые усилители (EDFA, рис. 7.2). Это связано с тем, что спектральная область рабочего диапазона эрбиевых усилителей практически полностью совпадает с областью минимального затухания волокна на основе кварцевого стекла. Кроме того, такой усилитель обладает достаточно низким уровнем шума и легко включается в волоконно-оптическую систему.

Рисунок 7.2. Базовая модель EDFA

EDFA — усилитель на оптическом волокне, легированном ионами эрбия. Принцип его работы основан на явлении усиления света при вынужденном излучении. Относительно мощный пучок света, называемый лучом накачки, смешивается с входным сигналом, используя ответвитель с селекцией по длине волн (смеситель WDM). Смешанный свет попадает в область волокна, легированную ионами эрбия (EDF). Мощный луч накачки воздействует на ионы эрбия, переводя их внешние электроны в возбужденные состояния, то есть происходит процесс увеличения (накопления) энергии в системе, за счет энергии квантов излучения накачки. Таким образом, в системе создается инверсная заселенность энергетических уровней эрбия. Когда в систему входит фотон полезного (усиливаемого) сигнала, он, взаимодействуя с возбужденным атомом эрбия, вынуждает его излучить запасенную энергию в виде дополнительного кванта излучения, свойства которого, идентичны свойствам изначального кванта полезного сигнала: энергия, фаза, поляризация и направление распространения – то есть фотоны когерентны. Выходит, что количество фотонов полезного (входного) сигнала, проходящих через среду с инверсной заселенностью, резко увеличивается пропорционально количеству актов вынужденного излучения, а так как все рожденные фотоны когерентны, то их совокупность представляет собой электромагнитную волну, отличающуюся от электромагнитной волны входного сигнала только большей интенсивностью. При этом атомы эрбия, отдав запасенную энергию в ходе вынужденного излучения, возвращаются в основное, невозбужденное состояние, и процесс повторяется сначала.

Оптические изоляторы – устройства, пропускающие световые сигналы только в одном направлении (без потерь). Они применяются на входе и выходе усилителя для того, чтобы предотвратить проникновение в усилитель паразитных отражений от неоднородностей линии связи (оптического волокна).

Для усиления света в диапазоне 1520…1570 нм (перекрывает диапазон C) используется переход между основным состоянием 1 и метастабильным состоянием 2 ионов эрбия (рис. 7.3). Оптическая накачка осуществляется на длине волны λ = 980 нм или λ = 1480 нм. В первом случае накачка происходит по классической трехуровневой схеме через возбужденное состояние 3. Во втором случае в качестве «третьего» уровня рассматриваются верхние уровни состояния 2.

Рисунок 7. 3 Упрощенная схема уровней энергии ионов эрбия в кварцевом стекле

Усилители EDFA по функциональному назначению можно разделить на три основных класса: [3]

• Мощные усилители (бустеры), устанавливаемые непосредственно за передатчиком. Они работают с большим сигналом на входе, обеспечивают максимально допустимое усиление и высокий уровень сигнала на выходе и не критичны к уровню шумов.

• Линейные усилители, устанавливаемые на линии связи в качестве повторителей. Они усиливают сигнал, насколько это возможно, внося при этом как можно меньше шума.

• Предусилители, устанавливаемые непосредственно перед приемником. Они работают с очень слабыми сигналами (от -45 до -30 дБм) и потому чрезвычайно критичны к уровню шумов усилителя.

Стоимость эрбиевых усилителей остается традиционно высокой (хотя выпускаются они в массовом количестве). Во-первых, потому, что усложняются оптические и электрические блоки усилителей. Во-вторых, увеличиваются их выходная мощность (пропорционально числу каналов) и мощность лазеров накачки. До недавнего времени стоимость усилителей возрастала пропорционально мощности лазеров накачки. Существенно и то, что конструкция и параметры усилителей не стандартизованы, так как они во многом зависят от типа оптических сетей, в которых инсталлируются усилители.