В волоконно-оптических линиях связи (ВОЛС) оптический сигнал постепенно затухает за счет процессов поглощения и рассеяния. Соотношение сигнал-шум при этом уменьшается и верность передаваемых данных нарушается. Шумовые сигналы, действующие в оптическом звене ВОЛС, по своему происхождению могут быть связаны:
1) с шумовой составляющей, генерируемой в передатчике или передающем волокне (они приходят в фотодетектор с входным сигналом);
2) с промежуточными оптическими усилителями;
3) с фотодетектором (приемником).
Для устранения влияния шума применяются промежуточные усилительно–регенерационные узлы ВОЛС.
На сегодняшний день широко используются два технических решенияпромежуточных усилительно–регенерационных узлов ВОЛС:
1. Оптоэлектронные регенераторы сигнала.
В оптоэлектронных регенераторах слабый оптический сигнал, принимаемый фотоприемником после прохождения участка ВОСП, преобразуется в электрический, усиливается, затем формируется электрический цифровой сигнал, который опять преобразуется в оптический диапазон передающим лазерным диодом и вводится в следующий отрезок волоконно-оптического тракта. Длина участка без регенерации достигает 50–100 км.
К достоинствам оптоэлектронных регенераторов сигнала относится полное восстановление исходных характеристик оптического сигнала.
Оптоэлектронный регенератор позволяет ограничить величину внутренних и внешних оптических шумов допустимыми величинами, но усложняет и удорожает построение ВОЛС. Оптоэлектронный регенератор содержит приемник, электронный усилитель и передатчик, что делает его сложным и дорогостоящим устройством. Сложность, сравнительно низкая надежность и высокая стоимость оптоэлектронных регенераторов препятствует широкому распространению ВОСП. Таким образом, использование оптоэлектронных регенераторов усложняет построение усилительно-регенерационных узлов и резко удорожает ВОЛС.
2. Для увеличения дальности волоконно-оптических линий связи (ВОЛС) используются также оптические усилители (ОУ) сигнала (ретрансляторы). Недостатки оптоэлектронных регенераторов частично устраняются с помощью оптических квантовых усилителей на активных волокнах [1]. Обычно для этих целей используются одномодовые волокна, легированные редкоземельными элементами (в большинстве случаев эрбием) с метастабильными электронными уровнями, которые накачиваются излучением лазера накачки через направленный ответвитель с образованием активной (усиливающей) среды (erbium dopied fiber amplifier — волоконный усилитель, легированный эрбием (EDFA)). В этой среде сигнал на длине волны в полосе флюоресценции не ослабляется, а усиливается вследствие известного эффекта вынужденного излучения, т. е. произойдет усиление оптического сигнала [2]. В настоящее времяОУ на легированном волокне (ВОУ) являются доминирующими. Конкурирующие с ними ОУ на лазерных диодах до сих пор уступали им дороговизной производства, чувствительностью к поляризации и высоким уровнем перекрестных помех. На рис.1 показана функциональная схема усилителя типа EDFA.
Слабый входной сигнал проходит через оптический изолятор 1, который пропускает свет в прямом направлении — слева направо и не пропускает рассеянный свет в обратном направлении, далее сигнал поступает в блок объединения сигнала и накачки 2. Затем сигнал попадает на вход оптического усилителя 3 (волокно, легированное эрбием), которое непрерывно подвергается оптической лазерной накачке 4. Свет от лазера накачки 4 возбуждает атомы легированного волокна 3. При подаче слабого сигнала на вход оптического усилителя 3 происходит индуцированный переход атомов примесей легированного волокна из возбужденного состояния в основное с излучением света на длине волны входного сигнала, т. е. происходит усиление сигнала. Оптический изолятор 5 на выходе усилителя 3 предотвращает попадание обратного рассеянного сигнала в оптический усилитель.
Рис. 1. Функциональная схема волоконно-оптического усилителя: 1- оптический изолятор. 2- блок объединения сигнала и накачки. 3- оптический усилитель (легированное волокно). 4- оптическая накачка. 5-оптический изолятор
Главным достоинством промежуточных волоконно-оптических усилителей является их относительно простая конструкция и, следовательно, невысокая стоимость, а также большая величина коэффициента усиления и выходная мощность.
Недостатки существующих ВОУ:
1) Основная проблема при построении волоконно-оптических усилителей — принципиально неустранимый источник шума — усиленная спонтанная эмиссия (amplified spontanous emission (ASE)). Наличие этого процесса приводит к тому, что минимально возможный коэффициент шума ВОУ составляет не менее 3 дб. Принципиальная неустранимость этого источника шума объясняется тем, что в волокне при наличии накачки уже возникает спонтанное излучение (шум), и этот процесс не зависит от эффекта усиления сигнала, для которого необходимы большие уровни накачки (наличие инверсной населенности), то есть шум не равен нулю при любых значениях коэффициента усиления волокна.
При малом уровне сигнала коэффициент усиления шума равен коэффициенту усиления слабого сигнала и представляет собой ненасыщенный коэффициент усиления оптического усилителя, который должен быть максимально возможным (для современных конструкций 30–50дБ) для осуществления усиления проходящего оптического сигнала. Следовательно, в период времени, когда происходит усиление оптического сигнала малой амплитуды, входной шум и шум ASE усиливается с максимальным коэффициентом усиления. Большинство предлагаемых технических решений [1,2] малошумящих ВОУ основано на оптимизации ненасыщенного коэффициента усиления ВОУ в зависимости от среднего уровня или других параметров усиливаемого сигнала.
2) Кроме того, ВОУ, работая в режиме линейного усиления, усиливают и составляющие шумов, приходящие от других источников вместе с усиливаемым сигналом, например, шумы за счет остаточной модовой, поляризационной или спектральной дисперсии, шума спонтанного излучения передающего лазерного диода и другие.
3) Исходные характеристики оптического сигнала не восстанавливаются полностью оптическим усилителем-регенератором.
Тем самым принципиально отсутствует возможность полностью избавиться от шумовой составляющей, связанной с ASE шумом собственно ВОУ, а также шуми за счет остаточной модовой, поляризационной, или спектральной дисперсии, шумом спонтанного излучения передающего лазерного диода, и т. д.
Одна из важнейших характеристик любого усилителя, или регенератора для волоконно-оптических систем — приведенный ко входу коэффициент шума. При рассмотрении работы ВОЛС следует учитывать, что оптический сигнал в системах передачи данных, работающих на одной частоте, обычно является двухуровневым амплитудно-модулированным сигналом с пассивной паузой, то есть после фотодетектирования приемником фактически является двухуровневым цифровым сигналом.
Следовательно, подобный сигнал полностью аналогичен по свойствам цифровому электрическому сигналу (если не учитывать модовую структуру оптического излучения и наличия синусоидального заполнения с оптической частотой) (рис.2).
Рис. 2. Оптический сигнал в волоконно-оптических системах передачи
Литература:
- Private communication, Pierre TaJbot, Inc., Quebec City, Canada, April 4, 2002.
- Mears R. S., Reekie L., Jancie I. M., and Payne D. N.,”High-gain rare-earth doped fiber amplifier at 1.54mm”, in Optical Fiber Communication Conference, vol.3. 1987 OSA Technical Digest Series, (Optical Society of America, Washington, DC., 1987) p.167.
- Решение по заявке на патент РУз. № IАP20090142 от 22.12.2009. Устройство для диагностики и оптимизации спектральных характеристик оптоволоконных систем передачи информации/ Раджабов Т. Д., Назаров А. М., Давронбеков Д. А., Симонов А. А., Хакимов З. Т., Пичко С. В.
