Усилитель оптического сигнала - что это за "зверь" и с чем его "едят"

1068

Основные проблемы, с которыми сталкиваются компании, предоставляющие сетевой доступ, ограничивающие скорость соединения и дальность передачи сигнала – затухание, дисперсия, нелинейные оптические явления. Чтобы нивелировать их, повысить пропускную способность, исключить значительные вложения в модернизацию, используются усилители оптического сигнала. Какими классами они представлены? Какие характеристики учитывать при подборе? Какие методики используются для усиления?

История разработки

Оптический усилитель – устройство, обеспечивающее непосредственное увеличение мощности сигнала, без проведения вторичных, обратных преобразований. По сути, оно является лазером без оптического резонирующего модуля или аналогом, где заблокирована обратная связь в этом модуле.

Основа методики усиления – индуцированное излучение, которое было предсказано Альбертом Эйнштейном в 1916 году, однако, возможности этого излучения долгое время оставались без должного внимания. Только в 1939 его подробно рассмотрел специалист Валентайн Фабрикант.

Валентайн, впрочем, не выносил идеи на публичное рассмотрение, все они остались исключительно теоретическими. Это не помешало Теодору Мейману уже в 1960 создать лазер, система обратной связи в котором базировалась на двух плоских зеркальных поверхностях. Первое время разработка считалась начальной ступенью к выпуску лазера высокой мощностей, но через несколько десятилетий наступила эра оптоволоконных линий связи, где идеям Меймана нашлось активное применение.

Чем больше дистанция передачи, тем значительнее потери сигнала, так что без усиления обойтись не удается. Попытка решить проблему при помощи электрооптического повторителя оказалась успешной. Однако, они оказались чересчур сложными в производстве и дорогими, так что инженеры продолжили работу.

Полупроводниковые усилители

В основу одного из решений положены методы, аналогичные лазерным диодам Фабри-Перо. Чтобы добиться эффекта усиления, нужно исключить явление резонанса. Способ – просветление торцевых кромок кристалла, использование других методик, блокирующих обратную связь. Усилители оказались дешевле и проще, в сравнении с электрооптическими, однако, повышение мощности оказалось недостаточным, с выраженной нелинейностью.

Современность: усилители EDFA

Английская аббревиатура “EDFA” обозначает усилитель на основе оптоволокна, характеристики которого улучшены за счет добавления ионов редкоземельного металла, эрбия. Их использование допустимо в сетях вне зависимости от протоколов передачи информации, достигается усиление как аналогового, так и цифрового сигнала, допустим монтаж в любых ВОЛС, в том числе тех, что применяются в системах кабельного телевизионного вещания.

Базовые показатели устройств таковы:

• Мощность насыщения;
• Усиливающий коэффициент;
• Показатель шума;
• Мощность увеличения спонтанного излучения.

Лазеры накачки: задачи и особенности

Лазер накачки – модуль, формирующий поток энергии, необходимой для повышения мощности сигнала. Классические варианты для EDFA – оптические установки, формирующие поток с длиной волны 980 или 1480 нм. Длина волны 980 нм характеризуется минимальными шумами, 1480 – обеспечивает предельный усиливающий коэффициент. Представлены и комбинированные модули, где используются оба лазера.

Различают не только длину волны, но и методику накачки:

• Прямая. Плюс – минимальный показатель шума, используется в случае нехватки мощности сигнала на входе, значительном усиливающем коэффициенте;
• Обратная. Применяется при необходимости максимального увеличения мощности на выходе;
• Комбинированная. Сочетает плюсы обеих технологий.

Усилители EDFA: принцип функционирования

Принцип базируется на том, что оптическое волокно, модифицированное эрбием, увеличивает мощность сигнала внешним излучением, продуцируемым лазерами накачки.

При производстве оптоволокна используются кварцевые или фторидные добавки. Второй вариант оптимален при использовании в системах, передающих сигналы в широком диапазоне, преимущество первого – минимальный коэффициент искажений и помех.

Стадии работы усилителя следующие:

1. Поступление сигнала малой мощности в изолятор с односторонним движением светового потока, блокирующий формирование отраженного излучения;
2. Фильтрация, задержка светового потока на длине накачивающей волны;
3. Подача сигнала на модифицированную эрбием волоконную катушку;
4. Возбуждение атомов примеси, достижение максимальной продолжительности перед переходом в стандартное состояние. Если сигнал слаб, то в процессе изменения состояния атомов формируется световой поток, длина волны и фаза которого идентичны сигналу;
5. Подача усиленного сигнала на выход. Блокировка изоляционным модулем обратной передачи.

Усилители EDFA: классификация

Устройства представлены тремя классами:

• Бустеры. Монтируются сразу за лазерными передатчиками, повышают мощность до показателей, недостижимых исключительно при помощи лазерных диодов;
• Предусилители. Ставятся перед принимающим устройством, уменьшают показатель шума, делают сигнал более чистым;
• Линейные. Монтируются на промежуточных участках, нивелируют падение мощности, связанное с затуханием или преломлением, вызванным обилием разветвителей и других вспомогательных компонентов.

Источник: https://lan-art.ru/