7.1 ВИДОВЕ ПОВТОРИТЕЛИ
- повторители;
- оптични усилватели.
Във влакнесто-оптичните системи на локалните мрежи повторителите са много по-често срещани от оптичните усилватели, докато оптичните усилватели играят основна роля при изграждането на оптични магистрали.
7.1.1 Ретранслатори
Повторителят е електрооптично устройство, което преобразува оптичен сигнал в електрическа форма, усилва, коригира и след това преобразува обратно в оптичен сигнал (Фигура 7.1).
Можете да си представите повторител като последователно свързани приемни и предавателни оптични модули. Аналоговият повторител изпълнява главно функцията за усилване на сигнала. В този случай наред с полезния сигнал се усилва и входният шум.
Въпреки това, при цифрово предаване повторителят, заедно с функцията за усилване, може да изпълнява функцията за регенериране на сигнала. Обикновено блокът за регенерация обхваща веригата за вземане на решения и таймера. Блокът за регенерация възстановява правоъгълната форма на импулсите, елиминира шума, ресинхронизира предаването, така че изходните импулси да попадат в подходящите времеви интервали. Ретранслаторът може да не съдържа таймер и да възстановява правоъгълната форма на импулсите при определен праг, независимо от скоростта на предаване. Такива "средно независими" повторители се използват в локални мрежи.
В локалните мрежи често се срещат повторители, които преобразуват сигнали от многомодово в едномодово влакно и обратно. Такива повторители се наричат преобразуватели. Широко използвани са OM/MM конвертори за 100, 155 и 622 Mbps.
7.1.2 Оптиченусилватели
Оптичният усилвател (OA), за разлика от повторителя, не извършва оптоелектронно преобразуване, но незабавно усилва оптичния сигнал (Фигура 7.2).
Операционните усилватели по принцип не са способни да регенерират оптичен сигнал. Те усилват еднакво както входния сигнал, така и шума. Освен това в изходния оптичен канал се въвежда собствен шум. Операционните усилватели използват принципа на стимулирано излъчване, подобно на лазерите. Има няколко вида оптични усилватели. Нека разгледаме две от тях.
а) Полупроводникови усилватели (SPU). Полупроводниковият усилвател се основава на активна среда, подобна на тази, използвана в полупроводниковите лазери. В PPU няма огледални резонатори, характерни за полупроводниковите лазери. За да се намали отражението на Френел, от двете страни на активната среда се нанася специално антирефлексно покритие с дебелина λ/4 (Фигура 7.3). Полупроводниковите усилватели все още не са толкова широко разпространени, колкото усилвателите с примесни влакна. Факт е, че PPU има два съществени недостатъка.
Първият недостатък е свързан с факта, че излъчващият светлина активен слой има ширина няколко микрометра, но дебелина в рамките на един микрометър. Това е много по-малко от диаметъра на светлоносещата част на оптичното влакно (около 9 μm за едномодово влакно). В резултат на това по-голямата част от светлинния поток, идващ от влакното, не навлиза в активната област и се губи, което намалява ефективността на усилвателя. Възможно е да се увеличи ефективността чрез поставяне на леща между входящото влакно и активната среда, но това води до усложнениедизайни.
Вторият недостатък е от по-фин характер. Факт е, че усилването на PPU зависи от посоката на поляризацията и може да се различава с 4-8 dB за две ортогонални поляризации. Това е нежелателно, тъй като поляризацията на разпространения светлинен сигнал не се контролира в стандартно едномодово влакно. Силата на светлинния поток с дадена поляризация може да варира по дължината му. От това следва, че печалбата на PPU зависи от неконтролируем фактор.
Горните два недостатъка са от по-малко значение в случаите, когато PPU е интегриран с други оптични устройства. И това е начинът, по който PPU се използват предимно. Една от възможностите е производството на комбиниран светоизлъчващ лазерен диод, директно на изхода на който е инсталиран PPU.
Фигура 7.4 показва изпълнение на мултиплексен източник с много дължини на вълната, в който PPA се използва като широколентов усилвател.
Няколко теснолентови полупроводникови лазера с различни дължини на вълната генерират светлинни сигнали, които се разклоняват и превключват с помощта на оптичен сплитер. PPU е монтиран в крайната секция, за да усили оптичните сигнали, отслабени след разклоняване.
b) Усилватели с оптични влакна. Този тип оптичен усилвател е най-широко използваният и е ключов елемент в изцяло оптичната мрежова технология, тъй като може да усили сигнал в широк спектрален диапазон. Фигура 7.5 показва веригата на усилвателявърху влакното с добавка.
Слаб входен оптичен сигнал (1) преминава през оптичен изолатор (2), който пропуска светлина в права посока - отляво надясно, но не пропуска отразена светлина в обратна посока. След това преминава през филтърния блок (3), който блокира светлинния поток при дължината на вълната на помпата, но е прозрачен за дължината на вълната на сигнала. След това сигналът влиза в бобината с влакно, легирано с примес от редкоземни елементи (4). Дължината на такъв участък от влакното е няколко метра. Интензивно непрекъснато изпомпвано лъчение от полупроводников лазер (5) с по-къса дължина на вълната навлиза в тази част на влакното. Светлината от изпомпващия лазер (6) възбужда атомите на примесите. Възбудените атоми имат дълго време за спонтанен преход към основно състояние. Въпреки това, при наличието на външен слаб оптичен сигнал, възниква индуциран преход на примесни атоми от възбудено състояние към основно състояние със светлинно излъчване при същата дължина на вълната и със същата фаза като външния сигнал. Селективният сплитер (7) пренасочва усиления сигнал (8) към изходното влакно (9). Допълнителен оптичен изолатор на изхода (10) предотвратява навлизането на отразения сигнал от изходния сегмент в активната област на оптичния усилвател.
Активната усилваща среда на усилвателя по правило е едномодово влакно, чиято сърцевина е легирана с примеси от редки земни елементи, за да се създаде тристепенна атомна система (Фигура 7.6).
Помпеният лазер възбужда електронната подсистема на примесните атоми. В резултат на това електроните отот основно състояние (ниво А) към възбудено състояние (ниво В). След това електроните се отпускат от ниво В до междинно ниво С. Когато популацията на ниво С стане достатъчно висока, така че да настъпи инверсия на популацията на нивото С, системата е в състояние да индуцира усилване на входния оптичен сигнал в определен диапазон на дължина на вълната. Ако няма входен сигнал, тогава възниква спонтанно излъчване на възбудени примесни атоми, което води до шум.
Функционалните характеристики на усилвателите до голяма степен зависят от вида на примесите и от диапазона на дължината на вълната, в който трябва да усилва сигнала. Най-широко използваните усилватели използват силициево влакно, легирано с ербий. Такива усилватели се наричат EDFA (Erbium Doped Fiber Amplifier) - оптичен усилвател, базиран на влакна, легирани с ербий. Междуатомното взаимодействие е причина за много важен положителен фактор - разширяване на нивото, което в крайна сметка осигурява на усилвателя широка зона на усилване на сигнала. EDFA има най-широката зона на усилване от 1530 до 1565nm. За щастие, този диапазон на дължината на вълната точно съответства на диапазона на минимални загуби в силициевите влакна, които следователно са най-широко използвани в оптичните влакна за основната верига. Този диапазон (1530–1565 nm) се постига при оптимална дължина на вълната на лазера на помпата от 980 nm. Някои системи използват дължина на вълната на помпата от 1480 nm.