8.2.6 Оптични усилватели
Примерна блокова схема на аналогов усилвател за FM електрически сигнали е показана на фигура 8.16. Тук се приемат следните обозначения: ОК - оптичен кабел; OEC - оптоелектронен преобразувател, чийто основен елемент еp-i-nфотодетектор PD или APD, който преобразува оптичен сигнал в електрически FM сигнал; FM - усилвател на FM сигнала; ОА – амплитуден ограничител, изключващ ефекта на адитивен шум върху FM сигнала; EOP - електронно-оптичен преобразувател, който преобразува FM сигнала в светлинен поток; AGC е устройство за автоматично регулиране на усилването, което компенсира промените в нивото на светлинния поток, както и в коефициента на предаване и усилването под въздействието на дестабилизиращи фактори (температура, деградация на елементи, нестабилност на захранването и отклонение и др.).
Фигура 8.16 - Блокова схема на аналоговия усилвател OLT
Значително опростяване на линейния път се постига чрез използване на оптични усилватели (Фигура 8.12). За разлика от регенератора, оптичният сигнал с натрупани линейни изкривявания, получен на входа на усилвателя, ще бъде усилен и същият изкривен сигнал ще се появи на неговия изход, който поради усилването ще има по-високо ниво на оптични сигнали и в допълнение ще се появят допълнителни изкривявания поради добавения присъщ шум на оптичния усилвател.
Възможно е да се използват три вида оптични усилватели (OA) на FOCL: на лазерни диоди, на легирани влакна и Raman усилватели. Понастоящем операционните усилватели, базирани на влакна, легирани с редкоземни елементи, са получили най-голямо практическо приложение. Ербиев елемент се използва за допиране на влакното, а самите операционни усилватели се наричат EDFA (Erbium-Doped Fiber Amplifier) усилвател. оптични усилватели,легирани с ербий, през последните няколко години направиха революция във влакнесто-оптичната и телекомуникационната оптична индустрия, тъй като осигуряват директно усилване на оптични сигнали, без да ги преобразуват в електрически сигнали и обратно. В същото време те имат ниско ниво на собствен шум, а работният им диапазон на дължина на вълната почти точно съответства на прозореца на прозрачност на кварцово оптично влакно от 1550 nm.
EDFA усилвателят се състои от парче влакно, легирано с ербий. В такова влакно сигналите с определени дължини на вълната могат да бъдат усилени от енергията на външното излъчване на помпата (Фигура 8.17).
Слаб входен оптичен сигнал (1) преминава през оптичен изолатор (2), който пропуска светлина в права посока - отляво надясно, но не пропуска разсеяна светлина в обратна посока. След това преминава през блок от филтри (3), които блокират светлинния поток при дължината на вълната на помпата, но са прозрачни за дължината на вълната на сигнала. След това сигналът навлиза в макарата от легирано с ербий влакно (4). Дължината на такъв участък от влакното е няколко метра. Този участък от влакното е подложен на силно непрекъснато излъчване от полупроводников лазер (5), монтиран от противоположната страна, с по-къса дължина на вълната на помпата.
Фигура 8.17 − Схема на оптичния усилвател EDFA
Светлината от лазера на помпата - вълната на помпата (6) - възбужда атомите на примесите от възбудено състояние в основно състояние. Въпреки това, при наличие на слаб сигнал, преходът на примесните атоми от възбудено състояние към основно състояние става с излъчване на светлина със същата дължина на вълната и със същата фаза като сигнала, който е причинил това. Селективният сплитер (7) пренасочва усиления полезен сигнал (8) към изходното влакно (9). Включен допълнителен оптичен изолаторизход (10) предотвратява навлизането на обратно разпръснатия сигнал от изходния сегмент в активната област на оптичния усилвател. Най-важният компонент на EDFA усилвателя е лазерът с помпа. Той е източник на енергия, благодарение на който се усилва оптичният сигнал. Лазерната енергия на помпата се разпределя в EDFA между всички оптични канали. Колкото по-голям е броят на каналите, толкова по-голяма е необходимата мощност на помпата. EDFA усилвателите, предназначени за голям брой канали, често използват няколко лазера с помпа. Лазери с дължини на вълните 980 nm и 1480 nm са подходящи за изпомпване на оптични усилватели. Излъчването на двете дължини на вълната съответства на енергийните нива на възбудените йони и се абсорбира добре от легираното с ербий влакно. Но при избора на един или друг тип лазер с помпа трябва да се направи компромис. От една страна, EDFA усилвателите с 980nm лазери имат по-ниска стойност на шума от усилвателите с 1480nm лазери, което е по-добро за многоканални системи и DWDM предусилватели. От друга страна, използването на 1480 nm лазери прави възможно създаването на по-мощни усилватели на по-ниска цена. Практиката показва, че най-оптималният вариант е да се извърши изпомпване при дължина на вълната 1480 nm в обратна посока и изпомпване при дължина на вълната 980 nm в права посока. Това ще позволи най-доброто използване на предимствата на двата метода, а именно: 1480 nm лазерът с помпа има по-висока квантова ефективност, но в същото време малко по-висок коефициент на шум, докато 980 nm лазер може да намали нивото на шума почти до нивото на квантовите флуктуации. Разработването на различни помпени схеми с висока мощност направи възможно създаването на EDFA усилватели с разширен работен диапазон от 1570 nm до 1605 nm (L-лента). Тези усилватели също санаречени дълговълнови усилватели LWEDFA (Long Wavelength Erbium-Doped Fiber Amplifier).
Фигура 8.18 показва усилването на оптичен усилвател като функция от дължината на вълната.
В най-простите дизайни на EDFA усилването се извършва в доста тесен диапазон на дължина на вълната от 1525 nm до 1565 nm. Тези 40 нанометра побират няколко десетки канала
Спектралното разпределение на усилването на оптичния усилвател има широк пик при 1535 nm и относително плоска област между 1540 и 1560 nm. Тази област е широка около 20 nm и е работният диапазон на EDFA усилвателя, в рамките на който трябва да лежат дължините на вълните на всички канали на DWDM системите. Благодарение на появата на оптичните усилватели мрежите, базирани на системи за мултиплексиране с разделяне на вълни, станаха икономически и технически по-привлекателни.
Фигура 8.18 - Зависимостта на усилването на оптичния усилвател от дължината на вълната
Усилването на оптичен усилвател EDFA зависи от дължината на вълната и мощността на входния сигнал. Зависимостта от дължината на вълната се определя от формата на енергийните нива на легираните ербиеви атоми, тяхната концентрация, разпределение, дължина на вълната на лазера на помпата и много други параметри и има доста сложна форма. Фигура 8.19 показва типичното усилване спрямо дължината на вълната за три фиксирани нива на мощност.
Фигура 8.19 − Зависимост на усилването на EDFA от дължината на вълната на входния сигнал при фиксирани стойности на мощността
По-проста форма (формата на монотонно намаляваща функция) има зависимост на усилването от мощността на входния сигнал. Такава зависимост за дължина на вълната 1550 nm и мощност на насищане 0 dBm е показана на фигура 8.20.
Фигура 8.20 - Зависимост на усилването на EDFA от мощността на входния сигнал при фиксирана дължина на вълната от 1550 nm
За разлика от електронните регенератори (ретранслатори), оптичните усилватели са напълно „прозрачни“ - те не зависят от използваните протоколи, формати, скорост на предаване и дължина на вълната (в рамките на горните ограничения) на оптичния сигнал (Фигура 8.21).
Фигура 8.21 − Използване на EDFA оптични усилватели
В зависимост от приложението се разграничават предусилватели, линейни усилватели и усилватели на мощност (Фигура 8.22).
Предусилвателите (предварителни усилватели) са инсталирани директно пред приемника на регенератора и допринасят за увеличаване на съотношението сигнал / шум на изхода на етапа на електронно усилване в оптоелектронния приемник. Оптичните предусилватели често се използват като заместител на сложни и обикновено скъпи кохерентни оптични приемници.
Фигура 8.22 − Приложение на различни видове оптични усилватели
Линейните усилватели се инсталират в междинни точки на разширени комуникационни линии между регенератори или на изхода на оптични сплитери, за да компенсират затихването на сигнала, което възниква поради затихване в оптичното влакно или поради разклоняване в оптични сплитери, съединители, WDM мултиплексори. Линейните усилватели заменят оптоелектронните повторители и регенератори в случаите, когато няма нужда от точно възстановяване на сигнала.
Усилвателите на мощност (бустери) се инсталират непосредствено след лазерните предаватели и са предназначени да усилват допълнително сигнала до ниво, което не може да бъде постигнато с лазерен диод. Бустерите могат да се инсталират и пред оптичен сплитер,например при предаване на трафик надолу по веригата в хибридни влакнесто-коаксиални кабелни телевизионни архитектури.
Сравнение на параметрите на разглежданите усилватели е дадено в таблица 8.4.
Таблица 8.4 - Сравнителен анализ на три вида оптични усилватели EDFA