протяженные ВОЛС на основе EDFA

Преимущества передачи, использующей оптическое усиление сигнала и плотное волновое мультиплексирование DWDM, изменили концепции построения оптических сетей. Менее чем за десять последних лет пропускная способность одного волокна в коммерческих системах возросла с 2,488 Гбит/с до 1600 Гбит/с, т.е. выросла примерно в 1000 раз. Этому предшествовали еще 10 лет развития волоконно-оптической индустрии.

В настоящее время волоконно-оптические коммуникации используются в сетях практически всех масштабов: корпоративные сети, сети доступа, городские, региональные сети, междугородние линии связи, трансконтинентальные линии связи. И чем больше протяженность, и чем выше скорость передачи, тем более заметны преимущества технологии ВОЛС по сравнению с другими.
Рост скорости передачи в протяженных линиях связи показывает, что нет ни какой альтернативы волокну. Мы наблюдаем соревнование одной волоконно-оптической технологии с новой более совершенной волоконно-оптической технологией. При строительстве протяженных ВОЛС волокно осталось один на один с самим собой.
Применение эрбиевых усилителей открыло новую эру ВОЛС. Стала возможной безрегенерационная передача на расстояния до 1000 км и более. В настоящее время можно утверждать, что решения на основе EDFA проверены практикой, надежны, сравнительно недороги, достаточно эффективны и не имеют лучших альтернатив при строительстве протяженных ВОЛС с расстоянием между усилителями 60-120 км.

основные этапы эволюции протяженных ВОЛС

Компания Standard Telephones and Cables построила первую волоконно-оптическую коммуникационную систему в сентябре 1975 года. В 1977 году сразу несколько компаний сделали независимые заявления о том, что телефонный трафик был передан в реальном времени по оптическому волокну в их испытательных сетях. Это были компании: AT&T, General Telephone and Electronics, British Post Office и другие. Системы с многомодовыми волокнами MMF составляли основу протяженных ВОЛС того времени — градиентное многомодовое волокно (волокно G.651), светодиоды на основе арсенида галлия излучающие на длине волны 850 нм! Поскольку потери в волокне на этой длине волны были более чем существенны (3 дБ/км), такие линии связи строились с большим числом близко расположенных друг к другу регенераторов. Эти оптические магистрали были наземными, а для межконтинентальной связи все еще использовались подводные коаксиальные кабели.
С появлением одномодового волокна (которое сегодня называется стандартное одномодовое волокно, SSF или волокно G.652) становится ясно, что значительно перспективней вести передачу на длине волны 1300 нм — меньше потери и дисперсия. Использование одномодового волокна позволяет передавать оптические сигналы с большей скоростью и на большие расстояния.
Сначала сложно было реализовать на практике преимущество нового типа волокна. Но улучшение технологий сварки одномодового волокна, серийное производство лазеров на длине волны 1300 нм и развитие технологии производства одномодового волокна способствовали быстрому устареванию систем протяженных магистралей на основе многомодового волокна.

Рис. 1. Эволюция протяженных линий связи (оптический уровень).

Коммерческие преимущества новой технологии продемонстрировала компания MCI в 1982 году. Система связи компании MCI, функционирующая на длине волны 1300 нм, передавала данные на 50% быстрее, чем система AT&T, использовавшая градиентное многомодовое волокно и передачу на двух длинах волн, 850 нм и 1300 нм.. При этом MCI позволила увеличить расстояние между повторителями с 7 до 30 км! Это показало огромное превосходство одномодового волокна перед многомодовым градиентным для наземных протяженных линий связи. Другие компании, специализирующиеся на строительстве протяженных линий связи, быстро сделали выбор в пользу новой технологии на основе одномодового волокна.
Между тем, трансатлантические кабельные операторы продолжали терять рынок в конкуренции со спутниковой связью — технологии подводных коаксиальных кабелей не могли больше эффективно конкурировать — и в поисках ресурсов по увеличения полосы пропускания вынуждены были рассмотреть возможность использовать волокно. Подводные оптические кабели начали строиться позднее по сравнению кабелями для наземных волоконно-оптических магистралей. Это было обусловлено сложностью изготовления подводного ВОК — нагрузки на кабель и соответственно на волокна при укладке кабеля в грунт значительно меньше. Тем не менее в 1988 году после нескольких лет планирования и строительства, консорциум компаний, ведомый AT&T, сдал в эксплуатацию первую трансатлантическую волоконно-оптическую систему TAT-8, состоящую из 3 пар одномодовых волокон, работающую на длине волны 1300 нм с расстоянием между повторителями 60 км.
Минимальные значение потерь в стандартном одномодовом волокне 0,2-0,25 дБ/км достигается на длине волны, близкой к 1550 нм. Минимальная хроматическая дисперсия, в окрестности нуля, достигается на длине волны 1310 нм. Чтобы обеспечить высокую скорость передачи на большие расстояния, необходимо свести к минимуму потери и дисперсию, причем на одной и той же длине волны.
Прямолинейным ответом было создание волокна со смещенной дисперсией (DSF, волокно G.653). Это волокно, имеющее нулевую дисперсию в окрестности длины волны 1550 нм, обещало быть очень привлекательным для одноканальной передачи. Однако две появившиеся впоследствии технологии — DWDM и EDFA — показали несостоятельность волокна DSF. Четырехволновое смешение, эффект выражающийся в появлении дополнительных паразитных сигналов на частотах, являющихся комбинацией рабочих частот, которые также усиливаются, проходя через каскады усилителей EDFA. Этот эффект становится заметным при многоволновой передаче.
Одновременно две причины приводят к резкому увеличению нелинейных эффектов в волокне DSF: нулевая дисперсия в рабочем диапазоне длин волн и малое эффективное поперечное сечение. Уменьшение эффективного поперечного сечения связано с тем, что смещение дисперсии достигается за счет увеличения волноводной дисперсии при изменении профиля показателя преломления и уменьшении диаметра сердцевины.
В 1994 году создается волокно с ненулевой смещенной дисперсией (NZDSF, волокно G.655), в котором длина волны нулевой дисперсии вынесена за пределы зоны усиления EDFA. И это волокно также оказалось не способным удовлетворить растущим потребностям. Рост числа каналов, канальной скорости передачи, увеличением протяженности сегментов между усилителями — все эти факторы по отдельности и, тем более, вместе требуют увеличения мощности излучения, вводимого в волокно.
В 1998 году разрабатываются еще более совершенные волокна NZDSF, в которых увеличена эффективная область распространения сигнала. Поскольку проявление нелинейных эффектов зависит от плотности световой энергии в волокне, то увеличение эффективной площади приводит к ослаблению влияния нелинейных эффектов, и увеличивает дальность линии связи и скорость передачи.

эрбиевые оптические усилители (EDFA)

Принципиальным отличием оптического усилителя от регенератора, является то, что первый не осуществляет оптоэлектронного преобразования. Оптический усилитель увеличивает амплитуду входных оптических импульсов чисто оптическим путем, не выполняя при этом ни какого дискриминационного восстановления формы импульсов. Первыми исследовались полупроводниковые и рамановские усилители. Однако наличие ряда недостатков ограничивали их практическое использование.
В 1990 году создаются первые оптические усилители на основе волокна, легированного эрбием (EDFA), и становятся очевидными возможности их широкого использования в протяженных линиях связи. Несмотря на позднее рождение, EDFA первыми проникают на телекоммуникационный рынок и на сегодняшний день доминируют на нем.
Оптический усилитель имеет три существенных преимущества перед регенератором. Во-первых, оптический усилитель конструктивно проще. Во-вторых, оптический усилитель, в отличие от регенератора, не привязан к протоколу или скорости передачи и может преобразовывать (усиливать) входной сигнал любого формата. В третьих, оптический усилитель способен одновременно усиливать большое число независимых спектрально разделенных каналов, в то время как регенератор может обрабатывать только один канал, одну длину волны. Перечисленные преимущества оптического усилителя настолько сильны, что отодвигают один из его главных недостатков на задний план — оптический усилитель вносит шум.

основные параметры оптического усилителя

Три ключевых технических параметра характеризуют оптический усилитель — коэффициент усиления, мощность насыщения на выходе усилителя и шум-фактор.
Коэффициент усиления G (gain) и его логарифмический эквивалент g = 10 lg G [дБ] определяются из соотношения

G = P_Sout/P_Sin, g = P_Sout- P_Sin (1)

гдеP_Soutи P_Sin— мощности (полезных) сигналов на входе и выходе усилителя, маленькие буквы обозначают логарифмический эквиваленты мощности, p = 10lg(P/1мВт) [дБм]. Коэффициент усиления оптического усилителя EDFA зависит от длины волны и мощности входного сигнала. Зависимость от длины волны определяется формой энергетических уровней легированных атомов эрбия, их концентрацией, распределением, длиной волны лазера накачки и многими другими параметрами и имеет достаточно сложную форму. На рис.2-а приведены типичные зависимости коэффициента усиления от длины волны для трех фиксированных значений мощности. Более простой вид (вид монотонно убывающей функции) имеет зависимость коэффициента усиления от мощности входного сигнала. Такая зависимость для длины волны 1550 нм приведена на рис.2-б.

Рис. 2a. Зависимость коэффициента усиления EDFA от длины волны входного сигнала при фиксированных значениях мощности.

Рис. 2b. Зависимость коэффициента усиления EDFA от мощности входного сигнала при фиксированном значении длины волны 1550 нм. Мощность насыщения равна 0 дБм.

С практической точки зрения удобно ввести еще один параметр, характеризующий EDFA, —  P_{out sat}- мощность насыщения на выходе усилителя.P_{out sat}определяется как значение мощности сигнала на выходе, при которой коэффициент усиления G в два раза (g на 3 дБ) меньше максимального значения коэффициента усиленияG_max, достигаемого при малом входном сигнале.
Нет ничего неординарного в работе усилителя в режиме насыщения, т.е. когда мощность сигнала на выходе близка или превосходит мощность насыщения. В этом режиме обычно работают усилители мощности, так как именно тогда можно получить максимальную выходную мощность и максимальную эффективность накачки.
Качество оптического сигнала характеризуют величиной, которую принято называть оптическим отношением сигнал-шум (OSNR). OSNR равно отношению мощности полезного сигнала к мощности шума в спектральном интервале Dn, определяемом окном фильтра или демультиплексора на приемной стороне. Значение OSNR должно быть достаточно большим, чтобы обеспечить требуемую для стандарта передачи максимально допустимую частоту появления ошибок BER. По мере распространения сигнала значение OSNR может только убывать.
Шум-фактор NF (noise figure) показывает как сильно возрастает шум в усилителе по сравнению с полезным сигналом и определяется как отношение сигнал-шум на входеOSNR_inк отношению сигнал-шум на выходеOSNR_out:

(2)

Здесь следует отметить, что на вход подается идеальный когерентный сигнал, т.е. сигнал с минимальным значением мощности шума, определяемым квантовыми флуктуациямиPN_in= hDn(меньше этой величины уровень шума быть не может). Для этого сигнала отношение сигнал/шум не бесконечно и равноOSNR_in= PS_in/ hDn. При этом, мощность шума на выходе будет состоять из суммы мощности усиленного спонтанного излученияP_ASE(amplified spontaneous emission) и мощности шума, связанной с квантовыми флуктуациями выходного излучения:P_{N out}= P_ASE+ hnDn.Мощность усиленного спонтанного излучения PASE, генерируемая в обеих поляризациях на одном усилителе в спектральном интервале Dn определяется соотношением

P_ASE= 2n_sp(G-1)hnDn, (3)

гдеn_sp— коэффициент спонтанной эмиссии. Для идеального усилителя n_sp= 1. Коэффициент спонтанной эмиссии зависит от заселенностей уровней эрбия. Если учесть, чтоP_Sout/P_Sin= G, то шум-фактор можно выразить через коэффициент усиления и коэффициент спонтанной эмиссии   NF = (1+2n_sp(G-1))/G, а мощность усиленного спонтанного излучения будет равна

PASE = (NF•G-1) hnDn, (4)

Часто при описании EDFA значение шум-фактора, как и значение коэффициента усиления, указывается в дБ: nf = 10 lg NF. При G>>1 NF=2n_sp. Таким образом, минимальный шум-фактор NF равен 2 (nf = 3 дБ) и достигается при n_sp= 1.
Шум-фактор NF двух последовательных усилителей, характеризующихся соответственно коэффициентами усиленияG₁иG₂и шум-факторамиNF₁и NF₂определяется по формуле

NF = NF₁+ (NF₂-1)/ G₁(5)

В более общем случае многокаскадного усилителя вклад в результирующий шум-фактор со стороны шум-фактора n-ого каскада ослабляется в число раз, равное произведению коэффициентов усиления всех предыдущих каскадов.
Это правило позволяет сформулировать общее требование при создании многокаскадных усилителей: лучший способ получения многокаскадного усилителя с более низким уровнем шума состоит в использовании низкошумящего усилителя с малым шум-фактором и бОльшим усилением в первом каскаде. Именно первый каскад определяет шумовую характеристику многокаскадного усилителя.
В двухкаскадном усилителе первый каскад работает с малым входным сигналом и называется предусилителем, второй каскад обеспечивает большую выходную мощность и называется усилителем мощности. Применительно к каскаду усилителей EDFA имеют место следующие практические выводы:
1. В предусилителях EDFA преимущественно используются лазеры накачки на длине 980 нм и реализуется сонаправленная накачка, что обеспечивает меньшее значение NF₁.
2. В усилителях мощности EDFA используются лазеры накачки на длине 1480 нм и реализуется встречная накачка, что обеспечивает большее значение коэффициента усиленияG₂.

Р.Р.Убайдуллаев, к.ф.-м.н., «Телеком Транспорт».