Wzmacniacze optyczne

ITpedia

Wzmacniacze optyczne zastępują stosowane do tej pory w telekomunikacji optoelektroniczne regeneratory sygnału, a zadaniem ich jest również kompensacja strat wzdłuż trasy włókna światłowodowego. W przekazach WDM wielofalowy sygnał optyczny jest zwykle transmitowany w trzecim oknie transmisyjnym przez jednomodowy światłowód, a w razie potrzeby wzmacniany na trasie przekazu za pomocą wzmacniaczy optycznych.

Przez dobór odpowiedniego natężenia sygnału impulsu świetlnego (zwanego solitonem), jego czasu trwania i właściwej obwiedni sygnału świetlnego uzyskuje się kompensację nieliniowych właściwości włókna światłowodu, dzięki czemu jest możliwy przekaz takiego impulsu praktycznie bez żadnej dyspersji i zmiany kształtu, prawie na dowolną odległość. Wykorzystując standardowe światłowody z solitonami o szerokości 20-50 ps, uzyskuje się pojemność transmisyjną BL kilkaset (Tb/s) km, co zapewnia transmisje międzykontynentalne (powyżej 10 tyś. km) o przepływności do 40 Gb/s.
Przez dobór odpowiedniego natężenia sygnału impulsu świetlnego (zwanego solitonem), jego czasu trwania i właściwej obwiedni sygnału świetlnego uzyskuje się kompensację nieliniowych właściwości włókna światłowodu, dzięki czemu jest możliwy przekaz takiego impulsu praktycznie bez żadnej dyspersji i zmiany kształtu, prawie na dowolną odległość. Wykorzystując standardowe światłowody z solitonami o szerokości 20-50 ps, uzyskuje się pojemność transmisyjną BL kilkaset (Tb/s) km, co zapewnia transmisje międzykontynentalne (powyżej 10 tyś. km) o przepływności do 40 Gb/s.

Olbrzymie szerokości pasma transmisyjnego, dostępne w oknach II (12 THz) oraz III (15 THz), spowodowały rozwój szerokopasmowych wzmacniaczy optycznych, a wśród nich światłowodowych wzmacniaczy domieszkowanych prazeodymem PDFA (Praseodymium-Doped Fibre Amplifier) dla fali l=1310 nm lub erbem EDFA (Erbium-Doped Fibre Amplifier) dla fali l=1550 nm, rekompensujących straty mocy optycznej do ok.. 30 dB. Potrzeba regeneracji sygnałów optycznych w telekomunikacji zachodzi w przypadku, gdy długość łącza przekracza odległość regeneracyjną światłowodu i wymagane jest wzmocnienie G (Gain) sygnału, kompensujące wtrąconą tłumienność 1/G.

Istnieje wiele innych, rzadziej spotykanych konstrukcji wzmacniaczy optycznych o mniejszych możliwościach wzmocnienia i wykorzystujących odmienne technologie, takie jak: wzmacnianie za pomocą diod laserowych (Fabry-Perota, z falą bieżącą TWA), wzmacniacze na włóknach domieszkowanych innymi pierwiastkami niż erb (Nd, Sm) oraz z zastosowaniem efektów nieliniowych (wzmacniacze Ramana i Brillouina). Z wyjątkiem wzmacniacza Ramana do zastosowań telekomunikacyjnych są one używane sporadycznie. Pomimo opracowania wielu typów optoelektronicznych (półprzewodnikowych, laserowych) regeneratorów sygnału największe nadzieje wiąże się ze wzmacniaczem EDFA, wzmacniającym bezpośrednio sygnał optyczny – bez potrzeby jego konwersji na postać elektryczną.

Do upowszechnienia sieci optycznych o tak dużych szybkościach przesyłania przyczyniło się opanowanie seryjnej produkcji różnego rodzaju wzmacniaczy optycznych, najpierw domieszkowanych erbem jako wzmacniacze EDFA, ostatnio najnowszej generacji wzmacniaczy Ramana (rozwiązania Alcatela), o szerszym pasmie przenoszenia oraz o włóknach światłowodowych specjalnej konstrukcji.

Spis treści

Wzmacniacz EDFA

Dla wzmacniaczy EDFA (Erbium-Doped Fibre Amplifier) maksimum wzmocnienia występuje dla najkorzystniejszego pasma transmisji optotelekomunikacyjnej (1550 nm) przy bardzo wysokiej sprawności pompowania, sięgającej 90 proc. Istotą tego sposobu wzmocnienia jest bardzo prosta konstrukcja wzmacniacza: fragment światłowodu jest wtrącany między standardowe odcinki światłowodów telekomunikacyjnych.

Przykład aplikacji wzmacniacza optycznego EDFA
Przykład aplikacji wzmacniacza optycznego EDFA

Zasadniczą zaletą wzmacniaczy EDFA jest ich mało stratne sprzęganie ze światłowodowym torem transmisyjnym, gdyż operują na tej samej geometrii włókna i materiale rdzenia (domieszkowanego erbem) co jednomodowe włókna kwarcowe. Stała i niezmienna szerokość nierównomiernego pasma przenoszenia wzmacniaczy optycznych domieszkowanych erbem (EDFA) wynosi ok.. 35 nm (pasmo 4,6 THz) w zakresie długości fal 1530–1565 nm, ale użyteczne, jednorodne i wygładzone pasmo wzmocnienia obejmuje najczęściej tylko ­wąski przedział DlO<1548;1560>nm, co odpowiada pasmu częstotliwości około 1,6 THz. Istnieje wiele sposobów wyrównania i rozszerzenia charakterystyki przenoszenia wzmacniaczy EDFA powyżej 35 nm, jednak metody te podwyższają całkowity koszt układów wzmacniających i nie są jeszcze często stosowane.

Niewrażliwość na polaryzację sygnału oraz duża tolerancja na zmianę długości fali, w połączeniu z prostotą działania i niewielkim poborem mocy (5 mW przy wzmocnieniu od 24 do 30 dB), dowodzą celowości stosowania wzmacniaczy EDFA w dalekosiężnych kablach podmorskich o dużej przepływności. Budowę kabli podmorskich opartych na wzmacniaczach optycznych EDFA rozpoczęto w 1995 r.

Typowe parametry światłowodu wielodomowego sieci LAN
Wymiary (μm) Tłumienie (dB/km) Apertura Długość kabla (km)
50/125 4,0 0,20 0,2
50/125 3,0 0,20 0,27
50/125 2,7 0,20 0,3
62,5/125 4,0 0,29 1,3
62,5/125 3,7 0,29 1,3
100/140 5,0 0,29 1,5
100/140 4,0 0,29 1,8

Wzmacniacz Ramana

Zjawisko wymuszonego wzmocnienia Ramana we włóknie światłowodowym (zwykle domieszkowanym germanem) wynika z nieliniowych właściwości włókna optycznego: fala świetlna wysłana w kierunku przeciwnym do kierunku sygnału powoduje wzmocnienie optyczne we włóknie przy większych długościach fali. We wzmacniaczach Ramana następuje przesunięcie mocy od mniejszych do większych długości fal, na których są kodowane właściwe informacje przeznaczone do transmisji. Transmitowany sygnał optyczny pobiera moc z pompy laserowej wzmacniacza Ramana, generującej fale o mniejszej długości (np.. 1450 nm) niż sygnał informacyjny, w wyniku czego użyteczny sygnał optyczny z informacją w pasmie o szerokości 40–50 nm ulega odpowiedniemu wzmocnieniu dla wyższych częstotliwości pracy.

Wykorzystanie rozproszonego wzmocnienia Ramana ma dwie zalety, w stosunku do tradycyjnego rozwiązania opartego na wzmacniaczach optycznych domieszkowanych erbem EDFA:

  • bardziej korzystny współczynnik SNR (Signal to Noise Ratio), czyli lepszy stosunek mocy sygnału do szumów generowanych w transmisji – zapewniając w ten sposób lepszą jakość sygnału przy tych samych odległościach bądź wymaganą jakość SNR osiąganą na większym dystansie;
  • uzyskanie większej szerokości pasma wzmocnienia niż w konwencjonalnych wzmacniaczach domieszkowanych erbem (przez inny sposób działania pompy laserowej), co objawia się dalszym zwiększeniem przepływności.

Rodzaje włókien

Istotnym elementem podczas wytwarzania światłowodów jest opanowanie umiejętności właściwego profilowania charakterystycznych parametrów włókna jednomodowego, takich jak: tłumienność, nieliniowość, dyspersja i współczynnik załamania światła. Dotyczy to parametrów zarówno płaszcza, jak i rdzenia oraz odpowiedniego domieszkowania rdzenia atomami lub jonami pierwiastków rzadkich. Technologie optyczne mają zapewnić dokładnie określone cele transmisyjne: obniżenie kosztów produkcyjnych włókna, wydłużenie odcinków między regeneratorami, zwiększenie szybkości na pojedynczej długości fali, zmniejszenie odstępów między sąsiednimi długościami fal l oraz zwiększenie liczby kanałów mieszczących się w pojedynczym włóknie.

Do powszechnie już stosowanych w zwielokrotnieniu WDM włókien światłowodowych, które doczekały się standaryzacji, należą następujące typy światłowodów jednomodowych (włókna wielomodowe są nieprzydatne w technologiach zwielokrotnienia falowego):

  • standardowe włókno jednomodowe SMF (Single Mode Fiber) zgodne z zaleceniami ITU-T G.652: ze skokowym współczynnikiem załamania światła, z zerem dyspersji w II oknie optycznym, wysoką dyspersją w III oknie (wynoszącą średnio około 17 ps/nm*km) oraz niską tłumiennością i niewielką podatnością na powstawanie efektów nieliniowych w III oknie optycznym 1550 nm. Jest więc dobrze dostosowane do transmisji jednokanałowych w II oknie, a także wyjątkowo dobrze zachowuje się w przekazach wielofalowych DWDM na niewielkich dystansach (sieci lokalne);
  • włókno jednomodowe z przesuniętą dyspersją DS.-SMF (Dispersion Shifted-Single Mode Fiber) o cechach określonych wg zaleceń G.653: z profilowanym współczynnikiem załamania światła, silnie ujemną dyspersją w II oknie (poniżej 20 ps/nm*km) i zerową dyspersją dla fali 1550 nm w III oknie. Istotną wadą tego włókna w aplikacjach wielofalowych jest zbyt niska dyspersja (praktycznie zerowa), będąca główną przyczyną powstawania przesłuchów międzykanałowych na skutek zjawiska mieszania czterofalowego FWM (Four Wave Mixing). Cechy te szczególnie predysponują włókno DS.-SMF do stosowania w jednokanałowych transmisjach długodystansowych w III oknie, a wykazuje ono stosunkowo niewielką przydatność do transmisji wielofalowych w III oknie optycznym;
  • włókno jednomodowe z przesuniętą i niezerową dyspersją NZDS-SMF (Non Zero Dispersion Shifted-Single Mode Fiber), określane zaleceniami G.655. Jego cechą charakterystyczną jest mała, lecz niezerowa (dodatnia lub ujemna) dyspersja w całym zakresie przenoszenia wzmacniaczy optycznych EDFA (1530–1565 nm), ograniczająca efekty nieliniowe włókna, a zwłaszcza mieszania czterofalowego FWM i modulacji skrośnej CPM (Cross Phase Modulation).

Włókna NZDS-SMF

Włókna światłowodowe NZDS-SMF z niezerową, przesuniętą dyspersją, stanowiące najlepsze medium transmisji wielofalowych DWDM w III oknie światłowodowym, nadal podlegają różnorodnym modyfikacjom – usprawniającym proces przenoszenia sygnałów optycznych. Usprawnienia te, prowadzone od kilku lat przez wielkie koncerny telekomunikacyjne, doprowadziły do powstania wielu typów światłowodów o odmiennych cechach. Również uzyskiwane za ich pomocą minimalne odstępy między sąsiednimi kanałami optycznymi DWDM (UWDM) ulegają ciągłemu zagęszczaniu w miarę postępów w technologiach optycznych (lasery, filtry i detektory fal optycznych) i osiągają obecnie wielkość znacznie poniżej 0,1 nm długości fali l.

Pierwsze włókna NZDS-SMF (Non Zero Dispersion Shifted-Single Mode Fiber), z niezerową i przesuniętą dyspersją, zaczęła wytwarzać (1994 r.) firma Lucent Technologies, początkowo jako włókno True­Wave, a następnie kilka jego wersji do rozmaitych aplikacji i korekt światłowodowych linii transmisyjnych pod firmowymi oznaczeniami: True­­Wave+, True­Wave- oraz True­Wave RS. Przez naprzemienne łączenie włókien True­Wave+ (z dyspersją ­dodatnią) i True­Wave- (dyspersja ujemna) można obecnie dokładnie równoważyć sumaryczną dyspersję włókna światłowodowego w pojedynczym kanale optycznym, uzyskując bez regeneracji transmisję na odległość do ok.. 1000 km (przy szybkościach 2,5 Gb/s) lub do 300 km (z podstawową szybkością 10 Gb/s).

Najnowsze rozwiązanie szerokopasmowego włókna wielofalowego klasy SMF to światłowód AllWave (Lucent), udostępniający na potrzeby transmisji cztery okna transmisyjne (II, III, IV i V). Transmisja w V oknie optycznym nie była dotąd dostępna w tradycyjnych światłowodach, ze względu na występującą w tym pasmie wysoką tłumienność jednostkową, spowodowaną absorpcją na jonach OH-.

Rodzaje włókien światłowodowych
Rodzaje włókien światłowodowych

Inną wersją standardowego włókna z niezerową dyspersją NZDS-SMF jest światłowód jednomodowy o zwiększonej powierzchni efektywnej klasy LEAF (Large Effective Area Fiber), produkowany od 1998 r. przez amerykańską firmę Corning. Za pomocą włókna LEAF, którego cechą charakterystyczną jest właśnie duża powierzchnia efektywna, uzyskuje się istotne obniżenie nieliniowości światłowodu. Cecha ta poprawia odstęp sygnału od szumów, co pozwala zwiększyć odległość między sąsiednimi wzmacniaczami EDFA do ponad 100 km. Nowatorską konstrukcję włókna NZDS-SMF, także o dużej powierzchni efektywnej, przedstawiła firma Alcatel – wprowadzając do eksploatacji specjalne włókno TeraLight o poszerzonym pasmie transmisyjnym w III oknie. Ten rodzaj włókna, z zerową dyspersją dla fali 1440 nm i niewielkim nachyleniem dyspersji dodatniej w całym pasmie przenoszenia wzmacniaczy EDFA, szczególnie nadaje się do realizacji dalekosiężnych łączy optycznych z wieloma kanałami optycznymi.

Włókna lustrzane

Najnowsza propozycja konstrukcji światłowodów optycznych nowej generacji, do aplikacji wojskowych (na etapie badań; Massachusetts, 2000 r.), to prowadzenie promienia podczerwonego w światłowodowym włóknie lustrzanym o współczynniku odbicia sięgającym „siedmiu dziewiątek” (99,99999 proc.) – wykonanego z wielu warstw materiałów dielektrycznych. Rdzeniem takiego światłowodu nie jest szkło, lecz próżnia lub czysty gaz obojętny – otoczony elastycznym lustrem i płaszczem kwarcowym – dzięki czemu unika się wielu ograniczeń spowodowanych nieliniowymi właściwościami szkła. W porównaniu z włóknami konwencjonalnymi o rdzeniu szklanym włókna lustrzane obiecują wiele korzyści:

  • prawie nieograniczony zakres częstotliwości (brak absorpcji szkła);
  • likwidacja efektów nieliniowych (brak rdzenia szklanego);
  • brak ucieczki promieniowania podczas zginania włókna (promień jest odbijany lustrem, a nie zmianą współczynników załamania);
  • eliminacja dyspersji materiałowej (z wyjątkiem falowodowej).

Perspektywę szerokości widmowej okien dla włókien lustrzanych szacuje się na 700 THz (przy długości fali l=400 nm), czyli o rząd więcej niż osiągane w dotychczas stosowanych włóknach szklanych.

Nadal nie rozwiązanym zagadnieniem włókien lustrzanych jest ich niewielka trwałość, związana z przenikaniem do wnętrza światłowodu wszelkiego rodzaju zanieczyszczeń: pyłu, wody, węglowodorów i plastyfikatorów z powłoki kabla.

Włókna specjalne

Tłumienność włókna wielofalowego
Tłumienność włókna wielofalowego

W celu uzyskania światłowodów o nietypowych parametrach transmisji bądź dla aplikacji istotnie różniących się od masowych zastosowań (innych niż telekomunikacyjne) stosuje się specjalne technologie wytwarzania włókien optycznych. Do włókien specjalnych, unormowanych przez zalecenia międzynarodowe, należą światłowody:

  • domieszkowane jonami pierwiastków ziem rzadkich (erbem, neodymem) – używane w konstrukcji wzmacniaczy optycznych i laserach;
  • dwójłomne (anizotropowe) – charakteryzujące się dwiema prostopadłymi osiami propagacji sygnału wzdłuż osi włókna;
  • zachowujące polaryzację – czyli prowadzące tylko polaryzację liniową;
  • nieliniowe – o silnych efektach nieliniowych;
  • do zastosowań militarnych.
-
-