Усилители оптического сигнала – группа активного оборудования, функция которого – увеличение мощности оптического сигнала без его дополнительных преобразований. Основные классы усилителей, используемых в оптоволоконных линиях, таковы:
- DFA. Усилители, главный компонент которых – оптоволокно, модифицированное за счет редкоземельных металлов;
- OSA. Устройства на полупроводниках;
- RA. Модели, усиливающие сигнал благодаря нелинейным явлениям, происходящим при его передаче.
Наибольшего внимания заслуживает оборудование первой группы, а именно – усилители на базе оптоволокна, легированного редкоземельным элементом эрбием. Их сокращенное название – EDFA, а спрос объясняется удачным сочетанием доступной цены, простоты изготовления и эффективности, вполне достаточной даже для профессиональной эксплуатации.
Базовое понятие
Усилитель EDFA – активный прибор, увеличивающий мощность одиночного или группового сигнала без дополнительных трансформаций. Устройства позволяют нивелировать негативное явление затухания сигнала, особенно актуальное для протяженных волоконно-оптических линий связи.
Конструкция
Классический EDFA-усилитель сформирован несколькими модулями:
- Сплавной FBT-делитель, разделяющий оптическое излучение на неравные потоки;
- Фильтр WDM, функция которого – смешивание основного, полезного, сигнала и вспомогательного, обеспечивающего необходимую накачку, усиление;
- Лазер, создающий мощный вспомогательный сигнал, за счет которого происходит “накачка”, повышение амплитуды базового сигнала. Длины волны излучения составляет 980 или 1480 нанометров;
- Оптоволокно, для модификации которого использован элемент эрбий. Внутри этого волокна сигналы взаимодействуют, амплитуда основного возрастает за счет активного поглощения им энергии;
- Изолятор. Он блокирует усиливающий сигнал, пропускает только основной;
- GFF-фильтр, делающий спектр усиления ровнее и точнее.
Лазеры накачки: особенности
Как замечено выше, лазер накачки может формировать луч, длина волны которого составляет 980 или 1480 нм. В первом случае базовая особенность – минимальный коэффициент шума, во втором – максимальная выраженность усиления. 980-нанометровые устройства ставятся, как правило, в предусилители и комплексы, обслуживающие множество каналов, 1480-нанометровые – в наиболее мощные модели EDFA. В некоторых устройствах, однако, реализована комбинированная схема, при которой мощность лазерного луча в равных долях распределяется по каналам.
Накачка проводится по одной из двух схем:
- Прямая. Шум минимален. Актуальна, когда сигнал на входе характеризуется минимальной мощностью, а потому нуждается в серьезном усилении;
- Встречная. Позволяет быстрее насытить волокно энергией, так что мощность сигнала на выходе оказывается мощнее, чем в предыдущем случае.
Принцип функционирования
Алгоритм работы оптического усилителя выглядит так:
- Поступление полезного сигнала (ПС) на EDFA;
- Разделение ПС на 2 потока. По потоку малой мощности, составляющей около 5 процентов от общей, сигнал проводится к встроенному фотоэлементу, что активирует лазер, отвечающий за генерацию энергии для усиления;
- Попадание основного ПС на изолятор, исключающий формирование искажений и отражений;
- Передача ПС в WDM-фильтр, где происходит его смешение с лазерным излучением, обеспечивающим повышение мощности;
- Увеличение мощности ПС за счет энергии лазерного луча в оптоволокне, легированном эрбием;
- Поступление ПС и оптического излучения накачки на изолятор, пройти сквозь который сможет только первый, полезный, сигнал;
- Поступление ПС на оптический делитель и передача его к портам на выходе по направлению основной мощности;
- Поступление сигнала по направлению малой мощности к фотоэлементу. Если фиксируемый сигнал не обладает достаточной мощностью, то усилитель автоматически увеличивает производительность лазера накачки, в противном случае – объемы подаваемой энергии ограничиваются.
Классификация
Усилители EDFA представлены тремя широкими категориями:
- Бустеры. Их ставят сразу после лазерных передатчиков, что позволяет повысить мощность сигнала до уровня, недостижимого за счет лазерных диодов. Второй вариант – монтаж до оптического разветвителя, что характерно для кабельных телевизионных и некоторых других систем;
- Предусилители. Монтируются прямо перед принимающим устройством, позволяют сделать сигнал более выраженным и четким, превышающим показатель шума;
- Линейные. Встречаются на ВОЛС большой протяженности, находятся, в основном, на выходах оптических разветвителей. Такое размещение позволяет компенсировать падение мощности сигнала, спровоцированное затуханием или обилием ответвителей, делителей.
Характеристики
Основные параметры рассматриваемого оборудования, определяющие его эффективность, производительность, функциональность, таковы:
- Шум-фактор. Шум в устройствах продуцируется, главным образом, из-за спонтанного излучения, усиливающегося и снова поглощающегося по всему оптоволокну. Уровень EDFA можно понять по такой характеристике, как “шум-фактор”. Чем выше “шум-фактор”, тем ниже класс оборудования;
- Ширина и равномерность полосы усиления. Ширина указывает на диапазон длин волн, где коэффициент усиления не может опуститься ниже определенной отметки. Хорошо зарекомендовали себя усилители, в которых центральная часть оптоволокна произведена из алюмосиликатного стекла, обеспечивающего значительную ширину полосы усиления, достаточную для обслуживания множества каналов, интервалы между которыми измеряются десятыми долями нанометра. Не так давно начались испытания еще более удачного материала, теллуритного стекла, однако, о широком распространении говорить пока не приходится. Равномерность усиления выражается в том, что его выраженность по всей ширине полосы стабильна, без серьезной разницы между каналами. Достигается это за счет комплектации EDFA спектрально-селективными поглощающими фильтрами;
- Коэффициент усиления. Чем он выше, тем более выражено усиление сигнала. Значение зависит от длины волны лазера, генерирующего энергию для повышения мощности, особенностей легирования, количества атомов редкоземельного металла и другими факторами.
Области эксплуатации
Чаще всего EDFA встречаются в комплексах проводной связи большой протяженности и в кабельных телевизионных сетях. В первом случае речь идет, по большей части, о системах спектрального уплотнения DWDM. Для них подходят устройства различных классов, однако, шире прочих применяются предусилители и бустеры. Линейные аналоги больше характерны для систем, топология которых сложнее, чем классическая “точка-точка”, отличается выраженным разветвлением и множеством узлов связи.
Помимо DWDM, встречаются устройства и на SDH-линиях. Эти комплексы не слишком распространены, однако, для них актуальны те же правила, что и в ситуации выше, лидерами по популярности являются бустеры и предусилители.
Устройства, востребованные в CaTV, ориентированы на повышение мощности единственного сигнала, что отличает их от DWDM-аналогов. Передача в кабельных телевизионных сетях ведется в достаточно узком интервале длин волн, тогда как в DWDM – в широком, измеряющемся десятками нанометров. Вторая особенность EDFA для кабельного ТВ – увеличенная мощность на выходе, доходящая до 41 дБм. В DWDM речь идет, как максимум, о 24 дБм.
Подведение итогов
Технологичные EDFA делают работу ВОЛС эффективнее, позволяют передавать данные на огромные расстояния, сохраняют базовые характеристики сигнала при повышении мощности, что важно для четкости приема. Они используют куда более совершенный, при этом, простой принцип усиления, отличный от устаревшего алгоритма, основанного на преобразовании оптического сигнала в электрический, его передачу по кабелям из меди, усиление и обратную трансформацию в световую форму.
Внедрение EDFA позволяет прокладывать не просто протяженные и структурно сложные сети, но и делать это без значительных вложений средств, труда и времени. Яркий пример – PON-сети, в рамках которых услугами связи пользуется огромное количество абонентов, что заставляет устанавливать множество ответвителей и делителей, ослабляющих сигнал. Компенсировать это ослабление помогают именно EDFA.
1jdnby