Проектирование магистральной волоконно-оптической системы передачи с повышенной пропускной способностью (стр. 21 из 31)
Преимущества полупроводниковых усилителей
• Усилитель представляет собой маленькое полупроводниковое устройство, что позволяет интегрировать его в другие элементы и делает возможным его массовое производство.
• Широкий спектр усиления.
Недостатки полупроводниковых усилителей
• большой уровень шума по сравнению с эрбиевыми или рамановскими усилителями;
• низкая выходная мощность;
• большие перекрестные помехи между каналами;
• чувствительность к поляризации входящего света;
• большие вносимые потери;
• трудности соединения SOA с передающим волокном.
Методы стабилизации коэффициента усиления оптических усилителей. В сетях DWDM необходимо обеспечить постоянство коэффициента усиления. Поскольку отключение/подключение каналов приводит к изменению суммарной усиливаемой мощности, то в отсутствии стабилизации происходит изменение значения коэффициента усиления оптического усилителя в результате насыщения. Изменение усиления, а следовательно, и мощности рабочих каналов приводит к увеличению количества ошибок (BER), а может привести и к выходу системы из строя. Проведем анализ методов стабилизации коэффициента усиления EDFA.
Методы стабилизации коэффициента усиления. Коэффициент усиления EDFA пропорционален величине инверсной населенности активного элемента, который в свою очередь определяется балансом между действием накачки и спонтанных и вынужденных переходов. Т.к. управлять спонтанными переходами нельзя, могут быть реализованы две возможности стабилизации уровня инверсной населенности: путем управления накачкой или насыщением. В первом случае используются электрические методы стабилизации, во втором – оптические. Возможно также совмещение электрических и оптических методов стабилизации.
Электрические методы стабилизации коэффициента усиления. Заключаются в корректировке мощности лазера накачки для обеспечения постоянства коэффициента усиления. Корректировка может быть: упреждающей, с использованием цепи ОС, а также их комбинацией.
Упреждающая коррекция накачки. Принцип действия упреждающей коррекции накачки поясняет рис. 3.18а. Разветвитель отводит часть мощности входного сигнала на фотодетектор, который выполняет его оптоэлектронное преобразование. Усиленный электрический сигнал, пропорциональный мощности входного оптического сигнала, используется для управления мощностью лазера накачки. В первом приближении необходимое для обеспечения постоянства коэффициента усиления изменение мощности накачки происходит пропорционально изменению мощности усиливаемого оптического излучения.
Коррекция накачки с использованием цепи обратной связи. Принцип действия коррекции накачки цепью обратной связи поясняет рис. 3.18б. Два разветвителя отводят часть мощности входного и выходного сигнала на фотодетекторы, выполняющие их оптоэлектронное преобразование, затем эти сигналы подаются на специальную электрическую схему, она сравнивает реальное значение коэффициента усиления, определяемое по отношению мощностей входного и выходного сигналов, с требуемым коэффициентом усиления и соответствующим образом корректирует мощность лазера накачки. Комбинация упреждающей коррекции накачки и коррекции накачки цепью обратной связи. Для повышения эффективности стабилизации коэффициента усиления может быть использована комбинация рассмотренных методов (рис. 3.10в).
Рис. 3.10 Принципы стабилизации коэффициента усиления эрбиевых оптических усилителей: а) упреждающая коррекция накачки; б) коррекция накачки цепью обратной связи; в) комбинация упреждающей коррекции накачки и коррекции накачки с цепью обратной связи; г) оптическая обратная связь (кольцевой резонатор); д) оптическая обратная связь (линейный резонатор); е) совмещенная оптоэлектронная стабилизация
Оптическая стабилизация коэффициента усиления. Принцип: усиливающая область помещается в резонатор лазера, генерирующего на нерабочей длине волны. Свойство лазера: коэффициент усиления в нем в режиме генерации в точности равен потерям в резонаторе. Если на активный элемент лазера одновременно подать внешнее излучение на негенерирующей длине волны, то выходная мощность лазера изменится, а коэффициент усиления останется прежним. Лазерное излучение оказывается некоторым балластным излучением, обеспечивающим постоянство коэффициента усиления. Уменьшение общей мощности входящего оптического сигнала автоматически компенсируется увеличением лазерной мощности и наоборот. Оптическая ОС может быть осуществлена двумя путями: с помощью кольцевого резонатора и с помощью линейного резонатора. Кольцевой резонатор (рис. 3.18г) Кольцевой резонатор для создания оптической ОС состоит из отрезка стандартного ОВ, соединяющего выходную часть секции EDFA с входной, и узкополосного фильтра, задающего длину волны лазерного излучения. Линейный резонатор (рис. 3.18д) Линейный резонатор для создания оптической ОС состоит из двух распределенных дифракционных отражателей, расположенных на входе и выходе EDFA. Максимумы коэффициентов отражения решеток задают длину волны лазерного излучения. Коэффициенты отражения на длинах волн сигнала и накачки должны быть равны нулю.
Комбинация оптических и электрических методов стабилизации коэффициента усиления. Совмещение оптических и электрических методов стабилизации коэффициента усиления, с одной стороны, может привести к улучшению характеристик усилителя, с другой – к чрезмерному усложнению схемы стабилизации. Поэтому целесообразность такого совмещения должна быть определена в каждом конкретном случае.
Эффективность стабилизации можно охарактеризовать следующими параметрами: Время стабилизации коэффициента усиления – это время восстановления заданного значения коэффициента усиления. Максимальное отклонение коэффициента усиления – это максимальное его отклонение от заданного значения. Смещение коэффициента усиления – это установившееся по прошествии времени стабилизации его отклонение от заданного значения. Эффективность стабилизации тем выше, чем меньше численные значения трех приведенных параметров.
Сравнительный анализ различных схем стабилизации. Для сравнительного анализа представленных схем были использованы модифицированные уравнения эрбиевого оптического усилителя. На основе этих уравнений численным методом была промоделирована работа усилителя при отключении/подключении некоторой части спектральных каналов. Результаты моделирования для всех описанных схем стабилизации представлены в таблице 3.11.
Таблица 3.11 Параметры стабилизации для рассмотренных методов G=18 дБ, Pin/channel = –10 дБ, что соответствует отключению 15 из 16 каналов
Методика расчета протяженности регенрационной секции ВОСП с WDM. Расчет предельной протяженности регенерационной секции принято производить исходя из ограничения допустимой величины коэффициента ошибок ВОСП.
Рис. 3.19. Регенерационная секция ВОСП с ОУ
Расчет коэффициента ошибок. Предлагается следующая формула для расчета коэффициента ошибок, учитывающая затухание сигнала и его искажения: 
где KΣош. – суммарный коэффициент ошибок; Kош. потери – коэффициент ошибок, определяемый влиянием потерь на распространение сигнала; KОШДФМ – коэффициент ошибок, определяемый влиянием дисперсии и эффектами фазовой модуляции (ФМ).
Выражение справедливо при допущении, что механизмы снижения помехоустойчивости из-за потерь, а также дисперсии и эффектов ФМ являются совместными событиями, т.е. одновременно влияют на распространение оптического сигнала и независимо формируют суммарный коэффициент ошибок.
В работе используется выражение, которое устанавливает зависимость между значением коэффициента ошибок и требуемым отношением сигнал/шум:
(2). Кроме того, в статье показано, что при расчете степени воздействия межсимвольной помехи на практике достаточно обеспечить значение коэффициента ошибок в 8 раз ниже, чем требование к качеству передаваемого сигнала.Это снижает требование к отношению сигнал/шум и объясняет вид второго слагаемого в выражении для определения суммарного коэффициента ошибок:
(3),
где KСпотери – отношение сигнал/шум, связанное с влиянием потерь на распространение сигнала (критерий оценки по потерям); KсДФМ – отношение сигнал/шум, связанное с влиянием дисперсии и эффектов фазовой модуляции на распространение сигнала (критерий оценки по скорости).
Отношение сигнал/шум KсДФМ, связанное с влиянием потерь, определяется как отношение сигнал/шум на выходе оптического тракта при условии отсутствия влияния дисперсии и эффектов фазовой модуляции на распространение сигнала. Соответственно отношение сигнал/шум KсДФМ , связанное с влиянием дисперсии и эффектов фазовой модуляции, рассчи тывается в предположении отсутствия влияния потерь на распространение сигнала. Таким образом, для расчета указанных величин следует рассмотреть предельные случаи.
В формуле (3) для расчета коэффициентов ошибок, связанных с влиянием как потерь, так и дисперсии и эффектов фазовой модуляции, в силу предположения об их независимом влиянии на формирование суммарного коэффициента ошибок использовано выражение (2).