7.1 ТИПИ РЕТРАНСЛЯТОРІВ
- повторювачі;
- оптичні підсилювачі.
У волоконно-оптичних системах локальних мереж повторювачі значно більше поширені, ніж оптичні підсилювачі, тоді як за побудові оптичних магістралей оптичні підсилювачі грають першорядну роль.
7.1.1 Повторювачі
Повторювач – це електронно-оптичний пристрій, який перетворює оптичний сигнал на електричну форму, посилює, коригує, а потім перетворює назад на оптичний сигнал (рисунок 7.1).
Можна уявити повторювач як послідовно з'єднані приймальний та передавальний оптичний модулі. Аналоговий повторювач, переважно, виконує функцію посилення сигналу. При цьому разом із корисним сигналом посилюється також вхідний шум.
Однак при цифровій передачі повторювач поряд із функцією посилення може виконувати функцію регенерації сигналу. Зазвичай блок регенерації охоплює ланцюг прийняття рішення та таймер. Блок регенерації відновлює прямокутну форму імпульсів, усуває шум, ресинхронізує передачу так, щоб вихідні імпульси потрапляли у відповідні часові інтервали. Повторювач може і не містити таймера і відновлювати прямокутну форму імпульсів певного порога, незалежно від того, на якій швидкості ведеться передача. Такі «середньонезалежні» повторювачі застосовуються в локальних мережах.
У локальних мережах поширені повторювачі, що перетворюють сигнали з багатомодового в одномодове волокно і навпаки. Такі повторювачі одержали назву конвертери. Широко поширені ОМ/ММ конвертери на 100, 155 та 622 Мбіт/с.
7.1.2 Оптичніпідсилювачі
Оптичний підсилювач (ОУ), на відміну від повторювача, не здійснює оптоелектронного перетворення, а одразу здійснює посилення оптичного сигналу (рисунок 7.2).
ОУ не здатні в принципі регенерувати оптичного сигналу. Вони однаково посилюють як вхідний сигнал, і шум. Крім того, вноситься власний шум у вихідний оптичний канал. ОУ використовують принцип індукованого випромінювання, аналогічно лазерам. Існує кілька типів оптичних підсилювачів. Розглянемо два із них.
а) Напівпровідникові підсилювачі (ППУ). Основу напівпровідникового підсилювача становить активне середовище, аналогічне тому, що використовується в напівпровідникових лазерах. У ППУ відсутні дзеркальні резонатори, характерні для напівпровідникових лазерів. Для зменшення френелівського відображення з обох сторін активного середовища наноситься спеціальне покриття, що просвітлює, товщиною λ/4 (рисунок 7.3). Напівпровідникові підсилювачі поки не набули такого широкого поширення, як підсилювачі на домішковому волокні. Справа в тому, що ППУ властиві дві істотні недоліки.
Перший недолік пов'язаний з тим, що світловипромінюючий активний шар має ширину кілька мікрометрів, але товщину в межах одного мікрометра. Це набагато менше, ніж діаметр світлонесучої частини оптичного волокна (приблизно 9мкм – для одномодового волокна). Внаслідок цього більшість світлового потоку, що виходить з волокна, не потрапляє в активну область і втрачається, що зменшує ККД підсилювача. Збільшити ККД можна, поставивши між вхідним волокном та активним середовищем лінзу, але це призводить до ускладненняконструкції.
Другий недолік має тоншу природу. Справа в тому, що коефіцієнт посилення ППУ залежить від напрямку поляризації і може відрізнятися на 4-8дБ для двох ортогональних поляризацій. Це небажано, оскільки в стандартному одномодовому волокні поляризація світлового сигналу, що поширюється, не контролюється. Потужність світлового потоку даної поляризації може флуктувати вздовж довжини. Звідси випливає, що коефіцієнт посилення ППУ залежить від неконтрольованого фактора.
Два наведених недоліки мають менше значення у випадках, коли ППУ інтегрований коїться з іншими оптичними пристроями. І саме так здебільшого використовуються ППУ. Одна з можливостей – виробництво суміщеного світловипромінюючого лазерного діода, безпосередньо на виході якого встановлюється ППУ.
На малюнку 7.4 показано реалізацію джерела мультиплексного багатохвильового випромінювання, в якому ППУ використовується як широкосмуговий підсилювач.
Декілька вузькосмугових напівпровідникових лазерів на різних довжинах хвиль генерують світлові сигнали, які розгалужуються та комутуються за допомогою оптичного розгалужувача. ППУ встановлюється на кінцевій ділянці, щоб посилити оптичні сигнали, що ослаблені після розгалуження.
б) Підсилювачі на домішковому волокні. Цей тип оптичного підсилювача найбільш широко поширений і є ключовим елементом у технології повністю оптичних мереж, оскільки він дозволяє посилювати сигнал у широкому спектральному діапазоні. На малюнку 7.5 наведено схему підсилювачана домішковому волокні.
Слабкий вхідний оптичний сигнал (1) проходить через оптичний ізолятор (2), який пропускає світло у прямому напрямку – ліворуч, але не пропускає відбите світло у зворотному напрямку. Далі проходить через блок фільтрів (3), який блокує світловий потік на довжині хвилі накачування, але прозорий до довжини сигналу. Потім сигнал потрапляє в котушку з волокном, легованим домішкою рідкісноземельних елементів (4). Довжина такої ділянки волокна становить кілька метрів. У цю ділянку волокна надходить інтенсивне безперервне випромінювання накачування від напівпровідникового лазера (5) з довшою довжиною хвилі. Світло від лазера накачування (6) збуджує атоми домішок. Збуджені атоми мають великий час спонтанного переходу до основного стану. Однак за наявності зовнішнього слабкого оптичного сигналу відбувається індукований перехід атомів домішок із збудженого стану в основне з випромінюванням світла на тій же довжині хвилі і з тією ж фазою, що і зовнішній сигнал. Селективний розгалужувач (7) перенаправляє посилений сигнал (8) у вихідне волокно (9). Додатковий оптичний ізолятор на виході (10) запобігає попаданню зворотного відбитого сигналу з вихідного сегмента активну область оптичного підсилювача.
Активним підсилювальним середовищем підсилювача є, як правило, одномодове волокно, серцевина якого легується домішками рідкісноземельних елементів з метою створення трирівневої атомної системи (рисунок 7.6).
Лазер накачування збуджує електричну підсистему домішкових атомів. В результаті чого електрони зосновного стану (рівень А) переходять у збуджений стан (рівень). Далі відбувається релаксація електронів з рівня на проміжний рівень С. Коли заселеність рівня С стає досить високою, так що утворюється інверсія населеностей рівня С, система здатна індуковано посилювати вхідний оптичний сигнал в певному діапазоні довжин хвиль. Якщо ж вхідний сигнал відсутній, відбувається спонтанне випромінювання збуджених атомів домішок, що призводить до шуму.
Особливості роботи підсилювачів багато в чому залежать від типу домішок та від діапазону довжин хвиль, у межах якого він повинен посилювати сигнал. Найбільш поширені підсилювачі, у яких використовується кварцове волокно, леговане ербієм. Такі підсилювачі отримали назву EDFA (Erbium Doped Fiber Amplifier) – оптичний підсилювач на волокні, легованому ербієм. Межатомное взаємодія причиною дуже важливого позитивного чинника – розширення рівнів, що, зрештою, забезпечує підсилювачу широку зону посилення сигналу. У EDFA найбільш широка зона посилення від 1530 до 1565нм. На щастя, цей діапазон довжин хвиль точно відповідає діапазону мінімальних втрат в кварцовому волокні, який тому найбільш широко використовується в магістральних ВОЛЗ. Цей діапазон (1530-1565нм) досягається при оптимальній довжині хвилі лазера накачування 980нм. У деяких системах використовують довжину хвилі накачування 1480нм.