ДОДАТОК 4 Принцип роботи оптичних підсилювачів, Телекомунікації вчора, сьогодні, завтра
Нині широко застосовується найперспективніший тип оптичного підсилювача (ОУ) на активному оптичному волокні - одномодовому волокні, серцевина якого легована рідкісноземельним елементом ербієм (Еr). Ці волоконно-оптичні підсилювачі дозволяють здійснювати посилення оптичних сигналів, що передаються у III вікні прозорості, тобто. у робочому діапазоні довжин хвиль 1530-1560 нм. Класифікація та визначення типів ОУ: ОУ1,ОУ2 та ОУ3 викладені в розділі 2. Блок-схеми ОУ1 та ОУ2 наведені на рис. П4.1 та П4.2 відповідно.
Працюють ОУ в такий спосіб.
Вхідний оптичний сигнал на довжині хвилі λс=1550нм проходить через оптичний ізолятор (ОІ), який пропускає світло тільки в одному напрямку, і надходить в оптичний мультиплексор (ОМ), на другий вхід якого подається також світлове випромінювання накачування з довжиною хвилі λн=1480 ( в ОУ1) та 980 нм (в ОУ2). Обидва сигнали поєднуються і надходять у леговане ербієм активне оптичне волокно (АОВ), в якому вхідний сигнал посилюється за рахунок вимушеного (або індукованого) посилення фотонів. Потім посилений вхідний сигнал через оптичний ізолятор та смуговий оптичний фільтр (ОФ) надходить на вихід. Ефект посилення досягається за рахунок того, що лазер накачування збуджує електронну підсистему домішкових атомів ербію АОВ. В результаті електрони з основного енергетичного стану (рівень А) переходять у збуджений стан (рівень).
Збуджені стани мають великий час релаксації, щоб спонтанно перейти в основний стан. Швидше відбувається релаксація електронів з рівня на проміжний рівень С (див. рис.П4.3). Коли «заселеність» рівня С стає достатньовисокою, так що утворюється інверсна заселеність рівнів А і С, така система здатна індуковано (вимушено) посилювати слабкий вхідний оптичний сигнал. Іншими словами, за наявності слабкого вхідного сигналу відбувається вимушений (індукований) перехід атомів домішок з збудженого стану в основне з випромінюванням світла на тій же довжині хвилі і з тією ж фазою, як і вхідного сигналу, що викликав це. Таким чином, при поширенні вхідного оптичного сигналу на довжині хвилі λс =1550 нм вздовж АОВ і при одночасному його накачуванні світловим випромінюванням з довжиною хвилі λн відбувається поглинання одного фотона з енергією hc/λн, а інший фотон з енергією hc/λc - випромінюється.
Характерним для ОУ є також власний широкосмуговий шум, який пов'язаний зі спонтанним випромінюванням збуджених атомів домішок.
Оптичний фільтр (ОФ), що застосовується на виході ОУ2 (див. рис.П4.2) призначений для відфільтрування шуму поза смужкою частот (спектру довжин хвиль) сигналу, що посилюється.
Характерним для схеми ОУ є використання лазера накачування на довжині хвилі λн=1480нм, що призводить до зменшення шумів і збільшення ресурсу лазера накачування, але коефіцієнт посилення в цьому випадку менше. Тому в схемах ОУ) для збільшення коефіцієнта посилення часто використовують довший відрізок АОВ (до декількох десятків метрів) і, відповідно, два лазери накачування (з двох сторін АОВ), як показано на рис. П4.1.
Для схеми ОУ2 , орієнтованого посилення більш слабких оптичних сигналів, ніж у разі ОУ, характерним є те, що використовується лазер накачування з λн =980нм.
Це призводить до збільшення коефіцієнта посилення, але при більшому рівні вхідного сигналу, як, наприклад, на вході ОУ1 рівень шумів зростає, а ресурс лазера накачуваннязменшується. Тому у схемі ОУ2. як правило, не застосовується другий лазер накачування, і обов'язково використовується смуговий оптичний фільтр (див. рис. 4.9).
Що ж до схеми ОУ3, вона, по суті, є схемою послідовного з'єднання «ОУ1 + ОУ2». Таким чином, оптичний сигнал лінії спочатку попередньо посилюється за схемою ОУ2, а потім ще раз за схемою ОУ). Як правило, у схемі ОУ3 між ОУ1 та ОУ2 включають пасивний компенсатор дисперсії на ОВ для збільшення протяжності ділянки лінії передачі по дисперсії.
Перевагою ОУ і те, що можуть бути використані як і одноканальних ВОСП, і у ВОСП-СР.
ОУ можуть сьогодні успішно використовуватися під час реконструкції та відновлення ВОЛП.
В основному на діючих ВОЛП використовуються ОВ типу SMF (по Рекомендації МСЕ-Т G.652) та АЛТ синхронних мультиплексорів рівня не вище за СТМ-16 (2,5 Гб/с) без ОУ з довжиною ділянки регенерації до 100-150 км. Таким чином, на багатьох ділянках ВОЛП використовуються регенераційні пункти (НРП), що не обслуговуються, зі спеціальними заходами щодо їх автономного електроживлення та захисту від несанкціонованого доступу.
Основною із проблем, що виникають у процесі експлуатації ВОЛП, є проблема «існування» НРП. Ця проблема вирішується з мінімальними додатковими капітальними витратами, якщо встановити в лінійному тракті ВОЛП на сусідніх мережних вузлах зв'язку ОУ1 і ОУ2, що прилягають один до одного (див. розділ 2), тобто. застосування ОУ дозволяє значно збільшити довжину ділянки регенерації ВОЛП за тієї ж швидкості передачі в існуючих ВОЛП, що дозволить у ряді випадків «виключити» НРП.
Крім того, в ході експлуатації існуючих ВОЛП виникає необхідність збільшити обсяг трафіку, що може бути забезпечено заміною обладнання (у мережевихвузлах) більш високошвидкісне (наприклад, АЛТ рівня СТМ-16 на АЛТ рівня СТМ-64). Причому, при підвищенні швидкості сигналу до 10 Гбіт/с (СТМ-64), що передається по ОВ типу SMF, для збереження тієї ж довжини ділянки регенерації за швидкістю передачі необхідно вводити в тракт ВОЛП пасивні компенсатори дисперсії, що призведе до зменшення довжини ділянки регенерації згасання. Тому, щоб зробити це з мінімальними додатковими капітальними витратами та збереженням тієї ж довжини ділянки регенерації, у більшості випадків для цього достатньо застосувати ті самі ОУ1 та ОУ2.
За завданням ВАТ «Ростелекому» у ЦНИИС було розроблено 1997-99 р.р. концепція відновлення цифрових ліній зв'язку у надзвичайних ситуаціях (НС), відповідно до якої, зокрема, регіональні центри технічної експлуатації ВАТ «Ростелекому» мають бути забезпечені відповідними мобільними засобами відновлення (МСВ) НРП ВОЛП НС із використанням ЗП. У відповідних технічних пропозиціях (шифр: «МСВ-НРП ВОЛП-ЧС») показано необхідність та високу ефективність використання ОУ – як окремих приладів.
Передбачається подальша робота з ВАТ «Ростелеком» у цьому напрямі, пов'язана з придбанням та дослідною експлуатацією зразків ОУ у складі МСВ.
Очікується, що в майбутньому ці положення концепції будуть нормовані в масштабах усієї галузі.