ПРИЛОЖЕНИЕ 4 Принцип работы оптических усилителей

В настоящее время широко применяется наиболее перспективный тип оптического усилителя (ОУ) на активном оптическом волокне - одномодовом волокне, сердцевина которого легирована редкоземельным элементом эрбием (Еr). Эти волоконно-оптические усилители позволяют осуществлять усиление оптических сигналов, передаваемых в III-м окне прозрачности, т.е. в рабочем диапазоне длин волн 1530-1560 нм.
Классификация и определение типов ОУ: ОУ1,ОУ2 и ОУ3 изложены в разделе 2. Блок-схемы ОУ1 и ОУ2 приведены на рис. П4.1 и П4.2 соответственно.

Рис.П4.1

Рис. П4.2

Работают ОУ следующим образом.

Входной оптический сигнал на длине волны λс=1550нм проходит через оптический изолятор (ОИ), который пропускает свет только в одном направлении, и поступает в оптический мультиплексор (ОМ), на второй вход которого подается также световое излучение накачки с длиной волны λн=1480 (в ОУ1) и 980 нм (в ОУ2). Оба сигнала совмещаются и поступают в легированное эрбием активное оптическое волокно (АОВ), в котором входной сигнал усиливается за счет вынужденного (или индуцированного) усиления фотонов. Затем усиленный входной сигнал через оптический изолятор и полосовой оптический фильтр (ОФ) поступает на выход. Эффект усиления достигается за счет того, что лазер накачки возбуждает электронную подсистему примесных атомов эрбия в АОВ. В результате электроны с основного энергетического состояния (уровень А) переходят в возбужденное состояние (уровень В).

Возбужденные состояния имеют большое время релаксации, чтобы спонтанно (самопроизвольно) перейти в основное состояние. Скорее происходит релаксация электронов с уровня В на промежуточный уровень С (см. рис.П4.3). Когда «заселенность» уровня С становится достаточно высокой, так что образуется инверсная заселенность уровней А и С, то такая система способна индуцировано (вынужденно) усиливать слабый входной оптический сигнал. Другими словами, при наличии слабого входного сигнала происходит вынужденный (индуцированный) переход атомов примесей из возбужденного состояния в основное с излучением света на той же длине волны и с той же фазой, как и у вызвавшего это входного сигнала. Таким образом, при распространении входного оптического сигнала на длине волны λс =1550 нм вдоль АОВ и при одновременной его накачке световым излучением с длиной волны λн происходит поглощение одного фотона с энергией hc/ λн, а другой фотон с энергией hc/λc - излучается.

Рис.114.3

Характерным для ОУ является также широкополосный собственный шум, который связан со спонтанным излучением возбужденных атомов примесей.

Оптический фильтр (ОФ), применяемый на выходе ОУ2 (см. рис.П4.2) предназначен для отфильтрования шума вне полосы частот (спектра длин волн) усиливаемого сигнала.

Характерным для схемы ОУ, является использование лазера накачки на длине волны λн=1480нм, что приводит к уменьшению шумов и увеличению ресурса лазера накачки, но коэффициент усиления в этом случае меньше. Поэтому в схемах ОУ) для увеличения коэффициента усиления часто используют более длинный отрезок АОВ (до нескольких десятков метров) и, соответственно, два лазера накачки (с двух сторон АОВ), как показано на рис. П4.1.

Для схемы ОУ2 , ориентированного на усиление более слабых оптических сигналов, чем в случае ОУ|, характерным является то, что используется лазер накачки с λн =980нм.

Это приводит к увеличению коэффициента усиления, но при большем уровне входного сигнала, как, например, на входе ОУ1 уровень шумов возрастает, а ресурс лазера накачки уменьшается. Поэтому в схеме ОУ2. как правило, не применяется второй лазер накачки, и обязательно используется полосовой оптический фильтр (см. рис. 4.9).

Что касается схемы ОУ3, то она, по существу, является схемой последовательного соединения «ОУ1 + ОУ2». Таким образом, оптический сигнал в линии сначала предварительно усиливается по схеме ОУ2, а затем еще раз по схеме ОУ). Как правило в схеме ОУ3 между ОУ1 и ОУ2 включают пассивный компенсатор дисперсии на ОВ для увеличения протяженности участка линии передачи по дисперсии.

Достоинством ОУ является то, что они могут быть использованы как в одноканальных ВОСП, так и в ВОСП-СР.

ОУ могут сегодня успешно использоваться при реконструкции и восстановления ВОЛП.

В основном на действующих ВОЛП используются ОВ типа SMF (пo Рекомендации МСЭ-Т G.652) и АЛТ синхронных мультиплексоров уровня не выше СТМ-16 (2,5 Гб/с) без ОУ с длиной участка регенерации до 100-150 км. Таким образом, на многих участках ВОЛП используются необслуживаемые регенерационные пункты (НРП) со специальными мерами по их автономному электропитанию и защите от несанкционированного доступа.

Основной из проблем, возникающих в процессе эксплуатации ВОЛП, является проблема «существования» НРП. Эта проблема решается с минимальными дополнительными капитальными затратами, если установить в линейном тракте ВОЛП на соседних прилежащих друг к другу сетевых узлах связи ОУ1 и ОУ2 (см. раздел 2), т.е. применение ОУ позволяет значительно увеличить длину участка регенерации ВОЛП при той же скорости передачи в существующих ВОЛП, что позволит в ряде случаев «исключить» НРП.

Кроме того, в ходе эксплуатации существующих ВОЛП возникает необходимость увеличить объем трафика, что может быть обеспечено заменой оборудования (в сетевых узлах) на более высокоскоростное (например, АЛТ уровня СТМ-16 на АЛТ уровня СТМ-64). Причем, при повышении скорости сигнала до 10 Гбит/с (СТМ-64), передаваемого по ОВ типа SMF, для сохранения той же длины участка регенерации по скорости передачи необходимо вводить в тракт ВОЛП пассивные компенсаторы дисперсии, что приведет к уменьшению длины участка регенерации по затуханию. Поэтому, чтобы сделать это с минимальными дополнительными капитальными затратами и сохранением той же длины участка регенерации, в большинстве случаев для этого достаточно применить те же ОУ1 и ОУ2.

По заданию ОАО «Ростелекома» в ЦНИИС была разработана в 1997-99 г.г. концепция восстановления цифровых линий связи в чрезвычайных ситуациях (ЧС), в соответствии с которой, в частности, региональные центры технической эксплуатации ОАО «Ростелекома» должны быть обеспечены соответствующими мобильными средствами восстановления (МСВ) НРП ВОЛП ЧС с использованием ОУ. В соответствующих технических предложениях (шифр: «МСВ-НРП ВОЛП-ЧС») показана необходимость и высокая эффективность использования ОУ - как отдельных приборов.

Предусматривается дальнейшая работа с ОАО «Ростелеком» в этом направлении, связанная с приобретением и опытной эксплуатацией образцов ОУ в составе МСВ.

Ожидается, что в будущем, эти положения концепции будут нормированы в масштабах всей отрасли.