Усилители
На
расстоянии сигналы затухают. Эта истина справедлива и для
электрических, и для оптических коммуникационных линий. Разумеется, в
случае оптических сетей расстояния, на которых это начинает проявляться,
больше, однако проблемы по-прежнему существуют.
Для борьбы с указанными проблемами используют три типа устройств: усилители, регенераторы и повторители. Оптические усилители ведут себя одинаковым образом по отношению к любым оптическим сигналам и наряду с детектируемыми сигналами усиливают также шумы и любые другие сигналы. Обычно усилители решают простейшую из задач, связанных с восстановлением сигналов, усиление. Регенераторы выполняют более сложную задачу они детектируют оптические сигналы, преобразуют их в электронные сигналы, отделяют от них шумы и вновь ретранслируют в виде оптических сигналов, обычно с использованием электронных устройств. Повторители занимают некоторое промежуточное положение между оптическими усилителями и регенераторами. Они также являются электрооптическими устройствами, однако обеспечивают лишь усиление и реформирование сигнала, но не его полное восстановление. С приходом полностью оптических усилителей использование повторителей в оптических сетях перестало быть повсеместным.
Существует три типа участков сети, на которых могут располагаться усилители. Для усиления сигнала перед тем, как он поступит в сеть, непосредственно за передатчиком устанавливаются постусилители. Для компенсации ослабления сигналов через каждые 80-100 км волоконно-оптической линии устанавливаются линейные усилители. Преду-силители, назначением которых является усиление сигнала до уровня мощности в пределах чувствительности приемного устройства, размещаются непосредственно перед приемником.
Усилители являются устройствами, увеличивающими амплитуду и ширину сигналов без искажения их первоначальной формы. Громкоговоритель тоже усилитель, только акустический; аналогичным образом оптические усилители выполняют подобные функции в случае оптических сигналов. Усилители способствуют поддержанию мощности сигналов на должном уровне при прохождении ими больших расстояний. К сожалению, они не отличаются разборчивостью и наряду с сигналами усиливают также шумы и искажения.
Какой именно принцип работы усилителей используется, определяется их конструкцией. В современных оптических коммуникационных системах наиболее распространены усилители на оптических волокнах, легированных эрбием (Erbium-Doped Fiber Amplifiers EDFA). Эрбий это редкоземельный элемент, который в небольших количествах добавляется в центральную кремниевую жилу волоконно-оптического кабеля. В отрезок волокна, легированный эрбием, во время прохождения через него ослабленного сигнала вводится, или накачивается, излучение с другой длиной волны, отличной от длины волны сигнала, что препятствует их интерференции между собой. В ответ на проходящий по волокну сигнал ионы эрбия начинают резонировать, используя избыточную энергию дополнительной волны. В итоге ионы эрбия усиливают сигналы, тем самым увеличивая расстояние, на которое они могут распространяться.
В то же время, инжектирование возбуждающего излучения накачки может приводить к нежелательным последствиям. Распространение этого излучения в направлении лазера навстречу сигналу может вызвать появление шумов. Чтобы избежать этого, применяют оптические вентили. Вентили пропускают распространяющийся по кабелю свет в одном направлении, но не пропускают в обратном направлении.
Все прекрасно? Не совсем так. Оптический вентиль будет взаимодействовать с потоком света, распространяющимся в прямом направлении, и в типичных случаях ухудшать сигнал примерно на 2 децибела. Кроме того, некоторое количество света будет проходить и в обратном направлении, однако обычно такой свет будет на 40-50 децибел слабее входного сигнала.
В то же время, в случае усилителей EDFA радует то, что они сравнительно дешевы, весьма эффективны, обладают высокой выходной мощностью при низком уровне шумов и минимальными перекрестными помехами между соседними волокнами. Если у них и есть недостаток, так это то, что они эффективны лишь при работе в ближней инфракрасной области на длинах волн около 1550 нм.
Сигналы с более низкими частотами можно усиливать, легируя волокна другим элементом празеодимием, в результате чего получаются усилители на оптических волокнах, легированных празеодимием (Praseodymium-Doped Fiber Amplifiers PDFA). Эти усилители перспективны для усиления сигналов, передаваемых с использованием длины волны около 1300 нм. Аналогичным образом, рамановские усилители эффективно функционируют на длинах волн 1300, 1400 и 1500 нм. Весьма многообещающе применение этих усилителей в системах передачи цифровых данных, использующих мультиплексирование по длине волны высокой плотности (dense wavelength division multiplexing DWDM).
Принцип действия рамановских усилителей основан на эффекте Рамана, открытом индийским физиком сэром Чандрасекара Венката Раманом в 1928 году. Как мы уже отмечали при обсуждении рамановского рассеяния в главе 4, эффект Рамана заключается в изменении наблюдаемой частоты света при его рассеянии в прозрачном материале. (Явление комбинационного рассеяния света было открыто советскими физиками Г.С. Ландсбергом и Л.И. Мандельштамом на кристаллах и одновременно индийскими физиками Ч.В. Раманом и К.С. Кришнаном на жидкостях.)
Мы можем увидеть этот эффект, наблюдая, например, за монохроматическим световым пучком, полученным с помощью лазера, при его прохождении через прозрачный газ, жидкость или твердое тело. В отсутствие промежуточных веществ лазерное излучение было бы одноцветным. Однако при столкновении света с веществом фотоны в результате упругих столкновений с молекулами прозрачного вещества теряют или выигрывают энергию. Следствием этого является возникновение линий дополнительных цветов, называемых рамановским спектром, соответствующих увеличенным или уменьшенным длинам волн по сравнению с длиной волны первоначального излучением. Вид этого спектра зависит от природы вещества, рассеивающего свет.
Поскольку рамановский спектр не привязан к фиксированным энергетическим уровням, как в случае редкоземельных элементов, таких как эрбий, он может быть получен на любой длине волны в инфракрасной области, коль скоро имеется источник необходимого возбуждающего излучения. Эта особенность позволяет применять рамановские усилители во всем диапазоне передачи кремниевых волоконно-оптических кабелей.
Поскольку для усилителей, в которых используется рамановский эффект, требуются повышенные мощности возбуждающего излучения (порядка одного ватта) и отрезки световодного кабеля большей длины, их стоимость по сравнению с усилителями EDFA оказывается более высокой. Тем не менее, их главным достоинством является способность обеспечить усиление оптических сигналов во всем диапазоне возможных частот передачи при использовании волоконно-оптических кабелей с низкими потерями, и поэтому на них может быть построена технология кремниевых усилителей, альтернативных PDFA или халькогенидным волоконно-оптическим усилителям в диапазоне 1,3 мкм. Благодаря недавним усовершенствованиям технологии получения активных волокон использование некоторых из них позволило получить усиление по мощности, достигающее примерно 0,06 дБ/мВт, что, будучи само по себе незначительной величиной по сравнению с известными величинами для EDFA (11 дБ/мВт), тем не менее представляет собой вполне разумную альтернативу при передаче данных в не-эрбиевых диапазонах длин волн. На сегодняшний день усиление на основе эффекта Рамана играет важную роль в системах сверхдальней связи, которые расширили возможности передачи на дальние расстояния с 500 км между соседними повторителями до 1500 км и более.