Введение
Широкое распространение технологии спектрального мультиплексирования каналов передачи данных WDM [1] и переход от сетей с топологией «точка-точка» к сетям с динамически перестраиваемой архитектурой предъявляют новые требования к оптическим усилителям [2]. В таких сетях необходимо обеспечить постоянство коэффициента усиления в условиях периодического подключения и отключения некоторой части спектральных каналов. 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. В данной статье приведен анализ основных методов стабилизации коэффициента усиления эрбиевых оптических усилителей (EDFA).
Методы стабилизации коэффициента усиления
Коэффициент усиления оптического усилителя пропорционален величине инверсной населенности активного элемента, который в свою очередь определяется балансом между действием накачки и спонтанных и вынужденных переходов. Поскольку управлять спонтанными переходами не представляется возможным, 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
Электрические методы стабилизации коэффициента усиления заключаются в корректировке мощности лазера накачки для обеспечения постоянства коэффициента усиления. Корректировка может быть: упреждающей, с использованием цепи обратной связи, а также их комбинацией.
Упреждающая коррекция накачки
Принцип действия упреждающей коррекции накачки поясняет рис. 1а. 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. 1б. Два разветвителя отводят часть мощности входного и выходного сигнала на фотодетекторы, выполняющие их оптоэлектронное преобразование, затем эти сигналы подаются на специальную электрическую схему. Эта электрическая схема 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. 1в)
Оптическая стабилизация коэффициента усиления
Принцип оптической стабилизации коэффициента усиления заключается в том, что усиливающая область помещается в резонатор лазера, генерирующего на нерабочей длине волны. Хорошо известное свойство лазера заключается в том, что 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, таким образом, оказывается некоторым балластным излучением, обеспечивающим постоянство коэффициента усиления. Уменьшение общей мощности входящего оптического сигнала автоматически компенсируется увеличением лазерной мощности и наоборот. Оптическая обратная связь может быть осуществлена двумя путями: с помощью кольцевого резонатора и с помощью линейного резонатора
Кольцевой резонатор (рис. 1г)
Кольцевой резонатор для создания оптической обратной связи состоит из отрезка стандартного волокна, соединяющего выходную часть секции оптического усилителя с входной, и узкополосного фильтра, задающего длину волны лазерного излучения.
Линейный резонатор (рис. 1д)
Линейный резонатор для создания оптической обратной связи состоит из двух распределенных дифракционных отражателей, расположенных на входе и выходе усилителя. Максимумы коэффициентов отражения решеток задают длину волны лазерного излучения. Коэффициенты отражения на длинах волн сигнала и накачки должны быть равны нулю.
|
Рисунок 1 - 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 .
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 из сравнения затрат на достижение требуемой степени стабилизации.
Эффективность стабилизации
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, сущность которых поясняет рис. 2
Сравнительный анализ различных схем стабилизации
Для сравнительного анализа представленных схем были использованы модифицированные уравнения эрбиевого оптического усилителя [3, 4]. 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 1 и графически на рис. 3. Для эрбиевых оптических усилителей наиболее простыми и надежными методами стабилизации коэффициента усиления являются электрические методы. Они отличаются малыми отклонениями коэффициента усиления в течение переходного периода и достаточно быстрым временем его стабилизации. Это связанно с относительно медленным изменением коэффициента усиления в эрбиевых оптических усилителях без стабилизации, связанным с большим временем релаксации инверсной населенности = 10,5 мс [5]. Наилучшими параметрами среди этих методов обладает комбинация упреждающей коррекции накачки с коррекцией накачки с использованием обратной связи, так как они отлично дополняют друг друга: упреждающая коррекция обладает малым временем стабилизации, а цепь обратной связи обеспечивает малое значение смещения коэффициента усиления. Однако быстродействие электрических методов стабилизации может оказаться недостаточным в полупроводниковых усилителях, для которых более оптимальным представляется использование оптических схем стабилизации коэффициента усиления [6, 7].
|
Рисунок 2 - Параметры, характеризующие эффективность стабилизации коэффициента усиления. Значения этих характеристик зависят от: метода стабилизации; Входной мощности одного канала (Pin/channel); числа отключенных/подключенных каналов (N); заданного значения коэффициента усиления (G).
|
Рисунок 2 - Результаты моделирования для всех описанных схем.
|
Рисунок 3 - . Переходные процессы в EDFA с автоматической стабилизацией коэффициента усиления: 1 – оптическая обратная связь (линейный резонатор); 2 – оптическая обратная связь (кольцевой резонатор); 3 – совмещенная оптоэлектронная стабилизация; 4 – коррекция накачки с цепью обратной связи; 5 – комбинация упреждающей коррекции накачки и коррекции накачки с цепью обратной связи; 6 – упреждающая коррекция накачки.