Този сайт използва бисквитки (cookies). Ако желаете можете да научите повече тук. Разбрах

Новини ИТ в отбраната
бр. 7, 2018

Усилвателите на Раман и приложението им в системите с оптични влакна

от , 24 юли 2018 0 696 прочитания,

Майор д-р инж. Пеньо Господинов Пенев

Огромното количество генерирани данни поставя важния въпрос - как да пренесен този поток от информация?
Повечето хора смятат, че интернет в домовете им идва посредством сателити. Но не е точно така: 99% от световния интернет трафик преминава през кабели, положени по дъното на океаните. През последните години различните широколентови услуги, предлагани от доставчиците, поставят нови предизвикателства към мрежата и по-точно - към усилвателите. Част от описаните предизвикателства са решени от усилвателите на Раман.


Подводните кабели са идея на 150 години с нова сила

Преди две деситилетия медните кабели осигуряваха достатъчна скорост на предаване на информацията. В съвременните системи за пренос на данни оптичното влакно е в състояние да поддържа услуги от следващо поколение. Известни са предимствата на оптичните влакна като по-висока пропускателна способност; по-дълги разстояния без регенерация; по-висока устойчивост на електромагнитни смущения; увеличена сигурност; намаляване на факторите, които предизвикват влошаване на сигнала.
Изграждането на оптични мрежи доскоро не беше никакъв проблем. Положените в целия свят оптични влакна заедно с ербиевите усилватели осигуряваха надеждно предаване на информацията.
Повечето хора смятат, че интернет в домовете им идва по сателити, но около 99% от световния интернет трафик преминава по кабели, положени на океанското дъно. Това се дължи на високата надеждност на кабелните връзки. Те носят информацията на световната мрежа, включително корпоративните интереси и тези на потребителите.
Затова Google инвестира 300 милиона долара в консорциум за презтихоокеанска кабелна система за пренасяне на информация, Facebook вложи пари в консорциум за Азиатска кабелна система и финансовата индустрия задели също толкова, за да съкрати няколко милисекунди от търговското време.
Други консорциуми редовно полагат кабели, които предават потребителския интернет. Контролът над един подводен кабел дава предимство на съответната група в надпреварата за обмена на информация между държавите.

Усилвателите на Раман и приложението им в системите с оптични влакнаФигура 1. Карта на Telegeography, показваща подокеанските оптични кабели, осигуряващи международния трафик на интернет

През последните години широколентовият интернет, 4К телевизията, видеовръзките и споделянето, телефонните разговори и др. увеличават предизвикателствата към скоростта. Развитието на облачните услуги многократно увеличава скоростта на предаване на информацията и така нараства потреблението на световната оптична мрежа. Използването на ербиевите усилватели в оптичните мрежи обаче е проблемно. Появява се необходимостта от сравнително евтин оптичен усилвател, който да удовлетвори широколентовото предаване на информацията. На тези предизвикателства отговарят оптичните усилватели, базирани на стимулираното Раманово разсейване (Stimulated Raman Scatering - SRS).

Какво представлява усилвателят на Раман

Рамановият усилвател намира приложение в съвременната технологична  индустрия, въпреки че ефектът на Раман е открит през 1928, той намира приложение едва през 90-те години на миналия век. Късното приложение на устройството е свързано с един от неговите недостатъци, а именно необходимостта от голяма мощност на помпата, за да се постигне голямо усилване.
Стимулираното Раманово разсейване генерира нов сигнал (т.нар. Стоксова вълна) в същото направление, както това на напомпващата вълна, но с по-голяма дължина, приблизително 60 nm в ивицата около 1310 nm спрямо тази на напомпването. Оптимално усилване на устройството се постига при разлика в дължините на вълните от около 13,2 THz. Сигналът, който се усилва, трябва да е на по-ниска честота от напомпването.
За построяването на раманов усилвател е необходимо оптично влакно да се куплира със сигнал и напомпване (фиг. 1). Така полученото просто устройство има доста добро усилване на оптичния сигнал.
Но тук съществува следният проблем: въпреки че сигналът и напомпването не е задължително да са разделени точно от Рамановата честота, колкото по-близо до нея е разликата, толкова по-висока е ефективността на усилвателя. Част от проблема е, че лазерните дължини на вълните са много специфични и конструирането на мощни лазери е много трудно.
Въпреки голямата си ефективност реализацията на раманов усилвател през 80-те години на миналия век е била голям проблем, тъй като е нямало евтини лазери с подходяща дължина на вълната. Интересът към тези устройства се възобновява през 1997 след въвеждането на влакнестите брягови решетки при изработката на лазери. През първото десетилетие на 21-ви век почти всяка дълга (между 300 и 800 km) или изключително дълга (>800 km) влакнесто оптична преносна система използва раманов усилвател.
Използването на устройства с двупосочно напомпване също е подходящо при мрежи за дълги разстояния. Експерименталните резултати показват, че може да се постигне битрейт до 10 Gb/s и дължина на влакното без усилване до 80 km. Съвременните експерименти показват, че са достигнати скорости 8х170 Gb/s с над 210 km дължина при стандартно едномодово влакно.
Увеличаването на трафика води до използване на мултиплексиране с разделяне на дължина на вълната (WDM), за да се увеличи капацитетът на предаване. Това на свой ред изисква гъвкави и широколентови архитектури и интересът към усилвателите на Раман се засилва. Днес WDM съществува в два формата: Density WDM (DWDM), работещи в С и L спектрални прозорци, разпределение на максимум 150 канала на разстояние 0,8 nm, и Coarse WDM (CWDM), работещи при O, E, S, C, и L спектрални прозорци, разпределяйки не повече от 18 канала на разстояние 20 nm.
Мултиплексирането DWDM се използва широко в системите за дълги разстояния, пренасяйки възможно най-голямо количество информация. CWDM е добро решение, когато се пренася по-малко количество информация и се предава на кратки разстояния с по-малко разходи от DWDM, тъй като при CWDM се използват лазери с разпределена обратна връзка (DFB), които се нуждаят от мултиплексиращи компоненти с гъвкави толеранси. Въпреки това поради факта, че каналите в системите CWDM са далеч една от друга, оптичното усилване все още е проблем. Традиционната широчина на честотната лента на EDFA (20 ~ 40 nm) не може да поддържа цялата лента от CWDM канали.
Друго техническо решение за усилване на сигналите е полупроводниковият оптичен усилвател, който има ниска мощност на насищане (около 13 dBm) в сравнение с други усилватели на базата на влакна, но със значително намаление на съотношението сигнал - шум. Доброто решение за усилване както на DWDM, така и на CWDM се основава на рамановите усилватели. Широк и плосък спектрален профил на усилване е постижим благодарение на комбинацията от няколко помпени лазера, работещи при специфични мощности и дължини на вълните. Комбинираното усилване се определя от взаимодействията между помпата и дължините на вълните на сигнала. Установени спектри, по-големи от 100 nm, се получават при използване на няколко помпи. Експериментално с раманов усилвател е постигната широчина на честотната лента 100 nm, използвайки WDM лазерен диоден блок с 12 дължини на вълната, вариращи от 1405 до 1510 nm, чиято максимална обща мощност е равна на 2,2 W. По този начин се получава усилване, равно на 2dB, при 25 km едномодово влакно (SMF) за връзка и 6,5 dB усилване, използвайки 25 km SMF за връзка, и двете с 0,5 dB максимална пулсация. Разработен е математически модел за въвеждане на 100 nm раманов усилвател, използвайки нискоенергийни помпи, като максималната мощност на всяка е 130 mW. Те използват 8 помпи от 1416 nm до 1502 nm по дължина на 45 km от SMF и получават приблизително 4 dB с максимална пулсация, равна на 1,1 dB.

Майор д-р инж. Пеньо Пенев, главен асистент във факултет „Авиационен” на НВУ „Васил Левски”
Разширяването на широчината на честотната лента на рамановите усилватели също е постигнато като се използват некохерентни изпомпвания вместо схеми с много помпи. Съществува прототип с висока мощност, постигнал 400mW оптична мощност върху 35nm спектрален прозорец. Той не е свързан с полупроводникови помпи и използва оптичен сигнал с ниска мощност в полупроводников усилвател с дълги кухини. Демонстрирани са усилватели с ширина на честота 50 nm с усилване на включване/изключване, равно на 7 dB, а също така, че използването на шест кохерентни помпи е по-малко ефективно по отношение на плоскостта, отколкото на две несъвместими помпи. В този случай дължините на вълната са между 1530 nm и 1605 nm, а предаването става на 100 km оптично влакно. Друго предимство при приложението на несъвместима помпа е намаляването на нелинейните ефекти като Брюлиеново разсейване, четиривълновото смесване на помпата, помпата и шума от помпата.
Рамановите усилватели се превърнаха в основен компонент за осъществяването на комуникационните системи за оптични влакна. Наблюдавано е експоненциално увеличение на разстоянието на продукта и капацитета на експериментите за предаване на оптични комуникационни системи през последното десетилетие. По-голямата част от тези експерименти, особено от 2000 г. насам, използват устройствата на Раман като технология за усилване.
Те са ключов технологичен компонент, който изпълнява стриктно предизвикателните изисквания от началото на този век, позволяващи приложения, неосъществими с конвенционалните EDFA.
Всичките описани предимства на рамановите усилватели засега удовлетворяват предаването на високоскоростната и широколентова информация. Нарастването на обмена с тези темпове ще изправи рамановите усилватели пред нови предизвикателства и те ще трябва да отговорят на натоварения трафик при съществуващите оптични мрежи.

КОМЕНТАРИ ОТ  

Полезни страници
    За нас | Аудитория | Реклама | Контакти | Общи условия | Декларация за поверителност | Политика за бисквитки |
    Действителни собственици на настоящото издание са Иво Георгиев Прокопиев и Теодор Иванов Захов