eng
TS_pub
technospheramag
technospheramag
ТЕХНОСФЕРА_РИЦ
Выпуск #2/2024
А.Ю.Игуменов, С.Н. Лукиных, О.Е.Наний, В.Н.Трещиков
ОПТИЧЕСКАЯ СТАБИЛИЗАЦИЯ УСИЛИТЕЛЕЙ МОЩНОСТИ ДЛЯ ВОЛС
ОПТИЧЕСКАЯ СТАБИЛИЗАЦИЯ УСИЛИТЕЛЕЙ МОЩНОСТИ ДЛЯ ВОЛС
Просмотры: 747
DOI: 10.22184/2070-8963.2024.118.2.56.61
Исследована возможность оптической стабилизации коэффициента усиления эрбиевого волоконного усилителя с удаленной накачкой (ROPA) и распределенного ВКР-усилителя. Основой рассматриваемых систем оптической стабилизации является активный спектрально-селективный резонатор, генерирующий излучение на одном из не используемых спектральных каналов усилителя. Показано, что для ROPA предложенная система дает возможность поддерживать коэффициент усиления постоянным при изменении температуры, числа и мощности каналов. Для распределенного ВКР-усилителя обеспечивается постоянный коэффициент усиления при изменении числа каналов, постоянная выходная мощность при изменении потерь в линии.
Исследована возможность оптической стабилизации коэффициента усиления эрбиевого волоконного усилителя с удаленной накачкой (ROPA) и распределенного ВКР-усилителя. Основой рассматриваемых систем оптической стабилизации является активный спектрально-селективный резонатор, генерирующий излучение на одном из не используемых спектральных каналов усилителя. Показано, что для ROPA предложенная система дает возможность поддерживать коэффициент усиления постоянным при изменении температуры, числа и мощности каналов. Для распределенного ВКР-усилителя обеспечивается постоянный коэффициент усиления при изменении числа каналов, постоянная выходная мощность при изменении потерь в линии.
Теги: distributed vcr amplifier dwdm systems fiber-optic links optical gain stabilisation ropa волоконно-оптические линии связи оптическая стабилизация коэффициента усиления распределенный вкр-усилитель системы dwdm
Оптическая стабилизация усилителей мощности для ВОЛС
А.Ю.Игуменов, к.ф.-м.н., доцент МФТИ, инженер-исследователь ООО"Т8" / igumenov.au@mipt.ru,
С.Н.Лукиных, инженер 1-й категории ООО "Т8 НТЦ", инженер МГУ им. М. В.Ломоносова,
О.Е.Наний, д.ф.-м.н., заместитель генерального директора по науке ООО "Т8", проф. МГУ им. М. В.Ломоносова,
В.Н.Трещиков, д.т.н., генеральный директор ООО "Т8", с.н.с. Фрязинского филиала ИРЭ им. В.А. Котельникова РАН
УДК 535.2, DOI: 10.22184/2070-8963.2024.118.2.56.61
Исследована возможность оптической стабилизации коэффициента усиления эрбиевого волоконного усилителя с удаленной накачкой (ROPA) и распределенного ВКР-усилителя. Основой рассматриваемых систем оптической стабилизации является активный спектрально-селективный резонатор, генерирующий излучение на одном из не используемых спектральных каналов усилителя. Показано, что для ROPA предложенная система дает возможность поддерживать коэффициент усиления постоянным при изменении температуры, числа и мощности каналов. Для распределенного ВКР-усилителя обеспечивается постоянный коэффициент усиления при изменении числа каналов, постоянная выходная мощность при изменении потерь в линии.
Введение
Волоконно-оптические линии связи (ВОЛС) со спектральным мультиплексированием (DWDM-системы) [1, 2] занимают ключевые позиции в условиях современных высоких требований к скорости, дальности и безопасности передачи данных. Для увеличения дальности работы и пропускной способности ВОЛС необходимы исследования линейных и нелинейных эффектов в оптическом волокне (ОВ), а также усовершенствование каналообразующего и усилительного оборудования.
Наиболее распространены в современных ВОЛС эрбиевые усилители (EDFA) и усилители на основе вынужденного комбинационного рассеяния света (ВКРУ) (рамановские усилители, RAU) [3, 4]. В ходе эксплуатации линии связи количество работающих DWDM-каналов может изменяться в результате планового их подключения /отключения или аварий на линии. Изменение числа каналов приводит к изменениям коэффициента усиления (КУ), сопровождающимся нежелательными переходными процессами (флуктуациями мощности) [5]. Поэтому для управления этими вариациями КУ необходима стабилизация усиления [6, 7].
Для стабилизации EDFA, размещенного в пункте обслуживания (LocEDFA), используется электрическая упреждающая регулировка [8−10]. В реальных ВОЛС для увеличения максимальной длины пролетов и оптического отношения мощности сигнала к мощности шума совместно с LocEDFA используются усилители с удаленной оптической накачкой (Remote Optically Pumped Amplifier, ROPA). Для функционирования ROPA не требуется электропитание, и они устанавливаются вне пунктов обслуживания [3, 4, 11−16], что и затрудняет их электрическую стабилизацию. Для таких усилителей используется оптическая стабилизация (ОС) коэффициента усиления, осуществляемая путем создания резонатора на одной из рабочих частот усилителя и достижения в этом резонаторе генерации, которая стабилизирует коэффициент усиления (в англоязычной литературе используется термин All-Optical Gain Clamping, или GC) [17−18].
Возможность использования ОС для стабилизации распределенных ВКР-усилителей исследована значительно меньше. В [19] описано осуществление ОС в распределенном ВКРУ (РспВКРУ) с использованием линейного резонатора, образованного двумя волоконными брэгговскими решетками (ВБР), но отсутствуют подробные исследования его особенностей, таких как искажение спектра КУ каналом генерации и границы применимости в реальных ВОЛС. В [20] рассказано о реализации ОС РспВКРУ на основе линейного резонатора, образованного двумя фарадеевскими зеркалами, проведены спектральные исследования усилителя, работающего в режиме ОС, исследованы различные способы подстройки мощности накачки.
В данной работе проведены исследования систем оптической стабилизации ROPA и распределенного ВКР-усилителя. Показано, что оптическая стабилизация ROPA эффективно подавляет вариации коэффициента усиления рабочих спектральных каналов при изменениях мощности лазера накачки, полной мощности входного сигнала, температуры активного волокна. ОС распределенного ВКР-усилителя уменьшает неравномерность спектра усиленных сигналов и вариации КУ при изменении мощности лазеров накачки. Предложен алгоритм автоподстройки мощности накачки, позволяющий уменьшить перекос спектра КУ каналом генерации и снизить энергопотребление усилителя.
Экспериментальная установка
Для реализации оптической стабилизации коэффициента усиления ROPA активное эрбиевое волокно усилителя помещается в резонатор лазера, генерирующего на нерабочей длине волны. Как известно, коэффициент усиления лазера в режиме генерации равен потерям в резонаторе: если на активный элемент лазера подать внешнее излучение на негенерирующей длине волны, то выходная мощность лазера изменится, а коэффициент усиления останется прежним. Лазерное излучение, таким образом, обеспечивает постоянство коэффициента усиления. Уменьшение общей мощности входящего оптического сигнала автоматически компенсируется увеличением лазерной мощности и наоборот.
Стенды по исследованию оптической стабилизации собраны на основе DWDM-платформы "Волга" производства компании "Т8". В экспериментах по ОС ROPA (см. рис.1) в качестве источников излучения использовались каналы транспондера 21−26 стандартизованной Международным союзом электросвязи (МСЭ) сетки частот [21] с длинами волн 1560,61; 1559,79; 1558,98; 1558,17; 1557,36; 1556,56 нм. Каналы транспондера TP объединяются мультиплексором WDM и через EDFA подают в линию. После прохождения 50 км оптического волокна SMF-28 сигнал поступает в ROPA. В качестве источника накачки ROPA используется лазер с длиной волны 1480 нм, излучение которого подводится по дополнительному волокну с целью исключения ВКР-усиления сигнала. Лазер, стабилизирующий коэффициент усиления EDFA, работает на длине волны 1561,42 нм (канал 20). Кольцевой резонатор, создающий селективную обратную связь, образован парой мультиплексоров ввода/вывода (OADM), соединенных пассивным участком и активным участком, содержащим EDF. Пассивный участок кольцевого резонатора содержит изолятор, пропускающий излучение в сторону первого OADM, и аттенюатор EXFO LTB8 для варьирования потерь в резонаторе. Для визуализации спектра излучения использовался анализатор оптического спектра (Optical Spectrum Analyzer, OSA) Anritsu MS9740A при его подключении после катушки ОВ (входной сигнал) и между активным волокном и вторым OADM (спектр усиленного сигнала и канала генерации).
При мощности накачки EDFA, обеспечивающей превышение порогового коэффициента усиления, запускается генерация на длине волны неиспользующегося канала. В результате КУ EDFA на частоте генерации лазера стабилизируется на пороговом значении, определяемом потерями в резонаторе. Это позволяет управлять КУ с помощью переменного аттенюатора.
Для осуществления оптической стабилизации коэффициента усиления распределенного ВКР-усилителя при помощи фарадеевских зеркал М создается линейный резонатор (рис.2). Потери мощности при отражении от зеркал составляют 0,2 дБ, потери мощности на мультиплексоре, OADM (M), и демультиплексоре, OADM (D), ввода-вывода − 1 дБ. Использование широкополосного зеркала обеспечивает возможность выбирать длину волны генерации с помощью OADM.
При усилении распределенного ВКР-усилителя, превышающем потери резонатора, возникает генерация на резонансной частоте, задаваемой мультиплексорами ввода-вывода (OADM (M)/OADM (D)).
Результаты экспериментов
Оптическая стабилизация ROPA
Зависимость коэффициента усиления ROPA от входной мощности исследовалась путем выключения нескольких каналов и контролем мощности оставшихся. Мощность входного сигнала в этом эксперименте изменялась от 1,6 до 9,9 дБм, потери в аттенюаторе устанавливались равными 4 дБ, при этом порог генерации не превышал 21,5 дБм. На рис.3 приведены КУ каналов в схеме с оптической стабилизацией, когда включены все шесть каналов или только один. Мощность накачки была установлена на уровне 24,9 дБм, варьируемые потери в аттенюаторе − 4 дБ.
Из рис.3 видно, что при выключении пяти из шести каналов и уменьшении полной входной мощности более чем на 8 дБ, КУ оставшегося канала практически не изменяется. Таким образом, ОС эффективно стабилизирует коэффициенты усиления отдельных каналов при изменении входной мощности. При отключении пяти из шести каналов суммарная мощность сигнальных каналов и канала генерации сохраняется: входная мощность падает на 8,1 мВт, а мощность канала генерации увеличивается на 8,2 мВт.
Зависимость коэффициента усиления ROPA от величины полных потерь αfull в резонаторе (суммарные потери переменного аттенюатора (VOA), OADM, изолятора, патч-корда) при генерации на 20 канале показана на рис.4. Мощность накачки была установлена на уровне 24,6 дБм, входная мощность − 12,6 дБм.
Графики на рис.4 аппроксимированы линейной функцией, угловые коэффициенты которой близки к 1, а константы пересечения зафиксированы на значении 0 дБ. Аппроксимирующие функции хорошо ложатся на экспериментальные для всех каналов. Таким образом, зависимости на рис.4 соответствуют ожидаемым зависимостям, проходящим через начало координат, а диапазон подстройки коэффициента усиления определяется возможностью варьирования потерь в резонаторе и может составлять более 10 дБ.
Температурные испытания проведены путем помещения кассеты с активным волокном в промышленную климатическую камеру "тепло-холод-влажность" Espec SH-662 и варьирования температуры от –40 до 50 °С. Установлено, что коэффициенты усиления каналов с учетом погрешности не зависят от температуры активного волокна, в то время как без оптической стабилизации КУ ROPA может варьироваться на десятки дБ при изменении температуры.
Оптическая стабилизация ВКР-усилителя
На рис.5 приведены спектры мощностей каналов после прохождения 50 км SSMF (расположение OSA, представленное на рис.2) с включенным ВКР-усилителем в режиме ОС.
При отключенной ОС ВКР-усилитель вносит существенный перекос спектра исходного сигнала – 2,3 дБ для шести каналов и 2,7 дБ для трех каналов. Как видно из рис.5, ОС при постоянной мощности накачки ВКР-усилителя уменьшает перекос спектра до 2 дБ для шести каналов и 2,3 дБ для трех каналов.
Для уменьшения искажения спектра мощностей сигнальных каналов каналом генерации предложен алгоритм стабилизации коэффициента усиления РспВКРУ по мощности генерации. В исходную схему добавлен измеритель мощности, на который через оптический сплиттер выводится 1% мощности в канале генерации вблизи первого фарадеевского зеркала. Используя это значение, осуществляется автоматическая подстройка мощности в канале генерации вблизи порогового значения –3 дБм, что в среднем на 1 дБ выше уровня сигнальных каналов. В режиме постоянной мощности накачки Ppump = 27 дБм мощность в канале генерации составляла 5,8 и 6,4 дБм при включенных шести и трех каналах, соответственно. На рис.5 спектры мощностей каналов в режиме автоподстройки мощности накачки обозначены Pumpvar.
Для наглядности перекосы спектров в разных режимах ОС приведены в табл.1. Режим автоподстройки мощности накачки обозначен GC-mod.
Из табл.1 видно, что в режиме автоподстройки мощности накачки неравномерность спектров уменьшается до 1 дБ для шести каналов и 1,5 дБ для трех. Таким образом, предложенный режим автоподстройки мощности накачки сохраняет преимущества чисто оптической стабилизации КУ, такие как быстродействие и простота оптической схемы. При этом он позволяет уменьшить перекос спектра КУ каналом генерации, а также является более энергоэффективным, чем классический Gain Clamping в силу уменьшения мощности накачки РспВКРУ.
Заключение
Реализованы системы оптической стабилизации ROPA и РспВКРУ на основе спектрально-селективного резонатора с генерацией на длине волны одного из неиспользующихся каналов.
Проведенные исследования показали эффективность работы оптической стабилизации ROPA в условиях изменяющейся интегральной мощности входного сигнала, температуры активного волокна. Оптическая стабилизация позволяет уменьшить неравномерность спектра усиления РспВКРУ и вариации КУ при изменении мощности лазеров накачки.
Предложенный алгоритм автоподстройки мощности накачки РспВКРУ позволяет уменьшить перекос спектра КУ каналом генерации и сделать ОС более энергоэффективной.
ЛИТЕРАТУРА
Akasaka Y. et al. Hybrid Amplification Approach Towards Wideband Optical Communications // J. Lightwave Technol. 2023. Vol. 41. No. 3. PP. 815−821.
Wang Y. et al. Ultra-Broadband Bismuth-Doped Fiber Amplifier Covering a 115-nm Bandwidth in the O and E Bands // J. Light Technol. 2021. Vol. 39. No. 3. PP. 795−800.
Конышев В.А. и др. Тенденции и перспективы развития волоконно-оптических систем передачи информации // Квантовая электроника. 2022. Т. 52. № 12. С. 1102−1113.
Леонов А.В. и др. Усилители на основе вынужденного комбинационного рассеяния в оптических системах связи // Прикладная фотоника. 2014. Т. 1. № 1. С. 27−50.
Sun Y. et al. Fast power transients in WDM optical networks with cascaded EDFAs // Electron. Lett. 1997. Vol. 33. No. 4. PP. 313−314.
Bakar A.A.A. et al. Single-stage gain-clamped L-band EDFA with C-band ASE saturating tone // Laser Physics. 2009. Vol. 19. No. 5. PP. 1026−1029.
Aozasa S. et al. Novel Gain Spectrum Control Method Employing Gain Clamping and Pump Power Adjustment in Thulium-Doped Fiber Amplifier // J. Lightwave Technol. 2008. Vol. 26. No. 10. PP. 1274−1281.
Vijayakumar N. et al. A feed forward method for stabilizing the gain and output power of an erbium-doped fiber amplifier // Microwave Opt. Technol. Lett. 2009. Vol. 51. PP. 2156−2160.
Bianciotto A. et al. EDFA gain transients: experimental demonstration of a low cost electronic control // IEEE Photonics Technol. Lett. 2003. Vol. 15. PP. 1351−1353.
Dung J. et al. Gain stability in a distributed Raman amplifier for a wavelength-division multiplexing system // Optical Engineering. 2010. Vol. 49. No. 4. P. 045003.
Ahuja B. et al. Statistical Analysis for Semiconductor Optical Amplifier for 16 × 10Gbps and 8 × 10Gbps DWDM Transmission Systems having In-line Compensating Fiber // International Journal of Industrial Electronics and Electrical Engineering. 2020. Vol. 10. No 7. PP. 265−272.
Mustafa F.M. et al. A reduced power budget and enhanced performance in a wdm system: a new fbg apodization function // Opt. Quantum Electron. 2022. Vol. 54. No. 471. PP. 1−15.
Olonkins S. et al. Investigation of in-line distributed Raman amplifiers with co and counter-propagating pumping schemes // Progress in Electromagnetic Research Symposium, Shanghai, 2016. PP. 3773−3777.
Zhang T. et al. Distributed fiber Raman amplifiers with incoherent pumping // IEEE Photonics Technology Letters. 2005. Vol. 17. No. 6. PP. 1175−1177.
Putrina J. Comparison of discrete and distributed in-line Raman amplifiers in a 16 channel DWDM transmission system // 2017 Progress in Electromagnetics Research Symposium − Fall, Singapore, 2017. PP. 236−241.
Islam M.N. Raman Amplifers for Telecommunications 2: Sub-systems and Systems. Springer, 2007. 428 p.
Liang T.C. et al. All-optical gain-clamped L-band erbium-doped fiber amplifier with two feedback-loop lasing wavelengths // Opt. Eng. 2005. Vol. 44. No. 11. P. 115001.
Игуменов А.Ю. и др. Полностью оптическая стабилизация коэффициента усиления волоконного усилителя с удаленной оптической накачкой // Квантовая электроника. 2023. Т. 53. № 6. С. 484−489.
Wei H. et al. Use of Bragg gratings to achieve gain clamping in distributed fiber Raman amplifiers // Proc. SPIE, Optical Fibers and Passive Components. 2004. Vol. 5279. PP. 73−76.
Игуменов А.Ю. и др. Оптическая стабилизация распределенного волоконного усилителя на вынужденном комбинационном рассеянии // Журнал технической физики. 2024. Т. 94. № 4. С. 652−657.
МСЭ-Т. G.694.1: Spectral grids for WDM applications: DWDM frequency grid. [Электронный ресурс]. URL: https://www.itu.int/rec/T-REC-G.694.1-202010-I/en (дата обращения 14.03.2024).
А.Ю.Игуменов, к.ф.-м.н., доцент МФТИ, инженер-исследователь ООО"Т8" / igumenov.au@mipt.ru,
С.Н.Лукиных, инженер 1-й категории ООО "Т8 НТЦ", инженер МГУ им. М. В.Ломоносова,
О.Е.Наний, д.ф.-м.н., заместитель генерального директора по науке ООО "Т8", проф. МГУ им. М. В.Ломоносова,
В.Н.Трещиков, д.т.н., генеральный директор ООО "Т8", с.н.с. Фрязинского филиала ИРЭ им. В.А. Котельникова РАН
УДК 535.2, DOI: 10.22184/2070-8963.2024.118.2.56.61
Исследована возможность оптической стабилизации коэффициента усиления эрбиевого волоконного усилителя с удаленной накачкой (ROPA) и распределенного ВКР-усилителя. Основой рассматриваемых систем оптической стабилизации является активный спектрально-селективный резонатор, генерирующий излучение на одном из не используемых спектральных каналов усилителя. Показано, что для ROPA предложенная система дает возможность поддерживать коэффициент усиления постоянным при изменении температуры, числа и мощности каналов. Для распределенного ВКР-усилителя обеспечивается постоянный коэффициент усиления при изменении числа каналов, постоянная выходная мощность при изменении потерь в линии.
Введение
Волоконно-оптические линии связи (ВОЛС) со спектральным мультиплексированием (DWDM-системы) [1, 2] занимают ключевые позиции в условиях современных высоких требований к скорости, дальности и безопасности передачи данных. Для увеличения дальности работы и пропускной способности ВОЛС необходимы исследования линейных и нелинейных эффектов в оптическом волокне (ОВ), а также усовершенствование каналообразующего и усилительного оборудования.
Наиболее распространены в современных ВОЛС эрбиевые усилители (EDFA) и усилители на основе вынужденного комбинационного рассеяния света (ВКРУ) (рамановские усилители, RAU) [3, 4]. В ходе эксплуатации линии связи количество работающих DWDM-каналов может изменяться в результате планового их подключения /отключения или аварий на линии. Изменение числа каналов приводит к изменениям коэффициента усиления (КУ), сопровождающимся нежелательными переходными процессами (флуктуациями мощности) [5]. Поэтому для управления этими вариациями КУ необходима стабилизация усиления [6, 7].
Для стабилизации EDFA, размещенного в пункте обслуживания (LocEDFA), используется электрическая упреждающая регулировка [8−10]. В реальных ВОЛС для увеличения максимальной длины пролетов и оптического отношения мощности сигнала к мощности шума совместно с LocEDFA используются усилители с удаленной оптической накачкой (Remote Optically Pumped Amplifier, ROPA). Для функционирования ROPA не требуется электропитание, и они устанавливаются вне пунктов обслуживания [3, 4, 11−16], что и затрудняет их электрическую стабилизацию. Для таких усилителей используется оптическая стабилизация (ОС) коэффициента усиления, осуществляемая путем создания резонатора на одной из рабочих частот усилителя и достижения в этом резонаторе генерации, которая стабилизирует коэффициент усиления (в англоязычной литературе используется термин All-Optical Gain Clamping, или GC) [17−18].
Возможность использования ОС для стабилизации распределенных ВКР-усилителей исследована значительно меньше. В [19] описано осуществление ОС в распределенном ВКРУ (РспВКРУ) с использованием линейного резонатора, образованного двумя волоконными брэгговскими решетками (ВБР), но отсутствуют подробные исследования его особенностей, таких как искажение спектра КУ каналом генерации и границы применимости в реальных ВОЛС. В [20] рассказано о реализации ОС РспВКРУ на основе линейного резонатора, образованного двумя фарадеевскими зеркалами, проведены спектральные исследования усилителя, работающего в режиме ОС, исследованы различные способы подстройки мощности накачки.
В данной работе проведены исследования систем оптической стабилизации ROPA и распределенного ВКР-усилителя. Показано, что оптическая стабилизация ROPA эффективно подавляет вариации коэффициента усиления рабочих спектральных каналов при изменениях мощности лазера накачки, полной мощности входного сигнала, температуры активного волокна. ОС распределенного ВКР-усилителя уменьшает неравномерность спектра усиленных сигналов и вариации КУ при изменении мощности лазеров накачки. Предложен алгоритм автоподстройки мощности накачки, позволяющий уменьшить перекос спектра КУ каналом генерации и снизить энергопотребление усилителя.
Экспериментальная установка
Для реализации оптической стабилизации коэффициента усиления ROPA активное эрбиевое волокно усилителя помещается в резонатор лазера, генерирующего на нерабочей длине волны. Как известно, коэффициент усиления лазера в режиме генерации равен потерям в резонаторе: если на активный элемент лазера подать внешнее излучение на негенерирующей длине волны, то выходная мощность лазера изменится, а коэффициент усиления останется прежним. Лазерное излучение, таким образом, обеспечивает постоянство коэффициента усиления. Уменьшение общей мощности входящего оптического сигнала автоматически компенсируется увеличением лазерной мощности и наоборот.
Стенды по исследованию оптической стабилизации собраны на основе DWDM-платформы "Волга" производства компании "Т8". В экспериментах по ОС ROPA (см. рис.1) в качестве источников излучения использовались каналы транспондера 21−26 стандартизованной Международным союзом электросвязи (МСЭ) сетки частот [21] с длинами волн 1560,61; 1559,79; 1558,98; 1558,17; 1557,36; 1556,56 нм. Каналы транспондера TP объединяются мультиплексором WDM и через EDFA подают в линию. После прохождения 50 км оптического волокна SMF-28 сигнал поступает в ROPA. В качестве источника накачки ROPA используется лазер с длиной волны 1480 нм, излучение которого подводится по дополнительному волокну с целью исключения ВКР-усиления сигнала. Лазер, стабилизирующий коэффициент усиления EDFA, работает на длине волны 1561,42 нм (канал 20). Кольцевой резонатор, создающий селективную обратную связь, образован парой мультиплексоров ввода/вывода (OADM), соединенных пассивным участком и активным участком, содержащим EDF. Пассивный участок кольцевого резонатора содержит изолятор, пропускающий излучение в сторону первого OADM, и аттенюатор EXFO LTB8 для варьирования потерь в резонаторе. Для визуализации спектра излучения использовался анализатор оптического спектра (Optical Spectrum Analyzer, OSA) Anritsu MS9740A при его подключении после катушки ОВ (входной сигнал) и между активным волокном и вторым OADM (спектр усиленного сигнала и канала генерации).
При мощности накачки EDFA, обеспечивающей превышение порогового коэффициента усиления, запускается генерация на длине волны неиспользующегося канала. В результате КУ EDFA на частоте генерации лазера стабилизируется на пороговом значении, определяемом потерями в резонаторе. Это позволяет управлять КУ с помощью переменного аттенюатора.
Для осуществления оптической стабилизации коэффициента усиления распределенного ВКР-усилителя при помощи фарадеевских зеркал М создается линейный резонатор (рис.2). Потери мощности при отражении от зеркал составляют 0,2 дБ, потери мощности на мультиплексоре, OADM (M), и демультиплексоре, OADM (D), ввода-вывода − 1 дБ. Использование широкополосного зеркала обеспечивает возможность выбирать длину волны генерации с помощью OADM.
При усилении распределенного ВКР-усилителя, превышающем потери резонатора, возникает генерация на резонансной частоте, задаваемой мультиплексорами ввода-вывода (OADM (M)/OADM (D)).
Результаты экспериментов
Оптическая стабилизация ROPA
Зависимость коэффициента усиления ROPA от входной мощности исследовалась путем выключения нескольких каналов и контролем мощности оставшихся. Мощность входного сигнала в этом эксперименте изменялась от 1,6 до 9,9 дБм, потери в аттенюаторе устанавливались равными 4 дБ, при этом порог генерации не превышал 21,5 дБм. На рис.3 приведены КУ каналов в схеме с оптической стабилизацией, когда включены все шесть каналов или только один. Мощность накачки была установлена на уровне 24,9 дБм, варьируемые потери в аттенюаторе − 4 дБ.
Из рис.3 видно, что при выключении пяти из шести каналов и уменьшении полной входной мощности более чем на 8 дБ, КУ оставшегося канала практически не изменяется. Таким образом, ОС эффективно стабилизирует коэффициенты усиления отдельных каналов при изменении входной мощности. При отключении пяти из шести каналов суммарная мощность сигнальных каналов и канала генерации сохраняется: входная мощность падает на 8,1 мВт, а мощность канала генерации увеличивается на 8,2 мВт.
Зависимость коэффициента усиления ROPA от величины полных потерь αfull в резонаторе (суммарные потери переменного аттенюатора (VOA), OADM, изолятора, патч-корда) при генерации на 20 канале показана на рис.4. Мощность накачки была установлена на уровне 24,6 дБм, входная мощность − 12,6 дБм.
Графики на рис.4 аппроксимированы линейной функцией, угловые коэффициенты которой близки к 1, а константы пересечения зафиксированы на значении 0 дБ. Аппроксимирующие функции хорошо ложатся на экспериментальные для всех каналов. Таким образом, зависимости на рис.4 соответствуют ожидаемым зависимостям, проходящим через начало координат, а диапазон подстройки коэффициента усиления определяется возможностью варьирования потерь в резонаторе и может составлять более 10 дБ.
Температурные испытания проведены путем помещения кассеты с активным волокном в промышленную климатическую камеру "тепло-холод-влажность" Espec SH-662 и варьирования температуры от –40 до 50 °С. Установлено, что коэффициенты усиления каналов с учетом погрешности не зависят от температуры активного волокна, в то время как без оптической стабилизации КУ ROPA может варьироваться на десятки дБ при изменении температуры.
Оптическая стабилизация ВКР-усилителя
На рис.5 приведены спектры мощностей каналов после прохождения 50 км SSMF (расположение OSA, представленное на рис.2) с включенным ВКР-усилителем в режиме ОС.
При отключенной ОС ВКР-усилитель вносит существенный перекос спектра исходного сигнала – 2,3 дБ для шести каналов и 2,7 дБ для трех каналов. Как видно из рис.5, ОС при постоянной мощности накачки ВКР-усилителя уменьшает перекос спектра до 2 дБ для шести каналов и 2,3 дБ для трех каналов.
Для уменьшения искажения спектра мощностей сигнальных каналов каналом генерации предложен алгоритм стабилизации коэффициента усиления РспВКРУ по мощности генерации. В исходную схему добавлен измеритель мощности, на который через оптический сплиттер выводится 1% мощности в канале генерации вблизи первого фарадеевского зеркала. Используя это значение, осуществляется автоматическая подстройка мощности в канале генерации вблизи порогового значения –3 дБм, что в среднем на 1 дБ выше уровня сигнальных каналов. В режиме постоянной мощности накачки Ppump = 27 дБм мощность в канале генерации составляла 5,8 и 6,4 дБм при включенных шести и трех каналах, соответственно. На рис.5 спектры мощностей каналов в режиме автоподстройки мощности накачки обозначены Pumpvar.
Для наглядности перекосы спектров в разных режимах ОС приведены в табл.1. Режим автоподстройки мощности накачки обозначен GC-mod.
Из табл.1 видно, что в режиме автоподстройки мощности накачки неравномерность спектров уменьшается до 1 дБ для шести каналов и 1,5 дБ для трех. Таким образом, предложенный режим автоподстройки мощности накачки сохраняет преимущества чисто оптической стабилизации КУ, такие как быстродействие и простота оптической схемы. При этом он позволяет уменьшить перекос спектра КУ каналом генерации, а также является более энергоэффективным, чем классический Gain Clamping в силу уменьшения мощности накачки РспВКРУ.
Заключение
Реализованы системы оптической стабилизации ROPA и РспВКРУ на основе спектрально-селективного резонатора с генерацией на длине волны одного из неиспользующихся каналов.
Проведенные исследования показали эффективность работы оптической стабилизации ROPA в условиях изменяющейся интегральной мощности входного сигнала, температуры активного волокна. Оптическая стабилизация позволяет уменьшить неравномерность спектра усиления РспВКРУ и вариации КУ при изменении мощности лазеров накачки.
Предложенный алгоритм автоподстройки мощности накачки РспВКРУ позволяет уменьшить перекос спектра КУ каналом генерации и сделать ОС более энергоэффективной.
ЛИТЕРАТУРА
Akasaka Y. et al. Hybrid Amplification Approach Towards Wideband Optical Communications // J. Lightwave Technol. 2023. Vol. 41. No. 3. PP. 815−821.
Wang Y. et al. Ultra-Broadband Bismuth-Doped Fiber Amplifier Covering a 115-nm Bandwidth in the O and E Bands // J. Light Technol. 2021. Vol. 39. No. 3. PP. 795−800.
Конышев В.А. и др. Тенденции и перспективы развития волоконно-оптических систем передачи информации // Квантовая электроника. 2022. Т. 52. № 12. С. 1102−1113.
Леонов А.В. и др. Усилители на основе вынужденного комбинационного рассеяния в оптических системах связи // Прикладная фотоника. 2014. Т. 1. № 1. С. 27−50.
Sun Y. et al. Fast power transients in WDM optical networks with cascaded EDFAs // Electron. Lett. 1997. Vol. 33. No. 4. PP. 313−314.
Bakar A.A.A. et al. Single-stage gain-clamped L-band EDFA with C-band ASE saturating tone // Laser Physics. 2009. Vol. 19. No. 5. PP. 1026−1029.
Aozasa S. et al. Novel Gain Spectrum Control Method Employing Gain Clamping and Pump Power Adjustment in Thulium-Doped Fiber Amplifier // J. Lightwave Technol. 2008. Vol. 26. No. 10. PP. 1274−1281.
Vijayakumar N. et al. A feed forward method for stabilizing the gain and output power of an erbium-doped fiber amplifier // Microwave Opt. Technol. Lett. 2009. Vol. 51. PP. 2156−2160.
Bianciotto A. et al. EDFA gain transients: experimental demonstration of a low cost electronic control // IEEE Photonics Technol. Lett. 2003. Vol. 15. PP. 1351−1353.
Dung J. et al. Gain stability in a distributed Raman amplifier for a wavelength-division multiplexing system // Optical Engineering. 2010. Vol. 49. No. 4. P. 045003.
Ahuja B. et al. Statistical Analysis for Semiconductor Optical Amplifier for 16 × 10Gbps and 8 × 10Gbps DWDM Transmission Systems having In-line Compensating Fiber // International Journal of Industrial Electronics and Electrical Engineering. 2020. Vol. 10. No 7. PP. 265−272.
Mustafa F.M. et al. A reduced power budget and enhanced performance in a wdm system: a new fbg apodization function // Opt. Quantum Electron. 2022. Vol. 54. No. 471. PP. 1−15.
Olonkins S. et al. Investigation of in-line distributed Raman amplifiers with co and counter-propagating pumping schemes // Progress in Electromagnetic Research Symposium, Shanghai, 2016. PP. 3773−3777.
Zhang T. et al. Distributed fiber Raman amplifiers with incoherent pumping // IEEE Photonics Technology Letters. 2005. Vol. 17. No. 6. PP. 1175−1177.
Putrina J. Comparison of discrete and distributed in-line Raman amplifiers in a 16 channel DWDM transmission system // 2017 Progress in Electromagnetics Research Symposium − Fall, Singapore, 2017. PP. 236−241.
Islam M.N. Raman Amplifers for Telecommunications 2: Sub-systems and Systems. Springer, 2007. 428 p.
Liang T.C. et al. All-optical gain-clamped L-band erbium-doped fiber amplifier with two feedback-loop lasing wavelengths // Opt. Eng. 2005. Vol. 44. No. 11. P. 115001.
Игуменов А.Ю. и др. Полностью оптическая стабилизация коэффициента усиления волоконного усилителя с удаленной оптической накачкой // Квантовая электроника. 2023. Т. 53. № 6. С. 484−489.
Wei H. et al. Use of Bragg gratings to achieve gain clamping in distributed fiber Raman amplifiers // Proc. SPIE, Optical Fibers and Passive Components. 2004. Vol. 5279. PP. 73−76.
Игуменов А.Ю. и др. Оптическая стабилизация распределенного волоконного усилителя на вынужденном комбинационном рассеянии // Журнал технической физики. 2024. Т. 94. № 4. С. 652−657.
МСЭ-Т. G.694.1: Spectral grids for WDM applications: DWDM frequency grid. [Электронный ресурс]. URL: https://www.itu.int/rec/T-REC-G.694.1-202010-I/en (дата обращения 14.03.2024).
Отзывы читателей
