ДУПЛЕКСНЫЙ ОПТИЧЕСКИЙ УСИЛИТЕЛЬ-РЕТРАНСЛЯТОР

Полезная модель относится к технике связи, а именно к высокоскоростным системам передачи информации по открытым атмосферным каналам и может применяться для увеличения дальности атмосферной оптической линии связи (АОЛС).
Атмосферные оптические системы передачи (АОСП) предназначены для организации высокоскоростных беспроводных систем связи. Основными отличительными характеристиками АОСП являются: узкая диаграмма направленности; использование нелицензируемого бесплатного оптического диапазона; передача цифровых потоков со скоростью до 10 Гбит/с; низкая потребляемая мощность; скрытность передачи информации и др. Поэтому АОСП являются альтернативным решением по отношению к другим видам связи, например, в специальных условиях - когда важны скрытность передачи данных, защищенность от несанкционированного доступа, от преднамеренных помех электромагнитных излучений, или когда необходимо обеспечить доступ пользователей к услугам связи в короткое время.
Основным недостатком АОСП, существенно ограничивающим область их практического использования, является зависимость дальности АОЛС от свойств среды распространения оптического сигнала.
Увеличение дальности АОЛС возможно за счет усиления и ретрансляции затухающих оптических сигналов по трассе распространения посредством дополнительных однотипных приемо-передающих устройств АОСП, но при этом происходит значительное снижение скорости передачи цифровых потоков вследствие преобразований оптического сигнала в электрический при приеме и обратно при передаче в приемо-передающих устройствах АОСП.
Поэтому для увеличения дальности АОЛС в АОСП необходимо применять устройства, обеспечивающие усиление и ретрансляцию оптического сигнала по трассе распространения без его преобразования в электрическую форму. Такое устройство может быть построено на основе использования усилителей оптического излучения, используемых в волоконно-оптических системах передачи.
Известны оптические усилители на волокне, имеющие бриллюэновское рассеяние (Крухмалев В.В., Гордиенко В.Н. и др.. Основы построения телекоммуникационных систем и сетей. - М: Горячая линия - Телеком, 2004). Данные усилители обладают узким усиливаемым спектром и не используются для увеличения дальности АОЛС в АОСП.
Известные усилители на волокне, имеющие романовское рассеяние (Гордиенко В.Н., Тверецкий М.С. Многоканальные телекоммуникационные системы. - М: Горячая линия - Телеком, 2005). Они обладают широким спектром усиления, но низким КПД и высокой стоимостью и также не используются для увеличения дальности АОЛС в АОСП.
Известны оптические усилители Фабри-Перо (Убайдуллаев P.P. Волоконно-оптические сети. - М: Эко-трендз, 1998). Они имеют высокий коэффициент усиления в узком, но широко перестраиваемом спектральном диапазоне, а также высокий уровень шума. Как и вышеописанные, эти усилители не используются для увеличения дальности АОЛС в АОСП.
Известны полупроводниковые лазерные усилители. Они имеют низкий КПД и не используются для увеличения дальности АОЛС в АОСП.
Известны усилители на примесном волокне, которые широко распространены в волоконно-оптических системах передачи и являются ключевыми элементами в технологии полностью оптических сетей, так как усиливают световые сигналы в широком спектральном диапазоне с достаточно высоким коэффициентом усиления и низким уровнем шума.
Наибольшее применение нашли усилители EDFA (Денисьева О.М., Мирошников Д.Г. Средства связи для «последней мили». -М: Эко-трендз-нтц натекс, 1999), в которых используется кремниевое волокно, легированное эрбием. В настоящий момент эрбиевые усилители EDFA также не используются для увеличения дальности АОЛС в АОСП.
Наиболее близки по технической сущности к предлагаемому устройству приемо-передающие устройства АОСП, например, серии ARTOLINK производства государственного Рязанского приборного завода (Руководство по эксплуатации МБДК.3РЭ. Аппаратура атмосферной оптической линии связи. ООО «Мостком», Рязань), обеспечивающие преобразование электрического сигала в оптический для передачи по открытым атмосферным каналам в тракте передачи, а так же прием оптического сигнала и обратное его преобразование в электрический в тракте приема. Данное устройство представляет собой два идентичных приемопередающих модуля, при этом в состав каждого приемо-передающего модуля входят двухапертурная приемная оптическая антенна, трехапертурная передающая оптическая антенна, блоки согласования. Однако использование таких устройств неприемлемо для усиления и ретрансляции оптического сигнала по трассе с целью увеличения дальности АОЛС, так как снижает скорость передачи цифровых потоков в АОСП из-за необходимости вышеуказанных оптоэлектронных преобразований сигналов при приеме-передаче.
Предлагаемая полезная модель направлена на достижение технического результата, заключающегося в увеличении дальности атмосферных оптических линий связи АОСП при сохранении существующей скорости передачи цифровых потоков.
Указанный технический результат достигается с помощью предлагаемого устройства дуплексного оптического усилителя-ретранслятора, включающего два идентичных приемопередающих модуля, соединенных между собой одномодовыми оптическими волокнами, при этом в состав каждого приемо-передающего модуля входят двухапертурная приемная оптическая антенна, трехапертурная передающая оптическая антенна, блоки согласования и оптический усилитель EDFA, введенный в приемопередающий тракт, вход и выход которого соединены оптоволокном через блоки согласования с входом и выходом приемной и передающей антенны соответственно.
Отметим ряд особенностей предлагаемого устройства дуплексного оптического усилителя-ретранслятора.
Двухапертурная приемная оптическая антенна предназначена для приема слабого оптического сигнала на два разнесенных в пространстве приемных объектива, обеспечивающих прием из разных участков волнового фронта на одно фотоприемное устройство. Такое построение приемной антенны позволяет снизить амплитудную нестабильность принимаемого сигнала из-за воздействия атмосферы не менее чем на 5 дБ по сравнению с приемом на один объектив такой же эквивалентной площади.
Блоки согласования предназначены для согласования принятого сигнала с входом усилителя или усиленного сигнала с входом антенны. Введение в схему структурно выделенных блоков согласования обусловлено требованиями агрегативности, так как в этом случае обеспечивается унификация и стандартизация приемо-передающих модулей предлагаемого устройства.
Оптический усилитель обеспечивает усиление принятого сигнала до уровня, необходимого для последующей передачи в АОЛС. Эрбиевый оптический усилитель EDFA работоспособен при длине волны оптических сигналов от 1530 до 1560 нм, что соответствует рабочей длине волны АОСП, построенных на устройствах ARTOLINK M2EE1 с длиной волны лазера накачки 980 нм. К достоинствам EDFA относятся: усиление оптического сигнала без его оптоэлектронных преобразований, низкая чувствительность к изменению поляризации сигнала, низкий уровень шума, практически полное отсутствие переходных помех на выходе усилителя.
Трехапертурная передающая антенна обеспечивает передачу усиленного оптического сигнала в АОЛС. Наличие в передающем тракте трех передающих апертур увеличивает выходную мощность и уменьшает влияние интерференционной нестабильности волнового фронта когерентного излучения из-за неоднородностей в атмосфере.
Проведенный сравнительный анализ заявленного устройства и прототипа показывает, что заявленное устройство отличается тем, что изменена совокупность элементов и связей между ними из каждого приемопередающего модуля: введены два эрбиевых оптических усилителя EDFA.
Усиление оптических сигналов без промежуточных оптоэлектронных преобразований осуществляется посредством оптических усилителей EDFA.
Для достижения названного технического результата в каждый ij-й (i=1,2; j=2,1; i≠j) приемопередающий модуль устройства введен эрбиевый оптический усилитель EDFA, вход которого соединен одномодовым оптоволокном с блоком согласования тракта приема, а выход соединен одномодовым оптоволокном с блоком согласования тракта передачи.
На Фиг.1 представлена функциональная схема дуплексного оптического усилителя-ретранслятора.
i
i
i
i
i
i
i
В состав предлагаемого устройства дуплексного оптического усилителя-ретранслятора входят два идентичных приемопередающих модуля 1 (i=1,2), соединенных между собой одномодовыми оптическими волокнами 2. В состав каждого i-го приемо-передающего модуля входят: двухапертурная приемная оптическая антенна 3, трехапертурная передающая оптическая антенна 4, блоки согласования 5,6. В состав каждого i-го приемо-передающего модуля дополнительно введены эрбиевые оптические усилители EDFA 7 и соединительные одномодовые оптические волокна 8.
Рассмотрим работу дуплексного оптического усилителя-ретранслятора в одном направлении приема-передачи сигнала.
i
i
i
i
j
j
j
Принятый двухапертурной приемной оптической антенной 3 (i=1,2) слабый оптический сигнал через блок согласования тракта приема 5 посредством оптического волокна 8 вводится в оптический усилитель 7, где происходит его усиление до уровня, необходимого для последующей передачи. Усиленный таким образом оптический сигнал оптоволокном 2 вводится в блок согласования тракта передачи 6 (j=2,1; i≠j), после которого посредством оптоволокна 8 вводится в трехапертурную передающую антенну 4.
Таким образом осуществляется усиление и ретрансляция оптического сигнала по трассе распространения без оптоэлектронных преобразований, за счет чего увеличивается дальность АОЛС при сохранении существующей скорости передачи цифровых потоков.