АВТОМАТИЗИРОВАННЫЙ ЭКВАЛАЙЗЕР УРОВНЕЙ ВЫХОДНОГО СИГНАЛА ОПТИЧЕСКИХ УСИЛИТЕЛЕЙ МНОГОКАНАЛЬНЫХ СИСТЕМ
AUTOMATED EQUALIZER OF OUTPUT SIGNAL LEVELS OF OPTICAL AMPLIFIERS OF MULTICHANNEL SYSTEMS

Изобретение представляет собой устройство и относится к области систем передачи информации, может быть использовано в линейном оборудовании широкополосных магистральных телекоммуникационных сетей с оптическими усилителями, требующих поддержки высокой плоскостности уровней мощности всех передаваемых каналов, входящих в состав линейного сигнала, при динамических условиях эксплуатации многоканальных систем, включая ввод/вывод каналов, маршрутизацию, коммутационные эффекты ROADM (Reconfigurable Optical Add Drop Multiplexer - реконфигурируемый оптический мультиплексор ввода-вывода) и т.п.
В литературе, периодической и патентной, известны различные способы и схемы уплощения выходной спектральной характеристики оптических усилителей, преимущественно применительно к широко применяемым усилителям на волокне, легированном эрбием EDFA (Erbium Doped Fiber Amplifier). В качестве примеров, иллюстрирующих известные устройства аналогичного назначения, но различные по принципу работы, схемам и используемым компонентам, можно считать:
а) выравнивание коэффициента усиления усилителя во всем рабочем диапазоне посредством легирующих добавок в активное волокно
[S. Yoshida, S. Kuwano, and K. Iwashita, "Gain-flattened EDFA with high A1 concentration for multistage repeatered WDM transmission systems," Electron. Lett. 31, 1765-1767(1995)];
б) использование фильтров Маха-Цендера (MZ) в цепочке EDFA-усилителей [J.Y. Pan, M.A. Ali, A.F. Elrefaie, and R.E. Wagner, "Multiwavelength fiber-amplifier cascades with equalization employing Mach-Zehnder optical filter," IEEE Photon. Technol. Lett. 7, 1501-1503 (1995)];
в) использование переменных управляемых аттенюаторов с регулировкой среднего затухания на канал посредством электронного контроллера: [М. Lelic, G.J. Cowley, and N. Menon, "Dynamic controller for a multichannel optical amplifier," US Patent No. 6,535,330 (2003);
Gee-Kung Chang, Lars E.Esklldsen et al. "Self-Regulating Multi-wavelength Optical Amplifier Module for Scalable Lightwave Communications Systems", US Patent No. 5,392,154 (1995);
г) использование массива ответвлений на основе решеток Брэгга [. R. Kashyap, R. Wyatt, and P.F. McKee, "Wavelength flattened saturated erbium amplifier using multiple side-tap Bragg gratings," Electron. Lett. 29, 1025-1026(1993)];
c
с
д) выравнивание спектра с помощью многослойных фильтровых комбинаций mλ/2 - mλ/4, разделенных регулируемыми промежутками [Keith Wayne Goossen, "Enchanced Tilt Optical Power Equalizer", US Patent No. 6,704, 513 B1 (2004)];
е) использование схем выравнивания наклона усиления EDFA с помощью регулирования накачки [Yamaguchi, Shohei, "Optical Gain Equalizer and Optical Gain Equaliizing Method", European patent ЕР 1137129 A2 (2001)];
ж) использование перестраиваемых акустооптических режекторных фильтров с электронным управлением профилем спектра EDFA:
[H.S. Kim, S.H. Yun, H.K. Kim, N. Park, and B.Y. Kim, "Actively Gain-flattened erbium-doped fiber amplifier over 35 nm by using all-fiber acousto-optic tunable filters," IEEE Photon. Technol. Lett. 10, 790-792 (1998);
B.Y. Kim, S.H. Yun, and B.W. Lee, "Acousto-optic filter", US Patent No. 6,532,323 B2 (2003);
Hyo Sang Kim, Seok Hyun Yun et al. "Dynamic gain equalization of erbium-doped fiber amplifier with all-fiber acousto-optic tunable filters", Optical Fiber Communication Conference and Exhibit, 1998. OFC '98., Technical Digest];
з) использование уплощающих АЧХ усилителя фильтров на длиннопериодных волоконных решетках (LPFG):
[J.R. Qian and H.F. Chen, "Gain flattening fiber filters using phase shifted long period fiber gratings," Electron. Lett. 34, 1132-1133 (1998);
P.D. Greene and H.N. Rourke, "Tailoring long period optical fiber gratings for flattening EDFA gain spectra," Electron. Lett. 35, 1373-1374 (1999);
M.K. Pandit, K.S. Chiang, Z.H. Chen, and S.P. Li, "Tunable Long-Period Fiber Gratings for EDFA gain and ASE equalization," Microwave and Opt. Technol. Lett. 25, 181-184 (2000);
и) использование для широкополосного выравнивания спектра EDFA участков волокна с боковой полировкой оболочки, связанных с перестраиваемыми оптическими фильтрами: [R.K. Varshney, A. Singh, K. Pande, and В.Р. Pal, "Side-polished fiber-based gain-flattening filter for erbium doped fiber amplifiers," Opt. Commun. 271, 441- 444 (2007);
К.T. Kim, S. Hwangbo, J.P. Mah, and K.R. Sohn, "Widely tunable filter based on coupling between a side-polished fiber and a tapered planar waveguide," IEEE Photon. Technol. Lett. 17, 142-144 (2005)].
Недостатками, в той или иной степени свойственными перечисленным известным регулируемым эквалайзерам широкополосного DWDM (Dense Wavelength Division Multiplexing- плотное мультиплексирование по длине волны) сигнала на выходе EDFA, являются:
- индивидуальная настройка эквалайзера под конкретный тип усилителя;
- сложность управляющей системы, обеспечивающей необходимую настройку, особенно при динамической перестройке информационного трафика (ввод/вывод каналов, реконфигурация трафика, переход на резервирование);
- значительная величина вносимых потерь.
По результатам анализа и сопоставления вышеприведенных источников, наиболее перспективными для применения в практическом оборудовании широкополосных систем дальней связи представляются варианты, основанные на использовании линейного волокна с участками с боковой полировкой SPF (side polished optical fibre), для которых характерны:
- низкие вносимые потери,
- хорошая механическая стабильность,
- легкая интеграция;
- перестраиваемость.
В качестве прототипа предлагаемого изобретения, как наиболее близкого устройства того же назначения к заявляемому устройству по совокупности признаков, выбран аналог [R.K. Varshney and В. Nagaraju, А. Singh, В.P. Pall, and А.K. Kar "Design and realization of an all-fiber broadband tunable gain equalization filter for DWDM signals", Opt Express. 2007. Oct. 17; 15(21):13519-30].
Устройство-прототип строится на основе блока ответвителя с боковой полировкой сигнального волокна (SPF), связанного с многомодовым скошенным волноводом MMW(multimode waveguide), который служит для SPF перестраиваемым (посредством смещения) режекторным фильтром. Эффективная связь наступает при условии резонанса между модой SPF-ответвителя и одной из мод высшего порядка волновода MMW, близких к условиям отсечки, при этом достигается или вывод узкополосного канала, или полосовые фильтры для длин волн, на которых имеют место резонансы. Было показано, что можно путем соответствующего выбора оптогеометрических параметров SPF и сужающегося MMW, а также области связи между ними, подобрать спектр потерь в линейном волокне так, что во всем рабочем диапазоне EDFA (~1530…1560 нм) уровень проходящей мощности оставался практически постоянным (неравномерность ~0.35дБ в полосе 35 нм).
К недостаткам прототипа следует отнести:
1. Индивидуальность рабочих параметров - при других данных EDFA требуется замена или перенастройка волноводного резонатора.
2. Устройство требует обеспечения поступательных перемещений блока SPF (в у- и z-направлениях) и настройку угла наклона относительно волновода MMW, причем требования к функциональной взаимосвязи между этими подвижками и параметрами эквалайзера не указываются.
3. Оперативная подстройка эквалайзера при реальном динамическом трафике DWDM линейного сигнала представляется весьма трудно реализуемым алгоритмом.
Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является создание устройства для выравнивания уровней средней мощности линейного сигнала на выходе оптического усилителя, отличающегося от аналога-прототипа устранением указанных недостатков последнего.
Техническим результатом, обеспечиваемым приведенной в формуле совокупностью признаков, является:
- возможность построения универсального эквалайзера, работоспособного без индивидуальной настройки с любым типом оптического усилителя (EDFA, FRA и др.);
- автоматическое выполнение операций выравнивания уровней мощности, проходящей по сигнальному волокну, в рамках проектного рабочего диапазона передаваемых сигналов;
- обеспечение технологической возможности интегрального выполнения конструкции устройства, с малой величиной потребляемой мощности и с возможностью дистанционного контроля равномерности уровней линейного сигнала на выходе усилителя при встраивании в алгоритм системы телемеханики.
Указанный технический результат, обеспечиваемый приведенной в формуле совокупностью признаков, достигается тем, что автоматизированный эквалайзер уровней выходного сигнала оптических усилителей содержит сигнальное волокно с ответвителем проходящей мощности и устройство переменной связи волокна с внешним оптическим резонатором, образующие в совокупности широкополосный режекторный фильтр, позволяющий достигнуть выравнивание уровней мощности в рабочем диапазоне передаваемого сигнала, при этом в состав устройства переменной связи волокна с внешним резонатором входят N одинаковых устройств ответвления, каждое из которых осуществляет режекцию мощности в полосе 1/N рабочего диапазона эквалайзера, так что в совокупности они охватывают весь рабочий диапазон, в состав каждого устройства ответвления входят участок с боковой полировкой SPF сигнального волокна и оптический микрорезонатор, настроенный на среднюю частоту полосы (зоны) своего устройства ответвления, причем каждый оптический микрорезонатор механически соединен с подвижным элементом своего микроактюатора, обеспечивающего возможность изменения связи с сигнальным волокном на своем устройстве ответвления за счет перемещения микрорезонатора относительно своего участка SPF сигнального волокна, выход N-го устройства ответвления через сигнальное волокно соединен с широкополосным ответвителем с малым отбором мощности, выход широкополосного ответвителя соединен с входом демультиплексора, разделяющего спектр проходящего сигнала на N полос (зон), равномерно распределенных по всему рабочему диапазону, выходные N порты демультиплексора соединены соответственно с N фотоприемниками-детекторами уровней мощности, выходные сигналы которых подключены соответственно к N входам компаратора уровней мощности в зонах рабочего диапазона, N выходных портов компаратора подключены соответственно к N входам микросхем, формирующих электрические сигналы управления N микроактюаторами по критерию распределения степени режекции на всех N устройствах ответвления, соответствующей выравниванию уровней мощности во всех N спектральных полосах в сигнальном волокне, N сигналов управления подводятся к N входным портам схемы-интерфейса, формирующей электрические стыки с входными шинами исполнительных устройств микроактюаторов, причем синхронная работа всех электронных схем эквалайзера обеспечивается местным генератором тактовой частоты, величина которой выбирается с учетом инерционности работы всех элементов устройств ответвления, а выход генератора тактовой частоты подключается к входным портам синхронизации компаратора, микросхем, формирующих сигналы управления микроактюаторами, фотоприемников-детекторов и схемы-интерфейса. При этом компаратор может быть снабжен буферной памятью и выходным портом, обеспечивающим возможность мониторинга распределения мощности в рабочем спектре сигнального волокна при подключении к внешним контрольным средствам, например к системе телемеханики. При этом N устройств ответвления с оптическими микрорезонаторами конструктивно могут быть объединены на едином чипе с термостабилизацией (элементы Пельтье). При этом все области связи волокна с микрорезонаторами могут быть установлены в термокамере, заполненной иммерсионной жидкостью.
Заявляемое изобретение «Автоматизированный эквалайзер уровней выходного сигнала оптических усилителей многоканальных систем» поясняется чертежами.
На фиг. 1 представлена структурная схема автоматизированного эквалайзера уровней выходного сигнала оптических усилителей многоканальных систем;
на фиг. 2 представлена структура устройства переменной связи волокна с внешними оптическими резонаторами.
Автоматизированный эквалайзер уровней выходного сигнала оптических усилителей, содержит (фиг. 1) сигнальное волокно с ответвителем проходящей мощности 2 и устройство переменной связи волокна с внешним оптическим резонатором 1, образующие в совокупности широкополосный режекторный фильтр, позволяющий достигнуть выравнивание уровней мощности в рабочем диапазоне передаваемого сигнала, при этом в состав устройства переменной связи волокна с внешним резонатором 1 входят (фиг. 2) N одинаковых устройств ответвления 9, каждое из которых осуществляет режекцию мощности в полосе 1/N рабочего диапазона эквалайзера, так что в совокупности они охватывают весь рабочий диапазон, в состав каждого устройства ответвления входят участок с боковой полировкой SPF сигнального волокна и оптический микрорезонатор 10, настроенный на среднюю частоту полосы (зоны) своего устройства ответвления, причем каждый оптический микрорезонатор 10 механически соединен с подвижным элементом своего микроактюатора 11, обеспечивающего возможность изменения связи с сигнальным волокном на своем устройстве ответвления за счет перемещения микрорезонатора 10 относительно своего участка SPF сигнального волокна, выход N-го устройства ответвления 9 через сигнальное волокно соединен (фиг. 1) с широкополосным ответвителем 2 с малым отбором мощности, выход широкополосного ответвителя 2 соединен с входом демультиплексора 3, разделяющего спектр проходящего сигнала на N полос (зон), равномерно распределенных по всему рабочему диапазону, выходные N порты демультиплексора 3 соединены соответственно с N фотоприемниками-детекторами уровней мощности 4, выходные сигналы которых подключены соответственно к N входам компаратора уровней мощности 5 в зонах рабочего диапазона, N выходные порты компаратора 5 подключены соответственно к N входам микросхем 6, формирующих электрические сигналы управления N микроактюаторами 11 по критерию распределения степени режекции на всех N устройствах ответвления 9, соответствующей выравниванию уровней мощности во всех N спектральных полосах в сигнальном волокне, N сигналов управления с микросхем 6 подводятся соответственно к N входным портам схемы-интерфейса 7, формирующей электрические стыки с входными шинами исполнительных устройств микроактюаторов 11, причем синхронная работа всех электронных схем эквалайзера обеспечивается местным генератором тактовой частоты 8, величина которой выбирается с учетом инерционности работы всех элементов устройств ответвления, а выход генератора тактовой частоты 8 подключается к входным портам синхронизации компаратора 5, микросхем 6, фотоприемников-детекторов 4 и схемы-интерфейса 7. При этом компаратор 5 может быть снабжен буферной памятью и выходным портом, обеспечивающим возможность мониторинга распределения мощности в рабочем спектре сигнального волокна при подключении к внешним контрольным средствам, например к системе телемеханики. При этом N устройств ответвления 9 с оптическими микрорезонаторами конструктивно могут быть объединены на едином чипе с термостабилизацией (элементы Пельтье). При этом все области связи волокна с микрорезонаторами 10 могут быть установлены в термокамере, заполненной иммерсионной жидкостью.
Автоматизированный эквалайзер уровней выходного сигнала оптических усилителей работает следующим образом.
0i
ci
0i
с
c
i
Оптический диапазон, подлежащий выравниванию, разбивается на N зон, где N≥1, при этом на сигнальном волокне формируется N участков SPF. Каждому участку SPF сопоставляется оптический микрорезонатор 10, параметры которого удовлетворяют условиям: резонансная частота ω равна частоте средней длины волны i-й зоны (i=1,…N); нагруженная добротность Q=ω/2δ, где декремент затухания δ определяет ширину резонансной кривой резонатора (полная ширина по уровню на границах зоны половины от максимума - FHWM (Full width at half maximum), т.е. полосу зонового фильтра). Каждый микрорезонатор 10 механически соединен с микроактюатором 11, обеспечивающим переменную связь микрорезонатора 10 с участком SPF, образуя в совокупности устройство ответвления 9.
Исходное положение микроактюаторов 11 всех устройств ответвления 9 соответствует наименьшему коэффициенту связи микрорезонаторов 10 с участком SPF. Фотоприемники-детекторы уровней 4 откалиброваны так, чтобы при равномерном распределении мощности по всем зонам рабочего диапазона автоматизированного эквалайзера они давали, с учетом характеристик разделителя зоновых полос, одинаковые показания на выходах.
T
С началом работы генератора тактовой частоты F 8 запускаются аналого-цифровой преобразователь каждого фотоприемника-детектора 4, цифровые устройства микросхемы 6, компаратор 5. На начальном такте автоматизированного эквалайзера распределение уровней мощности по спектру рабочего диапазона в устройстве переменной связи 1 такое, как оно поступает с выхода EDFA, работающего в штатном режиме при отсутствии выравнивания. Принятый сигнал из устройства 1 поступает на вход щирокополосного ответвителя 2, который выделяет для анализа приблизительно 1-2% от мощности входного сигнала и передает выделенный сигнал на демультиплексор 3, разделяющий спектр принятого сигнала на N зон, соответствующих зонам разбиения оптического диапазона. Калибровка демультиплексора 3 соответствует равенству мощностей на всех выходных портах демультиплексора при равномерном распределении мощностей по всему рабочему оптическому диапазону автоматизированного эквалайзера.
Фотоприемники-детекторы 4 преобразуют оптические сигналы в электрические, которые поступают на компаратор 5 для сравнения величин сигналов во всех зонах между собой. С компаратора 5 сигналы поступают на входы микросхемы 6, которая обрабатывает соотношения уровней сигналов во всех N зонах, выбирает зону с наименьшим уровнем сигнала, принимает ее за опорную величину и формирует управляющие сигналы для всех остальных зон. Управляющие сигналы с микросхемы 6 поступают на схему-интерфейс 7, формирующую электрические стыки с входными шинами исполнительных устройств микроактюаторов 11. Режим коррекции уровней мощности в сигнальном волокне до полного относительного выравнивания устанавливается потактовой регулировкой режекции за счет изменения связи SPF↔микрорезонатор 10 во всех зонах рабочего диапазона и поддерживается автоматически в процессе работы автоматизированного эквалайзера. Таким образом, происходит выравнивание уровней мощности N-каналов по выбранному опорному уровню.
Возможен вариант исполнения, при котором компаратор 5 снабжен буферной памятью и выходным портом, обеспечивающим возможность мониторинга распределения мощности в рабочем спектре сигнального волокна при подключении к внешним контрольным средствам, например к системе телемеханики. Это дает возможность подключить эквалайзер к системе контроля качества сигнала на выходе устройства переменной связи 1 посредством системы телемеханики. Также возможен вариант исполнения, в котором N устройств ответвления 9 с оптическими микрорезонаторами 10 конструктивно объединены на едином чипе с термостабилизацией (элементы Пельтье). Также возможно в устройствах ответвления 9 область связи SPF линейного волокна с зоновыми микрорезонаторами 10 устанавливать в термокамеру для заполнения иммерсией участков SPF с удаленной оболочкой (при этом достигается снижение вносимых в само волокно потерь и улучшение термостабилизации микрорезонаторов).
Покажем работу предлагаемого автоматизированного эквалайзера на конкретном примере.
Пусть необходимо спроектировать выравнивающее устройство для ретранслятора DWDM-системы передачи 32 каналов, разнесенных друг от друга на 100 ГГц в С-диапазоне (1530-1560 нм).
Для реализации заявленного эквалайзера, целью которого является автоматическая коррекция характеристик выходного сигнала ретранслятора, используем следующие решения:
вых
1) В качестве выходного направленного ответвителя 2 применим широкополосный сплиттер с отводом к разделителю зоновых полос несущественной части сигнала (~0.5-1% Р).
2) Воспользовавшись тем, что выходная амплитудно-частотная характеристика промышленных EDFA имеет характер достаточно гладкой функции, выберем число N зоновых участков спектра небольшим, с центральными частотами через 500 ГГц, т.е. в нашем примере N=7. Центральными частотами зон и, таким образом, резонансными частотами микрорезонаторов 10 будут:
01
ω=195.7 ТГц (λ=1531.9 нм), канал 57 по стандартной сетке DWDM;
02
ω=195.2 ТГц (λ=1535.82 нм), канал 52,
03
ω=194.7 ТГц (λ=1539.77 нм) канал 47,
04
ω=194.2 ТГц (λ=1543.73 нм) канал 42,
05
ω=193.7 ТГц (λ=1547.72 нм) канал 37,
06
ω=193.2 ТГц (λ=1551.72 нм) канал 32,
07
ω=192.7 ТГц (λ=1555.75 нм) канал 27,
где ω - частота (ТГц), 01…07 - номер зоны, λ - длина волны настройки микрорезонатора (нм).
0
с
i
0
с
0i
3) Микрорезонаторы можно применять различных видов - сферических, дисковых, сфероидных, тороидных, типа Фабри-Перо, их особенности, способы возбужения и технологии изготовления подробно описаны в [М.Л. Городецкий, спецкурс «Оптические микрорезонаторы», МГУ, 2009; «Оптические микрорезонаторы с гигантской добротностью», Физ-МатЛит, 2011]. Для применения в эквалайзере, т.е. в качестве режекторного полосового фильтра, предельно высокой добротности не требуется, добротность Q должна ограничиваться полным коэффициентом затухания δ=δ+δ - собственные потери и потери нагрузки (поглощение, рассеяние), который определяет ширину резонансной кривой или полосу фильтра (в нашем случае - полоса зоны) соотношением: 1/Q=2(δ+δ)/ ω. В нашем примере целесообразно выбрать сферические микрорезонаторы 10 с модами шепчущей галереи (МШГ), изготовленные из полимера (например, типа PDMS [A.L. Martin et al. "Replica-molded high-Q polimer microresonators", Optics Letters, 29(6) 533-535 (2004)]. Для термостабилизации целесообразно поместить оптические элементы блока зоновых корректоров в термокамеру с заполнением иммерсионной жидкостью.
i
4) Изменение в каждом участке ответвления 9 степени связи участка волокна SPF со «своим» микрорезонатором 10 осуществляется посредством перемещения этого микрорезонатора, жестко связанного с подвижным элементом микроактюатора 11, по сигналу управления от схемы-интерфейса 7. Наибольшая степень связи, соответствующая максимальному отбору избыточной мощности микрорезонатором 10 в полосе своей зоны, достигается при контакте микрорезонатора 11 с участком волокна с боковой полировкой SPF, т.е. со светонаправляющей сердцевиной сигнального волокна. При отодвигании микрорезонатора (на зазор порядка микрометра) эта связь резко уменьшается, так что плавная и устойчивая регулировка может осуществляться только посредством прецизионного микроактюатора, предпочтительно на основе MEMS-технологий (микроэлектромеханические системы), хорошо разработанных в настоящее время.