LV15722B - Ramana-parametriskā hibrīdā pastiprinātāja iekārta un tās darbības paņēmiens - Google Patents

Abstract

Izgudrojums attiecas uz telekomunikāciju nozari, konkrēti uz šķiedru optiskajās pārraides sistēmās izmantotajiem pastiprinātājiem. Hibrīdais pastiprinātājs apvieno Ramana un parametrisko optisko pastiprinātāju vienā kombinētā risinājumā, kur signāls vienlaikus tiek pastiprināts gan Ramana, gan parametriskā pastiprinājuma ceļā augstas nelinearitātes šķiedrā. Ramana-parametriskais hibrīdais pastiprinātājs var tikt lietots viļņgarumdales blīvētās daudzkanālu sakaru sistēmās, kā līnijas vai priekšpastiprinātājs, lai kompensētu pārraides procesā radušos signālu jaudas zudumus. Izgudrojuma pieteikuma hibrīdajam pastiprinātājam ir augsts pielietojuma potenciāls daudzkanālu sakaru sistēmās, kur esošie pastiprinātāji nevar nodrošināt signāla pastiprinājumu. Izgudrojums spēj nodrošināt vairāk nekā 33 dB signāla pastiprinājumu ieejas signāliem ar datu pārraides ātrumu 40 Gbit/s un ieejas jaudu -40 dBm uz vienu datu kanālu. Pastiprinājuma atšķirība nepārsniedz 1,9 dB frekvenču joslā no 196,1 līdz 197,6 THz, kas atbilst S joslas diapazonam un tādējādi paplašina esošo pastiprinātāju darba diapazonu.

Description

IZGUDROJUMA APRAKSTS

[001] Izgudrojums attiecas uz telekomunikāciju nozari, konkrēti uz šķiedru optiskajās pārraides sistēmās lietotajiem pastiprinātājiem. Izgudrojums var tikt lietots šķiedru optiskās pārraides sakaru sistēmās, lai kompensētu pārraides procesā radušos signālu jaudas zudumus.

Zināmais tehnikas līmenis

[002] Pārraides procesā radušos signālu jaudas zudumu cēloņi galvenokārt ir dažādas optisko sakaru sistēmu komponentes (modulatori, savienotāji, sazarotāji, apvienotāji, filtri, u.c.) un optiskā šķiedra kā pārraides vide (piemaisījumu absorbcija, hidroksil grupas absorbcija, Releja izkliede, dažādas nelineārās izkliedes, mikrolocījumi, u.c.). Līdz ar to augsta datu pārraides ātruma (tipiski >10 Gbit/s) pārraide lielos attālumos nav iespējama bez signālu pastiprināšanas pirms uztvērēja. Viļņa garumu diapazons, kurā optisko šķiedru zudumi ir salīdzinoši zemi (<0,35 dB/km), ir no -1300 līdz -1700 nm, kas atbilst 54 THz frekvenču joslai [1]. Tomēr praksē izmantojamā viļņa garumu josla ir lielā mērā atkarīga no optisko pastiprinātāju darba diapazona.

[003] Optisko sakaru sistēmās plaši tiek lietoti ar erbija leģētās šķiedras pastiprinātāji (no angļu valodas erbium doped fiber amplifier - EDFA), jo tiem ir salīdzinoši vienkārša uzbūve un augsta pastiprināšanas efektivitāte. Tomēr to darbības diapazons ir ierobežots C joslā (1530-1565 nm) un daļēji pārklājas ar L joslu (1565-1625 nm). Līdz ar to aktuāli ir citi optisko pastiprinātāju veidi, kuri varētu darboties ārpus C un L joslas. Viena no opcijām ir šķiedru optiskais parametriskais apstiprinātājs (no angļu valodas fiber optical parametric amplifier - FOPA), kura darbības pamatā ir nelineārais optiskais efekts: četru viļņu mijiedarbība. FOPA darbības diapazons ir atkarīgs no parametriskā pumpējošā avota frekvences. Tomēr FOPA ir vairāki trūkumi, kas saistīti ar būtisku pastiprinājuma atkarību no ieejas signāla polarizācijas stāvokļa, signāla un pumpējošā avota fāzu saskaņotības un augstas nelinearitātes šķiedras (no angļu valodas highly non-linearfiber - HNLF) īpašībām (vājinājums, dispersija, u.c.). Šos FOPA trūkumus var daļēji kompensēt veidojot kombinētos pastiprinātājus, kur tiek apvienoti dažāda tipa pastiprinātāji.

[004] Par izgudrojuma prototipu izvēlēts hibrīdais optiskais pastiprinātājs, kas sastāv no EDFA un šķiedru optiskā parametriskā pastiprinātāja, kas darbojas kā 40 Gbit/s signāla priekšpastiprinātājs pirms uztvērēja [2], Hibrīdā optiskā pastiprinātāja prototipa shēmā raidītāja un uztvērēja daļas komponentes, optiskās pārraides līnijā izmantotās šķiedras tips, kā ari pastiprinātāja izvietojums pārraides sistēmā ir kopīgas ar izgudrojuma iekārtu. Prototipa raidošā daļa sastāv no lāzera, pseido gadījuma 40Git/s bitu plūsmas ģeneratora, optiskā LiNbCb amplitūdas modulatora un dispersijas priekškompensatora. Modulētais 40 Gbit/s optiskais signāls tālāk tiek pārraidīts šķiedrā ar ne-nulles nobīdīto dispersiju, kur divu segmentu garums ir 50 un 90 km un pa vidu tiek veikta pastiprināšana ar EDFA pastiprinātāju. Prototipā optiskais hibridais pastiprinātājs veic signāla priekšpastiprināšanu pirms tā detektēšanas fotouztvērējā.

[005] Prototipa galvenais trūkums ir tas, ka hibridais pastiprinātājs ir izveidots kombinējot EDFA un FOPA pastiprinātājus. Šādā kombinācijā pastiprinājuma josla ir ierobežota EDFA darbības diapazonā un nav pielietojama pārraides sistēmās ārpus šīs joslas. Otrs būtisks trūkums ir tas, ka prototips ir paredzēts vienkanāla datu signāla pastiprināšanai pie 1562,86 nm. Liela attāluma (>50 km) pārraides līnijās tipiski tiek izmantotas viļņgarumdales blīvēšanas sistēmas (no angļu valodas wavelength division multiplexing - WDM), kas ļauj vienlaikus pārraidīt vairākus (tipiski >10) datu signālus. Attiecīgi optiskajam pastiprinātājam ir jānodrošina pēc iespējas līdzīgs visu WDM kanālu pastiprinājums. Trešais būtiskais trūkums ir tas, ka prototipā aprakstītā FOPA pumpējošā avota izejā/-ās nav optiskā izolatora, kas būtiski saīsina gaismas avotu kalpošanas laiku nevēlamas atstarošanās dēļ.

Izgudrojuma mērķis un būtība

[006] Izgudrojuma mērķis ir aizstāt esošos šķiedru optiskās pārraides sistēmās izmantotos līnijas vai priekšpastiprinātājūs, nodrošinot pTāšū un vienmērīgu pastiprinājuma joslu. Izgudrojuma mērķis ir sasniegts ar jauna tipa hibrīdu optisko pastiprinātāju, kurā savstarpēji apvienoti Ramana pastiprinātājs un FOPA. Potenciālais izgudrojuma lietojums ir daudzkanālu WDM sistēmas signālu pastiprināšana maģistrālajos, metro vai piekļuves tīklos. Ramana-parametriskā hibrīdā pastiprinātāja darbības diapazons pārklāj S joslu (1517,17-1528,77 nm) [3]. Mainot Ramana un parametriskā pumpējošā avota centrālos viļņa garumus ir iespējams pārskaņot hibrīdā pastiprinātāja darbību arī uz C un L joslām. Attiecīgi uz šāda hibrīda pastiprinātāja bāzes var veidot ultra platjoslas (S, C, L joslas) optisko pastiprinātāju.

[007] Ramana-parametriskais hibridais pastiprinātājs nodrošina ļoti novājinātu signālu pastiprinājumu. Ieejas signāla jauda var būt līdz pat -40 dBm (0,0001 mW), kas ir krietni zem fotouztvērēju jutības sliekšņa (~ -15 dBm).

[008] Hibrīdā pastiprinātāja iekārtas blokshēma un tās lietojums kā priekšpastiprinātājs 16 kanālu 40 Gbit/s WDM pārraides sistēmā ir attēlota 1. zīmējumā. Izgudrojums atšķiras no prototipa ar to, ka hibrīdais pastiprinātājs ir izveidots apvienojot parametrisko ((3.3); (5); (7)-(11)) un Ramana pastiprinātāju ((3.4); (6); (7); (12)). Izgudrojuma iekārta var vienlaicīgi pastiprināt daudzkanālu WDM pārraides sistēmas signālus, kur raidītāju daļa ietver līdz 16 raidītājiem (1), kur katrs ģenerē līdz 40 Gbit/s pēc amplitūdas modulētus datu signālus, optiskā apvienotāja (2) un izolatora (3.1). Pēc raidītājiem seko optiskās pārraides līnija (4). Izgudrojuma iekārta ir paredzēta optisko signālu priekšpastiprināšanai, lai paaugstinātu uztvērēja jutību līdz -40 dBm jaudai kanālā pie datu pārraides ātruma līdz 40 Gbit/s. Ramana-parametriskais hibrīdais pastiprinātājs satur ieejas izolatoru (3.2), divi uz viens apvienotāju (5), augstas nelinearitātes šķiedru (7), pretējā virziena divi uz viens apvienotāju (6) un divus pumpējošos avotus: parametrisko pumpējošo avotu (8) un Ramana pumpējošo avotu (12), kas pieslēgti no divi uz viens apvienotāja (5) puses un no pretējā virziena divi uz viens apvienotāja (6) puses. Parametriskā pumpējošā avota (8) izejā ir pieslēgts fāzes modulators (9), lai paaugstinātu stimulētās Briljuēna izkliedes (no angļu valodas stimulated Brillouin scattering - SBS) ierosināšanas slieksni. Šāds paņēmiens ir izmantots arī prototipa iekārtā. Atšķirībā no prototipa izgudrojuma iekārtā pie fāzes modulatora (9) ir pieslēgti četri elektriskā signāla ģeneratori (10), kas ģenerē sinusoidālus signālus ar dažādām frekvencēm, lai paaugstinātu SBS ierosmes jaudas slieksni. Fāzes modulatora (9) izejā ir pieslēgts polarizācijas kontrolieris (11), lai salāgotu parametriskās pumpējošā un pastiprināmā optiskā signāla polarizācijas stāvokļus, un optiskais izolators (3.3), lai novērstu atstarotās gaismas nonākšanu pumpējošā avota (8) ieejā. Ramana pumpējošā avota (12) izejā ir pieslēgts izolators (3.4), lai novērstu atstarošanos, un tālāk caur apvienotāju (6) pumpējošā gaisma tiek pievadīta HNLF šķiedrā (7). Pastiprinātāja izejas signāls tiek padots uz uztvērējiem caur optisko joslas filtru (13), kas nofiltrē pārpalikuma pumpējošo starojumu no parametriskā (8) un Ramana (12) avotiem. Uztvērēju daļā ir optiskā signāla sadalītājs (14), kas sadala pienākošo signālu uz 16 uztvērējiem (15). [009] Paņēmiena, kuru realizē izgudrojuma iekārta, shematisks attēlojums ir dots 2. zīmējumā. Paņēmiens ietver šādus secīgus soļus: augstas nelinearitātes šķiedras garuma izvēle atkarībā no tās nelinearitātes, dispersijas slīpuma, vājinājuma un sagaidāmā pastiprinājuma. Tālāk seko parametriskā un Ramana pumpējošo avotu jaudas un frekvences izvēle. Parametriskā pumpējošā avota frekvence ir nobīdīta no pastiprināmā signāla par 4 THz uz leju. Savukārt Ramana pumpējošā avota frekvence ir par 13,2 THz nobīdīta uz augšu no parametriskā pumpējošā avota frekvences. Tādējādi Ramana pastiprinājums veicina parametrisko pastiprināšanas procesu (uztur parametriskā pumpējošā avota jaudu), kas tālāk caui četru viļņu mijiedarbību pastiprina signālu. Vienlaikus signāls daļēji tiek pastiprināts ari tiešas Ramana pastiprināšanas ceļā, jo tam ir plaša pastiprinājuma josla.

[010] Izgudrojums ir paskaidrots ar šādiem zīmējumiem:

1. zīm. Ramana-parametriskais hibrīdais pastiprinātājs, kas darbojas kā priekšpastiprinātājs 16 kanālu 40 Gbit/s WDM pārraides sistēmā: viena kanāla raidītājs (1), 16 kanālu apvienotājs (2), optiskie izolatori (3), optiskās pārraides līnija (4), divi uz viens apvienotājs (5), augstas nelinearitātes optiskā šķiedra (7), pretējā virziena divi uz viens apvienotājs (6), parametriskais pumpējošais avots (8), optiskais fāzes modulators (9), četri sinusoidālu elektrisko signālu ģeneratori (10), polarizācijas kontrolieris (11), Ramana pumpējošais avots (12), optiskais joslas filtrs (13), 16 kanālu sadalītājs (14), viena kanāla uztvērējs (15).

2. zīm. izgudrojuma paņēmiena shematisks attēlojums: signāla pastiprinājuma veidošanās mehānisms Ramana-parametriskā hibrīdā pastiprinātāja kombinācijā.

3. zīm. Optiskā signāla pastiprinājuma frekvenču atkarība Ramana-parametriskā hibrīdā pastiprinātāja gadījumā. Zīmējumā dots salīdzinājums ari ar Ramana un FOPA pastiprinātājiem, kā ari to summārais pastiprinājums atkarībā no signāla frekvences.

Izgudrojuma īstenošanas piemēri

[011] Izgudrojuma realizācijai Ramana-parametriskais hibrīdais pastiprinātājs ir ievietots 16 kanālu WDM pārraides sistēmā kā priekšpastiprinātājs pirms uztvērēju daļas. Katrs no 16 raidītājiem (1) formē 40 Gbit/s pēc amplitūdas modulētu datu signālu, kuru centrālie viļņa garumi ir izvietoti frekvenču joslā 196,1 līdz 197,6 THz (viļņa garumu diapazons no 1517,168-1528,773 nm) ar starpkanālu intervālu 100 GHz. Visi 16 kanāli tiek apvienoti ar optiskais apvienotāju (2) un caur izolatoru (3) tiek pārraidīti 150 km garā optiskās šķiedras līnija (4), kur līnijas izejas signālu jauda katrā kanālā ir -40 dDm. Ramana-parametriskā hibrīdā pastiprinātāja ieejā signāli vispirms iet caur izolatoru (3.2) un pēc tam ar divi uz viens apvienotāju (5) tiek apvienoti ar parametrisko pumpējošo gaismu, kas nāk no parametriskā pumpējošā avota (8) ar centrālo frekvenci 192,92 THz un izejas jaudu 440 mW. Lai paaugstinātu SBS ierosmes slieksni tiek lietots fāzes modulators (9), uz kuru padota 4 dažādu frekvenču (180; 420; 1087 un 2133 MHz) sinusoidālu signālu kombinācija no elektrisko signālu ģeneratoriem (10). Polarizācijas kontrolieris (11) reālā laikā pieskaņo parametriskā pumpējošā avota (8) izejas gaismas polarizācijas stāvokli, lai nodrošinātu sakritību ar pienākošā pastiprināmā signāla polarizācijas stāvokli. Vienlaikus optiskā pumpēšana tiek veikta no pretējās puses ar Ramana pumpējošo avotu (12), kura centrālā frekvence ir 206,13 THz un izejas jauda 500 mW. Ramana pumpējošā gaisma tiek ievadīta Ikm garā HNLF šķiedrā (7) caur apvienotāju (6). Signāla pastiprināšana notiek mijiedarbojoties diviem nelineārajiem optiskajiem efektiem: četru viļņu mijiedarbība un stimulētā Raman izkliede.

[012] 3. zīmējumā dots signāla pastiprinājums Ramana-parametriskā hibrīdā pastiprinātāja gadījumā, kas visā frekvenču diapazonā ir virs 33 dB. Salīdzinājumam ekvivalentu FOPA (^=440 mW) un Ramana pastiprinātāju (Λί=500 mW), kā ari Ramana un FOPA summārais pastiprinājums ir pievienots, lai uzskatāmi parādītu, ka hibrīdā pastiprinātāja gadījumā signāla pastiprinājums ir >10 dB augstāks un vienmērīgāks WDM sistēmas darbības diapazonā 196,1 līdz 197,6 THz (vertikālās pārtrauktās līnijas).

[013] Pēc Ramana-parametriskā hibrīdā pastiprinātāja tiek pieslēgts optiskais joslas filtrs (13), lai bloķētu pārpalikuma pumpējošo gaismu no parametriskā pumpējošā avota (8) un Ramana pumpējošā avota (12). Tālāk WDM signāls tiek sadalīts ar 16 kanālu sadalītāju (14) un padots uz attiecīgajiem uztvērējiem (15). Rezultātā tiek nodrošināts pastiprinājumu 1,5 THz plašā joslā ar atšķirību, kas nepārsniedz 1,9 dB.

Informācijas avoti

1. Essiambre R., Kramer G., Winzer P.J., Foschini G.J., Goebel B. “Capacity Limits of Optical Fiber Networks.” Journal of Lightwave Technology 2010, 28, 662—701pp, doi:10.1109/JLT.2009.2039464.

2. Worldwide patent application No. BRPI0405497A Hybrid optical preamplifier, consisting of a doped fiber amplifier and a parametric amplifier, 15 Ipp., 2006.

3. Supe A., Zaķis K., Gegere L., Redka D., Porins J., Spolitis S., Bobrovs V. “Raman Assisted Fiber Optical Parametric Amplifier for S-Band Multichannel Transmission System.” Fibers, 2021; 9(2):9. https://doi.org/10.3390/fib9020009

Claims (3)

1. Ramana-parametnskā hibrīdā pastiprinātāja iekārta satur optisko izolatoru (3.2), divi uz viens apvienotāju (5), 1 km garu HNLF šķiedru (7), nretvirziena divi uz viens apvienotāju (6), parametrisko pumpējošo avotu (8), fāzes modulatoru (9), četrus elektriskā signāla ģeneratorus (10), kur sinusoidālo signālu frekvences ir 180, 420, 1087 un 2133 MHz, polarizācijas kontrolieri (11), izolatoru (3.3), Ramana pumpējošo avotu (12) un izolatoru (3.4), kas atšķiras ar to, ka hibrīdā pastiprinātāja iekārta ietver parametrisko pumpējošo avotu (8) ar centrālo frekvenci, kas nobīdīta par 4 THz uz leju no pastiprināmā signāla frekvenču joslas, kombinācijā ar Ramana pumpējošo avotu (12) ar centrālo frekvenci, kas nobīdīta par 13,2 THz uz augšu no parametriskā pumpējošā avota frekvences, rezultātā nodrošinot līdz 16 kanālu WDM signāla ar jaudu -40 dBm/kanālā pastiprinājumu >33 dB 1,5 THz frekvenču joslā ar pastiprinājuma atšķirību, kas nepārsniedz 1,9 dB.

2. Ramana-parametriskā hibrīdā pastiprinātāja iekārta saskaņā ar 1. pretenziju, kas atšķiras ar to, ka parametriskā (8) un Ramana pumpējošā avota (12) izejā ir pieslēgti optiskie izolatori (3.3) un (3.4).

3. Paņēmiens, kuru realizē iekārta saskaņā ar 1. vai 2. pretenziju, kas ietver šādus secīgus soļus:

i. Ramana-parametriskā hibrīdā pastiprinātāja parametru izvēle - HNLF šķiedras (7) tips un garums, parametriskā (8) un Ramana pumpējošo avotu (12) frekvences un jaudas iestatīšana attiecīgi sagaidāmajam pastiprinājuma frekvenču diapazonam;

ii. sinusoidālas formas signālu ģeneratoru (10) frekvenču iestatīšana, lai samazinātu stimulētās Briljuēna izkliedes ietekmi uz pumpēšanas procesu, kas samazina HNLF šķiedrā (7) ievadāmās gaismas jaudu;

iii. parametriskā pumpējošā avota (8) gaismas polarizācijas stāvokļa kontrole reālā laikā ar polarizācijas kontrolieri (11), lai panākta tās salāgotību ar pienākošā pastiprināmā signāla polarizācijas stāvokli, iv. optiskais joslas filtrs (13) pastiprinātāja izejā tiek izvēlēts tā, lai tā caurlaides joslā ietilpst visi pastiprinātie signāli, bet pārpalikuma parametriskā (8) un Ramana pumpējošā avota (12) gaisma tiek bloķēta.