Didėjant ryšių sistemų dažnių juostos pločiui, optinio ryšio tinklų, perduodančių duomenų paketus, mazgams vis daugiau reikia optinių maršrutizatorių su sparčiais optiniais perjungikliais. Šį poreikį gali patenkinti puslaidininkiniai optiniai stiprintuvai (SOA), turintys ir didelę perjungimo spartą, ir stiprinimą, gerą kontrastą bei integravimo į didesnius darinius potencialą. Šie prietaisai tampa vis svarbesni šiuolaikiniams optiniams ryšio tinklams, nes jų integravimo potencialas leidžia gaminti ekonomiškus ir kokybiškus prietaisus, derinančius monolitinius ir hibridinius sprendimus.
Puslaidininkiniai optiniai stiprintuvai (SOA): Principai ir sandara
SOA remiasi ta pačia technologija, kaip ir įprasti Fabry-Perot rezonatorius turintys lazeriniai diodai. Tokį lazerį sudaro stiprinamoji terpė rezonatoriaus (dažniausiai Fabry-Perot tipo) viduje. Stiprinimas vyksta iš išorės kaupinant medžiagos energijos lygmenis. Jeigu norima panaudoti vien stiprinimą, būtina apsaugoti prietaisą nuo savaiminių svyravimų, sukeliančių lazerinio efekto atsiradimą ir generaciją. Tai pasiekiama šalinant atspindžius nuo kristalo galų. Galai dengiami juos praskaidrinančiomis dangomis arba kristalas skaldomas taip, kad nuskeltoji plokštuma nesudarytų stačių kampų su aktyviosios srities šviesolaidžiu.
Tipišką SOA sudaro apie 600 µm ilgio aktyvioji sritis ir dvi apie 100 µm ilgio kiekviena įvesties bei išvesties galuose esančios pasyvios sritys. Centrinėje aktyviojo lazerinio darinio sluoksnio dalyje paprastai yra atskirojo ribojimo heterosandara (SCH - Separate Confinement Heterostructure), sudaryta iš 0,2 µm storio suspaustos puslaidininkinės medžiagos sluoksnio, apsupto dviejų 0,1 µm storio keturnarės medžiagos sluoksnių. Aktyvusis sluoksnis pamažu maždaug po 150 µm siaurėja, leisdamas šviesai pereiti į po juo esantį pasyvųjį šviesolaidį.
Reikalavimai ir kompromisai optinių tinklų komponentams
Optinių tinklų komponentams keliami griežti reikalavimai. Pavyzdžiui, svarbi didelė išvesties soties galia, t.y. įvedimo iš kristalo į skaidulą nuostoliai, mažesni nei 3 dB kiekvienai plokštumai. Taip pat svarbus mažesnis nei 0,5 dB jautris šviesos poliarizacijai, nes iš skaidulinės optinės linijos šviesa dažniausiai yra poliarizuota atsitiktinai. Visų šių charakteristikų vienu metu realizuoti neįmanoma, todėl tenka ieškoti vienokių ar kitokių kompromisų.
SOA su kvantinėmis duobėmis tenkintų mažo likutinio atspindžio ir didelio medžiagos stiprinimo reikalavimus. Kita vertus, toks darinys yra iš prigimties jautrus šviesos poliarizacijai, nes TE modą stiprinti visada reikia daugiau nei TM modą.
Rezonansiniai ir bėgančiosios bangos (TW) SOA
Priklausomai nuo praskaidrinančiųjų dangų efektyvumo, SOA galima skirstyti į rezonansinius ir bėgančiosios bangos (TW - Travelling Wave) prietaisus. Rezonansinių SOA dangų atspindžio koeficientas paprastai yra apie 10⁻². Jų stiprinimo charakteristika dažniausiai svyruoja nuo 10 iki 20 dB, o dažnių juostos plotis - nuo 2 iki 10 GHz. TW prietaisų praskaidrinančios dangos turi mažesnį nei 10⁻⁴ atspindžio koeficientą.
Į SOA injektuota įvesties galia $P{in}$ stiprinama iki $P{out}=G{sp}P{in}$, čia $G{sp}$ - vieno TW SOA ilgio L praleidimo metu atsirandantis signalo stiprinimas, taigi $G{sp}=\exp(\gamma_{net}L)$. Paskaidrinantiems sluoksniams taikant titano ir silicio oksidų (TiO₂/SiO₂) technologiją yra įmanoma pasiekti 10⁻⁵ eilės atspindžius.
Sotis ir kryžminė kanalų sąveika WDM sistemose
Kai įvesties kanalų daug, jie gali sąlygoti SOA sotį. Vieno kanalo sukelta stiprinimo sotis keičia kitų kanalų atsaką; šitaip atsiranda kryžminė kanalų sąveika. Todėl WDM (Wavelength Division Multiplexing - bangos ilgio skyrimo tankinimo) taikymui reikia prietaisų su didele soties galia. GC-SOA (Gain-Clamped SOA) konstrukcija yra kiek pakeista - į kiekvieną pasyvųjį šviesolaidį įterpta po Braggo reflektoriaus. Dėl to atsiranda rezonatorius, taigi ir lazerinis efektas.
Tūrinio GC-SOA stiprinimo (iš skaidulos į skaidulą) kitimas, keičiant valdančiąją srovę ir išvesties galią (dviem skirtingoms šviesos poliarizacijoms), rodo, kad ties lazerinio efekto slenksčiu (apie 50 mA) stiprinimas, kaip ir tikėtasi, užspaudžiamas maždaug ties 15 dB. Paprastai C-juostoje (nuo 1530 iki 1560 nm) dirbančiuose SOA $\lambda_{laser}$ yra apie 1510 nm. Atsiradus lazeriniam efektui krūvininkų tankis N sotinasi, todėl optinis stiprinimas, kuris yra proporcingas N, taip pat lieka pastovus nepriklausomai nuo to, kokie signalai pateks į įvestį. Tiesa, šiuo atveju stiprinimas sotinasi ties žemesniu lygmeniu nei standartiniame SOA (apie 15-18 dB). Kita vertus, taip pasiekiama didesnė 3 dB išvesties soties galia (apie 12 dB). Jau yra sukurti atskiri standartiniai ir užspaustojo stiprinimo SOA moduliai.
Kas yra PON – (pasyviųjų optinių tinklų paaiškinimas)
Triukšmo lygis ir jo reikšmė stiprintuvuose
Stiprintuvams yra labai svarbus prietaiso triukšmų lygis. Triukšmų lygis apibrėžiamas kaip $N{sp}/C1$, čia $N{sp}$ - apgrąžos faktorius, o $C1$ - bendri įvesties nuostoliai (sudaryti daugiausia iš nuostolių pereinant iš skaidulos į SOA ir lygūs maždaug 3 dB). Kadangi ir $N{sp}$, ir $C1$ priklauso nuo įvesties signalo poliarizacijos, triukšmo lygis numatomas kiekvienai poliarizacijos būsenai. Paprastai poliarizacijai nejautriuose stiprintuvuose, tokiuose kaip EDFA (Erbium-Doped Fiber Amplifier), triukšmo lygis yra lygus $2N{sp}/C1$.
Perjungikliai: Kryžminės optinės jungtys (OXC)
Kryžminės optinės jungtys (OXC - Optical Cross-connects) yra pati svarbiausia SOA taikymo sritis. WDM sistemų mazgų optiniai maršrutizatoriai privalo komutuoti didelės spartos optinių duomenų paketus, visiškai optiškai keisti kanalams priskirtus bangos ilgius bei perskirstyti pačius skirtingų bangos ilgių kanalus.
SOA sklendžių matrica sudaryta iš monolitiškai tame pačiame padėkle integruotų prietaisų. Kai į SOA injektuotoji srovė yra pakankamai stipri, per prietaisą einanti šviesa šiek tiek sustiprinama. Kai srovė susilpnėja arti nulio, prietaisas nebepraleidžia šviesos. Daug SOA lustų sumontuojama ant to paties padėklo ir šitaip sukuriama didelio tankio perjungiklių matrica. Naudojant silicio arba kvarco platformas galima pasiekti didelio laipsnio integravimą.
Bangos ilgio keitikliai ir atkūrikliai
Perkonfigūruojamiems tinklams reikia prietaisų, sugebančių keisti signalo bangos ilgį ir optiškai jį atkurti. Bangos ilgiai keičiami taikant kryžminio fazės moduliavimo (XPM - Cross Phase Modulation) reiškinį, atsirandantį SOA esant vienoje Macho ir Zehnderio interferometro atšakoje. Moduliuotas įvesties signalas, perduodamas bangos ilgio $\lambdas$ šviesa, moduliuoja interferometro viduje esančio SOA krūvininkų tankį dėl kryžminio stiprinimo moduliavimo reiškinio (XGM - Cross Gain Modulation). Dėl to kinta medžiagos lūžio rodiklis, o tai savo ruožtu moduliuoja ir įvedamo pastovaus signalo, atitinkančio bangos ilgį $\lambdac$, fazę. Macho ir Zehnderio interferometras tą fazės moduliavimą verčia amplitudės moduliavimu. Šiuo metodu galima C-juostos ribose ilginti arba trumpinti bangą.
Naudojant du interferometrus su SOA, veikiančius kaip bangos ilgio keitikliai, galima sukurti ir 3G funkcijas atliekantį prietaisą. Pirmajame laipsnyje signalas yra atkuriamas ir pakartotinai sinchronizuojamas, po to antrasis laipsnis pakeičia išvesties signalų čirpą taip, kad jis tiktų duomenų perdavimui didelės dispersijos linija. Diferencinės konfigūracijos modoje šią koncepciją galima taikyti netgi ir tuomet, kai duomenų perdavimo sparta siekia 40 Gb/s.
Atranka ir apgrąža: Bangos ilgio atranka ir spektrinė apgrąža
SOA prietaisai taip pat gali atlikti bangos ilgio atrankos ir vidurinės spektro dalies apgrąžos funkcijas. Bangos ilgius atrenkantis prietaisas gali būti sukurtas panaudojus SOA sklendes, įrengtas tarp dviejų fazuotųjų gardelių bangos ilgių demultiplekserių. Ši schema leidžia atrinkti bangos ilgius nanosekundžių eilės sparta.
Spektro apgrąža yra veidrodinis efektas, kuris veikia signalo spektro aukštesniąją ir žemesniąją dalis, jas sukeisdamas vietomis. Šį reiškinį galima taikyti, pavyzdžiui, dispersijos poveikiui kompensuoti. Spektro apgrąža gaunama atliekant SOA darinio optinę fazės konjugaciją (OPC - Optical Phase Conjugation). OPC galima realizuoti naudojant keturbangį maišymą ilgame SOA darinyje (apie 1200 µm), optimizuotą siekti kuo didesnio ribojimo faktoriaus ($G=0.6$). Viduryje skaidulos atkarpos esantis SOA pasižymi dideliu keturbangio maišymo efektyvumu ir pertvarko signalo spektrą. SOA išvestyje signalo spektras yra apverčiamas, o paties signalo forma visiškai atsistato po antrosios ryšio linijos pusės praleidimo.
PON technologija: Pasyvus optinis tinklas ir jo komponentai
Didėjant duomenų srautui ir poreikiui greitesniam internetui, pasyviojo optinio tinklo (PON - Passive Optical Network) technologija tampa vis populiaresnė. PON yra vieno pluošto dvikryptis optinės prieigos tinklas, kuriame naudojama P2MP (point-to-multipoint) struktūra.
PON sistemą sudaro:
- Optinės linijos terminalas (OLT): esantis centrinėje stotyje, jis yra tinklo širdis, atsakingas už optinių signalų konvertavimą, valdymą ir duomenų srautą tarp paslaugų teikėjo ir vartotojų. OLT gali būti L2 jungiklis arba L3 maršrutizatorius, teikiantis tinklo koncentraciją, prieigą, optinį/elektrinį konvertavimą, pralaidumo paskirstymą ir ryšio valdymą.
- Optinis paskirstymo tinklas (ODN): tai pasyvių komponentų (optinio pluošto kabeliai, jungtys, pasyvūs optiniai skirstytuvai (OBD), pasyvūs optiniai slopintuvai) tinklas, užtikrinantis optinį perdavimą tarp OLT ir ONU. ODN konfigūracija paprastai yra taško-daugelio taškų režimas.
- Optinio tinklo blokas (ONU): esantis vartotojo pusėje, jis suteikia optinę sąsają tarp vartotojo ir ODN bei elektrinę sąsają su vartotojo įranga, atlieka įvairių elektrinių signalų apdorojimą ir priežiūrą.
PON naudoja bangų ilgio skyrimo tankinimo (WDM) technologiją su žemyn nukreipta 1490 nm ir aukštyn nukreipta 1310 nm bangos ilgio kombinacija viename pluošte. Pasroviui kryptimi (OLT į ONU) signalas perduodamas transliacijos būdu, o priešsrove (ONU į OLT) - naudojant laiko skyrimo tankinimo (TDM - Time Division Multiplexing) režimą, siekiant išvengti duomenų susidūrimo.
Optinio pluošto tipai ir jų savybės
Optinio pluošto technologija yra pagrindinė šiuolaikinių optinių tinklų dalis. Optinis pluoštas yra stiklo arba plastiko pluoštas, perduodantis šviesą visiškos vidinės refleksijos principu.
Pagrindiniai optinio pluošto tipai:
- Vienmodis pluoštas (SMF - Single Mode Fiber): su labai plona šerdimi (apie 10 µm), leidžiančia perduoti tik vieną sklidimo režimą. Jis pasižymi maža dispersija ir plačiu perdavimo dažnių juostos plotu, todėl idealiai tinka didelio atstumo ir didelės spartos ryšiams.
- Daugiamodis pluoštas (MMF - Multi Mode Fiber): su didesne šerdimi (50 µm arba 62,5 µm), leidžiančia perduoti kelis sklidimo režimus. Dėl modalinės dispersijos jis labiau tinka trumpesniems atstumams, pavyzdžiui, lokaliuose tinkluose (LAN).
Optinio pluošto klasifikacija taip pat apima skirtingus lūžio rodiklio pasiskirstymus (pakopinio (SI) ir gradiento (GI) tipai), žaliavas (kvarcinis, fluorintas, infraraudonųjų spindulių, sudėtinis, plastiko pluoštas) ir gamybos metodus. Kvarcinis optinis pluoštas, pagamintas iš silicio dioksido (SiO₂), yra plačiausiai naudojamas dėl mažo nuostolio ir plačios perdavimo spektro.
Monolitinis integravimas indžio fosfido kristale gali būti panaudotas kuriant Macho ir Zehnderio SOA bangos ilgio keitiklius arba integruotus bangos ilgio atrinkiklius. SOA matricos ant silicio ar silicio dioksido padėklų sudaro prielaidas derinti ir hibridines, ir monolitines technologijas, atveriant kelią dar pažangesniems ir efektyvesniems optiniams tinklams.