5. REGENERACJA SYGNAŁU OPTYCZNEGO

Wskutek nieuniknionego tłumienia sygnału optycznego w torze transmisyjnym, zasięg transmisji jest ograniczony lecz może być on zwiększony za pomocą urządzeń regenerujących ten sygnał. W praktyce stosowane są dwie metody regeneracji:

• pośrednia, polegająca na zamianie odbieranego sygnału optycznego na sygnał elektryczny, wzmocnieniu (oraz ewentualnej obróbce) sygnału elektrycznego za pomocą wzmacniacza elektronicznego a następnie zamianie sygnału elektrycznego na zregenerowany sygnał optyczny.

• bezpośrednia, polegająca na zwiększaniu mocy sygnału optycznego za pomocą energii dostarczanej z lokalnego źródła optycznego (tzw. pompy optycznej).

Kumulowanie się szumu i zniekształceń w kaskadzie regeneratorów elektronicznych powoduje zasadnicze ograniczenie zasięgu i liczby rozgałęzień sieci. Badania wykazały, że w sieciach tego rodzaju praktycznie wyczerpano już możliwości poprawienia parametrów [14]. Wzmacniacze optyczne odgrywają ważną rolę w obecnych systemach światłowodowych ponieważ umożliwiają bezpośrednie wzmocnienie strumienia optycznego. Są one prostsze niż elektroniczne stacje regeneracyjne. Wzmacniacze optyczne stosowane są zarówno w długich torach transmisyjnych typu punkt-punkt jak też w światłowodowych sieciach lokalnych czy rozsiewczych. Obecnie są wykorzystywane lub trwają prace badawcze nad optycznymi wzmacniaczami półprzewodnikowymi oraz światłowodowymi wykorzystującymi zjawisko Ramana i włókna domieszkowane erbem, którym zostanie poświęcone tu najwięcej uwagi.

1. Półprzewodnikowe wzmacniacze optyczne

Półprzewodnikowe wzmacniacze optyczne są w istocie heterozłączowymi diodami laserowymi w których wzmocnienie osiągane jest w wyniku emisji stymulowanej. Ośrodek aktywny o długości rzędu 250-500nm służy jednocześnie jako rdzeń światłowodu w którym propagowane jest światło. Ze względu na rodzaj zastosowanej we wzmacniaczu wnęki rezonansowej można wyodrębnić trzy grupy:

• wzmacniacze wielorezonansowe z rezonatorem Fabry-Perota. (Rys. 5.1a)

• wzmacniacze szerokopasmowe z falą bieżącą, w których rezonator pokryty jest warstwami przeciwodblaskowymi (Rys. 5.1b),

• wzmacniacze selektywne jednorezonansowe z rezonatorem w postaci siatki dyfrakcyjnej Bragga (DBR) (Rys. 5.1c).

Wzmacniacze laserowe pracują w zakresie prądów poniżej prądu progowego, gdzie nie występuje jeszcze samowzbudna reakcja laserowa. Ważną cechą wszystkich wzmacniaczy laserowych jest obniżanie się wzmocnienia przy wzroście mocy sygnału co w końcu prowadzi do nasycenia. Moc nasycenia dla wzmacniaczy laserowych z tzw. strukturą zagrzebaną wynosi około 50mW a dla wzmacniaczy z rezonatorem Fabry-Perota jest jeszcze mniejsza. Współczynnik szumów dla wzmacniaczy półprzewodnikowych sięga 5,2dB. Podstawową wadą wzmacniaczy laserowych są znaczne straty sprzęgania z włóknem światłowodowym, które mogą sięgać kilku decybeli na stronę. Inną wadą jest, jak już wspomniano, niewielka moc nasycenia.

Rys. 5.1. Półprzewodnikowe wzmacniacze optyczne.

1. Wzmacniacz ze światłowodem domieszkowanym erbem

Gruntowne zbadanie fizycznych właściwości materiałów półprzewodnikowych domieszkowanych pierwiastkami ziem rzadkich, pozwoliło na zbudowanie przyrządów wzmacniających sygnały optyczne o długości fali stosowanej w transmisji światłowodowej. Największe zainteresowanie wzbudził przyrząd, którego podstawą budowy jest światłowód fluorescencyjny np. zrealizowany w postaci jednomodowego światłowodu kwarcowego domieszkowanego erbem (Er). Przyrząd taki (EDFA - Erbium-Doped Fiber Amplifier) pobudzony ze źródła optycznego (pompy optycznej) o odpowiednio dobranej długości fali, pozwala na wzmacnianie sygnałów optycznych transmitowanych tym światłowodem. Duże wzmocnienie EDFA uzyskuje się dla fal o długościach rzędu 1,54nm, co pokrywa się z przedziałem małej tłumienności światłowodu kwarcowego. Wzmacniacze optyczne EDFA charakteryzują się dużą mocą wyjściową (nasycenia), małymi szumami własnymi, odpornością na przesłuchy, małym poborem mocy (zasilania) oraz możliwością pracy przy dużych przepływnościach Dodatkową zaletą wzmacniaczy światłowodowych jest ich pełna kompatybilność z innymi stosowanymi elementami światłowodowymi.

Rys. 5.2. Podstawowy układ wzmacniacza światłowodowego.

1. Opis działania

Wzmacniacze optyczne wzmacniają sygnały optyczne bezpośrednio w kwantowym procesie emisji wymuszonej, zachodzącym w ośrodku optycznym. Podstawowy układ wzmacniacza światłowodowego pokazany jest na Rys. 5.2. Zawiera on:

• optyczny sprzęgacz kierunkowy (4-wrotowy), pełniący także rolę multipleksera falowego WDM (Wavelength Division Multiplex)

• fluorescencyjny światłowód domieszkowany erbem (EDF) pomiędzy punktami B i C

• połączenie optyczne pomiędzy jednym z ramion (wrót) sprzęgacza a światłowodem doprowadzającym stłumiony sygnał do EDFA

• pompę laserową połączoną z drugim ramieniem sprzęgacza

sygnały z obydwu ramion muszą być skutecznie doprowadzone do EDF, zaczynającego się w punkcie B.

Bardziej szczegółowy schemat wzmacniacza EDFA pokazany jest na Rys. 5.3.

Rys. 5.3. Schemat wzmacniacza EDFA.

Objaśnienia symboli stosowanych na Rys. 5.3:

ISO - izolatory optyczne,

SMF1 - światłowód jednomodowy, dostarczający sygnał,

SMF2 - światłowód jednomodowy, który wyprowadza wzmocniony sygnał,

C1,C2 - złącza optyczne,

EDF - ściśle zwinięte zwoje światłowodu domieszkowanego erbem,

SLD-FP - laser półprzewodnikowy pompujący do przodu,

SLD-BP - laser półprzewodnikowy pompujący do tyłu,

SM-DFC - jednomodowy światłowodowy sprzęgacz dichroiczny,

SP1,SP2 - stałe złącza optyczne dostosowujące średnice rdzeni i apertury,

P1 - ramię sprzęgacza SM-DFC, doprowadzające sygnał pompy (pompującej wprzód),

P - ramię sprzęgacza SM-DFC, doprowadzające sygnał wzmacniany,

P3 - ramię sprzęgacza SM-DFC, doprowadzające do EDF sygnał pompy i sygnał wzmacniany,

P - ramię sprzęgacza SM-DFC, doprowadzające wzmocniony sygnał do światłowodu SMF2,

P6 - ramię sprzęgacza SM-DFC, doprowadzające sygnał pompy pompującej wstecz.

Izolator optyczny na wejściu separuje linię wejściową od oddziaływania sygnału lasera pompującego wstecz. Izolator na końcu włókna ma natomiast za zadanie wytłumienie fal odbitych od złącza i linii za wzmacniaczem. Tłumienie to musi być większe niż wzmocnienie aby uniknąć wzbudzania się wzmacniacza.

Model energetyczny światłowodu domieszkowanego erbem

Zasada pracy laserów ciała stałego pompowanych optycznie zilustrowana jest na wykresie poziomów energetycznych Rys. 5.4. Jon pierwiastka ziem rzadkich mógłby normalnie współistnieć ze wszystkimi elektronami w stanie podstawowym na poziomie 1. Pompowanie jonów światłem o energii fotonu hn równej odstępowi poziomów energetycznych E₁₂ prowadzi do tego, że po absorpcji elektrony zostają pobudzone do poziomu energetycznego 2.

N₁ - koncentracja nośników na podstawowym poziomie energetycznym GS

N₂ - koncentracja nośników na metastabilnym poziomie energetycznym MS

przy czym: N₁+N₂,=N₀ , gdzie: N₀ - koncentracja domieszki.

Rys. 5.4. Model zjawisk zachodzących w laserach ciała stałego.

Aby wywołać zjawisko laserowe, elektrony te muszą przeskoczyć na metastabilny poziom 3 z którego przejście na niższe poziomy jest w zasadzie zabronione wskutek czego elektrony znajdują się w pułapce na poziomie 3 przez dość długi okres - kilkadziesiąt do kilkuset mikrosekund. Gdy elektron został już zmagazynowany na poziomie 3 wzmocnienie może powstać poprzez emisję stymulowaną. Jeżeli pojawia się foton (w przypadku wzmacniaczy optycznych będzie to foton sygnału wejściowego) o energii hn = E₃₁ lub E₃₄ może on wywołać emisję innego fotonu przy czym wyemitowany foton jest w fazie z fotonem stymulującym. Prowadzi to do koherentnego wzmacniania strumienia świetlnego. Wzmocnienie jest proporcjonalne do różnicy pomiędzy liczbą elektronów zmagazynowanych na dwóch poziomach energetycznych, co można zapisać:

G=K(N₃-N_{(1 lub 4)})

skąd wynika, że wzmocnienie będzie ujemne, chyba że N₃ > N_{(1 lub 4)}. W przypadku lasera trójpoziomowego prowadzi to do wniosku że trzeba pobudzić przynajmniej połowę jonów aby osiągnąć jakiekolwiek wzmocnienie. W przypadku układu czteropoziomowego, ponieważ poziom 4 będzie zwykle prawie pusty (niemal natychmiastowo występuje relaksacja na poziom podstawowy), pobudzenie niewielkiej części jonów zacznie już dawać wzmocnienie; dlatego są preferowane jony które powodują efekt czteropoziomowy. Przykładem jonu wywołującego zjawisko czteropoziomowe jest neodym (Nd), erb (Er) i chrom (Cr) wywołują zjawisko trzypoziomowe. Większość interesujących nas jonów ma więcej niż jedną linię absorpcji a niektóre więcej niż jedną linię emisji, należy jednak zauważyć że dokładna wartość fali absorpcji i emisji zależą od rodzaju szkła i koncentracji domieszki. Największy wysiłek badawczy został poświęcony jonom erbu ze względu na fakt, że przyszłościowe dalekosiężne systemy transmisyjne mają być oparte właśnie na światłowodach domieszkowanych erbem.^*

Wzmacnianie sygnału optycznego w EDFA polega na "przelewaniu" energii z pompy optycznej do wzmacnianej fali. Dużą sprawność tej konwersji energii jest ważnym parametrem dla projektantów i użytkowników (minimalizacja mocy zasilania) i jest m.in. zależna od długości fali wychodzącej z pompy optycznej, poziomu mocy pompy, długości światłowodu EDF. Wymuszenie w EDF emisji fotonów (fluorescencji / fotoluminescencji) praktycznie realizowane jest, gdy długość fali pompy wynosi 807nm, 980nm bądź 1490nm:

• 807nm: laser GaAlAs - laser dostępny i tani, mała sprawność z powodu ESA (Excited State Absorption),

• 980nm: laser S/C - bardzo duża sprawność (10 dB/mW), pompy diodowe jeszcze drogie,

• 1490nm: lasery InGaAsP, diody już osiągalne, mniejsza sprawność (6 dB/mW), możliwe zdalne pompowanie.

Sprawność pompowania w zależności od długości fali porównano na Rys. 5.5.

Rys. 5.5. Sprawność pompowania w zależności od długości fali.

Dobór średnicy rdzenia

Pole powierzchni przekroju σ jest miarą prawdopodobieństwa p, że foton pobudzający zderzy się z atomem pochłaniającym i zostanie przezeń pochłonięty. Prawdopodobieństwo p, wynosi:

gdzie: σ = pb², b - promień przekroju obszaru pochłaniania (wychwytu), S_wf - pole powierzchni przekroju wiązki fotonów.

Liczba fotonów pobudzających, które są pochłaniane w jednostce czasu przez objętość dV = ( S_wf⋅dL), jest proporcjonalna do liczby atomów pochłaniających N w objętości jednostkowej dV, zatem

gdzie: n - jest koncentracją objętościową atomów pochłaniających, dL - długość elementarnego odcinka włókna.

Pochłanianie powoduje, że strumień fotonów pobudzających S_wfdI będzie się zmieniał:

(5.1)

gdzie: I - gęstość strumienia optycznego, Λ_wf - liczba cząstek w wiązce pobudzającej; ujemny znak oznacza, że natężenie strumienia zmniejsza się.

Gęstość strumienia I zmienia się od wartości początkowej I_o zgodnie z zależnością:

(5.2)

gdzie: α = n⋅σ - jest współczynnikiem pochłaniania, który jest proporcjonalny do koncentracji objętościowej n atomów pochłaniających oraz pola powierzchni σ przekroju obszaru pochłaniającego. Współczynnik α jest silnie zależny od długości fali λ.

Współczynnik pompowania P_R określony jest zależnością:

(5.3)

gdzie: P - moc pompy optycznej,

N₁ - koncentracja nośników na podstawowym poziomie energetycznym GS.

Zgodnie z (5.3) wzmocnienie EDFA jest odwrotnie proporcjonalne do pola przekroju poprzecznego S_wf, co prowadzi do oczywistego wniosku, że światłowód EDF musi mieć cienki rdzeń. Wzmocnienie EDFA jest wprost proporcjonalne do mocy sygnału wejściowego i mocy pompy (a dokładniej proporcjonalne do współczynnika inwersji obsadzeń - co zostało wyjaśnione przy omawianiu zasady działania).

Wzmocnienie emisji spontanicznej (ASE) zdefiniowane jest jako:

gdzie: N₂ - koncentracja nośników na metastabilnym poziomie energetycznym MS,

t - czas zanikania emisji (fotoluminescencji).

Światłowód fluorescencyjny EDF wykazuje zdolność gromadzenia energii (kondensator optyczny). Zgromadzona w EDF energia jest porównywalna z energią dostarczaną z pompy optycznej.

Wpływ długości światłowodu EDF na parametry wzmacniacza

Wzmocnienie rośnie dla L < L_opt bo wtedy N₂ > N₁. Wzmocnienie maleje dla L > L_opt bo wtedy N₂ < N₁ (rys.5.6). Optymalna długość światłowodu EDF w praktyce wynosi od kilku do kilkudziesięciu metrów.

Rys. 5.6. Wpływ długości światłowodu EDF na wzmocnienie wzmacniacza optycznego.

1. Opis procesów w EDF

Szybkość zmiany koncentracji x można wyznaczyć następująco:

(5.4)

gdzie: σ - powierzchnia przekroju [m² ],

I - intensywność optyczna [W/m² ],

ν - częstotliwość [1/sek],

h - stała Plancka,

τ_sp - czas emisji spontanicznej.

N₂/τ_sp - przedstawia gęstość objętościową fotonów powstających w wyniku emisji spontanicznej w jednostce czasu.

Określenie charakterystyki widmowej odcinka światłowodu EDF o długości ΔL jest możliwe poprzez rozwiązanie następującego równania różniczkowego:

(5.5)

gdzie:

Ψ_wej(l) - gęstość widmowa mocy na wejściu EDFA (pompa + sygnał),

Ψ_wyj(l) - gęstość widmowa mocy sygnału wyjściowego, zawierającego:

• stłumiony sygnał pompy

• wzmocniony sygnał użyteczny (transmitowany)

• szerokopasmowy ASE,

a(l) - straty w światłowodzie, obejmujące straty szkła spowodowane domieszkowaniem za pomocą erbu.

σ(l) - zależna od długości fali absorpcja obszaru domieszkowanego erbem.

g(l) - zależne od długości fali wzmocnienie obszaru domieszkowanego erbem.

γ(l) - zależna od długości fali gęstość mocy emisji spontanicznej, powodująca sprzężenie z propagowanymi modami.

1. Podstawowe parametry wzmacniaczy światłowodowych

Poniżej przedstawione parametry wzmacniaczy światłowodowych opisują właściwości wzmacniacza z punktu widzenia zastosowań telekomunikacyjnych.

Wzmocnienie. Wzmocnienie G jest definiowane jako:

G = P_Swyj / P_Swej (5.6)

gdzie:

P_Swyj - moc sygnału na wyjściu wzmacniacza.

P_Swej - moc sygnału na wejściu wzmacniacza.

i jest zależne od długości fali oraz mocy sygnału wejściowego, a także mocy pompy. Wzmocnienie jest proporcjonalne do mocy pompy, aż do pewnej wartości progowej, która zależy od długości światłowodu aktywnego (Rys. 5.7). Wzmocnienie G często jest przedstawiane w skali decybelowej jako G_dB = 10 log (G).

Rys. 5.7. Zależność wzmocnienia EDFA od mocy pompowania.

Współczynnik szumów. Właściwości szumowe wzmacniacza optycznego są opisywane za pomocą współczynnika szumów NF zdefiniowanego jako:

(5.7)

gdzie:

P_Nwyj - moc szumów na wyjściu wzmacniacza

P_Nwej - moc szumów na wejściu wzmacniacza.

Zależy on od długości fali oraz mocy sygnału wejściowego, a także mocy pompy. Zależność współczynnika szumów od mocy pompy przedstawiono na Rys. 5.8. Dla krótkich odcinków światłowodu aktywnego współczynnik szumów ma tendencję malejącą ze wzrostem mocy pompy. Dla dłuższych odcinków współczynnik NF rośnie przy dużych wartościach jej mocy. Długość włókna aktywnego, optymalna ze względu na współczynnik szumów, jest mniejsza niż długość optymalna ze względu na wzmocnienie. Minimalna wartość współczynnika NF, wynikająca z właściwości kwantowych światła, wynosi 3dB. Współczynnik NF często jest przedstawiany w skali decybelowej jako NF_dB = 10 log (NF).

Rys. 5.8. Zależność współczynnika szumów wzmacniacza od mocy pompowania oraz od wzmocnienia.

Moc nasycenia. Moc nasycenia P_sat jest definiowana jako taka wartość mocy wejściowej, przy której następuje dwukrotny spadek wzmocnienia w porównaniu ze wzmocnieniem występującym w zakresie liniowej pracy wzmacniacza. Wzmocnienie wzmacniacza, z uwzględnieniem efektu nasycenia, opisuje uwikłana zależność:

(5.8)

gdzie: G_o - jest wzmocnieniem w zakresie liniowej pracy wzmacniacza.

Moc nasycenia rośnie proporcjonalnie do dostarczonej do światłowodu aktywnego mocy promieniowania pompy, co ilustruje Rys. 5.9. Znając parametr P_nas można wyznaczyć wzmocnienie wzmacniacza dla dowolnej mocy sygnału wejściowego.

Rys. 5.9. Moc nasycenia EDFA w zależności od mocy pompowania.

Szerokość pasma. Szerokość pasma wzmacniacza jest definiowana jako przedział częstotliwości optycznych, dla którego wzmocnienie sygnału zawiera się w granicy 3dB od maksymalnej wartości wzmocnienia. Szerokość pasma jest wyznaczana na podstawie pomiaru wzmocnienia w funkcji długości fali sygnału. Na Rys. 5.10. przedstawiono charakterystyki widmowe dwóch rodzajów szkła domieszkowanego erbem.

Rys. 5.10. Charakterystyki widmowe EDF wykonanych z dwóch rodzajów szkła.

Współczynnik sprawności wzmocnienia. Współczynnik sprawności wzmocnienia jest definiowany jako iloraz wzmocnienia wyrażonego w skali decybelowej, do dostarczonej mocy promieniowania pompy i wyraża się w dB/mW (Rys. 5.11).

Rys. 5.11. Zależność współczynnika sprawności pompowania od mocy pompy.

1. Od elektroniki do fotoniki

Technika optyczna obecnie dominuje w sieciach dalekiego zasięgu i w skali globalnej realizuje ponad 50% ruchu telekomunikacyjnego. Pojawiające się nowe przyrządy i systemy transmisyjne, powodują przełom, który może spowodować usuniecie w cień wszystkich stosowanych dotychczas rozwiązań. W szczególności, optyczne systemy koherentne umożliwią pełne wykorzystanie pojemności światłowodów a wzmacniacze optyczne zapewniają całej sieci jej przeźroczystość dla sygnałów optycznych. Przyszłe sieci dalekosiężne będą wymagać o wiele mniej urządzeń i sterowania, oferując przy tym o wiele większą użyteczność i niezawodność niż obecne.

Proces ewolucji na przykładzie linii transmisyjnej o długości 100km, pokazany jest na Rys. 5.12.

Rys. 5.12. Proces ewolucji systemów telekomunikacyjnych.

Rozwój historyczny

1970 - kable współosiowe, czas międzyawaryjny (CMA) 5 miesięcy,

1970÷80 - światłowody wielomodowe, 0,85mm, CMA 2 lata,

1980 - światłowody jednomodowe, 1,3mm, CMA 10 lat,

1980÷90 - światłowody jednomodowe 1,5mm, CMA 100 lat.

Dalsza ewolucja sieci światłowodowych będzie najprawdopodobniej przebiegała według następującego schematu:

AMUX ⇒ SDH ⇒ SONET ⇒ TON

gdzie:

AMUX - Asynchronous MUltipleX - zwielokrotnienie asynchroniczne,

SDH - Synchronous Digital Hierarchy - hierarchiczny synchroniczny system cyfrowy,

SONET - Synchronous Optical NETwork - synchroniczna sieć optyczna,

TON - Transparent Optical Network - przeźroczysta siec optyczna.

1. Sieci światłowodowe ze wzmacniaczami optycznymi

W sieciach światłowodowych, realizujących transmisje bądź dystrybucje określonej liczby sygnałów, istotne jest zapewnienie określonego stosunku mocy sygnału do mocy szumu SNR (bądź nośnej do szumu CNR) a także poziomu zniekształceń nieliniowych (CSO, CTB), rzutujących na przesłuchy międzykanałowe (CXM).

Rozwiązaniem otwierającym nowe perspektywy jest sieć światłowodowa zintegrowana optycznie. Do kompensacji strat mocy optycznej w tej sieci wykorzystuje się światłowodowe wzmacniacze optyczne, które poza kompatybilnością ze światłowodem jednomodowym charakteryzują się małymi szumami i dużym wzmocnieniem.

Zasadniczą trudność w trakcie transmisji sygnału optycznego w sieci rozgałęzionej stanowi zapewnienie w każdym punkcie sieci określonego poziomu mocy optycznej. W przypadku transmisji sygnałów analogowych, dodatkowym problemem są zmiany tego poziomu oraz nieliniowość charakterystyki całego toru przesyłowego. Światłowodowy wzmacniacz optyczny cechuje się wrażliwością wnoszonych szumów na poziom mocy wejściowej, a charakterystyka szumowa posiada minimum (rys.5.7). W sieci w której dopasowano poziomy mocy wejściowej do minimum szumów wzmacniacza światłowodowego (poprzez odpowiedni dobór długości odcinków międzyregeneratorowych) zmiana strat w jakimkolwiek odcinku powoduje niedopasowanie mocy wejściowej w łańcuchu następujących po nim wzmacniaczy i w efekcie istotne pogorszenie całkowitego stosunku sygnału do szumu. W przypadku zmian tłumienia odcinka międzyregeneratorowego, lub niekontrolowanych zmian wzmocnienia wzmacniacza w poprzedzającym odcinku międzyregeneratorowym wzmacniacz optyczny może wejść w stan nasycenia. Należy zatem kompensować zmiany tłumienia w torze optycznym poprzez automatyczną regulację wzmocnienia wzmacniacza optycznego służącego jako regenerator, dla której wskaźnikiem jakości jest pewna miara poziomu szumu wnoszonego przez łańcuch wzmacniaczy umieszczonych w światłowodowym torze dystrybucji szerokopasmowych sygnałów AM-VSB. Do regulacji wzmocnienia zintegrowanego wzmacniacza światłowodowego wykorzystany może być efekt zmiany wzmocnienia w funkcji mocy pompy optycznej. Regulacja wzmocnienia następować będzie w układzie ujemnego sprzężenia zwrotnego. Rozpatrzone mogą być dwa rozwiązania:

z lokalnym sprzężeniem zwrotnym - w którym sprzężenie obejmuje jeden wzmacniacz optyczny, a sygnał sprzężenia jest proporcjonalny do mocy wyjściowej wzmacniacza. Wskaźnikiem jakości układu będzie wartość oczekiwana CNR na wyjściu sieci.

z globalnym sprzężeniem zwrotnym - w którym układ regulacji wzmocnienia wzmacniacza obejmuje wzmacniacz i następujący za nim odcinek międzyregeneratorowy, a informacja o poziomie mocy na końcu odcinka przekazywana jest wstecz kanałem zwrotnym sieci. Wskaźnikiem jakości będzie poziom CNR na wyjściu sieci.

Innym ważnym składnikiem sieci przezroczystych są elementy komutacyjne, które zostaną omówione w rozdziale 8.

1. Wnioski dla przyszłych przezroczystych sieci optycznych

Coraz wyraźniej widoczna ewolucja istniejących sieci światłowodowych w kierunku sieci przezroczystych dla sygnałów optycznych stawia nieuchronnie przed nimi problem zastąpienia istniejących komutatorów elektronicznych komutatorami optycznymi.

Istniejące i proponowane elementy przełączające w połączeniu ze światłowodowymi i półprzewodnikowymi wzmacniaczami optycznymi pozwolą w przyszłości na uelastycznienie połączeń optycznych w sieciach przezroczystych, z zachowaniem wielkiej szerokości pasma właściwej transmisji optycznej. Istotne to będzie w systemach ze zwielokrotnieniem długości fali (WDM, OFDM). Wydaje się, że ewolucja będzie przebiegała w sposób pokazany na Rys. 5.13.

Istniejące obecnie sieci światłowodowe z elektronicznymi elementami obróbki informacji (wyspami elektronicznymi) będą ewoluować, poprzez sieci z fotoniczną komutacją za pomocą elektrycznego sygnału sterującego, w kierunku sieci całkowicie optycznych.

Rys. 5.13. Ewolucja aktualnych systemów łączności światłowodowej.

Oczywiście przełączniki fotoniczne nie mogą wprost zamienić istniejących przełączników elektronicznych. Są one odpowiednie do formowania niezbyt dużych pól komutacyjnych, oferują szerokie pasmo transmisyjne, ale czas ustanawiania połączenia jest o rząd wielkości dłuższy w porównaniu ze szczelinami czasowymi trwania pojedynczego bitu. Stwarza to istotne problemy w systemach z podziałem czasu, gdyż może powodować utratę wielu bitów informacji w czasie przełączania. Pewnym rozwiązaniem tego problemu mogą być okresowe przerwy w transmisji (dead spaces) oddzielające bloki bitów. Z drugiej strony całkowicie optyczne falowodowe przełączniki nieliniowe pozwalają na superszybkie przełączanie impulsem optycznym, zewnętrznym lub też wewnętrznym zakodowanym w przesyłanej informacji.

Istotnym problemem jest zależność przełączania przełączników falowodowych od długości fali i od polaryzacji światła. Prowadzi to do nieuniknionych przesłuchów informacji, przede wszystkim w systemach z multipleksacją długości fali. Istnieją jednak interesujące koncepcje wykorzystania tej zależności w systemach WDM, przez taką konstrukcję i ustawienie pól komutacyjnych która zapewnia, że "wszystkie sygnały odpowiadające fali 1552,7634nm kierowane są do Lublina" itd.

Wydaje się oczywiste, że powszechne stosowanie wzmacniaczy EDFA czyni możliwym lub wręcz koniecznym powtórne przemyślenie obecnie planowanej i budowanej struktury przyszłych sieci telekomunikacyjnych, w kontekście zapewnienia przez nie możliwości zastosowania coraz większych szybkości transmisji i zróżnicowanych sposobów kodowania, w wyniku optycznej przezroczystości ich trzech bazowych elementów: światłowodu, wzmacniacza i komutatora.

---