جوانب عملية لمكبر رامان

المقدمة

يوضح هذا المستند الجوانب العملية لتنفيذ مكبر Raman في الشبكة الضوئية. هذا يجعل رامان أسهل للفهم، يدرج أسفلالميزات والمتطلبات والتطبيقات الخاصة بهذا الطراز.

تمت المساهمة بواسطة سانجاي ياداف، مهندس TAC من Cisco. 

معلومات أساسية

1. يعتبر مكبر الرامان عادة أكثر تكلفة وأقل ربحا من مكبر الألياف المطوية إربيوم (EDFA). وبالتالي يتم إستخدامه فقط للتطبيقات المتخصصة.
2. والميزة الرئيسية التي يتمتع بها هذا المكبر على تقنية EDFA هي أنه يولد ضوضاء أقل بكثير، وبالتالي لا يحط من نسبة الفسحة الضوئية إلى الإشارة (OSNR) بقدر ما يحلل تقنية EDFA.
3. وتطبيقها النموذجي هو في شقق EDFA حيث يلزم كسب إضافي ولكن تم الوصول إلى حد OSNR.
4. قد لا تؤثر إضافة مكبر Raman بشكل كبير على OSNR، ولكنها يمكن أن توفر ما يصل إلى 20 ديسيبل من كسب الإشارة.
5. هناك سمة مفتاح أخرى وهي إمكانية تضخيم أي نطاق ليفي، وليس فقط النطاق C كما هو الحال بالنسبة ل EDFA. وهذا يسمح لمكبرات Raman بتعزيز الإشارات في نطاقات O و E و S (لتطبيق تجميع انقسام طول الموجة الخشن (CWDM)).
6. يعمل المكبر على مبدأ تشتت رامان المحفز (SRS)، وهو تأثير غير خطي.
7. ويتكون من ليزر لمضخة ذات طاقة عالية ورابط ليفي (موزع ضوئي).
8. وسيط التضخيم هو الفسحة بين دعامتين ألياف في مكبر رامان موزع (DRA).
9. يعد الليزر ذو التغذية المرتدة المخططة (DFB) بمثابة إطار طيفي ضيق يستخدم كآلية أمان لبطاقة رامان. يرسل DFB نبضا للتحقق من أي انعكاس خلفي موجود في طول الألياف. إذا لم يعثر على انعكاس عالي الخلفي (HBR)، يبدأ Raman في الإرسال.
10. وعادة ما يتم فحص عقار سداسي البروم ثنائي الفينيل في بضع كيلومترات من الألياف إلى أول 20 كيلومترا. إذا تم اكتشاف HBR، لن يعمل Raman. تحتاج إلى بعض أنشطة الألياف بعد أن تجد منطقة المشكلة عن طريق OTDR.

الأنواع الشائعة من مكبرات Raman

• يحتوي مكبر Raman القابل للتجميع أو المحدد داخليا على مكبر طويل نسبيا من الألياف حيث تحدث تضخيم الإشارة.
• يتم توصيل ليزر مضخة DRA بالفسحة بين دعامتين ليفيتين في مضخة عداد (مضخة عكسية) أو مضخة مساعدة (مضخة للأمام) أو تهيئة.
• وعادة ما يكون تكوين مضخة العداد المفضل لأنها لا ينتج عنها قوى إشارة عالية بشكل مفرط في بداية الفسحة بين دعامتين الألياف، والتي يمكن أن ينتج عنها تشوهات غير خطية كما هو موضح في الصورة.

إن الميزة من عمليات التهيئة للضخ المشترك هي أنه ينتج ضوضاء أقل.

مبدأ

وعندما تنتشر الفوتونات بالمضخة في الالياف، تصطدم وتمتص بواسطة جزيئات الالياف أو الذرات. فيدفع ذلك الجزيئات أو الذرات إلى مستويات أعلى من الطاقة. مستويات الطاقة الأعلى ليست حالات مستقرة لذلك فإنها تتلاشى بسرعة لتخفيض مستويات الطاقة الوسيطة والتي تطلق طاقة فوتونات في أي إتجاه بترددات أقل. وهذا يعرف بتبعثر الرامان العفوي أو تبعثر النتوءات ويساهم في حدوث ضجيج في الألياف. 

وبما أن الجزيئات تتحلل إلى مستوى اهتزازات طاقة وسيطة، فإن تغير الطاقة يكون أقل من الطاقة المستلمة في البداية وقت إثارة الجزيئات. هذا التغيير في الطاقة من مستوى مثار إلى مستوى متوسط يحدد تردد الفوتونات بما أن δ f = δ E / H. ويشار إليه بتحول تردد Stokes ويحدد شكل منحنى تكسب Raman مقابل الترددات وموقعه. تتبدد الطاقة المتبقية من المستوى المتوسط إلى مستوى الأرض في صورة اهتزازات جزيئية (فونونات) في الألياف. ونظرا لوجود نطاق واسع من مستويات الطاقة الأعلى، فإن منحنى الكسب له عرض طيفي واسع يصل تقريبا إلى 30 جزء من الترام. 

في وقت تبعثر الرامان المنبه، تزداد طيف منحنيات التكرارات الإشعاعية للفوتونات المشتركة، وتحصل على الطاقة من موجة ستوكس، مما يؤدي إلى تضخيم الإشارة.

نظرية رامان كوسب

يبلغ عرض منحنى اكتساب الرامان الذي يعمل بنظام التشغيل FWHM حوالي 6ThZ (48 نانومتر) مع ذروة عند حوالي 13.2 هيرتز أسفل تردد الضخ. هذا هو طيف تضخيم الإشارة المفيد. لذلك، in order to ضخمت إشارة في ال 1550 نانومتر مدى يلزم أن يكون تردد مضخة الليزر 13. 2 هرتز تحت تردد الإشارة عند حوالي 1452 نانومتر.

  

يستخدم الليزر ذو المضخات المتعددة مع منحنيات اكتساب جنبا إلى جنب لتوسيع إجمالي منحنى اكتساب الرامان.

حيث FP = مضخة التردد، فإن FS = تردد الإشارة، THz δ f v = Raman Stokes Frequency shift، THz.

قيمة رامان للاستحواذ هي صافي ربح الإشارة الموزع عبر طول ألياف الفعلي. وهو وظيفة تضخ طاقة الليزر والطول الفعال للألياف ومساحة الألياف.

بالنسبة للألياف ذات المساحة الفعالة الصغيرة، مثل ألياف تعويض التشتيت، يكون ربح الرامان أعلى. كما يعتمد الربح على فصل الإشارة عن طول الموجة من خلال مضخة الليزر، كما يتم تحديد ربح الإشارة من Raman ويتم قياس الحقل حسب اكتساب التشغيل/إيقاف التشغيل. ويتم تعريف هذه القيمة بأنها نسبة طاقة إشارة الإخراج مع تشغيل وإيقاف ليزر الضخ. وفي معظم الحالات يكون لضجيج آز الرامان تأثير قليل على قيمة الإشارة المقاسة بظل ليزر الضخ. ومع ذلك، إذا حدثت ضوضاء كبيرة، والتي يمكن إختبارها عندما يكون عرض طيفي القياس كبيرا، فسوف يتم عندئذ طرح قوة الضوضاء التي تقاس مع إيقاف الإشارة من قوة الضخ للحصول على قيمة كسب دقيق عند التشغيل/إيقاف التشغيل. غالبا ما يشار إلى ربح الرامان مقابل رامان.

مصادر الضوضاء

يتألف التشويش الذي تم إنشاؤه في فسحة بين دعامتين DRA:

• انبعاثات تلقائية مضخمة (ASE)
• انتشار مزدوج للرايلي (DRS)
• ضجيج ليزر المضخة

يرجع تشويش ال‍ ASE إلى توليد الفوتون بتبعثر الرامان التلقائي.

يحدث ضجيج DRS عندما تضخمت قوة الإشارة المنعكسة مرتين بسبب تشتت رايلي وتتداخل مع الإشارة الأصلية على أنها ضجيج متقاطع.

أقوى الانعكاسات تحدث من الموصلات والطفرات السيئة.

عادة ما يكون تشويش DRS أقل من تشويش ASE، لكن بالنسبة لأطواق Raman المتعددة، فإنه يمكن أن يزيد. ومن أجل تقليل هذا التداخل، يمكن إستخدام الموصلات البولندية الفائقة (UPC) أو الموصلات البولندية الزاوية (APC). يمكن تركيب عوازل ضوئية بعد ثنائيات الليزر لتقليل الانعكاسات في الليزر. أيضا، فسحة بين دعامتين OTDR أثر يستطيع ساعدت حددت إرتفاع عاكس أحداث للإصلاح.

يؤدي تكوين DRA من خلال مضخة العداد إلى تحسين أداء بروتوكول فتح أقصر مسار أولا (OSNR) للحصول على مكاسب إشارات تبلغ 15 ديسيبل وأكثر. أما الضوضاء الناتجة عن الضخ بالليزر فهي أقل مدعاة للقلق لأنها عادة ما تكون منخفضة جدا مع RIN الذي يزيد سعره عن 160 ديسيبل/هرتز.

كما يمكن أن تساهم تأثيرات kerr غير الخطية في حدوث الضوضاء بسبب قوة ضخ الليزر العالية. بالنسبة للألياف ذات الضوضاء المنخفضة DRS، فإن صوت الرامان الناتج عن ASE أفضل بكثير من ضجيج EDFA. عادة، تكون ضجيج رامان من -2 إلى 0 ديسيبل، أي ما يعادل 6 ديسيبل أفضل من ضجيج EDFA.

يتم تعريف عامل تشويش مكبر الرامان على أنه OSNR عند إدخال المكبر إلى OSNR عند إخراج المكبر.

الشكل الضجيجي هو النسخة dB من عامل الضجيج.

يتم توزيع تشويش DRA واكتساب الإشارة على طول فعال للفسحة بين دعامتين fiber.

غالبا ما يتم دمج مكبرات Raman الموزعة من مضخة العداد مع مكبرات EDFA المسبقة لتوسيع مسافات النطاق. يمكن أن يوفر هذا التكوين المختلط تحسين 6dB في OSNR، والذي يمكن أن يوسع بشكل كبير فسحة بين دعامتين أطوال أو يزيد فسحة بين دعامتين فقدان الموازنة. كما يمكن أن تساعد تقنية DRA الخاصة بالمضخة العكسية على تقليل التأثيرات غير الخطية والسماح بتقليل الطاقة اللازمة لتشغيل القنوات.

  الرسم التخطيطي للكتلة الوظيفية لمكبر الرامان المشترك والتكاثر العكسي

بنية النشر الميداني لمكبرات EDFA و RAMAN:

من المثير للاهتمام أن نعرف:

معلومات ذات صلة

• تخطيط شبكات الألياف الضوئية من قبل بوب تشوميتز
• https://www.cisco.com/c/en/us/products/collateral/optical-networking/ons-15454-series-multiservice-provisioning-platforms/data_sheet_c78-658538.html
• الدعم التقني والمستندات - Cisco Systems