Wzmacniacze EDFA

Olbrzymie szerokości pasma transmisyjnego, dostępne w drugim (12 THz) oraz trzecim oknie (15 THz), spowodowały rozwój szerokopasmowych wzmacniaczy optycznych, a wśród nich światłowodowych wzmacniaczy domieszkowanych prazeodymem PDFA (Praseodymium-Doped Fibre Amplifier) dla fali λ = 1310 nm lub erbem EDFA (Erbium-Doped Fibre Amplifier) dla fali λ = 1550 nm, rekompensujących straty mocy optycznej do 30 dB. Dla wzmacniaczy EDFA maksimum wzmocnienia występuje dla najbardziej korzystnego pasma transmisji optotelekomunikacyjnej (1530 nm), przy bardzo wysokiej sprawności pompowania sięgającej 90 proc. Nowością tego sposobu wzmocnienia jest bardzo prosta konstrukcja wzmacniacza, zrealizowanego w postaci fragmentu światłowodu wtrącanego między standardowe odcinki światłowodów telekomunikacyjnych.

Potrzeba regeneracji sygnałów optycznych zachodzi w przypadku, gdy długość łącza przekracza odległość regeneracyjną światłowodu i wymagane jest wzmocnienie G (Gain) sygnału, kompensujące wtrąconą tłumienność 1/G. Z wielu składników tłumienności największe straty w budżecie mocy optycznej wnoszą: absorpcja chromatyczna (nazywana niekiedy materiałową) i rozpraszanie Rayleigha. Pomimo opracowania wielu typów optoelektronicznych (półprzewodnikowych, laserowych) regeneratorów sygnału w praktyce największe nadzieje są związane ze wzmacniaczem optycznym EDFA, wzmacniającym bezpośrednio sygnał optyczny bez potrzeby jego konwersji na postać elektryczną.

Zasadniczą zaletą wzmacniaczy EDFA jest ich małostratne sprzęganie ze światłowodowym torem transmisyjnym, gdyż operują na tej samej geometrii włókna i takim samym materiale rdzenia (domieszkowanym dodatkowo erbem) jak jednomodowe włókna kwarcowe. Niewrażliwość na polaryzację sygnału oraz duża tolerancja na zmianę długości fali, w połączeniu z prostotą działania i niewielkim poborem mocy (5 mW przy wzmocnieniu od 24 do 30 dB), dowodzą celowości stosowania wzmacniaczy EDFA w dalekosiężnych kablach podmorskich o dużej przepływności. Realizację pierwszych kabli podmorskich opartych na wzmacniaczach optycznych EDFA, rozpoczęto w 1995 r.

Transmisja solitonowa

Najnowsze techniki transmisyjne umożliwiają przesyłanie sygnału optycznego w medium światłowodowym za pomocą impulsu świetlnego o obwiedni formowanej przed rozpoczęciem transmisji przez układy modulatora laserowego. W liniowym ośrodku bez dyspersji kształt obwiedni sygnału podczas transmisji pozostaje niezmienny praktycznie jedynie w przestrzeni kosmicznej lub atmosferze ziemskiej, gdzie nie występuje dyfrakcja (ugięcie). Każdy inny ośrodek wykazuje nieliniowość optyczną, objawiającą się zmianą współczynnika załamania światła w funkcji natężenia strumienia świetlnego.

W takim nieliniowym środowisku dyspersyjnym można jednak uzyskać trwałą i stabilną kompensację zniekształceń nieliniowych – przez dobór właściwej dyspersji o przeciwnym działaniu. Stosując dyspersję anomalną, jest możliwy taki dobór kształtu impulsu wejściowego, jego amplitudy oraz czasu trwania, aby oba zjawiska (nieliniowość i dyspersja) wzajemnie się skompensowały. Impulsy te nazwano solitonami (samotna fala), a ich kształt nie ulega zmianie w trakcie transmisji przez dowolnie długi odcinek światłowodu. Pomimo że teoria solitonu oraz jego własności propagacyjne były znane od 1895 r., to pierwszą emisję solitonu o obwiedni impulsu sekans hiperboliczny zademonstrowano dopiero w 1980 r. (Mollenauer, Stolen i Gordon) – otwierając nową dziedzinę optoelektroniki (solitroniki) dla impulsów pikosekundowych (10^–12 s) i femtosekundowych (10^–15 s).

Zwielokrotnienie falowe WDM

Uzyskiwanie dużych przepływności w łączach transkontynentalnych jest możliwe nie tylko dzięki wzmacniaczom optycznym EDFA, ale również przez stosowanie technologii zwielokrotnienia falowego WDM (Wavelength Division Multiplexing). Natura szerokopasmowych wzmacniaczy optycznych pozwala w pojedynczym włóknie światłowodowym na równoczesną transmisję (np. 2,5 Gb/s) wielu optycznych fal nośnych o odmiennych częstotliwościach, z których każda stanowi odrębny kanał transmisyjny. Sumaryczna przepływność takiego włókna z wzmacniaczami EDFA ulega zwielokrotnieniu przez liczbę fal nośnych prowadzonych we włóknie światłowodowym np.: 4x2,5 Gb/s = 10 Gb/s (standard G.652). W zaawansowanych systemach WDM w jednym włóknie optycznym mieści się kilkaset kanałów optycznych, osiągających łącznie pojemność transmisyjną 100–500 (Tb/s)*km.