1. KlasyfikacjaFwłóknoAwzmacniacze
Istnieją trzy główne typy wzmacniaczy optycznych:
(1) Wzmacniacz optyczny półprzewodnikowy (SOA, wzmacniacz optyczny półprzewodnikowy);
(2) Wzmacniacze światłowodowe domieszkowane pierwiastkami ziem rzadkich (erb Er, tul Tm, prazeodym Pr, rubid Nd itp.), głównie wzmacniacze światłowodowe domieszkowane erbem (EDFA), a także wzmacniacze światłowodowe domieszkowane tulem (TDFA) i wzmacniacze światłowodowe domieszkowane prazeodymem (PDFA) itp.
(3) Nieliniowe wzmacniacze światłowodowe, głównie wzmacniacze światłowodowe Ramana (FRA, Fiber Raman Amplifier). Główne porównanie wydajności tych wzmacniaczy optycznych pokazano w tabeli
EDFA (wzmacniacz światłowodowy domieszkowany erbem)
Wielopoziomowy system laserowy można utworzyć przez domieszkowanie włókna kwarcowego pierwiastkami ziem rzadkich (takimi jak Nd, Er, Pr, Tm itp.), a światło sygnału wejściowego jest bezpośrednio wzmacniane pod działaniem światła pompującego. Po zapewnieniu odpowiedniego sprzężenia zwrotnego powstaje laser światłowodowy. Robocza długość fali wzmacniacza światłowodowego domieszkowanego Nd wynosi 1060 nm i 1330 nm, a jego rozwój i zastosowanie są ograniczone ze względu na odchylenie od najlepszego portu odpływowego komunikacji światłowodowej i inne przyczyny. Długości fal roboczych EDFA i PDFA znajdują się odpowiednio w oknie najniższej straty (1550 nm) i długości fali zerowej dyspersji (1300 nm) komunikacji światłowodowej, a TDFA działa w paśmie S, które jest bardzo odpowiednie do zastosowań w systemach komunikacji światłowodowej. Szczególnie EDFA, najszybszy rozwój, okazał się praktyczny.
TenPzasada EDFA
Podstawowa struktura EDFA jest pokazana na rysunku 1(a), który składa się głównie z ośrodka aktywnego (włókno krzemionkowe domieszkowane erbem o długości około kilkudziesięciu metrów, ze średnicą rdzenia 3-5 mikronów i stężeniem domieszki (25-1000)x10-6), źródła światła pompującego (LD 990 lub 1480 nm), sprzęgacza optycznego i izolatora optycznego. Światło sygnałowe i światło pompujące mogą rozprzestrzeniać się w tym samym kierunku (pompowanie współkierunkowe), w przeciwnych kierunkach (pompowanie odwrotne) lub w obu kierunkach (pompowanie dwukierunkowe) we włóknie erbowym. Gdy światło sygnałowe i światło pompujące są wstrzykiwane do włókna erbowego w tym samym czasie, jony erbowe są wzbudzane do wysokiego poziomu energii pod działaniem światła pompującego (rysunek 1 (b), układ trójpoziomowy) i szybko zanikają do metastabilnego poziomu energii, gdy powraca do stanu podstawowego pod działaniem padającego światła sygnałowego, emituje fotony odpowiadające światłu sygnałowemu, dzięki czemu sygnał jest wzmacniany. Rysunek 1 (c) przedstawia jego wzmocnione widmo emisji spontanicznej (ASE) o dużej szerokości pasma (do 20-40 nm) i dwóch pikach odpowiadających odpowiednio 1530 nm i 1550 nm.
Głównymi zaletami EDFA są wysoki zysk, szerokie pasmo, wysoka moc wyjściowa, wysoka wydajność pompy, niskie straty wtrąceniowe i niewrażliwość na stan polaryzacji.
2. Problemy ze wzmacniaczami światłowodowymi
Chociaż wzmacniacz optyczny (szczególnie EDFA) ma wiele wybitnych zalet, nie jest to wzmacniacz idealny. Oprócz dodatkowego szumu, który zmniejsza SNR sygnału, występują pewne inne niedociągnięcia, takie jak:
- Nierównomierność widma wzmocnienia w paśmie wzmacniacza wpływa na wydajność wzmocnienia wielokanałowego;
- W przypadku kaskadowego łączenia wzmacniaczy optycznych efekty szumu ASE, dyspersji włókien światłowodowych i efekty nieliniowe będą się kumulować.
Zagadnienia te muszą zostać uwzględnione w projektowaniu aplikacji i systemów.
3. Zastosowanie wzmacniacza optycznego w systemie komunikacji światłowodowej
W systemie komunikacji światłowodowejWzmacniacz światłowodowymoże być stosowany nie tylko jako wzmacniacz mocy nadajnika w celu zwiększenia mocy nadawania, ale także jako przedwzmacniacz odbiornika w celu poprawy czułości odbioru, a także może zastąpić tradycyjny wzmacniacz optyczno-elektryczno-optyczny w celu wydłużenia odległości transmisji i realizacji całkowicie optycznej komunikacji.
W systemach komunikacji światłowodowej głównymi czynnikami ograniczającymi odległość transmisji są straty i dyspersja światłowodu. Używając źródła światła o wąskim spektrum lub pracując w pobliżu długości fali o zerowej dyspersji, wpływ dyspersji światłowodu jest niewielki. Ten system nie musi wykonywać całkowitej regeneracji sygnału czasowego (przekaźnik 3R) na każdej stacji przekaźnikowej. Wystarczy bezpośrednio wzmocnić sygnał optyczny za pomocą wzmacniacza optycznego (przekaźnik 1R). Wzmacniacze optyczne mogą być stosowane nie tylko w systemach magistrali dalekosiężnych, ale także w sieciach dystrybucji światłowodowej, szczególnie w systemach WDM, w celu jednoczesnego wzmocnienia wielu kanałów.
1) Zastosowanie wzmacniaczy optycznych w systemach komunikacji światłowodowej
Rys. 2 przedstawia schemat zastosowania wzmacniacza optycznego w magistralnym systemie komunikacji światłowodowej. (a) Na rysunku pokazano, że wzmacniacz optyczny jest używany jako wzmacniacz mocy nadajnika i przedwzmacniacz odbiornika, tak aby podwoić odległość bez przekaźnika. Na przykład, przyjmując EDFA, system transmisji odległość 1,8 Gb/s zwiększa się ze 120 km do 250 km, a nawet osiąga 400 km. Rysunek 2 (b)-(d) przedstawia zastosowanie wzmacniaczy optycznych w systemach wieloprzekaźnikowych; Rysunek (b) przedstawia tradycyjny tryb przekaźnika 3R; Rysunek (c) przedstawia mieszany tryb przekaźnika wzmacniaczy 3R i wzmacniaczy optycznych; Rysunek 2 (d) Jest to całkowicie optyczny tryb przekaźnika; w całkowicie optycznym systemie komunikacyjnym nie obejmuje on obwodów czasowych i regeneracyjnych, więc jest transparentny bitowo i nie ma ograniczenia „elektronicznego wąsika butelkowego”. O ile wymieniono sprzęt wysyłający i odbierający na obu końcach, łatwo jest uaktualnić z niskiej szybkości do wysokiej szybkości, a wzmacniacz optyczny nie wymaga wymiany.
2) Zastosowanie wzmacniacza optycznego w sieciach dystrybucji światłowodowej
Zalety wzmacniaczy optycznych (szczególnie EDFA) w zakresie dużej mocy wyjściowej są bardzo przydatne w sieciach dystrybucji szerokopasmowej (takich jakTelewizja kablowaSieci). Tradycyjna sieć CATV przyjmuje kabel koncentryczny, który musi być wzmacniany co kilkaset metrów, a promień działania sieci wynosi około 7 km. Sieć światłowodowa CATV wykorzystująca wzmacniacze optyczne może nie tylko znacznie zwiększyć liczbę rozproszonych użytkowników, ale także znacznie rozszerzyć ścieżkę sieciową. Ostatnie osiągnięcia pokazały, że dystrybucja światłowodów/hybryd (HFC) czerpie mocne strony obu i ma silną konkurencyjność.
Rysunek 4 przedstawia przykład sieci dystrybucji światłowodowej do modulacji AM-VSB 35 kanałów TV. Źródłem światła nadajnika jest DFB-LD o długości fali 1550 nm i mocy wyjściowej 3,3 dBm. Używając 4-poziomowego EDFA jako wzmacniacza dystrybucji mocy, jego moc wejściowa wynosi około -6 dBm, a moc wyjściowa około 13 dBm. Czułość odbiornika optycznego -9,2d Bm. Po 4 poziomach dystrybucji całkowita liczba użytkowników osiągnęła 4,2 miliona, a ścieżka sieciowa ma ponad kilkadziesiąt kilometrów. Ważony stosunek sygnału do szumu testu był większy niż 45 dB, a EDFA nie spowodował obniżenia CSO.
Czas publikacji: 23-kwi-2023