1. KlasyfikacjaFiberAwzmacniacze
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 światłowodowe wzmacniacze Ramana (FRA, Fiber Raman Amplifier). Główne porównanie wydajności tych wzmacniaczy optycznych przedstawiono w tabeli.
EDFA (wzmacniacz światłowodowy domieszkowany erbem)
Wielopoziomowy system laserowy może być utworzony 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. Robocze długości fal EDFA i PDFA znajdują się odpowiednio w oknie najniższych strat (1550 nm) i długości fali zerowej dyspersji (1300 nm) komunikacji światłowodowej, a TDFA działa w paśmie S, które jest bardzo odpowiednie dla zastosowań w systemach komunikacji światłowodowej. Szczególnie EDFA, najszybszy rozwój, okazał się praktyczny.
TenPzasada EDFA
Podstawową strukturę włókna EDFA przedstawiono na rysunku 1(a). Składa się ono głównie z ośrodka aktywnego (włókna krzemionkowego domieszkowanego erbem o długości około kilkudziesięciu metrów, średnicy rdzenia 3-5 mikronów i stężeniu domieszki (25-1000)x10-6), źródła światła pompującego (LD 990 lub 1480 nm), sprzęgacza optycznego i izolatora optycznego. Światło sygnałowe i światło pompujące mogą rozchodzić 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 erbu są wzbudzane do wysokiego poziomu energetycznego pod działaniem światła pompującego (Rysunek 1 (b), układ trójpoziomowy) i szybko zanikają do metastabilnego poziomu energetycznego, gdy powracają do stanu podstawowego pod działaniem padającego światła sygnałowego, emitują fotony odpowiadające światłu sygnałowemu, dzięki czemu sygnał jest wzmacniany. Rysunek 1 (c) przedstawia 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 przenoszenia, wysoka moc wyjściowa, wysoka wydajność pompy, niskie straty wtrąceniowe i niewrażliwość na stan polaryzacji.
2. Problemy ze wzmacniaczami światłowodowymi
Chociaż wzmacniacz optyczny (zwłaszcza EDFA) ma wiele wyjątkowych zalet, nie jest on wzmacniaczem idealnym. Oprócz dodatkowego szumu, który obniża współczynnik SNR sygnału, występują również inne wady, takie jak:
- Nierównomierność widma wzmocnienia w paśmie wzmacniacza wpływa na wydajność wzmocnienia wielokanałowego;
- W przypadku kaskadowego łączenia wzmacniaczy optycznych efekty szumu ASE, dyspersji włókien i efekty nieliniowe będą się kumulować.
Kwestie te muszą być brane pod uwagę 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 tłumienie i dyspersja światłowodu. Przy zastosowaniu źródła światła o wąskim widmie lub przy długości fali bliskiej zerowej dyspersji, wpływ dyspersji światłowodu jest niewielki. System ten nie wymaga pełnej regeneracji sygnału (przekaźnik 3R) w każdej stacji przekaźnikowej. Wystarczy bezpośrednie wzmocnienie sygnału optycznego za pomocą wzmacniacza optycznego (przekaźnik 1R). Wzmacniacze optyczne mogą być stosowane nie tylko w dalekosiężnych systemach magistralnych, ale także w światłowodowych sieciach dystrybucyjnych, zwłaszcza w systemach WDM, do jednoczesnego wzmacniania wielu kanałów.
1) Zastosowanie wzmacniaczy optycznych w systemach komunikacji światłowodowej
Rys. 2 przedstawia schemat zastosowania wzmacniacza optycznego w światłowodowym systemie komunikacyjnym. (a) Rysunek pokazuje, że wzmacniacz optyczny jest używany jako wzmacniacz podwyższający moc nadajnika i przedwzmacniacz odbiornika, co podwaja odległość bez przekaźnika. Na przykład, stosując EDFA, system transmisji odległość 1,8 Gb/s wzrasta 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 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 ograniczeń typu „elektroniczny wąsik butelkowy”. Pod warunkiem, że wymieniono sprzęt wysyłający i odbierający po obu stronach, łatwo jest dokonać aktualizacji z niskiej 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 wykorzystuje kabel koncentryczny, który wymaga wzmocnienia sygnału co kilkaset metrów, a promień działania sieci wynosi około 7 km. Światłowodowa sieć CATV wykorzystująca wzmacniacze optyczne może nie tylko znacznie zwiększyć liczbę rozproszonych użytkowników, ale także znacznie wydłużyć zasięg sieci. Ostatnie osiągnięcia pokazały, że dystrybucja światłowodów/hybryd (HFC) czerpie z zalet obu technologii i jest wysoce konkurencyjna.
Rysunek 4 przedstawia przykład światłowodowej sieci dystrybucyjnej dla modulacji AM-VSB dla 35 kanałów telewizyjnych. Źródłem światła nadajnika jest DFB-LD o długości fali 1550 nm i mocy wyjściowej 3,3 dBm. Przy zastosowaniu 4-poziomowego wzmacniacza EDFA jako wzmacniacza dystrybucji mocy, jego moc wejściowa wynosi około -6 dBm, a moc wyjściowa około 13 dBm. Czułość odbiornika optycznego wynosi -9,2 dBm. Po 4 poziomach dystrybucji całkowita liczba użytkowników osiągnęła 4,2 miliona, a długość sieci wynosi ponad kilkadziesiąt kilometrów. Ważony stosunek sygnału do szumu w teście był większy niż 45 dB, a EDFA nie spowodował obniżenia CSO.
Czas publikacji: 23-04-2023