1. KlasyfikacjaFiberAwzmacniacze
Istnieją trzy główne typy wzmacniaczy optycznych:
(1) Półprzewodnikowy wzmacniacz optyczny (SOA, półprzewodnikowy wzmacniacz optyczny);
(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 pokazano w tabeli
EDFA (wzmacniacz światłowodowy domieszkowany erbem)
Wielopoziomowy system laserowy można utworzyć poprzez domieszkowanie włókna kwarcowego pierwiastkami ziem rzadkich (takimi jak Nd, Er, Pr, Tm itp.), a wejściowy sygnał świetlny jest bezpośrednio wzmacniany pod wpływem światła pompy.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 odchylenia od najlepszego portu ujścia komunikacji światłowodowej i z innych powodów.Robocze długości fal EDFA i PDFA znajdują się odpowiednio w oknie o najniższej stracie (1550 nm) i długości fali o zerowej dyspersji (1300 nm) komunikacji światłowodowej, a TDFA działa w paśmie S, które są bardzo odpowiednie do zastosowań w systemach komunikacji światłowodowej .Szczególnie EDFA, najszybszy rozwój, okazał się praktyczny.
ThePzasada EDFA
Podstawową strukturę EDFA pokazano na rysunku 1 (a), która składa się 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), pompowane źródło światła (990 lub 1480nm LD), sprzęgacz optyczny i izolator optyczny.Światło sygnalizacyjne i światło pompy mogą rozchodzić się we włóknie erbowym w tym samym kierunku (pompowanie współkierunkowe), w przeciwnych kierunkach (pompowanie odwrotne) lub w obu kierunkach (pompowanie dwukierunkowe).Kiedy światło sygnalizacyjne i światło pompy zostaną wstrzyknięte do włókna erbu w tym samym czasie, jony erbu zostaną wzbudzone do wysokiego poziomu energii pod wpływem światła pompy (Rysunek 1 (b), układ trzypoziomowy), i szybko zanika do poziomu energii metastabilnej, gdy pod wpływem padającego światła sygnalizacyjnego powraca do stanu podstawowego, emituje fotony odpowiadające światłu sygnalizacyjnemu, dzięki czemu sygnał zostaje wzmocniony.Rysunek 1 (c) przedstawia widmo wzmocnionej 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 wysokie wzmocnienie, duża szerokość pasma, 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 wzmacniaczem idealnym.Oprócz dodatkowego szumu, który zmniejsza SNR sygnału, istnieją inne niedociągnięcia, takie jak:
- Nierówność widma wzmocnienia w paśmie wzmacniacza wpływa na wydajność wzmocnienia wielokanałowego;
- Kiedy wzmacniacze optyczne są łączone kaskadowo, kumulują się efekty szumu ASE, dyspersji włókien i efektów nieliniowych.
Kwestie te należy uwzględnić przy projektowaniu aplikacji i systemu.
3. Zastosowanie wzmacniacza optycznego w systemie komunikacji światłowodowej
W systemie komunikacji światłowodowej tzwWzmacniacz światłowodowymoże być używany nie tylko jako wzmacniacz mocy nadajnika w celu zwiększenia mocy transmisji, ale także jako przedwzmacniacz odbiornika w celu poprawy czułości odbioru, a także może zastąpić tradycyjny wzmacniacz optyczno-elektryczno-optyczny, aby wydłużyć transmisję odległość i realizować komunikację całkowicie optyczną.
W systemach komunikacji światłowodowej głównymi czynnikami ograniczającymi odległość transmisji są straty i rozproszenie światłowodu.Używając źródła światła o wąskim spektrum lub pracując w pobliżu długości fali o zerowej dyspersji, wpływ dyspersji światłowodu jest niewielki.System ten nie wymaga wykonywania pełnej regeneracji taktowania sygnału (przekaźnik 3R) w każdej stacji przekaźnikowej.Wystarczy bezpośrednio wzmocnić sygnał optyczny za pomocą wzmacniacza optycznego (przekaźnik 1R).Wzmacniacze optyczne można stosować nie tylko w dalekobieżnych systemach dalekosiężnych, ale także w światłowodowych sieciach dystrybucyjnych, szczególnie w systemach WDM, do jednoczesnego wzmacniania wielu kanałów.
1) Zastosowanie wzmacniaczy optycznych w miejskich systemach komunikacji światłowodowej
Rys. 2 przedstawia schematyczny diagram zastosowania wzmacniacza optycznego w magistralnym systemie komunikacji światłowodowej.(a) rysunek pokazuje, że wzmacniacz optyczny jest używany jako wzmacniacz mocy nadajnika i przedwzmacniacz odbiornika, dzięki czemu odległość nieprzekaźnikowa zostaje podwojona.Na przykład przyjęcie EDFA, transmisji systemowej 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 układach 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 komunikacji nie obejmuje obwodów synchronizacji i regeneracji, dzięki czemu jest bitowo przezroczysty i nie ma ograniczeń związanych z „elektronicznym wąsem butelki”.Dopóki zostanie wymieniony sprzęt nadawczy i odbiorczy na obu końcach, aktualizacja z niskiej szybkości do wysokiej jest łatwa, a wzmacniacz optyczny nie wymaga wymiany.
2) Zastosowanie wzmacniacza optycznego w światłowodowej sieci dystrybucyjnej
Wysoka moc wyjściowa wzmacniaczy optycznych (zwłaszcza EDFA) jest bardzo przydatna w szerokopasmowych sieciach dystrybucyjnych (takich jaktelewizja kablowaSieci).Tradycyjna sieć CATV wykorzystuje kabel koncentryczny, który należy wzmacniać 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 wydarzenia pokazały, że dystrybucja światłowodów/hybryd (HFC) wykorzystuje mocne strony obu i charakteryzuje się dużą konkurencyjnością.
Rysunek 4 przedstawia przykład światłowodowej sieci dystrybucyjnej do modulacji AM-VSB 35 kanałów telewizyjnych.Źródłem światła nadajnika jest DFB-LD o długości fali 1550nm i mocy wyjściowej 3,3dBm.Używając 4-poziomowego wzmacniacza 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 łączna liczba użytkowników osiągnęła 4,2 miliona, a ścieżka sieci liczy ponad kilkadziesiąt kilometrów.Ważony stosunek sygnału do szumu w teście był większy niż 45 dB, a EDFA nie spowodował zmniejszenia CSO.
Czas publikacji: 23 kwietnia 2023 r