1. КласифікаціяFіберAпідсилювачі
Існує три основні типи оптичних підсилювачів:
(1) Напівпровідниковий оптичний підсилювач (SOA, напівпровідниковий оптичний підсилювач);
(2) Оптичні волоконні підсилювачі, леговані рідкоземельними елементами (ербій Er, тулій Tm, празеодим Pr, рубідій Nd тощо), переважно волоконні підсилювачі, леговані ербієм (ЕДФА), а також волоконні підсилювачі, леговані тулієм (TDFA) та волоконні підсилювачі, леговані празеодимом (PDFA) тощо.
(3) Нелінійні волоконні підсилювачі, головним чином волоконні раманівські підсилювачі (FRA, Fiber Raman Amplifier). Основне порівняння характеристик цих оптичних підсилювачів наведено в таблиці
EDFA (легований ербієм волоконний підсилювач)
Багаторівнева лазерна система може бути сформована шляхом легування кварцового волокна рідкоземельними елементами (такими як Nd, Er, Pr, Tm тощо), а вхідний сигнал світлового випромінювання безпосередньо посилюється під дією світла накачування. Після забезпечення відповідного зворотного зв'язку формується волоконний лазер. Робоча довжина хвилі волоконного підсилювача, легованого Nd, становить 1060 нм та 1330 нм, а його розробка та застосування обмежені через відхилення від найкращого порту споживання волоконно-оптичного зв'язку та інші причини. Робочі довжини хвиль EDFA та PDFA знаходяться відповідно в діапазоні найменших втрат (1550 нм) та довжини хвилі нульової дисперсії (1300 нм) волоконно-оптичного зв'язку, а TDFA працює в S-діапазоні, що дуже підходить для застосувань у волоконно-оптичних системах зв'язку. Особливо практичним є EDFA, який розвивався найшвидше.
ThePпринцип EDFA
Базова структура EDFA показана на рисунку 1(a), яка в основному складається з активного середовища (легованого ербієм кремнієвого волокна довжиною близько десятків метрів, з діаметром серцевини 3-5 мікронів та концентрацією легування (25-1000)x10-6), джерела світла накачування (LD 990 або 1480 нм), оптичного з'єднувача та оптичного ізолятора. Сигнальне світло та світло накачування можуть поширюватися в одному напрямку (сунаправлене накачування), протилежних напрямках (зворотне накачування) або в обох напрямках (двонаправлене накачування) в ербієвому волокні. Коли сигнальне світло та світло накачування вводяться в ербієве волокно одночасно, іони ербію збуджуються до високого енергетичного рівня під дією світла накачування (рисунок 1(b), трирівнева система) та швидко розпадаються до метастабільного енергетичного рівня, коли повертаються до основного стану під дією падаючого сигнального світла, випромінюють фотони, що відповідають сигналу, так що сигнал посилюється. На рисунку 1 (c) показано його спектр посиленого спонтанного випромінювання (ASE) з широкою смугою пропускання (до 20-40 нм) та двома піками, що відповідають 1530 нм та 1550 нм відповідно.
Основними перевагами EDFA є високий коефіцієнт підсилення, широка смуга пропускання, висока вихідна потужність, висока ефективність накачування, низькі внесені втрати та нечутливість до стану поляризації.
2. Проблеми з волоконно-оптичними підсилювачами
Хоча оптичний підсилювач (особливо EDFA) має багато видатних переваг, він не є ідеальним підсилювачем. Окрім додаткового шуму, який зменшує співвідношення сигнал/шум (SNR) сигналу, є й інші недоліки, такі як:
- Нерівномірність спектра посилення в межах смуги пропускання підсилювача впливає на характеристики багатоканального посилення;
- При каскадному з'єднанні оптичних підсилювачів накопичуються ефекти шуму ASE, дисперсії волокон та нелінійних ефектів.
Ці питання необхідно враховувати під час проектування застосування та системи.
3. Застосування оптичного підсилювача в системі волоконно-оптичного зв'язку
У системі волоконно-оптичного зв'язку,Волоконно-оптичний підсилювачможе використовуватися не тільки як підсилювач потужності передавача для збільшення потужності передачі, але й як передпідсилювач приймача для покращення чутливості прийому, а також може замінити традиційний оптико-електрично-оптичний ретранслятор, щоб збільшити дальність передачі та реалізувати повністю оптичний зв'язок.
У системах волоконно-оптичного зв'язку основними факторами, що обмежують дальність передачі, є втрати та дисперсія оптичного волокна. При використанні джерела світла вузького спектру або роботи поблизу довжини хвилі з нульовою дисперсією вплив дисперсії волокна невеликий. Цій системі не потрібно виконувати повну регенерацію синхронізації сигналу (3R-реле) на кожній ретрансляційній станції. Достатньо безпосередньо підсилити оптичний сигнал за допомогою оптичного підсилювача (1R-реле). Оптичні підсилювачі можуть використовуватися не лише в магістральних системах далекого зв'язку, але й у розподільчих волоконно-оптичних мережах, особливо в системах WDM, для одночасного посилення кількох каналів.
1) Застосування оптичних підсилювачів у магістральних волоконно-оптичних системах зв'язку
Рис. 2 – це схематична діаграма застосування оптичного підсилювача в системі магістрального волоконно-оптичного зв'язку. (a) На малюнку показано, що оптичний підсилювач використовується як підсилювач потужності передавача та передпідсилювач приймача, завдяки чому відстань без ретрансляції подвоюється. Наприклад, якщо використовувати EDFA, система передачі відстань 1,8 Гбіт/с збільшується зі 120 км до 250 км або навіть досягає 400 км. Рисунок 2 (b)-(d) показує застосування оптичних підсилювачів у багаторелейних системах; Рисунок (b) показує традиційний режим 3R-ретрансляції; Рисунок (c) показує змішаний режим ретрансляції 3R-ретрансляторів та оптичних підсилювачів; Рисунок 2 (d) Це повністю оптичний режим ретрансляції; у повністю оптичній системі зв'язку він не включає схеми синхронізації та регенерації, тому він є бітово-прозорим і не має обмеження типу "електронний пляшковий вус". Якщо замінити обладнання для передачі та прийому на обох кінцях, легко перейти з низької швидкості на високу, і оптичний підсилювач не потрібно замінювати.
2) Застосування оптичного підсилювача в мережі розподілу оптичних волокон
Переваги високої вихідної потужності оптичних підсилювачів (особливо EDFA) дуже корисні в широкосмугових розподільчих мережах (таких яккабельне телебаченняМережі). Традиційна мережа кабельного телебачення використовує коаксіальний кабель, який потрібно підсилювати кожні кілька сотень метрів, а радіус обслуговування мережі становить близько 7 км. Оптоволоконна мережа кабельного телебачення з використанням оптичних підсилювачів може не тільки значно збільшити кількість розподілених користувачів, але й значно розширити мережевий шлях. Нещодавні розробки показали, що розповсюдження оптичного волокна/гібрида (HFC) поєднує сильні сторони обох сторін та має високу конкурентоспроможність.
На рисунку 4 наведено приклад волоконно-оптичної розподільчої мережі для AM-VSB модуляції 35 телевізійних каналів. Джерелом світла передавача є DFB-LD з довжиною хвилі 1550 нм та вихідною потужністю 3,3 дБм. При використанні 4-рівневого EDFA як підсилювача розподілу потужності його вхідна потужність становить близько -6 дБм, а вихідна потужність - близько 13 дБм. Чутливість оптичного приймача -9,2 дБм. Після 4 рівнів розподілу загальна кількість користувачів досягла 4,2 мільйона, а довжина мережевого шляху перевищує десятки кілометрів. Зважене співвідношення сигнал/шум у тесті перевищувало 45 дБ, і EDFA не спричинив зниження CSO.
Час публікації: 23 квітня 2023 р.