1. КласифікаціяFiberAпідсилювачі
Існує три основних типи оптичних підсилювачів:
(1) Напівпровідниковий оптичний підсилювач (SOA, Semiconductor Optical Amplifier);
(2) Волоконно-оптичні підсилювачі, леговані рідкоземельними елементами (ербій Er, тулій Tm, празеодим Pr, рубідій Nd та ін.), в основному волоконні підсилювачі, леговані ербієм (EDFA), а також волоконні підсилювачі, леговані тулієм (TDFA) і волоконні підсилювачі, леговані празеодимом (PDFA) тощо.
(3) Нелінійні волоконні підсилювачі, головним чином волоконно-раманівські підсилювачі (FRA, Fiber Raman Amplifier). Основне порівняння характеристик цих оптичних підсилювачів наведено в таблиці
EDFA (волоконний підсилювач, легований ербієм)
Багаторівнева лазерна система може бути сформована шляхом легування кварцового волокна рідкоземельними елементами (такими як Nd, Er, Pr, Tm тощо), а світло вхідного сигналу безпосередньо посилюється під дією світла накачки. Після забезпечення відповідного зворотного зв'язку формується волоконний лазер. Робоча довжина хвилі волоконного підсилювача, легованого Nd, становить 1060 нм і 1330 нм, і його розробка та застосування обмежені через відхилення від найкращого порту прийому волоконно-оптичних комунікацій та з інших причин. Робочі довжини хвиль EDFA та PDFA відповідно знаходяться у вікні найнижчих втрат (1550 нм) і нульової дисперсії (1300 нм) волоконно-оптичних комунікацій, а TDFA працює в S-діапазоні, що дуже підходить для додатків волоконно-оптичних систем зв’язку. . Особливо EDFA, найшвидший розвиток, був практичним.
ThePпринцип EDFA
Основна структура EDFA показана на малюнку 1(a), яка в основному складається з активного середовища (кремнеземного волокна, легованого ербієм, довжиною близько десятків метрів, з діаметром серцевини 3-5 мікрон і концентрацією легуючої речовини (25 -1000)x10-6), джерело світла накачування (990 або 1480 нм LD), оптичний з’єднувач і оптичний ізолятор. Сигнальне світло та світло накачування можуть поширюватися в одному напрямку (співнаправлене накачування), протилежних напрямках (зворотне накачування) або в обох напрямках (двонаправлене накачування) у ербієвому волокні. Коли сигнальне світло та світло накачки вводяться в ербієве волокно одночасно, іони ербію збуджуються до високого рівня енергії під дією світла накачки (рис. 1 (b), трирівнева система), і швидко розпадається до метастабільного рівня енергії, коли він повертається до основного стану під дією падаючого сигнального світла, він випромінює фотони, відповідні сигнальному світлу, так що сигнал посилюється. На малюнку 1 (c) представлено його спектр посиленого спонтанного випромінювання (ASE) з широкою смугою пропускання (до 20-40 нм) і двома піками, що відповідають 1530 нм і 1550 нм відповідно.
Основними перевагами EDFA є високий коефіцієнт посилення, 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. Крім додаткового шуму, який знижує SNR сигналу, є деякі інші недоліки, такі як:
- Нерівномірність спектра посилення в межах смуги пропускання підсилювача впливає на продуктивність багатоканального підсилення;
- Коли оптичні підсилювачі підключаються каскадом, вплив шуму ASE, дисперсії волокна та нелінійних ефектів буде накопичуватися.
Ці питання необхідно враховувати при проектуванні програми та системи.
3. Застосування оптичного підсилювача в волоконно-оптичній системі зв'язку
У волоконно-оптичній системі зв'язкуВолоконно-оптичний підсилювачможе використовуватися не тільки як підсилювач потужності передавача для збільшення потужності передачі, але також як попередній підсилювач приймача для покращення чутливості прийому, а також може замінити традиційний оптичний, електричний, оптичний повторювач, щоб розширити передачу відстань і реалізувати повністю оптичний зв'язок.
У волоконно-оптичних системах зв'язку основними факторами, що обмежують відстань передачі, є втрати та дисперсія оптичного волокна. Якщо використовувати джерело світла з вузьким спектром або працювати поблизу довжини хвилі з нульовою дисперсією, вплив дисперсії волокна є невеликим. Цій системі не потрібно виконувати повну синхронізацію сигналу (реле 3R) на кожній ретрансляційній станції. Досить безпосередньо підсилити оптичний сигнал за допомогою оптичного підсилювача (реле 1R). Оптичні підсилювачі можна використовувати не тільки в міжміських магістральних системах, але і в оптоволоконних розподільних мережах, особливо в системах WDM, для посилення кількох каналів одночасно.
1) Застосування оптичних підсилювачів у магістральних волоконно-оптичних системах зв'язку
2 - принципова схема застосування оптичного підсилювача в магістральній волоконно-оптичній системі зв'язку. (a) зображення показує, що оптичний підсилювач використовується як підсилювач потужності передавача та попередній підсилювач приймача, так що відстань без реле подвоюється. Наприклад, прийняття EDFA, системи передачі відстань 1,8 Гбіт/с збільшується зі 120 км до 250 км або навіть досягає 400 км. На рисунку 2 (b)-(d) показано застосування оптичних підсилювачів у багаторелейних системах; На рисунку (b) представлений традиційний режим реле 3R; На малюнку (c) зображено режим змішаної ретрансляції 3R повторювачів і оптичних підсилювачів; Рисунок 2 (d) Це повністю оптичний режим реле; у повністю оптичній системі зв’язку він не включає схеми синхронізації та регенерації, тому він прозорий для бітів, і немає обмежень щодо «вуса електронної пляшки». Поки замінено передавальне та приймальне обладнання на обох кінцях, легко оновити низьку швидкість до високої швидкості, і оптичний підсилювач не потребує заміни.
2) Застосування оптичного підсилювача в волоконно-оптичній розподільній мережі
Переваги високої вихідної потужності оптичних підсилювачів (особливо EDFA) дуже корисні в широкосмугових розподільних мережах (таких якCATVмережі). Традиційна мережа CATV використовує коаксіальний кабель, який потрібно підсилювати кожні кілька сотень метрів, а радіус обслуговування мережі становить близько 7 км. Оптоволоконна мережа CATV з використанням оптичних підсилювачів може не тільки значно збільшити кількість розподілених користувачів, але й значно розширити мережевий шлях. Останні події показали, що розповсюдження оптичного волокна/гібриду (HFC) використовує сильні сторони обох і має сильну конкурентоспроможність.
На малюнку 4 наведено приклад волоконно-оптичної розподільної мережі для модуляції AM-VSB 35 каналів телебачення. Джерелом світла передавача є DFB-LD з довжиною хвилі 1550 нм і вихідною потужністю 3,3 дБм. Використовуючи 4-рівневий EDFA як підсилювач розподілу потужності, його вхідна потужність становить близько -6 дБм, а його вихідна потужність становить близько 13 дБм. Чутливість оптичного приймача -9,2d Bm. Після 4 рівнів розподілу загальна кількість користувачів досягла 4,2 мільйона, а мережевий шлях становить понад десятки кілометрів. Зважене відношення сигнал/шум у тесті було більше 45 дБ, і EDFA не спричинив зниження CSO.
Час публікації: 23 квітня 2023 р