1. KlasifikáciaFiberAzosilňovače
Existujú tri hlavné typy optických zosilňovačov:
(1) Polovodičový optický zosilňovač (SOA, polovodičový optický zosilňovač);
(2) Optické zosilňovače dopované prvkami vzácnych zemín (erbium Er, túlium Tm, prazeodým Pr, rubídium Nd atď.), najmä vláknové zosilňovače dopované erbiom (EDFA), ako aj túliom dopované vláknové zosilňovače (TDFA) a prazeodýmom dopované vláknové zosilňovače (PDFA) atď.
(3) Nelineárne vláknové zosilňovače, najmä vláknové Ramanove zosilňovače (FRA, Fiber Raman Amplifier). Hlavné porovnanie výkonu týchto optických zosilňovačov je uvedené v tabuľke
EDFA (Erbiom dopovaný optický zosilňovač)
Viacúrovňový laserový systém je možné vytvoriť dopovaním kremenného vlákna prvkami vzácnych zemín (ako sú Nd, Er, Pr, Tm atď.) a vstupný signál svetla je priamo zosilnený pôsobením čerpacieho svetla. Po poskytnutí vhodnej spätnej väzby sa vytvorí vláknový laser. Pracovná vlnová dĺžka vláknového zosilňovača dopovaného Nd je 1060 nm a 1330 nm a jeho vývoj a použitie sú obmedzené kvôli odchýlke od najlepšieho sink portu optickej komunikácie a iným dôvodom. Prevádzkové vlnové dĺžky EDFA a PDFA sú v rozsahu s najnižšími stratami (1550 nm) a nulovou disperziou (1300 nm) optickej komunikácie a TDFA pracuje v pásme S, čo je veľmi vhodné pre aplikácie v systémoch optickej komunikácie. Obzvlášť praktický bol EDFA, ktorý sa najrýchlejšie rozvíjal.
Ten/Tá/ToPprincíp EDFA
Základná štruktúra EDFA je znázornená na obrázku 1(a), ktorý sa skladá hlavne z aktívneho média (oxid kremičitý dopovaný erbiom s dĺžkou približne desiatky metrov, s priemerom jadra 3 – 5 mikrónov a koncentráciou dopingu (25 – 1 000) x 10⁻⁶), zdroja čerpacieho svetla (LD s vlnovou dĺžkou 990 alebo 1 480 nm), optického väzobného člena a optického izolátora. Signálne svetlo a čerpacie svetlo sa v erbiovom vlákne môžu šíriť rovnakým smerom (súsmerné čerpanie), opačnými smermi (spätné čerpanie) alebo oboma smermi (obojsmerné čerpanie). Keď sa signálne svetlo a čerpacie svetlo vstrekujú do erbiového vlákna súčasne, ióny erbia sú pôsobením čerpacieho svetla excitované na vysokú energetickú hladinu (obrázok 1(b), trojúrovňový systém) a rýchlo sa rozpadajú na metastabilnú energetickú hladinu. Keď sa pôsobením dopadajúceho signálneho svetla vrátia do základného stavu, vyžarujú fotóny zodpovedajúce signálnemu svetlu, čím sa signál zosilní. Obrázok 1 (c) je jeho spektrum zosilnenej spontánnej emisie (ASE) so širokou šírkou pásma (až do 20 – 40 nm) a dvoma vrcholmi zodpovedajúcimi 1530 nm a 1550 nm.
Hlavnými výhodami EDFA sú vysoký zisk, veľká šírka pásma, vysoký výstupný výkon, vysoká účinnosť čerpadla, nízke vložené straty a necitlivosť na stav polarizácie.
2. Problémy s optickými zosilňovačmi
Hoci optický zosilňovač (najmä EDFA) má mnoho vynikajúcich výhod, nie je ideálnym zosilňovačom. Okrem dodatočného šumu, ktorý znižuje pomer signálu k šumu (SNR) signálu, má aj niekoľko ďalších nedostatkov, ako napríklad:
- Nerovnomernosť spektra zosilnenia v rámci šírky pásma zosilňovača ovplyvňuje výkon viackanálového zosilnenia;
- Pri kaskádovom zapojení optických zosilňovačov sa kumulujú účinky šumu ASE, disperzie vlákien a nelineárnych efektov.
Tieto problémy je potrebné zohľadniť pri návrhu aplikácie a systému.
3. Použitie optického zosilňovača v optickom komunikačnom systéme
V systéme optickej komunikácie,Optický zosilňovačMôže sa použiť nielen ako zosilňovač výkonu vysielača na zvýšenie vysielacieho výkonu, ale aj ako predzosilňovač prijímača na zlepšenie citlivosti príjmu a môže tiež nahradiť tradičný opticko-elektrooptický opakovač na predĺženie prenosovej vzdialenosti a realizáciu plne optickej komunikácie.
V optických komunikačných systémoch sú hlavnými faktormi obmedzujúcimi prenosovú vzdialenosť straty a rozptyl optického vlákna. Pri použití úzkospektrálneho svetelného zdroja alebo pri práci v blízkosti vlnovej dĺžky s nulovou disperziou je vplyv disperzie vlákna malý. Tento systém nevyžaduje úplnú regeneráciu časovania signálu (3R relé) na každej reléovej stanici. Stačí priamo zosilniť optický signál optickým zosilňovačom (1R relé). Optické zosilňovače sa môžu použiť nielen v diaľkových prenosových systémoch, ale aj v distribučných sieťach optických vlákien, najmä v systémoch WDM, na súčasné zosilnenie viacerých kanálov.
1) Použitie optických zosilňovačov v diaľkových optických komunikačných systémoch
Obr. 2 je schematický diagram použitia optického zosilňovača v diaľkovom optickom komunikačnom systéme. (a) Obrázok znázorňuje, že optický zosilňovač sa používa ako zosilňovač výkonu vysielača a predzosilňovač prijímača, takže sa vzdialenosť bez relé zdvojnásobí. Napríklad, použitím EDFA sa systémový prenos vzdialenosť 1,8 Gb/s sa zvyšuje zo 120 km na 250 km alebo dokonca dosahuje 400 km. Obrázok 2 (b)-(d) znázorňuje použitie optických zosilňovačov v multireléových systémoch; Obrázok (b) znázorňuje tradičný režim 3R relé; Obrázok (c) znázorňuje zmiešaný režim relé 3R opakovačov a optických zosilňovačov; Obrázok 2 (d) Ide o plne optický režim relé; v plne optickom komunikačnom systéme neobsahuje časovacie a regeneračné obvody, takže je bitovo transparentný a neexistuje žiadne obmedzenie typu „elektronický fľaškový fúz“. Pokiaľ sa vymení vysielacie a prijímacie zariadenie na oboch koncoch, je jednoduché prejsť z nízkej rýchlosti na vysokú a optický zosilňovač nie je potrebné vymieňať.
2) Použitie optického zosilňovača v distribučnej sieti optických vlákien
Výhody vysokého výstupného výkonu optických zosilňovačov (najmä EDFA) sú veľmi užitočné v širokopásmových distribučných sieťach (ako napr.Káblová televíziaSiete). Tradičná sieť CATV využíva koaxiálny kábel, ktorý je potrebné zosilňovať každých niekoľko sto metrov, a dosah siete je približne 7 km. Optická sieť CATV využívajúca optické zosilňovače môže nielen výrazne zvýšiť počet distribuovaných používateľov, ale aj výrazne rozšíriť sieťovú trasu. Nedávny vývoj ukázal, že distribúcia optických vlákien/hybridov (HFC) čerpá zo silných stránok oboch strán a má silnú konkurencieschopnosť.
Obrázok 4 je príkladom optickej distribučnej siete pre AM-VSB moduláciu 35 televíznych kanálov. Zdrojom svetla vysielača je DFB-LD s vlnovou dĺžkou 1550 nm a výstupným výkonom 3,3 dBm. Pri použití 4-úrovňového EDFA ako zosilňovača distribúcie výkonu je jeho vstupný výkon približne -6 dBm a výstupný výkon je približne 13 dBm. Citlivosť optického prijímača je -9,2 d Bm. Po 4 úrovniach distribúcie dosiahol celkový počet používateľov 4,2 milióna a sieťová cesta je viac ako desiatky kilometrov. Vážený pomer signálu k šumu v teste bol väčší ako 45 dB a EDFA nespôsobila zníženie CSO.
Čas uverejnenia: 23. apríla 2023