1. Класификация наFиберAусилватели
Има три основни вида оптични усилватели:
(1) Полупроводников оптичен усилвател (SOA, полупроводников оптичен усилвател);
(2) Оптични усилватели, легирани с редкоземни елементи (ербий Er, тулий Tm, празеодим Pr, рубидий Nd и др.), главно оптични усилватели, легирани с ербий (ЕДФА), както и тулий-легирани влакнести усилватели (TDFA) и празеодим-легирани влакнести усилватели (PDFA) и др.
(3) Нелинейни оптични усилватели, главно оптични раманови усилватели (FRA, Fiber Raman Amplifier). Основното сравнение на производителността на тези оптични усилватели е показано в таблицата
EDFA (Ербий-легиран оптичен усилвател)
Многостепенна лазерна система може да се формира чрез легиране на кварцовото влакно с редкоземни елементи (като Nd, Er, Pr, Tm и др.), като входният светлинен сигнал се усилва директно под действието на помпената светлина. След осигуряване на подходяща обратна връзка се формира влакнест лазер. Работната дължина на вълната на Nd-легирания влакнест усилвател е 1060nm и 1330nm, а неговото развитие и приложение са ограничени поради отклонение от най-добрия поглъщащ порт на оптичната комуникация и други причини. Работните дължини на вълната на EDFA и PDFA са съответно в диапазона с най-ниски загуби (1550nm) и дължина на вълната с нулева дисперсия (1300nm) за оптична комуникация, докато TDFA работи в S-диапазона, което е много подходящо за приложения в оптични комуникационни системи. Особено EDFA, най-бързо разработеният, е практичен.
ThePпринцип на EDFA
Основната структура на EDFA е показана на Фигура 1(a). Тя се състои главно от активна среда (легирано с ербий силициево влакно с дължина около десетки метра, с диаметър на сърцевината 3-5 микрона и концентрация на легиране (25-1000)x10-6), източник на помпена светлина (990 или 1480nm LD), оптичен съединител и оптичен изолатор. Сигналната светлина и помпената светлина могат да се разпространяват в една и съща посока (съпосочно изпомпване), в противоположни посоки (обратно изпомпване) или в двете посоки (двупосочно изпомпване) в ербиевото влакно. Когато сигналната светлина и помпената светлина се инжектират едновременно в ербиевото влакно, ербиевите йони се възбуждат до високо енергийно ниво под действието на помпената светлина (Фигура 1(b), тристепенна система) и бързо се разпадат до метастабилно енергийно ниво. Когато се върнат в основно състояние под действието на падащата сигнална светлина, те излъчват фотони, съответстващи на сигналната светлина, така че сигналът се усилва. Фигура 1 (в) е неговият спектър на усилена спонтанна емисия (ASE) с голяма честотна лента (до 20-40 nm) и два пика, съответстващи съответно на 1530 nm и 1550 nm.
Основните предимства на EDFA са високо усилване, голяма честотна лента, висока изходна мощност, висока ефективност на помпата, ниски загуби при вмъкване и нечувствителност към състоянието на поляризация.
2. Проблеми с оптичните усилватели
Въпреки че оптичният усилвател (особено EDFA) има много изключителни предимства, той не е идеален усилвател. В допълнение към допълнителния шум, който намалява съотношението сигнал/шум (SNR) на сигнала, има и някои други недостатъци, като например:
- Неравномерността на спектъра на усилване в рамките на честотната лента на усилвателя влияе върху производителността на многоканалното усилване;
- Когато оптичните усилватели са каскадно свързани, ефектите от шума от ASE, дисперсията на влакната и нелинейните ефекти ще се натрупат.
Тези проблеми трябва да се вземат предвид при проектирането на приложенията и системите.
3. Приложение на оптичен усилвател в оптично-оптична комуникационна система
В комуникационната система с оптични влакна,Оптичен усилвателМоже да се използва не само като усилвател на мощността на предавателя за увеличаване на предавателната мощност, но и като предусилвател на приемника за подобряване на чувствителността на приемане, а също така може да замени традиционния оптично-електрическо-оптичен ретранслатор, за да удължи разстоянието на предаване и да реализира изцяло оптична комуникация.
В оптичните комуникационни системи, основните фактори, ограничаващи разстоянието на предаване, са загубите и дисперсията на оптичното влакно. Използвайки източник на светлина с тесен спектър или работейки близо до дължината на вълната с нулева дисперсия, влиянието на дисперсията на влакното е малко. Тази система не е необходимо да извършва пълна регенерация на времето на сигнала (3R реле) във всяка релейна станция. Достатъчно е директно да се усили оптичният сигнал с оптичен усилвател (1R реле). Оптичните усилватели могат да се използват не само в магистрални системи за дълги разстояния, но и в разпределителни оптични мрежи, особено в WDM системи, за едновременно усилване на множество канали.
1) Приложение на оптични усилватели в магистрални оптични комуникационни системи
Фиг. 2 е схематична диаграма на приложението на оптичния усилвател в магистралната оптична комуникационна система. (а) Фигурата показва, че оптичният усилвател се използва като усилвател на мощността на предавателя и предусилвател на приемника, така че разстоянието без реле се удвоява. Например, приемайки EDFA, предавателната система... Разстоянието от 1.8Gb/s се увеличава от 120 км на 250 км или дори достига 400 км. Фигура 2 (b)-(d) показва приложението на оптични усилватели в многорелейни системи; Фигура (b) показва традиционния 3R релеен режим; Фигура (c) показва смесения релеен режим на 3R ретранслатори и оптични усилватели; Фигура 2 (d) Това е изцяло оптичен релеен режим; в изцяло оптична комуникационна система той не включва вериги за синхронизация и регенерация, така че е битово прозрачен и няма ограничение от типа „електронни бутилки“. Стига изпращащото и приемащото оборудване от двата края да се подмени, е лесно да се надстрои от ниска към висока скорост и оптичният усилвател не е необходимо да се подменя.
2) Приложение на оптичен усилвател в мрежа за разпределение на оптични влакна
Предимствата на високата изходна мощност на оптичните усилватели (особено EDFA) са много полезни в широколентови разпределителни мрежи (като напримерКабелен телевизионен каналМрежи). Традиционната CATV мрежа използва коаксиален кабел, който трябва да се усилва на всеки няколкостотин метра, а радиусът на обслужване на мрежата е около 7 км. Оптичната CATV мрежа, използваща оптични усилватели, може не само значително да увеличи броя на разпределените потребители, но и значително да разшири мрежовия път. Последните развития показват, че разпространението на оптични влакна/хибрид (HFC) обединява силните страни и на двете страни и има силна конкурентоспособност.
Фигура 4 е пример за оптична разпределителна мрежа за AM-VSB модулация на 35 телевизионни канала. Източникът на светлина на предавателя е DFB-LD с дължина на вълната 1550nm и изходна мощност 3.3dBm. Използвайки 4-степенен EDFA като усилвател за разпределение на мощност, входната му мощност е около -6dBm, а изходната му мощност е около 13dBm. Чувствителност на оптичния приемник -9.2d Bm. След 4 нива на разпределение, общият брой на потребителите е достигнал 4.2 милиона, а мрежовият път е повече от десетки километри. Претегленото съотношение сигнал/шум на теста е по-голямо от 45dB и EDFA не е довело до намаляване на CSO.
Време на публикуване: 23 април 2023 г.