1. Класификация наFiberAусилватели
Има три основни типа оптични усилватели:
(1) Полупроводников оптичен усилвател (SOA, полупроводников оптичен усилвател);
(2) Усилватели с оптични влакна, легирани с редкоземни елементи (ербий Er, тулий Tm, празеодимий Pr, рубидий Nd и др.), главно усилватели с влакна, легирани с ербий (EDFA), както и усилватели с влакна, легирани с тулий (TDFA) и усилватели с влакна, легирани с празеодим (PDFA) и др.
(3) Нелинейни влакнести усилватели, главно влакнести Raman усилватели (FRA, Fiber Raman Amplifier).Основното сравнение на производителността на тези оптични усилватели е показано в таблицата
EDFA (усилвател с влакна с добавка на ербий)
Многостепенна лазерна система може да бъде формирана чрез допиране на кварцовото влакно с редкоземни елементи (като Nd, Er, Pr, Tm и др.), а светлината на входния сигнал се усилва директно под действието на светлината на помпата.След осигуряване на подходяща обратна връзка се формира фибролазер.Работната дължина на вълната на усилвателя с Nd-оптични влакна е 1060 nm и 1330 nm и неговото развитие и приложение са ограничени поради отклонение от най-добрия порт за поглъщане на оптична комуникация и други причини.Работните дължини на вълните на EDFA и PDFA са съответно в прозореца на най-ниската загуба (1550 nm) и дължината на вълната с нулева дисперсия (1300 nm) на комуникация с оптични влакна, а TDFA работи в S-обхвата, които са много подходящи за приложения на комуникационни системи с оптични влакна .Особено EDFA, най-бързото развитие, беше практичен.
ThePпринцип на EDFA
Основната структура на EDFA е показана на фигура 1(a), която се състои главно от активна среда (легирано с ербий силициево влакно с дължина около десетки метри, с диаметър на сърцевината от 3-5 микрона и концентрация на допинг от (25 -1000)x10-6), източник на светлина с помпа (990 или 1480nm LD), оптичен съединител и оптичен изолатор.Сигналната светлина и светлината на помпата могат да се разпространяват в една и съща посока (копосочно изпомпване), противоположни посоки (обратно изпомпване) или и двете посоки (двупосочно изпомпване) в ербиевото влакно.Когато сигналната светлина и светлината на помпата се инжектират в ербиевото влакно едновременно, ербиевите йони се възбуждат до високо енергийно ниво под действието на светлината на помпата (Фигура 1 (b), система от три нива), и бързо се разпада до метастабилно енергийно ниво, когато се върне в основното състояние под действието на падащата сигнална светлина, той излъчва фотони, съответстващи на сигналната светлина, така че сигналът се усилва.Фигура 1 (c) е неговият спектър на усилено спонтанно излъчване (ASE) с широка 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, ниска загуба на вмъкване и нечувствителност към поляризационно състояние.
2. Проблеми с оптични усилватели
Въпреки че оптичният усилвател (особено EDFA) има много изключителни предимства, той не е идеален усилвател.В допълнение към допълнителния шум, който намалява SNR на сигнала, има 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 каскадни, ефектите от ASE шума, дисперсията на влакната и нелинейните ефекти ще се натрупват.
Тези проблеми трябва да се вземат предвид при проектирането на приложения и системи.
3. Приложение на оптичен усилвател в комуникационна система с оптични влакна
В комуникационната система с оптични влакна,Оптичен усилвателможе да се използва не само като усилвател за усилване на мощността на предавателя за увеличаване на предавателната мощност, но и като предусилвател на приемника за подобряване на чувствителността на приемане и може също да замени традиционния оптично-електрически-оптичен повторител, за да разшири предаването разстояние и реализиране на изцяло оптична комуникация.
В комуникационните системи с оптични влакна основните фактори, ограничаващи разстоянието на предаване, са загубата 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 влакната е малко.Тази система не трябва да извършва пълно регенериране на времето на сигнала (3R реле) на всяка релейна станция.Достатъчно е директно усилване на оптичния сигнал с оптичен усилвател (1R реле).Оптичните усилватели могат да се използват не само в магистрални системи на дълги разстояния, но и в разпределителни мрежи с оптични влакна, особено в WDM системи, за усилване на множество канали едновременно.
1) Приложение на оптични усилватели в магистрални комуникационни системи с оптични влакна
Фигура 2 е схематична диаграма на приложението на оптичния усилвател в комуникационната система с оптични влакна.(a) снимката показва, че оптичният усилвател се използва като усилвател на мощността на предавателя и предусилвател на приемника, така че разстоянието без реле се удвоява.Например приемането на EDFA, системното предаване разстояние от 1,8 Gb/s се увеличава от 120 км на 250 км или дори достига 400 км.Фигура 2 (b)-(d) е приложението на оптични усилватели в многорелейни системи;Фигура (b) е традиционният 3R релеен режим;Фигура (c) е режимът на смесено реле на 3R повторители и оптични усилватели;Фигура 2 (d) Това е изцяло оптичен релеен режим;в изцяло оптична комуникационна система, тя не включва синхронизиращи и регенериращи вериги, така че е битово прозрачна и няма ограничение за „електронна бутилка“.Докато оборудването за изпращане и получаване в двата края е заменено, лесно е да се надстрои от ниска скорост към висока скорост и не е необходимо да се сменя оптичният усилвател.
2) Приложение на оптичния усилвател в разпределителната мрежа с оптични влакна
Предимствата на високата изходна мощност на оптичните усилватели (особено EDFA) са много полезни в широколентови разпределителни мрежи (като напр.CATVмрежи).Традиционната CATV мрежа използва коаксиален кабел, който трябва да се усилва на всеки няколкостотин метра, а обхватът на обслужване на мрежата е около 7 км.CATV мрежата с оптични влакна, използваща оптични усилватели, може не само значително да увеличи броя на разпределените потребители, но и значително да разшири мрежовия път.Последните разработки показаха, че разпространението на оптично влакно/хибрид (HFC) черпи силните страни и на двете и има силна конкурентоспособност.
Фигура 4 е пример за разпределителна мрежа от оптични влакна 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 мощността, неговата входна мощност е около -6dBm, а изходната мощност е около 13dBm.Чувствителност на оптичния приемник -9.2d Bm.След 4 нива на разпространение общият брой на потребителите достигна 4,2 милиона, а мрежовият път е повече от десетки километри.Претегленото съотношение сигнал/шум на теста беше по-голямо от 45 dB и EDFA не причини намаляване на CSO.
Време на публикуване: 23 април 2023 г