1. ClasificareaFiberAamplificatoare
Există trei tipuri principale de amplificatoare optice:
(1) Amplificator optic semiconductor (SOA, Amplificator optic semiconductor);
(2) Amplificatoare cu fibră optică dopate cu elemente de pământuri rare (erbiu Er, tuliu Tm, praseodim Pr, rubidiu Nd etc.), în principal amplificatoare cu fibră dopată cu erbiu (EDFA), precum și amplificatoare cu fibră dopată cu tuliu (TDFA) și amplificatoare cu fibră dopată cu praseodim (PDFA) etc.
(3) Amplificatoare neliniare cu fibră optică, în principal amplificatoare Raman cu fibră optică (FRA, Fiber Raman Amplifier). Principala comparație a performanțelor acestor amplificatoare optice este prezentată în tabel.
EDFA (Amplificator cu fibră dopată cu erbiu)
Un sistem laser multi-nivel poate fi format prin doparea fibrei de cuarț cu elemente de pământuri rare (cum ar fi Nd, Er, Pr, Tm etc.), iar lumina semnalului de intrare este amplificată direct sub acțiunea luminii pompei. După furnizarea unui feedback adecvat, se formează un laser cu fibră. Lungimea de undă de lucru a amplificatorului cu fibră dopată cu Nd este de 1060 nm și 1330 nm, iar dezvoltarea și aplicarea sa sunt limitate din cauza abaterii de la cel mai bun port de absorbție pentru comunicațiile cu fibră optică și din alte motive. Lungimile de undă de funcționare ale EDFA și PDFA se află, respectiv, în fereastra cu cea mai mică pierdere (1550 nm) și lungimea de undă cu dispersie zero (1300 nm) pentru comunicațiile cu fibră optică, iar TDFA funcționează în banda S, fiind foarte potrivită pentru aplicațiile sistemelor de comunicații cu fibră optică. În special EDFA, care a avut cea mai rapidă dezvoltare, a fost practic.
Cel/Cea/Cei/CelePprincipiul EDFA
Structura de bază a EDFA este prezentată în Figura 1(a), care este compusă în principal dintr-un mediu activ (fibră de silice dopată cu erbiu, lungă de aproximativ zeci de metri, cu un diametru al miezului de 3-5 microni și o concentrație de dopare de (25-1000)x10-6), o sursă de lumină de pompă (LD de 990 sau 1480nm), un cuplaj optic și un izolator optic. Lumina de semnalizare și lumina de pompă se pot propaga în aceeași direcție (pompare codirecțională), în direcții opuse (pompare inversă) sau în ambele direcții (pompare bidirecțională) în fibra de erbiu. Când lumina de semnalizare și lumina de pompă sunt injectate simultan în fibra de erbiu, ionii de erbiu sunt excitați la un nivel ridicat de energie sub acțiunea luminii de pompă (Figura 1(b), un sistem cu trei niveluri) și se dezintegrează rapid la nivelul de energie metastabil. Când revin la starea fundamentală sub acțiunea luminii de semnalizare incidente, emite fotoni corespunzători luminii de semnalizare, astfel încât semnalul este amplificat. Figura 1 (c) prezintă spectrul său de emisie spontană amplificată (ASE) cu o lățime de bandă mare (până la 20-40 nm) și două vârfuri corespunzătoare la 1530 nm și, respectiv, 1550 nm.
Principalele avantaje ale EDFA sunt câștigul ridicat, lățimea de bandă mare, puterea de ieșire mare, eficiența ridicată a pompei, pierderea de inserție redusă și insensibilitatea la starea de polarizare.
2. Probleme cu amplificatoarele cu fibră optică
Deși amplificatorul optic (în special EDFA) are multe avantaje remarcabile, nu este un amplificator ideal. Pe lângă zgomotul suplimentar care reduce raportul semnal-zgomot (SNR) al semnalului, există și alte deficiențe, cum ar fi:
- Neuniformitatea spectrului de amplificare în lățimea de bandă a amplificatorului afectează performanța amplificării multicanal;
Când amplificatoarele optice sunt conectate în cascadă, efectele zgomotului ASE, dispersiei fibrei și efectelor neliniare se vor acumula.
Aceste aspecte trebuie luate în considerare în proiectarea aplicațiilor și a sistemului.
3. Aplicarea amplificatorului optic în sistemul de comunicații prin fibră optică
În sistemul de comunicații prin fibră optică,Amplificator cu fibră opticăPoate fi utilizat nu doar ca amplificator de putere al emițătorului pentru a crește puterea de transmisie, ci și ca preamplificator al receptorului pentru a îmbunătăți sensibilitatea de recepție și poate înlocui repetorul optico-electric-optic tradițional, pentru a extinde distanța de transmisie și a realiza o comunicare complet optică.
În sistemele de comunicații prin fibră optică, principalii factori care limitează distanța de transmisie sunt pierderile și dispersia fibrei optice. Folosind o sursă de lumină cu spectru îngust sau funcționând în apropierea lungimii de undă cu dispersie zero, influența dispersiei fibrei este mică. Acest sistem nu necesită o regenerare completă a temporizării semnalului (releu 3R) la fiecare stație de releu. Este suficientă amplificarea directă a semnalului optic cu un amplificator optic (releu 1R). Amplificatoarele optice pot fi utilizate nu numai în sistemele trunchiate pe distanțe lungi, ci și în rețelele de distribuție prin fibră optică, în special în sistemele WDM, pentru a amplifica mai multe canale simultan.
1) Aplicarea amplificatoarelor optice în sistemele de comunicații prin fibră optică de rețea
Fig. 2 este o diagramă schematică a aplicării amplificatorului optic în sistemul de comunicații prin fibră optică de rețea. (a) Imaginea arată că amplificatorul optic este utilizat ca amplificator de putere al emițătorului și preamplificator al receptorului, astfel încât distanța fără releu este dublată. De exemplu, adoptând EDFA, transmisia sistemului... Distanța de 1,8 Gb/s crește de la 120 km la 250 km sau chiar ajunge la 400 km. Figura 2 (b)-(d) prezintă aplicarea amplificatoarelor optice în sistemele multi-releu; Figura (b) reprezintă modul tradițional de releu 3R; Figura (c) reprezintă modul mixt de releu al repetoarelor 3R și amplificatoarelor optice; Figura 2 (d) Este un mod de releu complet optic; într-un sistem de comunicații complet optic, nu include circuite de temporizare și regenerare, deci este transparent la biți și nu există restricții de tip „sticlă electronică”. Atâta timp cât echipamentul de trimitere și recepție de la ambele capete este înlocuit, este ușor să se facă upgrade de la o rată mică la una mare, iar amplificatorul optic nu trebuie înlocuit.
2) Aplicarea amplificatorului optic în rețeaua de distribuție prin fibră optică
Avantajele de putere mare de ieșire ale amplificatoarelor optice (în special EDFA) sunt foarte utile în rețelele de distribuție în bandă largă (cum ar fiTeleviziune prin cabluRețele). Rețeaua CATV tradițională adoptă cablu coaxial, care trebuie amplificat la fiecare câteva sute de metri, iar raza de deservire a rețelei este de aproximativ 7 km. Rețeaua CATV cu fibră optică care utilizează amplificatoare optice nu numai că poate crește considerabil numărul de utilizatori distribuiți, dar poate și extinde considerabil traseul rețelei. Dezvoltările recente au arătat că distribuția prin fibră optică/hibrid (HFC) valorifică punctele forte ale ambelor și are o competitivitate puternică.
Figura 4 prezintă un exemplu de rețea de distribuție prin fibră optică pentru modulația AM-VSB a 35 de canale TV. Sursa de lumină a emițătorului este DFB-LD cu o lungime de undă de 1550 nm și o putere de ieșire de 3,3 dBm. Folosind un amplificator de distribuție a puterii EDFA pe 4 niveluri, puterea sa de intrare este de aproximativ -6 dBm, iar puterea sa de ieșire este de aproximativ 13 dBm. Sensibilitatea receptorului optic este de -9,2 d Bm. După 4 niveluri de distribuție, numărul total de utilizatori a ajuns la 4,2 milioane, iar traseul rețelei este de peste zeci de kilometri. Raportul semnal-zgomot ponderat al testului a fost mai mare de 45 dB, iar EDFA nu a cauzat o reducere a CSO.
Data publicării: 23 aprilie 2023