1. KlasifikaceFiberAzesilovače
Existují tři hlavní typy optických zesilovačů:
(1) Polovodičový optický zesilovač (SOA, polovodičový optický zesilovač);
(2) Optické vláknové zesilovače dopované prvky vzácných zemin (erbium Er, thulium Tm, praseodym Pr, rubidium Nd atd.), zejména vláknové zesilovače dopované erbiem (EDFA), stejně jako thuliem dopované vláknové zesilovače (TDFA) a praseodymem dopované vláknové zesilovače (PDFA) atd.
(3) Nelineární vláknové zesilovače, zejména vláknové Ramanovy zesilovače (FRA, Fiber Raman Amplifier). Hlavní srovnání výkonu těchto optických zesilovačů je uvedeno v tabulce
EDFA (erbiem dopovaný vláknový zesilovač)
Víceúrovňový laserový systém lze vytvořit dopováním křemenného vlákna prvky vzácných zemin (jako je Nd, Er, Pr, Tm atd.) a vstupní signální světlo je přímo zesíleno působením budicího světla. Po poskytnutí vhodné zpětné vazby se vytvoří vláknový laser. Pracovní vlnová délka vláknového zesilovače dopovaného Nd je 1060 nm a 1330 nm a jeho vývoj a použití jsou omezeny kvůli odchylce od nejlepšího sink portu optické komunikace a dalším důvodům. Provozní vlnové délky EDFA a PDFA jsou v okně s nejnižšími ztrátami (1550 nm) a vlnovou délkou s nulovou disperzí (1300 nm) optické komunikace a TDFA pracuje v pásmu S, což je velmi vhodné pro aplikace v systémech optické komunikace. Zejména EDFA, která se rozvíjí nejrychleji, se ukázala jako praktická.
Ten/Ta/ToPprincip EDFA
Základní struktura EDFA je znázorněna na obrázku 1(a), která se skládá hlavně z aktivního média (erbiem dopovaného oxidu křemičitého vlákna dlouhého asi desítky metrů, s průměrem jádra 3-5 mikronů a koncentrací dopingu (25-1000)x10-6), zdroje budicího světla (LD 990 nebo 1480 nm), optického vazebního členu a optického izolátoru. Signální světlo a budicí světlo se v erbiovém vlákně mohou šířit stejným směrem (sousměrné čerpání), opačnými směry (reverzní čerpání) nebo oběma směry (obousměrné čerpání). Když jsou signální světlo a budicí světlo vstřikovány do erbiového vlákna současně, ionty erbia jsou působením budicího světla excitovány na vysokou energetickou hladinu (obrázek 1(b), tříúrovňový systém) a rychle se rozpadají na metastabilní energetickou hladinu. Když se působením dopadajícího signálního světla vrátí do základního stavu, emitují fotony odpovídající signálnímu světlu, takže signál je zesílen. Obrázek 1 (c) je jeho spektrum zesílené spontánní emise (ASE) s velkou šířkou pásma (až 20–40 nm) a dvěma vrcholy odpovídajícími 1530 nm a 1550 nm.
Hlavními výhodami EDFA jsou vysoký zisk, velká šířka pásma, vysoký výstupní výkon, vysoká účinnost čerpadla, nízké vložné ztráty a necitlivost na stav polarizace.
2. Problémy s optickými zesilovači
Přestože má optický zesilovač (zejména EDFA) mnoho vynikajících výhod, není ideálním zesilovačem. Kromě dodatečného šumu, který snižuje odstup signálu od šumu (SNR), má i některé další nedostatky, například:
- Nerovnoměrnost spektra zesílení v rámci šířky pásma zesilovače ovlivňuje výkon vícekanálového zesilování;
- Při kaskádování optických zesilovačů se kumulují účinky šumu ASE, disperze vlákna a nelineárních efektů.
Tyto problémy je třeba zohlednit při návrhu aplikace a systému.
3. Použití optického zesilovače v optickém vláknovém komunikačním systému
V systému optické komunikace,Optický zesilovačLze jej použít nejen jako zesilovač výkonu vysílače pro zvýšení vysílacího výkonu, ale také jako předzesilovač přijímače pro zlepšení citlivosti příjmu a může také nahradit tradiční opticko-elektrooptický opakovač, prodloužit přenosovou vzdálenost a realizovat plně optickou komunikaci.
V optických komunikačních systémech jsou hlavními faktory omezujícími přenosovou vzdálenost ztráty a disperze optického vlákna. Při použití úzkospektrálního světelného zdroje nebo při práci v blízkosti vlnové délky s nulovou disperzí je vliv disperze vlákna malý. Tento systém nevyžaduje úplnou regeneraci časování signálu (3R relé) v každé reléové stanici. Stačí přímo zesílit optický signál optickým zesilovačem (1R relé). Optické zesilovače lze použít nejen v dálkových dálkových systémech, ale také v optických distribučních sítích, zejména v systémech WDM, k současnému zesílení více kanálů.
1) Použití optických zesilovačů v dálkových optických komunikačních systémech
Obr. 2 je schematický diagram použití optického zesilovače v dálkovém optickém komunikačním systému. (a) Obrázek ukazuje, že optický zesilovač se používá jako zesilovač výkonu vysílače a předzesilovač přijímače, takže se nereléová vzdálenost zdvojnásobí. Například při použití EDFA se systémový přenos Vzdálenost 1,8 Gb/s se zvětší ze 120 km na 250 km nebo dokonce dosáhne 400 km. Obrázek 2 (b)-(d) znázorňuje použití optických zesilovačů v multireléových systémech; Obrázek (b) znázorňuje tradiční režim 3R relé; Obrázek (c) znázorňuje smíšený režim relé opakovačů 3R a optických zesilovačů; Obrázek 2 (d) Jedná se o plně optický reléový režim; v plně optickém komunikačním systému neobsahuje časovací a regenerační obvody, takže je bitově transparentní a neexistuje žádné omezení typu „elektronický láhevový whisker“. Pokud je vyměněno vysílací a přijímací zařízení na obou koncích, je snadné upgradovat z nízké rychlosti na vysokou rychlost a optický zesilovač není nutné vyměňovat.
2) Použití optického zesilovače v optické distribuční síti
Výhody vysokého výstupního výkonu optických zesilovačů (zejména EDFA) jsou velmi užitečné v širokopásmových distribučních sítích (jako např.KABELOVÁ TVSítě). Tradiční síť CATV využívá koaxiální kabel, který je třeba zesilovat každých několik set metrů, a dosah sítě je přibližně 7 km. Optická síť CATV využívající optické zesilovače může nejen výrazně zvýšit počet distribuovaných uživatelů, ale také výrazně rozšířit síťovou cestu. Nedávný vývoj ukázal, že distribuce optických vláken/hybridů (HFC) využívá silné stránky obou stran a má silnou konkurenceschopnost.
Obrázek 4 je příkladem optické distribuční sítě pro AM-VSB modulaci 35 televizních kanálů. Zdrojem světla vysílače je DFB-LD s vlnovou délkou 1550 nm a výstupním výkonem 3,3 dBm. Při použití 4úrovňového EDFA jako zesilovače distribuce výkonu je jeho vstupní výkon přibližně -6 dBm a výstupní výkon je přibližně 13 dBm. Citlivost optického přijímače je -9,2 d Bm. Po 4 úrovních distribuce dosáhl celkový počet uživatelů 4,2 milionu a síťová cesta je více než desítky kilometrů. Vážený poměr signálu k šumu v testu byl větší než 45 dB a EDFA nezpůsobila snížení CSO.
Čas zveřejnění: 23. dubna 2023