1. KlasifikaceFiberAzesilovače
Existují tři hlavní typy optických zesilovačů:
(1) Polovodičový optický zesilovač (SOA, Semiconductor Optical Amplifier);
(2) Optické vláknové zesilovače dopované prvky vzácných zemin (erbium Er, thulium Tm, praseodym Pr, rubidium Nd atd.), především erbiem dopované vláknové zesilovače (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 (Erbium dopovaný vláknový zesilovač)
Víceúrovňový laserový systém může být vytvořen dopováním křemenného vlákna prvky vzácných zemin (jako je Nd, Er, Pr, Tm atd.) a vstupní signální světlo je přímo zesíleno působením světla pumpy.Po poskytnutí vhodné zpětné vazby se vytvoří vláknový laser.Pracovní vlnová délka Nd-dopovaného vláknového zesilovače je 1060nm a 1330nm a jeho vývoj a aplikace jsou omezeny kvůli odchylce od nejlepšího sink portu optické komunikace a dalších důvodů.Provozní vlnové délky EDFA a PDFA jsou v okně s nejnižší ztrátou (1550nm) a vlnovou délkou s nulovou disperzí (1300nm) komunikace optických vláken a TDFA pracuje v pásmu S, které jsou velmi vhodné pro aplikace komunikačních systémů s optickými vlákny. .Zejména EDFA, nejrychlejší vývoj, byl praktický.
ThePprincip EDFA
Základní struktura EDFA je znázorněna na obrázku 1(a), který je složen převážně z aktivního média (křemičité vlákno dopované erbiem dlouhé asi desítky metrů, s průměrem jádra 3-5 mikronů a koncentrací dopingu (25 -1000)x10-6), světelný zdroj pumpy (990 nebo 1480nm LD), optický vazební člen a optický izolátor.Signální světlo a světlo pumpy se mohou v erbiovém vláknu šířit ve stejném směru (souměrné čerpání), opačných směrech (reverzní čerpání) nebo oběma směry (obousměrné čerpání).Když jsou signální světlo a světlo pumpy vstříknuty do vlákna erbia současně, ionty erbia jsou vybuzeny na vysokou energetickou úroveň působením světla pumpy (obrázek 1 (b), tříúrovňový systém), a rychle se rozpadá na metastabilní energetickou hladinu, když se působením dopadajícího signálního světla vrátí do základního stavu, emituje 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 píky odpovídajícími 1530 nm a 1550 nm.
Hlavní výhody EDFA jsou vysoký zisk, velká šířka pásma, vysoký výstupní výkon, vysoká účinnost čerpadla, nízký vložný útlum a necitlivost na stav polarizace.
2. Problémy s optickými zesilovači
Ačkoli má optický zesilovač (zejména EDFA) mnoho vynikajících výhod, není to ideální zesilovač.Kromě dodatečného šumu, který snižuje SNR signálu, existují některé další nedostatky, jako například:
- Nerovnoměrnost spektra zisku v rámci šířky pásma zesilovače ovlivňuje výkon vícekanálového zesílení;
- Při kaskádování optických zesilovačů se budou kumulovat účinky šumu ASE, rozptylu vláken a nelineárních efektů.
Tyto problémy je třeba vzít v úvahu při návrhu aplikace a systému.
3. Aplikace optického zesilovače v komunikačním systému s optickými vlákny
V komunikačním systému s optickým vláknem,Optický zesilovačlze použít nejen jako zesilovač pro zvýšení výkonu vysílače pro zvýšení vysílacího výkonu, ale také jako předzesilovač přijímače pro zlepšení citlivosti příjmu a může také nahradit tradiční opticko-elektricko-optický opakovač pro prodloužení přenosu na dálku a realizovat plně optickou komunikaci.
V komunikačních systémech s optickými vlákny jsou hlavními faktory omezujícími přenosovou vzdálenost ztráta a rozptyl optického vlákna.Při použití úzkospektrálního zdroje světla nebo při práci v blízkosti vlnové délky s nulovou disperzí je vliv rozptylu vláken malý.Tento systém nemusí provádět kompletní regeneraci časování signálu (3R relé) na každé reléové stanici.Optický signál stačí přímo zesílit optickým zesilovačem (1R relé).Optické zesilovače lze použít nejen v dálkových dálkových systémech, ale také v distribučních sítích s optickými vlákny, zejména v systémech WDM, k zesílení více kanálů současně.
1) Aplikace optických zesilovačů v komunikačních systémech kmenových optických vláken
Obr. 2 je schematický diagram aplikace optického zesilovače v dálkovém optickém vláknovém komunikačním systému.(a) obrázek ukazuje, že optický zesilovač je použit jako výkonový zesilovač vysílače a předzesilovač přijímače, takže bezreléová vzdálenost je dvojnásobná.Například přijetí EDFA, systémového přenosu vzdálenost 1,8 Gb/s se zvýší ze 120 km na 250 km nebo dokonce dosáhne 400 km.Obrázek 2 (b)-(d) je aplikace optických zesilovačů v multireléových systémech;Obrázek (b) je tradiční 3R reléový režim;Obrázek (c) je režim smíšeného relé 3R opakovačů a optických zesilovačů;Obrázek 2 (d) Jedná se o plně optický reléový režim;ve zcela optickém komunikačním systému neobsahuje časovací a regenerační obvody, takže je bitově transparentní a není zde žádné omezení „elektronické láhve“.Dokud je vyměněno odesílací a přijímací zařízení na obou koncích, je snadné upgradovat z nízké rychlosti na vysokou rychlost a optický zesilovač není třeba vyměňovat.
2) Aplikace optického zesilovače v optické distribuční síti
Výhody vysokého výstupního výkonu optických zesilovačů (zejména EDFA) jsou velmi užitečné v širokopásmových distribučních sítích (napřCATVsítě).Tradiční síť CATV využívá koaxiální kabel, který je třeba zesílit každých několik set metrů, a servisní rádius sítě je asi 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 optického vlákna/hybridu (HFC) čerpá silné stránky obou a má silnou konkurenceschopnost.
Obrázek 4 je příklad optické distribuční sítě pro AM-VSB modulaci 35 kanálů TV.Světelným zdrojem vysílače je DFB-LD s vlnovou délkou 1550nm a výstupním výkonem 3,3dBm.Při použití 4-úrovňového EDFA jako zesilovače distribuce výkonu je jeho vstupní výkon asi -6 dBm a výstupní výkon je asi 13 dBm.Citlivost optického přijímače -9,2d Bm.Po 4 úrovních distribuce dosáhl celkový počet uživatelů 4,2 milionu a síťová cesta má více než desítky kilometrů.Vážený poměr signálu k šumu testu byl větší než 45 dB a EDFA nezpůsobil snížení CSO.
Čas odeslání: 23. dubna 2023