1. КлассификацияFиберAусилители
Существует три основных типа оптических усилителей:
(1) Полупроводниковый оптический усилитель (SOA, полупроводниковый оптический усилитель);
(2) Волоконно-оптические усилители, легированные редкоземельными элементами (эрбий Er, тулий Tm, празеодим Pr, рубидий Nd и т. д.), в основном волоконно-оптические усилители, легированные эрбием (ЭДФА), а также усилители на волокне, легированном тулием (TDFA) и усилители на волокне, легированном празеодимом (PDFA) и т. д.
(3) Нелинейные волоконные усилители, в основном волоконные рамановские усилители (FRA, Fiber Raman Amplifier). Сравнение основных характеристик этих оптических усилителей приведено в таблице.
EDFA (усилитель на волокне, легированном эрбием)
Многоуровневая лазерная система может быть сформирована путем легирования кварцевого волокна редкоземельными элементами (такими как Nd, Er, Pr, Tm и т. д.), а входной сигнальный свет напрямую усиливается под действием света накачки. После обеспечения соответствующей обратной связи формируется волоконный лазер. Рабочая длина волны усилителя на основе волокна, легированного Nd, составляет 1060 нм и 1330 нм, и его разработка и применение ограничены из-за отклонения от наилучшего порта приема волоконно-оптической связи и других причин. Рабочие длины волн EDFA и PDFA находятся соответственно в окне наименьших потерь (1550 нм) и длине волны нулевой дисперсии (1300 нм) волоконно-оптической связи, а TDFA работает в S-диапазоне, что очень подходит для приложений систем волоконно-оптической связи. Особенно EDFA, наиболее быстро развивающийся, оказался практичным.
ThePпринцип EDFA
Базовая структура EDFA показана на рисунке 1(a). Она состоит в основном из активной среды (легированного эрбием кварцевого волокна длиной около десятков метров, с диаметром сердцевины 3-5 микрон и концентрацией легирования (25-1000)x10-6), источника оптической накачки (лазерный диод с длиной волны 990 или 1480 нм), оптического соединителя и оптического изолятора. Сигнальный свет и свет накачки могут распространяться в одном направлении (сонаправленная накачка), в противоположных направлениях (обратная накачка) или в обоих направлениях (двунаправленная накачка) в эрбиевом волокне. При одновременной инжекции в эрбиевое волокно сигнального света и света накачки ионы эрбия возбуждаются до высокого энергетического уровня под действием света накачки (рисунок 1(б), трехуровневая система) и быстро распадаются на метастабильный энергетический уровень. Когда он возвращается в основное состояние под действием падающего сигнального света, он испускает фотоны, соответствующие сигнальному свету, так что сигнал усиливается. Рисунок 1(в) представляет собой его спектр усиленного спонтанного излучения (УСЭ) с большой шириной полосы пропускания (до 20-40 нм) и двумя пиками, соответствующими 1530 нм и 1550 нм соответственно.
Основными преимуществами EDFA являются высокий коэффициент усиления, большая полоса пропускания, высокая выходная мощность, высокая эффективность накачки, низкие вносимые потери и нечувствительность к состоянию поляризации.
2. Проблемы с волоконно-оптическими усилителями
Несмотря на множество выдающихся преимуществ оптического усилителя (особенно EDFA), он не идеален. Помимо дополнительного шума, снижающего отношение сигнал/шум сигнала, у него есть и другие недостатки, такие как:
- Неравномерность спектра усиления в полосе пропускания усилителя влияет на эффективность многоканального усиления;
- При каскадном включении оптических усилителей эффекты шума ASE, дисперсии волокна и нелинейных эффектов будут накапливаться.
Эти вопросы необходимо учитывать при проектировании приложений и систем.
3. Применение оптического усилителя в волоконно-оптической системе связи
В системе оптоволоконной связиВолоконно-оптический усилительможет использоваться не только как усилитель мощности передатчика для увеличения мощности передачи, но и как предварительный усилитель приемника для улучшения чувствительности приема, а также может заменить традиционный оптико-электро-оптический ретранслятор для увеличения дальности передачи и реализации полностью оптической связи.
В оптоволоконных системах связи основными факторами, ограничивающими дальность передачи, являются потери и дисперсия оптического волокна. При использовании источника света с узким спектром или при работе вблизи длины волны с нулевой дисперсией влияние дисперсии волокна мало. В такой системе не требуется полная регенерация синхронизации сигнала (3R-ретрансляция) на каждой ретрансляционной станции. Достаточно непосредственно усилить оптический сигнал оптическим усилителем (1R-ретрансляция). Оптические усилители могут использоваться не только в магистральных системах связи, но и в оптоволоконных распределительных сетях, особенно в системах WDM, для одновременного усиления нескольких каналов.
1) Применение оптических усилителей в магистральных волоконно-оптических системах связи
На рис. 2 представлена принципиальная схема применения оптического усилителя в магистральной волоконно-оптической системе связи. (a) На рисунке показано, что оптический усилитель используется в качестве усилителя мощности передатчика и предусилителя приёмника, что позволяет удвоить дальность передачи. Например, при использовании EDFA система передачи Расстояние 1,8 Гбит/с увеличивается со 120 км до 250 км и даже достигает 400 км. Рисунок 2 (b)-(d) представляет собой применение оптических усилителей в многорелейных системах; Рисунок (b) представляет собой традиционный режим ретрансляции 3R; Рисунок (c) представляет собой смешанный режим ретрансляции 3R-ретрансляторов и оптических усилителей; Рисунок 2 (d) Это полностью оптический режим ретрансляции; в полностью оптической системе связи он не включает в себя схемы синхронизации и регенерации, поэтому он прозрачен для битов, и нет ограничения «электронного уса бутылки». При условии замены передающего и принимающего оборудования на обоих концах, можно легко перейти с низкой скорости на высокую, и оптический усилитель не требует замены.
2) Применение оптического усилителя в волоконно-оптической распределительной сети
Преимущества оптических усилителей (особенно EDFA) в высокой выходной мощности очень полезны в широкополосных распределительных сетях (таких каккабельное телевидениеСети). Традиционная сеть кабельного телевидения использует коаксиальный кабель, который необходимо усиливать каждые несколько сотен метров, а радиус обслуживания сети составляет около 7 км. Оптоволоконная сеть кабельного телевидения с оптическими усилителями может не только значительно увеличить число распределенных пользователей, но и значительно расширить сеть. Последние разработки показали, что распределение оптоволокна/гибрида (HFC) сочетает в себе преимущества обеих технологий и обладает высокой конкурентоспособностью.
На рисунке 4 представлен пример оптоволоконной распределительной сети для модуляции AM-VSB 35 телевизионных каналов. Источником излучения передатчика является DFB-LD с длиной волны 1550 нм и выходной мощностью 3,3 дБм. При использовании 4-уровневого EDFA в качестве усилителя распределения мощности входная мощность составляет около -6 дБм, а выходная мощность — около 13 дБм. Чувствительность оптического приёмника составляет -9,2 дБм. После 4-уровневого распределения общее количество пользователей достигло 4,2 миллиона, а длина сети превысила десятки километров. Взвешенное отношение сигнал/шум в ходе испытания превысило 45 дБ, и EDFA не привел к снижению CSO.
Время публикации: 23 апреля 2023 г.