1. КлассификацияFиберAусилители
Существует три основных типа оптических усилителей:
(1) Полупроводниковый оптический усилитель (SOA, полупроводниковый оптический усилитель);
(2) Волоконные усилители, легированные редкоземельными элементами (эрбием Er, тулием Tm, празеодимом Pr, рубидием Nd и др.), в основном, волоконные усилители, легированные эрбием (ЭДФАа также волоконные усилители, легированные тулием (TDFA) и волоконные усилители, легированные празеодимом (PDFA) и т. д.
(3) Нелинейные волоконные усилители, в основном волоконные рамановские усилители (FRA, волоконный рамановский усилитель). Основное сравнение характеристик этих оптических усилителей показано в таблице.
EDFA (усилитель на основе легированного эрбием волокна)
Многоуровневая лазерная система может быть сформирована путем легирования кварцевого волокна редкоземельными элементами (такими как Nd, Er, Pr, Tm и др.), при этом входной сигнальный свет непосредственно усиливается под действием накачки. После обеспечения соответствующей обратной связи формируется волоконный лазер. Рабочие длины волн Nd-легированного волоконного усилителя составляют 1060 нм и 1330 нм, и его разработка и применение ограничены из-за отклонения от оптимального приемного порта волоконно-оптической связи и других причин. Рабочие длины волн EDFA и PDFA находятся соответственно в диапазоне наименьших потерь (1550 нм) и нулевой дисперсии (1300 нм) волоконно-оптической связи, а TDFA работает в S-диапазоне, что очень подходит для применения в системах волоконно-оптической связи. Особенно EDFA, наиболее быстро развивающийся, получил практическое применение.
ОнPпринцип EDFA
Базовая структура EDFA показана на рисунке 1(а). 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) × 10⁻⁶), источника накачки (ламповый диод 990 или 1480 нм), оптического соединителя и оптического изолятора. Сигнальный свет и свет накачки могут распространяться в одном направлении (совместная накачка), в противоположных направлениях (обратная накачка) или в обоих направлениях (двунаправленная накачка) в эрбиевом волокне. Когда сигнальный и накачивающий свет одновременно вводятся в эрбиевое волокно, ионы эрбия возбуждаются до высокого энергетического уровня под действием накачивающего света (рис. 1 (б), трехуровневая система) и быстро распадаются до метастабильного энергетического уровня. При возвращении в основное состояние под действием падающего сигнального света они испускают фотоны, соответствующие сигнальному свету, так что сигнал усиливается. На рис. 1 (с) показан спектр усиленного спонтанного излучения (УСИ) с широкой полосой пропускания (до 20-40 нм) и двумя пиками, соответствующими 1530 нм и 1550 нм соответственно.
Главными преимуществами EDFA являются высокое усиление, 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, оптический усилитель (особенно EDFA) не является идеальным усилителем. Помимо дополнительного шума, снижающего отношение сигнал/шум, существуют и другие недостатки, такие как:
- Неравномерность спектра усиления в пределах полосы пропускания усилителя влияет на характеристики многоканального усиления;
- При каскадном соединении оптических усилителей эффекты шума спонтанного излучения, 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 оптической волоконной связиВолоконно-оптический усилительМожет использоваться не только в качестве повышающего усилителя передатчика для увеличения мощности передачи, но и в качестве предварительного усилителя приемника для повышения чувствительности приема, а также может заменить традиционный оптико-электро-оптический ретранслятор, увеличивая дальность передачи и обеспечивая полностью оптическую связь.
В системах оптической волоконной связи основными факторами, ограничивающими дальность передачи, являются потери и дисперсия оптического волокна. При использовании источника света с узким спектром или работе вблизи длины волны нулевой дисперсии влияние дисперсии волокна незначительно. В такой системе нет необходимости в полной регенерации синхронизации сигнала (3R-реле) на каждой релейной станции. Достаточно прямого усиления оптического сигнала с помощью оптического усилителя (1R-реле). Оптические усилители могут использоваться не только в магистральных системах большой дальности, но и в оптических волоконно-оптических распределительных сетях, особенно в системах WDM, для одновременного усиления нескольких каналов.
1) Применение оптических усилителей в магистральных оптоволоконных системах связи.
Рис. 2 представляет собой принципиальную схему применения оптического усилителя в магистральной оптоволоконной системе связи. (а) На рисунке показано, что оптический усилитель используется в качестве повышающего усилителя передатчика и предусилителя приемника, что позволяет удвоить дальность передачи без ретрансляции. Например, при использовании EDFA система передачи Дальность передачи данных со скоростью 1,8 Гбит/с увеличивается со 120 км до 250 км или даже достигает 400 км. На рисунке 2 (b)-(d) показано применение оптических усилителей в многорелейных системах; на рисунке (b) показан традиционный режим ретрансляции 3R; на рисунке (c) показан смешанный режим ретрансляции с использованием ретрансляторов 3R и оптических усилителей; на рисунке 2 (d) показан полностью оптический режим ретрансляции; в полностью оптической системе связи отсутствуют схемы синхронизации и регенерации, поэтому она является битопрозрачной и не имеет ограничений типа «электронный бутылочный ус». Достаточно заменить передающее и принимающее оборудование на обоих концах, и легко перейти от низкой скорости к высокой, при этом замена оптического усилителя не требуется.
2) Применение оптического усилителя в оптоволоконной распределительной сети
Преимущества оптических усилителей (особенно EDFA) в плане высокой выходной мощности очень полезны в широкополосных распределительных сетях (например,CATVТрадиционная сеть кабельного телевидения использует коаксиальный кабель, который необходимо усиливать каждые несколько сотен метров, а радиус действия сети составляет около 7 км. Оптоволоконная сеть кабельного телевидения с использованием оптических усилителей позволяет не только значительно увеличить количество распределенных пользователей, но и значительно расширить зону покрытия сети. Последние разработки показали, что распределение оптоволоконных/гибридных (HFC) сетей сочетает в себе преимущества обоих типов и обладает высокой конкурентоспособностью.
На рисунке 4 представлен пример оптоволоконной распределительной сети для AM-VSB модуляции 35 телевизионных каналов. Источником света передатчика является DFB-LD с длиной волны 1550 нм и выходной мощностью 3,3 дБм. В качестве усилителя распределения мощности используется 4-уровневый EDFA, входная мощность которого составляет около -6 дБм, а выходная — около 13 дБм. Чувствительность оптического приемника — -9,2 дБм. После 4 уровней распределения общее количество пользователей достигло 4,2 миллиона, а протяженность сети превышает десятки километров. Взвешенное отношение сигнал/шум в ходе испытаний превысило 45 дБ, и EDFA не вызвал снижения CSO.
Дата публикации: 23 апреля 2023 г.