1. КлассификацияFиберAусилители
Существует три основных типа оптических усилителей:
(1) полупроводниковый оптический усилитель (SOA, полупроводниковый оптический усилитель);
(2) Оптоволоконные усилители, легированные редкоземельными элементами (эрбием Er, тулием Tm, празеодимом Pr, рубидием Nd и др.), преимущественно волоконные усилители, легированные эрбием (ЭДФА), а 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 приведено в таблице.
EDFA (Усилитель из волокна, легированного эрбием)
Многоуровневая лазерная система может быть сформирована путем легирования кварцевого волокна редкоземельными элементами (такими как Nd, Er, Pr, Tm и др.), при этом входной световой сигнал непосредственно усиливается под действием света накачки. После обеспечения соответствующей обратной связи формируется волоконный лазер. Рабочая длина волны волоконного усилителя, легированного неодимом, составляет 1060 нм и 1330 нм, а его разработка и применение ограничены из-за отклонения от лучшего приемного порта оптоволоконной связи и других причин. Рабочие длины волн EDFA и PDFA находятся соответственно в окне наименьших потерь (1550 нм) и нулевой дисперсии (1300 нм) волоконно-оптической связи, а TDFA работает в S-диапазоне, который очень подходит для приложений систем волоконно-оптической связи. . Особенно практичным оказался EDFA, наиболее быстрое развитие.
Pпринцип EDFA
Базовая структура EDFA показана на рисунке 1(a), которая в основном состоит из активной среды (кремнеземное волокно, легированное эрбием, длиной около десятков метров, с диаметром сердцевины 3-5 микрон и концентрацией легирования (25 -1000)x10-6), источник света накачки (990 или 1480 нм LD), оптический соединитель и оптический изолятор. Сигнальный свет и свет накачки могут распространяться в одном и том же направлении (сонаправленная накачка), противоположных направлениях (обратная накачка) или в обоих направлениях (двунаправленная накачка) в эрбиевом волокне. Когда сигнальный свет и свет накачки вводятся в эрбиевое волокно одновременно, ионы эрбия под действием света накачки возбуждаются до высокого энергетического уровня (рис. 1 (б), трехуровневая система). и быстро распадается на метастабильный энергетический уровень, когда он возвращается в основное состояние под действием падающего сигнального света, он излучает фотоны, соответствующие сигнальному свету, так что сигнал усиливается. На рисунке 1(в) представлен спектр усиленного спонтанного излучения (ASE) с широкой полосой 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 оптоволоконными усилителями
Хотя оптический усилитель (особенно EDFA) имеет множество выдающихся преимуществ, он не является идеальным усилителем. Помимо дополнительного шума, снижающего SNR сигнала, есть и другие недостатки, такие как:
- неравномерность спектра усиления в пределах полосы усилителя влияет на характеристики многоканального усиления;
- При каскадном подключении оптических усилителей будут накапливаться эффекты шума ASE, дисперсии волокна и нелинейных эффектов.
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 в качестве усилителя мощности передатчика для увеличения мощности передачи, но и в качестве предварительного усилителя приемника для улучшения чувствительности приема, а также может заменить традиционный оптико-электро-оптический повторитель для расширения передачи расстояние и реализовать полностью оптическую связь.
В системах оптоволоконной 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 невелико. Данной системе не требуется выполнять полную регенерацию синхронизации сигнала (реле 3R) на каждой ретрансляционной станции. Достаточно напрямую усилить оптический сигнал оптическим усилителем (реле 1R). Оптические усилители можно использовать не только в магистральных системах на большие расстояния, 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 фиг.2 представлена принципиальная схема применения оптического усилителя в системе магистральной волоконно-оптической связи. (а) на рисунке показано, что оптический усилитель используется в качестве усилителя мощности передатчика и предварительного усилителя приемника, так что расстояние без реле увеличивается вдвое. Например, приняв EDFA, система передачи расстояние 1,8 Гбит/с увеличивается со 120 км до 250 км или даже достигает 400 км. На рисунках 2 (б)-(г) показано применение оптических усилителей в многорелейных системах; Рисунок (b) — традиционный режим реле 3R; Рисунок (c) — смешанный ретрансляционный режим повторителей 3R и оптических усилителей; Рисунок 2 (d) Это режим полностью оптического реле; в полностью оптической системе связи она не включает в себя схемы синхронизации и регенерации, поэтому она прозрачна по битам и не имеет ограничений «электронного устройства для взбивания бутылок». Поскольку передающее и принимающее оборудование на обоих концах заменено, можно легко перейти с низкой скорости на высокую, и оптический усилитель не требует замены.
2) Применение оптического усилителя в оптоволоконной распределительной сети
Высокая выходная мощность оптических усилителей (особенно EDFA) очень полезна 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 использованием оптических усилителей может не только значительно увеличить количество распределенных пользователей, но и значительно расширить сетевой путь. Недавние разработки показали, что распространение оптического волокна/гибрида (HFC) объединяет сильные стороны обоих и имеет высокую конкурентоспособность.
На рисунке 4 приведен пример оптоволоконной распределительной сети для модуляции AM-VSB 35 каналов телевидения. Источник света передатчика — DFB-LD с длиной волны 1550 нм и выходной мощностью 3,3 дБм. При использовании 4-уровневого EDFA в качестве усилителя-распределителя мощности его входная мощность составляет около -6 дБм, а выходная мощность - около 13 дБм. Чувствительность оптического приемника -9,2д Бм. После 4 уровней распространения общее количество пользователей достигло 4,2 миллиона, а сетевой путь составляет более десятков километров. Взвешенное отношение сигнал/шум в тесте превышало 45 дБ, и EDFA не вызывал снижения CSO.
Время публикации: 23 апреля 2023 г.