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). Основное сравнение производительности этих оптических усилителей показано 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, а его разработка и применение ограничены из-за отклонения от лучшего приемного порта волоконно-оптической связи и других причин. Рабочие длины волн EDFA и PDFA находятся соответственно в окне наименьших потерь (1550 нм) и нулевой дисперсионной длины волны (1300 нм) волоконно-оптической связи, а TDFA работает в S-диапазоне, которые очень подходят для приложений волоконно-оптической системы связи. Особенно EDFA, наиболее быстро развивающийся, оказался практичным.
ThePпринцип EDFA
Базовая структура EDFA показана на рисунке 1(а), которая в основном состоит из активной среды (легированное эрбием кварцевое волокно длиной около десятков метров с диаметром сердцевины 3-5 микрон и концентрацией легирования (25-1000)x10-6), источника света накачки (990 или 1480 нм ЛД), 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. Когда сигнальный свет и свет накачки инжектируются в эрбиевое волокно одновременно, 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(с) представляет собой его спектр усиленного спонтанного излучения (ASE) 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
Хотя оптический усилитель (особенно EDFA) имеет много выдающихся преимуществ, он не является идеальным усилителем. Помимо дополнительного шума, который снижает SNR сигнала, есть и некоторые 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 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 нулевой дисперсии влияние дисперсии волокна мало. Эта система не требует выполнения полной регенерации синхронизации сигнала (3R-реле) на каждой ретрансляционной станции. Достаточно напрямую усилить оптический сигнал с помощью оптического усилителя (1R-реле). Оптические усилители могут использоваться не только в системах магистральных линий дальней связи, но и в оптоволоконных распределительных сетях, особенно в системах WDM, для усиления нескольких каналов одновременно.
1) Применение оптических усилителей в магистральных волоконно-оптических системах связи
Рис. 2 представляет собой принципиальную схему применения оптического усилителя в магистральной оптоволоконной системе связи. (a) На рисунке показано, что оптический усилитель используется в качестве усилителя мощности передатчика и предварительного усилителя приемника, так что расстояние без реле удваивается. Например, при использовании EDFA передача системы Расстояние 1,8 Гбит/с увеличивается со 120 км до 250 км или 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 схемы синхронизации и регенерации, поэтому он прозрачен для битов, и нет ограничений «электронных бутылочных усов». Пока передающее и принимающее оборудование на обоих концах заменено, легко перейти с низкой скорости на высокую, и оптический усилитель не нужно заменять.
2) Применение оптического усилителя в оптоволоконной распределительной сети
Преимущества оптических усилителей (особенно EDFA) в высокой выходной мощности очень полезны в широкополосных распределительных сетях (например,кабельное телевидениеСети). Традиционная сеть CATV использует коаксиальный кабель, который необходимо усиливать каждые несколько сотен метров, а радиус обслуживания сети составляет около 7 км. Оптоволоконная сеть CATV, использующая оптические усилители, может не только значительно увеличить количество распределенных пользователей, но и значительно расширить сетевой путь. Недавние разработки показали, что распределение оптоволокна/гибрида (HFC) использует сильные стороны обоих и имеет сильную конкурентоспособность.
Рисунок 4 представляет собой пример оптоволоконной распределительной сети для модуляции AM-VSB 35 каналов телевидения. Источником света 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 его входная мощность составляет около -6 дБм, а выходная мощность - около 13 дБм. Чувствительность оптического приемника -9,2 дБм. После 4 уровней распределения общее количество пользователей достигло 4,2 миллиона, а сетевой путь - более десятков километров. Взвешенное отношение сигнал/шум теста составило более 45 дБ, и EDFA не вызвало снижения CSO.
Время публикации: 23-04-2023