1. RazvrstitevFiberAojačevalniki
Obstajajo tri glavne vrste optičnih ojačevalnikov:
(1) Polprevodniški optični ojačevalnik (SOA, polprevodniški optični ojačevalnik);
(2) Optični ojačevalniki, dopirani z redkozemeljskimi elementi (erbij Er, tulij Tm, prazeodim Pr, rubidij Nd itd.), predvsem z erbijem dopirani vlakneni ojačevalniki (EDFA), pa tudi s tulijem dopirani vlakenski ojačevalniki (TDFA) in s prazeodimom dopirani vlakenski ojačevalniki (PDFA) itd.
(3) Nelinearni vlakenski ojačevalniki, predvsem vlakenski Ramanovi ojačevalniki (FRA, Fiber Raman Amplifier). Glavna primerjava zmogljivosti teh optičnih ojačevalnikov je prikazana v tabeli
EDFA (z erbijem dopirani vlaknasti ojačevalnik)
Večnivojski laserski sistem je mogoče oblikovati z dopiranjem kremenčevega vlakna z redkozemeljskimi elementi (kot so Nd, Er, Pr, Tm itd.), vhodni signal pa se neposredno ojača pod delovanjem črpalne svetlobe. Po ustrezni povratni informaciji se oblikuje vlakenski laser. Delovna valovna dolžina vlakenskega ojačevalnika, dopiranega z Nd, je 1060 nm in 1330 nm, njegov razvoj in uporaba pa sta omejena zaradi odstopanja od najboljšega ponornega priključka optične komunikacije in drugih razlogov. Delovni valovni dolžini EDFA in PDFA sta v območju najmanjših izgub (1550 nm) oziroma ničelne disperzije (1300 nm) optične komunikacije, TDFA pa deluje v S-pasu, kar je zelo primerno za uporabo v sistemih optične komunikacije. Še posebej praktičen je bil EDFA, ki se je najhitreje razvil.
ThePnačelo EDFA
Osnovna struktura EDFA je prikazana na sliki 1(a), ki je v glavnem sestavljena iz aktivnega medija (z erbijem dopirano silicijevo vlakno, dolgo približno deset metrov, s premerom jedra 3-5 mikronov in koncentracijo dopiranja (25-1000)x10-6), vira črpalne svetlobe (990 ali 1480nm LD), optičnega sklopnika in optičnega izolatorja. Signalna svetloba in črpalna svetloba se lahko v erbijevem vlaknu širita v isto smer (sosmerno črpanje), v nasprotni smeri (obratno črpanje) ali v obe smeri (dvosmerno črpanje). Ko se signalna svetloba in črpalna svetloba hkrati vbrizgata v erbijevo vlakno, se erbijevi ioni pod vplivom črpalne svetlobe vzbujajo na visoko energijsko raven (slika 1(b), tristopenjski sistem) in hitro razpadejo na metastabilno energijsko raven. Ko se pod vplivom vpadne signalne svetlobe vrne v osnovno stanje, oddaja fotone, ki ustrezajo signalni svetlobi, tako da se signal ojača. Slika 1 (c) prikazuje njegov spekter ojačane spontane emisije (ASE) z veliko pasovno širino (do 20–40 nm) in dvema vrhovoma, ki ustrezata 1530 nm oziroma 1550 nm.
Glavne prednosti EDFA so visok ojačanje, velika pasovna širina, visoka izhodna moč, visoka učinkovitost črpalke, nizke vstavitvene izgube in neobčutljivost na stanje polarizacije.
2. Težave z ojačevalniki optičnih vlaken
Čeprav ima optični ojačevalnik (zlasti EDFA) številne izjemne prednosti, ni idealen ojačevalnik. Poleg dodatnega šuma, ki zmanjšuje SNR signala, ima še nekaj drugih pomanjkljivosti, kot so:
- Neenakomernost spektra ojačanja znotraj pasovne širine ojačevalnika vpliva na delovanje večkanalnega ojačanja;
- Pri kaskadni vezavi optičnih ojačevalnikov se učinki šuma ASE, disperzije vlaken in nelinearnih učinkov kopičijo.
Ta vprašanja je treba upoštevati pri načrtovanju aplikacij in sistema.
3. Uporaba optičnega ojačevalnika v komunikacijskem sistemu z optičnimi vlakni
V komunikacijskem sistemu z optičnimi vlakni jeOptični ojačevalnikUporablja se lahko ne le kot ojačevalnik oddajnika za povečanje oddajne moči, temveč tudi kot predojačevalnik sprejemnika za izboljšanje občutljivosti sprejema, poleg tega pa lahko nadomesti tradicionalni optično-električno-optični repetitor, da podaljša razdaljo prenosa in doseže popolnoma optično komunikacijo.
V komunikacijskih sistemih z optičnimi vlakni sta glavna dejavnika, ki omejujeta razdaljo prenosa, izguba in disperzija optičnega vlakna. Pri uporabi ozkospektralnega svetlobnega vira ali delu blizu valovne dolžine z ničelno disperzijo je vpliv disperzije vlaken majhen. Ta sistem ne potrebuje popolne regeneracije časa signala (3R rele) na vsaki relejni postaji. Zadostuje, da se optični signal neposredno ojača z optičnim ojačevalnikom (1R rele). Optični ojačevalniki se lahko uporabljajo ne le v sistemih za daljinsko komunikacijo, temveč tudi v distribucijskih omrežjih z optičnimi vlakni, zlasti v sistemih WDM, za hkratno ojačanje več kanalov.
1) Uporaba optičnih ojačevalnikov v komunikacijskih sistemih z optičnimi vlakni
Slika 2 je shematski diagram uporabe optičnega ojačevalnika v sistemu optične komunikacije. (a) Slika prikazuje, da se optični ojačevalnik uporablja kot ojačevalnik moči oddajnika in predojačevalnik sprejemnika, tako da se nerelejna razdalja podvoji. Na primer, z uporabo EDFA se sistemski prenos Razdalja 1,8 Gb/s se poveča s 120 km na 250 km ali celo doseže 400 km. Slika 2 (b)-(d) prikazuje uporabo optičnih ojačevalnikov v večrelejnih sistemih; slika (b) prikazuje tradicionalni način 3R releja; slika (c) prikazuje mešani način releja 3R repetitorjev in optičnih ojačevalnikov; slika 2 (d) Gre za popolnoma optični relejni način; v popolnoma optičnem komunikacijskem sistemu ne vključuje časovnih in regeneracijskih vezij, zato je bitno transparenten in ni omejitve »elektronskih stekleničnih brkov«. Dokler se zamenja oddajna in sprejemna oprema na obeh koncih, je enostavno nadgraditi z nizke na visoko hitrost, optičnega ojačevalnika pa ni treba zamenjati.
2) Uporaba optičnega ojačevalnika v distribucijskem omrežju optičnih vlaken
Prednosti optičnih ojačevalnikov (zlasti EDFA) v obliki visoke izhodne moči so zelo uporabne v širokopasovnih distribucijskih omrežjih (kot so npr.Kabelska televizijaOmrežja). Tradicionalno omrežje CATV uporablja koaksialni kabel, ki ga je treba ojačati vsakih nekaj sto metrov, doseg omrežja pa je približno 7 km. Optično omrežje CATV z optičnimi ojačevalniki lahko ne le močno poveča število porazdeljenih uporabnikov, temveč tudi močno razširi omrežno pot. Nedavni razvoj je pokazal, da distribucija optičnih vlaken/hibridov (HFC) združuje prednosti obeh in ima močno konkurenčnost.
Slika 4 prikazuje primer optičnega distribucijskega omrežja za AM-VSB modulacijo 35 televizijskih kanalov. Vir svetlobe oddajnika je DFB-LD z valovno dolžino 1550 nm in izhodno močjo 3,3 dBm. Z uporabo 4-nivojskega EDFA kot ojačevalnika za distribucijo moči je njegova vhodna moč približno -6 dBm, izhodna moč pa približno 13 dBm. Občutljivost optičnega sprejemnika je -9,2 d Bm. Po 4 ravneh distribucije je skupno število uporabnikov doseglo 4,2 milijona, omrežna pot pa je več kot deset kilometrov. Uteženo razmerje signal/šum v testu je bilo večje od 45 dB, EDFA pa ni povzročil zmanjšanja CSO.
Čas objave: 23. april 2023