1. RazvrstitevFiberAojačevalniki
Obstajajo tri glavne vrste optičnih ojačevalnikov:
(1) polprevodniški optični ojačevalnik (SOA, polprevodniški optični ojačevalnik);
(2) Ojačevalniki iz optičnih vlaken, dopirani z elementi redkih zemelj (erbij Er, tulij Tm, prazeodim Pr, rubidij Nd itd.), predvsem ojačevalniki z erbijem dopiranimi vlakni (EDFA), kot tudi ojačevalniki vlaken, dopiranih s tulijem (TDFA) in ojačevalniki vlaken, dopiranih s prazeodimom (PDFA), itd.
(3) Nelinearni ojačevalniki z vlakni, predvsem ojačevalniki z vlakni Raman (FRA, Fiber Raman Amplifier). Glavna primerjava zmogljivosti teh optičnih ojačevalnikov je prikazana v tabeli
EDFA (ojačevalnik vlaken, dopiran z erbijem)
Večnivojski laserski sistem je mogoče oblikovati z dopiranjem kvarčnega vlakna z elementi redkih zemelj (kot so Nd, Er, Pr, Tm itd.), svetloba vhodnega signala pa se neposredno ojača pod delovanjem svetlobe črpalke. Po zagotovitvi ustrezne povratne informacije se oblikuje vlakneni laser. Delovna valovna dolžina ojačevalnika vlaken, dopiranih z Nd, je 1060 nm in 1330 nm, njegov razvoj in uporaba pa sta omejena zaradi odstopanja od najboljšega ponornega priključka komunikacije z optičnimi vlakni in drugih razlogov. Delovni valovni dolžini EDFA in PDFA sta v oknu najmanjše izgube (1550 nm) oziroma valovne dolžine z ničelno disperzijo (1300 nm) komunikacije z optičnimi vlakni, TDFA pa deluje v S-pasu, kar je zelo primerno za aplikacije komunikacijskega sistema z optičnimi vlakni . Zlasti EDFA, najhitrejši razvoj, je bil praktičen.
ThePnačelu EDFA
Osnovna struktura EDFA je prikazana na sliki 1(a), ki je v glavnem sestavljena iz aktivnega medija (z erbijem dopirano silikatno vlakno, dolgo približno deset metrov, s premerom jedra 3-5 mikronov in koncentracijo dopinga (25 -1000)x10-6), vir svetlobe črpalke (990 ali 1480nm LD), optični spojnik in optični izolator. Signalna svetloba in svetloba črpalke se lahko v erbijevem vlaknu širita v isto smer (sosmerno črpanje), nasprotni smeri (obratno črpanje) ali obe smeri (dvosmerno črpanje). Ko se signalna lučka in lučka črpalke istočasno vbrizgata v erbijevo vlakno, se erbijevi ioni vzbudijo na visoko raven energije pod delovanjem svetlobe črpalke (slika 1 (b), trinivojski sistem), in hitro razpade na metastabilno energijsko raven, ko se pod delovanjem vpadne signalne svetlobe vrne v osnovno stanje, oddaja fotone, ki ustrezajo signalni svetlobi, tako da se signal ojača. Slika 1 (c) je 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 visoko ojačanje, velika pasovna širina, visoka izhodna moč, visoka učinkovitost črpalke, nizka vstavljena izguba in neobčutljivost na stanje polarizacije.
2. Težave z ojačevalniki z optičnimi vlakni
Čeprav ima optični ojačevalnik (zlasti EDFA) številne izjemne prednosti, ni idealen ojačevalnik. Poleg dodatnega šuma, ki zmanjšuje SNR signala, obstaja še nekaj drugih pomanjkljivosti, kot so:
- Neenakomernost spektra ojačanja znotraj pasovne širine ojačevalnika vpliva na zmogljivost večkanalnega ojačanja;
- Ko so optični ojačevalniki kaskadni, se kopičijo učinki šuma ASE, disperzije vlaken in nelinearnih učinkov.
Ta vprašanja je treba upoštevati pri načrtovanju aplikacije in sistema.
3. Uporaba optičnega ojačevalnika v komunikacijskem sistemu z optičnimi vlakni
V komunikacijskem sistemu z optičnimi vlakni jeOjačevalnik z optičnimi vlaknise lahko uporablja ne samo kot ojačevalnik za povečanje moči oddajnika za povečanje oddajne moči, temveč tudi kot predojačevalnik sprejemnika za izboljšanje sprejemne občutljivosti in lahko tudi nadomesti tradicionalni optično-električni-optični repetitor, da razširi prenos razdalje in realizirati popolnoma optično komunikacijo.
V komunikacijskih sistemih z optičnimi vlakni sta glavna dejavnika, ki omejujejo razdaljo prenosa, izguba in razpršenost optičnega vlakna. Pri uporabi vira svetlobe z ozkim spektrom ali pri delu blizu valovne dolžine brez disperzije je vpliv disperzije vlaken majhen. Temu sistemu ni treba izvesti popolne regeneracije časovnega signala (rele 3R) na vsaki relejni postaji. Zadostuje neposredno ojačanje optičnega signala z optičnim ojačevalnikom (1R rele). Optični ojačevalniki se lahko uporabljajo ne samo v sistemih na dolge razdalje, 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 glavnem komunikacijskem sistemu z optičnimi vlakni. (a) slika prikazuje, da se optični ojačevalnik uporablja kot ojačevalnik za povečanje moči oddajnika in predojačevalnik sprejemnika, tako da se razdalja brez releja podvoji. Na primer, sprejetje EDFA, prenos sistema razdalja 1,8 Gb/s se poveča s 120 km na 250 km ali celo doseže 400 km. Slika 2 (b)-(d) je uporaba optičnih ojačevalnikov v sistemih z več releji; Slika (b) je tradicionalni način releja 3R; Slika (c) je način mešanega releja 3R repetitorjev in optičnih ojačevalnikov; Slika 2 (d) Je popolnoma optični relejni način; v popolnoma optičnem komunikacijskem sistemu ne vključuje časovnih in regeneracijskih vezij, zato je bit-transparenten in ni nobene omejitve "elektronske stekleničke". Dokler se oprema za pošiljanje in sprejemanje na obeh koncih zamenja, je enostavno nadgraditi z nizke stopnje na visoko hitrost in optičnega ojačevalnika ni treba zamenjati.
2) Uporaba optičnega ojačevalnika v distribucijskem omrežju z optičnimi vlakni
Prednosti visoke izhodne moči optičnih ojačevalnikov (zlasti EDFA) so zelo uporabne v širokopasovnih distribucijskih omrežjih (kot je npr.CATVomrežja). Tradicionalno omrežje CATV uporablja koaksialni kabel, ki ga je treba ojačati vsakih nekaj sto metrov, radij storitve omrežja pa je približno 7 km. Omrežje CATV z optičnimi vlakni, ki uporablja optične ojačevalnike, lahko ne le močno poveča število porazdeljenih uporabnikov, ampak tudi močno razširi omrežno pot. Nedavni dogodki so pokazali, da distribucija optičnih vlaken/hibridov (HFC) črpa prednosti obeh in ima močno konkurenčnost.
Slika 4 je primer distribucijskega omrežja z optičnimi vlakni za AM-VSB modulacijo 35 kanalov TV. Svetlobni vir oddajnika je DFB-LD z valovno dolžino 1550nm in izhodno močjo 3,3dBm. Z uporabo 4-nivojskega EDFA kot ojačevalnika za distribucijo moči je njegova vhodna moč približno -6dBm, izhodna moč pa približno 13dBm. Občutljivost optičnega sprejemnika -9,2d Bm. Po 4 ravneh distribucije je skupno število uporabnikov doseglo 4,2 milijona, omrežna pot pa je več kot deset kilometrov. Ponderirano razmerje med signalom in šumom pri preskusu je bilo večje od 45 dB, EDFA pa ni povzročila zmanjšanja CSO.
Čas objave: 23. aprila 2023