1. Classificació deFiberAamplificadors
Hi ha tres tipus principals d'amplificadors òptics:
(1) Amplificador òptic semiconductor (SOA, amplificador òptic semiconductor);
(2) Amplificadors de fibra òptica dopats amb elements de terres rares (erbi Er, tuli Tm, praseodimi Pr, rubidi Nd, etc.), principalment amplificadors de fibra dopats amb erbi (EDFA), així com amplificadors de fibra dopada amb tuli (TDFA) i amplificadors de fibra dopada amb praseodimi (PDFA), etc.
(3) Amplificadors de fibra no lineal, principalment amplificadors Raman de fibra (FRA, Fiber Raman Amplifier). La principal comparació del rendiment d'aquests amplificadors òptics es mostra a la taula.
EDFA (Amplificador de fibra dopada amb erbi)
Es pot formar un sistema làser multinivell dopant la fibra de quars amb elements de terres rares (com ara Nd, Er, Pr, Tm, etc.), i la llum del senyal d'entrada s'amplifica directament sota l'acció de la llum de la bomba. Després de proporcionar la retroalimentació adequada, es forma un làser de fibra. La longitud d'ona de treball de l'amplificador de fibra dopat amb Nd és de 1060 nm i 1330 nm, i el seu desenvolupament i aplicació són limitats a causa de la desviació del millor port sumidero de la comunicació per fibra òptica i altres motius. Les longituds d'ona de funcionament de l'EDFA i el PDFA es troben respectivament a la finestra de la longitud d'ona de pèrdua més baixa (1550 nm) i de dispersió zero (1300 nm) de la comunicació per fibra òptica, i el TDFA funciona a la banda S, que són molt adequades per a aplicacions de sistemes de comunicació per fibra òptica. Especialment l'EDFA, el desenvolupament més ràpid, ha estat pràctic.
ElPprincipi d'EDFA
L'estructura bàsica de l'EDFA es mostra a la Figura 1(a), que es compon principalment d'un medi actiu (fibra de sílice dopada amb erbi d'unes desenes de metres de llarg, amb un diàmetre central de 3-5 micres i una concentració de dopatge de (25-1000)x10-6), font de llum de bombament (LD de 990 o 1480 nm), acoblador òptic i aïllant òptic. La llum de senyalització i la llum de bombament es poden propagar en la mateixa direcció (bombament codireccional), direccions oposades (bombament invers) o ambdues direccions (bombament bidireccional) a la fibra d'erbi. Quan la llum de senyalització i la llum de bombament s'injecten a la fibra d'erbi alhora, els ions d'erbi s'exciten a un nivell d'energia alt sota l'acció de la llum de bombament (Figura 1(b), un sistema de tres nivells) i es decauen ràpidament al nivell d'energia metaestable, quan torna a l'estat fonamental sota l'acció de la llum de senyalització incident, emet fotons corresponents a la llum de senyalització, de manera que el senyal s'amplifica. La figura 1 (c) és el seu espectre d'emissió espontània amplificada (ASE) amb un ample de banda gran (fins a 20-40 nm) i dos pics corresponents a 1530 nm i 1550 nm respectivament.
Els principals avantatges de l'EDFA són l'alt guany, l'ample de banda gran, l'alta potència de sortida, l'alta eficiència de la bomba, la baixa pèrdua d'inserció i la insensibilitat a l'estat de polarització.
2. Problemes amb els amplificadors de fibra òptica
Tot i que l'amplificador òptic (especialment l'EDFA) té molts avantatges destacats, no és un amplificador ideal. A més del soroll addicional que redueix la relació senyal-soroll (SNR) del senyal, hi ha altres deficiències, com ara:
- La desigualtat de l'espectre de guany dins de l'amplada de banda de l'amplificador afecta el rendiment de l'amplificació multicanal;
- Quan els amplificadors òptics es connecten en cascada, s'acumulen els efectes del soroll ASE, la dispersió de la fibra i els efectes no lineals.
Aquests problemes s'han de tenir en compte en el disseny de l'aplicació i del sistema.
3. Aplicació de l'amplificador òptic en el sistema de comunicació de fibra òptica
En el sistema de comunicació per fibra òptica, elAmplificador de fibra òpticaes pot utilitzar no només com a amplificador de potència del transmissor per augmentar la potència de transmissió, sinó també com a preamplificador del receptor per millorar la sensibilitat de recepció, i també pot substituir el repetidor òptic-elèctric-òptic tradicional, per ampliar la distància de transmissió i realitzar una comunicació totalment òptica.
En els sistemes de comunicació per fibra òptica, els principals factors que limiten la distància de transmissió són la pèrdua i la dispersió de la fibra òptica. Si s'utilitza una font de llum d'espectre estret o si es treballa a prop de la longitud d'ona de dispersió zero, la influència de la dispersió de la fibra és petita. Aquest sistema no necessita realitzar una regeneració completa de la sincronització del senyal (relé 3R) a cada estació de relé. N'hi ha prou amb amplificar directament el senyal òptic amb un amplificador òptic (relé 1R). Els amplificadors òptics es poden utilitzar no només en sistemes troncals de llarga distància, sinó també en xarxes de distribució de fibra òptica, especialment en sistemes WDM, per amplificar múltiples canals simultàniament.
1) Aplicació d'amplificadors òptics en sistemes de comunicació de fibra òptica troncal
La figura 2 és un diagrama esquemàtic de l'aplicació de l'amplificador òptic en el sistema de comunicació de fibra òptica troncal. (a) La imatge mostra que l'amplificador òptic s'utilitza com a amplificador d'augment de potència del transmissor i preamplificador del receptor, de manera que la distància sense relé es duplica. Per exemple, adoptant EDFA, la transmissió del sistema La distància d'1,8 Gb/s augmenta de 120 km a 250 km o fins i tot arriba als 400 km. La figura 2 (b)-(d) és l'aplicació d'amplificadors òptics en sistemes multirrelé; la figura (b) és el mode de relé 3R tradicional; la figura (c) és el mode de relé mixt de repetidors 3R i amplificadors òptics; la figura 2 (d) és un mode de relé totalment òptic; en un sistema de comunicació totalment òptic, no inclou circuits de sincronització ni de regeneració, de manera que és transparent a bits i no hi ha cap restricció de "bigoteig electrònic". Sempre que es substitueixi l'equip d'enviament i recepció a tots dos extrems, és fàcil actualitzar d'una velocitat baixa a una velocitat alta i no cal substituir l'amplificador òptic.
2) Aplicació de l'amplificador òptic a la xarxa de distribució de fibra òptica
Els avantatges d'alta potència de sortida dels amplificadors òptics (especialment EDFA) són molt útils en xarxes de distribució de banda ampla (com araTelevisió per cableXarxes). La xarxa CATV tradicional adopta cable coaxial, que s'ha d'amplificar cada centenars de metres, i el radi de servei de la xarxa és d'uns 7 km. La xarxa CATV de fibra òptica que utilitza amplificadors òptics no només pot augmentar considerablement el nombre d'usuaris distribuïts, sinó que també pot ampliar considerablement la ruta de la xarxa. Els desenvolupaments recents han demostrat que la distribució de fibra òptica/híbrid (HFC) aprofita els punts forts d'ambdós i té una forta competitivitat.
La figura 4 és un exemple d'una xarxa de distribució de fibra òptica per a la modulació AM-VSB de 35 canals de televisió. La font de llum del transmissor és DFB-LD amb una longitud d'ona de 1550 nm i una potència de sortida de 3,3 dBm. Utilitzant un EDFA de 4 nivells com a amplificador de distribució de potència, la seva potència d'entrada és d'uns -6 dBm i la seva potència de sortida és d'uns 13 dBm. La sensibilitat del receptor òptic és de -9,2 d Bm. Després de 4 nivells de distribució, el nombre total d'usuaris ha arribat als 4,2 milions i la ruta de xarxa és de més de desenes de quilòmetres. La relació senyal-soroll ponderada de la prova va ser superior a 45 dB i l'EDFA no va causar una reducció del CSO.
Data de publicació: 23 d'abril de 2023