1. Klassificering avFiberAförstärkare
Det finns tre huvudtyper av optiska förstärkare:
(1) Halvledaroptisk förstärkare (SOA, halvledaroptisk förstärkare);
(2) Optiska fiberförstärkare dopade med sällsynta jordartsmetaller (erbium Er, tulium Tm, praseodym Pr, rubidium Nd, etc.), huvudsakligen erbiumdopade fiberförstärkare (EDFA), såväl som tuliumdopade fiberförstärkare (TDFA) och praseodymdopade fiberförstärkare (PDFA), etc.
(3) Icke-linjära fiberförstärkare, huvudsakligen fiber-Raman-förstärkare (FRA, Fiber Raman Amplifier). Den huvudsakliga prestandajämförelsen för dessa optiska förstärkare visas i tabellen.
EDFA (erbiumdopad fiberförstärkare)
Ett flernivålasersystem kan bildas genom att dopa kvartsfibern med sällsynta jordartsmetaller (såsom Nd, Er, Pr, Tm, etc.), och ingångssignalljuset förstärks direkt under inverkan av pumpljuset. Efter att lämplig återkoppling har gett bildas en fiberlaser. Arbetsvåglängden för den Nd-dopade fiberförstärkaren är 1060 nm och 1330 nm, och dess utveckling och tillämpning är begränsad på grund av avvikelser från den bästa sinkporten för fiberoptisk kommunikation och andra skäl. Arbetsvåglängderna för EDFA och PDFA ligger inom fönstret för lägst förlust (1550 nm) respektive noll dispersionsvåglängd (1300 nm) för optisk fiberkommunikation, och TDFA arbetar i S-bandet, vilket är mycket lämpligt för tillämpningar av optiska fiberkommunikationssystem. Särskilt EDFA, den snabbaste utvecklingen, har varit praktisk.
DePPrincipen för EDFA
Grundstrukturen för EDFA visas i figur 1(a), som huvudsakligen består av ett aktivt medium (erbiumdopad kiseldioxidfiber ungefär tiotals meter lång, med en kärndiameter på 3-5 mikron och en dopningskoncentration på (25-1000)x10-6), pumpljuskälla (990 eller 1480 nm LD), optisk kopplare och optisk isolator. Signalljus och pumpljus kan fortplanta sig i samma riktning (kodirektionell pumpning), motsatta riktningar (omvänd pumpning) eller båda riktningarna (dubbelriktad pumpning) i erbiumfibern. När signalljuset och pumpljuset injiceras i erbiumfibern samtidigt exciteras erbiumjonerna till en hög energinivå under inverkan av pumpljuset (figur 1(b), ett trenivåsystem) och sjunker snabbt till den metastabila energinivån. När den återgår till grundtillståndet under inverkan av det infallande signalljuset avger den fotoner som motsvarar signalljuset, så att signalen förstärks. Figur 1 (c) visar dess förstärkta spontana emissionsspektrum (ASE) med stor bandbredd (upp till 20–40 nm) och två toppar motsvarande 1530 nm respektive 1550 nm.
De främsta fördelarna med EDFA är hög förstärkning, stor bandbredd, hög uteffekt, hög pumpeffektivitet, låg insättningsförlust och okänslighet för polarisationstillstånd.
2. Problem med fiberoptiska förstärkare
Även om den optiska förstärkaren (särskilt EDFA) har många enastående fördelar, är den inte en ideal förstärkare. Förutom det extra bruset som minskar signalens SNR, finns det några andra brister, såsom:
- Ojämnheter i förstärkningsspektrumet inom förstärkarens bandbredd påverkar flerkanalsförstärkningens prestanda;
- När optiska förstärkare kaskadkopplas ackumuleras effekterna av ASE-brus, fiberdispersion och ickelinjära effekter.
Dessa frågor måste beaktas vid applikations- och systemdesign.
3. Tillämpning av optisk förstärkare i optiska fiberkommunikationssystem
I det optiska fiberkommunikationssystemet, denFiberoptisk förstärkarekan användas inte bara som en effektförstärkare för sändaren för att öka sändningseffekten, utan också som en förförstärkare för mottagaren för att förbättra mottagningskänsligheten, och kan också ersätta den traditionella optisk-elektrisk-optiska repeatern, för att förlänga sändningsavståndet och realisera helt optisk kommunikation.
I fiberoptiska kommunikationssystem är de viktigaste faktorerna som begränsar överföringsavståndet förlusten och spridningen av den optiska fibern. Med en smalspektrumsljuskälla, eller arbete nära nolldispersionsvåglängden, är fiberspridningens inverkan liten. Detta system behöver inte utföra fullständig signaltidsregenerering (3R-relä) vid varje relästation. Det räcker att direkt förstärka den optiska signalen med en optisk förstärkare (1R-relä). Optiska förstärkare kan användas inte bara i långdistansstamsystem utan även i optiska fiberdistributionsnät, särskilt i WDM-system, för att förstärka flera kanaler samtidigt.
1) Tillämpning av optiska förstärkare i trunkbaserade optiska fiberkommunikationssystem
Figur 2 är ett schematiskt diagram över tillämpningen av den optiska förstärkaren i det optiska fiberkommunikationssystemet i huvudkamrarna. (a) Bilden visar att den optiska förstärkaren används som effektförstärkare för sändaren och förförstärkare för mottagaren, så att avståndet utan relä fördubblas. Till exempel, om man använder EDFA, kan systemets överföring Avståndet på 1,8 Gb/s ökar från 120 km till 250 km eller når till och med 400 km. Figur 2 (b)-(d) visar tillämpningen av optiska förstärkare i system med flera reläer; Figur (b) visar det traditionella 3R-reläläget; Figur (c) visar det blandade reläläget för 3R-repeatrar och optiska förstärkare; Figur 2 (d) Det är ett helt optiskt reläläge; i ett helt optiskt kommunikationssystem inkluderar det inte tids- och regenereringskretsar, så det är bittransparent och det finns ingen begränsning av "elektronisk flaskvisp". Så länge sändnings- och mottagningsutrustningen i båda ändar byts ut är det enkelt att uppgradera från låg hastighet till hög hastighet, och den optiska förstärkaren behöver inte bytas ut.
2) Tillämpning av optisk förstärkare i optiskt fiberdistributionsnät
Fördelarna med hög effekt hos optiska förstärkare (särskilt EDFA) är mycket användbara i bredbandsdistributionsnätverk (t.ex.Kabel-TVNätverk). Det traditionella CATV-nätet använder koaxialkabel, som behöver förstärkas var hundrade meter, och nätverkets serviceradie är cirka 7 km. Fiberoptiska CATV-nätverk med optiska förstärkare kan inte bara öka antalet distribuerade användare avsevärt, utan också utöka nätverksräckvidden avsevärt. Den senaste utvecklingen har visat att distributionen av optisk fiber/hybrid (HFC) drar nytta av båda styrkorna och har stark konkurrenskraft.
Figur 4 är ett exempel på ett optiskt fiberdistributionsnätverk för AM-VSB-modulering av 35 TV-kanaler. Sändarens ljuskälla är DFB-LD med en våglängd på 1550 nm och en utgångseffekt på 3,3 dBm. Med 4-nivå EDFA som effektfördelningsförstärkare är dess ineffekt cirka -6 dBm och dess utgångseffekt cirka 13 dBm. Den optiska mottagarens känslighet är -9,2 d Bm. Efter 4 distributionsnivåer har det totala antalet användare nått 4,2 miljoner och nätverksvägen är mer än tiotals kilometer. Det viktade signal-brusförhållandet i testet var större än 45 dB, och EDFA orsakade inte någon minskning av CSO.
Publiceringstid: 23 april 2023