1. Clasificación deFíberAamplificadores
Hai tres tipos principais de amplificadores ópticos:
(1) Amplificador óptico de semicondutores (SOA, amplificador óptico de semicondutores);
(2) Amplificadores de fibra óptica dopados con elementos de terras raras (erbio Er, tulio Tm, praseodimio Pr, rubidio Nd, etc.), principalmente amplificadores de fibra dopados con erbio (EDFA), así como amplificadores de fibra dopada con tulio (TDFA) e amplificadores de fibra dopada con praseodimio (PDFA), etc.
(3) Amplificadores de fibra non lineal, principalmente amplificadores Raman de fibra (FRA, Fiber Raman Amplifier). A principal comparación do rendemento destes amplificadores ópticos móstrase na táboa.
EDFA (Amplificador de fibra dopada con erbio)
Pódese formar un sistema láser multinivel dopando a fibra de cuarzo con elementos de terras raras (como Nd, Er, Pr, Tm, etc.), e a luz do sinal de entrada amplifícase directamente baixo a acción da luz da bomba. Despois de proporcionar a retroalimentación axeitada, fórmase un láser de fibra. A lonxitude de onda de traballo do amplificador de fibra dopada con Nd é de 1060 nm e 1330 nm, e o seu desenvolvemento e aplicación son limitados debido á desviación do mellor porto disipador da comunicación por fibra óptica e outras razóns. As lonxitudes de onda de funcionamento do EDFA e do PDFA están respectivamente na xanela de lonxitude de onda de menor perda (1550 nm) e de dispersión cero (1300 nm) da comunicación por fibra óptica, e o TDFA funciona na banda S, que son moi axeitados para aplicacións de sistemas de comunicación por fibra óptica. Especialmente o EDFA, o desenvolvemento máis rápido, foi práctico.
O/APprincipio de EDFA
A estrutura básica do EDFA móstrase na Figura 1(a), que está composta principalmente por un medio activo (fibra de sílice dopada con erbio duns decenas de metros de longo, cun diámetro de núcleo de 3-5 micras e unha concentración de dopaxe de (25-1000)x10-6), fonte de luz de bombeo (LD de 990 ou 1480 nm), acoplador óptico e illador óptico. A luz de sinal e a luz de bombeo poden propagarse na mesma dirección (bombeo codireccional), direccións opostas (bombeo inverso) ou en ambas direccións (bombeo bidireccional) na fibra de erbio. Cando a luz de sinal e a luz de bombeo se inxectan na fibra de erbio ao mesmo tempo, os ións de erbio excítanse a un nivel de enerxía alto baixo a acción da luz de bombeo (Figura 1(b), un sistema de tres niveis) e decaen rapidamente ao nivel de enerxía metaestable, cando volve ao estado fundamental baixo a acción da luz de sinal incidente, emite fotóns correspondentes á luz de sinal, de xeito que o sinal se amplifica. A figura 1 (c) é o seu espectro de emisión espontánea amplificada (ASE) cunha gran largura de banda (ata 20-40 nm) e dous picos correspondentes a 1530 nm e 1550 nm respectivamente.
As principais vantaxes do EDFA son a alta ganancia, o gran ancho de banda, a alta potencia de saída, a alta eficiencia de bombeo, a baixa perda de inserción e a insensibilidade ao estado de polarización.
2. Problemas cos amplificadores de fibra óptica
Aínda que o amplificador óptico (especialmente o EDFA) ten moitas vantaxes destacadas, non é un amplificador ideal. Ademais do ruído adicional que reduce a SNR do sinal, existen outras deficiencias, como:
- A irregularidade do espectro de ganancia dentro do ancho de banda do amplificador afecta o rendemento da amplificación multicanle;
- Cando os amplificadores ópticos se conectan en cascada, acumúlanse os efectos do ruído ASE, a dispersión da fibra e os efectos non lineais.
Estas cuestións deben terse en conta no deseño da aplicación e do sistema.
3. Aplicación do amplificador óptico no sistema de comunicación por fibra óptica
No sistema de comunicación por fibra óptica, oAmplificador de fibra ópticapódese usar non só como amplificador de potencia do transmisor para aumentar a potencia de transmisión, senón tamén como preamplificador do receptor para mellorar a sensibilidade de recepción e tamén pode substituír o repetidor óptico-eléctrico-óptico tradicional, para ampliar a distancia de transmisión e realizar unha comunicación totalmente óptica.
Nos sistemas de comunicación por fibra óptica, os principais factores que limitan a distancia de transmisión son a perda e a dispersión da fibra óptica. Ao usar unha fonte de luz de espectro estreito ou traballando preto da lonxitude de onda de dispersión cero, a influencia da dispersión da fibra é pequena. Este sistema non necesita realizar unha rexeneración completa da temporización do sinal (relé 3R) en cada estación de relé. Abonda con amplificar directamente o sinal óptico cun amplificador óptico (relé 1R). Os amplificadores ópticos pódense usar non só en sistemas troncais de longa distancia, senón tamén en redes de distribución de fibra óptica, especialmente en sistemas WDM, para amplificar varios canais simultaneamente.
1) Aplicación de amplificadores ópticos en sistemas de comunicación por fibra óptica troncal
A figura 2 é un diagrama esquemático da aplicación do amplificador óptico no sistema de comunicación por fibra óptica troncal. (a) A imaxe mostra que o amplificador óptico se usa como amplificador de potencia do transmisor e preamplificador do receptor, de xeito que a distancia sen relé se duplica. Por exemplo, adoptando EDFA, a transmisión do sistema A distancia de 1,8 Gb/s aumenta de 120 km a 250 km ou mesmo chega aos 400 km. A figura 2 (b)-(d) é a aplicación de amplificadores ópticos en sistemas multirrelé; a figura (b) é o modo de relé 3R tradicional; a figura (c) é o modo de relé mixto de repetidores 3R e amplificadores ópticos; a figura 2 (d) é un modo de relé totalmente óptico; nun sistema de comunicación totalmente óptico, non inclúe circuítos de temporización nin rexeneración, polo que é transparente en bits e non hai restricións de "botella electrónica". Sempre que se substitúan os equipos de envío e recepción en ambos extremos, é doado actualizar dunha velocidade baixa a unha velocidade alta e non é necesario substituír o amplificador óptico.
2) Aplicación do amplificador óptico na rede de distribución de fibra óptica
As vantaxes de alta potencia de saída dos amplificadores ópticos (especialmente EDFA) son moi útiles nas redes de distribución de banda ancha (comoTelevisión por cableRedes). A rede CATV tradicional adopta cable coaxial, que precisa ser amplificado cada centos de metros, e o radio de servizo da rede é duns 7 km. A rede CATV de fibra óptica que emprega amplificadores ópticos non só pode aumentar considerablemente o número de usuarios distribuídos, senón tamén ampliar considerablemente a ruta da rede. Os desenvolvementos recentes demostraron que a distribución de fibra óptica/híbrido (HFC) aproveita os puntos fortes de ambos e ten unha forte competitividade.
A figura 4 é un exemplo dunha rede de distribución de fibra óptica para a modulación AM-VSB de 35 canles de televisión. A fonte de luz do transmisor é DFB-LD cunha lonxitude de onda de 1550 nm e unha potencia de saída de 3,3 dBm. Usando un EDFA de 4 niveis como amplificador de distribución de enerxía, a súa potencia de entrada é duns -6 dBm e a súa potencia de saída é duns 13 dBm. A sensibilidade do receptor óptico é de -9,2 d Bm. Despois de 4 niveis de distribución, o número total de usuarios chegou aos 4,2 millóns e a ruta da rede é de máis de decenas de quilómetros. A relación sinal-ruído ponderada da proba foi superior a 45 dB e o EDFA non causou unha redución no CSO.
Data de publicación: 23 de abril de 2023