1. Classificatie vanFiberAversterkers
Er zijn drie hoofdtypen optische versterkers:
(1) Halfgeleider optische versterker (SOA, Semiconductor Optical Amplifier);
(2) Optische vezelversterkers gedoteerd met zeldzame aardmetalen (erbium Er, thulium Tm, praseodymium Pr, rubidium Nd, enz.), voornamelijk erbium-gedoteerde vezelversterkers (EDFA), evenals thulium-gedoteerde vezelversterkers (TDFA) en praseodymium-gedoteerde vezelversterkers (PDFA), enz.
(3) Niet-lineaire vezelversterkers, voornamelijk vezel-Ramanversterkers (FRA, Fiber Raman Amplifier). De belangrijkste prestatievergelijking van deze optische versterkers wordt weergegeven in de tabel.
EDFA (Erbium-gedoteerde vezelversterker)
Een meerlaags lasersysteem kan worden gevormd door de kwartsvezel te doteren met zeldzame aardmetalen (zoals Nd, Er, Pr, Tm, enz.), waarbij het ingangssignaal direct wordt versterkt onder invloed van het pomplicht. Na het toepassen van de juiste terugkoppeling ontstaat een vezellaser. De werkingsgolflengte van de Nd-gedoteerde vezelversterker ligt tussen 1060 nm en 1330 nm, maar de ontwikkeling en toepassing ervan worden beperkt door afwijkingen van de optimale sinkpoort voor glasvezelcommunicatie en andere redenen. De werkingsgolflengten van EDFA en PDFA liggen respectievelijk in het venster met het laagste verlies (1550 nm) en de nuldispersiegolflengte (1300 nm) van glasvezelcommunicatie, terwijl TDFA in de S-band werkt. Deze golflengten zijn zeer geschikt voor toepassingen in glasvezelcommunicatiesystemen. Met name EDFA, dat zich het snelst ontwikkelt, is al in de praktijk toegepast.
DePprincipe van EDFA
De basisstructuur van een EDFA is weergegeven in Figuur 1(a). Deze bestaat hoofdzakelijk uit een actief medium (een met erbium gedoteerde silicavezel van ongeveer tientallen meters lang, met een kerndiameter van 3-5 micron en een doteringsconcentratie van (25-1000)x10-6), een pomplichtbron (990 of 1480 nm LD), een optische koppelaar en een optische isolator. Signaallicht en pomplicht kunnen in dezelfde richting (codirectionele pomping), in tegengestelde richting (reverse pomping) of in beide richtingen (bidirectionele pomping) door de erbiumvezel propageren. Wanneer het signaallicht en het pomplicht tegelijkertijd in de erbiumvezel worden geïnjecteerd, worden de erbiumionen onder invloed van het pomplicht aangeslagen naar een hoog energieniveau (Figuur 1(b), een drieniveausysteem) en vervallen ze snel naar het metastabiele energieniveau. Wanneer ze onder invloed van het invallende signaallicht terugkeren naar de grondtoestand, zenden ze fotonen uit die overeenkomen met het signaallicht, waardoor het signaal wordt versterkt. Figuur 1 (c) toont het spectrum van de versterkte spontane emissie (ASE) met een grote bandbreedte (tot 20-40 nm) en twee pieken die respectievelijk overeenkomen met 1530 nm en 1550 nm.
De belangrijkste voordelen van EDFA zijn een hoge versterking, een grote bandbreedte, een hoog uitgangsvermogen, een hoog pomprendement, een laag invoegverlies en ongevoeligheid voor de polarisatietoestand.
2. Problemen met glasvezelversterkers
Hoewel de optische versterker (met name de EDFA) veel uitstekende voordelen heeft, is het geen ideale versterker. Naast de extra ruis die de signaal-ruisverhouding (SNR) van het signaal verlaagt, zijn er nog andere nadelen, zoals:
- De ongelijkmatigheid van het versterkingsspectrum binnen de bandbreedte van de versterker beïnvloedt de prestaties van meerkanaalsversterking;
- Wanneer optische versterkers in cascade worden geschakeld, zullen de effecten van ASE-ruis, vezeldispersie en niet-lineaire effecten zich ophopen.
Met deze aspecten moet rekening worden gehouden bij het ontwerp van applicaties en systemen.
3. Toepassing van een optische versterker in een glasvezelcommunicatiesysteem
In het optische vezelcommunicatiesysteem, deGlasvezelversterkerHet kan niet alleen worden gebruikt als een vermogensversterker voor de zender om het zendvermogen te verhogen, maar ook als een voorversterker voor de ontvanger om de ontvangstgevoeligheid te verbeteren. Bovendien kan het de traditionele optisch-elektrisch-optische repeater vervangen om de zendafstand te vergroten en volledig optische communicatie te realiseren.
In glasvezelcommunicatiesystemen zijn de belangrijkste factoren die de transmissieafstand beperken het verlies en de dispersie van de glasvezel. Door gebruik te maken van een lichtbron met een smal spectrum, of door te werken nabij de golflengte met nuldispersie, is de invloed van glasvezeldispersie gering. Dit systeem hoeft geen volledige signaalhergeneratie (3R-relais) uit te voeren bij elk relaisstation. Het is voldoende om het optische signaal direct te versterken met een optische versterker (1R-relais). Optische versterkers kunnen niet alleen worden gebruikt in langeafstandsnetwerken, maar ook in glasvezeldistributienetwerken, met name in WDM-systemen, om meerdere kanalen tegelijk te versterken.
1) Toepassing van optische versterkers in glasvezelcommunicatiesystemen
Figuur 2 is een schematisch diagram van de toepassing van de optische versterker in het trunk-optische glasvezelcommunicatiesysteem. (a) De afbeelding laat zien dat de optische versterker wordt gebruikt als vermogensversterker voor de zender en als voorversterker voor de ontvanger, waardoor de afstand zonder tussenkomst van een relais wordt verdubbeld. Bijvoorbeeld, door gebruik te maken van een EDFA, wordt de transmissie van het systeem verdubbeld. De afstand van 1,8 Gb/s neemt toe van 120 km tot 250 km of bereikt zelfs 400 km. Figuur 2 (b)-(d) toont de toepassing van optische versterkers in multi-relaysystemen; Figuur (b) is de traditionele 3R-relaymodus; Figuur (c) is de gemengde relaymodus van 3R-repeaters en optische versterkers; Figuur 2 (d) is een volledig optische relaymodus; in een volledig optisch communicatiesysteem zijn geen timing- en regeneratiecircuits nodig, waardoor het bit-transparant is en er geen "elektronische flesvormige" beperking is. Zolang de zend- en ontvangstapparatuur aan beide uiteinden wordt vervangen, is het eenvoudig om van een lage naar een hoge snelheid te upgraden, zonder dat de optische versterker hoeft te worden vervangen.
2) Toepassing van een optische versterker in een glasvezeldistributienetwerk
De voordelen van optische versterkers (met name EDFA's) met een hoog uitgangsvermogen zijn zeer nuttig in breedbanddistributienetwerken (zoalsCATV(Netwerken). Het traditionele CATV-netwerk maakt gebruik van coaxkabel, die elke paar honderd meter versterkt moet worden, en de serviceradius van het netwerk is ongeveer 7 km. Het glasvezel-CATV-netwerk, dat gebruikmaakt van optische versterkers, kan niet alleen het aantal aangesloten gebruikers aanzienlijk vergroten, maar ook de netwerklengte aanzienlijk verlengen. Recente ontwikkelingen hebben aangetoond dat de distributie van glasvezel/hybride (HFC) systemen de sterke punten van beide combineert en zeer concurrerend is.
Figuur 4 toont een voorbeeld van een optisch vezeldistributienetwerk voor AM-VSB-modulatie van 35 tv-kanalen. De lichtbron van de zender is een DFB-LD met een golflengte van 1550 nm en een uitgangsvermogen van 3,3 dBm. Door gebruik te maken van een 4-traps EDFA als vermogensdistributieversterker, bedraagt het ingangsvermogen ongeveer -6 dBm en het uitgangsvermogen ongeveer 13 dBm. De gevoeligheid van de optische ontvanger is -9,2 dBm. Na distributie over 4 niveaus is het totale aantal gebruikers opgelopen tot 4,2 miljoen en de netwerklengte bedraagt meer dan tientallen kilometers. De gewogen signaal-ruisverhouding van de test was hoger dan 45 dB en de EDFA veroorzaakte geen reductie van de CSO (Conversion of Oscillation).
Geplaatst op: 23 april 2023