1. Ταξινόμηση τωνFΊβερAενισχυτές
Υπάρχουν τρεις κύριοι τύποι οπτικών ενισχυτών:
(1) Οπτικός Ενισχυτής Ημιαγωγών (SOA, Οπτικός Ενισχυτής Ημιαγωγών)·
(2) Ενισχυτές οπτικών ινών με πρόσμιξη σπάνιων γαιών (έρβιο Er, θούλιο Tm, πρασεοδύμιο Pr, ρουβίδιο Nd, κ.λπ.), κυρίως ενισχυτές οπτικών ινών με πρόσμιξη ερβίου (EDFA), καθώς και ενισχυτές ινών με προσμίξεις θουλίου (TDFA) και ενισχυτές ινών με προσμίξεις πρασεοδυμίου (PDFA), κ.λπ.
(3) Μη γραμμικοί ενισχυτές οπτικών ινών, κυρίως ενισχυτές οπτικών ινών Raman (FRA, Fiber Raman Amplifier). Η κύρια σύγκριση απόδοσης αυτών των οπτικών ενισχυτών παρουσιάζεται στον πίνακα.
EDFA (Ενισχυτής οπτικών ινών με προσμίξεις ερβίου)
Ένα σύστημα λέιζερ πολλαπλών επιπέδων μπορεί να σχηματιστεί με προσθήκη στοιχείων σπάνιων γαιών στην ίνα χαλαζία (όπως Nd, Er, Pr, Tm, κ.λπ.) και το φως σήματος εισόδου ενισχύεται άμεσα υπό την επίδραση του φωτός αντλίας. Μετά την παροχή κατάλληλης ανατροφοδότησης, σχηματίζεται ένα λέιζερ ινών. Το μήκος κύματος λειτουργίας του ενισχυτή ινών με προσθήκη Nd είναι 1060nm και 1330nm, και η ανάπτυξη και η εφαρμογή του είναι περιορισμένες λόγω απόκλισης από την καλύτερη θύρα σύνδεσης της οπτικής ίνας και άλλων λόγων. Τα μήκη κύματος λειτουργίας των EDFA και PDFA βρίσκονται αντίστοιχα στο παράθυρο της χαμηλότερης απώλειας (1550nm) και του μήκους κύματος μηδενικής διασποράς (1300nm) της οπτικής ίνας, και το TDFA λειτουργεί στη ζώνη S, η οποία είναι πολύ κατάλληλη για εφαρμογές συστημάτων επικοινωνίας οπτικών ινών. Ειδικά το EDFA, η πιο ταχεία ανάπτυξη, έχει αποδειχθεί πρακτικό.
ΟPαρχή του EDFA
Η βασική δομή του EDFA φαίνεται στο Σχήμα 1(α), το οποίο αποτελείται κυρίως από ένα ενεργό μέσο (ίνα πυριτίου με πρόσμιξη ερβίου μήκους περίπου δεκάδων μέτρων, με διάμετρο πυρήνα 3-5 μικρά και συγκέντρωση πρόσμιξης (25-1000)x10-6), πηγή φωτός αντλίας (990 ή 1480nm LD), οπτικό ζεύκτη και οπτικό μονωτή. Το φως σήματος και το φως αντλίας μπορούν να διαδοθούν προς την ίδια κατεύθυνση (ομοκατευθυντική άντληση), αντίθετες κατευθύνσεις (αντίστροφη άντληση) ή και στις δύο κατευθύνσεις (αμφίδρομη άντληση) στην ίνα ερβίου. Όταν το φως σήματος και το φως αντλίας εγχέονται στην ίνα ερβίου ταυτόχρονα, τα ιόντα ερβίου διεγείρονται σε υψηλό επίπεδο ενέργειας υπό την επίδραση του φωτός αντλίας (Σχήμα 1 (β), ένα σύστημα τριών επιπέδων) και αποσυντίθενται γρήγορα στο μετασταθές επίπεδο ενέργειας, όταν επιστρέφει στην θεμελιώδη κατάσταση υπό την επίδραση του προσπίπτοντος φωτός σήματος, εκπέμπει φωτόνια που αντιστοιχούν στο φως σήματος, έτσι ώστε το σήμα να ενισχύεται. Το Σχήμα 1 (γ) είναι το φάσμα ενισχυμένης αυθόρμητης εκπομπής (ASE) με μεγάλο εύρος ζώνης (έως 20-40nm) και δύο κορυφές που αντιστοιχούν σε 1530nm και 1550nm αντίστοιχα.
Τα κύρια πλεονεκτήματα του EDFA είναι το υψηλό κέρδος, το μεγάλο εύρος ζώνης, η υψηλή ισχύς εξόδου, η υψηλή απόδοση αντλίας, η χαμηλή απώλεια εισαγωγής και η μη ευαισθησία στην κατάσταση πόλωσης.
2. Προβλήματα με ενισχυτές οπτικών ινών
Αν και ο οπτικός ενισχυτής (ειδικά ο EDFA) έχει πολλά εξαιρετικά πλεονεκτήματα, δεν είναι ο ιδανικός ενισχυτής. Εκτός από τον πρόσθετο θόρυβο που μειώνει το SNR του σήματος, υπάρχουν και ορισμένα άλλα μειονεκτήματα, όπως:
- Η ανομοιομορφία του φάσματος κέρδους εντός του εύρους ζώνης του ενισχυτή επηρεάζει την απόδοση της ενίσχυσης πολλαπλών καναλιών.
- Όταν οι οπτικοί ενισχυτές συνδέονται σε σειρά, οι επιδράσεις του θορύβου ASE, της διασποράς οπτικών ινών και των μη γραμμικών φαινομένων θα συσσωρευτούν.
Αυτά τα ζητήματα πρέπει να λαμβάνονται υπόψη κατά τον σχεδιασμό εφαρμογών και συστημάτων.
3. Εφαρμογή Οπτικού Ενισχυτή σε Σύστημα Επικοινωνίας Οπτικών Ινών
Στο σύστημα επικοινωνίας οπτικών ινών, τοΕνισχυτής οπτικών ινώνΜπορεί να χρησιμοποιηθεί όχι μόνο ως ενισχυτής ενίσχυσης ισχύος του πομπού για την αύξηση της ισχύος μετάδοσης, αλλά και ως προενισχυτής του δέκτη για τη βελτίωση της ευαισθησίας λήψης και μπορεί επίσης να αντικαταστήσει τον παραδοσιακό οπτικό-ηλεκτρικό-οπτικό επαναλήπτη, για να επεκτείνει την απόσταση μετάδοσης και να πραγματοποιήσει πλήρως οπτική επικοινωνία.
Στα συστήματα επικοινωνίας οπτικών ινών, οι κύριοι παράγοντες που περιορίζουν την απόσταση μετάδοσης είναι η απώλεια και η διασπορά της οπτικής ίνας. Χρησιμοποιώντας μια πηγή φωτός στενού φάσματος ή εργαζόμενη κοντά στο μήκος κύματος μηδενικής διασποράς, η επίδραση της διασποράς της οπτικής ίνας είναι μικρή. Αυτό το σύστημα δεν χρειάζεται να εκτελέσει πλήρη αναγέννηση χρονισμού σήματος (ρελέ 3R) σε κάθε σταθμό αναμετάδοσης. Αρκεί η άμεση ενίσχυση του οπτικού σήματος με έναν οπτικό ενισχυτή (ρελέ 1R). Οι οπτικοί ενισχυτές μπορούν να χρησιμοποιηθούν όχι μόνο σε συστήματα κορμού μεγάλων αποστάσεων αλλά και σε δίκτυα διανομής οπτικών ινών, ειδικά σε συστήματα WDM, για την ταυτόχρονη ενίσχυση πολλαπλών καναλιών.
1) Εφαρμογή Οπτικών Ενισχυτών σε Συστήματα Επικοινωνίας Οπτικών Ινών Κορμού
Το Σχήμα 2 είναι ένα σχηματικό διάγραμμα της εφαρμογής του οπτικού ενισχυτή στο σύστημα επικοινωνίας οπτικών ινών κορμού. (α) η εικόνα δείχνει ότι ο οπτικός ενισχυτής χρησιμοποιείται ως ενισχυτής ενίσχυσης ισχύος του πομπού και ως προενισχυτής του δέκτη, έτσι ώστε η απόσταση εκτός ρελέ να διπλασιάζεται. Για παράδειγμα, υιοθετώντας το EDFA, η μετάδοση του συστήματος Η απόσταση των 1,8 Gb/s αυξάνεται από 120 km σε 250 km ή ακόμη και φτάνει τα 400 km. Το Σχήμα 2 (β)-(δ) δείχνει την εφαρμογή οπτικών ενισχυτών σε συστήματα πολλαπλών ρελέ. Το Σχήμα (β) δείχνει την παραδοσιακή λειτουργία ρελέ 3R. Το Σχήμα (γ) δείχνει τη μικτή λειτουργία ρελέ επαναληπτών 3R και οπτικών ενισχυτών. Το Σχήμα 2 (δ) δείχνει μια πλήρως οπτική λειτουργία ρελέ. Σε ένα πλήρως οπτικό σύστημα επικοινωνίας, δεν περιλαμβάνει κυκλώματα χρονισμού και αναγέννησης, επομένως είναι διαφανές ως προς τα bit και δεν υπάρχει περιορισμός "ηλεκτρονικού μουστακιού μπουκαλιού". Εφόσον αντικατασταθεί ο εξοπλισμός αποστολής και λήψης και στα δύο άκρα, είναι εύκολο να αναβαθμιστεί από χαμηλό ρυθμό σε υψηλό ρυθμό και ο οπτικός ενισχυτής δεν χρειάζεται να αντικατασταθεί.
2) Εφαρμογή Οπτικού Ενισχυτή σε Δίκτυο Διανομής Οπτικών Ινών
Τα πλεονεκτήματα υψηλής ισχύος εξόδου των οπτικών ενισχυτών (ειδικά των EDFA) είναι πολύ χρήσιμα σε δίκτυα διανομής ευρείας ζώνης (όπως π.χ.CATVΔίκτυα). Το παραδοσιακό δίκτυο CATV υιοθετεί ομοαξονικό καλώδιο, το οποίο πρέπει να ενισχύεται κάθε μερικές εκατοντάδες μέτρα, και η ακτίνα εξυπηρέτησης του δικτύου είναι περίπου 7 χλμ. Το δίκτυο οπτικών ινών CATV που χρησιμοποιεί οπτικούς ενισχυτές μπορεί όχι μόνο να αυξήσει σημαντικά τον αριθμό των κατανεμημένων χρηστών, αλλά και να επεκτείνει σημαντικά τη διαδρομή του δικτύου. Πρόσφατες εξελίξεις έχουν δείξει ότι η διανομή οπτικών ινών/υβριδίων (HFC) αξιοποιεί τα δυνατά σημεία και των δύο και έχει ισχυρή ανταγωνιστικότητα.
Το Σχήμα 4 είναι ένα παράδειγμα δικτύου διανομής οπτικών ινών για διαμόρφωση AM-VSB 35 καναλιών τηλεόρασης. Η πηγή φωτός του πομπού είναι DFB-LD με μήκος κύματος 1550nm και ισχύ εξόδου 3,3dBm. Χρησιμοποιώντας EDFA 4 επιπέδων ως ενισχυτή διανομής ισχύος, η ισχύς εισόδου του είναι περίπου -6dBm και η ισχύς εξόδου του είναι περίπου 13dBm. Ευαισθησία οπτικού δέκτη -9,2d Bm. Μετά από 4 επίπεδα διανομής, ο συνολικός αριθμός χρηστών έχει φτάσει τα 4,2 εκατομμύρια και η διαδρομή δικτύου είναι μεγαλύτερη από δεκάδες χιλιόμετρα. Ο σταθμισμένος λόγος σήματος προς θόρυβο της δοκιμής ήταν μεγαλύτερος από 45dB και το EDFA δεν προκάλεσε μείωση στο CSO.
Ώρα δημοσίευσης: 23 Απριλίου 2023