1. Ταξινόμηση τωνFiberAενισχυτές
Υπάρχουν τρεις κύριοι τύποι οπτικών ενισχυτών:
(1) Οπτικός ενισχυτής ημιαγωγών (SOA, Semiconductor Optical Amplifier).
(2) Ενισχυτές οπτικών ινών εμποτισμένοι με στοιχεία σπανίων γαιών (έρβιο Er, θούλιο Tm, πρασεοδύμιο Pr, ρουβίδιο Nd, κ.λπ.), κυρίως ενισχυτές ινών με πρόσμειξη ερβίου (EDFA), καθώς και ενισχυτές ινών με πρόσμειξη θούλιου (TDFA) και ενισχυτές ινών με πρόσμειξη με πρασεοδύμιο (PDFA), κ.λπ.
(3) Μη γραμμικοί ενισχυτές ινών, κυρίως ενισχυτές Raman ινών (FRA, Fiber Raman Amplifier). Η κύρια σύγκριση απόδοσης αυτών των οπτικών ενισχυτών φαίνεται στον πίνακα
EDFA (ενισχυτής ινών με Doped Erbium)
Ένα σύστημα λέιζερ πολλαπλών επιπέδων μπορεί να δημιουργηθεί με ντόπινγκ της ίνας χαλαζία με στοιχεία σπάνιων γαιών (όπως Nd, Er, Pr, Tm, κ.λπ.) και το φως του σήματος εισόδου ενισχύεται απευθείας υπό τη δράση του φωτός της αντλίας. Μετά την παροχή της κατάλληλης ανατροφοδότησης, σχηματίζεται ένα λέιζερ ινών. Το μήκος κύματος λειτουργίας του ενισχυτή ινών με πρόσμειξη Nd είναι 1060 nm και 1330 nm και η ανάπτυξη και η εφαρμογή του είναι περιορισμένες λόγω απόκλισης από την καλύτερη θύρα βύθισης επικοινωνίας οπτικών ινών και άλλους λόγους. Τα μήκη κύματος λειτουργίας του EDFA και του PDFA βρίσκονται αντίστοιχα στο παράθυρο της χαμηλότερης απώλειας (1550nm) και μηδενικού μήκους κύματος διασποράς (1300nm) επικοινωνίας οπτικών ινών και το TDFA λειτουργεί στη ζώνη S, που είναι πολύ κατάλληλα για εφαρμογές συστημάτων επικοινωνίας οπτικών ινών . Ειδικά το EDFA, η πιο γρήγορη ανάπτυξη, ήταν πρακτική.
ΟPαρχή της ΕΔΦΑ
Η βασική δομή του EDFA φαίνεται στο Σχήμα 1(α), το οποίο αποτελείται κυρίως από ένα ενεργό μέσο (ίνες πυριτίας με πρόσμειξη ερβίου μήκους περίπου δεκάδων μέτρων, με διάμετρο πυρήνα 3-5 μικρά και συγκέντρωση ντόπινγκ (25 -1000)x10-6), πηγή φωτός αντλίας (990 ή 1480nm LD), οπτικός συζεύκτης και οπτικός απομονωτής. Το φως σήματος και το φως της αντλίας μπορούν να διαδοθούν προς την ίδια κατεύθυνση (άντληση ομοκατευθυντικής), αντίθετες κατευθύνσεις (αντίστροφη άντληση) ή και τις δύο κατευθύνσεις (αμφίδρομη άντληση) στην ίνα ερβίου. Όταν το φως σήματος και το φως της αντλίας εγχέονται στην ίνα ερβίου ταυτόχρονα, τα ιόντα ερβίου διεγείρονται σε υψηλό επίπεδο ενέργειας υπό τη δράση του φωτός της αντλίας (Εικόνα 1 (β), ένα σύστημα τριών επιπέδων). και γρήγορα διασπάται στο μετασταθερό επίπεδο ενέργειας, όταν επιστρέφει στη θεμελιώδη κατάσταση υπό τη δράση του προσπίπτοντος φωτός σήματος, εκπέμπει φωτόνια που αντιστοιχούν στο φως του σήματος, έτσι ώστε το σήμα να ενισχύεται. Το σχήμα 1 (γ) είναι το φάσμα της ενισχυμένης αυθόρμητης εκπομπής (ASE) με μεγάλο εύρος ζώνης (έως 20-40 nm) και δύο κορυφές που αντιστοιχούν σε 1530 nm και 1550 nm αντίστοιχα.
Τα κύρια πλεονεκτήματα του EDFA είναι το υψηλό κέρδος, το μεγάλο εύρος ζώνης, η υψηλή ισχύς εξόδου, η υψηλή απόδοση της αντλίας, η χαμηλή απώλεια εισαγωγής και η αναισθησία στην κατάσταση πόλωσης.
2. Προβλήματα με ενισχυτές οπτικών ινών
Αν και ο οπτικός ενισχυτής (ειδικά ο EDFA) έχει πολλά εξαιρετικά πλεονεκτήματα, δεν είναι ιδανικός ενισχυτής. Εκτός από τον πρόσθετο θόρυβο που μειώνει το SNR του σήματος, υπάρχουν και κάποιες άλλες ελλείψεις, όπως:
- Η ανομοιομορφία του φάσματος απολαβής εντός του εύρους ζώνης του ενισχυτή επηρεάζει την απόδοση πολλαπλών καναλιών ενίσχυσης.
- Όταν οι οπτικοί ενισχυτές είναι διαδοχικοί, θα συσσωρεύονται τα αποτελέσματα του θορύβου ASE, της διασποράς των ινών και των μη γραμμικών επιδράσεων.
Αυτά τα ζητήματα πρέπει να λαμβάνονται υπόψη στον 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 τη μετάδοση απόσταση και να πραγματοποιήσουν 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 δουλεύοντας κοντά στο μήκος κύματος μηδενικής διασποράς, η επίδραση της διασποράς των ινών είναι μικρή. Αυτό το σύστημα δεν χρειάζεται να εκτελεί πλήρη αναγέννηση χρονισμού σήματος (ρελέ 3R) σε κάθε σταθμό ρελέ. 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 με οπτικές ίνες κορμού
Το Σχ. 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 μη ρελέ να διπλασιάζεται. Για παράδειγμα, υιοθετώντας το EDFA, τη μετάδοση του συστήματος Η απόσταση 1,8Gb/s αυξάνεται από 120km σε 250km ή ακόμα και φτάνει τα 400km. Το σχήμα 2 (β)-(δ) είναι η εφαρμογή οπτικών ενισχυτών σε συστήματα πολλαπλών ρελέ. Το σχήμα (β) είναι η παραδοσιακή λειτουργία ρελέ 3R. Το σχήμα (γ) είναι η λειτουργία μικτού ρελέ των αναμεταδοτών 3R και των οπτικών ενισχυτών. Σχήμα 2 (δ) Είναι μια λειτουργία αναμετάδοσης αποκλειστικά οπτικών. Σε ένα πλήρως οπτικό σύστημα επικοινωνίας, δεν περιλαμβάνει κυκλώματα χρονισμού και αναγέννησης, επομένως είναι λίγο διαφανές και δεν υπάρχει περιορισμός για το "ηλεκτρονικό μουστάκι φιάλης". Εφόσον αντικατασταθεί ο εξοπλισμός αποστολής και λήψης και στα δύο άκρα, είναι εύκολο να αναβαθμιστεί από χαμηλό 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 EDFA) είναι πολύ χρήσιμα σε ευρυζωνικά δίκτυα διανομής (όπως π.χ.CATVδίκτυα). Το παραδοσιακό δίκτυο CATV υιοθετεί ομοαξονικό καλώδιο, το οποίο χρειάζεται να ενισχύεται κάθε αρκετές εκατοντάδες μέτρα και η ακτίνα εξυπηρέτησης του δικτύου είναι περίπου 7 χιλιόμετρα. Το δίκτυο CATV οπτικών ινών που χρησιμοποιεί οπτικούς ενισχυτές μπορεί όχι μόνο να αυξήσει σημαντικά τον αριθμό των κατανεμημένων χρηστών, αλλά και να επεκτείνει σημαντικά τη διαδρομή του δικτύου. Οι πρόσφατες εξελίξεις έχουν δείξει ότι η διανομή οπτικών ινών/υβριδίου (HFC) αντλεί 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 φωτεινή πηγή του πομπού είναι DFB-LD με μήκος κύματος 1550nm και ισχύ εξόδου 3,3dBm. Χρησιμοποιώντας το 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 έφτασε τα 4,2 εκατομμύρια και η διαδρομή του δικτύου είναι πάνω από δεκάδες χιλιόμετρα. Η σταθμισμένη αναλογία σήματος προς θόρυβο της δοκιμής ήταν μεγαλύτερη από 45 dB και το EDFA δεν προκάλεσε μείωση στο CSO.
Ώρα δημοσίευσης: Απρ-23-2023