1. Classificazione diFiberAamplificatori
Esistono tre tipi principali di amplificatori ottici:
(1) Amplificatore ottico a semiconduttore (SOA, Amplificatore ottico a semiconduttore);
(2) Amplificatori in fibra ottica drogati con elementi di terre rare (erbio Er, tulio Tm, praseodimio Pr, rubidio Nd, ecc.), principalmente amplificatori in fibra drogati con erbio (EDFA), nonché amplificatori in fibra drogata al tulio (TDFA) e amplificatori in fibra drogata al praseodimio (PDFA), ecc.
(3) Amplificatori in fibra non lineari, principalmente amplificatori Raman in fibra (FRA, Fiber Raman Amplifier). Il confronto principale delle prestazioni di questi amplificatori ottici è mostrato nella tabella.
EDFA (amplificatore in fibra drogata con erbio)
Un sistema laser multilivello può essere realizzato drogando la fibra di quarzo con elementi di terre rare (come Nd, Er, Pr, Tm, ecc.) e il segnale luminoso in ingresso viene amplificato direttamente sotto l'azione della luce di pompaggio. Dopo aver fornito un feedback appropriato, si forma un laser in fibra. La lunghezza d'onda di lavoro dell'amplificatore in fibra drogato con Nd è di 1060 nm e 1330 nm, e il suo sviluppo e applicazione sono limitati a causa della deviazione dalla migliore porta di sink della comunicazione in fibra ottica e per altri motivi. Le lunghezze d'onda operative di EDFA e PDFA rientrano rispettivamente nella finestra della lunghezza d'onda a minima perdita (1550 nm) e a dispersione zero (1300 nm) della comunicazione in fibra ottica, e TDFA opera nella banda S, che è molto adatta alle applicazioni dei sistemi di comunicazione in fibra ottica. In particolare, EDFA, lo sviluppo più rapido, si è rivelato pratico.
ILPprincipio dell'EDFA
La struttura di base dell'EDFA è mostrata nella Figura 1(a), che è composta principalmente da un mezzo attivo (fibra di silice drogata con erbio lunga circa decine di metri, con un diametro del nucleo di 3-5 micron e una concentrazione di drogaggio di (25-1000)x10-6), sorgente luminosa di pompaggio (LD a 990 o 1480 nm), accoppiatore ottico e isolatore ottico. La luce di segnalazione e la luce di pompaggio possono propagarsi nella stessa direzione (pompaggio codirezionale), in direzioni opposte (pompaggio inverso) o in entrambe le direzioni (pompaggio bidirezionale) nella fibra di erbio. Quando la luce del segnale e la luce della pompa vengono iniettate contemporaneamente nella fibra di erbio, gli ioni di erbio vengono eccitati a un livello energetico elevato sotto l'azione della luce della pompa (Figura 1 (b), un sistema a tre livelli) e decadono rapidamente al livello energetico metastabile, quando torna allo stato fondamentale sotto l'azione della luce del segnale incidente, emette fotoni corrispondenti alla luce del segnale, in modo che il segnale venga amplificato. La Figura 1 (c) è il suo spettro di emissione spontanea (ASE) amplificato con un'ampia larghezza di banda (fino a 20-40 nm) e due picchi corrispondenti rispettivamente a 1530 nm e 1550 nm.
I principali vantaggi dell'EDFA sono l'elevato guadagno, l'ampia larghezza di banda, l'elevata potenza di uscita, l'elevata efficienza della pompa, la bassa perdita di inserzione e l'insensibilità allo stato di polarizzazione.
2. Problemi con gli amplificatori in fibra ottica
Sebbene l'amplificatore ottico (in particolare l'EDFA) offra numerosi vantaggi, non è un amplificatore ideale. Oltre al rumore aggiuntivo che riduce il rapporto segnale/rumore del segnale, presenta anche altri svantaggi, tra cui:
- La non uniformità dello spettro di guadagno all'interno della larghezza di banda dell'amplificatore influisce sulle prestazioni di amplificazione multicanale;
- Quando gli amplificatori ottici sono collegati in cascata, si accumulano gli effetti del rumore ASE, della dispersione delle fibre e degli effetti non lineari.
Questi problemi devono essere considerati nella progettazione dell'applicazione e del sistema.
3. Applicazione dell'amplificatore ottico nel sistema di comunicazione in fibra ottica
Nel sistema di comunicazione in fibra ottica, ilAmplificatore in fibra otticapuò essere utilizzato non solo come amplificatore di potenza del trasmettitore per aumentare la potenza di trasmissione, ma anche come preamplificatore del ricevitore per migliorare la sensibilità di ricezione e può anche sostituire il tradizionale ripetitore ottico-elettrico-ottico, per estendere la distanza di trasmissione e realizzare una comunicazione completamente ottica.
Nei sistemi di comunicazione in fibra ottica, i principali fattori che limitano la distanza di trasmissione sono la perdita e la dispersione della fibra ottica. Utilizzando una sorgente luminosa a spettro ristretto, o lavorando vicino alla lunghezza d'onda a dispersione zero, l'influenza della dispersione della fibra è minima. Questo sistema non necessita di eseguire una rigenerazione completa della temporizzazione del segnale (relè 3R) in ogni stazione di ripetizione. È sufficiente amplificare direttamente il segnale ottico con un amplificatore ottico (relè 1R). Gli amplificatori ottici possono essere utilizzati non solo nei sistemi trunk a lunga distanza, ma anche nelle reti di distribuzione in fibra ottica, in particolare nei sistemi WDM, per amplificare più canali simultaneamente.
1) Applicazione di amplificatori ottici nei sistemi di comunicazione in fibra ottica trunk
La Figura 2 è uno schema dell'applicazione dell'amplificatore ottico nel sistema di comunicazione in fibra ottica trunk. (a) L'immagine mostra che l'amplificatore ottico viene utilizzato come amplificatore di potenza del trasmettitore e come preamplificatore del ricevitore, in modo da raddoppiare la distanza non-relay. Ad esempio, adottando EDFA, il sistema di trasmissione La distanza di 1,8 Gb/s aumenta da 120 km a 250 km o addirittura raggiunge i 400 km. Le Figure 2 (b)-(d) mostrano l'applicazione degli amplificatori ottici nei sistemi multi-relay; la Figura (b) mostra la tradizionale modalità a relè 3R; la Figura (c) mostra la modalità a relè misto di ripetitori 3R e amplificatori ottici; la Figura 2 (d) mostra una modalità a relè completamente ottica; in un sistema di comunicazione completamente ottico, non include circuiti di temporizzazione e rigenerazione, quindi è trasparente ai bit e non presenta alcuna restrizione di tipo "baffi a bottiglia elettronici". Purché le apparecchiature di invio e ricezione a entrambe le estremità vengano sostituite, è facile passare da una velocità bassa a una velocità alta e l'amplificatore ottico non necessita di essere sostituito.
2) Applicazione dell'amplificatore ottico nella rete di distribuzione in fibra ottica
I vantaggi dell'elevata potenza di uscita degli amplificatori ottici (in particolare EDFA) sono molto utili nelle reti di distribuzione a banda larga (comeTV via cavoReti. La rete CATV tradizionale utilizza cavi coassiali, che devono essere amplificati ogni diverse centinaia di metri, e il raggio di copertura della rete è di circa 7 km. La rete CATV in fibra ottica, che utilizza amplificatori ottici, non solo può aumentare significativamente il numero di utenti distribuiti, ma anche espandere notevolmente il percorso della rete. Recenti sviluppi hanno dimostrato che la distribuzione di fibra ottica/ibrida (HFC) sfrutta i punti di forza di entrambe e presenta una forte competitività.
La Figura 4 è un esempio di rete di distribuzione in fibra ottica per la modulazione AM-VSB di 35 canali TV. La sorgente luminosa del trasmettitore è DFB-LD con una lunghezza d'onda di 1550 nm e una potenza di uscita di 3,3 dBm. Utilizzando EDFA a 4 livelli come amplificatore di distribuzione di potenza, la sua potenza in ingresso è di circa -6 dBm e la sua potenza in uscita è di circa 13 dBm. La sensibilità del ricevitore ottico è di -9,2 dBm. Dopo 4 livelli di distribuzione, il numero totale di utenti ha raggiunto i 4,2 milioni e il percorso della rete è lungo più di decine di chilometri. Il rapporto segnale/rumore ponderato del test è risultato superiore a 45 dB e EDFA non ha causato una riduzione del CSO.
Data di pubblicazione: 23 aprile 2023