1. Classificazione diFiberAamplificatori
Esistono tre tipi principali di amplificatori ottici:
(1) Amplificatore ottico a semiconduttore (SOA, amplificatore ottico a semiconduttore);
(2) Amplificatori a fibra ottica drogati con elementi delle terre rare (erbio Er, tulio Tm, praseodimio Pr, rubidio Nd, ecc.), principalmente amplificatori a fibra drogati con erbio (EDFA), così come amplificatori a fibra drogata con tulio (TDFA) e amplificatori a fibra drogata con praseodimio (PDFA), ecc.
(3) Amplificatori a fibra non lineari, principalmente amplificatori Raman a fibra (FRA, Fiber Raman Amplifier). Il principale confronto delle prestazioni di questi amplificatori ottici è mostrato nella tabella
EDFA (amplificatore a fibra drogata con erbio)
Un sistema laser multilivello può essere formato drogando la fibra di quarzo con elementi delle terre rare (come Nd, Er, Pr, Tm, ecc.), e la luce del segnale in ingresso viene amplificata direttamente sotto l'azione della luce di pompaggio. Dopo aver fornito un feedback appropriato, si forma un laser a fibra. La lunghezza d'onda di lavoro dell'amplificatore a fibra drogata con Nd è di 1060 nm e 1330 nm, e il suo sviluppo e la sua applicazione sono limitati a causa della deviazione dalla porta di ricezione ottimale della comunicazione in fibra ottica e per altri motivi. Le lunghezze d'onda operative di EDFA e PDFA sono rispettivamente nella finestra di minima perdita (1550 nm) e di dispersione nulla (1300 nm) della comunicazione in fibra ottica, e TDFA opera nella banda S, che sono molto adatte per le applicazioni nei sistemi di comunicazione in fibra ottica. In particolare EDFA, che ha avuto lo sviluppo più rapido, si è dimostrato pratico.
ILPprincipio dell'EDFA
La struttura di base dell'EDFA è mostrata in Figura 1(a), ed 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), una sorgente di luce di pompaggio (LD a 990 o 1480 nm), un accoppiatore ottico e un isolatore ottico. La luce di segnale e la luce di pompaggio possono propagarsi nella fibra di erbio nella stessa direzione (pompaggio codirezionale), in direzioni opposte (pompaggio inverso) o in entrambe le direzioni (pompaggio bidirezionale). Quando la luce di segnale e la luce di pompaggio vengono iniettate contemporaneamente nella fibra di erbio, gli ioni di erbio vengono eccitati a un livello energetico elevato sotto l'azione della luce di pompaggio (Figura 1 (b), un sistema a tre livelli) e decadono rapidamente al livello energetico metastabile; quando ritornano allo stato fondamentale sotto l'azione della luce di segnale incidente, emettono fotoni corrispondenti alla luce di segnale, in modo che il segnale venga amplificato. La figura 1 (c) mostra il suo spettro di emissione spontanea amplificata (ASE) 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 degli amplificatori EDFA sono l'elevato guadagno, l'ampia larghezza di banda, l'elevata potenza di uscita, l'elevata efficienza di pompaggio, la bassa perdita di inserzione e l'insensibilità allo stato di polarizzazione.
2. Problemi con gli amplificatori a fibra ottica
Sebbene l'amplificatore ottico (in particolare l'EDFA) presenti numerosi vantaggi, non è un amplificatore ideale. Oltre al rumore aggiuntivo che riduce il rapporto segnale/rumore (SNR) del segnale, esistono altri inconvenienti, quali:
- La disomogeneità 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, gli effetti del rumore ASE, della dispersione della fibra e degli effetti non lineari si accumulano.
Questi aspetti devono essere presi in considerazione nella progettazione delle applicazioni e dei sistemi.
3. Applicazione dell'amplificatore ottico nei sistemi di comunicazione a fibra ottica
Nel sistema di comunicazione in fibra ottica, ilAmplificatore a 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 comunicazioni completamente ottiche.
Nei sistemi di comunicazione in fibra ottica, i principali fattori che limitano la distanza di trasmissione sono la perdita e la dispersione della fibra. Utilizzando una sorgente luminosa a spettro ristretto, o operando in prossimità della lunghezza d'onda a dispersione zero, l'influenza della dispersione della fibra è minima. Questo sistema non necessita di una rigenerazione completa della temporizzazione del segnale (relay 3R) in ogni stazione di ripetizione. È sufficiente amplificare direttamente il segnale ottico con un amplificatore ottico (relay 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 simultaneamente più canali.
1) Applicazione degli amplificatori ottici nei sistemi di comunicazione a fibra ottica di linea principale
La Figura 2 è uno schema dell'applicazione dell'amplificatore ottico nel sistema di comunicazione in fibra ottica dorsale. (a) L'immagine mostra che l'amplificatore ottico viene utilizzato come amplificatore di potenza del trasmettitore e preamplificatore del ricevitore in modo da raddoppiare la distanza senza relè. Ad esempio, adottando EDFA, la trasmissione del sistema La distanza di 1,8 Gb/s aumenta da 120 km a 250 km o addirittura raggiunge i 400 km. La Figura 2 (b)-(d) mostra l'applicazione degli amplificatori ottici nei sistemi multi-relay; la Figura (b) mostra la modalità di relay 3R tradizionale; la Figura (c) mostra la modalità di relay mista di ripetitori 3R e amplificatori ottici; la Figura 2 (d) mostra una modalità di relay completamente ottica; in un sistema di comunicazione completamente ottico, non sono inclusi circuiti di temporizzazione e rigenerazione, quindi è trasparente ai bit e non vi è alcuna restrizione dovuta al "baffi di bottiglia elettronico". Fintanto che le apparecchiature di trasmissione e ricezione a entrambe le estremità vengono sostituite, è facile passare da una velocità bassa a una velocità alta e non è necessario sostituire l'amplificatore ottico.
2) Applicazione dell'amplificatore ottico nelle reti 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 necessitano di amplificazione ogni poche centinaia di metri, e il raggio di copertura della rete è di circa 7 km. La rete CATV in fibra ottica, utilizzando amplificatori ottici, non solo può aumentare notevolmente il numero di utenti distribuiti, ma anche espandere significativamente il percorso di rete. I recenti sviluppi hanno dimostrato che la distribuzione in fibra ottica/ibrida (HFC) sfrutta i punti di forza di entrambe le tecnologie e presenta una forte competitività.
La Figura 4 mostra un esempio di rete di distribuzione in fibra ottica per la modulazione AM-VSB di 35 canali TV. La sorgente luminosa del trasmettitore è un diodo laser DFB-LD con una lunghezza d'onda di 1550 nm e una potenza di uscita di 3,3 dBm. Utilizzando un amplificatore EDFA a 4 livelli come amplificatore di distribuzione di potenza, la sua potenza di ingresso è di circa -6 dBm e la sua potenza di 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 di rete è di oltre decine di chilometri. Il rapporto segnale/rumore ponderato del test è risultato superiore a 45 dB e l'EDFA non ha causato una riduzione del CSO.
Data di pubblicazione: 23 aprile 2023