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 drogata 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 principale confronto delle prestazioni di questi amplificatori ottici è mostrato nella tabella
EDFA (amplificatore in fibra drogata con erbio)
Un sistema laser multilivello può essere formato drogando la fibra di quarzo con elementi di terre rare (come Nd, Er, Pr, Tm, ecc.) E la luce del segnale di ingresso viene amplificata direttamente sotto l'azione della luce della pompa.Dopo aver fornito un feedback appropriato, viene formato un laser a fibra.La lunghezza d'onda di lavoro dell'amplificatore in fibra drogata con Nd è 1060 nm e 1330 nm e il suo sviluppo e applicazione sono limitati a causa della deviazione dalla migliore porta di assorbimento della comunicazione in fibra ottica e per altri motivi.Le lunghezze d'onda operative di EDFA e PDFA si trovano rispettivamente nella finestra della lunghezza d'onda con perdita più bassa (1550 nm) e dispersione zero (1300 nm) della comunicazione in fibra ottica, mentre TDFA opera nella banda S, che è molto adatta per applicazioni nei sistemi di comunicazione in fibra ottica .Soprattutto l'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 a pompa (990 o 1480 nm LD), accoppiatore ottico e isolatore ottico.La luce del segnale e la luce della pompa 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 ad un livello energetico elevato sotto l'azione della luce della pompa (Figura 1 (b), un sistema a tre livelli), e decade rapidamente al livello di energia metastabile, quando ritorna 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 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 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 (soprattutto EDFA) presenti molti vantaggi eccezionali, non è un amplificatore ideale.Oltre al rumore aggiuntivo che riduce l'SNR del segnale, ci sono altri inconvenienti, come:
- L'irregolarità 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 delle fibre e degli effetti non lineari si accumuleranno.
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 trasmissione distanza 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 delle fibre è ridotta.Questo sistema non necessita di eseguire la rigenerazione completa della temporizzazione del segnale (relè 3R) in ciascuna stazione di relè.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, soprattutto nei sistemi WDM, per amplificare più canali contemporaneamente.
1) Applicazione di amplificatori ottici nei sistemi di comunicazione in fibra ottica
La Fig. 2 è un diagramma schematico dell'applicazione dell'amplificatore ottico nel sistema di comunicazione in fibra ottica di linea.(a) l'immagine mostra che l'amplificatore ottico viene utilizzato come amplificatore di potenza del trasmettitore e preamplificatore del ricevitore in modo che la distanza senza relè sia raddoppiata.Ad esempio, adottando EDFA, il sistema di trasmissione la distanza di 1,8 Gb/s aumenta da 120 km a 250 km o arriva addirittura a 400 km.La Figura 2 (b)-(d) è l'applicazione di amplificatori ottici in sistemi multi-relè;La figura (b) è la tradizionale modalità relè 3R;La figura (c) è la modalità relè mista di ripetitori 3R e amplificatori ottici;Figura 2 (d) È una modalità relè completamente ottica;in un sistema di comunicazione completamente ottico, non include circuiti di temporizzazione e rigenerazione, quindi è trasparente in termini di bit e non vi è alcuna restrizione relativa ai “baffi di bottiglia elettronici”.Finché vengono sostituite le apparecchiature di invio e ricezione su entrambe le estremità, è facile passare da una velocità bassa a una velocità alta e non è necessario sostituire l'amplificatore ottico.
2) Applicazione dell'amplificatore ottico nella rete di distribuzione in fibra ottica
I vantaggi dell'elevata potenza in uscita degli amplificatori ottici (in particolare EDFA) sono molto utili nelle reti di distribuzione a banda larga (comeCATVReti).La rete CATV tradizionale adotta un cavo coassiale, che necessita di essere amplificato ogni diverse centinaia di metri, e il raggio di servizio della rete è di circa 7 km.La rete CATV in fibra ottica che utilizza amplificatori ottici può non solo aumentare notevolmente il numero di utenti distribuiti, ma anche espandere notevolmente il percorso della rete.I recenti sviluppi hanno dimostrato che la distribuzione della fibra ottica/ibrida (HFC) trae i punti di forza di entrambi 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 televisivi.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.Sensibilità del ricevitore ottico -9,2d Bm.Dopo 4 livelli di distribuzione, il numero totale di utenti ha raggiunto i 4,2 milioni e il percorso della rete è di oltre decine di chilometri.Il rapporto segnale/rumore ponderato del test è stato superiore a 45 dB e l'EDFA non ha causato una riduzione del CSO.
Orario di pubblicazione: 23 aprile 2023