1. Klassifizierung vonFiberAVerstärker
Es gibt drei Haupttypen optischer Verstärker:
(1) Optischer Halbleiterverstärker (SOA, Semiconductor Optical Amplifier);
(2) Mit Seltenerdelementen (Erbium Er, Thulium Tm, Praseodym Pr, Rubidium Nd usw.) dotierte optische Faserverstärker, hauptsächlich Erbium-dotierte Faserverstärker (EDFA), sowie Thulium-dotierte Faserverstärker (TDFA) und Praseodym-dotierte Faserverstärker (PDFA) usw.
(3) Nichtlineare Faserverstärker, hauptsächlich Faser-Raman-Verstärker (FRA, Fiber Raman Amplifier). Der Hauptleistungsvergleich dieser optischen Verstärker ist in der Tabelle dargestellt
EDFA (Erbium-dotierter Faserverstärker)
Durch Dotierung der Quarzfaser mit Seltenerdelementen (wie Nd, Er, Pr, Tm usw.) kann ein mehrstufiges Lasersystem gebildet werden, bei dem das Eingangssignallicht durch die Wirkung des Pumplichts direkt verstärkt wird. Nach entsprechender Rückkopplung entsteht ein Faserlaser. Die Arbeitswellenlängen des Nd-dotierten Faserverstärkers liegen bei 1060 nm bzw. 1330 nm. Seine Entwicklung und Anwendung sind aufgrund von Abweichungen vom besten Senkenanschluss der Glasfaserkommunikation und aus anderen Gründen eingeschränkt. Die Betriebswellenlängen von EDFA und PDFA liegen jeweils im Fenster des geringsten Verlusts (1550 nm) bzw. der Nulldispersionswellenlänge (1300 nm) der Glasfaserkommunikation, und TDFA arbeitet im S-Band, was sich sehr gut für Anwendungen in Glasfaserkommunikationssystemen eignet. Insbesondere EDFA, das sich am schnellsten entwickelt hat, hat sich als praxistauglich erwiesen.
DerPPrinzip der EDFA
Die Grundstruktur der EDFA ist in Abbildung 1(a) dargestellt. Sie besteht hauptsächlich aus einem aktiven Medium (einer etwa zehn Meter langen, mit Erbium dotierten Quarzfaser mit einem Kerndurchmesser von 3–5 Mikrometern und einer Dotierungskonzentration von (25–1000) x 10-6), einer Pumplichtquelle (990 oder 1480 nm LD), einem optischen Koppler und einem optischen Isolator. Signallicht und Pumplicht können sich in der Erbiumfaser in die gleiche Richtung (gleichgerichtetes Pumpen), entgegengesetzte Richtungen (Rückwärtspumpen) oder beide Richtungen (bidirektionales Pumpen) ausbreiten. Wenn Signallicht und Pumplicht gleichzeitig in die Erbiumfaser eingespeist werden, werden die Erbiumionen unter der Einwirkung des Pumplichts auf ein hohes Energieniveau angeregt (Abbildung 1 (b), ein Drei-Niveau-System) und fallen schnell auf das metastabile Energieniveau ab. Wenn sie unter der Einwirkung des einfallenden Signallichts in den Grundzustand zurückkehren, emittieren sie Photonen, die dem Signallicht entsprechen, sodass das Signal verstärkt wird. Abbildung 1 (c) zeigt das verstärkte spontane Emissionsspektrum (ASE) mit einer großen Bandbreite (bis zu 20–40 nm) und zwei Peaks, die 1530 nm bzw. 1550 nm entsprechen.
Die Hauptvorteile von EDFA sind hohe Verstärkung, große Bandbreite, hohe Ausgangsleistung, hohe Pumpeffizienz, geringer Einfügungsverlust und Unempfindlichkeit gegenüber dem Polarisationszustand.
2. Probleme mit Glasfaserverstärkern
Obwohl der optische Verstärker (insbesondere EDFA) viele herausragende Vorteile bietet, ist er kein idealer Verstärker. Neben dem zusätzlichen Rauschen, das das SNR des Signals reduziert, gibt es noch einige weitere Nachteile, wie zum Beispiel:
- Ungleichmäßigkeiten im Verstärkungsspektrum innerhalb der Verstärkerbandbreite beeinträchtigen die Mehrkanal-Verstärkungsleistung.
- Wenn optische Verstärker kaskadiert werden, akkumulieren sich die Auswirkungen von ASE-Rauschen, Faserdispersion und nichtlinearen Effekten.
Diese Aspekte müssen bei der Anwendungs- und Systemgestaltung berücksichtigt werden.
3. Anwendung optischer Verstärker in Glasfaserkommunikationssystemen
Im Glasfaserkommunikationssystem ist dieFaseroptischer Verstärkerkann nicht nur als Leistungsverstärker des Senders zur Erhöhung der Sendeleistung verwendet werden, sondern auch als Vorverstärker des Empfängers zur Verbesserung der Empfangsempfindlichkeit. Außerdem kann er den herkömmlichen optisch-elektrisch-optischen Repeater ersetzen, um die Übertragungsdistanz zu verlängern und eine rein optische Kommunikation zu ermöglichen.
In Glasfaserkommunikationssystemen sind die Hauptfaktoren, die die Übertragungsdistanz begrenzen, der Verlust und die Dispersion der Glasfaser. Bei Verwendung einer Lichtquelle mit schmalem Spektrum oder bei der Arbeit nahe der Nulldispersionswellenlänge ist der Einfluss der Faserdispersion gering. Dieses System erfordert keine vollständige Signaltaktregeneration (3R-Relais) an jeder Relaisstation. Es genügt, das optische Signal direkt mit einem optischen Verstärker (1R-Relais) zu verstärken. Optische Verstärker können nicht nur in Fernleitungssystemen, sondern auch in Glasfaserverteilnetzen, insbesondere in WDM-Systemen, eingesetzt werden, um mehrere Kanäle gleichzeitig zu verstärken.
1) Anwendung optischer Verstärker in Glasfaser-Kommunikationssystemen
Abb. 2 zeigt schematisch die Anwendung des optischen Verstärkers im Glasfaser-Kommunikationssystem. (a) Das Bild zeigt, dass der optische Verstärker als Leistungsverstärker des Senders und als Vorverstärker des Empfängers verwendet wird, wodurch die Reichweite ohne Relais verdoppelt wird. Beispielsweise kann durch die Verwendung von EDFA die Systemübertragung Die Entfernung von 1,8 Gb/s erhöht sich von 120 km auf 250 km oder erreicht sogar 400 km. Abbildung 2 (b)–(d) zeigt die Anwendung optischer Verstärker in Multi-Relay-Systemen. Abbildung (b) zeigt den herkömmlichen 3R-Relay-Modus. Abbildung (c) zeigt den gemischten Relay-Modus aus 3R-Repeatern und optischen Verstärkern. Abbildung 2 (d) ist ein rein optischer Relay-Modus. In einem rein optischen Kommunikationssystem sind keine Zeit- und Regenerationsschaltungen enthalten, daher ist er bittransparent und unterliegt keiner Einschränkung durch „elektronische Flaschen-Whisker“. Durch den Austausch der Sende- und Empfangsgeräte an beiden Enden ist ein Upgrade von einer niedrigen auf eine hohe Rate problemlos möglich, ohne dass der optische Verstärker ausgetauscht werden muss.
2) Anwendung optischer Verstärker im Glasfaser-Verteilungsnetz
Die Vorteile der hohen Ausgangsleistung optischer Verstärker (insbesondere EDFA) sind in Breitband-Verteilungsnetzen (wie z. B.KabelfernsehenNetzwerke). Das traditionelle CATV-Netz verwendet Koaxialkabel, die alle paar hundert Meter verstärkt werden müssen. Der Versorgungsradius des Netzes beträgt etwa 7 km. Das Glasfaser-CATV-Netz mit optischen Verstärkern kann nicht nur die Anzahl der verteilten Benutzer deutlich erhöhen, sondern auch den Netzwerkpfad erheblich erweitern. Jüngste Entwicklungen haben gezeigt, dass die Verbreitung von Glasfaser/Hybrid (HFC) die Stärken beider Technologien vereint und eine starke Wettbewerbsfähigkeit aufweist.
Abbildung 4 zeigt ein Beispiel für ein Glasfaserverteilnetz für die AM-VSB-Modulation von 35 Fernsehkanälen. Die Lichtquelle des Senders ist ein DFB-LD mit einer Wellenlänge von 1550 nm und einer Ausgangsleistung von 3,3 dBm. Bei Verwendung eines vierstufigen EDFA als Leistungsverteilerverstärker beträgt die Eingangsleistung ca. -6 dBm und die Ausgangsleistung ca. 13 dBm. Die optische Empfängerempfindlichkeit beträgt -9,2 dBm. Nach vierstufiger Verteilung erreicht die Gesamtzahl der Benutzer 4,2 Millionen, und die Netzwerkstrecke ist mehrere zehn Kilometer lang. Das gewichtete Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) lag im Test über 45 dB, und der EDFA führte nicht zu einer Reduzierung des SNR.
Veröffentlichungszeit: 23. April 2023