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 Leistungsvergleich dieser optischen Verstärker ist in der Tabelle dargestellt.
EDFA (Erbiumdotierter Faserverstärker)
Durch Dotierung der Quarzfaser mit Seltenerdelementen (wie Nd, Er, Pr, Tm usw.) kann ein mehrstufiges Lasersystem gebildet werden. Das Eingangssignal wird durch die Einwirkung des Pumplichts direkt verstärkt. 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 der Abweichung vom besten Senkenanschluss der Glasfaserkommunikation und anderer Gründe eingeschränkt. Die Betriebswellenlängen von EDFA und PDFA liegen jeweils im Fenster mit den geringsten Verlusten (1550 nm) und der Nulldispersionswellenlänge (1300 nm) der Glasfaserkommunikation. TDFA arbeitet im S-Band und eignet sich daher sehr gut für Anwendungen in Glasfaserkommunikationssystemen. Insbesondere EDFA, die sich am schnellsten entwickelt haben, hat sich als praxistauglich erwiesen.
DerPPrinzip der EDFA
Die Grundstruktur des EDFA ist in Abbildung 1(a) dargestellt. Er besteht hauptsächlich aus einem aktiven Medium (einer Erbium-dotierten Quarzfaser mit einer Länge von etwa zehn Metern, 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 durch das Pumplicht auf ein hohes Energieniveau angeregt (Abbildung 1 (b), ein Drei-Niveau-System) und fallen schnell auf ein metastabiles Energieniveau ab. Wenn sie durch das einfallende Signallicht in den Grundzustand zurückkehren, emittieren sie dem Signallicht entsprechende Photonen, wodurch 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 bei 1530 nm bzw. 1550 nm.
Die Hauptvorteile von EDFA sind hohe Verstärkung, große Bandbreite, hohe Ausgangsleistung, hohe Pumpleistung, 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 Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) reduziert, gibt es noch weitere Nachteile, wie zum Beispiel:
- Eine Ungleichmäßigkeit des Verstärkungsspektrums innerhalb der Verstärkerbandbreite beeinträchtigt die Mehrkanalverstärkungsleistung.
- 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 und kann auch den herkömmlichen optisch-elektrisch-optischen Repeater ersetzen, um die Übertragungsdistanz zu verlängern und eine rein optische Kommunikation zu realisieren.
In Glasfaserkommunikationssystemen sind die Hauptfaktoren, die die Übertragungsdistanz begrenzen, der Verlust und die Dispersion der Glasfaser. Bei Verwendung einer schmalbandigen Lichtquelle oder bei Betrieb 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 eingesetzt wird, wodurch die Reichweite ohne Relais verdoppelt wird. Beispielsweise kann durch die Verwendung von EDFA die Systemübertragung Die Entfernung von 1,8 Gbit/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 enthält er keine Takt- und Regenerationsschaltungen und ist daher bittransparent, ohne dass es zu Einschränkungen durch „elektronische Flaschenwhisker“ kommt. Durch den Austausch der Sende- und Empfangsgeräte an beiden Enden ist eine Aufrüstung 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 Kabelfernsehnetz verwendet Koaxialkabel, die alle paar hundert Meter verstärkt werden müssen. Der Versorgungsradius beträgt etwa 7 km. Ein Glasfaser-Kabelfernsehnetz mit optischen Verstärkern kann nicht nur die Anzahl verteilter Nutzer deutlich erhöhen, sondern auch den Netzwerkpfad deutlich erweitern. Jüngste Entwicklungen haben gezeigt, dass die Verbreitung von Glasfaser/Hybrid (HFC) die Stärken beider Technologien vereint und eine hohe Wettbewerbsfähigkeit bietet.
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 Leistungsverteiler 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 Nutzer 4,2 Millionen, und die Netzwerkstrecke ist mehrere zehn Kilometer lang. Der gewichtete Signal-Rausch-Abstand im Test lag über 45 dB, und der EDFA führte nicht zu einer Reduzierung des CSO.
Veröffentlichungszeit: 23. April 2023