1. Klassifizierung vonFiberAVerstärker
Es gibt drei Haupttypen optischer Verstärker:
(1) Optischer Halbleiterverstärker (SOA, optischer Halbleiterverstärker);
(2) Mit Seltenerdelementen dotierte optische Faserverstärker (Erbium Er, Thulium Tm, Praseodym Pr, Rubidium Nd usw.), hauptsächlich mit 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)
Ein mehrstufiges Lasersystem kann durch Dotieren der Quarzfaser mit seltenen Erdelementen (wie Nd, Er, Pr, Tm usw.) gebildet werden, und das Eingangssignallicht wird unter der Wirkung des Pumplichts direkt verstärkt.Nach entsprechender Rückmeldung entsteht ein Faserlaser.Die Arbeitswellenlänge des Nd-dotierten Faserverstärkers beträgt 1060 nm und 1330 nm, und seine Entwicklung und Anwendung sind aufgrund der Abweichung vom besten Senkenanschluss der Glasfaserkommunikation und aus anderen Gründen begrenzt.Die Betriebswellenlängen von EDFA und PDFA liegen jeweils im Fenster mit dem geringsten Verlust (1550 nm) und der Wellenlänge ohne Dispersion (1300 nm) der Glasfaserkommunikation, und TDFA arbeitet im S-Band, was sich sehr gut für Anwendungen in Glasfaserkommunikationssystemen eignet .Insbesondere EDFA, die schnellste Entwicklung, war praktisch.
DerPPrinzip von EDFA
Die Grundstruktur von EDFA ist in Abbildung 1(a) dargestellt, die hauptsächlich aus einem aktiven Medium besteht (Erbium-dotierte Quarzfaser mit einer Länge von etwa zehn Metern, einem Kerndurchmesser von 3–5 Mikrometern und einer Dotierungskonzentration von (25). -1000)x10-6), Pumplichtquelle (990 oder 1480 nm LD), optischer Koppler und optischer Isolator.Signallicht und Pumplicht können sich in der Erbiumfaser in die gleiche Richtung (kodirektionales Pumpen), entgegengesetzte Richtungen (umgekehrtes Pumpen) oder beide Richtungen (bidirektionales Pumpen) ausbreiten.Wenn das Signallicht und das Pumplicht gleichzeitig in die Erbiumfaser injiziert werden, werden die Erbiumionen unter der Wirkung des Pumplichts auf ein hohes Energieniveau angeregt (Abbildung 1 (b), ein System mit drei Ebenen). und zerfällt schnell auf das metastabile Energieniveau. Wenn es unter der Wirkung des einfallenden Signallichts in den Grundzustand zurückkehrt, emittiert es Photonen, die dem Signallicht entsprechen, so dass das Signal verstärkt wird.Abbildung 1 (c) ist das Spektrum der verstärkten spontanen Emission (ASE) mit einer großen Bandbreite (bis zu 20–40 nm) und zwei Peaks, die jeweils 1530 nm und 1550 nm entsprechen.
Die Hauptvorteile von EDFA sind hohe Verstärkung, große Bandbreite, hohe Ausgangsleistung, hohe Pumpeffizienz, geringe Einfügungsdämpfung und Unempfindlichkeit gegenüber dem Polarisationszustand.
2. Probleme mit faseroptischen Verstärkern
Obwohl der optische Verstärker (insbesondere EDFA) viele herausragende Vorteile bietet, ist er kein idealer Verstärker.Neben dem zusätzlichen Rauschen, das das SNR des Signals verringert, gibt es noch einige weitere Mängel, wie zum Beispiel:
- Ungleichmäßigkeit des Verstärkungsspektrums innerhalb der Verstärkerbandbreite beeinträchtigt die Leistung der Mehrkanalverstärkung.
- Wenn optische Verstärker kaskadiert werden, akkumulieren sich die Auswirkungen von ASE-Rauschen, Faserdispersion und nichtlinearen Effekten.
Diese Aspekte müssen beim Anwendungs- und Systemdesign berücksichtigt werden.
3. Anwendung eines optischen Verstärkers in einem Glasfaserkommunikationssystem
Im Glasfaserkommunikationssystem ist dieFaseroptischer Verstärkerkann nicht nur als Leistungsverstärker des Senders zur Erhöhung der Sendeleistung, sondern auch als Vorverstärker des Empfängers zur Verbesserung der Empfangsempfindlichkeit verwendet werden und kann auch den herkömmlichen optisch-elektrisch-optischen Repeater ersetzen, um die Übertragung zu verlängern Entfernung und realisieren vollständig optische Kommunikation.
In Glasfaserkommunikationssystemen sind die Hauptfaktoren, die die Übertragungsentfernung begrenzen, der Verlust und die Streuung der Glasfaser.Bei Verwendung einer Lichtquelle mit schmalem Spektrum oder bei Arbeiten nahe der Wellenlänge mit Nulldispersion ist der Einfluss der Faserdispersion gering.Dieses System muss nicht an jeder Relaisstation eine vollständige Signal-Timing-Regeneration (3R-Relais) durchführen.Es reicht aus, das optische Signal direkt mit einem optischen Verstärker (1R-Relais) zu verstärken.Optische Verstärker können nicht nur in Fernleitungssystemen, sondern auch in Glasfaserverteilungsnetzen, insbesondere in WDM-Systemen, eingesetzt werden, um mehrere Kanäle gleichzeitig zu verstärken.
1) Anwendung optischer Verstärker in Trunk-Glasfaser-Kommunikationssystemen
Abb. 2 ist ein schematisches Diagramm der Anwendung des optischen Verstärkers im Trunk-Glasfaser-Kommunikationssystem.(a) Das Bild zeigt, dass der optische Verstärker als Leistungsverstärker des Senders und als Vorverstärker des Empfängers verwendet wird, sodass sich der Nicht-Relais-Abstand verdoppelt.Zum Beispiel die Einführung von EDFA, dem Übertragungssystem 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-Relais-Systemen;Abbildung (b) ist der traditionelle 3R-Relaismodus;Abbildung (c) ist der gemischte Relaismodus von 3R-Repeatern und optischen Verstärkern;Abbildung 2 (d) Es handelt sich um einen rein optischen Relaismodus;In einem rein optischen Kommunikationssystem enthält es keine Zeit- und Regenerationsschaltungen, ist also bittransparent und es gibt keine Einschränkung durch „elektronische Flaschenwhisker“.Solange die Sende- und Empfangsgeräte an beiden Enden ausgetauscht werden, ist ein Upgrade von einer niedrigen auf eine hohe Rate einfach und der optische Verstärker muss nicht ausgetauscht werden.
2) Anwendung eines optischen Verstärkers im Glasfaserverteilungsnetz
Die hohen Ausgangsleistungsvorteile optischer Verstärker (insbesondere EDFA) sind in Breitbandverteilungsnetzen (z. BCATVNetzwerke).Das traditionelle CATV-Netzwerk verwendet Koaxialkabel, die alle paar hundert Meter verstärkt werden müssen, und der Serviceradius des Netzwerks beträgt etwa 7 km.Das Glasfaser-CATV-Netzwerk mit optischen Verstärkern kann nicht nur die Anzahl der verteilten Benutzer erheblich erhöhen, sondern auch den Netzwerkpfad erheblich erweitern.Jüngste Entwicklungen haben gezeigt, dass der Vertrieb von Glasfaser/Hybrid (HFC) die Stärken beider nutzt und eine starke Wettbewerbsfähigkeit aufweist.
Abbildung 4 ist ein Beispiel eines Glasfaserverteilungsnetzwerks für die AM-VSB-Modulation von 35 Fernsehkanälen.Die Lichtquelle des Senders ist DFB-LD mit einer Wellenlänge von 1550 nm und einer Ausgangsleistung von 3,3 dBm.Bei Verwendung des 4-stufigen EDFA als Leistungsverteilungsverstärker beträgt seine Eingangsleistung etwa -6 dBm und seine Ausgangsleistung etwa 13 dBm.Empfindlichkeit des optischen Empfängers -9,2 d Bm.Nach 4 Verteilungsebenen hat die Gesamtzahl der Benutzer 4,2 Millionen erreicht, und der Netzwerkpfad beträgt mehr als zehn Kilometer.Das gewichtete Signal-Rausch-Verhältnis des Tests lag über 45 dB, und EDFA führte nicht zu einer Verringerung des CSO.
Zeitpunkt der Veröffentlichung: 23. April 2023