1. LuokitteluFIberAvahvistimet
Optisia vahvistimia on kolmea päätyyppiä:
(1) Puolijohdeoptinen vahvistin (SOA, puolijohdeoptinen vahvistin);
(2) Harvinaisilla maametalleilla (erbium Er, tulium Tm, praseodyymi Pr, rubidium Nd jne.) seostetut optiset kuituvahvistimet, pääasiassa erbiumilla seostetut kuituvahvistimet (EDFA), sekä tuliumilla seostettuja kuituvahvistimia (TDFA) ja praseodyymillä seostettuja kuituvahvistimia (PDFA) jne.
(3) Epälineaariset kuituvahvistimet, pääasiassa kuitu-Raman-vahvistimet (FRA, Fiber Raman Amplifier). Näiden optisten vahvistimien tärkein suorituskyvyn vertailu on esitetty taulukossa.
EDFA (Erbiumilla seostettu kuituvahvistin)
Monitasoinen laserjärjestelmä voidaan muodostaa seostamalla kvartsikuitua harvinaisilla maametalleilla (kuten Nd, Er, Pr, Tm jne.), ja tulosignaalin valo vahvistetaan suoraan pumppausvalon vaikutuksesta. Kun asianmukainen takaisinkytkentä on annettu, muodostetaan kuitulaser. Nd-seostetun kuituvihvistimen työaallonpituudet ovat 1060 nm ja 1330 nm, ja sen kehitystä ja soveltamista rajoittavat muun muassa poikkeamat kuituoptisen tiedonsiirron parhaasta nieluportista. EDFA:n ja PDFFA:n toiminta-aallonpituudet ovat vastaavasti optisen tiedonsiirron pienimmän häviön (1550 nm) ja nolladispersion aallonpituuden (1300 nm) alueella, ja TDFA toimii S-kaistalla, mikä sopii erittäin hyvin optisen kuidun tietoliikennejärjestelmien sovelluksiin. Erityisesti EDFA, joka on kehittynyt nopeimmin, on ollut käytännöllinen.
ThePEDFA:n periaate
EDFA:n perusrakenne on esitetty kuvassa 1(a), joka koostuu pääasiassa aktiivisesta väliaineesta (noin kymmeniä metrejä pitkä erbiumilla seostettu piidioksidikuitu, jonka ytimen halkaisija on 3–5 mikronia ja seostuspitoisuus (25–1000)x10⁻⁶), pumppausvalonlähteestä (990 tai 1480 nm LD), optisesta kytkimestä ja optisesta eristimestä. Signaalivalo ja pumppausvalo voivat edetä erbiumkuidussa samaan suuntaan (yhteissuuntainen pumppaus), vastakkaisiin suuntiin (vastakkainen pumppaus) tai molempiin suuntiin (kaksisuuntainen pumppaus). Kun signaalivalo ja pumppausvalo ruiskutetaan erbiumkuituun samanaikaisesti, erbiumionit virittyvät korkealle energiatasolle pumppausvalon vaikutuksesta (kuva 1(b), kolmitasoinen järjestelmä) ja hajoavat nopeasti metastabiilille energiatasolle. Palatessaan perustilaan tulevan signaalivalon vaikutuksesta se emittoi signaalivaloa vastaavia fotoneja, jolloin signaali vahvistuu. Kuvio 1 (c) on sen vahvistettu spontaani emissiospektri (ASE), jolla on laaja kaistanleveys (jopa 20–40 nm) ja kaksi piikkiä, jotka vastaavat vastaavasti 1530 nm:n ja 1550 nm:n aallonpituuksia.
EDFA:n tärkeimmät edut ovat suuri vahvistus, suuri kaistanleveys, suuri lähtöteho, korkea pumpun hyötysuhde, pieni lisäyshäviö ja epäherkkyys polarisaatiotilalle.
2. Ongelmia kuituoptisten vahvistimien kanssa
Vaikka optisella vahvistimella (erityisesti EDFA:lla) on monia erinomaisia etuja, se ei ole ihanteellinen vahvistin. Signaalin signaali-kohinasuhdetta heikentävän kohinan lisäksi on myös joitakin muita haittoja, kuten:
- Vahvistusspektrin epätasaisuus vahvistimen kaistanleveyden sisällä vaikuttaa monikanavaisen vahvistuksen suorituskykyyn;
- Kun optiset vahvistimet kytketään kaskadiin, ASE-kohinan, kuitujen dispersion ja epälineaaristen vaikutusten vaikutukset kasaantuvat.
Nämä asiat on otettava huomioon sovellus- ja järjestelmäsuunnittelussa.
3. Optisen vahvistimen käyttö optisessa kuitukommunikaatiojärjestelmässä
Optisessa kuitutietoliikennejärjestelmässäKuituoptinen vahvistinvoidaan käyttää paitsi lähettimen tehostevahvistimena lähetystehon lisäämiseksi, myös vastaanottimen esivahvistimena vastaanottoherkkyyden parantamiseksi, ja se voi myös korvata perinteisen optis-sähkö-optisen toistimen, pidentää lähetysetäisyyttä ja toteuttaa täysin optisen tiedonsiirron.
Optisissa kuitutietoliikennejärjestelmissä siirtoetäisyyttä rajoittavat pääasialliset tekijät ovat optisen kuidun häviöt ja dispersio. Käytettäessä kapeaspektristä valonlähdettä tai toimiessa lähellä nolladispersioaallonpituutta kuidun dispersion vaikutus on pieni. Tässä järjestelmässä ei tarvitse suorittaa täydellistä signaalin ajoituksen regenerointia (3R-rele) jokaisella releasemalla. Riittää, että optinen signaali vahvistetaan suoraan optisella vahvistimella (1R-rele). Optisia vahvistimia voidaan käyttää paitsi pitkän matkan runkoverkoissa myös optisten kuitujen jakeluverkoissa, erityisesti WDM-järjestelmissä, useiden kanavien samanaikaiseen vahvistamiseen.
1) Optisten vahvistimien käyttö runko-optisten kuitujen tiedonsiirtojärjestelmissä
Kuva 2 on kaaviokuva optisen vahvistimen käytöstä runkoverkon optisessa kuituviestintäjärjestelmässä. (a) Kuvassa näkyy, että optista vahvistinta käytetään lähettimen tehostevahvistimena ja vastaanottimen esivahvistimena, jolloin releen ulkopuolinen etäisyys kaksinkertaistuu. Esimerkiksi EDFA:n käyttöönotto voi parantaa järjestelmän lähetystehoa. 1,8 Gb/s:n etäisyys kasvaa 120 km:stä 250 km:iin tai jopa 400 km:iin. Kuva 2 (b)-(d) esittää optisten vahvistimien käyttöä monirelejärjestelmissä; kuva (b) esittää perinteistä 3R-välitystilaa; kuva (c) esittää 3R-toistimien ja optisten vahvistimien sekavälitystilaa; kuva 2 (d) Kyseessä on täysin optinen välitystila; täysin optisessa tietoliikennejärjestelmässä ei ole ajoitus- ja regenerointipiirejä, joten se on bittiläpinäkyvä eikä siinä ole "elektronisen pullon viiksikarvan" rajoitusta. Niin kauan kuin lähetin- ja vastaanottolaitteet molemmissa päissä vaihdetaan, päivitys alhaisesta nopeudesta korkeaan nopeuteen on helppoa, eikä optista vahvistinta tarvitse vaihtaa.
2) Optisen vahvistimen käyttö optisen kuidun jakeluverkossa
Optisten vahvistimien (erityisesti EDFA:n) suuren tehon edut ovat erittäin hyödyllisiä laajakaistajakeluverkoissa (kutenKaapelitelevisioVerkot). Perinteinen kaapelitelevisioverkko käyttää koaksiaalikaapelia, jota on vahvistettava muutaman sadan metrin välein, ja verkon kantama on noin 7 km. Optisia vahvistimia käyttävä valokuitukaapelitelevisioverkko voi paitsi lisätä huomattavasti hajautettujen käyttäjien määrää, myös laajentaa verkon polkua huomattavasti. Viimeaikainen kehitys on osoittanut, että optisen kuidun/hybridin (HFC) jakelu hyödyntää molempien vahvuuksia ja on kilpailukykyinen.
Kuva 4 on esimerkki optisesta kuitujakeluverkosta 35 TV-kanavan AM-VSB-modulointiin. Lähettimen valonlähde on DFB-LD, jonka aallonpituus on 1550 nm ja lähtöteho 3,3 dBm. Käytettäessä 4-tasoista EDFA:ta tehonjakeluvahvistimena sen tuloteho on noin -6 dBm ja lähtöteho noin 13 dBm. Optisen vastaanottimen herkkyys on -9,2 dBm. Neljän jakelutason jälkeen käyttäjien kokonaismäärä on saavuttanut 4,2 miljoonaa ja verkon polku on yli kymmeniä kilometrejä. Testin painotettu signaali-kohinasuhde oli yli 45 dB, eikä EDFA aiheuttanut CSO:n laskua.
Julkaisun aika: 23. huhtikuuta 2023