Porovnání různých typů optických zesilovačů
Optický zesilovač je důležitou technologií pro optické komunikační sítě. Bez nutnosti nejprve konvertovat to k elektrickému signálu, optické zesilovače jsou nyní používány místo opakovačů. Jak víme, existuje několik typů optických zesilovačů. Mezi nimi jsou hlavními zesilovači technologie Doped fiber amplifier (např. EDFA), Semiconductor optický zesilovač (SOA) a Fiber Raman zesilovač. V současné době se budeme zabývat studiem a porovnáním různých typů optických zesilovačů.
Před porovnáním různých typů optických zesilovačů se podívejme blíže na zesilovač optických vláken. Obecně opakovač zahrnuje přijímač a vysílač kombinovaný v jednom balení. Přijímač převádí příchozí optickou energii na elektrickou energii. Elektrický výstup přijímače pohání elektrický vstup vysílače. Optický výstup vysílače představuje zesílenou verzi optického vstupního signálu plus šumu. Opakovače nepracují pro sítě s optickými vlákny, kde mnoho vysílačů vysílá signály mnoha přijímačům při různých bitových rychlostech a v různých formátech. Na rozdíl od opakovače však optický zesilovač zesiluje optický signál přímo bez elektrické a elektrické optické transformace. Ideální optický zesilovač by navíc mohl podporovat vícekanálový provoz v širokém pásmu vlnových délek, poskytovat plochý zisk v širokém rozsahu dynamického zisku, mít vysoký nasycený výstupní výkon, nízký šum a účinné potlačení přechodových jevů. Několik výhod optických zesilovačů:
Podporovat všechny přenosové rychlosti a formátu signálu
Podporujte celou oblast vlnových délek
Zvyšte kapacitu optických spojů pomocí WDM
Zajišťují schopnost všech optických sítí, nikoliv pouze spojení point-to-point
OK, po krátkém představení optických zesilovačů formálně začínáme dnešní hlavní téma. Jak již bylo řečeno, existují tři hlavní typy dnešních zesilovacích technologií. Každý z nich má svůj vlastní pracovní princip, vlastnosti a aplikace. V následujících odstavcích je popíšeme jeden po druhém.
Dopovaný vláknový zesilovač (typický zástupce: EDFA)
Erbium-dopovaný vláknový zesilovač (EDFA) je nejpoužívanějším vláknovým optickým zesilovačem, který je vyroben především z vláken (EDF), světelného zdroje čerpadel, optických spojek, optických izolátorů, optických filtrů a dalších komponent. Mezi nimi je stopová nečistota ve formě trojmocného erbiového iontu vložena do křemičitého jádra optického vlákna za účelem změny jeho optických vlastností a umožnění zesílení signálu.
Pracovní princip
Princip činnosti EDFA spočívá v použití světelných zdrojů čerpadla, které mají nejčastěji vlnovou délku kolem 980 nm a někdy kolem 1450 nm, excitují ionty erb (Er3 +) do stavu 4I13 / 2 (v případě 980 nm). čerpání přes 4I11 / 2), odkud mohou zesílit světlo v oblasti vlnových délek 1,5 μm prostřednictvím stimulované emise zpět do rozdělovače zemního stavu 4I15 / 2.
Výhody a nevýhody EDFA
Výhody
EDFA má vysoký výkon čerpadla (> 50%)
Přímo a současně zesiluje široké pásmo vlnových délek (> 80nm) v oblasti 1550nm s relativně plochým ziskem
Rovinnost může být zlepšena optickými filtry se zploštěním
Získat více než 50 dB
Nízká hladina hluku vhodná pro dálkové aplikace
Nevýhody
Velikost EDFA není malá
Nelze ji integrovat s jinými polovodičovými obvody
Polovodičový optický zesilovač (SOA)
Polovodičový optický zesilovač je jeden typ optického zesilovače, který používá polovodič k poskytnutí zesíleného média. Mají podobnou strukturu jako laserové diody Fabry-Perot, ale na koncích čelistí mají antireflexní prvky. Na rozdíl od jiných optických zesilovačů jsou SOA čerpány elektronicky (tj. Přímo přes aplikovaný proud) a samostatný čerpadlový laser není vyžadován.
Pracovní princip
1.Stimulovaná emise pro zesílení optického signálu.
2.Aktivní oblast polovodiče.
3.Vstřikovací proud k pumpování elektronů ve vodivém pásmu.
4. Vstupní signál stimuluje přechod elektronů do valenčního pásma, aby získal zesílení.
Výhody a nevýhody SOA
Výhody
Polovodičový optický zesilovač má malou velikost a je elektricky čerpán.
Může být potenciálně levnější než EDFA a může být integrován s polovodičovými lasery, modulátory atd.
Všechny čtyři typy nelineárních operací (modulace křížového zesílení, modulace s křížovou fází, konverze vlnové délky a směšování čtyř vln) mohou být provedeny.
SOA lze provozovat s nízkoenergetickým laserem. Toto pochází z krátké nanosekundové nebo nižší životnosti v horním stavu, takže zesílení reaguje rychle na změny výkonu čerpadla nebo signálu a změny zisku také způsobují fázové změny, které mohou signály zkreslit.
Nevýhody
Výkonnost SOA stále není srovnatelná s EDFA. SOA má vyšší šum, nižší zisk, střední polarizační závislost a vysokou nelinearitu s rychlou přechodnou dobou.
Fiber Raman zesilovač (FRA)
Fiber Raman Amplifier (FRA) je také poměrně zralý optický zesilovač. V FRA je optický signál zesílen v důsledku stimulovaného Ramanova rozptylu (SRS). Obecně lze říci, že FRA lze rozdělit na typ s názvem LRA a distribuovaný typ nazvaný DRA. Médium pro zesílení optického vlákna je obvykle do 10 km. Kromě toho vyžaduje vyšší výkon čerpadla, obvykle v řádu několika desítek wattů, které mohou produkovat 40 dB nebo dokonce převyšovat zisky. Používá se především pro zesílení optického signálového pásma, které EDFA nemůže uspokojit. Médium s optickým zesílením DRA je obvykle delší než LRA, zpravidla na desítky kilometrů, zatímco výkon čerpacích stanic je nižší než stovky megawattů. Používá se především v komunikačním systému DWDM, pomocném EDFA pro zlepšení výkonu systému, inhibici nelineárního efektu, snížení výskytu signálu, zlepšení poměru signál / šum a zesílení online.
Pracovní princip
Princip FRA je založen na efektu stimulovaného Ramanova rozptylu (SRS). Médium zisku je optickým vláknem. Výkon je přenášen na optický signál nelineárním optickým procesem známým jako Ramanův efekt. Incidentní foton excituje elektron do virtuálního stavu a stimulovaná emise nastává, když elektron de-excituje dolů do vibračního stavu molekuly skla. Stokesův posun odpovídající vlastní energii fononu je přibližně 13,2 THz pro všechna optická vlákna.
Výhody a nevýhody FRA
Výhody
Možné je zesilování s proměnnou vlnovou délkou
Kompatibilní s nainstalovaným SM vláknem
Lze použít pro rozšíření EDFA
Výsledkem může být nižší průměrný výkon přes rozpětí, vhodný pro nižší přeslechy
Může být možná velmi širokopásmová operace
Nevýhody
Vysoké požadavky na výkon čerpadla, lasery s vysokým výkonem čerpadel teprve nedávno přišly
Je zapotřebí sofistikované řízení zisku
Problémem je také hluk
souhrn
Po rozhovoru o těchto třech typech optických zesilovačů je porovnáváme jako následující tabulku.
