Amplificarea semnalelor optice

Tehnologiile de multiplexare a diviziunii în lungime de undă, în special CWDM și DWDM, au permis furnizorilor și operatorilor de telecomunicații să extindă capacitatea rețelelor existente și au eliminat nevoia de a finanța extinderea infrastructurii FOCL. În segmentele de rețea în care distanțele dintre noduri nu sunt mari, sistemele WDM pasive au ocupat o poziție dominantă. Puterea transmițătoarelor și sensibilitatea receptorilor transceiverelor optice este suficientă pentru a asigura funcționarea sistemului și pentru a compensa atenuarea în fibră și a componentelor sistemului.

Dar dacă se pune problema compresiei spectrale a unei linii lungi, atunci nu are soluție fără amplificatoare optice sau regeneratoare. Atunci când alegeți o metodă de amplificare a semnalului (desigur, dacă există de ales), se acordă preferință amplificatoarelor optice: acestea nu efectuează conversii de semnal opto-electronice și sunt destul de simple în execuție.

Amplificatoarele EDFA (Erbium-Doped Fiber Amplifier) au câștigat o mare popularitate în rețelele optice. Lungimile de undă ale semnalelor optice amplificate de EDFA simple variază de la 1525 la 1565 nm, ceea ce este ideal pentru amplificarea puterii în „banda C” a sistemelor DWDM. LWEDFA (Long Wavelength EDFA: Long Wavelength EDFA) este utilizat pentru a amplifica semnale din „banda L”, operând în intervalul de la 1570 la 1605 nm. Utilizarea amplificatoarelor EDFA pentru a crește puterea semnalului în sistemele DWDM a făcut posibilă simplificarea structurală a acestor sisteme și reducerea costului total al complexului de echipamente DWDM.

Caracteristicile cheie ale amplificatoarelor EDFA

Puterea de ieșire de saturație
Câștig G (câștig)
Puterea de emisie spontană amplificată ASE (amplificatăemisie spontană)
Factorul de zgomot NF (cifra de zgomot)

Cum funcționează amplificatoarele EDFA

Principiul de funcționare al unui amplificator cu erbiu se bazează pe capacitatea unei fibre dopate cu erbiu de a amplifica semnalele datorate radiațiilor externe generate de „lasere cu pompă” (dezvoltarea circuitelor „pompă” a făcut posibilă crearea amplificatoarelor LWEDFA ). Amplificatoarele EDFA pot folosi bază de cuarț sau fluorură. Utilizarea fibrelor pe bază de fluor face posibilă furnizarea de dopaj cu erbiu mai saturat și obținerea unei amplificari mai uniforme a semnalului la toate lungimile de undă. Amplificatoarele EDFA pe bază de fibre optice cu bază de cuarț au un nivel de zgomot mai scăzut.

Radiația la lungimi de undă de 1480 și 980 nm este perfect absorbită de mediul activ al amplificatorului - o fibră monomod, al cărei miez este dopat cu impurități din pământuri rare pentru a crea un sistem atomic cu trei niveluri. Laserul pompă excită subsistemul electronic al atomilor de impurități. Ca rezultat, electronii din starea fundamentală (nivelul 1) trec într-o stare excitată (nivelul 2). În continuare, electronii se relaxează de la nivelul 2 la nivelul intermediar 3. Când populația nivelului intermediar 3 devine suficient de mare încât să se formeze o populație inversă de nivelurile 1 și 3, sistemul începe să amplifice indus semnalul optic de intrare la o anumită lungime de undă. gamă.

Semnalul optic de intrare slab trece printr-un izolator optic care permite luminii să treacă în direcția înainte și împiedică propagarea radiației retroîmprăștiate. Semnalul trece printr-un bloc de filtre care blochează fluxul luminos la lungimea de undă a pompei și trec restul radiației. Apoi semnalul intră în bobină cu o fibră dopată cu o impuritate deelemente de pământuri rare, în cazul amplificatoarelor EDFA, erbiu. Lungimea unei astfel de secțiuni a fibrei este de câțiva metri. Această secțiune a fibrei este expusă la radiații continue puternice de la unul sau mai multe lasere cu pompă semiconductoare. Radiația laser pompă excită atomii de impurități, care au un timp lung de relaxare în starea excitată, pentru o tranziție spontană la starea fundamentală. În prezența unui semnal slab, are loc o tranziție indusă a atomilor de impurități de la starea excitată la starea fundamentală cu emisia de lumină la aceeași lungime de undă și cu aceeași fază cu semnalul care a provocat acest lucru. Apoi, splitter-ul redirecționează semnalul util amplificat către fibra de ieșire. Un izolator optic la ieșirea amplificatorului împiedică semnalul retroîmprăștiat de la segmentul de ieșire să intre în regiunea activă a amplificatorului optic.

Pompă lasere

Să revenim la laserele de pompare, care sunt surse de energie de amplificare. Ca standard, EDFA utilizează lasere cu lungimi de undă de 980 și 1480 nm.

Laserele cu pompă de 980 nm au o cifră de zgomot scăzută, în timp ce laserele de 1480 nm oferă un câștig mai mare. Pe baza acestor fapte, laserele cu pompă de 980 nm sunt utilizate pentru preamplificatoare și sisteme cu un număr mare de canale, în timp ce laserele de 1480 nm sunt folosite pentru amplificatoare mai puternice. Un compromis în această situație este schema de pompare dublă de către ambele tipuri de lasere.

Puterea laserului pompei este teoretic distribuită uniform între toate canalele, deoarece cu cât sunt mai multe canale în sistem, cu atât laserul pompei sau cascada pompei ar trebui să fie mai puternice.

Există mai multe scheme de pompare:

Pompare directă (1) - asigură un nivel scăzut de zgomot. Cu putere scăzută a semnalului de intrare și câștig ridicat
Pompare înapoi (2) - duce la modul de saturație a fibrei mai rapid, modul de saturație este atins mai ușor - pentru putere maximă de ieșire a semnalului

Când se utilizează două lasere cu pompă cu lungimi de undă diferite, laserul de 1480 nm este conectat în direcția inversă, iar pompa la 980 nm este conectată în direcția înainte (3). Eficiența cuantică ridicată a laserului cu zgomot ridicat de 1480 nm combinată cu laserul cu zgomot redus de 980 nm are ca rezultat un câștig și o putere de ieșire ridicate. Utilizarea compensatoarelor de dispersie în două scheme laser (4) permite rezultate și mai bune, dar crește costul EDFA.

Tipuri de amplificatoare EDFA

În funcție de aplicație, există:

amplificatoare de putere (amplificatoare) (1)
preamplificatoare (2)
amplificatoare liniare (3)

Amplificatoarele de putere (amplificatoare) sunt instalate direct după transmițătoarele laser și sunt concepute pentru a amplifica în continuare semnalul la un nivel care nu poate fi atins pe baza unei diode laser. Boosterele pot fi instalate și înaintea splitter-ului optic (de exemplu, atunci când se transportă trafic în aval în arhitecturi hibride de televiziune prin cablu coaxial cu fibră).

Preamplificatoarele (preamplificatoarele) sunt utilizate direct înaintea receptorului de semnal și ajută la creșterea raportului semnal-zgomot la ieșirea etajului de amplificare electronică din receptorul optoelectronic. Preamplificatoarele optice sunt adesea folosite ca înlocuitori pentru receptoarele optice coerente complexe și costisitoare.

Amplificatoarele liniare sunt instalate în punctele intermediare ale liniilor de comunicație extinse între regeneratoare sau la ieșirea splitterelor optice pentru acompensare pentru atenuarea semnalului care apare din cauza atenuării în fibra optică sau din cauza ramificării în splittere optice, cuple, multiplexoare xWDM. Amplificatoarele liniare înlocuiesc repetoarele și regeneratoarele optoelectronice în cazurile în care nu este nevoie de reconstrucție precisă a semnalului.

Schimbarea caracteristicilor amplificatoarelor EDFA în funcție de tip

Parametru	Preamplificator	Amplificator de linie	Amplificator de putere
Câștig (G)	înalt	in medie	mic de statura
Cifra de zgomot (NF)	mic de statura	in medie	mic de statura
Puterea de saturație (Pout sut)	scăzut	in medie	înalt
Neliniaritate	scăzut	scăzut	scăzut
Zona de câștig	îngust	larg	larg

Domeniul de aplicare al EDFA

Amplificatoarele EDFA nu depind de protocoalele utilizate pentru transmiterea datelor, de rata de transfer de date. Această caracteristică a EDFA este un alt argument în favoarea utilizării lor în sistemele DWDM, în care multe canale eterogene sunt adesea combinate. De asemenea, EDFA nu depinde de tipul de semnal, fie că este digital discret sau analog. Prin urmare, amplificatoarele EDFA și-au găsit aplicație și în rețelele de televiziune prin cablu, în care, datorită specificului lor, există cerințe sporite pentru puterea și calitatea semnalului (de exemplu, raportul semnal-zgomot).

Tehnologia FTTH implică faptul că nu este nevoie să folosiți echipamente scumpe din partea clientului și pentru a reduce costul dispozitivelor de abonat, aceștia folosescreceptoare cu sensibilitate scăzută. Prin urmare, semnalul de la client trebuie să fie suficient de puternic. Și rețelele optice pasive (PON) cu un număr mare de abonați, cu o structură complexă de divizoare și pierderi uriașe, deși rentabile, sunt greu de imaginat fără amplificatoare optice.