1. Clasificación deFiberAamplificadores
Hay tres tipos principales de amplificadores ópticos:
(1) Amplificador óptico semiconductor (SOA, Semiconductor Optical Amplifier);
(2) Amplificadores de fibra óptica dopados con elementos de tierras raras (erbio Er, tulio Tm, praseodimio Pr, rubidio Nd, etc.), principalmente amplificadores de fibra dopada con erbio (EDFA), así como amplificadores de fibra dopada con tulio (TDFA) y amplificadores de fibra dopada con praseodimio (PDFA), etc.
(3) Amplificadores de fibra no lineales, principalmente amplificadores Raman de fibra (FRA, Fiber Raman Amplifier). La tabla muestra la principal comparación del rendimiento de estos amplificadores ópticos.
EDFA (Amplificador de fibra dopada con erbio)
Se puede formar un sistema láser multinivel dopando la fibra de cuarzo con tierras raras (como Nd, Er, Pr, Tm, etc.). La luz de la señal de entrada se amplifica directamente bajo la acción de la luz de bombeo. Tras proporcionar la retroalimentación adecuada, se forma un láser de fibra. La longitud de onda de trabajo del amplificador de fibra dopada con Nd es de 1060 nm y 1330 nm, y su desarrollo y aplicación son limitados debido a la desviación del mejor puerto de sumidero de la comunicación por fibra óptica, entre otras razones. Las longitudes de onda de operación de EDFA y PDFA se encuentran, respectivamente, en la ventana de menor pérdida (1550 nm) y longitud de onda de dispersión cero (1300 nm) de la comunicación por fibra óptica. TDFA opera en la banda S, que son muy adecuadas para aplicaciones de sistemas de comunicación por fibra óptica. Especialmente EDFA, el de más rápido desarrollo, ha sido práctico.
ElPPrincipio de EDFA
La estructura básica del EDFA se muestra en la Figura 1(a), compuesta principalmente por un medio activo (fibra de sílice dopada con erbio de unas decenas de metros de largo, con un diámetro de núcleo de 3-5 micras y una concentración de dopaje de (25-1000)x10-6), una fuente de luz de bombeo (LD de 990 o 1480 nm), un acoplador óptico y un aislador óptico. La luz de señal y la luz de bombeo pueden propagarse en la misma dirección (bombeo codireccional), en direcciones opuestas (bombeo inverso) o en ambas direcciones (bombeo bidireccional) en la fibra de erbio. Cuando la luz de señal y la luz de bombeo se inyectan simultáneamente en la fibra de erbio, los iones de erbio se excitan a un alto nivel de energía bajo la acción de la luz de bombeo (Figura 1 (b), un sistema de tres niveles), y decaen rápidamente al nivel de energía metaestable. Cuando regresa al estado fundamental bajo la acción de la luz de señal incidente, emite fotones correspondientes a la luz de señal, de modo que la señal se amplifica. La Figura 1 (c) es su espectro de emisión espontánea amplificada (ASE) con un gran ancho de banda (hasta 20-40 nm) y dos picos correspondientes a 1530 nm y 1550 nm respectivamente.
Las principales ventajas de EDFA son alta ganancia, gran ancho de banda, alta potencia de salida, alta eficiencia de bombeo, baja pérdida de inserción e insensibilidad al estado de polarización.
2. Problemas con los amplificadores de fibra óptica
Aunque el amplificador óptico (especialmente el EDFA) presenta numerosas ventajas destacadas, no es un amplificador ideal. Además del ruido adicional que reduce la relación señal-ruido (SNR) de la señal, presenta otras desventajas, como:
- La desigualdad del espectro de ganancia dentro del ancho de banda del amplificador afecta el rendimiento de la amplificación multicanal;
- Cuando los amplificadores ópticos se conectan en cascada, se acumularán los efectos del ruido ASE, la dispersión de la fibra y los efectos no lineales.
Estas cuestiones deben tenerse en cuenta en el diseño de aplicaciones y sistemas.
3. Aplicación del amplificador óptico en el sistema de comunicación por fibra óptica
En el sistema de comunicación por fibra óptica, elAmplificador de fibra ópticaSe puede utilizar no solo como un amplificador de potencia del transmisor para aumentar la potencia de transmisión, sino también como un preamplificador del receptor para mejorar la sensibilidad de recepción y también puede reemplazar el repetidor óptico-eléctrico-óptico tradicional, para extender la distancia de transmisión y lograr una comunicación totalmente óptica.
En los sistemas de comunicación por fibra óptica, los principales factores que limitan la distancia de transmisión son la pérdida y la dispersión de la fibra. Al utilizar una fuente de luz de espectro estrecho o trabajar cerca de la longitud de onda de dispersión cero, la influencia de la dispersión de la fibra es mínima. Este sistema no requiere la regeneración completa de la señal (relé 3R) en cada estación repetidora. Basta con amplificar directamente la señal óptica con un amplificador óptico (relé 1R). Los amplificadores ópticos pueden utilizarse no solo en sistemas troncales de larga distancia, sino también en redes de distribución de fibra óptica, especialmente en sistemas WDM, para amplificar múltiples canales simultáneamente.
1) Aplicación de amplificadores ópticos en sistemas de comunicación troncal de fibra óptica
La figura 2 muestra un diagrama esquemático de la aplicación del amplificador óptico en el sistema de comunicación troncal de fibra óptica. (a) La imagen muestra que el amplificador óptico se utiliza como amplificador de potencia del transmisor y preamplificador del receptor, duplicando así la distancia sin relé. Por ejemplo, al adoptar EDFA, la transmisión del sistema... La distancia de 1,8 Gb/s aumenta de 120 km a 250 km o incluso alcanza los 400 km. Las figuras 2 (b)-(d) muestran la aplicación de amplificadores ópticos en sistemas multirelé; la figura (b) muestra el modo de retransmisión 3R tradicional; la figura (c) muestra el modo de retransmisión mixto de repetidores 3R y amplificadores ópticos; la figura 2 (d) muestra un modo de retransmisión totalmente óptico; en un sistema de comunicación totalmente óptico, no incluye circuitos de temporización ni regeneración, por lo que es transparente a los bits y no existe la restricción de "bigotes de botella electrónicos". Siempre que se sustituyan los equipos de envío y recepción en ambos extremos, es fácil actualizar de una velocidad baja a una velocidad alta, y no es necesario sustituir el amplificador óptico.
2) Aplicación del amplificador óptico en la red de distribución de fibra óptica
Las ventajas de la alta potencia de salida de los amplificadores ópticos (especialmente EDFA) son muy útiles en las redes de distribución de banda ancha (comoTelevisión por cableRedes). La red tradicional de televisión por cable (CATV) utiliza cable coaxial, que requiere amplificación cada varios cientos de metros, y su radio de servicio es de aproximadamente 7 km. La red de CATV de fibra óptica, que utiliza amplificadores ópticos, no solo aumenta considerablemente el número de usuarios distribuidos, sino que también amplía considerablemente la ruta de la red. Los avances recientes han demostrado que la distribución de fibra óptica/híbrida (HFC) aprovecha las ventajas de ambas y presenta una fuerte competitividad.
La Figura 4 muestra un ejemplo de una red de distribución de fibra óptica para modulación AM-VSB de 35 canales de TV. La fuente de luz del transmisor es DFB-LD con una longitud de onda de 1550 nm y una potencia de salida de 3,3 dBm. Al utilizar EDFA de 4 niveles como amplificador de distribución de potencia, su potencia de entrada es de aproximadamente -6 dBm y su potencia de salida de aproximadamente 13 dBm. La sensibilidad del receptor óptico es de -9,2 dBm. Tras 4 niveles de distribución, el número total de usuarios alcanzó los 4,2 millones y la red tiene una longitud de más de decenas de kilómetros. La relación señal-ruido ponderada de la prueba fue superior a 45 dB, y el EDFA no redujo la CSO.
Hora de publicación: 23 de abril de 2023