1. Clasificación deFIberAamplificadores
Existen tres tipos principales de amplificadores ópticos:
(1) Amplificador óptico semiconductor (SOA, Amplificador óptico semiconductor);
(2) Amplificadores de fibra óptica dopados con elementos de tierras raras (erbio Er, tulio Tm, praseodimio Pr, rubidio Nd, etc.), principalmente amplificadores de fibra dopados con erbio (EDFA), así como amplificadores de fibra dopados con tulio (TDFA) y amplificadores de fibra dopados con praseodimio (PDFA), etc.
(3) Amplificadores de fibra no lineales, principalmente amplificadores Raman de fibra (FRA, Fiber Raman Amplifier). La principal comparación de rendimiento de estos amplificadores ópticos se muestra en la tabla.
EDFA (Amplificador de fibra dopada con erbio)
Se puede formar un sistema láser multinivel dopando la fibra de cuarzo con elementos de tierras raras (como Nd, Er, Pr, Tm, etc.), y la luz de señal de entrada se amplifica directamente bajo la acción de la luz de bombeo. Después de proporcionar la retroalimentación adecuada, se forma un láser de fibra. La longitud de onda de trabajo del amplificador de fibra dopado con Nd es de 1060 nm y 1330 nm, y su desarrollo y aplicación están limitados debido a la desviación del puerto de sumidero óptimo de la comunicación por fibra óptica y otras razones. Las longitudes de onda de operación de EDFA y PDFA se encuentran respectivamente en la ventana de la longitud de onda de menor pérdida (1550 nm) y longitud de onda de dispersión cero (1300 nm) de la comunicación por fibra óptica, y TDFA opera en la banda S, lo que es muy adecuado para aplicaciones de sistemas de comunicación por fibra óptica. Especialmente EDFA, el desarrollo más rápido, ha sido práctico.
ElPPrincipio de EDFA
La estructura básica de un EDFA se muestra en la Figura 1(a), que se compone principalmente de un medio activo (fibra de sílice dopada con erbio de aproximadamente decenas de metros de longitud, con un diámetro de núcleo de 3 a 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 nivel de alta 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. Al regresar al estado fundamental bajo la acción de la luz de señal incidente, emite fotones correspondientes a la luz de señal, lo que amplifica la señal. La Figura 1 (c) muestra su espectro de emisión espontánea amplificada (ASE) con un ancho de banda amplio (hasta 20-40 nm) y dos picos correspondientes a 1530 nm y 1550 nm, respectivamente.
Las principales ventajas de los amplificadores EDFA son su 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) tiene muchas ventajas destacadas, no es un amplificador ideal. Además del ruido adicional que reduce la relación señal/ruido (SNR) de la señal, existen otras deficiencias, tales como:
- La irregularidad del espectro de ganancia dentro del ancho de banda del amplificador afecta al rendimiento de la amplificación multicanal;
- Cuando se conectan en cascada amplificadores ópticos, se acumulan 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 la aplicación y del sistema.
3. Aplicación del amplificador óptico en sistemas de comunicación por fibra óptica.
En el sistema de comunicación por fibra óptica, elAmplificador de fibra ópticaPuede utilizarse no solo como amplificador de potencia del transmisor para aumentar la potencia de transmisión, sino también como preamplificador del receptor para mejorar la sensibilidad de recepción, y también puede reemplazar al 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 temporización 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 se pueden utilizar 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 por fibra óptica troncales
La figura 2 es un diagrama esquemático de la aplicación del amplificador óptico en el sistema de comunicación de fibra óptica troncal. (a) La imagen muestra que el amplificador óptico se utiliza como amplificador de aumento de potencia del transmisor y preamplificador del receptor, de modo que la distancia sin relé se duplica. Por ejemplo, adoptando 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. La figura 2 (b)-(d) muestra la aplicación de amplificadores ópticos en sistemas de múltiples relés; la figura (b) muestra el modo de relé 3R tradicional; la figura (c) muestra el modo de relé mixto de repetidores 3R y amplificadores ópticos; la figura 2 (d) muestra un modo de relé totalmente óptico; en un sistema de comunicación totalmente óptico, no incluye circuitos de temporización y regeneración, por lo que es transparente a nivel de bits y no existe la restricción de "bigotes electrónicos". Siempre que se reemplace el equipo de envío y recepción en ambos extremos, es fácil actualizar de una velocidad baja a una velocidad alta, y no es necesario reemplazar el amplificador óptico.
2) Aplicación del amplificador óptico en la red de distribución de fibra óptica
Las ventajas de alta potencia de salida de los amplificadores ópticos (especialmente EDFA) son muy útiles en redes de distribución de banda ancha (comoTelevisión por cableRedes). La red CATV tradicional utiliza cable coaxial, que requiere amplificación cada varios cientos de metros, y su radio de cobertura es de aproximadamente 7 km. La red CATV de fibra óptica, que utiliza amplificadores ópticos, no solo aumenta considerablemente el número de usuarios distribuidos, sino que también amplía significativamente la cobertura de la red. Los avances recientes demuestran que la distribución mediante fibra óptica híbrida (HFC) combina las ventajas de ambas tecnologías y ofrece una gran competitividad.
La Figura 4 muestra un ejemplo de una red de distribución de fibra óptica para la modulación AM-VSB de 35 canales de televisión. La fuente de luz del transmisor es un DFB-LD con una longitud de onda de 1550 nm y una potencia de salida de 3,3 dBm. Se utiliza un EDFA de 4 niveles como amplificador de distribución de potencia, con una potencia de entrada de aproximadamente -6 dBm y una potencia de salida de aproximadamente 13 dBm. La sensibilidad del receptor óptico es de -9,2 dBm. Tras la distribución en 4 niveles, el número total de usuarios alcanza los 4,2 millones, y la longitud de la red supera las decenas de kilómetros. La relación señal/ruido ponderada de la prueba fue superior a 45 dB, y el EDFA no provocó una reducción en la CSO.
Fecha de publicación: 23 de abril de 2023