Introductie
Glasvezelversterkers worden gebruikt om optische signalen te versterken zonder het signaal heen en weer om te zetten in elektrische signalen. In dit artikel bespreken we de glasvezelversterkers, hoe ze werken en hun marktprijs.
Wat is een glasvezelversterker?
Glasvezelnetwerken gebruiken strengen van speciaal ontworpen, transparante vezels om signalen als lichtpulsen door te geven. Vaak vallen deze signalen in het infraroodspectrum (850, 1300 en 1550 nanometer) dat de laagste verzwakkingskarakteristieken in de vezel biedt. Dit valt in het bereik van minder dan 0.2 dB per kilometer voor een band van 1550 nanometer, wat veel lager is dan zijn elektrische tegenhanger.
Geen enkel signaal is echter volledig immuun voor verzwakking. Wanneer een signaal door een glasvezelkabel gaat, heeft het daarom de neiging om over lange afstanden te verzwakken. Als de glasvezelkabel bijvoorbeeld langer is dan 10 km, kan het transmissieverlies aanzienlijk oplopen. Wanneer de lengte veel groter wordt, wordt het signaal exponentieel zwakker.
Glasvezelversterkers helpen dit probleem te verminderen door het signaal te versterken wanneer het zwak wordt.
Glasvezelversterkers (ook wel optische vezelversterkers genoemd) versterken het optische signaal zonder het om te zetten in een elektrisch signaal. Dit is erg belangrijk, want als het signaal vooraf moet worden omgezet in een elektrisch signaal om te versterken, zal de voortplantingsvertraging tussen optische -> elektrische -> optische conversie veel groter zijn. Glasvezelversterkers slaan de tussenliggende conversies over en versterken het optische signaal direct.
Er zijn drie hoofdtypen glasvezelversterkers:
- EDFA (Erbium-gedoteerde glasvezelversterker)
- FRA (Fiber Raman-versterker)
- SOA (optische halfgeleiderversterker)
Laten we eens kijken hoe deze versterkertypen werken om een zwak glasvezelsignaal te versterken.
Hoe werken glasvezelversterkers?
Laten we beginnen met de EDFA, een van de vroegste maar robuustere ontwerpen van glasvezelversterkers die tot nu toe in gebruik is.
EDFA - Erbium gedoteerde vezelversterker
Erbium gedoteerde glasvezelversterkers zijn de meest gebruikte glasvezelversterkers die tegenwoordig worden gevonden. Ze kunnen worden gebruikt in meerdere stadia van een glasvezelnetwerk als
- Een booster
- Inline versterker
- Voorversterkers.
Bij gebruik als voorversterker wordt de EDFA vlak voor de ontvanger geplaatst. Wanneer het in het midden van een transmissielijn wordt geplaatst om het signaal te versterken, wordt het 'in lijn' met de optiek gebruikt. Een EDFA die direct achter de zender wordt geplaatst, wordt een 'booter' genoemd die het signaal versterkt dat in de optische link moet worden ingevoerd.
EDFA-versterkers werken door eerst 980 nm of 1480 nm laserlicht in het erbium te 'pompen' dat in de vezels is gedoteerd. Dit exciteert de ionen in respectievelijk aangeslagen toestanden 2 of 1, zoals weergegeven in de onderstaande afbeelding. Opgewonden toestand 1 is de stabielere band, daarom vallen elektronen die worden aangeslagen door de 980 mm laser terug in aangeslagen toestand 1 door warmte uit te stralen (zonder enige fotonen) en te stabiliseren.
Wanneer een inkomend signaal wordt gekoppeld aan deze geëxciteerde elektronen, stimuleert het signaal de elektronen om in de grondtoestand te gaan door energie vrij te geven die erin is opgeslagen als fotonen. Zowel deze uitgezonden fotonen als het optische signaal hebben een golflengte van 1550 nm, daarom wordt het binnenkomende signaal meerdere keren versterkt. Deze signalen worden 'coherente' (zelfde golflengte, frequentie en fase) signalen genoemd waardoor de versterking mogelijk is.
Fiber Raman-versterker
Raman Amplifier is ook een ander populair type glasvezelversterker. Deze versterkers gebruiken een fenomeen genaamd 'Gestimuleerde Raman-verstrooiing' om de optische signalen te versterken.
Glasvezelmedia zijn gemaakt van kristal/glasroosters. Wanneer een lichtsignaal zich door zo'n roostermedium voortplant, is de reissnelheid niet-lineair en kan deze als niet-onmiddellijk worden waargenomen. Dit wordt veroorzaakt door de trillingen die in de roosterstructuur optreden wanneer het signaal zich voortplant.
Door gebruik te maken van dit fenomeen kan een bundel met een langere golflengte (genaamd Stokes-golf), het eigenlijke signaal dat moet worden versterkt, worden versterkt ten koste van een bundel met een kortere golflengte. Om het signaal met de langere golflengte te versterken, moet het andere signaal dezelfde polarisatie hebben, dezelfde richting hebben en door een Raman-actief medium gaan. Dit kan een bulk-crystal, golfgeleider of een fotonisch-geïntegreerd circuit zijn of een cel met een gas- of vloeibaar medium.
Onderstaande afbeelding toont het werkingsprincipe van een Raman-versterker.
De pomp- en signaalbundels met frequenties ωp en ωs worden via een vezelkoppeling in de vezelstreng geïnjecteerd. Tijdens het versterkingsproces geeft een gepompt foton zijn energie vrij om een ander foton te creëren met verminderde energie. De overtollige energie wordt door het vezelmateriaal geabsorbeerd in de vorm van moleculaire trillingen. Deze trillingsenergie wordt vervolgens overgebracht naar het oorspronkelijke signaal, samen met de pompstraal.
In tegenstelling tot met Erbium gedoteerde versterkers, hebben Raman-versterkers over het algemeen geen met zeldzame aardmetalen gedoteerd materiaal nodig. Er zijn echter speciale vezels die zijn toegenomen Raman winst die betere prestaties hebben dan reguliere single-mode-vezels.
Halfgeleider optische versterker
Optische halfgeleiderversterkers gebruiken halfgeleiders als versterkingsmedium om een optisch signaal te versterken. In wezen is SOA een vezelgekoppelde laserdiode waarvan de eindspiegels zijn vervangen door antireflecterende coatings.
In een SOA wordt het lichtsignaal in één doorgang versterkt wanneer het tussen twee halfgeleidermaterialen reist. Dit is het actieve gebied en werkt vergelijkbaar met een laser, maar zonder de feedback en meerdere doorgangen die vereist zijn in EDFA.
SOA's hebben twee primaire regio's, actief en passief. Wanneer het signaal door het actieve gebied gaat, verliezen de elektronen in het actieve gebied energie (als fotonen) en bereiken ze de grondtoestand. Deze aangeslagen fotonen hebben dezelfde golflengte als het signaal zelf en dezelfde fase. Daarom versterkt dit fenomeen het oorsprongssignaal wanneer het het actieve gebied verlaat.
SOA-versterkers zijn het meest economische type glasvezelversterkers vanwege de minder complexiteit bij de fabricage.
Prijs glasvezelversterker
Als het gaat om prijzen, variëren de kosten van glasvezelversterkers afhankelijk van het aantal kanalen en de gebruikte technologie. Doorgaans kosten EDFA-versterkers $ 400 tot $ 3000. Het goedkoopste type, SOA-versterkers, kost vanaf $ 150.
Conclusie
Net als bij netwerken die elektrische signalen gebruiken, hebben optische netwerken ook last van signaalverslechtering via langeafstandsverbindingen. Met het gebruik van de juiste optische versterker op de juiste afstand kan de signaalverslechtering worden geminimaliseerd en kan de bandbreedte over lange afstanden worden verbeterd.
