Волоконно-оптический усилитель

ниу фэн
30 января 2023 года
Новости

Введение

Волоконно-оптические усилители используются для усиления оптических сигналов без преобразования сигнала в электрические сигналы и обратно. В этой статье мы расскажем о волоконно-оптических усилителях, о том, как они работают, и об их рыночной цене.

Что такое волоконно-оптический усилитель?

Оптоволоконные сети используют нити специально разработанного прозрачного волокна для передачи сигналов в виде световых импульсов. Часто эти сигналы попадают в инфракрасный спектр (850, 1300 и 1550 нанометров), который обеспечивает наименьшие характеристики затухания в волокне. Для диапазона 1550 нанометров этот показатель составляет менее 0,2 дБ на километр, что значительно ниже, чем у электрического аналога.

Однако ни один сигнал не может быть полностью защищен от затухания. Поэтому, когда сигнал проходит по оптоволоконному кабелю, он имеет тенденцию ослабевать на больших расстояниях. Например, когда длина оптоволоконного кабеля превышает 10 км, потери при передаче сигнала возрастают до значительной величины. Когда длина становится намного больше, сигнал ослабевает в геометрической прогрессии.

Оптоволоконные усилители помогают решить эту проблему, усиливая сигнал, когда он становится слабым.

Волоконно-оптические усилители (также известные как усилители на оптическом волокне) усиливают оптический сигнал без преобразования его в электрический. Это очень важно, поскольку если для усиления сигнал предварительно преобразовать в электрический, то задержка распространения между оптическим -> электрическим -> оптическим преобразованием будет гораздо выше. Волоконно-оптические усилители пропускают промежуточные преобразования и усиливают оптический сигнал напрямую.

Существует три основных типа волоконно-оптических усилителей:

EDFA (волоконно-оптический усилитель с легированным эрбием)
FRA (волоконный рамановский усилитель)
SOA (полупроводниковый оптический усилитель)

Давайте рассмотрим, как эти типы усилителей работают для усиления слабого сигнала по оптическому волокну.

Как работают волоконно-оптические усилители?

Начнем с EDFA - одной из самых ранних и в то же время надежных конструкций волоконных усилителей, которая используется до сих пор.

EDFA - волоконный усилитель с легированным эрбием

Волоконно-оптические усилители, легированные эрбием, - это наиболее распространенные на сегодняшний день волоконно-оптические усилители. Они могут использоваться на нескольких этапах волоконно-оптической сети как

Бустер
Рядовой усилитель
Предварительные усилители.

При использовании в качестве предварительного усилителя EDFA размещается непосредственно перед приемником. При размещении в середине линии передачи для усиления сигнала он используется "в линию" с оптикой. EDFA, размещенный сразу после передатчика, называется "бутером", который усиливает сигнал, подаваемый в оптическую линию.

Усилители EDFA работают, сначала "накачивая" лазерным излучением 980 нм или 1480 нм легированный эрбий в волокне. Это приводит к переходу ионов в возбужденное состояние 2 или 1 соответственно, как показано на рисунке ниже. Возбужденное состояние 1 - более стабильная полоса, поэтому электроны, возбужденные 980-мм лазером, возвращаются в возбужденное состояние 1, излучая тепло (без фотонов) и стабилизируясь.

Когда входящий сигнал соединяется с этими возбужденными электронами, сигнал побуждает электроны перейти в основное состояние, высвобождая энергию, хранящуюся в них в виде фотонов. И эти испускаемые фотоны, и оптический сигнал имеют длину волны 1550 нм, поэтому входящий сигнал многократно усиливается. Эти сигналы называются "когерентными" (с одинаковой длиной волны, частотой и фазой), что делает возможным усиление.

Волоконный рамановский усилитель

Рамановский усилитель - еще один популярный тип волоконно-оптических усилителей. В этих усилителях используется явление, называемое 'Стимулированное комбинационное рассеяние' для усиления оптических сигналов.

Волоконно-оптические среды состоят из кристаллических/стеклянных решеток. Когда световой сигнал распространяется через такую решетчатую среду, скорость распространения нелинейна и может наблюдаться как не мгновенная. Это вызвано колебаниями, возникающими в решетчатой структуре при распространении сигнала.

Используя это явление, можно усилить луч с большей длиной волны (так называемая волна Стокса), который является фактическим сигналом, подлежащим усилению, за счет луча с меньшей длиной волны. Для того чтобы усилить сигнал с большей длиной волны, другой сигнал должен иметь ту же поляризацию, то же направление и проходить через рамановски активную среду. Это может быть объемный кристалл, волновод, фотонно-интегрированная схема или ячейка с газовой или жидкой средой.

На рисунке ниже показан принцип работы рамановского усилителя.

Пучки накачки и сигнала на частотах ωp и ωs вводятся в оптоволокно через волоконный соединитель. В процессе усиления фотон накачки высвобождает свою энергию для создания другого фотона с уменьшенной энергией. Избыточная энергия поглощается материалом волокна в виде молекулярных колебаний. Эта энергия колебаний затем передается в исходный сигнал, распространяясь вместе с лучом накачки.

В отличие от усилителей, легированных эрбием, рамановские усилители обычно не нуждаются в материале, легированном редкоземельными ионами. Однако существуют специальные волокна, которые имеют повышенную Рамановский коэффициент усиления которые имеют более высокую производительность, чем обычные одномодовые волокна.

Полупроводниковый оптический усилитель

Полупроводниковые оптические усилители используют полупроводники в качестве среды усиления для усиления оптического сигнала. По сути, SOA - это лазерный диод с волоконной связью, у которого торцевые зеркала заменены антиотражающими покрытиями.

В SOA световой сигнал усиливается за один проход при прохождении между двумя полупроводниковыми материалами. Это активная область, которая действует аналогично лазеру, но без обратной связи и многократных проходов, необходимых в EDFA.

SOA имеют две основные области - активную и пассивную. Когда сигнал проходит через активную область, электроны в активной области теряют энергию (в виде фотонов) и переходят в основное состояние. Эти возбужденные фотоны имеют ту же длину волны, что и сам сигнал, и ту же фазу. Поэтому это явление усиливает сигнал происхождения, когда он покидает активную область.

SOA-усилители являются наиболее экономичным типом волоконно-оптических усилителей благодаря меньшей сложности производства.