Волоконно-оптический усилитель

Введение

Волоконно-оптические усилители используются для усиления оптических сигналов без преобразования сигнала в электрические сигналы туда и обратно. В этой статье мы обсудим оптоволоконные усилители, принцип их работы и их рыночную цену.

Что такое оптоволоконный усилитель?

Оптоволоконные сети используют пряди специально разработанного прозрачного волокна для передачи сигналов в виде световых импульсов. Часто эти сигналы попадают в инфракрасный спектр (850, 1300 и 1550 нм), который обеспечивает наименьшие характеристики затухания в волокне. Это находится в диапазоне менее 0.2 дБ на километр для диапазона 1550 нанометров, что намного ниже, чем у его электрического аналога.

Однако ни один сигнал не застрахован 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 составляют значительную сумму. Когда длина становится намного больше, сигнал становится экспоненциально слабее.

Волоконно-оптические усилители помогают смягчить эту проблему, усиливая сигнал, когда он становится слабым.

Волоконно-оптические усилители (также известные как оптоволоконные усилители) усиливают оптический сигнал, не преобразовывая его в электрический сигнал. Это очень важно, поскольку, если сигнал должен быть предварительно преобразован в электрический сигнал для усиления, задержка распространения между оптическим -> электрическим -> оптическим преобразованием будет намного выше. Волоконно-оптические усилители пропускают промежуточные преобразования и напрямую усиливают оптический сигнал.

Существует три основных типа оптоволоконных усилителей:

EDFA (волоконно-оптический усилитель, легированный эрбием)
FRA (волоконный рамановский усилитель)
SOA (полупроводниковый оптический усилитель)

Давайте посмотрим, как эти типы усилителей работают для усиления слабого оптоволоконного сигнала.

Как работают оптоволоконные усилители?

Начнем с EDFA, одной из самых ранних, но более надежных конструкций оптоволоконных усилителей, используемых на сегодняшний день.

EDFA - Волоконный усилитель, легированный эрбием

Волоконно-оптические усилители, легированные эрбием, являются наиболее часто используемыми сегодня волоконно-оптическими усилителями. Их можно использовать на нескольких этапах оптоволоконной сети в качестве

Бустер
Встроенный 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 «загрузчиком», который усиливает сигнал, подаваемый в оптическую линию.

Усилители EDFA сначала «накачивают» лазерный свет с длиной волны 980 или 1480 нм в эрбий, легированный в волокна. Это возбуждает ионы в возбужденные состояния 2 или 1 соответственно, как показано на изображении ниже. Возбужденное состояние 1 является более стабильной полосой, поэтому электроны, возбужденные 980-мм лазером, возвращаются в возбужденное состояние 1, излучая тепло (без каких-либо фотонов) и стабилизируясь.

Когда входящий сигнал соединяется с этими возбужденными электронами, сигнал стимулирует переход электронов в основное состояние, высвобождая энергию, хранящуюся в них в виде фотонов. И эти излучаемые фотоны, и оптический сигнал имеют длину волны 1550 нм, поэтому входящий сигнал многократно усиливается. Эти сигналы называются «когерентными» (одинаковая длина волны, частота и фаза), что делает возможным усиление.

Волоконный рамановский усилитель

Рамановский усилитель также является еще одним популярным типом оптоволоконного усилителя. В этих усилителях используется явление, называемоеВынужденное комбинационное рассеяние света' для усиления оптических сигналов.

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

Используя это явление, луч с большей длиной волны (называемый волной Стокса), который фактически является усиливаемым сигналом, может быть усилен за счет луча с меньшей длиной волны. Для усиления более длинноволнового сигнала другой сигнал должен иметь ту же поляризацию, то же направление и проходить через комбинационно-активную среду. Это может быть объемный кристалл, волновод или фотонно-интегральная схема или ячейка с газовой или жидкой средой.

На изображении ниже показан принцип работы рамановского усилителя.

Накачка и сигнальные лучи на частотах ωp и ωs вводятся в прядь волокна через волоконный ответвитель. В процессе усиления накачанный фотон высвобождает свою энергию для создания другого фотона с уменьшенной энергией. Избыточная энергия поглощается волокнистым материалом в виде молекулярных колебаний. Эта энергия вибрации затем передается в исходный сигнал, распространяющийся вместе с лучом накачки.

В отличие от усилителей, легированных эрбием, рамановские усилители обычно не требуют материала, легированного ионами редкоземельных элементов. Однако существуют специальные волокна, которые увеличили комбинационное усиление которые имеют более высокую производительность, чем обычные одномодовые волокна.

Полупроводниковый оптический усилитель

Полупроводниковые оптические усилители используют полупроводники в качестве усиливающей среды для усиления оптического сигнала. По сути, SOA представляет собой лазерный диод с оптоволоконной связью, в котором торцевые зеркала заменены просветляющими покрытиями.

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

SOA имеет две основные области: активную и пассивную. Когда сигнал проходит через активную область, электроны в активной области теряют энергию (как фотоны) и достигают основного состояния. Эти возбужденные фотоны имеют ту же длину волны, что и сам сигнал, и ту же фазу. Следовательно, это явление усиливает исходный сигнал, когда он покидает активную область.

Усилители SOA являются наиболее экономичным типом волоконно-оптических усилителей из-за меньшей сложности производства.