Giriş

Fiber optik amplifikatörler, sinyali ileri geri elektrik sinyallerine dönüştürmeden optik sinyalleri yükseltmek için kullanılır. Bu yazıda fiber optik amplifikatörleri, nasıl çalıştıklarını ve piyasa fiyatlarını tartışacağız.

Fiber Optik Amplifikatör nedir?

Fiber optik ağlar, sinyalleri ışık darbeleri olarak iletmek için özel olarak tasarlanmış şeffaf fiber şeritler kullanır. Genellikle bu sinyaller, fiberde en düşük zayıflama özelliklerini sağlayan kızılötesi spektrumda (850, 1300 ve 1550 nanometre) yer alır. Bu, elektriksel muadilinden çok daha düşük olan 0.2 nanometrelik bir bant için kilometre başına 1550 dB'den daha düşük bir aralığa düşüyor. 

Bununla birlikte, hiçbir sinyal zayıflamaya karşı tamamen bağışık değildir. Bu nedenle, bir sinyal bir fiber optik kablodan geçtiğinde, uzun mesafelerde zayıflama eğilimi gösterir. Örneğin, fiber kablo uzunluğu 10 km'yi aştığında, iletim kaybı önemli bir miktara ulaşır. Uzunluk çok arttığında, sinyal katlanarak zayıflar.

Fiber optik amplifikatörler, zayıfladığında sinyali güçlendirerek bu sorunu hafifletmeye yardımcı olur.

Fiber optik amplifikatörler (Optik Fiber Amplifikatörler olarak da bilinirler), optik sinyali elektrik sinyaline dönüştürmeden yükseltirler. Bu çok önemlidir, çünkü sinyal önceden yükseltilmek üzere elektrik sinyaline dönüştürülecekse, optik -> elektrik -> optik dönüşüm arasındaki yayılma gecikmesi çok daha yüksek olacaktır. Fiber optik amplifikatörler, ara dönüşümleri atlar ve optik sinyali doğrudan yükseltir.

Üç ana fiber optik amplifikatör türü vardır:

• EDFA (Erbiyum katkılı Fiber Optik Amplifikatör)
• FRA (Fiber Raman Yükselteç)
• SOA (Yarı İletken Optik Amplifikatör)

Bu amplifikatör türlerinin zayıf bir fiber optik sinyali yükseltmek için nasıl çalıştığına bir göz atalım.

Fiber Optik Amplifikatörler Nasıl Çalışır?

Bugüne kadar kullanımda olan en eski ancak daha sağlam fiber amplifikatör tasarımlarından biri olan EDFA ile başlayalım.

EDFA – Erbium Katkılı Fiber Amplifikatör

Erbium Katkılı Fiber Optik Amplifikatörler, günümüzde bulunan en yaygın kullanılan fiber optik amplifikatörlerdir. Bir fiber optik ağın birden çok aşamasında şu şekilde kullanılabilirler:

1. Güçlendirici
2. Hat içi amplifikatör
3. Ön amplifikatörler.

Ön amplifikatör olarak kullanıldığında, EDFA alıcının hemen önüne yerleştirilir. Sinyali güçlendirmek için bir iletim hattının ortasına yerleştirildiğinde, optik ile 'inline' kullanılıyor. Vericiden hemen sonra yerleştirilen bir EDFA, optik bağlantıya beslenecek sinyali artıran "önyükleyici" olarak adlandırılır.

EDFA amplifikatörleri, önce 980nm veya 1480nm lazer ışığını fiberlere katkılı Erbium'a 'pompalayarak' çalışır. Bu, aşağıdaki resimde gösterildiği gibi iyonları sırasıyla 2 veya 1 uyarılmış durumlara uyarır. Uyarılmış durum 1 daha kararlı banttır, bu nedenle 980 mm lazer tarafından uyarılan elektronlar ısı yayarak (herhangi bir foton olmadan) ve dengelenerek uyarılmış durum 1'e geri döner.

Gelen bir sinyal, bu uyarılmış elektronlarla birleştiğinde, sinyal, elektronlarda foton olarak depolanan enerjiyi serbest bırakarak temel duruma geçmeleri için uyarır. Hem bu yayılan fotonlar hem de optik sinyal 1550nm dalga boyundadır, bu nedenle gelen sinyal birçok kez yükseltilir. Bu sinyaller, amplifikasyonu mümkün kılan 'tutarlı' (aynı dalga boyu, frekans ve faz) sinyaller olarak adlandırılır.

Fiber Raman Amplifikatör

Raman Amplifikatör ayrıca bir başka popüler fiber optik amplifikatör türüdür. Bu amplifikatörler 'adlı bir fenomen kullanır.Uyarılmış Raman Saçılması' optik sinyalleri yükseltmek için.

Fiber optik ortamlar kristal/cam kafeslerden yapılmıştır. Bir ışık sinyali böyle bir kafes ortamında yayıldığında, hareket hızı doğrusal değildir ve anlık olmadığı gözlemlenebilir. Bu, sinyal yayılırken kafes yapısında meydana gelen titreşimlerden kaynaklanır.

Bu olgudan yararlanılarak, güçlendirilecek gerçek sinyal olan daha uzun dalga boylu bir ışın (Stokes dalgası olarak adlandırılır), daha kısa dalga boylu bir ışın pahasına yükseltilebilir. Daha uzun dalga boylu sinyalin yükseltilebilmesi için, diğer sinyalin aynı polarizasyonda, aynı yönde olması ve Raman-aktif bir ortamdan geçmesi gerekir. Bu bir toplu kristal, dalga kılavuzu veya fotonik entegre devre veya gaz veya sıvı ortamlı bir hücre olabilir.

Aşağıdaki resim bir Raman amplifikatörünün çalışma prensibini göstermektedir.

ωp ve ωs frekanslarındaki pompa ve sinyal ışınları, bir fiber kuplör yoluyla fiber demete enjekte edilir. Amplifikasyon işlemi sırasında, pompalanan bir foton, enerjisini azaltan başka bir foton oluşturmak için enerjisini serbest bırakır. Fazla enerji, fiber malzeme tarafından moleküler titreşimler şeklinde emilir. Bu titreşim enerjisi daha sonra pompa ışını ile birlikte yayılan orijinal sinyale aktarılır.

Erbium katkılı amplifikatörlerin aksine, Raman amplifikatörler genellikle nadir toprak iyonu katkılı malzemeye ihtiyaç duymazlar. Bununla birlikte, artan özel lifler vardır. Raman Kazancı normal tek modlu fiberlerden daha yüksek performansa sahip.

Yarı İletken Optik Amplifikatör

Yarı iletken optik amplifikatörler, bir optik sinyali yükseltmek için kazanç ortamı olarak yarı iletkenleri kullanır. Temel olarak SOA, uç aynaları yansıma önleyici kaplamalarla değiştirilen fiber bağlantılı bir lazer diyottur.

Bir SOA'da, iki yarı iletken malzeme arasında seyahat ederken ışık sinyali tek geçişte yükseltilir. Bu aktif bölgedir ve bir lazere benzer şekilde davranır, ancak EDFA'da gereken geri besleme ve çoklu geçişler yoktur. 

SOA'ların aktif ve pasif olmak üzere iki ana bölgesi vardır. Sinyal aktif bölgeden geçtiğinde aktif bölgedeki elektronlar enerji kaybederek (foton olarak) temel duruma ulaşırlar. Bu uyarılmış fotonlar, sinyalin kendisi ile aynı dalga boyuna ve aynı faza sahiptir. Bu nedenle, bu fenomen, aktif bölgeden çıkarken orijin sinyalini yükseltir.

SOA amplifikatörleri, imalatta yer alan daha az karmaşıklık nedeniyle en ekonomik fiber optik amplifikatör türüdür.

Fiber Optik Amplifikatör Fiyatı

Fiyatlandırma söz konusu olduğunda, fiber optik amplifikatör fiyatları kanal sayısına ve kullanılan teknolojiye göre değişir. Tipik olarak, EDFA amplifikatörlerinin maliyeti 400 ila 3000 ABD Doları arasındadır. En ucuz tip olan SOA amplifikatörlerinin maliyeti 150 dolardan itibaren başlar.

Sonuç

Elektrik sinyallerini kullanan ağlara benzer şekilde, optik ağlar da uzun mesafeli bağlantılar üzerinden sinyal bozulmasından muzdariptir. Doğru mesafede doğru optik amplifikatörün kullanılmasıyla, sinyal bozulması en aza indirilebilir ve uzun mesafelerde bant genişliği iyileştirilebilir.