Vergelijking van verschillende soorten optische versterkers
Optische versterker is een belangrijke technologie voor optische communicatienetwerken. Zonder de noodzaak om het eerst om te zetten in een elektrisch signaal, worden de optische versterkers nu gebruikt in plaats van repeaters. Zoals we weten, zijn er verschillende soorten optische versterkers. Onder hen zijn de belangrijkste versterkertechnologieën de Doped-vezelversterker (bijv. EDFA), de halfgeleider optische versterker (SOA) en de Fiber Raman-versterker. Vandaag gaan we verschillende soorten optische versterkers bestuderen en vergelijken in dit artikel.
Vóór de vergelijking van de verschillende soorten optische versterkers, laten we de glasvezelversterker van naderbij bekijken. In het algemeen omvat een repeater een ontvanger en zender gecombineerd in één pakket. De ontvanger zet de inkomende optische energie om in elektrische energie. De elektrische uitgang van de ontvanger stuurt de elektrische ingang van de zender aan. De optische uitvoer van de zender vertegenwoordigt een versterkte versie van het optische invoersignaal plus ruis. Repeaters werken niet voor glasvezelnetwerken, waar veel zenders signalen naar vele ontvangers sturen met verschillende bitsnelheden en in verschillende formaten. In tegenstelling tot een repeater, versterkt een optische versterker het optische signaal echter rechtstreeks zonder elektrische en elektrische optische transformatie. Bovendien zou een ideale optische versterker een meerkanaals werking kunnen ondersteunen over een zo breed mogelijke golflengteband, een vlakke versterking over een groot dynamisch versterkingsbereik, een hoog verzadigd uitgangsvermogen, een laag geluidsniveau en een effectieve tijdelijke onderdrukking. Verschillende voordelen van optische versterkers als volgt:
Ondersteunt elke bitsnelheid en signaalformaat
Ondersteunt de hele regio van golflengten
Vergroot de capaciteit van glasvezelverbindingen met behulp van WDM
Voorzie in de mogelijkheid van volledig optische netwerken, niet alleen van punt-tot-puntverbindingen
OK, na een korte introductie van de optische versterkers beginnen we formeel aan het hoofdthema van vandaag. Zoals we hierboven al spraken, zijn er drie hoofdtypen van hedendaagse versterkertechnologie. Elk van hen heeft zijn eigen werkprincipe, functies en toepassingen. We zullen ze een voor een beschrijven in de volgende paragrafen.
Versterkte vezelversterker (de typische vertegenwoordiger: EDFA)
Erbium-gedoopte vezelversterker (EDFA) is de meest gebruikte glasvezelversterker, hoofdzakelijk gemaakt van met Erbium gedoteerde vezels (EDF), pomplichtbron, optische koppelaars, optische isolatoren, optische filters en andere componenten. Hiervan wordt een sporenverontreiniging in de vorm van een driewaardig erbiumion in de siliciumoxidekern van de optische vezel ingebracht om de optische eigenschappen ervan te veranderen en signaalversterking mogelijk te maken.
Werkend principe
Het werkingsprincipe van de EDFA is om de pomplichtbronnen te gebruiken, die meestal een golflengte hebben rond 980 nm en soms rond 1450 nm, exciteren de erbiumionen (Er3 +) in de 4I13 / 2 toestand (in het geval van 980-nm pompen via 4I11 / 2), van waaruit ze licht kunnen amplificeren in het 1,5-μm golflengtegebied via gestimuleerde emissie terug naar het grondtoevoerspruitstuk 4I15 / 2.
Voordelen en nadelen van EDFA
voordelen
EDFA heeft een hoog pompvermogen (> 50%)
Rechtstreeks en gelijktijdig versterken van een brede golflengteband (> 80nm) in het 1550nm-gebied, met een relatief vlakke versterking
De vlakheid kan worden verbeterd door optische filters te versterken
Krijg meer dan 50 dB
Laag geluidsniveau, geschikt voor lange-afstandstoepassingen
nadelen
Grootte van EDFA is niet klein
Het kan niet worden geïntegreerd met andere halfgeleiderapparaten
Halfgeleider optische versterker (SOA)
Halfgeleider optische versterker is een type optische versterker die een halfgeleider gebruikt om het versterkingsmedium te leveren. Ze hebben een vergelijkbare structuur als de Fabry-Perot-laserdiodes, maar met anti-reflecterende ontwerpelementen aan de kopse kanten. In tegenstelling tot andere optische versterkers worden SOA's elektronisch gepompt (di direct via een aangelegde stroom) en is een afzonderlijke pomplaser niet vereist.
Werkend principe
1. Gestimuleerde emissie om een optisch signaal te versterken.
2. Actief gebied van de halfgeleider.
3.Injectiestroom om elektronen op de geleidingsband te pompen.
4. Het ingangssignaal stimuleert de overgang van elektronen naar de valentieband om een versterking te verkrijgen.
Voordelen en nadelen van SOA
voordelen
De halfgeleider optische versterker is van een klein formaat en elektrisch gepompt.
Het kan mogelijk goedkoper zijn dan de EDFA en kan worden geïntegreerd met halfgeleiderlasers, modulators, enz.
Alle vier soorten niet-lineaire operaties (cross-gain modulatie, cross-fasemodulatie, golflengte-conversie en vier-golfmenging) kunnen worden uitgevoerd.
SOA kan worden uitgevoerd met een laser met een laag vermogen. Dit komt voort uit de korte levensduur van nanoseconde of minder van de hogere toestand, zodat de versterking snel reageert op pomp- of signaalvermogen en de veranderingen van versterking ook faseveranderingen veroorzaken die de signalen kunnen vervormen.
nadelen
De prestaties van SOA zijn nog steeds niet vergelijkbaar met de EDFA. De SOA heeft een hogere ruis, lagere versterking, gematigde polarisatieafhankelijkheid en hoge niet-lineariteit met snelle overgangstijd.
Fiber Raman-versterker (FRA)
Fiber Raman Amplifier (FRA) is ook een relatief volwassen optische versterker. In een FRA wordt het optische signaal versterkt als gevolg van gestimuleerde Raman-verstrooiing (SRS). Over het algemeen is de FRA-can verdeeld in een soort van het lumped type genaamd LRA en gedistribueerd type, genaamd DRA. De vezelversterkende media van de eerstgenoemde bevinden zich over het algemeen binnen 10 km. Bovendien vereist het op een hoger pompvermogen, meestal in een paar tot een dozijn watts die 40 dB of zelfs meerwaarden kunnen produceren. Het wordt hoofdzakelijk gebruikt om de optische signaalband te versterken waarvan EDFA niet kan voldoen. De glasvezelversterkingsmedia van DRA zijn meestal langer dan LRA, over het algemeen tientallen kilometers terwijl het vermogen van de pompbron terugloopt tot honderden megawatt. Het wordt voornamelijk gebruikt in het DWDM-communicatiesysteem, auxiliaire EDFA om de prestaties van het systeem te verbeteren, remt niet-lineair effect, vermindert de incidentie van signaalvermogen, verbetert de signaal / ruis-verhouding en vergroot online.
Werkend principe
Het principe van FRA is gebaseerd op het gestimuleerde Ramanverstrooiingseffect (SRS). Het versterkingsmedium is ongedoteerde optische vezel. Vermogen wordt overgedragen naar het optische signaal door een niet-lineair optisch proces dat bekend staat als het Raman-effect. Een invallend foton exciteert een elektron tot de virtuele toestand en de gestimuleerde emissie vindt plaats wanneer het elektron tot de vibratiestand van het glasmolecuul ont-exciteert. De Stokes-verschuiving die overeenkomt met de eigen energie van een fonon is ongeveer 13,2 THz voor alle optische vezels.
Voordelen en nadelen van FRA
voordelen
Variabele golflengte-versterking mogelijk
Compatibel met geïnstalleerde SM-vezels
Kan worden gebruikt om EDFA's uit te breiden
Kan resulteren in een lager gemiddeld vermogen gedurende een reeks, goed voor een lagere overspraak
Zeer breedbandbediening is mogelijk
nadelen
Hoge pompvermogensvereisten, hoge pompvermogenlasers zijn pas recent aangekomen
Geavanceerde gain control nodig
Lawaai is ook een probleem
Samenvatting
Na het praten over deze drie typen optische versterkers, vergelijken we ze als de volgende tabel.
