Confronto tra diversi tipi di amplificatori ottici
L'amplificatore ottico è una tecnologia importante per le reti di comunicazione ottica. Senza la necessità di convertirlo prima in un segnale elettrico, ora vengono utilizzati gli amplificatori ottici anziché i ripetitori. Come sappiamo, esistono diversi tipi di amplificatori ottici. Tra questi, le principali tecnologie di amplificazione sono l'amplificatore in fibra Doped (ad es. EDFA), l'amplificatore ottico a semiconduttore (SOA) e l'amplificatore in fibra Raman. Oggi studieremo e confronteremo diversi tipi di amplificatori ottici in questo articolo.
Prima di confrontare i diversi tipi di amplificatori ottici, diamo un'occhiata più da vicino all'amplificatore a fibra ottica. In generale, un ripetitore include un ricevitore e un trasmettitore combinati in un unico pacchetto. Il ricevitore converte l'energia ottica in entrata in energia elettrica. L'uscita elettrica del ricevitore guida l'ingresso elettrico del trasmettitore. L'uscita ottica del trasmettitore rappresenta una versione amplificata del segnale di ingresso ottico più rumore. I ripetitori non funzionano per le reti in fibra ottica, dove molti trasmettitori inviano segnali a molti ricevitori a diversi bit rate e in diversi formati. Tuttavia, a differenza di un ripetitore, un amplificatore ottico amplifica direttamente il segnale ottico senza trasformazione ottica elettrica ed elettrica. Inoltre, un amplificatore ottico ideale potrebbe supportare il funzionamento multicanale nel modo più ampio possibile di una banda di lunghezze d'onda, fornire un guadagno piatto su un ampio intervallo di guadagno dinamico, avere un'alta potenza di uscita satura, basso rumore ed efficace soppressione dei transienti. Diversi vantaggi degli amplificatori ottici come i seguenti:
Supporta qualsiasi bit rate e formato del segnale
Supporta l'intera regione delle lunghezze d'onda
Aumentare la capacità dei collegamenti in fibra ottica utilizzando WDM
Fornire la capacità di reti completamente ottiche, non solo collegamenti point-to-point
OK, dopo una breve introduzione degli amplificatori ottici, iniziamo formalmente l'argomento principale di oggi. Mentre parliamo sopra, ci sono tre principali tipi di tecnologia di amplificazione di oggi. Ognuno di loro ha i propri principi di funzionamento, caratteristiche e applicazioni. Li descriveremo uno per uno nei paragrafi seguenti.
Amplificatore in fibra Doped (rappresentante tipico: EDFA)
L'amplificatore in fibra drogata con Erbio (EDFA) è l'amplificatore a fibra ottica più diffuso, costituito principalmente da fibra drogata con Erbio (EDF), sorgente luminosa a pompa, accoppiatori ottici, isolatori ottici, filtri ottici e altri componenti. Tra questi, un'impurità di traccia in forma di ione erbio trivalente viene inserita nel nucleo di silice della fibra ottica per alterarne le proprietà ottiche e consentire l'amplificazione del segnale.
Principio di funzionamento
Il principio di funzionamento dell'EDFA consiste nell'utilizzare le sorgenti luminose a pompa, che spesso hanno una lunghezza d'onda intorno a 980 nm e talvolta intorno a 1450 nm, eccita gli ioni di erbio (Er3 +) nello stato 4I13 / 2 (nel caso di 980-nm pompaggio via 4I11 / 2), da dove possono amplificare la luce nella regione di lunghezza d'onda di 1,5 μm tramite emissione stimolata al collettore di messa a terra 4I15 / 2.
Vantaggi e svantaggi di EDFA
vantaggi
L'EDFA ha un elevato consumo di energia della pompa (> 50%)
Amplificazione diretta e simultanea di un'ampia banda di lunghezza d'onda (> 80 nm) nella regione di 1550 nm, con un guadagno relativamente piatto
La planarità può essere migliorata mediante filtri ottici appiattiti
Guadagno superiore a 50 dB
Figura a basso rumore adatta per applicazioni a lungo raggio
svantaggi
La dimensione di EDFA non è piccola
Non può essere integrato con altri dispositivi compatibili con semiconduttori
Amplificatore ottico a semiconduttore (SOA)
L'amplificatore ottico a semiconduttore è un tipo di amplificatore ottico che utilizza un semiconduttore per fornire il mezzo di guadagno. Hanno una struttura simile ai diodi laser Fabry-Perot ma con elementi di design antiriflesso sulle facce terminali. A differenza di altri amplificatori ottici, i SOA vengono pompati elettronicamente (cioè direttamente tramite una corrente applicata) e non è richiesto un laser a pompa separato.
Principio di funzionamento
1. Emissione stimolata per amplificare un segnale ottico.
2. Regione attiva del semiconduttore.
3. corrente di iniezione per pompare elettroni alla banda di conduzione.
4. Il segnale di ingresso stimola la transizione degli elettroni verso la banda di valenza per acquisire un'amplificazione.
Vantaggi e svantaggi di SOA
vantaggi
L'amplificatore ottico a semiconduttore è di piccole dimensioni e pompato elettricamente.
Può essere potenzialmente meno costoso dell'EDFA e può essere integrato con laser a semiconduttore, modulatori, ecc.
Possono essere eseguiti tutti e quattro i tipi di operazioni non lineari (modulazione del guadagno incrociato, modulazione della fase trasversale, conversione della lunghezza d'onda e miscelazione a quattro onde).
SOA può essere eseguito con un laser a bassa potenza. Ciò ha origine dal breve periodo di vita del nanosecondo o inferiore, in modo che il guadagno reagisca rapidamente al cambiamento di potenza della pompa o del segnale e le variazioni di guadagno causino anche cambiamenti di fase che possono distorcere i segnali.
svantaggi
Le prestazioni di SOA non sono ancora paragonabili all'EDFA. La SOA ha un rumore più elevato, guadagno più basso, dipendenza da polarizzazione moderata e alta non linearità con tempo transitorio veloce.
Amplificatore Raman in fibra (FRA)
Fiber Raman Amplifier (FRA) è anche un amplificatore ottico relativamente maturo. In un FRA, il segnale ottico viene amplificato a causa della stimolazione dello scattering Raman (SRS). In generale, la FRA può essere divisa in tipi concentrati denominati LRA e di tipo distribuito denominati DRA. Il supporto di guadagno in fibra del primo è generalmente entro 10 km. Inoltre, richiede una potenza della pompa più elevata, generalmente da pochi a una dozzina di watt in grado di produrre 40 dB o anche più guadagni. Viene principalmente utilizzato per amplificare la banda del segnale ottico di cui EDFA non può soddisfare. Il supporto di guadagno in fibra di DRA è solitamente più lungo dell'LRA, in genere per decine di chilometri mentre la potenza della pompa è ridotta a centinaia di megawatt. Viene utilizzato principalmente nel sistema di comunicazione DWDM, EDFA ausiliario per migliorare le prestazioni del sistema, inibendo l'effetto non lineare, riducendo l'incidenza della potenza del segnale, migliorando il rapporto segnale / rumore e amplificando online.
Principio di funzionamento
Il principio di FRA si basa sull'effetto SRS (Stimulated Raman Scattering). Il mezzo di guadagno è fibra ottica non drogata. La potenza viene trasferita al segnale ottico mediante un processo ottico non lineare noto come effetto Raman. Un fotone incidente eccita un elettrone allo stato virtuale e l'emissione stimolata si verifica quando l'elettrone si de-eccita fino allo stato vibrazionale della molecola di vetro. Lo spostamento di Stokes corrispondente all'energia eigen di un fonone è di circa 13,2 THz per tutte le fibre ottiche.
Vantaggi e svantaggi di FRA
vantaggi
Amplificazione della lunghezza d'onda variabile possibile
Compatibile con fibra SM installata
Può essere usato per estendere gli EDFA
Può comportare una potenza media più bassa su un intervallo, buona per un crosstalk inferiore
Il funzionamento a banda larga potrebbe essere possibile
svantaggi
Elevati requisiti di potenza della pompa, laser ad alta potenza sono arrivati solo di recente
È necessario un sofisticato controllo del guadagno
Il rumore è anche un problema
Sommario
Dopo aver parlato di questi tre tipi di amplificatori ottici, li confrontiamo come la seguente tabella.
