Vergleich verschiedener optischer Verstärkertypen
Optischer Verstärker ist eine wichtige Technologie für optische Kommunikationsnetze. Ohne es zuerst in ein elektrisches Signal umwandeln zu müssen, werden jetzt die optischen Verstärker anstelle von Repeatern verwendet. Wie wir wissen, gibt es verschiedene Arten von optischen Verstärkern. Unter diesen sind die Hauptverstärkertechnologien dotierte Faserverstärker (z. B. EDFA), optische Halbleiterverstärker (SOA) und Faser-Raman-Verstärker. Heute werden wir in diesem Artikel verschiedene Arten von optischen Verstärkern untersuchen und vergleichen.
Schauen wir uns vor dem Vergleich der verschiedenen optischen Verstärkertypen die Glasfaserverstärker genauer an. Im Allgemeinen enthält ein Repeater einen Empfänger und einen Sender, die in einem Paket zusammengefasst sind. Der Empfänger wandelt die ankommende optische Energie in elektrische Energie um. Der elektrische Ausgang des Empfängers steuert den elektrischen Eingang des Senders. Der optische Ausgang des Senders repräsentiert eine verstärkte Version des optischen Eingangssignals plus Rauschen. Repeater funktionieren nicht in Glasfasernetzen, in denen viele Sender Signale mit unterschiedlichen Bitraten und in unterschiedlichen Formaten an viele Empfänger senden. Im Gegensatz zu einem Repeater verstärkt ein optischer Verstärker das optische Signal jedoch direkt ohne elektrische und elektrische optische Transformation. Darüber hinaus könnte ein idealer optischer Verstärker einen Mehrkanalbetrieb über ein möglichst breites Wellenlängenband unterstützen, eine flache Verstärkung über einen großen dynamischen Verstärkungsbereich bereitstellen, eine hohe Sättigungsausgangsleistung, geringes Rauschen und eine wirksame Unterdrückung von Transienten aufweisen. Mehrere Vorteile von optischen Verstärkern wie folgt:
Unterstützt jede Bitrate und jedes Signalformat
Unterstützt den gesamten Wellenlängenbereich
Erhöhen Sie die Kapazität von Glasfaserverbindungen mithilfe von WDM
Bieten Sie die Fähigkeit von rein optischen Netzwerken, nicht nur von Punkt-zu-Punkt-Verbindungen
OK, nach einer kurzen Einführung in die optischen Verstärker beginnen wir offiziell mit dem heutigen Hauptthema. Wie oben erwähnt, gibt es drei Haupttypen der heutigen Verstärkertechnologie. Jeder von ihnen hat seine eigenen Arbeitsprinzipien, Funktionen und Anwendungen. Wir werden sie nacheinander in den folgenden Abschnitten beschreiben.
Dotierter Faserverstärker (Der typische Vertreter: EDFA)
Erbium-dotierter Faserverstärker (EDFA) ist der am weitesten verbreitete faseroptische Verstärker, der hauptsächlich aus Erbium-dotierter Faser (EDF), Pumplichtquelle, optischen Kopplern, optischen Isolatoren, optischen Filtern und anderen Bauteilen besteht. Unter diesen wird eine Spurenverunreinigung in Form eines dreiwertigen Erbiumions in den Siliciumdioxidkern der optischen Faser eingeführt, um deren optische Eigenschaften zu ändern und eine Signalverstärkung zu ermöglichen.
Arbeitsprinzip
Das Arbeitsprinzip des EDFA besteht darin, die Pumplichtquellen zu verwenden, die am häufigsten eine Wellenlänge um 980 nm und manchmal um 1450 nm haben und die Erbiumionen (Er3 +) in den 4I13 / 2-Zustand anregen (im Fall von 980 nm) Pumpen über 4I11 / 2), von wo aus sie Licht im Wellenlängenbereich von 1,5 μm über stimulierte Emission zurück zum Grundzustandsverteiler 4I15 / 2 verstärken können.
Vor- und Nachteile von EDFA
Vorteile
EDFA hat eine hohe Auslastung der Pumpenleistung (> 50%)
Verstärkt direkt und gleichzeitig ein breites Wellenlängenband (> 80 nm) im Bereich von 1550 nm mit einer relativ flachen Verstärkung
Die Ebenheit kann durch Abflachen der optischen Filter verbessert werden
Verstärkung über 50 dB
Geringe Geräuschentwicklung, geeignet für Langstreckenanwendungen
Nachteile
Die Größe von EDFA ist nicht klein
Es kann nicht mit anderen Halbleitergeräten integriert werden
Optischer Halbleiterverstärker (SOA)
Ein optischer Halbleiterverstärker ist ein Typ eines optischen Verstärkers, der einen Halbleiter verwendet, um das Verstärkungsmedium bereitzustellen. Sie haben eine ähnliche Struktur wie Fabry-Perot-Laserdioden, jedoch Antireflex-Designelemente an den Stirnseiten. Im Gegensatz zu anderen optischen Verstärkern werden SOAs elektronisch gepumpt (dh direkt über einen angelegten Strom), und ein separater Pumplaser ist nicht erforderlich.
Arbeitsprinzip
1.Stimulierte Emission zur Verstärkung eines optischen Signals.
2.Aktiver Bereich des Halbleiters.
3.Injektionsstrom zum Pumpen von Elektronen im Leitungsband.
4.Das Eingangssignal stimuliert den Übergang von Elektronen in das Valenzband, um eine Verstärkung zu erhalten.
Vorteile und Nachteile von SOA
Vorteile
Der optische Halbleiterverstärker ist klein und elektrisch gepumpt.
Es kann möglicherweise kostengünstiger als das EDFA sein und kann in Halbleiterlaser, Modulatoren usw. integriert werden.
Alle vier Arten von nichtlinearen Operationen (Kreuzverstärkungsmodulation, Kreuzphasenmodulation, Wellenlängenumwandlung und Vierwellenmischung) können durchgeführt werden.
SOA kann mit einem Laser geringer Leistung betrieben werden. Dies ist auf die kurze Lebensdauer im oberen Nanosekundenbereich oder weniger zurückzuführen, so dass die Verstärkung schnell auf Änderungen der Pump- oder Signalleistung reagiert und die Änderungen der Verstärkung auch Phasenänderungen verursachen, die die Signale verzerren können.
Nachteile
Die Leistung von SOA ist immer noch nicht mit der von EDFA vergleichbar. Der SOA weist ein höheres Rauschen, eine geringere Verstärkung, eine moderate Polarisationsabhängigkeit und eine hohe Nichtlinearität mit einer schnellen Übergangszeit auf.
Fibre Raman Verstärker (FRA)
Der Fibre Raman Amplifier (FRA) ist ebenfalls ein relativ ausgereifter optischer Verstärker. In einer FRA wird das optische Signal durch stimulierte Raman-Streuung (SRS) verstärkt. Im Allgemeinen wird die FRA-Dose in einen konzentrierten Typ mit der Bezeichnung LRA und einen verteilten Typ mit der Bezeichnung DRA unterteilt. Das Faserverstärkungsmedium des ersteren liegt im Allgemeinen innerhalb von 10 km. Darüber hinaus ist eine höhere Pumpleistung erforderlich, die in der Regel in wenigen bis zu einem Dutzend Watt liegt und 40 dB oder sogar über den Verstärkungen liegen kann. Es wird hauptsächlich verwendet, um das optische Signalband zu verstärken, das EDFA nicht erfüllen kann. Das Faserverstärkungsmedium von DRA ist normalerweise länger als LRA, im Allgemeinen für Dutzende von Kilometern, während die Pumpquellenleistung auf Hunderte von Megawatt abfällt. Es wird hauptsächlich in DWDM-Kommunikationssystemen verwendet, die EDFA unterstützen, um die Leistung des Systems zu verbessern, den nichtlinearen Effekt zu unterdrücken, das Auftreten von Signalleistung zu reduzieren, das Signal-Rausch-Verhältnis zu verbessern und online zu verstärken.
Arbeitsprinzip
Das Prinzip der FRA basiert auf dem Stimulated Raman Scattering (SRS) -Effekt. Das Verstärkungsmedium ist eine undotierte optische Faser. Die Energieübertragung auf das optische Signal erfolgt durch einen nichtlinearen optischen Prozess, der als Raman-Effekt bekannt ist. Ein einfallendes Photon regt ein Elektron in den virtuellen Zustand an, und die stimulierte Emission tritt auf, wenn das Elektron in den Schwingungszustand des Glasmoleküls abregt. Die Stokes-Verschiebung, die der Eigenenergie eines Phonons entspricht, beträgt für alle optischen Fasern ungefähr 13,2 THz.
Vor- und Nachteile von FRA
Vorteile
Variable Wellenlängenverstärkung möglich
Kompatibel mit installierter SM-Faser
Kann zur Erweiterung von EDFAs verwendet werden
Kann über einen Zeitraum zu einer geringeren Durchschnittsleistung führen, was sich günstig auf das Übersprechen auswirkt
Möglicherweise ist ein sehr breitbandiger Betrieb möglich
Nachteile
Hohe Pumpleistungsanforderungen, Laser mit hoher Pumpleistung sind erst vor kurzem eingetroffen
Anspruchsvolle Verstärkungsregelung erforderlich
Lärm ist auch ein Problem
Zusammenfassung
Nachdem wir über diese drei Arten von optischen Verstärkern gesprochen haben, vergleichen wir sie in der folgenden Tabelle.
