۱. طبقه‌بندیFایبرAتقویت کننده ها
سه نوع اصلی تقویت‌کننده نوری وجود دارد:
(1) تقویت‌کننده نوری نیمه‌هادی (SOA، تقویت‌کننده نوری نیمه‌هادی)؛
(2) تقویت‌کننده‌های فیبر نوری آلاییده شده با عناصر خاکی کمیاب (اربیم Er، تولیوم Tm، پراسئودیمیوم Pr، روبیدیوم Nd و غیره)، عمدتاً تقویت‌کننده‌های فیبر آلاییده شده با اربیم (ادفا) و همچنین تقویت‌کننده‌های فیبر آلاییده با تولیوم (TDFA) و تقویت‌کننده‌های فیبر آلاییده با پراسئودیمیوم (PDFA) و غیره.
(3) تقویت‌کننده‌های فیبری غیرخطی، عمدتاً تقویت‌کننده‌های رامان فیبری (FRA، تقویت‌کننده رامان فیبری). مقایسه عملکرد اصلی این تقویت‌کننده‌های نوری در جدول نشان داده شده است.
EDFA (تقویت‌کننده فیبر آلاییده شده با اربیوم)
یک سیستم لیزر چند سطحی می‌تواند با آلایش فیبر کوارتز با عناصر خاکی کمیاب (مانند Nd، Er، Pr، Tm و غیره) تشکیل شود و نور سیگنال ورودی مستقیماً تحت عمل نور پمپ تقویت می‌شود. پس از ارائه بازخورد مناسب، یک لیزر فیبری تشکیل می‌شود. طول موج کاری تقویت‌کننده فیبر آلایش شده با Nd، 1060 نانومتر و 1330 نانومتر است و توسعه و کاربرد آن به دلیل انحراف از بهترین پورت سینک ارتباط فیبر نوری و دلایل دیگر محدود است. طول موج‌های عملیاتی EDFA و PDFA به ترتیب در پنجره کمترین تلفات (1550 نانومتر) و طول موج پراکندگی صفر (1300 نانومتر) ارتباط فیبر نوری قرار دارند و TDFA در باند S عمل می‌کند که برای کاربردهای سیستم ارتباط فیبر نوری بسیار مناسب هستند. به خصوص EDFA که سریع‌ترین توسعه را داشته، عملی بوده است.
Pاصل EDFA
ساختار اساسی EDFA در شکل 1(a) نشان داده شده است که عمدتاً از یک محیط فعال (فیبر سیلیکای آلاییده شده با اربیوم به طول حدود ده‌ها متر، با قطر هسته 3-5 میکرون و غلظت آلاییدگی (25-1000)x10-6)، منبع نور پمپ (990 یا 1480 نانومتر LD)، کوپلر نوری و ایزولاتور نوری تشکیل شده است. نور سیگنال و نور پمپ می‌توانند در یک جهت (پمپاژ هم جهت)، در جهت‌های مخالف (پمپاژ معکوس) یا هر دو جهت (پمپاژ دو جهته) در فیبر اربیوم منتشر شوند. هنگامی که نور سیگنال و نور پمپ به طور همزمان به فیبر اربیوم تزریق می‌شوند، یون‌های اربیوم تحت عمل نور پمپ به سطح انرژی بالایی برانگیخته می‌شوند (شکل 1(b)، یک سیستم سه ترازه) و به سرعت به سطح انرژی شبه پایدار واپاشی می‌کنند، هنگامی که تحت عمل نور سیگنال فرودی به حالت پایه برمی‌گردد، فوتون‌های مربوط به نور سیگنال را منتشر می‌کند، به طوری که سیگنال تقویت می‌شود. شکل 1 (ج) طیف گسیل خودبه‌خودی تقویت‌شده (ASE) آن را با پهنای باند وسیع (تا 20-40 نانومتر) و دو پیک مربوط به ترتیب 1530 نانومتر و 1550 نانومتر نشان می‌دهد.
مزایای اصلی EDFA عبارتند از: بهره بالا، پهنای باند وسیع، توان خروجی بالا، راندمان بالای پمپ، تلفات ورودی کم و عدم حساسیت به حالت قطبش.
۲. مشکلات تقویت‌کننده‌های فیبر نوری
اگرچه تقویت‌کننده نوری (به‌ویژه EDFA) مزایای برجسته زیادی دارد، اما یک تقویت‌کننده ایده‌آل نیست. علاوه بر نویز اضافی که SNR سیگنال را کاهش می‌دهد، برخی کاستی‌های دیگر نیز وجود دارد، مانند:
- ناهمواری طیف بهره در پهنای باند تقویت‌کننده، عملکرد تقویت چند کاناله را تحت تأثیر قرار می‌دهد.
- وقتی تقویت‌کننده‌های نوری به صورت آبشاری عمل می‌کنند، اثرات نویز ASE، پراکندگی فیبر و اثرات غیرخطی جمع می‌شوند.
این مسائل باید در طراحی سیستم و برنامه کاربردی در نظر گرفته شوند.
۳. کاربرد تقویت‌کننده نوری در سیستم ارتباطی فیبر نوری
در سیستم ارتباطی فیبر نوری،تقویت کننده فیبر نورینه تنها می‌تواند به عنوان تقویت‌کننده تقویت‌کننده توان فرستنده برای افزایش توان انتقال استفاده شود، بلکه می‌تواند به عنوان پیش‌تقویت‌کننده گیرنده برای بهبود حساسیت دریافت نیز مورد استفاده قرار گیرد و همچنین می‌تواند جایگزین تکرارکننده نوری-الکتریکی-نوری سنتی شود تا فاصله انتقال را افزایش داده و ارتباط تمام نوری را محقق سازد.
در سیستم‌های ارتباطی فیبر نوری، عوامل اصلی محدودکننده فاصله انتقال، اتلاف و پراکندگی فیبر نوری هستند. با استفاده از یک منبع نور با طیف باریک یا کار در نزدیکی طول موج با پراکندگی صفر، تأثیر پراکندگی فیبر کم است. این سیستم نیازی به انجام بازسازی کامل زمان‌بندی سیگنال (رله 3R) در هر ایستگاه رله ندارد. کافی است سیگنال نوری را مستقیماً با یک تقویت‌کننده نوری (رله 1R) تقویت کنید. تقویت‌کننده‌های نوری نه تنها در سیستم‌های ترانک از راه دور، بلکه در شبکه‌های توزیع فیبر نوری، به ویژه در سیستم‌های WDM، برای تقویت همزمان چندین کانال نیز قابل استفاده هستند.
۱) کاربرد تقویت‌کننده‌های نوری در سیستم‌های ارتباطی فیبر نوری ترانک
شکل 2 نمودار شماتیکی از کاربرد تقویت‌کننده نوری در سیستم ارتباطی فیبر نوری ترانک است. (الف) تصویر نشان می‌دهد که تقویت‌کننده نوری به عنوان تقویت‌کننده تقویت‌کننده توان فرستنده و پیش تقویت‌کننده گیرنده استفاده می‌شود، به طوری که فاصله غیر رله‌ای دو برابر می‌شود. به عنوان مثال، با اتخاذ EDFA، سیستم انتقال فاصله ۱.۸ گیگابیت بر ثانیه از ۱۲۰ کیلومتر به ۲۵۰ کیلومتر یا حتی به ۴۰۰ کیلومتر افزایش می‌یابد. شکل ۲ (ب)-(د) کاربرد تقویت‌کننده‌های نوری در سیستم‌های چند رله‌ای است؛ شکل (ب) حالت رله سنتی ۳R است؛ شکل (ج) حالت رله ترکیبی تکرارکننده‌های ۳R و تقویت‌کننده‌های نوری است؛ شکل ۲ (د) یک حالت رله تمام نوری است؛ در یک سیستم ارتباطی تمام نوری، شامل مدارهای زمان‌بندی و بازسازی نمی‌شود، بنابراین بیت-ترنسپرنت است و هیچ محدودیتی "ویسک بطری الکترونیکی" وجود ندارد. تا زمانی که تجهیزات ارسال و دریافت در هر دو انتها تعویض شود، ارتقاء از نرخ پایین به نرخ بالا آسان است و تقویت‌کننده نوری نیازی به تعویض ندارد.
۲) کاربرد تقویت‌کننده نوری در شبکه توزیع فیبر نوری
مزایای خروجی توان بالای تقویت‌کننده‌های نوری (به‌ویژه EDFA) در شبکه‌های توزیع پهن‌باند (مانند ...) بسیار مفید است.CATVشبکه‌ها). شبکه سنتی CATV از کابل کواکسیال استفاده می‌کند که نیاز به تقویت هر چند صد متر دارد و شعاع سرویس‌دهی شبکه حدود 7 کیلومتر است. شبکه CATV فیبر نوری با استفاده از تقویت‌کننده‌های نوری نه تنها می‌تواند تعداد کاربران توزیع‌شده را به میزان قابل توجهی افزایش دهد، بلکه مسیر شبکه را نیز به میزان قابل توجهی گسترش می‌دهد. پیشرفت‌های اخیر نشان داده است که توزیع فیبر نوری/هیبرید (HFC) نقاط قوت هر دو را به خود جلب می‌کند و از رقابت‌پذیری بالایی برخوردار است.
شکل ۴ نمونه‌ای از یک شبکه توزیع فیبر نوری برای مدولاسیون AM-VSB برای ۳۵ کانال تلویزیونی است. منبع نور فرستنده DFB-LD با طول موج ۱۵۵۰ نانومتر و توان خروجی ۳.۳ دسی‌بل است. با استفاده از EDFA چهار سطحی به عنوان تقویت‌کننده توزیع توان، توان ورودی آن حدود -۶ دسی‌بل و توان خروجی آن حدود ۱۳ دسی‌بل است. حساسیت گیرنده نوری -۹.۲ دسی‌بل است. پس از ۴ سطح توزیع، تعداد کل کاربران به ۴.۲ میلیون نفر رسیده و مسیر شبکه بیش از ده‌ها کیلومتر است. نسبت سیگنال به نویز وزنی آزمایش بیشتر از ۴۵ دسی‌بل بود و EDFA باعث کاهش CSO نشد.
زمان ارسال: ۲۳ آوریل ۲۰۲۳