WZMACNIACZE OPTYCZNE

Wzmacniacze optyczne są jednymi z ważniejszych elementów aktywnych sieci światłowodowych i odgrywają bardzo ważną rolę w obecnych systemach teletransmisyjnych, ponieważ pozwalają na wzmocnienie strumienia optycznego biegnącego w światłowodzie.

Wzmacniacze można podzielić na dwie podstawowe grupy (ze względu na charakterystykę pracy):

• Wzmacniacze półprzewodnikowe,

• Wzmacniacze optyczne.

Wzmacniacze półprzewodnikowe wykorzystują istniejące struktury laserów półprzewodnikowych. Przepływ prądu powoduje wzbudzenie (przejście na wyższe poziomy energetyczne - „ładowanie”) elektronów w ośrodku aktywnym, a następnie następuje „przekazanie” energii sygnałowi przechodzącemu.

Można tu wyróżnić trzy zasadnicze typy:

• wzmacniacze Fabry-Perot (FPA),

• wzmacniacze z falą bieżącą (TWA),

• wzmacniacze z rezonatorem w postaci siatki dyfrakcyjnej Bragga (DBR).

Wzmacniacze i ich charakterystyki pracy:

• Wzmacniacze zbudowane na światłowodzie wykorzystują jako ośrodek wzmacniający światło odpowiednio domieszkowany i pompowany optycznie światłowód.

• Używa się różnych pierwiastków ziem rzadkich, takich jak erb, prazeodym, neodym, holm, które mogą pracować na różnych długościach fal, od światła widzialnego do podczerwieni. Można je podzielić na wzmacniacze wykorzystujące efekty nieliniowe i na włóknach domieszkowanych.

Podział wzmacniaczy optycznych:

• FPA Fabry-Perot Amplifier;

• TWA Travelling Wave Amplifier;

• FRA Fiber Raman Amplifier;

• FBA Fiber Brillouin Amplifier;

• EDFA Erbium Doped Fiber Amplifier.

Najbardziej powszechnymi wzmacniaczami tego typu są wzmacniacze domieszkowane erbem (wzmacniacze EDFA - erbium doped fiber amplifier). Pracują one w pobliżu długości fali 1550nm i dlatego używa się je w III oknie transmisyjnym.

Wzmacniacze światłowodowe mają tą przewagę nad półprzewodnikowymi, że dadzą się włączyć do linii transmisyjnej z bardzo małymi stratami na sprzężenie. Najważniejszą zaletą tych wzmacniaczy jest zależność ich charakterystyk spektralnych od struktury włókna, a nie, jak w przypadku wzmacniaczy półprzewodnikowych, od geometrii półprzewodnika. Powoduje to, że wzmacniacze te są bardziej odporne na zmiany temperatury i starzenie. Obecnie stosowane wzmacniacze domieszkowane dają większe wzmocnienie niż wzmacniacze półprzewodnikowe. Ponadto wprowadzenie takiego wzmacniacza do toru transmisyjnego nastręcza mniej problemów i pozwala na zmniejszenie strat mocy, ponieważ struktura tego typu wzmacniaczy jest zgodna ze strukturą światłowodu.

Wzmacniacze EDFA

Dla wzmacniaczy EDFA (Erbium-Doped Fibre Amplifier) maksimum wzmocnienia występuje dla najkorzystniejszego pasma transmisji optotelekomunikacyjnej (1550 nm) przy bardzo wysokiej sprawności pompowania, sięgającej 90 proc. Istotą tego sposobu wzmocnienia jest bardzo prosta konstrukcja wzmacniacza: fragment światłowodu jest wtrącany między standardowe odcinki światłowodów telekomunikacyjnych.

Zasadniczą zaletą wzmacniaczy EDFA jest ich mato stratne sprzęganie ze światłowodowym torem transmisyjnym, gdyż operują na tej samej geometrii włókna i materiale rdzenia (domieszkowanego erbem) co jednomodowe włókna kwarcowe. Stała i niezmienna szerokość nierównomiernego pasma przenoszenia wzmacniaczy optycznych domieszkowanych erbem (EDFA) wynosi ok. 35 nm (pasmo 4,6 THz) w zakresie długości fal 1530-1565 nm, ale użyteczne, jednorodne i wygładzone pasmo wzmocnienia obejmuje najczęściej tylko wąski przedział, co odpowiada pasmu częstotliwości około 1,6 THz. Istnieje wiele sposobów wyrównania i rozszerzenia charakterystyki przenoszenia wzmacniaczy EDFA powyżej 35nm, jednak metody te podwyższają całkowity koszt układów wzmacniających i nie są jeszcze często stosowane.

Niewrażliwość na polaryzacje sygnału oraz duża tolerancja na zmianę długości fali, w połączeniu z prostotą działania i niewielkim poborem mocy (5 mW przy wzmocnieniu od 24 do 30 dB), dowodzą celowość stosowania wzmacniaczy EDFA w dalekosiężnych kablach podmorskich o dużej przepływności. Budowę kabli podmorskich opartych na wzmacniaczach optycznych EDFA rozpoczęto w 1995r.

Parametry wzmacniaczy EDFA

• Szerokie pasmo - 40 nm (5000 GHz)

• Wysokie wzmocnienie - 30 do 40 dB

• Wysoka moc wyjściowa - do +20dBm (100 mW)

• Niskie szumy - 4 dB Liczba Szumowa (NF)

• Długość fali pompy - 980 lub 1480 nm

• Wada: Brak kompensacji efektów dyspersji

Zastosowania wzmacniaczy EDFA

• Przedwzmacniacz (pre-amplifier)

• Wzmacniacz typu booster (booster amplifier)

• Wzmacniacz pośredni (intermediary apmplifier)

• Wzmacniacze kaskadowe (cascaded amplifiers)

Wzmacniacz Ramana

Zjawisko wymuszonego wzmocnienia Ramana we włóknie światłowodowym (zwykle domieszkowanym germanem) wynika z nieliniowych właściwości włókna optycznego: fala świetlna wysłana w kierunku przeciwnym do kierunku sygnału powoduje wzmocnienie optyczne we włóknie przy większych długościach fal. We wzmacniaczach Ramana następuje przesunięcie mocy od mniejszych do większych długości fal, na których są kodowane właściwe informacje przeznaczone do transmisji. Transmitowany sygnał optyczny pobiera moc z pompy laserowej wzmacniacza Ramana, generującej fale o mniejszej długości (np. 1450 nm) niż sygnał informacyjny, w wyniku czego użyteczny sygnał optyczny z informacją w paśmie o szerokości 40-60 nm ulega odpowiedniemu wzmocnieniu dla wyższych częstotliwości pracy.

Wykorzystanie rozproszonego wzmocnienia Ramana ma dwie zalety, w stosunku do tradycyjnego rozwiązania opartego na wzmacniaczach optycznych domieszkowanych erbem EDFA:

• Bardziej korzystny współczynnik SNR (Signal to Noise Ratio), czyli lepszy stosunek mocy sygnału do szumów generowanych w transmisji - zapewniając w ten sposób lepszą jakość sygnału przy tych samych odległościach bądź wymaganą jakość SNR osiąganą na większym dystansie;

• Uzyskanie większej szerokości pasma wzmocnienia niż w konwencjonalnych wzmacniaczach domieszkowanych erbem (przez inny sposób działania pompy laserowej), co objawia się dalszym zwiększeniem przepływności.

Wzmacniacz optyczny jest urządzeniem wzmacniającym sygnał optyczny (promieniowanie świetlne) bezpośrednio, bez konwersji na sygnał elektryczny. Podobnie jak laser, wykorzystuje zjawisko emisji wymuszonej w ośrodku czynnym. Używany m.in. w światłowodach.

Rodzaje wzmacniaczy optycznych:

• wzmacniacz półprzewodnikowy (SOA),

• wzmacniacze światłowodowe,

• domieszkowany erbem (EDFA) działający w III oknie (1550 nm),

• domieszkowany prazeodymem (PDFA) działający w II oknie (1300 nm),

• wzmacniacz Ramana,

• wzmacniacz Brilloiuna.

---