Роль оптических усилителей в расширении охвата волоконно-оптических сетей

Волоконно-оптические сети образуют основу современных глобальных коммуникаций, передавая огромные объемы данных через континенты и океаны. Фундаментальное преимущество оптического волокна — ослабление сигнала — по-прежнему оставляет критическую проблему: после прохождения десятков или сотен километров оптический сигнал ослабевает до уровня, где его больше нельзя надежно обнаружить. Ранние решения требовали преобразования светового сигнала в электрический сигнал, усиления его электронным способом, а затем преобразования его обратно в свет — процесс, который добавил стоимость, задержку и сложность. Оптические усилители полностью изменили эту парадигму, полностью повысив световой сигнал, пока он остается в волокне, без какого-либо электрооптического преобразования. Это продвижение сыграло важную роль в расширении охвата волоконно-оптических сетей на межконтинентальные расстояния и обеспечивая современную инфраструктуру с высокой пропускной способностью и низкой задержкой.

Что такое оптические усилители?

Оптические усилители — это устройства, которые увеличивают мощность оптического сигнала, проходящего через волокно. Они работают по принципу стимулированного излучения , того же физического эффекта, что и в лазерах. В типичном оптическом усилителе короткая длина волокна легируется ионами редкоземельных (чаще всего эрбием) и накачивается лазерным диодом. Когда слабый сигнальный фотон проходит через это легированное волокно, он стимулирует возбужденные ионы эрбия излучать дополнительные фотоны, идентичные по длине волны, фазе и направлению, таким образом усиливая сигнал. Ключевое различие между оптическим усилителем и регенератором (повтор) заключается в том, что усилитель воздействует на свет напрямую — он не преобразует сигнал в электрическую область. Этот полностью оптический подход сохраняет формат модуляции сигнала и битрейт, делая усиление сигнала прозрачным для потока данных. Прирост усилителя обычно находится в диапазоне 20—35 дБ, и несколько усилителей могут быть каскадированы вдоль волоконной линии для поддержания силы сигнала на

Оптические усилители характеризуются такими параметрами, как gain (отношение выходной мощности к входной), noise figure (мера того, сколько шума добавляет усилитель) и gain bandwidth (диапазон длин волн, по которым усиление эффективно). Для системы дальнего следования шумовое число усилителя особенно важно, поскольку шум накапливается по мере прохождения сигнала по цепочке усилителей, в конечном итоге ограничивая достижимое расстояние. Современные оптические усилители достигают шумовых фигур, близких к квантовому пределу около 3 дБ, что позволяет очень длинные промежутки между точками регенерации.

Ключевые типы оптических усилителей

Усилители волокна с легированной эрбием (EDFA)

Erbium-Doped Fiber Amplifier (EDFA) является, безусловно, наиболее широко развернутым оптическим усилителем в телекоммуникациях.+], накачиваемый лазером на 980 нм или 1480 нм.C-диапазонL-диапазон, которые являются окнами с низкими потерями стандартного одномодового волокна.] В C-диапазоне EDFA может обеспечить усиление 20–30 дБ по полосе пропускания 30–40 нм. Его основным преимуществом является низкий уровень шума (обычно 4–5 дБ в коммерческих единицах) в сочетании с высокой выходной мощностью (обычно до +20 дБм или более). EDFA используются в качестве встроенных усилителей, размещаемых каждые 80–100 км в дальнемагистральных звеньях, в качестве усилителей на передатчике и в качестве

Усилители Рамана

Усилители Рамана используют эффект стимулированного рассеяния Рамана (SRS) , где лазер насоса большой мощности передает энергию сигналу через молекулярные вибрации в самом волокне. В отличие от EDFA, которые используют сегмент легированного волокна, усилители Рамана используют передающее волокно в качестве среды усиления. Распределенное усилие Рамана , где лазер насоса запускается в то же волокно, которое несет сигнал, обеспечивая усиление на многие километры; и дискретное усиление Рамана используется в качестве элемента усиления. Распределенное усиление Рамана особенно мощно, потому что оно уменьшает изменение мощности сигнала вдоль волокна, эффективно снижая накопление шума. Прирост может быть настроен на любую длину волны насоса, выбирая соответствующую полосу усиления, чем EDFAs, и может быть объединен с EDFAs в гибридных конфигурациях для достижения сверхнизких шумов и рекордных расстояний передачи. Однако они требуют высоких мощностей насоса (сотни мил

Полупроводниковые оптические усилители (SOA) представляют собой компактные устройства на основе лазерных диодных чипов. Они используют полупроводниковую среду усиления, накачиваемую электрическим током. SOA могут усиливать сигналы по широкой полосе пропускания (до 100 нм или более) и могут быть интегрированы с другими фотонными компонентами на чипе. Их небольшой размер и потенциал для недорогого производства делают их привлекательными для таких приложений, как , ] оптическая обработка сигналов и ], центры обработки данных соединяются . Однако SOA, как правило, имеют более высокий показатель шума (6-10 дБ) по сравнению с EDFA, и они страдают от ] перенасыщения и ] кросс-направленной модуляции , что может привести к межканальной перекрестной передаче в системах WDM. Последние достижения в квантовых SOA улучшили их производительность, уменьшая шум и расширяя их динамический диапазон. SOA также используются

Как оптические усилители расширяют сеть

Фундаментальная роль оптических усилителей заключается в преодолении затухания — потери мощности сигнала при прохождении света по волокну. Без усиления типичное однорежимное волокно имеет затухание около 0,2 дБ/км в С-диапазоне (для современного волокна с низкими потерями). Это означает, что после 100 км сигнал уменьшается на 20 дБ (фактор 100). Для поддержания обнаруживаемого сигнала на протяжении тысяч километров усилители должны размещаться через регулярные промежутки. Например, промежуток между усилителями может составлять 80—100 км, а транстихоокеанский подводный кабель может иметь сотни усилителей, разнесенных по маршруту.