1. סיווג שלFאיברAמגברים
ישנם שלושה סוגים עיקריים של מגברים אופטיים:
(1) מגבר אופטי מוליך למחצה (SOA, מגבר אופטי מוליך למחצה);
(2) מגברי סיבים אופטיים מסוממים ביסודות אדמה נדירים (ארביום Er, תוליום Tm, פרסאודימיום Pr, רובידיום Nd וכו'), בעיקר מגברי סיבים מסוממים בארביום (EDFA), כמו גם מגברי סיבים מסוממים בתוליום (TDFA) ומגברי סיבים מסוממים בפראזודימיום (PDFA), וכו'.
(3) מגברי סיבים לא ליניאריים, בעיקר מגברי ראמאן של סיבים (FRA, Fiber Raman Amplifier). השוואת הביצועים העיקרית של מגברים אופטיים אלה מוצגת בטבלה.
EDFA (מגבר סיבים מסומם בארביום)
ניתן ליצור מערכת לייזר רב-מפלסית על ידי סימום סיבי קוורץ עם יסודות אדמה נדירים (כגון Nd, Er, Pr, Tm וכו'), ואור אות הקלט מוגבר ישירות תחת פעולת אור המשאבה. לאחר מתן משוב מתאים, נוצר לייזר סיב. אורך הגל העבודה של מגבר הסיבים המסומם ב-Nd הוא 1060 ננומטר ו-1330 ננומטר, ופיתוחו ויישומו מוגבלים עקב סטייה מפורט ה-sink הטוב ביותר של תקשורת סיבים אופטיים וסיבות אחרות. אורכי הגל התפעוליים של EDFA ו-PDFA נמצאים בהתאמה בחלון אורכי הגל בעלי ההפסד הנמוך ביותר (1550 ננומטר) ואורך הגל בעל פיזור אפס (1300 ננומטר) של תקשורת סיבים אופטיים, ו-TDFA פועל בתחום S-band, המתאימים מאוד ליישומי מערכת תקשורת סיבים אופטיים. במיוחד EDFA, הפיתוח המהיר ביותר, היה מעשי.
הPעקרון EDFA
המבנה הבסיסי של EDFA מוצג באיור 1(א), המורכב בעיקר מתווך פעיל (סיב סיליקה מסומם בארביום באורך של כעשרות מטרים, בקוטר ליבה של 3-5 מיקרון וריכוז סימום של (25-1000)x10-6), מקור אור משאבה (990 או 1480 ננומטר LD), מצמד אופטי ומבודד אופטי. אור אות ואור משאבה יכולים להתפשט באותו כיוון (שאיבה דו-כיוונית), כיוונים מנוגדים (שאיבה הפוכה) או בשני הכיוונים (שאיבה דו-כיוונית) בסיב הארביום. כאשר אור האות ואור המשאבה מוזרקים לסיב הארביום בו זמנית, יוני הארביום מעוררים לרמת אנרגיה גבוהה תחת פעולת אור המשאבה (איור 1(ב), מערכת בת שלוש רמות), ודועכים במהירות לרמת אנרגיה מטא-סטבילה, כאשר הוא חוזר למצב היסוד תחת פעולת אור האות הפוגע, הוא פולט פוטונים התואמים לאור האות, כך שהאות מוגבר. איור 1 (ג) הוא ספקטרום הפליטה הספונטנית המוגברת (ASE) שלו עם רוחב פס גדול (עד 20-40 ננומטר) ושני שיאים התואמים ל-1530 ננומטר ו-1550 ננומטר בהתאמה.
היתרונות העיקריים של EDFA הם הגבר גבוה, רוחב פס גדול, הספק יציאה גבוה, יעילות משאבה גבוהה, אובדן הכנסה נמוך וחוסר רגישות למצב קיטוב.
2. בעיות עם מגברי סיבים אופטיים
למרות שלמגבר האופטי (במיוחד EDFA) יש יתרונות רבים בולטים, הוא אינו מגבר אידיאלי. בנוסף לרעש הנוסף שמפחית את ה-SNR של האות, ישנם כמה חסרונות נוספים, כגון:
- חוסר אחידות בספקטרום ההגבר בתוך רוחב הפס של המגבר משפיע על ביצועי ההגברה הרב-ערוצית;
כאשר מגברים אופטיים מחוברים במסלול מדורגים, יצטברו השפעות של רעש ASE, פיזור סיבים ואפקטים לא ליניאריים.
יש לקחת בחשבון סוגיות אלו בתכנון היישום והמערכת.
3. יישום של מגבר אופטי במערכת תקשורת סיבים אופטיים
במערכת תקשורת סיבים אופטיים, ה-מגבר סיבים אופטייםיכול לשמש לא רק כמגבר הגברת הספק של המשדר כדי להגדיל את עוצמת השידור, אלא גם כקדם-מגבר של המקלט כדי לשפר את רגישות הקליטה, ויכול גם להחליף את המשחזר האופטי-חשמלי-אופטי המסורתי, כדי להאריך את מרחק השידור ולהגשים תקשורת אופטית לחלוטין.
במערכות תקשורת באמצעות סיבים אופטיים, הגורמים העיקריים המגבילים את מרחק השידור הם אובדן ופיזור של הסיב האופטי. שימוש במקור אור בעל ספקטרום צר, או עבודה ליד אורך גל אפס פיזור, השפעת פיזור הסיבים קטנה. מערכת זו אינה צריכה לבצע רגנרציה מלאה של תזמון האות (ממסר 3R) בכל תחנת ממסר. מספיק להגביר ישירות את האות האופטי באמצעות מגבר אופטי (ממסר 1R). ניתן להשתמש במגברים אופטיים לא רק במערכות תקשורת למרחקים ארוכים אלא גם ברשתות הפצה של סיבים אופטיים, במיוחד במערכות WDM, כדי להגביר מספר ערוצים בו זמנית.
1) יישום מגברים אופטיים במערכות תקשורת סיבים אופטיים ראשוניות
איור 2 הוא תרשים סכמטי של יישום המגבר האופטי במערכת תקשורת סיבים אופטיים. (א) התמונה מראה שהמגבר האופטי משמש כמגבר הגברת ההספק של המשדר וכקדם-מגבר של המקלט, כך שהמרחק שאינו ממסר מוכפל. לדוגמה, אימוץ EDFA, מערכת השידור מרחק של 1.8 ג'יגה-ביט לשנייה עולה מ-120 ק"מ ל-250 ק"מ או אף מגיע ל-400 ק"מ. איור 2 (ב)-(ד) מציג את היישום של מגברים אופטיים במערכות מרובות ממסרים; איור (ב) מציג את מצב הממסר המסורתי של 3R; איור (ג) מציג את מצב הממסר המעורב של משחזרים 3R ומגברים אופטיים; איור 2 (ד) זהו מצב ממסר אופטי לחלוטין; במערכת תקשורת אופטית לחלוטין, הוא אינו כולל מעגלי תזמון ורגנציה, ולכן הוא שקוף לסיביות, ואין הגבלת "זרקורי בקבוק אלקטרוניים". כל עוד ציוד השליחה והקליטה בשני הקצוות מוחלף, קל לשדרג מקצב נמוך לקצב גבוה, ואין צורך להחליף את המגבר האופטי.
2) יישום של מגבר אופטי ברשת הפצת סיבים אופטיים
יתרונות תפוקת ההספק הגבוהה של מגברים אופטיים (במיוחד EDFA) שימושיים מאוד ברשתות הפצה בפס רחב (כגוןטלוויזיה בכבליםרשתות). רשת ה-CATV המסורתית מאמצת כבל קואקסיאלי, שיש להגביר כל כמה מאות מטרים, ורדיוס השירות של הרשת הוא כ-7 ק"מ. רשת CATV עם סיבים אופטיים המשתמשת במגברים אופטיים יכולה לא רק להגדיל מאוד את מספר המשתמשים המבוזרים, אלא גם להרחיב מאוד את נתיב הרשת. התפתחויות אחרונות הראו כי חלוקת סיבים אופטיים/היברידיים (HFC) שואבת את נקודות החוזק של שניהם ויש לה תחרותיות חזקה.
איור 4 הוא דוגמה לרשת חלוקת סיבים אופטיים לאפנון AM-VSB של 35 ערוצי טלוויזיה. מקור האור של המשדר הוא DFB-LD עם אורך גל של 1550 ננומטר והספק פלט של 3.3dBm. באמצעות EDFA בעל 4 רמות כמגבר חלוקת הספק, הספק הקלט שלו הוא כ-6dBm- והספק הפלט שלו הוא כ-13dBm. רגישות המקלט האופטי -9.2dBm. לאחר 4 רמות חלוקה, המספר הכולל של המשתמשים הגיע ל-4.2 מיליון, ונתיב הרשת הוא יותר מעשרות קילומטרים. יחס אות לרעש המשוקלל של הבדיקה היה גדול מ-45dB, ו-EDFA לא גרם לירידה ב-CSO.
זמן פרסום: 23 באפריל 2023