1. تصنيفFإيبرAمكبرات الصوت
توجد ثلاثة أنواع رئيسية من المضخمات البصرية:
(1) مكبر بصري شبه موصل (SOA، مكبر بصري شبه موصل)؛
(2) مضخمات الألياف الضوئية المشوبة بعناصر أرضية نادرة (الإربيوم Er، والثوليوم Tm، والبراسيوديميوم Pr، والروبيديوم Nd، وما إلى ذلك)، وخاصة مضخمات الألياف المشوبة بالإربيوم (إي دي إف إيه)، بالإضافة إلى مضخمات الألياف المشوبة بالثوليوم (TDFA) ومضخمات الألياف المشوبة بالبراسيوديميوم (PDFA)، إلخ.
(3) مضخمات الألياف غير الخطية، وخاصة مضخمات رامان الليفية (FRA). يوضح الجدول مقارنة الأداء الرئيسية لهذه المضخمات الضوئية.
مضخم الألياف المشبع بالإربيوم (EDFA)
يمكن إنشاء نظام ليزر متعدد المستويات عن طريق تطعيم ألياف الكوارتز بعناصر أرضية نادرة (مثل النيوديميوم، والإربيوم، والبراسيوديميوم، والثوليوم، وغيرها)، حيث يتم تضخيم إشارة الضوء الداخلة مباشرةً بفعل ضوء الضخ. بعد توفير التغذية الراجعة المناسبة، يتشكل ليزر الألياف. يبلغ طول موجة تشغيل مضخم الألياف المطعم بالنيوديميوم 1060 نانومتر و1330 نانومتر، إلا أن تطويره وتطبيقه محدودان بسبب انحرافه عن أفضل منفذ استقبال في اتصالات الألياف الضوئية، بالإضافة إلى أسباب أخرى. أما أطوال موجات تشغيل مضخم الألياف المطعم بالإربيوم (EDFA) ومضخم الألياف المطعم بالبروتونات (PDFA) فتقع على التوالي ضمن نطاق أقل فقد (1550 نانومتر) وطول موجة التشتت الصفري (1300 نانومتر) في اتصالات الألياف الضوئية، بينما يعمل مضخم الألياف المطعم بالثيول (TDFA) في النطاق S، مما يجعله مناسبًا جدًا لتطبيقات أنظمة اتصالات الألياف الضوئية. وقد أصبح مضخم الألياف المطعم بالإربيوم (EDFA) الأكثر تطورًا عمليًا.
الPمبدأ EDFA
يوضح الشكل 1(أ) البنية الأساسية لمضخم الألياف الضوئية المطعمة بالإربيوم (EDFA)، والذي يتكون بشكل رئيسي من وسط فعال (ألياف سيليكا مطعمة بالإربيوم بطول عشرات الأمتار، بقطر لب يتراوح بين 3 و5 ميكرومترات وتركيز تطعيم يتراوح بين 25 و1000 × 10⁻⁶)، ومصدر ضوء ضخ (ليزر ليزري بطول موجي 990 أو 1480 نانومتر)، ومقرن ضوئي، وعازل ضوئي. يمكن لضوء الإشارة وضوء الضخ أن ينتشرا في نفس الاتجاه (ضخ متزامن)، أو في اتجاهين متعاكسين (ضخ عكسي)، أو في كلا الاتجاهين (ضخ ثنائي الاتجاه) داخل ألياف الإربيوم. عند حقن ضوء الإشارة وضوء الضخ في ألياف الإربيوم في آنٍ واحد، تُثار أيونات الإربيوم إلى مستوى طاقة عالٍ بفعل ضوء الضخ (الشكل 1 (ب)، نظام ثلاثي المستويات)، ثم تتحلل بسرعة إلى مستوى طاقة شبه مستقر. وعندما تعود إلى الحالة الأرضية بفعل ضوء الإشارة الساقط، تُصدر فوتونات تتوافق مع ضوء الإشارة، مما يؤدي إلى تضخيم الإشارة. يوضح الشكل 1 (ج) طيف الانبعاث التلقائي المُضخّم (ASE) ذي النطاق الترددي الواسع (حتى 20-40 نانومتر) وذروتين عند 1530 نانومتر و1550 نانومتر على التوالي.
تتمثل المزايا الرئيسية لـ EDFA في الكسب العالي، وعرض النطاق الترددي الكبير، وطاقة الخرج العالية، وكفاءة الضخ العالية، وفقدان الإدخال المنخفض، وعدم الحساسية لحالة الاستقطاب.
2. مشاكل مضخمات الألياف الضوئية
على الرغم من المزايا العديدة البارزة للمضخم البصري (وخاصةً مضخم الألياف الضوئية المطعمة بالإربيوم)، إلا أنه ليس مضخمًا مثاليًا. فبالإضافة إلى الضوضاء الإضافية التي تقلل من نسبة الإشارة إلى الضوضاء، توجد بعض العيوب الأخرى، مثل:
- يؤثر عدم انتظام طيف الكسب ضمن نطاق تردد مكبر الصوت على أداء التضخيم متعدد القنوات؛
- عند توصيل المضخمات البصرية على التوالي، ستتراكم تأثيرات ضوضاء ASE وتشتت الألياف والتأثيرات غير الخطية.
يجب مراعاة هذه القضايا في تصميم التطبيقات والأنظمة.
3. تطبيق المضخم الضوئي في نظام الاتصالات بالألياف الضوئية
في نظام الاتصالات بالألياف الضوئية،مضخم الألياف الضوئيةيمكن استخدامه ليس فقط كمضخم طاقة معزز لجهاز الإرسال لزيادة طاقة الإرسال، ولكن أيضًا كمضخم أولي لجهاز الاستقبال لتحسين حساسية الاستقبال، ويمكنه أيضًا أن يحل محل المكرر الضوئي-الكهربائي-الضوئي التقليدي، لتمديد مسافة الإرسال وتحقيق الاتصال الضوئي بالكامل.
في أنظمة الاتصالات عبر الألياف الضوئية، يُعدّ فقدان الإشارة وتشتتها من العوامل الرئيسية التي تحدّ من مسافة الإرسال. باستخدام مصدر ضوئي ذي طيف ضيق، أو العمل بالقرب من طول موجة التشتت الصفري، يكون تأثير تشتت الألياف ضئيلاً. لا يحتاج هذا النظام إلى إجراء إعادة توليد كاملة لتوقيت الإشارة (ترحيل 3R) في كل محطة ترحيل، بل يكفي تضخيم الإشارة الضوئية مباشرةً باستخدام مُضخّم ضوئي (ترحيل 1R). يمكن استخدام المُضخّمات الضوئية ليس فقط في أنظمة النقل الرئيسية لمسافات طويلة، بل أيضاً في شبكات توزيع الألياف الضوئية، وخاصةً في أنظمة WDM، لتضخيم قنوات متعددة في آنٍ واحد.
1) تطبيق مضخمات الإشارة الضوئية في أنظمة الاتصالات بالألياف الضوئية الرئيسية
الشكل 2 هو رسم تخطيطي لتطبيق المضخم الضوئي في نظام الاتصالات بالألياف الضوئية الرئيسية. (أ) يوضح الشكل أن المضخم الضوئي يُستخدم كمضخم لزيادة قدرة جهاز الإرسال ومضخم أولي لجهاز الاستقبال، مما يؤدي إلى مضاعفة المسافة دون الحاجة إلى مرحل. على سبيل المثال، باستخدام مضخم الألياف الضوئية المطعمة بالإربيوم (EDFA)، يتم نقل البيانات عبر النظام. تزداد مسافة نقل البيانات بسرعة 1.8 جيجابت/ثانية من 120 كم إلى 250 كم، وقد تصل إلى 400 كم. يوضح الشكل 2 (ب) - (د) استخدام مضخمات الإشارة الضوئية في أنظمة الترحيل المتعددة؛ الشكل (ب) يوضح نمط الترحيل التقليدي ثلاثي التكرارات (3R)؛ الشكل (ج) يوضح نمط الترحيل المختلط الذي يجمع بين مكررات الإشارة ثلاثية التكرارات ومضخمات الإشارة الضوئية؛ الشكل 2 (د) يوضح نمط الترحيل الضوئي بالكامل؛ في نظام الاتصالات الضوئية بالكامل، لا توجد دوائر توقيت أو تجديد، لذا فهو شفاف على مستوى البتات، ولا توجد قيود على "الوصلات الإلكترونية". بمجرد استبدال أجهزة الإرسال والاستقبال في كلا الطرفين، يصبح من السهل الترقية من معدل منخفض إلى معدل عالٍ، ولا يلزم استبدال مضخم الإشارة الضوئية.
2) تطبيق مضخم الإشارة الضوئية في شبكة توزيع الألياف الضوئية
تُعدّ مزايا القدرة العالية لمضخمات الإشارة الضوئية (وخاصةً مضخمات الألياف الضوئية المطعمة بالإربيوم) مفيدة للغاية في شبكات التوزيع ذات النطاق العريض (مثلتلفزيون الكابلتعتمد شبكة الكابلات التلفزيونية التقليدية على الكابلات المحورية، التي تتطلب تضخيم الإشارة كل بضع مئات من الأمتار، ويبلغ نصف قطر تغطية الشبكة حوالي 7 كيلومترات. أما شبكة الكابلات التلفزيونية القائمة على الألياف الضوئية، والتي تستخدم مضخمات الإشارة الضوئية، فلا تقتصر فوائدها على زيادة عدد المستخدمين الموزعين فحسب، بل توسع نطاق الشبكة بشكل كبير أيضًا. وقد أظهرت التطورات الحديثة أن توزيع الألياف الضوئية/الهجينة (HFC) يجمع بين مزايا كلا النوعين، ويتمتع بقدرة تنافسية عالية.
الشكل 4 مثال على شبكة توزيع الألياف الضوئية لتعديل AM-VSB لـ 35 قناة تلفزيونية. مصدر الضوء في جهاز الإرسال هو DFB-LD بطول موجي 1550 نانومتر وقدرة خرج 3.3 ديسيبل ميلي واط. باستخدام مضخم توزيع الطاقة EDFA رباعي المستويات، تبلغ قدرة دخله حوالي -6 ديسيبل ميلي واط، وقدرة خرجه حوالي 13 ديسيبل ميلي واط. حساسية جهاز الاستقبال الضوئي -9.2 ديسيبل ميلي واط. بعد أربعة مستويات من التوزيع، وصل إجمالي عدد المستخدمين إلى 4.2 مليون مستخدم، ويمتد مسار الشبكة لأكثر من عشرات الكيلومترات. كانت نسبة الإشارة إلى الضوضاء الموزونة في الاختبار أكبر من 45 ديسيبل، ولم يتسبب مضخم EDFA في انخفاض نسبة الإشارة إلى الضوضاء.
تاريخ النشر: 23 أبريل 2023