1. تصنيفFإيبرAمكبرات الصوت
هناك ثلاثة أنواع رئيسية من مكبرات الصوت البصرية:
(1) مكبر بصري أشباه الموصلات (SOA، مكبر بصري أشباه الموصلات)؛
(2) مكبرات الألياف الضوئية المخدرة بعناصر أرضية نادرة (الإربيوم Er، الثوليوم Tm، البراسيوديميوم Pr، الروبيديوم Nd، إلخ)، بشكل أساسي مكبرات الألياف المخدرة بالإربيوم (EDFA)، بالإضافة إلى مكبرات الألياف المشبعة بالثوليوم (TDFA) ومكبرات الألياف المشبعة بالبراسيوديميوم (PDFA)، وما إلى ذلك.
(3) مُضخِّمات الألياف غير الخطية، وخاصةً مُضخِّمات الألياف رامان (FRA، مُضخِّم الألياف رامان). يُوضِّح الجدول المقارنة الرئيسية لأداء هذه المُضخِّمات الضوئية.
EDFA (مضخم الألياف المشبع بالإربيوم)
يمكن تكوين نظام ليزر متعدد المستويات عن طريق تطعيم ألياف الكوارتز بعناصر أرضية نادرة (مثل Nd وEr وPr وTm، إلخ)، ويتم تضخيم ضوء إشارة الإدخال مباشرةً تحت تأثير ضوء المضخة. بعد توفير التغذية الراجعة المناسبة، يتم تكوين ليزر ألياف. يبلغ طول الموجة العاملة لمضخم الألياف المشبع بالنيود 1060 نانومتر و1330 نانومتر، ويقتصر تطويره وتطبيقه على الانحراف عن أفضل منفذ توصيل في اتصالات الألياف الضوئية وأسباب أخرى. تقع أطوال الموجات التشغيلية لـ EDFA وPDFA على التوالي ضمن نافذة أدنى خسارة (1550 نانومتر) وطول موجة التشتت الصفري (1300 نانومتر) لاتصالات الألياف الضوئية، بينما تعمل TDFA في النطاق S، وهي مناسبة جدًا لتطبيقات أنظمة اتصالات الألياف الضوئية. وقد كان EDFA، الذي يُعد أسرع تطور، عمليًا بشكل خاص.
الPمبدأ EDFA
يظهر الهيكل الأساسي لـ EDFA في الشكل 1 (أ)، والذي يتكون بشكل أساسي من وسط نشط (ألياف سيليكا مشبعة بالإربيوم يبلغ طولها عشرات الأمتار تقريبًا، وقطر قلبها 3-5 ميكرون وتركيز مشبع (25-1000) × 10-6)، ومصدر ضوء مضخة (990 أو 1480 نانومتر LD)، ومقرن بصري وعازل بصري. يمكن أن ينتشر ضوء الإشارة وضوء المضخة في نفس الاتجاه (ضخ مشترك الاتجاه)، أو في اتجاهين متعاكسين (ضخ عكسي) أو كلا الاتجاهين (ضخ ثنائي الاتجاه) في ألياف الإربيوم. عند حقن ضوء الإشارة وضوء المضخة في ليف الإربيوم في نفس الوقت، تُثار أيونات الإربيوم إلى مستوى طاقة عالٍ تحت تأثير ضوء المضخة (الشكل 1 (ب)، نظام ثلاثي المستويات)، وتتحلل بسرعة إلى مستوى طاقة شبه مستقر، وعندما تعود إلى الحالة الأرضية تحت تأثير ضوء الإشارة الساقط، تُصدر فوتونات تتوافق مع ضوء الإشارة، بحيث يتم تضخيم الإشارة. الشكل 1 (ج) هو طيف الانبعاث التلقائي المُضخّم (ASE) الخاص به مع عرض نطاق ترددي كبير (يصل إلى 20-40 نانومتر) وذروتين تتوافقان مع 1530 نانومتر و1550 نانومتر على التوالي.
تتمثل المزايا الرئيسية لـ EDFA في المكسب العالي، وعرض النطاق الترددي الكبير، وقوة الإخراج العالية، وكفاءة المضخة العالية، وفقدان الإدخال المنخفض، وعدم الحساسية لحالة الاستقطاب.
2. مشاكل مع مكبرات الألياف الضوئية
على الرغم من أن المُضخِّم البصري (وخاصةً EDFA) يتمتع بالعديد من المزايا البارزة، إلا أنه ليس المُضخِّم المثالي. فبالإضافة إلى الضوضاء الإضافية التي تُقلِّل من نسبة الإشارة إلى الضوضاء (SNR) للإشارة، هناك بعض العيوب الأخرى، مثل:
- عدم انتظام طيف الكسب ضمن نطاق مكبر الصوت يؤثر على أداء التضخيم متعدد القنوات؛
- عندما يتم توصيل مكبرات الصوت البصرية بشكل متتالي، فإن تأثيرات ضوضاء ASE وتشتت الألياف والتأثيرات غير الخطية سوف تتراكم.
ينبغي أن تؤخذ هذه القضايا في الاعتبار عند تصميم التطبيقات والأنظمة.
3. تطبيق مكبر الصوت البصري في نظام اتصالات الألياف الضوئية
في نظام الاتصالات بالألياف الضوئية،مضخم الألياف الضوئيةيمكن استخدامه ليس فقط كمضخم لتعزيز الطاقة لجهاز الإرسال لزيادة طاقة الإرسال، ولكن أيضًا كمضخم مسبق لجهاز الاستقبال لتحسين حساسية الاستقبال، ويمكنه أيضًا استبدال المكرر البصري الكهربائي البصري التقليدي، لتمديد مسافة الإرسال وتحقيق الاتصال البصري الكامل.
في أنظمة اتصالات الألياف الضوئية، يُعدّ فقدان الألياف الضوئية وتشتتها العاملان الرئيسيان اللذان يُحدّان من مسافة الإرسال. باستخدام مصدر ضوء ضيق الطيف، أو العمل بالقرب من طول موجة التشتت الصفري، يكون تأثير تشتت الألياف ضئيلاً. لا يحتاج هذا النظام إلى إعادة توليد توقيت الإشارة بالكامل (مُرحّل ثلاثي الأبعاد) في كل محطة مُرحّل. يكفي تضخيم الإشارة الضوئية مباشرةً باستخدام مُضخّم ضوئي (مُرحّل أحادي الأبعاد). يُمكن استخدام المُضخّمات الضوئية ليس فقط في أنظمة الجذع طويلة المدى، بل أيضًا في شبكات توزيع الألياف الضوئية، وخاصةً في أنظمة WDM، لتضخيم قنوات متعددة في وقت واحد.
1) تطبيق مكبرات الصوت البصرية في أنظمة الاتصالات بالألياف الضوئية الرئيسية
الشكل 2 هو مخطط تخطيطي لتطبيق المضخم البصري في نظام اتصالات الألياف الضوئية الرئيسي. (أ) يوضح الشكل أن المضخم البصري يُستخدم كمضخم معزز للطاقة لجهاز الإرسال وكمضخم مسبق لجهاز الاستقبال، مما يضاعف المسافة الفاصلة بين المرسل والمستقبل. على سبيل المثال، باستخدام تقنية EDFA، يتم نقل النظام. تزداد مسافة 1.8 جيجابت/ثانية من 120 كم إلى 250 كم أو حتى تصل إلى 400 كم. الشكل 2 (ب) - (د) هو تطبيق مكبرات الصوت البصرية في أنظمة الترحيل المتعددة؛ الشكل (ب) هو وضع الترحيل التقليدي 3R؛ الشكل (ج) هو وضع الترحيل المختلط لمكررات 3R ومكبرات الصوت البصرية؛ الشكل 2 (د) إنه وضع ترحيل بصري بالكامل؛ في نظام اتصالات بصري بالكامل، لا يتضمن دوائر التوقيت والتجديد، لذا فهو شفاف للبت، ولا يوجد قيد "شعيرات الزجاجة الإلكترونية". طالما تم استبدال معدات الإرسال والاستقبال في كلا الطرفين، فمن السهل الترقية من معدل منخفض إلى معدل مرتفع، ولا يلزم استبدال مكبر الصوت البصري.
2) تطبيق مكبر الصوت البصري في شبكة توزيع الألياف الضوئية
إن مزايا إنتاج الطاقة العالية للمضخمات الضوئية (وخاصة EDFA) مفيدة للغاية في شبكات التوزيع ذات النطاق العريض (مثلتلفزيون الكابلتعتمد شبكة CATV التقليدية على الكابل المحوري، الذي يتطلب تضخيمًا كل مئات الأمتار، ويبلغ نصف قطر خدمة الشبكة حوالي 7 كيلومترات. لا تقتصر فائدة شبكة CATV بالألياف الضوئية، التي تستخدم مضخمات ضوئية، على زيادة عدد المستخدمين الموزعين بشكل كبير فحسب، بل توسع أيضًا مسار الشبكة بشكل كبير. وقد أظهرت التطورات الحديثة أن توزيع الألياف الضوئية/الهجينة (HFC) يستمد قوته من كليهما ويتمتع بقدرة تنافسية عالية.
الشكل 4 مثال على شبكة توزيع ألياف بصرية لتعديل AM-VSB لـ 35 قناة تلفزيونية. مصدر ضوء جهاز الإرسال هو DFB-LD بطول موجي 1550 نانومتر وطاقة خرج 3.3 ديسيبل ميلي واط. باستخدام EDFA رباعي المستويات كمضخم توزيع طاقة، تبلغ طاقة دخله حوالي -6 ديسيبل ميلي واط، وطاقة خرجه حوالي 13 ديسيبل ميلي واط. حساسية جهاز الاستقبال البصري -9.2 ديسيبل ميلي واط. بعد 4 مستويات من التوزيع، وصل إجمالي عدد المستخدمين إلى 4.2 مليون مستخدم، وتجاوز مسار الشبكة عشرات الكيلومترات. كانت نسبة الإشارة إلى الضوضاء المرجحة للاختبار أكبر من 45 ديسيبل، ولم يُحدث EDFA أي انخفاض في نسبة الضوضاء.
وقت النشر: ٢٣ أبريل ٢٠٢٣