Comparaison de différents types d'amplificateurs optiques

- May 16, 2019-

Comparaison de différents types d'amplificateurs optiques

L'amplificateur optique est une technologie importante pour les réseaux de communication optiques. Sans la nécessité de le convertir au préalable en signal électrique, les amplificateurs optiques sont désormais utilisés à la place des répéteurs. Comme on le sait, il existe plusieurs types d’amplificateurs optiques. Parmi celles-ci, les principales technologies d’amplification sont l’amplificateur à fibre dopée (par exemple, EDFA), l’amplificateur optique à semi-conducteur (SOA) et l’amplificateur à fibre optique Raman. Aujourd'hui, nous allons étudier et comparer différents types d'amplificateurs optiques dans cet article.

Avant de comparer les différents types d’amplificateurs optiques, examinons de plus près l’amplificateur à fibre optique. En général, un répéteur comprend un récepteur et un émetteur combinés en un seul paquet. Le récepteur convertit l'énergie optique entrante en énergie électrique. La sortie électrique du récepteur commande l'entrée électrique de l'émetteur. La sortie optique de l'émetteur représente une version amplifiée du signal d'entrée optique plus le bruit. Les répéteurs ne fonctionnent pas pour les réseaux de fibre optique, où de nombreux émetteurs envoient des signaux à de nombreux récepteurs à différents débits et formats. Cependant, contrairement aux répéteurs, un amplificateur optique amplifie le signal optique directement sans transformation optique électrique ou électrique. De plus, un amplificateur optique idéal pourrait supporter un fonctionnement sur plusieurs canaux sur une bande de longueur d'onde aussi large que possible, fournir un gain plat sur une large plage de gain dynamique, présenter une puissance de sortie saturée élevée, un bruit faible et une suppression transitoire efficace. Plusieurs avantages des amplificateurs optiques comme suit:

  • Supporte n'importe quel débit et format de signal

  • Soutenir toute la région des longueurs d'onde

  • Augmenter la capacité des liaisons par fibres optiques en utilisant le WDM

  • Fournir la capacité de réseaux tout optiques, pas seulement de liaisons point à point

OK, après une brève introduction des amplificateurs optiques, nous abordons officiellement le sujet principal de la journée. Comme nous le mentionnons ci-dessus, il existe trois principaux types de technologie d'amplificateur. Chacun d'entre eux a son propre principe de fonctionnement, ses fonctionnalités et ses applications. Nous les décrirons un à un dans les paragraphes suivants.

Amplificateur à fibre dopée (Le représentant typique: EDFA)
L’amplificateur à fibre dopée à l’erbium (EDFA) est l’amplificateur à fibre optique le plus utilisé, principalement constitué de fibre dopée à l’erbium (EDF), de source lumineuse de pompage, de coupleurs optiques, d’isolateurs optiques, de filtres optiques et d’autres composants. Parmi ceux-ci, une trace d'impureté sous la forme d'un ion erivalent trivalent est insérée dans le noyau de silice de la fibre optique pour modifier ses propriétés optiques et permettre l'amplification du signal.

les composants d'EDFA

Principe de fonctionnement
Le principe de fonctionnement de l’EDFA est d’utiliser les sources lumineuses à pompe, qui ont le plus souvent une longueur d’onde autour de 980 nm et parfois autour de 1450 nm, excitent les ions erbium (Er3 +) à l’état 4I13 / 2 (dans le cas de 980 nm). pompage via 4I11 / 2), à partir duquel ils peuvent amplifier la lumière dans la plage de longueur d'onde de 1,5 µm via une émission stimulée dans le collecteur d'état fondamental 4I15 / 2.

EDFA

Avantages et inconvénients de l'EDFA
Avantages

  • EDFA a une utilisation élevée de la puissance de pompage (> 50%)

  • Amplifiez directement et simultanément une large bande de longueur d'onde (> 80 nm) dans la région de 1550 nm, avec un gain relativement plat

  • La planéité peut être améliorée en filtrant les filtres optiques

  • Gain supérieur à 50 dB

  • Faible bruit approprié pour les applications longue distance

Désavantages

  • La taille de l'EDFA n'est pas petite

  • Il ne peut pas être intégré avec d'autres deviecs semi-conducteurs

Amplificateur optique à semi-conducteur (SOA)
Un amplificateur optique à semi-conducteur est un type d’amplificateur optique qui utilise un semi-conducteur pour fournir le milieu de gain. Elles ont une structure similaire à celle des diodes laser Fabry – Perot mais avec des éléments de conception antireflet aux extrémités. Contrairement aux autres amplificateurs optiques, les SOA sont pompés électroniquement (c'est-à-dire directement via un courant appliqué), et un laser de pompe séparé n'est pas nécessaire.

conception de SOA

Principe de fonctionnement
Émission 1.Stimulated pour amplifier un signal optique.
2. Région active du semi-conducteur.
3. Courant d'injection pour pomper des électrons au niveau de la bande de conduction.
4.Le signal d'entrée stimule la transition des électrons jusqu'à la bande de valence pour acquérir une amplification.

SOA

Avantages et inconvénients de la SOA
Avantages

  • L'amplificateur optique à semi-conducteur est de petite taille et pompé électriquement.

  • Il peut être potentiellement moins coûteux que l’EDFA et peut être intégré à des lasers à semi-conducteurs, des modulateurs, etc.

  • Les quatre types d'opérations non linéaires (modulation à gain croisé, modulation de phase croisée, conversion de longueur d'onde et mélange à quatre ondes) peuvent être conduits.

  • La SOA peut être exécutée avec un laser de faible puissance. Cela provient de la durée de vie supérieure de l'état court supérieur à la nanoseconde ou moins, de sorte que le gain réagisse rapidement aux changements de puissance de pompe ou de signal et que les changements de gain provoquent également des changements de phase qui peuvent fausser les signaux.

Désavantages
La performance de la SOA n’est toujours pas comparable à celle de l’EDFA. La SOA a un bruit plus élevé, un gain plus faible, une dépendance modérée à la polarisation et une non-linéarité élevée avec un temps transitoire rapide.

Amplificateur Fibre Raman (FRA)
L’amplificateur Fibre Raman (FRA) est également un amplificateur optique relativement mature. Dans une FRA, le signal optique est amplifié en raison de la diffusion Raman stimulée (SRS). En général, la FRA peut être divisée en un type global appelé LRA et un type distribué appelé DRA. Le média de gain en fibres du premier est généralement situé à moins de 10 km. De plus, il nécessite une puissance de pompage plus élevée, généralement de l'ordre de quelques dizaines à une douzaine de watts, pouvant générer des gains de 40 dB ou même plus. Il est principalement utilisé pour amplifier la bande de signal optique à laquelle EDFA ne peut satisfaire. Le média de gain de fibre de la DRA est généralement plus long que la LRA, généralement sur des dizaines de kilomètres, tandis que la puissance de la pompe est réduite à des centaines de mégawatts. Il est principalement utilisé dans les systèmes de communication DWDM, en association avec EDFA pour améliorer les performances du système, en inhibant l'effet non linéaire, en réduisant l'incidence de la puissance du signal, en améliorant le rapport signal sur bruit et en amplifiant en ligne.

Principe de fonctionnement
Le principe de FRA est basé sur l'effet de diffusion Raman stimulé (SRS). Le milieu à gain est une fibre optique non dopée. La puissance est transférée au signal optique par un processus optique non linéaire appelé effet Raman. Un photon incident excite un électron dans l'état virtuel et l'émission stimulée se produit lorsque l'électron se désexcite jusqu'à l'état vibratoire de la molécule de verre. Le décalage de Stokes correspondant à l'énergie propre d'un phonon est d'environ 13,2 THz pour toutes les fibres optiques.

FRA

Avantages et inconvénients de la FRA
Avantages

  • Amplification de longueur d'onde variable possible

  • Compatible avec la fibre SM installée

  • Peut être utilisé pour étendre les EDFA

  • Peut entraîner une puissance moyenne inférieure sur une période donnée, bon pour une diaphonie inférieure

  • Un fonctionnement très large bande peut être possible

Désavantages

  • Les besoins en puissance de pompage sont élevés et les lasers à puissance de pompage élevée ne sont arrivés que récemment

  • Contrôle de gain sophistiqué nécessaire

  • Le bruit est aussi un problème

Résumé
Après avoir parlé de ces trois types d’amplificateurs optiques, nous les comparons dans le tableau suivant.

Types d'amplificateurs optiques

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