1. 분류F이버A증폭기
광 증폭기는 크게 세 가지 유형이 있습니다.
(1) 반도체 광 증폭기(SOA, 반도체 광 증폭기)
(2) 희토류 원소(에르븀(Er), 툴륨(Tm), 프라세오디뮴(Pr), 루비듐(Nd) 등)가 도핑된 광섬유 증폭기, 주로 에르븀 도핑 광섬유 증폭기(EDFA), 툴륨 도핑 광섬유 증폭기(TDFA) 및 프라세오디뮴 도핑 광섬유 증폭기(PDFA) 등도 포함됩니다.
(3) 비선형 광섬유 증폭기, 주로 광섬유 라만 증폭기(FRA, Fiber Raman Amplifier). 이러한 광 증폭기의 주요 성능 비교는 표에 나와 있습니다.
EDFA(에르븀 도핑 광섬유 증폭기)
석영 섬유에 희토류 원소(Nd, Er, Pr, Tm 등)를 도핑하면 다단계 레이저 시스템을 구성할 수 있으며, 입력 신호광은 펌프광의 작용으로 직접 증폭됩니다. 적절한 피드백을 제공하면 광섬유 레이저가 생성됩니다. Nd 도핑 광섬유 증폭기의 동작 파장은 1060nm와 1330nm이지만, 광섬유 통신의 최적 수신 파장대와의 차이 등으로 개발 및 응용에 한계가 있습니다. EDFA와 PDFA의 동작 파장은 각각 광섬유 통신에서 손실이 가장 적은 파장대(1550nm)와 분산이 0인 파장대(1300nm)에 속하며, TDFA는 S 대역에서 동작하여 광섬유 통신 시스템 응용에 매우 적합합니다. 특히 EDFA는 가장 빠르게 개발되어 실용화되고 있습니다.
그만큼PEDFA의 원칙
EDFA의 기본 구조는 그림 1(a)에 나타낸 바와 같이 활성 매질(길이 수십 미터, 코어 직경 3~5 마이크론, 도핑 농도 (25~1000)x10⁻⁶인 에르븀 도핑 실리카 섬유), 펌프 광원(990nm 또는 1480nm LD), 광 커플러 및 광 아이솔레이터로 주로 구성됩니다. 신호광과 펌프광은 에르븀 섬유 내에서 동일 방향(동방향 펌핑), 반대 방향(역방향 펌핑) 또는 양방향(양방향 펌핑)으로 전파될 수 있습니다. 신호광과 펌프광을 에르븀 섬유에 동시에 주입하면, 펌프광의 작용으로 에르븀 이온은 높은 에너지 준위로 여기되고(그림 1(b), 3준위 시스템), 준안정 에너지 준위로 빠르게 붕괴됩니다. 입사되는 신호광의 작용으로 바닥 상태로 돌아갈 때, 신호광에 해당하는 광자를 방출하여 신호가 증폭됩니다. 그림 1(c)는 넓은 대역폭(최대 20~40nm)과 1530nm 및 1550nm에 해당하는 두 개의 피크를 갖는 증폭 자발 방출(ASE) 스펙트럼입니다.
EDFA의 주요 장점은 높은 이득, 넓은 대역폭, 높은 출력, 높은 펌프 효율, 낮은 삽입 손실 및 편광 상태에 대한 비민감성입니다.
2. 광섬유 증폭기의 문제점
광 증폭기(특히 EDFA)는 많은 뛰어난 장점을 가지고 있지만, 이상적인 증폭기는 아닙니다. 신호의 SNR을 저하시키는 추가적인 잡음 외에도 다음과 같은 몇 가지 단점이 있습니다.
- 증폭기 대역폭 내 이득 스펙트럼의 불균일성은 다중 채널 증폭 성능에 영향을 미칩니다.
광 증폭기를 직렬로 연결하면 ASE 잡음, 광섬유 분산 및 비선형 효과의 영향이 누적됩니다.
이러한 문제들은 애플리케이션 및 시스템 설계 시 반드시 고려해야 합니다.
3. 광섬유 통신 시스템에서 광 증폭기의 응용
광섬유 통신 시스템에서,광섬유 증폭기이 장치는 송신기의 출력 증폭 증폭기로 사용되어 전송 전력을 증가시킬 뿐만 아니라 수신기의 전치 증폭기로 사용되어 수신 감도를 향상시킬 수 있으며, 기존의 광-전기-광 중계기를 대체하여 전송 거리를 확장하고 완전 광 통신을 구현할 수 있습니다.
광섬유 통신 시스템에서 전송 거리를 제한하는 주요 요인은 광섬유의 손실과 분산입니다. 좁은 스펙트럼의 광원을 사용하거나 무분산 파장 근처에서 동작하면 광섬유 분산의 영향이 작아집니다. 이 시스템은 각 중계소에서 완전한 신호 타이밍 재생(3R 중계)을 수행할 필요가 없으며, 광 증폭기를 사용하여 광 신호를 직접 증폭하는 것(1R 중계)으로 충분합니다. 광 증폭기는 장거리 간선 시스템뿐만 아니라 광섬유 분배 네트워크, 특히 WDM 시스템에서 여러 채널을 동시에 증폭하는 데 사용할 수 있습니다.
1) 간선 광섬유 통신 시스템에서 광 증폭기의 응용
그림 2는 간선 광섬유 통신 시스템에서 광 증폭기의 적용에 대한 개략도입니다. (a) 그림은 광 증폭기가 송신기의 전력 증폭 증폭기 및 수신기의 전치 증폭기로 사용되어 중계 없이 전송 거리를 두 배로 늘릴 수 있음을 보여줍니다. 예를 들어, EDFA를 채택하면 시스템 전송이 가능해집니다. 1.8Gb/s의 전송 거리는 120km에서 250km, 심지어 400km까지 증가합니다. 그림 2(b)~(d)는 다중 릴레이 시스템에서 광 증폭기의 적용을 보여줍니다. 그림 (b)는 기존의 3R 릴레이 모드이고, 그림 (c)는 3R 중계기와 광 증폭기를 혼합한 릴레이 모드입니다. 그림 2(d)는 완전 광 릴레이 모드입니다. 완전 광 통신 시스템에서는 타이밍 및 재생 회로가 필요하지 않으므로 비트 투명성이 보장되며, "전자 병 수염" 제약이 없습니다. 송수신 장비만 교체하면 저속에서 고속으로 쉽게 업그레이드할 수 있으며, 광 증폭기는 교체할 필요가 없습니다.
2) 광섬유 분배 네트워크에서 광 증폭기의 응용
광 증폭기(특히 EDFA)의 높은 출력이라는 장점은 광대역 분배 네트워크(예:CATV기존 CATV 네트워크는 동축 케이블을 사용하는데, 수백 미터마다 신호 증폭이 필요하며 서비스 반경은 약 7km에 불과합니다. 광 증폭기를 사용하는 광섬유 CATV 네트워크는 분산 사용자 수를 크게 늘릴 뿐만 아니라 네트워크 경로도 대폭 확장할 수 있습니다. 최근 개발 동향을 보면 광섬유/하이브리드(HFC) 방식의 배포가 기존 방식의 장점을 모두 활용하여 강력한 경쟁력을 보여주고 있습니다.
그림 4는 35개 채널의 AM-VSB 변조 TV 방송을 위한 광섬유 분배 네트워크의 예시입니다. 송신기의 광원은 파장 1550nm, 출력 3.3dBm의 DFB-LD입니다. 4단 EDFA를 전력 분배 증폭기로 사용했을 때, 입력 전력은 약 -6dBm, 출력 전력은 약 13dBm입니다. 광 수신기의 감도는 -9.2dBm입니다. 4단 분배 후 총 사용자 수는 420만 명에 달하며, 네트워크 경로는 수십 킬로미터가 넘습니다. 테스트에서 가중 신호 대 잡음비는 45dB 이상이었으며, EDFA는 CSO(채널 상태 신호) 감소를 유발하지 않았습니다.
게시 시간: 2023년 4월 23일