1. การจำแนกประเภทของFอิเบอร์Aเครื่องขยายเสียง
เครื่องขยายสัญญาณแสงมี 3 ประเภทหลัก ได้แก่:
(1) เครื่องขยายสัญญาณแสงเซมิคอนดักเตอร์ (SOA, เครื่องขยายสัญญาณแสงเซมิคอนดักเตอร์)
(2) เครื่องขยายสัญญาณใยแก้วนำแสงที่เจือด้วยธาตุหายาก (เออร์เบียม Er, ทูเลียม Tm, พราซีโอดีเมียม Pr, รูบิเดียม Nd เป็นต้น) โดยส่วนใหญ่เป็นเครื่องขยายสัญญาณใยแก้วนำแสงที่เจือด้วยเออร์เบียม (อีดีเอฟเอรวมถึงเครื่องขยายสัญญาณใยแก้วนำแสงที่เจือด้วยธาตุทูเลียม (TDFA) และเครื่องขยายสัญญาณใยแก้วนำแสงที่เจือด้วยธาตุพราซีโอดีเมียม (PDFA) เป็นต้น
(3) เครื่องขยายสัญญาณไฟเบอร์แบบไม่เชิงเส้น ส่วนใหญ่เป็นเครื่องขยายสัญญาณรามานไฟเบอร์ (FRA, Fiber Raman Amplifier) การเปรียบเทียบประสิทธิภาพหลักของเครื่องขยายสัญญาณแสงเหล่านี้แสดงอยู่ในตาราง
EDFA (เครื่องขยายสัญญาณใยแก้วนำแสงที่เจือด้วยเออร์เบียม)
ระบบเลเซอร์หลายระดับสามารถสร้างขึ้นได้โดยการเติมธาตุหายาก (เช่น Nd, Er, Pr, Tm เป็นต้น) ลงในเส้นใยควอตซ์ และแสงสัญญาณขาเข้าจะถูกขยายโดยตรงภายใต้การทำงานของแสงปั๊ม หลังจากให้การป้อนกลับที่เหมาะสมแล้ว จะได้เลเซอร์ใยแก้ว ความยาวคลื่นใช้งานของเครื่องขยายสัญญาณใยแก้วที่เติม Nd คือ 1060 นาโนเมตรและ 1330 นาโนเมตร แต่การพัฒนาและการใช้งานมีข้อจำกัดเนื่องจากเบี่ยงเบนจากพอร์ตรับสัญญาณที่ดีที่สุดของการสื่อสารด้วยใยแก้วนำแสงและเหตุผลอื่นๆ ความยาวคลื่นการทำงานของ EDFA และ PDFA อยู่ในช่วงความยาวคลื่นที่มีการสูญเสียต่ำที่สุด (1550 นาโนเมตร) และความยาวคลื่นที่มีการกระจายตัวเป็นศูนย์ (1300 นาโนเมตร) ตามลำดับของการสื่อสารด้วยใยแก้วนำแสง และ TDFA ทำงานในย่านความถี่ S ซึ่งเหมาะสมอย่างยิ่งสำหรับการใช้งานในระบบสื่อสารด้วยใยแก้วนำแสง โดยเฉพาะอย่างยิ่ง EDFA ซึ่งมีการพัฒนาอย่างรวดเร็วที่สุดและได้นำไปใช้งานจริงแล้ว
เดอะPหลักการของ EDFA
โครงสร้างพื้นฐานของ EDFA แสดงในรูปที่ 1(a) ซึ่งประกอบด้วยตัวกลางแอคทีฟ (เส้นใยซิลิกาที่เจือด้วยเออร์เบียมยาวประมาณหลายสิบเมตร มีเส้นผ่านศูนย์กลางแกนกลาง 3-5 ไมครอน และความเข้มข้นของการเจือ (25-1000)x10-6) แหล่งกำเนิดแสงปั๊ม (LD 990 หรือ 1480 นาโนเมตร) ตัวเชื่อมต่อแสง และตัวแยกแสง แสงสัญญาณและแสงปั๊มสามารถแพร่กระจายไปในทิศทางเดียวกัน (การปั๊มแบบทิศทางเดียวกัน) ทิศทางตรงกันข้าม (การปั๊มแบบย้อนกลับ) หรือทั้งสองทิศทาง (การปั๊มแบบสองทิศทาง) ในเส้นใยเออร์เบียม เมื่อแสงสัญญาณและแสงปั๊มถูกฉีดเข้าไปในเส้นใยเออร์เบียมพร้อมกัน ไอออนของเออร์เบียมจะถูกกระตุ้นให้มีระดับพลังงานสูงภายใต้การกระทำของแสงปั๊ม (รูปที่ 1 (b) ระบบสามระดับ) และสลายตัวอย่างรวดเร็วไปยังระดับพลังงานกึ่งเสถียร เมื่อกลับสู่สถานะพื้นฐานภายใต้การกระทำของแสงสัญญาณที่ตกกระทบ มันจะปล่อยโฟตอนที่สอดคล้องกับแสงสัญญาณ ทำให้สัญญาณถูกขยาย รูปที่ 1 (c) คือสเปกตรัมการปล่อยแสงแบบสุ่มที่ขยายแล้ว (ASE) ซึ่งมีแบนด์วิดท์กว้าง (สูงสุด 20-40 นาโนเมตร) และมีสองยอดที่สอดคล้องกับ 1530 นาโนเมตรและ 1550 นาโนเมตรตามลำดับ
ข้อดีหลักของ EDFA คือ อัตราขยายสูง แบนด์วิดท์กว้าง กำลังเอาต์พุตสูง ประสิทธิภาพการปั๊มสูง การสูญเสียการแทรกต่ำ และไม่ไวต่อสถานะโพลาไรเซชัน
2. ปัญหาเกี่ยวกับเครื่องขยายสัญญาณใยแก้วนำแสง
แม้ว่าเครื่องขยายสัญญาณแสง (โดยเฉพาะ EDFA) จะมีข้อดีมากมาย แต่ก็ไม่ใช่เครื่องขยายสัญญาณในอุดมคติ นอกจากสัญญาณรบกวนเพิ่มเติมที่ลดอัตราส่วนสัญญาณต่อสัญญาณรบกวน (SNR) แล้ว ยังมีข้อเสียอื่นๆ อีก เช่น:
- ความไม่สม่ำเสมอของสเปกตรัมการขยายสัญญาณภายในแบนด์วิดธ์ของแอมพลิฟายเออร์ส่งผลต่อประสิทธิภาพการขยายสัญญาณแบบหลายช่องสัญญาณ
- เมื่อต่อเครื่องขยายสัญญาณแสงแบบอนุกรม ผลกระทบจากสัญญาณรบกวน ASE การกระจายตัวของเส้นใยแก้วนำแสง และผลกระทบแบบไม่เชิงเส้นจะสะสมกัน
ต้องพิจารณาประเด็นเหล่านี้ในการออกแบบแอปพลิเคชันและระบบ
3. การประยุกต์ใช้เครื่องขยายสัญญาณแสงในระบบสื่อสารใยแก้วนำแสง
ในระบบสื่อสารใยแก้วนำแสงนั้นเครื่องขยายสัญญาณใยแก้วนำแสงสามารถใช้เป็นเครื่องขยายกำลังส่งของเครื่องส่งสัญญาณเพื่อเพิ่มกำลังส่งได้ นอกจากนี้ยังสามารถใช้เป็นเครื่องขยายสัญญาณล่วงหน้าของเครื่องรับสัญญาณเพื่อปรับปรุงความไวในการรับสัญญาณ และยังสามารถใช้แทนเครื่องทวนสัญญาณแบบออปติคอล-ไฟฟ้า-ออปติคอลแบบดั้งเดิม เพื่อขยายระยะการส่งสัญญาณและทำให้การสื่อสารเป็นแบบออปติคอลทั้งหมดได้
ในระบบสื่อสารใยแก้วนำแสง ปัจจัยหลักที่จำกัดระยะการส่งสัญญาณคือการสูญเสียและการกระจายตัวของแสงในใยแก้วนำแสง การใช้แหล่งกำเนิดแสงที่มีสเปกตรัมแคบ หรือการทำงานใกล้กับความยาวคลื่นที่มีการกระจายตัวเป็นศูนย์ จะช่วยลดผลกระทบจากการกระจายตัวของแสงในใยแก้วนำแสงได้ ระบบนี้ไม่จำเป็นต้องทำการสร้างสัญญาณใหม่ทั้งหมด (รีเลย์ 3R) ที่สถานีรีเลย์แต่ละแห่ง เพียงแค่ขยายสัญญาณแสงโดยตรงด้วยเครื่องขยายสัญญาณแสง (รีเลย์ 1R) ก็เพียงพอแล้ว เครื่องขยายสัญญาณแสงสามารถใช้ได้ไม่เพียงแต่ในระบบส่งสัญญาณระยะไกลเท่านั้น แต่ยังใช้ในเครือข่ายกระจายสัญญาณใยแก้วนำแสง โดยเฉพาะในระบบ WDM เพื่อขยายสัญญาณหลายช่องพร้อมกันได้อีกด้วย
1) การประยุกต์ใช้เครื่องขยายสัญญาณแสงในระบบสื่อสารใยแก้วนำแสงหลัก
รูปที่ 2 เป็นแผนภาพแสดงการประยุกต์ใช้เครื่องขยายสัญญาณแสงในระบบสื่อสารใยแก้วนำแสงหลัก (ก) ภาพแสดงให้เห็นว่าเครื่องขยายสัญญาณแสงถูกใช้เป็นตัวเพิ่มกำลังส่งของตัวส่งและตัวขยายสัญญาณล่วงหน้าของตัวรับสัญญาณ ทำให้ระยะทางการส่งสัญญาณโดยไม่ต้องถ่ายทอดเพิ่มขึ้นเป็นสองเท่า ตัวอย่างเช่น การใช้ EDFA จะทำให้การส่งสัญญาณของระบบเพิ่มขึ้นเป็นสองเท่า ระยะทาง 1.8Gb/s เพิ่มขึ้นจาก 120 กม. เป็น 250 กม. หรืออาจถึง 400 กม. รูปที่ 2 (b)-(d) แสดงการประยุกต์ใช้เครื่องขยายสัญญาณแสงในระบบมัลติรีเลย์ รูป (b) คือโหมดรีเลย์ 3R แบบดั้งเดิม รูป (c) คือโหมดรีเลย์แบบผสมระหว่างตัวทวนสัญญาณ 3R และเครื่องขยายสัญญาณแสง รูปที่ 2 (d) คือโหมดรีเลย์แบบออปติคอลทั้งหมด ในระบบสื่อสารแบบออปติคอลทั้งหมด จะไม่มีวงจรจับเวลาและวงจรสร้างสัญญาณใหม่ ดังนั้นจึงโปร่งใสต่อบิต และไม่มีข้อจำกัดของ “หนวดขวดอิเล็กทรอนิกส์” ตราบใดที่อุปกรณ์ส่งและรับที่ปลายทั้งสองด้านถูกเปลี่ยน ก็สามารถอัพเกรดจากอัตราต่ำเป็นอัตราสูงได้ง่าย และไม่จำเป็นต้องเปลี่ยนเครื่องขยายสัญญาณแสง
2) การประยุกต์ใช้เครื่องขยายสัญญาณแสงในเครือข่ายกระจายสัญญาณใยแก้วนำแสง
ข้อดีของกำลังส่งสูงของเครื่องขยายสัญญาณแสง (โดยเฉพาะ EDFA) มีประโยชน์อย่างมากในเครือข่ายกระจายสัญญาณบรอดแบนด์ (เช่นเคเบิลทีวีเครือข่ายเคเบิลทีวีแบบดั้งเดิมใช้สายเคเบิลโคแอกเซียล ซึ่งต้องมีการขยายสัญญาณทุกๆ สองสามร้อยเมตร และรัศมีให้บริการของเครือข่ายอยู่ที่ประมาณ 7 กิโลเมตร เครือข่ายเคเบิลทีวีใยแก้วนำแสงที่ใช้เครื่องขยายสัญญาณแสงไม่เพียงแต่จะเพิ่มจำนวนผู้ใช้งานที่กระจายอยู่ได้มากเท่านั้น แต่ยังขยายเส้นทางเครือข่ายได้มากอีกด้วย การพัฒนาล่าสุดแสดงให้เห็นว่าการกระจายสัญญาณแบบใยแก้วนำแสง/ไฮบริด (HFC) ดึงเอาจุดแข็งของทั้งสองแบบมาใช้และมีศักยภาพในการแข่งขันสูง
รูปที่ 4 แสดงตัวอย่างเครือข่ายกระจายสัญญาณใยแก้วนำแสงสำหรับการมอดูเลชั่น AM-VSB ของโทรทัศน์ 35 ช่อง แหล่งกำเนิดแสงของตัวส่งสัญญาณคือ DFB-LD ที่มีความยาวคลื่น 1550 นาโนเมตร และกำลังส่งออก 3.3 dBm ใช้ EDFA แบบ 4 ระดับเป็นตัวขยายกำลังไฟฟ้า โดยมีกำลังไฟฟ้าขาเข้าประมาณ -6 dBm และกำลังไฟฟ้าขาออกประมาณ 13 dBm ความไวของตัวรับสัญญาณแสงอยู่ที่ -9.2 dBm หลังจากกระจายสัญญาณ 4 ระดับแล้ว จำนวนผู้ใช้งานทั้งหมดถึง 4.2 ล้านคน และเส้นทางเครือข่ายยาวกว่าหลายสิบกิโลเมตร อัตราส่วนสัญญาณต่อสัญญาณรบกวนแบบถ่วงน้ำหนักของการทดสอบมากกว่า 45 dB และ EDFA ไม่ทำให้ CSO ลดลง
วันที่เผยแพร่: 23 เมษายน 2566