تقویت کننده های نوری مخابرات نوري يكي از جديدترين روشهاي ارسال اطلاعات است كه عمر آن به بيش از ۲۰ سال مي رسد. در سيستم هاي مخابرات نوري ارسال اطلاعات با پالس هاي نوري در فيبر نوري انجام می شود. از پالس هاي نوري حجم ارسال اطلاعات را به طور چشمگير ي افزايش داده است. پالسهاي نوري بوسيله ديود ليزر يا ديود نوري فرستاده مي شود و بعد از عبور از فيبر بوسيله يك آشكار ساز نوري اطلاعات دريافت مي شود . امروزه در مخابرات نوري پيشرفته تنها از يك فيبرنوري بيش از ده میلیون خط تلفن منتقل مي شود.
براي سرعت بيشتر انتقال اطلاعات در اين سيستم هاي نوري سعي بر اين است كه همه اجزاي اين سيستم ها نوري باشد . با توجه به تلفات فيبرهاي نوري يكي از وسايلي كه وجود آنها در شبكه هاي طويل فيبر نوري ضروري است، تقويت كننده هاي نوري است.
ايده تقويت نوري پالس ها از سال ۱۹۹۰ مطرح شد و بعد از آن تقويت كننده هاي فيبر نوري مانند EDFA ساخته و به بازار معرفي شدند . وجود اين تقويت كننده ها كه ب هصورت مستقيم پالس هاي نوري را تقويت مي ك نند باعث افزايش سرعت ارسال اطلاعات و تقويت هم زمان چند كانال مخابراتي مي شود كه اين امر به نوبه خود باعث طرا حي شبكه هاي WDM در مخابرات نوري شده است . در سال هاي اخير نسل جديدي از تقويت كننده ها با استفاده از اثرات تقويت كنندگي پراكندگي رامان طراحي و به بازار معرفي شده است. مي توان اين نوع تقويت كننده ها را طوري طراحي كرد كه براي تقويت هر قسمت از باند مخابراتي مورد استفاده قرار گيرند . البته نارسايي اساسي اين نوع تقويت كننده ها، راندمان پايين آنها است.
از نظر اقتصادي تقويت كننده هاي اربيومي در سال ۲۰۰۲ بيشتر از ۹۰ درصد بازار تقويت كنند ه هاي نوري را در اختيار دا شتند. پيش بيني مي شود در سال ۲۰۰۶ با گسترش تقويت كننده هاي رامان سهم آنها در بازار به ۱۵ درصد برسد درحالي سهم تجارت تقويت كنند ه هاي اربيومي در آن سال در حدود ۷۰ درصد خواهد بود.
معرفي تقويت كننده های فيبرنوری
بيشتر از ۲۵ سال است كه فيبرهاي نوري مناسب براي مخابرات نوري توليد مي شو ند. فيبرهای استاندارد تك مد به طور معمول براي انتقال اطلاعات در طول موج هاي 1.33 و 1.55 ميكرومتر استفاده مي شوند ودر اين دو محدوده داراي تلفات ناچيزي هستند . كمترين تلفات فيبر 0.18 دسي بل دركيلومتر در محدوده 1.55 ميكرومتر است . با وجود تلفات ناچيز فيبرهاي نوري، براي انتقال اطلاعات در مسافتهاي طولاني بيشتر از ۵۰ كيلومتر، نياز به تقويت دوباره پالس هاي نوری است . از اين رو ابتدا تكرار كننده ها ی الكترونيكي براي تقويت پالس هاي الكترونيكي استفاده مي شد . اين تقويت كنند ه ها ابتدا پالس هاي نوری را به الكترونيكي تبديل كرده و بعد از تقويت و اصلاح شكل پالس دوباره آنها را بوسيله ديود ليزري وارد شبكه فيبرنوري مي كردند.
ايده تقويت مستقيم پالسهاي نوری باعث شد كه حجم انتقال اطلاعات و بهره تقويت كنندگي به طور قابل ملاحظه اي افزايش يابد . همچنين با زياد شدن بهره تقويت در تقويت كننده های نوری، فواصل بين تقويت كننده ها نيز افزايش يا فت. استفاده از تقويت کننده های فيبرنوری منجر به کاهش تعداد تقويت كننده ها در شبکه مخابرات نوری مي شود که از نظر اقتصادی كاهش در هزينه خدمات مخابراتي را به دنبال خواهد داشت.
براي تقويت كننده هاي نوری اربيو مي از عنصر اربيوم استفاده مي شود كه يك فلز خاكي است و خواص ليزري در 1.55 ميكرومتر دارد و باعث تقويت پالس هاي نوری در محدوده 1.55 ميكرومتر مي شود . فيبرهاي اربيومي تقويت كننده كه به EDFA مشهور هستند كاربرد فراواني در شبكههاي مخابراتي بويژه تقويت كنندگي در م سافتهاي طولاني دارند . محدوده تقويت كنندگي فيبرهاي اربيومي از 1.46 ميكرومتر شروع شده و تا 1.6 ميكرومتر ادامه مي يابد.
در سالهاي اخير تقويت كننده هاي رامان كه بر اساس پراكندگي رامان مي توانند پالس هاي نوری را تقويت كنند به دنياي مخابرات نوري معرفي شده اند . اين نوع تقويت كننده ها را ميتوان طوري طراحي کرد كه در هر محدوده دلخواه از شبكه مخابرات نوري عمل ك نند. امروزه سعي در استفاده همزمان از تقويت كننده اربيومي و رامان در يك شبكه است كه به اينصورت تقويت كننده رامان به صورت مكمل تقويت كننده اربيومي ، باند ها يی را كه EDFA قادر به تقويت آنها نيست، تحت پوشش قرار مي دهد.
دسته بندی تقويت كننده های فيبرنوری از نظر كاربرد در شبكه
تقويت كننده ها از نظر نوع كاربرد در سيستم به ۳ دسته پيش تقويت کننده، تقويت كننده درون خطی و بوستر تقسيم مي شوند:
الف) پيش تقويت كننده : سيگنال را قبل از ورود به گيرنده تقويت مي کند و باعث زياد شدن حساسيت گيرنده مي شود. اين نوع تقويت كننده داراي ورودي حساس و بهره تقويت زياد است .
ب) تقويت كننده درون خطی : در بين مسير براي جبران تلفات حاصل از فيبر نوري، اتصالات وغيره است فاده مي شود. اين نوع تقويت کننده ها براي تقويت چند كانال به صورت هم زمان طراحي می شوند، مانند سيستم هاي WDM، و بايد بهره تقويت براي همه كانال ها يكسان باشد .
همچنين چون به صورت متوالي استفاده می شوند بايد حداقل نويز را داشته باشند.
يک نوع از تقويت کننده های درون خطی که در بازار موجود است، موسوم به تقويت کننده long haul EFFA است که برای مسيرهای طولانی از آن استفاده می شود.
ج) بوستر: سيگنال نوري را قبل از ورود به فيبر، براي حداكثر انتقال، تقويت مي كند . خروجي فرستنده نوري در ورودي بوستر قراردارد كه نسبتا " قوي است و بوستر بايد طوري طراحي شود كه حداكثر توان خروجي را داشته باشد.
تعداد بوستر ها و پيش تقويت كننده ها در سيستم به تعداد فرستنده ها و گيرنده هاي نوري بستگي دارد. تعداد تقويت كننده هاي داخل خط به مسافت انتقال بستگي دارد و به طور متوسط در فواصل ۸۰ تا ۱۰۰ كيلومتر از يكديگر قرار مي گيرند.
تئوری و انواع تقويت كننده هاي فيبرنوری از نظر اصول کار
تقويت كننده هاي فيبري از لحاظ اصول کار دو دسته كلي تقسيم مي شوند، اول فيبرهايی كه داراي عناصر فعال مانند اربيوم و پرازدميوم در مغزي خود هستند و با ايجاد يك محيط فعال در داخل مغزي، سيگنال ها را تقويت مي كنند . دوم تقويت كننده رامان كه اثرات غير خطي در مغزي آن باعث تقويت كنندگي سيگنال مي شود.
فيبر اربيومي
فيبر اربيومي مهمترين فيبر تقويت كننده است که سيگنال هاي محدوده 1.55 ميکرومتر را تقويت می کند. مهمترين اهميت فيبر اربيومي تقويت سيگنال در پنجره 1.55 ميكرومتر مي باشد که فيبر نوري داراي كمترين تلفات است . فيبر هاي تقويت كننده ديگري نيز وجود دارند كه در بقيه طول موجها عمل تقويت كنندگي را انجام مي دهند که از آن جمله فيبر پرازدميومي مي توان نام برد كه تقويت كننده در طول موج 1.33 ميكرومتر است. اصول همه تقويت كننده ها با عناصر فعال يكسان است و در اين جا به دليل اهميت، فقط فيبر اربيومي را بررسي مي كنيم . فيبرهاي اربيومي داراي يون هاي فعال اربيوم در مغزي خود هستند . با پمپ كردن يون هاي اربيوم با طول موج هاي 980 و 1480 نانومتر اين عناصر برانگيخته مي شوند و محيط فعالي در داخل مغزي فيبر به وجود مي آيد. با ورود سيگنال در محدوده 1.55 ميكرومتر گسيل القائي صورت گرفته و سيگنال تقويت مي شود.
يونهاي اربيوم داراي ترازهاي انرژي خاص خود هستند كه تقويت كنندگي سيگنال را در محدوده 1.55 ميكرومتر ميسر مي كند. در فيبرهاي تقويت كننده علاوه بر گسيل القائي، گسيل خودبخودي (ASE) صورت مي گيرد كه باعث نويز در تقويت كننده مي شود . يكي از مشخصات مهم تقويت كننده طيف بهره تقويت آن است و محدوده تقويت كنندگي را مشخص مي كند . بدون وجود سيگنال ورودي، فقط طيف ASE در خروجي تقويت كننده وجود دارد.
طيف بهره تقويت فيبر اربيومي فلورايدي صاف تر است و براي تقويت يكسان چند كانال در شبکه WDM مورد نظر است . طيف بهره تقويت به سطح مقطع جذب و گسيل يون هاي اربيوم بستگي دارد از اين رو براي صاف كردن طيف بهره تقويت در موقع ساخت مواد ديگري را همراه با اربيوم به كار مي برند. اين مواد با اربيوم در شبكه شيشه پيوند تشكيل می دهند و ميدان اتمي آنها باعث تغيير ترازهاي اتمي اربيوم در نتيجه سطح مقطع جذب وگسيل اربيوم مي شود.