Zasada i zastosowanieWzmacniacz światłowodowy domieszkowany erbem EDFA
Podstawowa strukturaEDFAWzmacniacz światłowodowy domieszkowany erbem, który składa się głównie z ośrodka czynnego (dziesiątki metrów domieszkowanego włókna kwarcowego, średnica rdzenia 3-5 mikronów, stężenie domieszkowania (25-1000)x10-6), źródła światła pompującego (LD 990 lub 1480 nm), sprzęgacza optycznego i izolatora optycznego. Światło sygnałowe i światło pompujące mogą rozprzestrzeniać się w tym samym kierunku (współpompowanie), w przeciwnym kierunku (pompowanie odwrotne) lub w obu kierunkach (pompowanie dwukierunkowe) w włóknie erbowym. Gdy światło sygnałowe i światło pompujące są wstrzykiwane do włókna erbowego w tym samym czasie, jon erbu jest wzbudzany do wysokiego poziomu energetycznego (układ trójpoziomowy) pod działaniem światła pompującego i wkrótce rozpada się do poziomu metastabilnego. Gdy powraca do stanu podstawowego pod działaniem padającego światła sygnałowego, emitowany jest foton odpowiadający światłu sygnałowemu, dzięki czemu sygnał jest wzmacniany. Jego wzmocnione widmo emisji spontanicznej (ASE) charakteryzuje się szeroką szerokością pasma (do 20–40 nm) i dwoma pikami odpowiadającymi odpowiednio 1530 nm i 1550 nm.
Główne zaletyWzmacniacz EDFAcharakteryzują się dużym wzmocnieniem, szerokim pasmem przenoszenia, dużą mocą wyjściową, wysoką wydajnością pompowania, niskimi stratami wtrąceniowymi i niewrażliwością na stany polaryzacji.
Zasada działania wzmacniacza światłowodowego domieszkowanego erbem
Wzmacniacz światłowodowy domieszkowany erbem（Wzmacniacz optyczny EDFA） składa się głównie z włókna domieszkowanego erbem (o długości około 10–30 m) i źródła światła pompującego. Zasada działania polega na tym, że włókno domieszkowane erbem generuje promieniowanie stymulowane pod wpływem pompowanego źródła światła (długość fali 980 nm lub 1480 nm), a emitowane światło zmienia się wraz ze zmianą wejściowego sygnału świetlnego, co jest równoważne wzmocnieniu wejściowego sygnału świetlnego. Wyniki pokazują, że wzmocnienie wzmacniacza światłowodowego domieszkowanego erbem wynosi zazwyczaj 15–40 dB, a odległość przekaźnika można zwiększyć o ponad 100 km. Dlatego ludzie nie mogą powstrzymać się od pytania: dlaczego naukowcy wpadli na pomysł użycia domieszkowanego erbu we wzmacniaczu światłowodowym w celu zwiększenia intensywności fal świetlnych? Wiemy, że erb jest pierwiastkiem ziem rzadkich, a pierwiastki ziem rzadkich mają swoje szczególne właściwości strukturalne. Domieszkowanie pierwiastkami ziem rzadkich w urządzeniach optycznych jest stosowane od dawna w celu poprawy wydajności urządzeń optycznych, więc nie jest to czynnik przypadkowy. Ponadto, dlaczego długość fali źródła światła pompującego została wybrana na 980 nm lub 1480 nm? W rzeczywistości długość fali źródła światła pompującego może wynosić 520 nm, 650 nm, 980 nm i 1480 nm, ale praktyka dowiodła, że laser o długości fali 1480 nm charakteryzuje się najwyższą wydajnością, a następnie o długości fali 980 nm.
Struktura fizyczna
Podstawowa struktura wzmacniacza światłowodowego domieszkowanego erbem (EDFA Optical Amplifier). Na wejściu i wyjściu znajduje się izolator, którego celem jest jednokierunkowa transmisja sygnału optycznego. Wzbudnik pompujący ma długość fali 980 nm lub 1480 nm i służy do dostarczania energii. Funkcją sprzęgacza jest sprzęganie wejściowego sygnału optycznego i światła pompującego do włókna domieszkowanego erbem oraz przekazywanie energii światła pompującego do wejściowego sygnału optycznego poprzez działanie włókna domieszkowanego erbem, co pozwala na wzmocnienie energii wejściowego sygnału optycznego. Aby uzyskać wyższą wyjściową moc optyczną i niższy współczynnik szumów, wzmacniacz światłowodowy domieszkowany erbem stosowany w praktyce przyjmuje strukturę dwóch lub więcej źródeł pompujących z izolatorami pośrodku, które izolują się wzajemnie. Aby uzyskać szerszą i bardziej płaską krzywą wzmocnienia, dodawany jest filtr spłaszczający wzmocnienie.
EDFA składa się z pięciu głównych części: włókna domieszkowanego erbem (EDF), sprzęgacza optycznego (WDM), izolatora optycznego (ISO), filtra optycznego i układu zasilania pompującego. Powszechnie stosowane źródła pompujące to 980 nm i 1480 nm, a te dwa źródła charakteryzują się wyższą wydajnością i są częściej wykorzystywane. Współczynnik szumu źródła światła pompującego 980 nm jest niższy; źródło światła pompujące 1480 nm charakteryzuje się wyższą wydajnością i może uzyskać większą moc wyjściową (o około 3 dB wyższą niż źródło światła pompujące 980 nm).
korzyść
1. Długość fali roboczej jest zgodna z minimalnym oknem tłumienia światłowodu jednomodowego.
2. Wysoka wydajność sprzęgania. Ponieważ jest to wzmacniacz światłowodowy, można go łatwo sprzęgać ze światłowodem transmisyjnym.
3. Wysoka wydajność konwersji energii. Rdzeń światłowodu EDF jest mniejszy niż rdzeń światłowodu transmisyjnego, a światło sygnałowe i pompujące są przesyłane jednocześnie, co zapewnia bardzo skoncentrowaną pojemność optyczną. To sprawia, że interakcja między światłem a ośrodkiem wzmocnienia jonem Er jest bardzo intensywna, a odpowiednia długość światłowodu domieszkowanego erbem zapewnia wysoką wydajność konwersji energii świetlnej.
4. Wysokie wzmocnienie, niski współczynnik szumów, duża moc wyjściowa, niski przesłuch między kanałami.
5. Stabilne charakterystyki wzmocnienia: EDFA nie jest wrażliwy na temperaturę, a wzmocnienie ma niewielką korelację z polaryzacją.
6. Funkcja wzmocnienia jest niezależna od szybkości transmisji danych i formatu danych systemu.
niedociągnięcie
1. Efekt nieliniowy: EDFA wzmacnia moc optyczną poprzez zwiększenie mocy optycznej wprowadzanej do światłowodu, ale im większa, tym lepiej. Zwiększenie mocy optycznej do pewnego stopnia powoduje efekt nieliniowy światłowodu. Dlatego stosując wzmacniacze światłowodowe, należy zwrócić uwagę na wartość regulacji mocy optycznej w pojedynczym kanale światłowodu.
2. Zakres długości fali wzmocnienia jest stały: zakres długości fali roboczej EDFA w paśmie C wynosi 1530 nm~1561 nm; zakres długości fali roboczej EDFA w paśmie L wynosi 1565 nm~1625 nm.
3. Nierównomierne pasmo wzmocnienia: Pasmo wzmocnienia wzmacniacza światłowodowego EDFA domieszkowanego erbem jest bardzo szerokie, ale widmo wzmocnienia samego EDF nie jest płaskie. Aby spłaszczyć wzmocnienie w systemie WDM, należy zastosować filtr spłaszczający wzmocnienie.
4. Problem z przepięciami świetlnymi: Gdy ścieżka światła jest normalna, jony erbu wzbudzone światłem pompującym są przenoszone przez światło sygnałowe, co kończy wzmocnienie światła sygnałowego. Jeśli światło wejściowe zostanie przerwane, ponieważ metastabilne jony erbu nadal się kumulują, po przywróceniu sygnału wejściowego nastąpi skok energii, co spowoduje przepięcie.
5. Rozwiązaniem problemu przepięć optycznych jest realizacja funkcji automatycznej redukcji mocy optycznej (APR) lub automatycznego wyłączania mocy optycznej (APSD) w EDFA, tzn. EDFA automatycznie redukuje moc lub automatycznie wyłącza zasilanie, gdy nie ma światła wejściowego, zapobiegając w ten sposób wystąpieniu zjawiska przepięć.
Tryb aplikacji
1. Wzmacniacz wzmacniający służy do wzmocnienia sygnału o wielu długościach fali po fali wzmacniającej, a następnie do jego transmisji. Ponieważ moc sygnału po fali wzmacniającej jest zazwyczaj duża, współczynnik szumów i wzmocnienie wzmacniacza mocy nie są zbyt wysokie. Ma stosunkowo dużą moc wyjściową.
2. Wzmacniacz liniowy, po wzmacniaczu mocy, jest stosowany w celu okresowej kompensacji strat transmisji liniowej. Wymaga zazwyczaj stosunkowo niskiego współczynnika szumów i dużej mocy optycznej wyjściowej.
3. Przedwzmacniacz: Przed rozdzielaczem i za wzmacniaczem liniowym służy do wzmocnienia sygnału i poprawy czułości odbiornika (w przypadku, gdy optyczny stosunek sygnału do szumu (OSNR) spełnia wymagania, większa moc wejściowa może tłumić szumy samego odbiornika i poprawiać czułość odbioru), a współczynnik szumów jest bardzo niski. Nie ma dużych wymagań co do mocy wyjściowej.
Czas publikacji: 17 marca 2025 r.