Принцип та застосуванняEDFA-підсилювач з легованим ербієм волоконним елементом
Базова структураЕДФАЕрбієвий волоконний підсилювач, який складається переважно з активного середовища (леговане кварцове волокно довжиною десятки метрів, діаметр серцевини 3-5 мікрон, концентрація легування (25-1000)x10-6), джерела світла накачування (LD 990 або 1480 нм), оптичного з'єднувача та оптичного ізолятора. Сигнальне світло та світло накачування можуть поширюватися в одному напрямку (спільне накачування), протилежному напрямку (зворотне накачування) або в обох напрямках (двонаправлене накачування) в ербієвому волокні. Коли сигнальне світло та світло накачування вводяться в ербієве волокно одночасно, іон ербію під дією світла накачування збуджується до високого енергетичного рівня (трирівнева система) і незабаром розпадається на метастабільний рівень. Коли він повертається в основний стан під дією падаючого сигнального світла, випромінюється фотон, що відповідає сигналу, в результаті чого сигнал посилюється. Його спектр посиленого спонтанного випромінювання (ASE) має широку смугу пропускання (до 20-40 нм) та два піки, що відповідають 1530 нм та 1550 нм відповідно.
Основні перевагиПідсилювач EDFAмають високий коефіцієнт посилення, широку смугу пропускання, високу вихідну потужність, високу ефективність накачування, низькі внесені втрати та нечутливість до станів поляризації.
Принцип роботи волоконного підсилювача, легованого ербієм
Підсилювач з волоконним напиленням, легований ербіємОптичний підсилювач EDFA） складається переважно з легованого ербієм волокна (довжиною близько 10-30 м) та джерела світла накачування. Принцип роботи полягає в тому, що леговане ербієм волокно генерує вимушене випромінювання під дією джерела світла накачування (довжина хвилі 980 нм або 1480 нм), а випромінюване світло змінюється зі зміною вхідного світлового сигналу, що еквівалентно посиленню вхідного світлового сигналу. Результати показують, що коефіцієнт підсилення легованого ербієм волоконного підсилювача зазвичай становить 15-40 дБ, а відстань ретрансляції може бути збільшена більш ніж на 100 км. Тож неминуче виникає питання: чому вчені додумалися використовувати легований ербій у волоконному підсилювачі для збільшення інтенсивності світлових хвиль? Ми знаємо, що ербій є рідкісноземельним елементом, а рідкісноземельні елементи мають свої особливі структурні характеристики. Легування рідкісноземельними елементами в оптичних пристроях вже давно використовується для покращення продуктивності оптичних пристроїв, тому це не випадковий фактор. Крім того, чому довжина хвилі джерела світла накачування обрана рівною 980 нм або 1480 нм? Фактично, довжина хвилі джерела світла накачування може бути 520 нм, 650 нм, 980 нм та 1480 нм, але практика довела, що довжина хвилі лазера джерела світла накачування 1480 нм має найвищу ефективність, а потім довжина хвилі джерела світла накачування 980 нм.
Фізична структура
Основна структура волоконного підсилювача, легованого ербієм (оптичний підсилювач EDFA). На вході та виході є ізолятор, метою якого є забезпечення односторонньої передачі оптичного сигналу. Збуджувач накачування має довжину хвилі 980 нм або 1480 нм і використовується для подачі енергії. Функція з'єднувача полягає в тому, щоб поєднати вхідний оптичний сигнал і світло накачування з легованим ербієм волокном і передати енергію світла накачування на вхідний оптичний сигнал за допомогою легованого ербієм волокна, щоб реалізувати посилення енергії вхідного оптичного сигналу. Для отримання вищої вихідної оптичної потужності та нижчого індексу шуму, волоконний підсилювач, легований ербієм, що використовується на практиці, використовує структуру з двох або більше джерел накачування з ізоляторами посередині для взаємної ізоляції. Для отримання ширшої та більш пологої кривої посилення додається фільтр вирівнювання посилення.
EDFA складається з п'яти основних частин: легованого ербієм волокна (EDF), оптичного з'єднувача (WDM), оптичного ізолятора (ISO), оптичного фільтра та джерела накачування. Зазвичай використовуються джерела накачування 980 нм та 1480 нм, і ці два джерела накачування мають вищу ефективність накачування та використовуються частіше. Коефіцієнт шуму джерела світла накачування 980 нм нижчий; джерело світла накачування 1480 нм має вищу ефективність накачування та може отримувати більшу вихідну потужність (приблизно на 3 дБ вищу, ніж джерело світла накачування 980 нм).
перевага
1. Робоча довжина хвилі відповідає мінімальному вікну затухання одномодового волокна.
2. Висока ефективність з'єднання. Оскільки це волоконний підсилювач, його легко з'єднати з передавальною оптоволоконною системою.
3. Висока ефективність перетворення енергії. Серцевина EDF менша, ніж у передавального волокна, а сигнальне світло та світло накачування передаються в EDF одночасно, тому оптична ємність дуже концентрована. Це робить взаємодію між світлом та середовищем підсилення іонами Er дуже повною, у поєднанні з відповідною довжиною легованого ербієм волокна, тому ефективність перетворення світлової енергії висока.
4. Високий коефіцієнт підсилення, низький індекс шуму, велика вихідна потужність, низький рівень перехресних перешкод між каналами.
5. Стабільні характеристики посилення: EDFA не чутливий до температури, а коефіцієнт посилення мало корелює з поляризацією.
6. Функція посилення не залежить від системної бітової швидкості та формату даних.
недолік
1. Нелінійний ефект: EDFA підсилює оптичну потужність, збільшуючи оптичну потужність, що подається у волокно, але чим більше, тим краще. Коли оптична потужність збільшується до певної міри, виникає нелінійний ефект оптичного волокна. Тому, під час використання волоконно-оптичних підсилювачів, слід звернути увагу на значення контролю одноканальної вхідної оптичної потужності.
2. Діапазон довжин хвиль посилення фіксований: робочий діапазон довжин хвиль EDFA C-діапазону становить 1530 нм~1561 нм; робочий діапазон довжин хвиль EDFA L-діапазону становить 1565 нм~1625 нм.
3. Нерівномірна смуга пропускання посилення: Смуга пропускання посилення волоконного підсилювача з легованим ербієм EDFA дуже широка, але спектр посилення самого EDF не є плоским. Для вирівнювання посилення в системі WDM необхідно використовувати фільтр вирівнювання посилення.
4. Проблема світлового сплеску: Коли шлях світла нормальний, іони ербію, збуджені світлом накачування, захоплюються сигнальним світлом, таким чином завершуючи посилення сигнального світла. Якщо вхідне світло скорочується, то через те, що метастабільні іони ербію продовжують накопичуватися, після відновлення вхідного сигнального світла енергія стрибає, що призводить до світлового сплеску.
5. Рішенням проблеми оптичного сплеску є реалізація функції автоматичного зниження оптичної потужності (APR) або автоматичного вимкнення оптичного живлення (APSD) в EDFA, тобто EDFA автоматично зменшує потужність або автоматично вимикає живлення, коли немає вхідного світла, тим самим пригнічуючи виникнення явища сплеску.
Режим застосування
1. Підсилювач потужності використовується для посилення потужності сигналів кількох довжин хвиль після підсилювальної хвилі та їх подальшої передачі. Оскільки потужність сигналу після підсилювальної хвилі зазвичай велика, коефіцієнт шуму та коефіцієнт посилення підсилювача потужності не дуже високі. Він має відносно велику вихідну потужність.
2. Лінійний підсилювач, що йде після підсилювача потужності, використовується для періодичної компенсації втрат на передачу в лінії, що зазвичай вимагає відносно невеликого індексу шуму та великої вихідної оптичної потужності.
3. Попередній підсилювач: Перед розгалужувачем і після лінійного підсилювача використовується для посилення сигналу та покращення чутливості приймача (у випадку, якщо оптичне співвідношення сигнал/шум (OSNR) відповідає вимогам, більша вхідна потужність може придушити шум самого приймача та покращити чутливість прийому), а індекс шуму дуже малий. Немає великих вимог до вихідної потужності.
Час публікації: 17 березня 2025 р.