Wzmacniacze światłowodowe domieszkowane erbem (EDFA)

Wzmacniacze światłowodowe domieszkowane erbem (EDFA) wykorzystują jako medium wzmacniające pierwiastki ziem rzadkich, takie jak erb (Er3+).Jest domieszkowany do rdzenia włókna podczas procesu produkcyjnego.Składa się z krótkiego kawałka włókna (zwykle około 10 m) wykonanego ze szkła, do którego dodaje się niewielką kontrolowaną ilość erbu jako domieszkę w postaci jonu (Er3+).Zatem włókno krzemionkowe działa jako ośrodek macierzysty.To domieszki (erb), a nie włókno krzemionkowe, określają roboczą długość fali i szerokość pasma wzmocnienia.EDFA generalnie działają w obszarze długości fali 1550 nm i mogą oferować przepustowość przekraczającą 1 Tb/s.Są więc szeroko stosowane w systemach WDM.

Zasada wymuszonej emisji ma zastosowanie do mechanizmu amplifikacji EDFA.Kiedy domieszka (jon erbu) jest w stanie wysokoenergetycznym, padający foton wejściowego sygnału optycznego będzie ją stymulował.Uwalnia część swojej energii do domieszki i powraca do stanu o niższej energii („emisja wymuszona”), który jest bardziej stabilny.Poniższy rysunek przedstawia podstawową strukturę EDFA.

1.1 Podstawowa struktura EDFA

Dioda lasera pompującego zwykle wytwarza sygnał optyczny o długości fali (980 nm lub 1480 nm) przy dużej mocy (~ 10–200 mW).Sygnał ten jest sprzęgany z wejściowym sygnałem świetlnym w domieszkowanym erbem odcinku włókna krzemionkowego poprzez sprzęgacz WDM.Jony erbu pochłoną energię sygnału pompy i przeskoczą do stanu wzbudzonego.Część wyjściowego sygnału świetlnego jest wychwytywana i przesyłana z powrotem na wejście lasera pompującego przez filtr optyczny i detektor.Służy to jako mechanizm kontroli mocy sprzężenia zwrotnego, dzięki czemu EDFA są samoregulującymi się wzmacniaczami.Kiedy wszystkie metastabilne elektrony zostaną zużyte, nie następuje dalsze wzmocnienie.Dlatego system stabilizuje się automatycznie, ponieważ wyjściowa moc optyczna EDFA pozostaje prawie stała, niezależnie od ewentualnych wahań mocy wejściowej.

1.2 Uproszczony schemat funkcjonalny EDFA

Powyższy rysunek przedstawia uproszczony schemat funkcjonalny EDFA, w którym sygnał pompy z lasera jest dodawany do wejściowego sygnału optycznego (przy 1480 nm lub 980 nm) przez sprzęgacz WDM.

Ten schemat pokazuje bardzo prosty wzmacniacz EDF.Długość fali sygnału pompy (przy mocy pompy około 50 mW) wynosi 1480 nm lub 980 nm.Część tego sygnału pompy jest przekazywana do wejściowego sygnału optycznego poprzez wymuszoną emisję na krótkim odcinku światłowodu domieszkowanego erbem.Charakteryzuje się typowym wzmocnieniem optycznym około 5–15 dB i współczynnikiem szumów mniejszym niż 10 dB.Dla pracy przy 1550 nm możliwe jest uzyskanie wzmocnienia optycznego 30–40 dB.

1.3 Praktyczna realizacja EDFA

Powyższy rysunek przedstawia uproszczone działanie EDFA z jego praktyczną strukturą, gdy jest używany w aplikacji WDM.

Jak pokazano, zawiera następujące główne części:

• Izolator na wejściu.Dzięki temu szum generowany przez EDFA nie rozprzestrzenia się w kierunku końca nadajnika.

• Łącznik WDM.Łączy optyczny sygnał wejściowy danych o niskiej mocy 1550 nm z sygnałem optycznym pompowania o dużej mocy (ze źródła pompy, takiego jak laser) przy długości fali 980 nm.

• Mały fragment włókna krzemionkowego domieszkowanego erbem.W rzeczywistości służy to jako aktywne medium EDFA.

• Izolator na wyjściu.Pomaga zapobiegać przedostawaniu się odbitego sygnału optycznego do włókna krzemionkowego domieszkowanego erbem.

Końcowym sygnałem wyjściowym jest wzmocniony optyczny sygnał danych o długości fali 1550 nm z resztkowym sygnałem pompy o długości fali 980 nm.

Rodzaje wzmacniaczy światłowodowych domieszkowanych erbem (EDFA)

Istnieją dwa rodzaje struktur wzmacniaczy światłowodowych domieszkowanych erbem (EDFA):

• EDFA z pompą współbieżną

• EDFA z pompą przeciwbieżną

Poniższy rysunek przedstawia pompy przeciwbieżne i układy pomp dwukierunkowych, które można zastosować w konstrukcjach EDFA.

Różne układy pomp

Współpropagująca pompa EDFA charakteryzuje się niższą wyjściową mocą optyczną przy niskim poziomie szumów;podczas gdy przeciwbieżna pompa EDFA zapewnia wyższą wyjściową moc optyczną, ale generuje również większy hałas.W typowym komercyjnym EDFA stosowana jest pompa dwukierunkowa z jednoczesnym pompowaniem współbieżnym i przeciwbieżnym, co skutkuje stosunkowo równomiernym wzmocnieniem optycznym.

Zastosowanie EDFA jako wzmacniacza, w linii i przedwzmacniacza

W długodystansowych zastosowaniach światłowodowego łącza komunikacyjnego, EDFA mogą być używane jako wzmacniacz wzmacniający na wyjściu nadajnika optycznego, wzmacniacz optyczny liniowy wraz ze światłowodem, a także przedwzmacniacz tuż przed odbiornik, jak pokazano na powyższym rysunku.

Można zauważyć, że EDFA w linii są umieszczane w odległości 20–100 km od siebie, w zależności od strat włókna.Optyczny sygnał wejściowy ma długość fali 1,55 μm, podczas gdy lasery pompujące działają na długości fali 1,48 μm lub 980 nm.Typowa długość włókna domieszkowanego erbem wynosi 10–50 m.

Mechanizm amplifikacji w EDFA

Jak wspomniano wcześniej, mechanizm amplifikacji w EDFA opiera się na wymuszonej emisji podobnej do tej w laserze.Wysoka energia z sygnału pompy optycznej (wytwarzanej przez inny laser) wzbudza domieszkę jonów erbu (Er3+) we włóknie krzemionkowym w górnym stanie energetycznym.Wejściowy sygnał danych optycznych stymuluje przejście wzbudzonych jonów erbu do stanu o niższej energii i skutkuje promieniowaniem fotonów o tej samej energii, tj. o tej samej długości fali, co wejściowy sygnał optyczny.

Diagram poziomów energii: Wolne jony erbu wykazują dyskretne poziomy pasma energetycznego.Kiedy jony erbu są domieszkowane we włóknie krzemionkowym, każdy z ich poziomów energii dzieli się na kilka ściśle powiązanych poziomów, tworząc pasmo energetyczne.

1.4 Mechanizm amplifikacji w EDFA

Aby osiągnąć inwersję obsadzeń, jony Er3+ są pompowane na poziomie pośrednim 2. W metodzie pośredniej (pompowanie 980 nm) jony Er3+ są przemieszczane w sposób ciągły z poziomu 1 na poziom 3. Następnie następuje bezradiacyjny rozpad do poziomu 2, od gdzie spadają do poziomu 1, emitując sygnały optyczne o pożądanej długości fali 1500–1600 nm.Jest to znane jako 3-poziomowy mechanizm amplifikacji.

Więcej produktów z domieszką erbu można znaleźć na naszej stronie internetowej.

https://www.erbiumtechnology.com/erbium-laser-glasseye-safe-laser-glass/

E-mail:devin@erbiumtechnology.com

WhatsApp: +86-18113047438

Faks: +86-2887897578

Dodaj: nr 23, droga Chaoyang, ulica Xihe, dystrykt Longquanyi, Chengdu, 610107, Chiny.