Principi i aplicació de l'amplificador de fibra dopada amb erbi EDFA

Principi i aplicació deAmplificador de fibra dopada amb erbi EDFA

L'estructura bàsica deEDFAAmplificador de fibra dopada amb erbi, que es compon principalment d'un medi actiu (desenes de metres de fibra de quars dopada, diàmetre del nucli de 3-5 micres, concentració de dopatge (25-1000)x10-6), font de llum de bombament (LD de 990 o 1480 nm), acoblador òptic i aïllant òptic. La llum de senyalització i la llum de bombament es poden propagar en la mateixa direcció (cobombament), direcció oposada (bombament invers) o ambdues direccions (bombament bidireccional) a la fibra d'erbi. Quan la llum de senyalització i la llum de bombament s'injecten simultàniament a la fibra d'erbi, l'ió d'erbi s'excita a un nivell d'energia alt (sistema de tres nivells) sota l'acció de la llum de bombament i aviat es decau fins a un nivell metaestable. Quan torna a l'estat fonamental sota l'acció de la llum de senyalització incident, s'emet el fotó corresponent a la llum de senyalització, de manera que el senyal s'amplifica. El seu espectre d'emissió espontània amplificada (ASE) té un ample de banda gran (fins a 20-40 nm) i té dos pics corresponents a 1530 nm i 1550 nm respectivament.

Els principals avantatges deAmplificador EDFAsón alt guany, gran amplada de banda, alta potència de sortida, alta eficiència de bombament, baixa pèrdua d'inserció i insensibilitat als estats de polarització.

El principi de funcionament de l'amplificador de fibra dopada amb erbi

L'amplificador de fibra dopada amb erbi (Amplificador òptic EDFA） està compost principalment per una fibra dopada amb erbi (d'uns 10-30 m de longitud) i una font de llum de bombament. El principi de funcionament és que la fibra dopada amb erbi genera radiació estimulada sota l'acció de la font de llum bombada (longitud d'ona de 980 nm o 1480 nm), i la llum radiada canvia amb el canvi del senyal de llum d'entrada, cosa que equival a amplificar el senyal de llum d'entrada. Els resultats mostren que el guany de l'amplificador de fibra dopada amb erbi sol ser de 15-40 db, i la distància del relé es pot augmentar en més de 100 km. Per tant, la gent no pot evitar preguntar-se: per què els científics van pensar a utilitzar erbi dopat en un amplificador de fibra per augmentar la intensitat de les ones de llum? Sabem que l'erbi és un element de terres rares, i els elements de terres rares tenen les seves característiques estructurals especials. El dopatge d'elements de terres rares en dispositius òptics s'ha utilitzat durant molt de temps per millorar el rendiment dels dispositius òptics, per la qual cosa això no és un factor accidental. A més, per què es tria la longitud d'ona de la font de llum de la bomba a 980 nm o 1480 nm? De fet, la longitud d'ona de la font de llum de la bomba pot ser 520 nm, 650 nm, 980 nm i 1480 nm, però la pràctica ha demostrat que la longitud d'ona de la font de llum de la bomba de 1480 nm té l'eficiència del làser, seguida de la longitud d'ona de la font de llum de la bomba de 980 nm.

Estructura física

Estructura bàsica d'un amplificador de fibra dopada amb erbi (amplificador òptic EDFA). Hi ha un aïllant a l'extrem d'entrada i a l'extrem de sortida, la finalitat és fer que el senyal òptic sigui de transmissió unidireccional. L'excitador de la bomba té una longitud d'ona de 980 nm o 1480 nm i s'utilitza per proporcionar energia. La funció de l'acoblador és acoplar el senyal òptic d'entrada i la llum de la bomba a la fibra dopada amb erbi i transferir l'energia de la llum de la bomba al senyal òptic d'entrada mitjançant l'acció de la fibra dopada amb erbi, per tal de realitzar l'amplificació d'energia del senyal òptic d'entrada. Per obtenir una potència òptica de sortida més alta i un índex de soroll més baix, l'amplificador de fibra dopada amb erbi utilitzat a la pràctica adopta l'estructura de dues o més fonts de bombament amb aïllants al mig per aïllar-se entre si. Per obtenir una corba de guany més ampla i plana, s'afegeix un filtre d'aplanament del guany.

L'EDFA consta de cinc parts principals: fibra dopada amb erbi (EDF), acoblador òptic (WDM), aïllant òptic (ISO), filtre òptic i subministrament de bombament. Les fonts de bombament més utilitzades inclouen 980 nm i 1480 nm, i aquestes dues fonts de bombament tenen una eficiència de bombament més alta i s'utilitzen més. El coeficient de soroll de la font de llum de bombament de 980 nm és més baix; la font de llum de bombament de 1480 nm té una eficiència de bombament més alta i pot obtenir una potència de sortida més gran (uns 3 dB més alta que la font de llum de bombament de 980 nm).

avantatge

1. La longitud d'ona de funcionament és coherent amb la finestra d'atenuació mínima de la fibra monomodal.

2. Alta eficiència d'acoblament. Com que és un amplificador de fibra, és fàcil d'acoblar amb la fibra de transmissió.

3. Alta eficiència de conversió d'energia. El nucli de l'EDF és més petit que el de la fibra de transmissió, i la llum de senyal i la llum de bombament es transmeten simultàniament a l'EDF, de manera que la capacitat òptica està molt concentrada. Això fa que la interacció entre la llum i l'ió Er del medi de guany sigui molt completa, juntament amb la longitud adequada de la fibra dopada amb erbi, de manera que l'eficiència de conversió de l'energia lumínica és alta.

4. Alt guany, baix índex de soroll, gran potència de sortida, baixa diafonia entre canals.

5. Característiques de guany estable: l'EDFA no és sensible a la temperatura i el guany té poca correlació amb la polarització.

6. La funció de guany és independent de la taxa de bits del sistema i del format de dades.

deficiència

1. Efecte no lineal: l'EDFA amplifica la potència òptica augmentant la potència òptica injectada a la fibra, però com més gran, millor. Quan la potència òptica s'augmenta fins a cert punt, es produirà l'efecte no lineal de la fibra òptica. Per tant, quan s'utilitzen amplificadors de fibra òptica, cal prestar atenció al valor de controlar la potència òptica entrant d'un sol canal.

2. El rang de longitud d'ona de guany és fix: el rang de longitud d'ona de treball de l'EDFA de banda C és de 1530 nm a 1561 nm; el rang de longitud d'ona de treball de l'EDFA de banda L és de 1565 nm a 1625 nm.

3. Ample de banda de guany desigual: l'ample de banda de guany de l'amplificador de fibra dopat amb erbi EDFA és molt ampli, però l'espectre de guany del propi EDF no és pla. Cal adoptar el filtre d'aplanament del guany per aplanar el guany en el sistema WDM.

4. Problema de sobretensió lumínica: Quan la trajectòria lumínica és normal, els ions d'erbi excitats per la llum de bombament són arrossegats per la llum de senyalització, completant així l'amplificació de la llum de senyalització. Si la llum d'entrada es trunca, com que els ions d'erbi metaestables continuen acumulant-se, un cop es restaura l'entrada de la llum de senyalització, l'energia saltarà, provocant una sobretensió lumínica.

5. La solució a la sobretensió òptica és realitzar la funció de reducció automàtica de potència òptica (APR) o apagat automàtic òptic (APSD) a l'EDFA, és a dir, l'EDFA redueix automàticament la potència o apaga automàticament l'alimentació quan no hi ha llum d'entrada, suprimint així l'aparició del fenomen de sobretensió.

Mode d'aplicació

1. L'amplificador de reforç s'utilitza per augmentar la potència de senyals de longitud d'ona múltiple després de l'ona de reforç i després transmetre'ls. Com que la potència del senyal després de l'ona de reforç és generalment gran, l'índex de soroll i el guany d'un amplificador de potència no són gaire alts. Té una potència de sortida relativament gran.

2. L'amplificador de línia, després de l'amplificador de potència, s'utilitza per compensar periòdicament la pèrdua de transmissió de línia, generalment requerint un índex de soroll relativament petit i una potència òptica de sortida gran.

3. Preamplificador: Abans del divisor i després de l'amplificador de línia, s'utilitza per amplificar el senyal i millorar la sensibilitat del receptor (en cas que la relació senyal-soroll òptica (OSNR) compleixi els requisits, una potència d'entrada més gran pot suprimir el soroll del propi receptor i millorar la sensibilitat de recepció), i l'índex de soroll és molt petit. No hi ha grans requisits pel que fa a la potència de sortida.