Principio e aplicación do amplificador de fibra dopada con erbio EDFA

Principio e aplicación deAmplificador de fibra dopada con erbio EDFA

A estrutura básica deEDFAAmplificador de fibra dopada con erbio, que está composto principalmente por un medio activo (fibra de cuarzo dopada de ducias de metros de longo, diámetro do núcleo de 3-5 micras, concentración de dopaxe (25-1000)x10-6), fonte de luz de bombeo (LD de 990 ou 1480 nm), acoplador óptico e illador óptico. A luz de sinal e a luz de bombeo poden propagarse na mesma dirección (cobombeo), dirección oposta (bombeo inverso) ou ambas as direccións (bombeo bidireccional) na fibra de erbio. Cando a luz de sinal e a luz de bombeo se inxectan na fibra de erbio ao mesmo tempo, o ión de erbio excítase a un nivel de enerxía alto (sistema de tres niveis) baixo a acción da luz de bombeo e pronto decae a un nivel metaestable. Cando volve ao estado fundamental baixo a acción da luz de sinal incidente, emítese o fotón correspondente á luz de sinal, de xeito que o sinal se amplifica. O seu espectro de emisión espontánea amplificada (ASE) ten unha gran anchura de banda (ata 20-40 nm) e dous picos correspondentes a 1530 nm e 1550 nm respectivamente.

As principais vantaxes deAmplificador EDFAalta ganancia, gran ancho de banda, alta potencia de saída, alta eficiencia de bombeo, baixa perda de inserción e insensibilidade aos estados de polarización.

O principio de funcionamento dun amplificador de fibra dopado con erbio

O amplificador de fibra dopado con erbio (Amplificador óptico EDFA） está composto principalmente por unha fibra dopada con erbio (duns 10-30 m de lonxitude) e unha fonte de luz bombeada. O principio de funcionamento é que a fibra dopada con erbio xera radiación estimulada baixo a acción da fonte de luz bombeada (lonxitude de onda de 980 nm ou 1480 nm), e a luz radiada cambia co cambio do sinal de luz de entrada, o que equivale a amplificar o sinal de luz de entrada. Os resultados mostran que a ganancia do amplificador de fibra dopada con erbio adoita ser de 15-40 db, e a distancia do relé pode aumentarse en máis de 100 km. Entón, a xente non pode evitar preguntarse: por que os científicos pensaron en usar erbio dopado no amplificador de fibra para aumentar a intensidade das ondas de luz? Sabemos que o erbio é un elemento de terras raras e que estes elementos teñen as súas características estruturais especiais. O dopado de elementos de terras raras en dispositivos ópticos utilizouse durante moito tempo para mellorar o rendemento dos dispositivos ópticos, polo que isto non é un factor accidental. Ademais, por que se escolle a lonxitude de onda da fonte de luz da bomba en 980 nm ou 1480 nm? De feito, a lonxitude de onda da fonte de luz da bomba pode ser 520 nm, 650 nm, 980 nm e 1480 nm, pero a práctica demostrou que a lonxitude de onda da eficiencia do láser da fonte de luz da bomba de 1480 nm é a máis alta, seguida da lonxitude de onda da fonte de luz da bomba de 980 nm.

Estrutura física

Estrutura básica dun amplificador de fibra dopada con erbio (amplificador óptico EDFA). Hai un illador no extremo de entrada e no extremo de saída, o propósito é facer que o sinal óptico sexa de transmisión unidireccional. O excitador da bomba ten unha lonxitude de onda de 980 nm ou 1480 nm e utilízase para fornecer enerxía. A función do acoplador é acoplar o sinal óptico de entrada e a luz da bomba á fibra dopada con erbio e transferir a enerxía da luz da bomba ao sinal óptico de entrada a través da acción da fibra dopada con erbio, para realizar a amplificación de enerxía do sinal óptico de entrada. Para obter unha maior potencia óptica de saída e un índice de ruído máis baixo, o amplificador de fibra dopada con erbio utilizado na práctica adopta a estrutura de dúas ou máis fontes de bomba con illadores no medio para illarse entre si. Para obter unha curva de ganancia máis ampla e plana, engádese un filtro de aplanamento da ganancia.

O EDFA consta de cinco partes principais: fibra dopada con erbio (EDF), acoplador óptico (WDM), illador óptico (ISO), filtro óptico e subministración de bombeo. As fontes de bombeo máis empregadas inclúen 980 nm e 1480 nm, e estas dúas fontes de bombeo teñen unha maior eficiencia de bombeo e úsanse máis. O coeficiente de ruído da fonte de luz de bombeo de 980 nm é menor; a fonte de luz de bombeo de 1480 nm ten unha maior eficiencia de bombeo e pode obter unha maior potencia de saída (uns 3 dB máis alta que a fonte de luz de bombeo de 980 nm).

vantaxe

1. A lonxitude de onda de funcionamento é consistente coa xanela de atenuación mínima da fibra monomodo.

2. Alta eficiencia de acoplamento. Debido a que é un amplificador de fibra, é doado de acoplar coa fibra de transmisión.

3. Alta eficiencia de conversión de enerxía. O núcleo do EDF é máis pequeno que o da fibra de transmisión, e a luz de sinalización e a luz de bombeo transmítense simultaneamente no EDF, polo que a capacidade óptica está moi concentrada. Isto fai que a interacción entre a luz e o ión Er do medio de ganancia sexa moi completa, xunto coa lonxitude axeitada da fibra dopada con erbio, polo que a eficiencia de conversión da enerxía luminosa é alta.

4. Alta ganancia, baixo índice de ruído, gran potencia de saída, baixa diafonía entre canles.

5. Características de ganancia estables: o EDFA non é sensible á temperatura e a ganancia ten pouca correlación coa polarización.

6. A función de ganancia é independente da taxa de bits do sistema e do formato de datos.

deficiencia

1. Efecto non lineal: o EDFA amplifica a potencia óptica aumentando a potencia óptica inxectada na fibra, pero canto maior sexa, mellor. Cando a potencia óptica se incrementa ata certo punto, producirase o efecto non lineal da fibra óptica. Polo tanto, ao usar amplificadores de fibra óptica, débese prestar atención á importancia de controlar a potencia óptica entrante dunha soa canle da fibra.

2. O rango de lonxitudes de onda de ganancia é fixo: o rango de lonxitudes de onda de traballo do EDFA de banda C é de 1530 nm a 1561 nm; o rango de lonxitudes de onda de traballo do EDFA de banda L é de 1565 nm a 1625 nm.

3. Ancho de banda de ganancia desigual: o ancho de banda de ganancia do amplificador de fibra dopada con erbio EDFA é moi amplo, pero o espectro de ganancia do propio EDF non é plano. Débese adoptar o filtro de aplanamento da ganancia para aplanar a ganancia no sistema WDM.

4. Problema de sobretensión luminosa: cando a traxectoria da luz é normal, os ións de erbio excitados pola luz de bombeo son arrastrados pola luz de sinalización, completando así a amplificación da luz de sinalización. Se a luz de entrada se trunca, debido a que os ións de erbio metaestables continúan acumulándose, unha vez que se restableza a entrada da luz de sinalización, a enerxía saltará, o que provocará unha sobretensión luminosa.

5. A solución para a sobretensión óptica é realizar a función de redución automática da potencia óptica (APR) ou apagado automático da potencia óptica (APSD) no EDFA, é dicir, o EDFA reduce automaticamente a potencia ou apaga automaticamente a enerxía cando non hai luz de entrada, suprimindo así a aparición do fenómeno da sobretensión.

Modo de aplicación

1. O amplificador de reforzo úsase para aumentar a potencia de sinais de lonxitudes de onda múltiples despois da onda de reforzo e, a continuación, transmitilos. Dado que a potencia do sinal despois da onda de reforzo é xeralmente grande, o índice de ruído e a ganancia dun amplificador de potencia non son moi altos. Ten unha potencia de saída relativamente grande.

2. O amplificador de liña, despois do amplificador de potencia, úsase para compensar periodicamente a perda de transmisión de liña, o que xeralmente require un índice de ruído relativamente pequeno e unha potencia óptica de saída grande.

3. Preamplificador: Antes do divisor e despois do amplificador de liña, úsase para amplificar o sinal e mellorar a sensibilidade do receptor (no caso de que a relación sinal-ruído óptico (OSNR) cumpra os requisitos, unha maior potencia de entrada pode suprimir o ruído do propio receptor e mellorar a sensibilidade de recepción), e o índice de ruído é moi pequeno. Non hai grandes requisitos na potencia de saída.