Princíp a aplikáciaEDFA vláknový zosilňovač dopovaný erbiom
Základná štruktúraEDFAErbiom dopovaný vláknový zosilňovač, ktorý sa skladá hlavne z aktívneho média (desiatky metrov dlhé dopované kremenné vlákno, priemer jadra 3-5 mikrónov, koncentrácia dopovania (25-1000)x10-6), zdroja čerpacieho svetla (990 alebo 1480nm LD), optického väzobného člena a optického izolátora. Signálne svetlo a čerpacie svetlo sa v erbiovom vlákne môžu šíriť rovnakým smerom (ko-čerpanie), opačným smerom (spätné čerpanie) alebo oboma smermi (obojsmerné čerpanie). Keď sa signálové svetlo a čerpacie svetlo vstrekujú do erbiového vlákna súčasne, erbiový ión sa pôsobením čerpacieho svetla excituje na vysokú energetickú hladinu (trojúrovňový systém) a čoskoro sa rozpadne na metastabilnú hladinu. Keď sa pôsobením dopadajúceho signálneho svetla vráti do základného stavu, vyžaruje sa fotón zodpovedajúci signálnemu svetlu, čím sa signál zosilní. Jeho spektrum zosilnenej spontánnej emisie (ASE) má veľkú šírku pásma (až 20 – 40 nm) a dva vrcholy zodpovedajúce 1530 nm a 1550 nm.
Hlavné výhodyEDFA zosilňovačsú vysoký zisk, veľká šírka pásma, vysoký výstupný výkon, vysoká účinnosť čerpania, nízke vložené straty a necitlivosť na polarizačné stavy.
Princíp fungovania vláknového zosilňovača dopovaného erbiom
Erbiom dopovaný optický zosilňovačOptický zosilňovač EDFA） sa skladá hlavne z vlákna dopovaného erbiom (dĺžka približne 10 – 30 m) a zdroja čerpacieho svetla. Princíp fungovania spočíva v tom, že vlákno dopované erbiom generuje stimulované žiarenie pôsobením čerpaného zdroja svetla (vlnová dĺžka 980 nm alebo 1480 nm) a vyžarované svetlo sa mení so zmenou vstupného svetelného signálu, čo je ekvivalentné zosilneniu vstupného svetelného signálu. Výsledky ukazujú, že zisk zosilňovača s vláknom dopovaným erbiom je zvyčajne 15 – 40 dB a prenosová vzdialenosť sa môže zvýšiť o viac ako 100 km. Ľudia sa teda nemôžu ubrániť otázke: prečo vedci prišli na to, že vo vláknovom zosilňovači použijú dopované erbium na zvýšenie intenzity svetelných vĺn? Vieme, že erbium je prvok vzácnych zemín a prvky vzácnych zemín majú svoje špeciálne štrukturálne vlastnosti. Dopovanie prvkov vzácnych zemín v optických zariadeniach sa už dlho používa na zlepšenie výkonu optických zariadení, takže to nie je náhodný faktor. Prečo je vlnová dĺžka zdroja čerpacieho svetla zvolená na 980 nm alebo 1480 nm? V skutočnosti môže byť vlnová dĺžka zdroja čerpacieho svetla 520 nm, 650 nm, 980 nm a 1480 nm, ale prax ukázala, že laserová účinnosť zdroja čerpacieho svetla je najvyššia pri vlnovej dĺžke 1480 nm, nasledovaná vlnovou dĺžkou zdroja čerpacieho svetla 980 nm.
Fyzická štruktúra
Základná štruktúra vláknového zosilňovača dopovaného erbiom (optický zosilňovač EDFA). Na vstupnom a výstupnom konci je izolátor, ktorého účelom je zabezpečiť jednosmerný prenos optického signálu. Čerpací budič má vlnovú dĺžku 980 nm alebo 1480 nm a slúži na dodávanie energie. Funkciou spojky je prepojiť vstupný optický signál a čerpacie svetlo do vlákna dopovaného erbiom a preniesť energiu čerpacieho svetla na vstupný optický signál pôsobením vlákna dopovaného erbiom, aby sa dosiahlo zosilnenie energie vstupného optického signálu. Na dosiahnutie vyššieho výstupného optického výkonu a nižšieho indexu šumu používa vláknový zosilňovač dopovaný erbiom v praxi štruktúru dvoch alebo viacerých čerpacích zdrojov s izolátormi uprostred, ktoré sa navzájom izolujú. Na dosiahnutie širšej a plochejšej krivky zosilnenia sa pridáva filter na sploštenie zosilnenia.
EDFA sa skladá z piatich hlavných častí: erbiom dopované vlákno (EDF), optický väzobný člen (WDM), optický izolátor (ISO), optický filter a čerpací zdroj. Medzi bežne používané čerpacie zdroje patria 980 nm a 1480 nm a tieto dva čerpacie zdroje majú vyššiu účinnosť čerpania a používajú sa častejšie. Šumový koeficient čerpacieho svetelného zdroja 980 nm je nižší; čerpací svetelný zdroj 1480 nm má vyššiu účinnosť čerpania a dokáže dosiahnuť väčší výstupný výkon (približne o 3 dB vyšší ako čerpací svetelný zdroj 980 nm).
výhoda
1. Prevádzková vlnová dĺžka je konzistentná s minimálnym útlmovým oknom jednomódového vlákna.
2. Vysoká účinnosť prepojenia. Pretože ide o optický zosilňovač, je ľahké ho prepojiť s prenosovým optickým vláknom.
3. Vysoká účinnosť premeny energie. Jadro EDF je menšie ako jadro prenosového vlákna a signálne svetlo a čerpacie svetlo sa v EDF prenášajú súčasne, takže optická kapacita je veľmi koncentrovaná. Vďaka tomu je interakcia medzi svetlom a ziskovým médiom Er iónmi veľmi plná a v spojení s vhodnou dĺžkou vlákna dopovaného erbiom je účinnosť premeny svetelnej energie vysoká.
4. Vysoký zisk, nízky index šumu, veľký výstupný výkon, nízke presluchy medzi kanálmi.
5. Stabilné charakteristiky zosilnenia: EDFA nie je citlivá na teplotu a zosilnenie má malú koreláciu s polarizáciou.
6. Funkcia zosilnenia je nezávislá od bitovej rýchlosti systému a formátu dát.
nedostatok
1. Nelineárny efekt: EDFA zosilňuje optický výkon zvýšením optického výkonu vstrekovaného do vlákna, ale čím väčší, tým lepší. Keď sa optický výkon zvýši do určitej miery, vytvorí sa nelineárny efekt optického vlákna. Preto pri použití zosilňovačov optických vlákien by sa mala venovať pozornosť hodnote riadenia vstupného výkonu optického vlákna z jedného kanála.
2. Rozsah vlnových dĺžok zosilnenia je pevný: pracovný rozsah vlnových dĺžok EDFA v pásme C je 1530 nm ~ 1561 nm; pracovný rozsah vlnových dĺžok EDFA v pásme L je 1565 nm ~ 1625 nm.
3. Nerovnomerné šírky pásma zosilnenia: Šírka pásma zosilnenia vláknového zosilňovača dopovaného erbiom EDFA je veľmi široká, ale spektrum zosilnenia samotného EDF nie je ploché. Na sploštenie zosilnenia v systéme WDM je potrebné použiť filter na sploštenie zosilnenia.
4. Problém s prepätím svetla: Keď je dráha svetla normálna, erbiové ióny excitované čerpacím svetlom sú unášané signálnym svetlom, čím sa dokončí zosilnenie signálneho svetla. Ak je vstupné svetlo skrátené, metastabilné erbiové ióny sa naďalej hromadia a po obnovení vstupného signálneho svetla dôjde k skokovému nárastu energie, čo vedie k prepätiu svetla.
5. Riešením optického prepätia je realizácia funkcie automatického zníženia optického výkonu (APR) alebo automatického vypnutia optického výkonu (APSD) v EDFA, to znamená, že EDFA automaticky zníži výkon alebo automaticky vypne napájanie, keď nie je vstupné svetlo, čím sa potlačí výskyt javu prepätia.
Režim aplikácie
1. Zosilňovač sa používa na zosilnenie výkonu signálov s viacerými vlnovými dĺžkami po zosilňovacej vlne a ich následný prenos. Keďže výkon signálu po zosilňovacej vlne je vo všeobecnosti veľký, index šumu a zisk zosilňovača nie sú veľmi vysoké. Má relatívne veľký výstupný výkon.
2. Linkový zosilňovač, zapojený za výkonovým zosilňovačom, sa používa na periodickú kompenzáciu strát prenosu v linke, čo vo všeobecnosti vyžaduje relatívne malý index šumu a veľký výstupný optický výkon.
3. Predzosilňovač: Pred rozbočovačom a za linkovým zosilňovačom sa používa na zosilnenie signálu a zlepšenie citlivosti prijímača (v prípade, že optický pomer signálu k šumu (OSNR) spĺňa požiadavky, väčší vstupný výkon môže potlačiť šum samotného prijímača a zlepšiť citlivosť príjmu) a index šumu je veľmi malý. Nie sú kladené veľké požiadavky na výstupný výkon.
Čas uverejnenia: 17. marca 2025