Princip a použitíEDFA vláknový zesilovač dopovaný erbiem
Základní strukturaEDFAErbiem dopovaný vláknový zesilovač, který se skládá hlavně z aktivního média (desítky metrů dlouhé dopované křemenné vlákno, průměr jádra 3-5 mikronů, koncentrace dopingu (25-1000)x10-6), zdroje budicího světla (LD 990 nebo 1480 nm), optického vazebního členu a optického izolátoru. Signální světlo a budicí světlo se v erbiovém vlákně mohou šířit stejným směrem (společné pumpování), opačným směrem (reverzní pumpování) nebo oběma směry (obousměrné pumpování). Když jsou signální světlo a budicí světlo vstřikovány do erbiového vlákna současně, erbiový iont je působením budicího světla excitován na vysokou energetickou hladinu (tříúrovňový systém) a brzy se rozpadne na metastabilní hladinu. Když se působením dopadajícího signálního světla vrátí do základního stavu, je emitován foton odpovídající signálnímu světlu, čímž se signál zesílí. Jeho spektrum zesílené spontánní emise (ASE) má velkou šířku pásma (až 20-40 nm) a dva vrcholy odpovídající 1530 nm a 1550 nm.
Hlavní výhodyEDFA zesilovačjsou vysoký zisk, velká šířka pásma, vysoký výstupní výkon, vysoká účinnost čerpání, nízké vložné ztráty a necitlivost na polarizační stavy.
Princip fungování vláknového zesilovače dopovaného erbiem
Erbiem dopovaný vláknový zesilovačOptický zesilovač EDFA） se skládá převážně z vlákna dopovaného erbiem (délka cca 10–30 m) a zdroje budicího světla. Princip fungování spočívá v tom, že vlákno dopované erbiem generuje stimulované záření působením budicího zdroje světla (vlnová délka 980 nm nebo 1480 nm) a vyzařované světlo se mění se změnou vstupního světelného signálu, což je ekvivalentní zesílení vstupního světelného signálu. Výsledky ukazují, že zisk vláknového zesilovače dopovaného erbiem je obvykle 15–40 dB a přenosová vzdálenost může být zvýšena o více než 100 km. Lidé se tedy nemohou ubránit otázce: Proč vědci napadli použít dopované erbium ve vláknovém zesilovači ke zvýšení intenzity světelných vln? Víme, že erbium je prvek vzácných zemin a prvky vzácných zemin mají své specifické strukturní vlastnosti. Dopování prvků vzácných zemin v optických zařízeních se již dlouho používá ke zlepšení výkonu optických zařízení, takže se nejedná o náhodný faktor. Proč je navíc vlnová délka zdroje světla čerpacího zdroje zvolena na 980 nm nebo 1480 nm? Vlnová délka zdroje světla čerpacího zdroje může být 520 nm, 650 nm, 980 nm a 1480 nm, ale praxe ukázala, že laserová účinnost zdroje světla čerpacího zdroje s vlnovou délkou 1480 nm je nejvyšší, následovaná vlnovou délkou zdroje světla čerpacího zdroje 980 nm.
Fyzická struktura
Základní struktura erbiem dopovaného vláknového zesilovače (optický zesilovač EDFA). Na vstupu a výstupu je izolátor, jehož účelem je zajistit jednosměrný přenos optického signálu. Budicí obvod má vlnovou délku 980 nm nebo 1480 nm a slouží k dodávání energie. Funkcí vazebního členu je propojit vstupní optický signál a budicí světlo do erbiem dopovaného vlákna a přenést energii budicího světla na vstupní optický signál prostřednictvím erbiem dopovaného vlákna, čímž se dosáhne energetického zesílení vstupního optického signálu. Pro dosažení vyššího výstupního optického výkonu a nižšího indexu šumu používá erbiem dopovaný vláknový zesilovač v praxi strukturu dvou nebo více čerpacích zdrojů s izolátory uprostřed, které se vzájemně izolují. Pro dosažení širší a plošší křivky zesílení se přidává zplošťovací filtr zesílení.
EDFA se skládá z pěti hlavních částí: erbiem dopovaného vlákna (EDF), optického vazebního členu (WDM), optického izolátoru (ISO), optického filtru a čerpacího zdroje. Mezi běžně používané čerpací zdroje patří 980 nm a 1480 nm, přičemž tyto dva čerpací zdroje mají vyšší účinnost a jsou používány častěji. Šumový koeficient čerpacího zdroje světla 980 nm je nižší; čerpací zdroj světla 1480 nm má vyšší účinnost čerpaní a může dosáhnout většího výstupního výkonu (přibližně o 3 dB vyšší než čerpací zdroj světla 980 nm).
výhoda
1. Provozní vlnová délka je v souladu s minimálním útlumovým oknem jednomódového vlákna.
2. Vysoká účinnost vazby. Protože se jedná o vláknový zesilovač, je snadné jej propojit s přenosovým vláknem.
3. Vysoká účinnost přeměny energie. Jádro EDF je menší než jádro přenosového vlákna a signální světlo a čerpací světlo se v EDF přenášejí současně, takže optická kapacita je velmi koncentrovaná. Díky tomu je interakce mezi světlem a zesilovacím médiem Er iontem velmi plná a ve spojení s vhodnou délkou vlákna dopovaného erbiem je účinnost přeměny světelné energie vysoká.
4. Vysoký zisk, nízký index šumu, velký výstupní výkon, nízký přeslech mezi kanály.
5. Stabilní charakteristiky zesílení: EDFA není citlivá na teplotu a zesílení má malou korelaci s polarizací.
6. Funkce zesílení je nezávislá na přenosové rychlosti systému a formátu dat.
nedostatek
1. Nelineární efekt: EDFA zesiluje optický výkon zvýšením optického výkonu vstřikovaného do vlákna, ale čím větší, tím lepší. Pokud se optický výkon zvýší do určité míry, dojde k nelineárnímu efektu optického vlákna. Proto je při použití zesilovačů s optickými vlákny třeba věnovat pozornost regulaci vstupního výkonu optického vlákna v jednom kanálu.
2. Rozsah vlnových délek zesílení je pevný: pracovní rozsah vlnových délek EDFA v pásmu C je 1530 nm~1561 nm; pracovní rozsah vlnových délek EDFA v pásmu L je 1565 nm~1625 nm.
3. Nerovnoměrné šířky pásma zesílení: Šířka pásma zesílení erbiem dopovaného vláknového zesilovače EDFA je velmi široká, ale spektrum zesílení samotného EDF není ploché. Pro zploštění zesílení v systému WDM je nutné použít filtr pro zploštění zesílení.
4. Problém se světelným přepětím: Pokud je dráha světla normální, ionty erbia excitované čerpacím světlem jsou unášeny signálním světlem, čímž se dokončí zesílení signálního světla. Pokud je vstupní světlo zkráceno, metastabilní ionty erbia se nadále hromadí a po obnovení vstupního signálního světla energie přeskočí, což vede k světelnému přepětí.
5. Řešením optického přepětí je realizace funkce automatického snížení optického výkonu (APR) nebo automatického vypnutí optického výkonu (APSD) v EDFA, tj. EDFA automaticky snižuje výkon nebo automaticky vypíná napájení, když není vstupní světlo, čímž potlačuje výskyt přepětí.
Režim aplikace
1. Zesilovač se používá k zesílení výkonu signálů o více vlnových délkách po zesilovací vlně a jejich následnému přenosu. Vzhledem k tomu, že výkon signálu po zesilovací vlně je obecně velký, index šumu a zesílení výkonového zesilovače nejsou příliš vysoké. Má relativně velký výstupní výkon.
2. Linkový zesilovač, zapojený za výkonovým zesilovačem, se používá k periodické kompenzaci ztráty přenosu linky, což obecně vyžaduje relativně malý index šumu a velký výstupní optický výkon.
3. Předzesilovač: Před rozdělovačem a za linkovým zesilovačem se používá k zesílení signálu a zlepšení citlivosti přijímače (v případě, že optický poměr signálu k šumu (OSNR) splňuje požadavky, může vyšší vstupní výkon potlačit šum samotného přijímače a zlepšit citlivost příjmu) a index šumu je velmi malý. Na výstupní výkon nejsou kladeny velké požadavky.
Čas zveřejnění: 17. března 2025