Principiul și aplicareaAmplificator cu fibră dopat cu erbiu EDFA
Structura de bază aEDFAAmplificator cu fibră dopată cu erbiu, compus în principal dintr-un mediu activ (fibră de cuarț dopată cu zeci de metri lungime, diametrul miezului de 3-5 microni, concentrație de dopare (25-1000)x10-6), sursă de lumină de pompă (LD 990 sau 1480nm), cuplaj optic și izolator optic. Lumina de semnalizare și lumina de pompă se pot propaga în aceeași direcție (co-pompare), în direcție opusă (pompare inversă) sau în ambele direcții (pompare bidirecțională) în fibra de erbiu. Când lumina de semnalizare și lumina de pompă sunt injectate simultan în fibra de erbiu, ionul de erbiu este excitat la un nivel de energie ridicat (sistem cu trei niveluri) sub acțiunea luminii de pompă și se dezintegrează rapid la un nivel metastabil. Când revine la starea fundamentală sub acțiunea luminii de semnalizare incidente, este emis fotonul corespunzător luminii de semnalizare, astfel încât semnalul este amplificat. Spectrul său de emisie spontană amplificată (ASE) are o lățime de bandă mare (până la 20-40 nm) și prezintă două vârfuri corespunzătoare la 1530 nm, respectiv 1550 nm.
Principalele avantaje aleAmplificator EDFAsunt câștig mare, lățime de bandă mare, putere de ieșire mare, eficiență ridicată de pompare, pierderi de inserție reduse și insensibilitate la stările de polarizare.
Principiul de funcționare al amplificatorului cu fibră optică dopat cu erbiu
Amplificatorul cu fibră dopat cu erbiu (Amplificator optic EDFA） este compus în principal dintr-o fibră dopată cu erbiu (cu o lungime de aproximativ 10-30 m) și o sursă de lumină pompată. Principiul de funcționare este că fibra dopată cu erbiu generează radiații stimulate sub acțiunea sursei de lumină pompate (lungime de undă 980 nm sau 1480 nm), iar lumina radiată se modifică odată cu schimbarea semnalului luminos de intrare, ceea ce este echivalent cu amplificarea semnalului luminos de intrare. Rezultatele arată că amplificarea amplificatorului cu fibră dopată cu erbiu este de obicei de 15-40 db, iar distanța releului poate fi crescută cu peste 100 km. Așadar, oamenii nu se pot abține să nu se întrebe: de ce s-au gândit oamenii de știință să utilizeze erbiu dopat în amplificatoarele cu fibră pentru a crește intensitatea undelor luminoase? Știm că erbiul este un element de pământuri rare, iar elementele de pământuri rare au propriile caracteristici structurale speciale. Doparea elementelor de pământuri rare în dispozitivele optice a fost utilizată de mult timp pentru a îmbunătăți performanța dispozitivelor optice, deci acesta nu este un factor întâmplător. În plus, de ce este aleasă lungimea de undă a sursei de lumină a pompei la 980nm sau 1480nm? De fapt, lungimea de undă a sursei de lumină a pompei poate fi 520nm, 650nm, 980nm și 1480nm, dar practica a dovedit că lungimea de undă a laserului sursei de lumină a pompei de 1480nm are cea mai mare eficiență, urmată de lungimea de undă a sursei de lumină a pompei de 980nm.
Structura fizică
Structura de bază a amplificatorului cu fibră dopată cu erbiu (Amplificator optic EDFA). Există un izolator la capătul de intrare și la capătul de ieșire, scopul fiind de a face semnalul optic transmis unidirecțional. Excitatorul pompei are o lungime de undă de 980nm sau 1480nm și este utilizat pentru a furniza energie. Funcția cuplajului este de a cupla semnalul optic de intrare și lumina pompei în fibra dopată cu erbiu și de a transfera energia luminii pompei către semnalul optic de intrare prin acțiunea fibrei dopate cu erbiu, astfel încât să se realizeze amplificarea energiei semnalului optic de intrare. Pentru a obține o putere optică de ieșire mai mare și un indice de zgomot mai mic, amplificatorul cu fibră dopată cu erbiu utilizat în practică adoptă structura a două sau mai multe surse de pompare cu izolatoare la mijloc pentru a se izola reciproc. Pentru a obține o curbă de câștig mai largă și mai plată, se adaugă un filtru de aplatizare a câștigului.
EDFA este alcătuit din cinci părți principale: fibră dopată cu erbiu (EDF), cuplor optic (WDM), izolator optic (ISO), filtru optic și sursă de alimentare pentru pompare. Sursele de pompare utilizate în mod obișnuit includ 980nm și 1480nm, iar aceste două surse de pompare au o eficiență de pompare mai mare și sunt utilizate mai des. Coeficientul de zgomot al sursei de lumină a pompei de 980nm este mai mic; sursa de lumină a pompei de 1480nm are o eficiență de pompare mai mare și poate obține o putere de ieșire mai mare (cu aproximativ 3dB mai mare decât sursa de lumină a pompei de 980nm).
avantaj
1. Lungimea de undă de funcționare este în concordanță cu fereastra de atenuare minimă a fibrei monomodale.
2. Eficiență ridicată de cuplare. Deoarece este un amplificator de fibră optică, este ușor de cuplat cu fibra de transmisie.
3. Eficiență ridicată a conversiei energiei. Miezul EDF este mai mic decât cel al fibrei de transmisie, iar lumina de semnalizare și lumina de pompare sunt transmise simultan în EDF, astfel încât capacitatea optică este foarte concentrată. Acest lucru face ca interacțiunea dintre lumină și mediul de amplificare ionul Er să fie foarte completă, cuplată cu lungimea corespunzătoare a fibrei dopate cu erbiu, astfel încât eficiența de conversie a energiei luminoase este ridicată.
4. Câștig mare, indice de zgomot redus, putere mare de ieșire, diafonie redusă între canale.
5. Caracteristici de câștig stabil: EDFA nu este sensibil la temperatură, iar câștigul are o corelație redusă cu polarizarea.
6. Funcția de amplificare este independentă de rata de biți a sistemului și de formatul datelor.
neajuns
1. Efect neliniar: EDFA amplifică puterea optică prin creșterea puterii optice injectate în fibră, dar cu cât este mai mare, cu atât mai bine. Atunci când puterea optică este crescută într-o anumită măsură, se va produce efectul neliniar al fibrei optice. Prin urmare, atunci când se utilizează amplificatoare cu fibră optică, trebuie acordată atenție importanței controlului puterii de intrare a fibrei optice pe un singur canal.
2. Intervalul de lungimi de undă ale amplificării este fix: intervalul de lungimi de undă de lucru al EDFA în banda C este 1530nm~1561nm; intervalul de lungimi de undă de lucru al EDFA în banda L este 1565nm~1625nm.
3. Lățime de bandă cu câștig neuniform: Lățimea de bandă a câștigului amplificatorului cu fibră optică dopat cu erbiu EDFA este foarte largă, dar spectrul de câștig al EDF în sine nu este plat. Trebuie adoptat un filtru de aplatizare a câștigului pentru a aplatiza câștigul în sistemul WDM.
4. Problema supratensiunii luminoase: Când traiectoria luminii este normală, ionii de erbiu excitați de lumina pompei sunt transportați de lumina semnalului luminos, completând astfel amplificarea acesteia. Dacă lumina de intrare este trunchiată, deoarece ionii de erbiu metastabili continuă să se acumuleze, odată ce intrarea luminii semnalului luminos este restabilită, energia va crește, rezultând o supratensiunea luminoasă.
5. Soluția la supratensiune optică este de a realiza funcția de reducere automată a puterii optice (APR) sau de oprire automată a puterii optice (APSD) în EDFA, adică EDFA reduce automat puterea sau oprește automat alimentarea atunci când nu există lumină de intrare, suprimând astfel apariția fenomenului de supratensiune.
Mod de aplicare
1. Amplificatorul booster este utilizat pentru a amplifica puterea semnalelor cu lungimi de undă multiple după unda booster și apoi pentru a le transmite. Deoarece puterea semnalului după unda booster este în general mare, indicele de zgomot și câștigul unui amplificator de putere nu sunt foarte mari. Are o putere de ieșire relativ mare.
2. Amplificatorul de linie, după amplificatorul de putere, este utilizat pentru a compensa periodic pierderile de transmisie pe linie, necesitând în general un indice de zgomot relativ mic și o putere optică de ieșire mare.
3. Preamplificator: Înainte de splitter și după amplificatorul de linie, este utilizat pentru a amplifica semnalul și a îmbunătăți sensibilitatea receptorului (în cazul în care raportul semnal-zgomot optic (OSNR) îndeplinește cerințele, puterea de intrare mai mare poate suprima zgomotul receptorului în sine și poate îmbunătăți sensibilitatea de recepție), iar indicele de zgomot este foarte mic. Nu există cerințe mari privind puterea de ieșire.
Data publicării: 17 martie 2025