Načelo in uporabaEDFA ojačevalnik z erbijem, dopiran z vlakni
Osnovna strukturaEDFAErbijev vlakenski ojačevalnik, ki je sestavljen predvsem iz aktivnega medija (več deset metrov dolgo dopirano kremenovo vlakno, premer jedra 3-5 mikronov, koncentracija dopiranja (25-1000)x10-6), vira črpalne svetlobe (990 ali 1480nm LD), optičnega sklopnika in optičnega izolatorja. Signalna svetloba in črpalna svetloba se lahko v erbijevem vlaknu širita v isto smer (sočrpanje), nasprotno smer (obratno črpanje) ali v obe smeri (dvosmerno črpanje). Ko se signalna svetloba in črpalna svetloba hkrati vbrizgata v erbijevo vlakno, se erbijev ion pod vplivom črpalne svetlobe vzbudi na visoko energijsko raven (trinivojski sistem) in kmalu razpade na metastabilno raven. Ko se pod vplivom vpadne signalne svetlobe vrne v osnovno stanje, se odda foton, ki ustreza signalni svetlobi, tako da se signal ojača. Njegov spekter ojačane spontane emisije (ASE) ima veliko pasovno širino (do 20–40 nm) in dva vrhova, ki ustrezata 1530 nm oziroma 1550 nm.
Glavne prednostiEDFA ojačevalnikso visok dobiček, velika pasovna širina, visoka izhodna moč, visoka učinkovitost črpanja, nizke vstavitvene izgube in neobčutljivost na polarizacijska stanja.
Načelo delovanja ojačevalnika z vlakni, dopiranega z erbijem
Ojačevalnik z vlakni, dopiranimi z erbijem (Optični ojačevalnik EDFA) je v glavnem sestavljen iz vlakna, dopiranega z erbijem (dolžine približno 10–30 m) in črpalnega svetlobnega vira. Načelo delovanja je, da vlakno, dopirano z erbijem, pod delovanjem črpalnega svetlobnega vira (valovna dolžina 980 nm ali 1480 nm) ustvarja stimulirano sevanje, sevana svetloba pa se spreminja s spremembo vhodnega svetlobnega signala, kar je enakovredno ojačanju vhodnega svetlobnega signala. Rezultati kažejo, da je ojačanje ojačevalnika z vlakni, dopiranega z erbijem, običajno 15–40 dB, razdaljo releja pa je mogoče povečati za več kot 100 km. Zato se ljudje ne morejo znebiti vprašanja: zakaj so se znanstveniki domislili uporabe dopiranega erbija v ojačevalniku z vlakni za povečanje intenzivnosti svetlobnih valov? Vemo, da je erbij redkozemeljski element in da imajo redkozemeljski elementi svoje posebne strukturne značilnosti. Dopiranje redkozemeljskih elementov v optičnih napravah se že dolgo uporablja za izboljšanje delovanja optičnih naprav, zato to ni naključen dejavnik. Poleg tega, zakaj je valovna dolžina črpalnega svetlobnega vira izbrana pri 980 nm ali 1480 nm? Pravzaprav je lahko valovna dolžina črpalnega svetlobnega vira 520 nm, 650 nm, 980 nm in 1480 nm, vendar je praksa pokazala, da je laserska učinkovitost črpalnega svetlobnega vira najvišja pri valovni dolžini 1480 nm, sledi pa ji valovna dolžina črpalnega svetlobnega vira 980 nm.
Fizična struktura
Osnovna struktura erbijevega optičnega ojačevalnika (EDFA optični ojačevalnik). Na vhodnem in izhodnem koncu je izolator, katerega namen je enosmerni prenos optičnega signala. Črpalni vzbujevalnik ima valovno dolžino 980 nm ali 1480 nm in se uporablja za zagotavljanje energije. Funkcija sklopnika je, da vhodni optični signal in črpalno svetlobo poveže v erbijevo vlakno ter energijo črpalne svetlobe prenese na vhodni optični signal z delovanjem erbijevega vlakna, da se doseže energijsko ojačanje vhodnega optičnega signala. Za doseganje večje izhodne optične moči in nižjega indeksa šuma erbijev optični ojačevalnik, ki se uporablja v praksi, uporablja strukturo dveh ali več črpalnih virov z izolatorji na sredini, ki se medsebojno izolirajo. Za doseganje širše in bolj ravne krivulje ojačanja se doda filter za izravnavo ojačanja.
EDFA je sestavljen iz petih glavnih delov: z erbijem dopiranega vlakna (EDF), optičnega sklopnika (WDM), optičnega izolatorja (ISO), optičnega filtra in črpalnega napajanja. Pogosto uporabljena črpalna vira vključujeta 980 nm in 1480 nm, ki imata večjo učinkovitost črpanja in se pogosteje uporabljata. Koeficient šuma črpalnega svetlobnega vira 980 nm je nižji; črpalni svetlobni vir 1480 nm ima večjo učinkovitost črpanja in lahko doseže večjo izhodno moč (približno 3 dB več kot črpalni svetlobni vir 980 nm).
prednost
1. Delovna valovna dolžina je skladna z minimalnim oknom slabljenja enomodnega vlakna.
2. Visoka učinkovitost sklopitve. Ker gre za vlakenski ojačevalnik, ga je enostavno povezati s prenosnim vlaknom.
3. Visoka učinkovitost pretvorbe energije. Jedro EDF je manjše od jedra prenosnega vlakna, signalna in črpalna svetloba pa se v EDF prenašata hkrati, zato je optična zmogljivost zelo koncentrirana. Zaradi tega je interakcija med svetlobo in ojačevalnim medijem Er ionom zelo polna, skupaj z ustrezno dolžino vlakna, dopiranega z erbijem, pa je učinkovitost pretvorbe svetlobne energije visoka.
4. Visok dobiček, nizek indeks šuma, velika izhodna moč, nizek presluh med kanali.
5. Stabilne karakteristike ojačanja: EDFA ni občutljiv na temperaturo, ojačanje pa ima majhno korelacijo s polarizacijo.
6. Funkcija ojačanja je neodvisna od bitne hitrosti sistema in formata podatkov.
pomanjkljivost
1. Nelinearni učinek: EDFA ojača optično moč s povečanjem optične moči, vbrizgane v vlakno, vendar večja kot je, tem bolje. Ko se optična moč poveča do določene mere, se pojavi nelinearni učinek optičnega vlakna. Zato je treba pri uporabi ojačevalnikov optičnih vlaken pozornost nameniti nadzoru vhodne optične moči enega kanala.
2. Območje valovnih dolžin ojačanja je fiksno: delovno območje valovnih dolžin EDFA v pasu C je 1530 nm~1561 nm; delovno območje valovnih dolžin EDFA v pasu L je 1565 nm~1625 nm.
3. Neenakomerna pasovna širina ojačanja: Pasovna širina ojačanja ojačevalnika z vlakni, dopiranimi z erbijem, EDFA je zelo široka, vendar spekter ojačanja samega EDF ni raven. Za izravnavo ojačanja v sistemu WDM je treba uporabiti filter za izravnavo ojačanja.
4. Problem svetlobnega sunka: Ko je svetlobna pot normalna, erbijeve ione, ki jih vzbuja črpalna svetloba, odnese signalna svetloba, s čimer se dokonča ojačanje signalne svetlobe. Če je vhodna svetloba okrnjena, se zaradi nadaljnjega kopičenja metastabilnih erbijevih ionov po ponovnem dotoku signalne svetlobe energija poskoči, kar povzroči svetlobni sunek.
5. Rešitev za optični prenapetostni učinek je uresničitev funkcije samodejnega zmanjšanja optične moči (APR) ali samodejnega izklopa optične moči (APSD) v EDFA, kar pomeni, da EDFA samodejno zmanjša moč ali samodejno izklopi napajanje, ko ni vhodne svetlobe, s čimer prepreči pojav prenapetostnega učinka.
Način uporabe
1. Ojačevalnik moči se uporablja za povečanje moči signalov več valovnih dolžin po ojačevalnem valu in njihovo nato oddajanje. Ker je moč signala po ojačevalnem valu običajno velika, indeks šuma in ojačanje ojačevalnika moči nista zelo visoka. Ima relativno veliko izhodno moč.
2. Linijski ojačevalnik, ki sledi ojačevalniku moči, se uporablja za periodično kompenzacijo izgub pri linijskem prenosu, kar običajno zahteva relativno majhen indeks šuma in veliko izhodno optično moč.
3. Predojačevalnik: Pred razdelilnikom in za linijskim ojačevalnikom se uporablja za ojačanje signala in izboljšanje občutljivosti sprejemnika (če razmerje med optičnim signalom in šumom (OSNR) ustreza zahtevam, lahko večja vhodna moč zmanjša šum samega sprejemnika in izboljša občutljivost sprejema), indeks šuma pa je zelo majhen. Ni velikih zahtev glede izhodne moči.
Čas objave: 17. marec 2025