Vláknové zosilňovače dopované erbiom (EDFA) využívajú ako zosilňovacie médium prvky vzácnych zemín, ako je erbium (Er3+).Je dopovaný do jadra vlákna počas výrobného procesu.Pozostáva z krátkeho kusu vlákna (zvyčajne asi 10 m) vyrobeného zo skla, do ktorého je pridané malé kontrolované množstvo erbia ako dopant vo forme iónu (Er3+).Vlákno oxidu kremičitého teda pôsobí ako hostiteľské médium.Prevádzkovú vlnovú dĺžku a šírku pásma zosilnenia určujú skôr dopanty (erbium) než kremičité vlákno.EDFA vo všeobecnosti pracujú v oblasti vlnovej dĺžky 1550 nm a môžu ponúkať kapacity presahujúce 1 Tbps.Preto sú široko používané v systémoch WDM.
Princíp stimulovanej emisie je použiteľný pre amplifikačný mechanizmus EDFA.Keď je dopant (ión erbia) vo vysokoenergetickom stave, dopadajúci fotón vstupného optického signálu ho bude stimulovať.Uvoľňuje časť svojej energie dopantu a vracia sa do stavu s nižšou energiou („stimulovaná emisia“), ktorý je stabilnejší.Na obrázku nižšie je znázornená základná štruktúra EDFA.
1.1 Základná štruktúra EDFA
Laserová dióda pumpy normálne produkuje optický signál s vlnovou dĺžkou (buď pri 980 nm alebo 1480 nm) pri vysokom výkone (~ 10–200 mW).Tento signál je prepojený so svetelným vstupným signálom v erbiom dopovanej časti kremičitého vlákna cez WDM spojku.Ióny erbia absorbujú túto energiu signálu pumpy a preskočia do svojho excitovaného stavu.Časť výstupného svetelného signálu je odoberaná a privádzaná späť na vstup čerpacieho lasera cez optický filter a detektor.Toto slúži ako mechanizmus spätnej väzby výkonu, aby sa EDFA stali samoregulačnými zosilňovačmi.Keď sú všetky metastabilné elektróny spotrebované, nedochádza k žiadnemu ďalšiemu zosilneniu.Preto sa systém automaticky stabilizuje, pretože výstupný optický výkon EDFA zostáva takmer konštantný bez ohľadu na kolísanie vstupného výkonu, ak nejaké existuje.
1.2 Zjednodušená funkčná schéma EDFA
Vyššie uvedený obrázok ukazuje zjednodušenú funkčnú schému EDFA, v ktorej je signál pumpy z lasera pridaný k vstupnému optickému signálu (pri 1480 nm alebo 980 nm) cez WDM spojku.
Tento diagram ukazuje veľmi základný zosilňovač EDF.Vlnová dĺžka signálu pumpy (s výkonom pumpy asi 50 mW) je 1480 nm alebo 980 nm.Časť tohto signálu pumpy sa prenáša na vstupný optický signál stimulovanou emisiou v krátkej dĺžke vlákna dopovaného erbiom.Má typický optický zisk približne 5–15 dB a šumové číslo menej ako 10 dB.Pre prevádzku 1550 nm je možné získať optický zisk 30–40 dB.
1.3 Praktická realizácia EDFA
Vyššie uvedený obrázok znázorňuje zjednodušenú prevádzku EDFA s jeho praktickou štruktúrou pri použití v aplikácii WDM.
Ako je znázornené, zahŕňa tieto hlavné časti:
-
Izolátor na vstupe.To zabraňuje šíreniu šumu generovaného EDFA smerom ku koncu vysielača.
-
Spojka WDM.Kombinuje nízkovýkonový optický vstupný dátový signál 1550 nm s vysokovýkonným čerpacím optickým signálom (zo zdroja pumpy, ako je laser) pri vlnovej dĺžke 980 nm.
-
Malá časť kremičitého vlákna dopovaného erbiom.V skutočnosti to slúži ako aktívne médium EDFA.
-
Izolátor na výstupe.Pomáha zabrániť tomu, aby akýkoľvek spätne odrazený optický signál vstúpil do vlákna oxidu kremičitého dopovaného erbiom.
Konečným výstupným signálom je zosilnený optický dátový signál s vlnovou dĺžkou 1550 nm so zvyškovým signálom pumpy s vlnovou dĺžkou 980 nm.
Typy zosilňovačov vlákien dopovaných erbiom (EDFA)
Existujú dva typy štruktúr zosilňovačov vlákien dopovaných erbiom (EDFA):
-
EDFA so spoločným rozmnožovacím čerpadlom
-
EDFA s protibežným čerpadlom
Na obrázku nižšie je znázornené usporiadanie čerpadla s opačným šírením a obojsmerného čerpadla, ktoré možno použiť v štruktúrach EDFA.
Rôzne usporiadanie čerpadiel
Spoločne šíriace sa čerpadlo EDFA sa vyznačuje nižším výstupným optickým výkonom a nízkou hlučnosťou;zatiaľ čo protismerná pumpa EDFA poskytuje vyšší výstupný optický výkon, ale produkuje aj väčší šum.V typickom komerčnom EDFA sa používa obojsmerné čerpadlo so súčasným spoločným a protismerným čerpaním, čo vedie k relatívne rovnomernému optickému zisku.
Aplikácia EDFA ako zosilňovač, in-line a predzosilňovač
Pri dlhodobej aplikácii komunikačného spojenia s optickým vláknom môžu byť EDFA použité ako zosilňovač zosilňovača na výstupe optického vysielača, in-line optický zosilňovač spolu s optickým vláknom, ako aj predzosilňovač tesne pred prijímač, ako je znázornené na obrázku vyššie.
Je možné poznamenať, že in-line EDFA sú umiestnené vo vzdialenosti 20 až 100 km od seba v závislosti od straty vlákna.Optický vstupný signál má vlnovú dĺžku 1,55 μm, zatiaľ čo pumpové lasery pracujú s vlnovou dĺžkou 1,48 μm alebo 980 nm.Typická dĺžka vlákna dopovaného erbiom je 10–50 m.
Amplifikačný mechanizmus v EDFA
Ako už bolo uvedené, amplifikačný mechanizmus v EDFA je založený na stimulovanej emisii podobnej ako v laseri.Vysoká energia zo signálu optickej pumpy (produkovaného iným laserom) excituje ióny erbia dopujúceho (Er3+) vo vlákne oxidu kremičitého v hornom energetickom stave.Vstupný optický dátový signál stimuluje prechod excitovaných iónov erbia do stavu nižšej energie a výsledkom je vyžarovanie fotónov s rovnakou energiou, tj s rovnakou vlnovou dĺžkou ako vstupný optický signál.
Diagram energetickej hladiny: Voľné ióny erbia vykazujú diskrétne úrovne energetického pásma.Keď sa ióny erbia dopujú do vlákna oxidu kremičitého, každá z ich energetických hladín sa rozdelí na množstvo úzko súvisiacich úrovní, aby sa vytvoril energetický pás.
1.4 Zosilňovací mechanizmus v EDFA
Na dosiahnutie inverzie populácie sa ióny Er3+ čerpajú na strednej úrovni 2. Pri nepriamej metóde (980 nm čerpanie) sa ióny Er3+ kontinuálne presúvajú z úrovne 1 na úroveň 3. Po ňom nasleduje neradiačný rozpad na úroveň 2, od kde klesnú na úroveň 1 a vyžarujú optické signály v požadovanej vlnovej dĺžke 1500–1600 nm.Toto je známe ako 3-úrovňový zosilňovací mechanizmus.
Viac produktov dopovaných erbiom nájdete na našej webovej stránke.
https://www.erbiumtechnology.com/erbium-laser-glasseye-safe-laser-glass/
E-mail:devin@erbiumtechnology.com
WhatsApp: +86-18113047438
Fax: +86-2887897578
Pridať: č.23, cesta Chaoyang, ulica Xihe, okres Longquanyi, Chengdu, 610107, Čína.
Čas aktualizácie: júl-05-2022
