◆Charakteristika a aplikace vláknových-zesilovačů
Anoptický zesilovačje zařízení, které dokáže přímo zesílit slabé optické signály. Zesiluje slabé dopadající světlo na principu stimulované emise nebo stimulovaného rozptylu a jeho mechanismus je úplně stejný jako u laseru. Ve skutečnosti je konstrukčně optický zesilovač laser s malou nebo žádnou zpětnou vazbou. Optického zisku je dosaženo, když optické médium zažívá inverzi populace působením proudu pumpy nebo světla pumpy, čímž dochází k optickému zesílení. Tato část představuje běžně používané typy optických zesilovačů a zaměřuje se na principy a aplikace erbiem-dopovaných vláknových zesilovačů.
Klasifikace optických zesilovačů
Optické zesilovače lze obecně rozdělit do tří typů na základě jejich provozních principů
1
2
3
Tyto typy optických zesilovačů se liší principem činnosti a způsobem buzení.
Princip činnosti předřadného vláknového zesilovače
Struktura EDFA
Erbium-vláknový zesilovač (EDFA) je zařízení, které používá vlákno dopované erbiem-jako médium pro zesílení signálního světla pomocí světla pumpy vyzařovaného laserovou diodou. Struktura erbiem-dopovaného vláknového zesilovače je znázorněna na obrázku.
Multiplexer s vlnovou délkou, známý také jako multiplexer, kombinuje světlo pumpy a signální světlo o vlnových délkách 980/1550 nm nebo 1480/1550 nm, než je přivede do vlákna dopovaného erbiem-. Vyžaduje nízký vložný útlum a necitlivost na polarizaci světla.
Optický izolátor zajišťuje jednosměrný přenos světla a zabraňuje odrazu světla zpět k původnímu zařízení, protože takový odraz zvyšuje šum zesilovače a snižuje účinnost zesílení.
Funkcí optického filtru je odfiltrovat šum mimo provozní šířku pásma optického zesilovače, a tím zlepšit poměr signálu -k-šumu systému.
Vlákno dopované erbiem-je základní složkou EDFA (Electrium-Doped Amplifier). Jako matrici používá křemičité vlákno a dopuje jádro ionty erbia, což je pevný-laserový pracovní materiál. V několika metrech až desítkách metrů vlákna dopovaného erbiem- světlo interaguje s hmotou a je zesíleno a zesíleno.
Průměr modového pole (MFD) vlákna dopovaného erbiem-je 3–6 μm, mnohem menší než u konvenčního vlákna (9–16 μm). To má zvýšit hustotu energie signálního světla a světla čerpadla, čímž se zlepší jejich účinnost interakce. Zmenšený průměr jádra vlákna dopovaného erbiem- však také vede k nesouladu vidového pole s konvenčním vláknem, což má za následek větší odraz a ztrátu spojení. Řešením je dopovat vlákno malým množstvím fluoru pro snížení indexu lomu, čímž se zvětší průměr vidového pole, aby se dosáhlo úrovně shody s konvenčním vláknem. Navíc během fúzního spojování může být nesoulad průměru pole režimu snížen použitím přechodových vláken nebo prodloužením konvenčního konektoru vláken, aby se zmenšil průměr jádra.
Aby se dosáhlo účinnějšího zesílení, během výroby vláken dopovaných erbiem- je většina iontů koncentrována v centrální oblasti jádra vlákna. Je to proto, že v optických vláknech lze světelná pole signálního a čerpacího světla považovat za přibližně gaussovské rozložení s nejsilnější intenzitou světla podél osy jádra vlákna. Přítomnost molybdenových iontů v paraxiální oblasti umožňuje větší interakci mezi světlem a hmotou, čímž se zlepšuje účinnost přeměny energie. V závislosti na použití erbiem-dopovaných vláknových zesilovačů (EDFA) jsou pro návrh EDFA k dispozici různé typy erbiem-dopovaných vláken. Například typ EDF-PAX-01 se používá pro navrhování-obvodových zesilovačů a předzesilovačů, které vykazují plochou a širokou šířku pásma zesílení; typ EDF-LAX-01 lze použít v obvodových zesilovačích, které nabízejí vysokou účinnost přeměny výkonu a nízkou hlučnost; a typ EDF-BAX-01 poskytuje vysoký výstupní výkon atd.
Základní parametry erbiem-dopovaných vláken
| Parametr | EDF-PAX-01 | EDF-LAX-01 | EDF-BAX-01 | EDF-HCX-01 |
|---|---|---|---|---|
| Numerická apertura (NA) | 0.24 ± 0.02 | 0.24 ± 0.02 | 0.22 ± 0.02 | 0.24 ± 0.02 |
| Ořezová-vlnová délka (nm) | 953 ± 35 | 953 ± 35 | 920 ± 40 | 920 ± 40 |
| Špičková absorpce jádra @ 1530 nm (dB/m) | Menší nebo rovno 1529,5 | 1530.5 ± 0.5 | 1531 ± 0.5 | 1530 ± 1 |
| Špičkový útlum @ 980 nm (dB/m) | 7 ± 2 | 7 ± 2 | 5 ± 2 | 8.5 ± 2 |
| Útlum @ 980 nm (dB/m) | 5 ± 1.5 | 5 ± 1.5 | 3.55 ± 1.5 | 8.5 ± 2 |
| Ztráta pozadí @ 1200 nm (dB/km) | < 35 | < 15 | < 15 | < 15 |
| Nasycený výkon @ 1530 nm (mW) | 0.17 | 0.15 | 0.18 | 0.20 |
| Průměr pole režimu @ 1550 nm (μm) | 4.8 ~ 5.9 | 4.8 ~ 5.9 | 5.2 ~ 6.6 | 4.8 ~ 6 |
Zdroj čerpadla je další základní součástí EDFA (elektro-dopovaného optického zesilovače). Poskytuje dostatečnou energii pro zesílení optického signálu, což je nezbytná podmínka pro dosažení inverze populace částic aktivátoru. Protože zdroj čerpadla přímo určuje výkon EDFA, je vyžadován vysoký výstupní výkon, dobrá stabilita a dlouhá životnost. Praktické zdroje EDFA pumpy jsou všechny laserové diody s vlnovými délkami pumpy 980nm a 1480nm. 980nm čerpací zdroj se častěji používá kvůli jeho výhodám nízké hlučnosti, vysoké účinnosti čerpadla a výkonu až několik set miliwattů.
Světlo a signál pumpy vstupují do optického vlákna současně. Světlo čerpadla je nejsilnější na vstupu vlákna dopovaného erbiem-. Jak se šíří podél vlákna, postupně předává energii signálnímu světlu, zvyšuje sílu signálu, zatímco jeho vlastní síla postupně klesá.
Výstupní výkon a hlučnost při různých způsobech čerpání jsou porovnány na následujících obrázcích. Obrázek a ukazuje vztah mezi výkonem výstupního optického signálu a optickým výkonem čerpadla; rozdílová účinnost přeměny tří čerpacích metod je 61 %, 76 % a 77 %. Obrázek b ukazuje vztah mezi šumovým číslem a výstupním optickým výkonem zesilovače. S rostoucím výstupním optickým výkonem se snižuje počet inverzí částic, což má za následek zvýšení šumového čísla. Obrázek c ukazuje vztah mezi šumovým číslem a délkou vlákna dopovaného erbiem-. Jak je vidět z obrázku, bez ohledu na délku vlákna dopovaného erbiem- má EDFA s metodou ko{10}}směrného čerpání nejnižší hluk.
