◆Charakterystyka i zastosowania wzmacniaczy-domieszkowanych światłowodami
Jakiśwzmacniacz optycznyto urządzenie, które może bezpośrednio wzmacniać słabe sygnały optyczne. Wzmacnia słabe padające światło w oparciu o zasadę emisji wymuszonej lub rozpraszania wymuszonego, a jego mechanizm jest dokładnie taki sam jak w przypadku lasera. W rzeczywistości wzmacniacz optyczny jest strukturalnie laserem z niewielkim sprzężeniem zwrotnym lub bez niego. Wzmocnienie optyczne osiąga się, gdy ośrodek optyczny ulega inwersji obsadzeń pod wpływem prądu pompy lub światła pompy, realizując w ten sposób wzmocnienie optyczne. W tej sekcji przedstawiono powszechnie używane typy wzmacniaczy optycznych i skupiono się na zasadach i zastosowaniach wzmacniaczy światłowodowych domieszkowanych erbem.
Klasyfikacja wzmacniaczy optycznych
Wzmacniacze optyczne można ogólnie podzielić na trzy typy w zależności od ich zasady działania
1
2
3
Tego typu wzmacniacze optyczne różnią się zasadą działania i sposobami wzbudzania.
Zasada działania wzmacniacza światłowodowego z obciążeniem
Struktura EDFA
Wzmacniacz światłowodowy domieszkowany erbem (EDFA) to urządzenie wykorzystujące włókno domieszkowane erbem-jako medium wzmacniające do wzmacniania światła sygnalizacyjnego za pomocą światła pompy emitowanego przez diodę laserową. Na rysunku pokazano strukturę wzmacniacza światłowodowego domieszkowanego erbem-.
Multiplekser z podziałem długości fali, znany również jako multiplekser, łączy światło pompy i światło sygnalizacyjne o długości fali 980/1550 nm lub 1480/1550 nm przed wprowadzeniem ich do włókna-domieszkowanego erbem. Wymaga niskiej tłumienności wtrąceniowej i niewrażliwości na polaryzację światła.
Izolator optyczny zapewnia jednokierunkową transmisję światła, zapobiegając jego odbiciu z powrotem do oryginalnego urządzenia, gdyż takie odbicie zwiększa szum wzmacniacza i zmniejsza skuteczność wzmocnienia.
Funkcją filtra optycznego jest odfiltrowywanie szumów spoza pasma roboczego wzmacniacza optycznego, poprawiając w ten sposób stosunek sygnału-do-szumu w systemie.
Włókno domieszkowane erbem-jest głównym składnikiem wzmacniacza EDFA (wzmacniacza-domieszkowanego elektrem). Wykorzystuje włókno krzemionkowe jako matrycę i wypełnia rdzeń jonami erbu, materiałem roboczym lasera na ciele stałym-. W promieniu kilku do kilkudziesięciu metrów włókna-domieszkowanego erbem światło oddziałuje z materią, ulega wzmocnieniu i wzmocnieniu.
Średnica pola modowego (MFD) włókna-domieszkowanego erbem wynosi 3–6 μm, czyli jest znacznie mniejsza niż średnica włókna konwencjonalnego (9–16 μm). Ma to na celu zwiększenie gęstości energii światła sygnalizacyjnego i światła pompy, poprawiając w ten sposób efektywność ich interakcji. Jednakże zmniejszona średnica rdzenia światłowodu domieszkowanego erbem- prowadzi również do niedopasowania pola modowego w porównaniu z konwencjonalnym włóknem, co skutkuje większym odbiciem i utratą połączenia. Rozwiązaniem jest domieszkowanie włókna niewielką ilością fluoru w celu obniżenia współczynnika załamania światła, zwiększając w ten sposób średnicę pola modowego, aby osiągnąć poziom dopasowania do włókna konwencjonalnego. Dodatkowo podczas spawania metodą termojądrową niedopasowanie średnicy pola modowego można zmniejszyć poprzez zastosowanie włókien przejściowych lub wydłużenie konwencjonalnego złącza światłowodowego w celu zmniejszenia średnicy rdzenia.
Aby osiągnąć bardziej wydajne wzmocnienie, podczas wytwarzania włókien domieszkowanych erbem- większość jonów koncentruje się w centralnym obszarze rdzenia włókna. Dzieje się tak dlatego, że w światłowodach pola świetlne sygnału i światła pompy można uznać za w przybliżeniu rozłożone gaussowskie, z największym natężeniem światła wzdłuż osi rdzenia światłowodu. Obecność jonów molibdenu w obszarze przyosiowym pozwala na większą interakcję między światłem a materią, poprawiając w ten sposób efektywność konwersji energii. W zależności od zastosowania wzmacniaczy światłowodowych domieszkowanych erbem (EDFA), do projektowania EDFA dostępne są różne typy włókien domieszkowanych erbem-. Na przykład typ EDF-PAX-01 jest używany do projektowania-wzmacniaczy i przedwzmacniaczy obwodowych, charakteryzujących się płaskim i szerokim pasmem wzmocnienia; typ EDF-LAX-01 może być stosowany we wzmacniaczach obwodowych, zapewniając wysoką wydajność konwersji mocy i niski poziom szumów; a typ EDF-BAX-01 zapewnia wysoką moc wyjściową itp.
Podstawowe parametry włókien-domieszkowanych erbem
| Parametr | EDF-PAX-01 | EDF-LAX-01 | EDF-BAX-01 | EDF-HCX-01 |
|---|---|---|---|---|
| Przysłona numeryczna (NA) | 0.24 ± 0.02 | 0.24 ± 0.02 | 0.22 ± 0.02 | 0.24 ± 0.02 |
| Odcięcie-długości fali (nm) | 953 ± 35 | 953 ± 35 | 920 ± 40 | 920 ± 40 |
| Szczytowa absorpcja rdzenia przy 1530 nm (dB/m) | Mniejsze lub równe 1529,5 | 1530.5 ± 0.5 | 1531 ± 0.5 | 1530 ± 1 |
| Szczytowe tłumienie przy 980 nm (dB/m) | 7 ± 2 | 7 ± 2 | 5 ± 2 | 8.5 ± 2 |
| Tłumienie przy 980 nm (dB/m) | 5 ± 1.5 | 5 ± 1.5 | 3.55 ± 1.5 | 8.5 ± 2 |
| Tłumienie tła @ 1200 nm (dB/km) | < 35 | < 15 | < 15 | < 15 |
| Moc nasycona @ 1530 nm (mW) | 0.17 | 0.15 | 0.18 | 0.20 |
| Tryb Średnica pola @ 1550 nm (μm) | 4.8 ~ 5.9 | 4.8 ~ 5.9 | 5.2 ~ 6.6 | 4.8 ~ 6 |
Źródło pompy to kolejny podstawowy element EDFA (elektro-domieszkowanego wzmacniacza światłowodowego). Zapewnia wystarczającą energię do wzmocnienia sygnału optycznego, co jest warunkiem niezbędnym do osiągnięcia inwersji obsadzeń cząstek aktywatora. Ponieważ źródło pompy bezpośrednio określa wydajność EDFA, wymagana jest wysoka moc wyjściowa, dobra stabilność i długa żywotność. Praktycznymi źródłami pomp EDFA są diody laserowe o długości fali pompy 980 nm i 1480 nm. Źródło pompy 980 nm jest częściej stosowane ze względu na jego zalety, takie jak niski poziom hałasu, wysoka wydajność pompy i moc do kilkuset miliwatów.
Światło pompy i sygnał wchodzą jednocześnie do światłowodu. Światło pompy jest najsilniejsze na wlocie włókna-domieszkowanego erbem. W miarę rozprzestrzeniania się wzdłuż światłowodu stopniowo przekazuje energię do światła sygnalizacyjnego, zwiększając siłę sygnału, podczas gdy jego siła stopniowo maleje.
Na poniższych rysunkach porównano moc wyjściową i charakterystykę hałasu przy różnych metodach pompowania. Rysunek a przedstawia zależność pomiędzy mocą wyjściowego sygnału optycznego i mocą optyczną pompy; Różnicowa sprawność konwersji trzech metod pompowania wynosi odpowiednio 61%, 76% i 77%. Rysunek b pokazuje zależność pomiędzy współczynnikiem szumów a wyjściową mocą optyczną wzmacniacza. Wraz ze wzrostem wyjściowej mocy optycznej liczba inwersji cząstek maleje, co powoduje wzrost współczynnika szumu. Rysunek c pokazuje zależność pomiędzy współczynnikiem szumów a długością włókna domieszkowanego erbem. Jak widać na rysunku, niezależnie od długości włókna domieszkowanego erbem, EDFA z metodą pompowania współ-kierunkowego charakteryzuje się najniższym poziomem hałasu.
