Zaawansowane elementy optyczne - wzmacniacz światłowodowy z domieszką erbu (EDFA)
Wiele aplikacji światłowodowych, takich jak dalekobieżne systemy DWDM, wymaga wzmocnienia sygnału optycznego. W przeszłości wymagało to stosowania drogich repeaterów elektronicznych w punktach pośrednich co 100 km. Dzisiejsze nowoczesne systemy DWDM dalekiego zasięgu wykorzystują kilka zaawansowanych komponentów optycznych, aby zastąpić wiele repeaterów jednym urządzeniem optycznym. Te urządzenia optyczne zwane wzmacniaczami optycznymi, niegdyś ciekawostki laboratoryjne, obecnie znajdują szerokie zastosowanie w zastosowaniach terenowych. Jednym z najczęstszych wzmacniaczy optycznych jest wzmacniacz światłowodowy z domieszką erbu (EDFA).
Naukowcy opracowali EDFA, aby zastąpić wiele repeaterów elektronicznych mniejszą liczbą repeaterów optycznych, co ogólnie zmniejsza koszty i złożoność systemu. EDFA umożliwiają także proste uaktualnienia systemu poprzez dodanie dodatkowych źródeł do różnych długości fal i połączenie ich w jedno włókno za pomocą multipleksera DWDM.
Włókno zastosowane w EDFA jest domieszkowane erbem, pierwiastkiem ziem rzadkich, który ma odpowiedni poziom energii w swojej strukturze atomowej, aby wzmocnić światło przy 1550 nm. „Pompa” laserowa 980 nm lub 1480 nm wstrzykuje energię do włókna domieszkowanego erbem. Kiedy słaby sygnał przy 1550 nm wchodzi do włókna, światło stymuluje atomy erbu do uwolnienia ich zmagazynowanej energii jako dodatkowe światło 1550 nm. Proces ten trwa, gdy sygnał przechodzi przez światłowód, stając się coraz silniejszy, aż dotrze do obszaru z domieszką erbu.
Poniższy rysunek pokazuje dwustopniowy EDFA z dostępem pośrednim, ważnym elementem bardzo wydajnych systemów światłowodowych. W takim przypadku dwa proste jednoetapowe EDFA są pakowane razem. Użytkownik otrzymuje dane wyjściowe pierwszego stopnia EDFA i dane wejściowe drugiego stopnia EDFA. Systemy te często wymagają okresowego stosowania dodatkowych elementów, takich jak włókno kompensujące dyspersję (DCF), w celu zmniejszenia ogólnej dyspersji. Wysoka tłumienność wtrąceniowa wynosząca 10 dB lub więcej sprawia, że DCF stanowi problem. Umieszczenie DCF w środkowym punkcie dostępu dwustopniowego EDFA zmniejsza szkodliwe skutki dla systemu. Użytkownik wciąż osiąga znaczny zysk dzięki EDFA, nawet przy dodatkowym kawałku DCF o wysokiej stratności optycznej.
Na rysunku wejście optyczne najpierw przechodzi przez izolator optyczny # 1, który umożliwia przepływ światła od lewej do prawej. Następnie światło przechodzi przez WDM # 1. WDM # 1 zapewnia sposób wstrzykiwania długości fali pompy 980 nm do pierwszej długości włókna domieszkowanego erbem. WDM # 1 pozwala również na sprzężenie optycznego sygnału wejściowego z włóknem domieszkowanym erbem przy minimalnej stracie optycznej.
Energia 980 nm pompuje atomy erbu w powoli rozkładający się stan wzbudzony. Kiedy światło w paśmie 1550 nm przechodzi przez włókno domieszkowane erbem, które zwykle ma kilkadziesiąt metrów długości, powoduje stymulowaną emisję promieniowania, podobnie jak laser. W ten sposób optyczny sygnał wejściowy 1550 nm zyskuje na sile. Wyjście światłowodu domieszkowanego erbem przechodzi następnie przez izolator optyczny # 2, który staje się dostępny dla użytkownika. Zazwyczaj punkt dostępowy na środkowym etapie łączy się z pewnym urządzeniem kompensującym dyspersję. Następnie światło przechodzi przez izolator nr 3 i WDM nr 2. WDM # 2 sprzęga energię 1480 nm z drugiego lasera pompowego z drugim końcem drugiej długości włókna domieszkowanego erbem, zwiększając wzmocnienie i moc wyjściową. W końcu światło przechodzi przez izolator # 4.
EDFA unikają większości aktywnych składników, ponieważ fotony wzmacniają sygnał. EDFA zapewnia wysoką moc wyjściową, wymagając mniejszej liczby wzmacniaczy w danym projekcie systemu. Najbardziej podstawowe wzmacniacze projektowe EDFA świecą w dość wąskim paśmie: 12 nm. Dodanie filtrów wyrównywania wzmocnienia może zwiększyć pasmo do ponad 25 nm. Inne egzotyczne włókna domieszkowane zwiększają pasmo amplifikacji do 40 nm lub więcej. Ponadto niezależność szybkości transmisji danych w EDFA oznacza, że aktualizacja systemu wymaga zmiany tylko terminali uruchamiania i odbioru.
Niezawodna wydajność EDFA sprawia, że jest on użyteczny w dalekosiężnych systemach komunikacji światłowodowej o dużej przepustowości i systemach dostarczania CATV. W aplikacjach CATV EDFA wzmacniają sygnał przed i za rozdzielaczem optycznym w celu wzmocnienia podzielonego sygnału do transmisji przez kilka włókien. Zobacz szczegóły produktu wzmacniacza CATV tutaj. Zasadniczo istnieją cztery główne zastosowania wzmacniaczy optycznych: wzmacniacz mocy / wzmacniacz, wzmacniacz liniowy, przedwzmacniacz lub kompensacja strat dla sieci optycznych.
