Principio e applicazione dell'amplificatore a fibra drogata con erbio EDFA

Principio e applicazione diAmplificatore a fibra drogata con erbio EDFA

La struttura di base diEDFAAmplificatore a fibra drogata con erbio, composto principalmente da un mezzo attivo (decine di metri di fibra di quarzo drogata, diametro del nucleo 3-5 micron, concentrazione di drogaggio (25-1000)x10-6), una sorgente di luce di pompaggio (LD a 990 o 1480 nm), un accoppiatore ottico e un isolatore ottico. La luce di segnale e la luce di pompaggio possono propagarsi nella fibra di erbio nella stessa direzione (pompaggio simultaneo), in direzioni opposte (pompaggio inverso) o in entrambe le direzioni (pompaggio bidirezionale). Quando la luce di segnale e la luce di pompaggio vengono iniettate contemporaneamente nella fibra di erbio, lo ione di erbio viene eccitato a un livello energetico superiore (sistema a tre livelli) sotto l'azione della luce di pompaggio e decade rapidamente a un livello metastabile. Quando ritorna allo stato fondamentale sotto l'azione della luce di segnale incidente, viene emesso il fotone corrispondente alla luce di segnale, in modo che il segnale venga amplificato. Il suo spettro di emissione spontanea amplificata (ASE) ha un'ampia larghezza di banda (fino a 20-40 nm) e presenta due picchi corrispondenti rispettivamente a 1530 nm e 1550 nm.

I principali vantaggi diAmplificatore EDFApresentano elevato guadagno, ampia larghezza di banda, elevata potenza di uscita, elevata efficienza di pompaggio, bassa perdita di inserzione e insensibilità agli stati di polarizzazione.

Principio di funzionamento dell'amplificatore a fibra drogata con erbio

L'amplificatore a fibra drogata con erbio (Amplificatore ottico EDFAÈ composto principalmente da una fibra drogata con erbio (lunga circa 10-30 m) e da una sorgente luminosa di pompaggio. Il principio di funzionamento è che la fibra drogata con erbio genera radiazione stimolata sotto l'azione della sorgente luminosa di pompaggio (lunghezza d'onda 980 nm o 1480 nm), e la luce irradiata varia con la variazione del segnale luminoso in ingresso, il che equivale ad amplificare il segnale luminoso in ingresso. I risultati mostrano che il guadagno dell'amplificatore a fibra drogata con erbio è solitamente di 15-40 dB e la distanza di ritrasmissione può essere aumentata di oltre 100 km. Quindi, viene spontaneo chiedersi: perché gli scienziati hanno pensato di utilizzare l'erbio drogato in un amplificatore a fibra per aumentare l'intensità delle onde luminose? Sappiamo che l'erbio è un elemento delle terre rare e gli elementi delle terre rare hanno caratteristiche strutturali particolari. Il drogaggio con elementi delle terre rare nei dispositivi ottici è stato utilizzato a lungo per migliorarne le prestazioni, quindi non si tratta di un fattore casuale. Inoltre, perché la lunghezza d'onda della sorgente luminosa di pompaggio è stata scelta a 980 nm o 1480 nm? In realtà, la lunghezza d'onda della sorgente luminosa di pompaggio potrebbe essere 520 nm, 650 nm, 980 nm e 1480 nm, ma l'esperienza ha dimostrato che la lunghezza d'onda di 1480 nm è quella con la maggiore efficienza laser, seguita da quella di 980 nm.

Struttura fisica

Struttura di base di un amplificatore a fibra drogata con erbio (amplificatore ottico EDFA). All'ingresso e all'uscita è presente un isolatore, il cui scopo è quello di garantire la trasmissione unidirezionale del segnale ottico. L'eccitatore di pompaggio ha una lunghezza d'onda di 980 nm o 1480 nm e viene utilizzato per fornire energia. La funzione dell'accoppiatore è quella di accoppiare il segnale ottico in ingresso e la luce di pompaggio nella fibra drogata con erbio, trasferendo l'energia della luce di pompaggio al segnale ottico in ingresso attraverso l'azione della fibra stessa, in modo da realizzare l'amplificazione energetica del segnale ottico in ingresso. Per ottenere una maggiore potenza ottica in uscita e un minore indice di rumore, gli amplificatori a fibra drogata con erbio utilizzati nella pratica adottano una struttura con due o più sorgenti di pompaggio con isolatori interposti per isolarle reciprocamente. Per ottenere una curva di guadagno più ampia e piatta, viene aggiunto un filtro di appiattimento del guadagno.

L'EDFA è costituito da cinque parti principali: fibra drogata con erbio (EDF), accoppiatore ottico (WDM), isolatore ottico (ISO), filtro ottico e alimentatore di pompaggio. Le sorgenti di pompaggio comunemente utilizzate includono 980 nm e 1480 nm; queste due sorgenti di pompaggio presentano un'efficienza di pompaggio maggiore e sono quindi più utilizzate. Il coefficiente di rumore della sorgente luminosa di pompaggio a 980 nm è inferiore; la sorgente luminosa di pompaggio a 1480 nm ha un'efficienza di pompaggio maggiore e può ottenere una potenza di uscita maggiore (circa 3 dB superiore rispetto alla sorgente luminosa di pompaggio a 980 nm).

vantaggio

1. La lunghezza d'onda operativa è compatibile con la finestra di attenuazione minima della fibra monomodale.

2. Elevata efficienza di accoppiamento. Essendo un amplificatore a fibra, si accoppia facilmente con la fibra di trasmissione.

3. Elevata efficienza di conversione energetica. Il nucleo della fibra drogata con erbio (EDF) è più piccolo di quello della fibra di trasmissione e la luce di segnale e la luce di pompaggio vengono trasmesse simultaneamente nella fibra EDF, quindi la capacità ottica è molto concentrata. Ciò rende l'interazione tra la luce e il mezzo di guadagno, gli ioni di erbio, molto completa, e, unitamente alla lunghezza appropriata della fibra drogata con erbio, l'efficienza di conversione dell'energia luminosa è elevata.

4. Guadagno elevato, basso indice di rumore, elevata potenza di uscita, bassa diafonia tra i canali.

5. Caratteristiche di guadagno stabili: l'EDFA non è sensibile alla temperatura e il guadagno ha una scarsa correlazione con la polarizzazione.

6. La funzione di guadagno è indipendente dalla velocità di trasmissione del sistema e dal formato dei dati.

carenza

1. Effetto non lineare: l'EDFA amplifica la potenza ottica aumentando la potenza ottica iniettata nella fibra, ma maggiore è, meglio è. Quando la potenza ottica viene aumentata oltre un certo limite, si produce l'effetto non lineare della fibra ottica. Pertanto, quando si utilizzano amplificatori a fibra ottica, è necessario prestare attenzione al valore di controllo della potenza ottica in ingresso nella fibra per singolo canale.

2. L'intervallo di lunghezze d'onda di guadagno è fisso: l'intervallo di lunghezze d'onda di lavoro dell'EDFA in banda C è 1530nm~1561nm; l'intervallo di lunghezze d'onda di lavoro dell'EDFA in banda L è 1565nm~1625nm.

3. Larghezza di banda di guadagno non uniforme: la larghezza di banda di guadagno dell'amplificatore a fibra drogata con erbio EDFA è molto ampia, ma lo spettro di guadagno della fibra drogata con erbio stessa non è piatto. È necessario adottare un filtro di appiattimento del guadagno per uniformare il guadagno nel sistema WDM.

4. Problema di picco di luce: Quando il percorso della luce è normale, gli ioni di erbio eccitati dalla luce di pompaggio vengono trasportati dalla luce di segnale, completando così l'amplificazione della luce di segnale. Se la luce in ingresso viene troncata, poiché gli ioni di erbio metastabili continuano ad accumularsi, una volta ripristinato l'ingresso della luce di segnale, l'energia subisce un salto, con conseguente picco di luce.

5. La soluzione al problema del picco di potenza ottica consiste nell'implementare la funzione di riduzione automatica della potenza ottica (APR) o di spegnimento automatico della potenza ottica (APSD) nell'EDFA, ovvero l'EDFA riduce automaticamente la potenza o spegne automaticamente l'alimentazione in assenza di luce in ingresso, sopprimendo così il verificarsi del fenomeno del picco.

Modalità di applicazione

1. L'amplificatore booster viene utilizzato per amplificare la potenza di segnali a più lunghezze d'onda dopo l'onda di amplificazione, e quindi trasmetterli. Poiché la potenza del segnale dopo l'onda di amplificazione è generalmente elevata, l'indice di rumore e il guadagno di un amplificatore di potenza non sono molto alti. Ha una potenza di uscita relativamente elevata.

2. L'amplificatore di linea, posto dopo l'amplificatore di potenza, viene utilizzato per compensare periodicamente la perdita di trasmissione della linea, richiedendo in genere un indice di rumore relativamente basso e un'elevata potenza ottica in uscita.

3. Preamplificatore: Prima dello splitter e dopo l'amplificatore di linea, viene utilizzato per amplificare il segnale e migliorare la sensibilità del ricevitore (nel caso in cui il rapporto segnale-rumore ottico (OSNR) soddisfi i requisiti, una maggiore potenza di ingresso può sopprimere il rumore del ricevitore stesso e migliorare la sensibilità di ricezione), e l'indice di rumore è molto basso. Non ci sono grandi requisiti sulla potenza di uscita.