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

Principio e applicazione diAmplificatore in fibra drogata con erbio EDFA

La struttura di base diEDFAAmplificatore in fibra drogata all'erbio, composto principalmente da un mezzo attivo (fibra di quarzo drogata lunga decine di metri, diametro del nucleo 3-5 micron, concentrazione di drogaggio (25-1000) x 10-6), sorgente luminosa di pompaggio (LD 990 o 1480 nm), accoppiatore ottico e isolatore ottico. La luce di segnalazione e la luce di pompaggio possono propagarsi nella stessa direzione (co-pompaggio), in direzione opposta (pompaggio inverso) o in entrambe le direzioni (pompaggio bidirezionale) nella fibra di erbio. Quando la luce di segnalazione e la luce di pompaggio vengono iniettate contemporaneamente nella fibra di erbio, lo ione di erbio viene eccitato al livello energetico più elevato (sistema a tre livelli) sotto l'azione della luce di pompaggio e decade rapidamente al livello metastabile. Quando ritorna allo stato fondamentale sotto l'azione della luce di segnalazione incidente, viene emesso il fotone corrispondente alla luce di segnalazione, amplificando così il segnale. 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 EDFAsono elevato guadagno, ampia larghezza di banda, elevata potenza di uscita, elevata efficienza di pompaggio, bassa perdita di inserzione e insensibilità agli stati di polarizzazione.

Il principio di funzionamento dell'amplificatore in fibra drogata con erbio

Amplificatore in fibra drogata con erbio (Amplificatore ottico EDFA） è 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 al variare del segnale luminoso in ingresso, il che equivale ad amplificare il segnale luminoso in ingresso. I risultati mostrano che il guadagno dell'amplificatore in fibra drogata con erbio è solitamente di 15-40 dB e la distanza di trasmissione può essere aumentata di oltre 100 km. Quindi, la gente non può fare a meno di chiedersi: perché gli scienziati hanno pensato di utilizzare l'erbio drogato in un amplificatore in fibra per aumentare l'intensità delle onde luminose? Sappiamo che l'erbio è un elemento delle terre rare e che le terre rare presentano caratteristiche strutturali particolari. Il drogaggio con 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 a pompa viene scelta tra 980 nm e 1480 nm? In effetti, la lunghezza d'onda della sorgente luminosa a pompa può essere di 520 nm, 650 nm, 980 nm e 1480 nm, ma la pratica ha dimostrato che la lunghezza d'onda della sorgente luminosa a pompa da 1480 nm è la più efficiente, seguita dalla lunghezza d'onda della sorgente luminosa a pompa da 980 nm.

Struttura fisica

Struttura di base dell'amplificatore in fibra drogata con erbio (amplificatore ottico EDFA). È presente un isolatore all'ingresso e all'uscita, il cui scopo è rendere la trasmissione del segnale ottico unidirezionale. 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 di ingresso e la luce di pompaggio nella fibra drogata con erbio e trasferire l'energia della luce di pompaggio al segnale ottico di ingresso attraverso l'azione della fibra drogata con erbio, in modo da ottenere l'amplificazione energetica del segnale ottico di ingresso. Per ottenere una maggiore potenza ottica di uscita e un indice di rumore inferiore, l'amplificatore in fibra drogata con erbio utilizzato nella pratica adotta la struttura di due o più sorgenti di pompaggio con isolatori al centro per isolarsi 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 all'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, e queste due sorgenti hanno una maggiore efficienza di pompaggio e sono 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 una maggiore efficienza di pompaggio e può ottenere una maggiore potenza di uscita (circa 3 dB in più rispetto alla sorgente luminosa di pompaggio a 980 nm).

vantaggio

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

2. Elevata efficienza di accoppiamento. Essendo un amplificatore in fibra, è facile da accoppiare alla fibra di trasmissione.

3. Elevata efficienza di conversione energetica. Il nucleo dell'EDF è più piccolo di quello della fibra di trasmissione e la luce del segnale e la luce di pompaggio vengono trasmesse simultaneamente nell'EDF, quindi la capacità ottica è molto concentrata. Ciò rende l'interazione tra la luce e il mezzo di guadagno, lo ione Er, molto completa, e, insieme 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 poca correlazione con la polarizzazione.

6. La funzione di guadagno è indipendente dal bit rate del sistema e dal formato dei dati.

difetto

1. Effetto non lineare: l'EDFA amplifica la potenza ottica aumentando la potenza ottica iniettata nella fibra, ma maggiore è il valore, migliore è. Aumentando la potenza ottica fino a un certo punto, si produce l'effetto non lineare della fibra ottica. Pertanto, quando si utilizzano amplificatori in fibra ottica, è necessario prestare attenzione al controllo della potenza ottica in ingresso a singolo canale.

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

3. Banda di guadagno non uniforme: la banda di guadagno dell'amplificatore in fibra drogata con erbio EDFA è molto ampia, ma lo spettro di guadagno dell'EDF stesso non è piatto. È necessario adottare un filtro di appiattimento del guadagno per appiattire il guadagno nel sistema WDM.

4. Problema di sovratensione luminosa: quando il percorso della luce è normale, gli ioni di erbio eccitati dalla luce di pompaggio vengono trasportati via 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 subirà un salto, con conseguente sovratensione luminosa.

5. La soluzione al problema del picco ottico è realizzare la funzione di riduzione automatica della potenza ottica (APR) o di spegnimento automatico della potenza ottica (APSD) in EDFA, ovvero EDFA riduce automaticamente la potenza o spegne automaticamente l'alimentazione quando non c'è luce in ingresso, eliminando 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 booster e quindi trasmetterli. Poiché la potenza del segnale dopo l'onda booster è generalmente elevata, l'indice di rumore e il guadagno di un amplificatore di potenza non sono molto elevati. Ha una potenza di uscita relativamente elevata.

2. L'amplificatore di linea, dopo l'amplificatore di potenza, viene utilizzato per compensare periodicamente la perdita di trasmissione della linea, richiedendo generalmente un indice di rumore relativamente piccolo 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, la maggiore potenza in ingresso può sopprimere il rumore del ricevitore stesso e migliorare la sensibilità di ricezione), con un indice di rumore molto basso. Non vi sono requisiti particolari per la potenza in uscita.