Принцип и приложение наEDFA ербий-легиран оптичен усилвател
Основната структура наЕДФАЕрбиево-легиран оптичен усилвател, който се състои главно от активна среда (десетки метри дълго легирано кварцово влакно, диаметър на сърцевината 3-5 микрона, концентрация на легиране (25-1000)x10-6), източник на помпена светлина (990 или 1480nm LD), оптичен съединител и оптичен изолатор. Сигналната светлина и помпената светлина могат да се разпространяват в една и съща посока (ко-помпа), в противоположна посока (обратно напомпване) или в двете посоки (двупосочно напомпване) в ербиевото влакно. Когато сигналната светлина и помпената светлина се инжектират едновременно в ербиевото влакно, ербиевият йон се възбужда до високо енергийно ниво (тристепенна система) под действието на помпената светлина и скоро се разпада до метастабилно ниво. Когато се върне в основно състояние под действието на падащата сигнална светлина, фотонът, съответстващ на сигналната светлина, се излъчва, така че сигналът се усилва. Спектърът му на усилена спонтанна емисия (ASE) има голяма честотна лента (до 20-40 nm) и два пика, съответстващи съответно на 1530 nm и 1550 nm.
Основните предимства наEDFA усилвателса високо усилване, голяма честотна лента, висока изходна мощност, висока ефективност на изпомпване, ниски загуби при вмъкване и нечувствителност към състояния на поляризация.
Принципът на работа на усилвател с влакна, легиран с ербий
Ербиево-легиран оптичен усилвател（EDFA оптичен усилвател) се състои главно от влакно, легирано с ербий (с дължина около 10-30 м) и източник на помпена светлина. Принципът на работа е, че влакното, легирано с ербий, генерира стимулирано лъчение под действието на помпения източник на светлина (дължина на вълната 980 nm или 1480 nm), а излъчената светлина се променя с промяната на входния светлинен сигнал, което е еквивалентно на усилването на входния светлинен сигнал. Резултатите показват, че коефициентът на усилване на усилвателя с влакна, легиран с ербий, обикновено е 15-40 db, а разстоянието на реле може да се увеличи с повече от 100 км. Така че хората не могат да не се запитат: защо учените са се сетили да използват легиран ербий във влакнест усилвател, за да увеличат интензитета на светлинните вълни? Знаем, че ербийът е рядкоземен елемент и редкоземните елементи имат свои специални структурни характеристики. Легирането на редкоземни елементи в оптичните устройства се използва от дълго време за подобряване на производителността на оптичните устройства, така че това не е случаен фактор. Освен това, защо дължината на вълната на помпения светлинен източник е избрана на 980nm или 1480nm? Всъщност дължината на вълната на помпения светлинен източник може да бъде 520nm, 650nm, 980nm и 1480nm, но практиката е доказала, че дължината на вълната на помпения светлинен източник от 1480nm е с най-висока лазерна ефективност, следвана от дължината на вълната на помпения светлинен източник от 980nm.
Физическа структура
Основна структура на легиран с ербий оптичен усилвател (EDFA оптичен усилвател). На входа и изхода има изолатор, чиято цел е да се осигури еднопосочно предаване на оптичния сигнал. Възбудителят на помпата има дължина на вълната 980nm или 1480nm и се използва за осигуряване на енергия. Функцията на разклонителя е да свърже входния оптичен сигнал и помпената светлина към легираното с ербий оптично влакно и да прехвърли енергията на помпената светлина към входния оптичен сигнал чрез действието на легираното с ербий оптично влакно, за да се реализира енергийно усилване на входния оптичен сигнал. За да се получи по-висока изходна оптична мощност и по-нисък индекс на шум, използваният на практика легиран с ербий оптичен усилвател използва структура от два или повече помпени източника с изолатори в средата, за да се изолират взаимно. За да се получи по-широка и по-плоска крива на усилване, се добавя филтър за изравняване на усилването.
EDFA се състои от пет основни части: ербиево-легирано влакно (EDF), оптичен съединител (WDM), оптичен изолатор (ISO), оптичен филтър и захранване за помпено напрежение. Често използваните източници на помпено напрежение включват 980nm и 1480nm, като тези два източника на помпено напрежение имат по-висока ефективност на помпено напрежение и се използват по-често. Коефициентът на шум на източника на помпено напрежение 980nm е по-нисък; източникът на помпено напрежение 1480nm има по-висока ефективност на помпено напрежение и може да постигне по-голяма изходна мощност (около 3dB по-висока от източника на помпено напрежение 980nm).
предимство
1. Работната дължина на вълната е съвместима с минималния прозорец на затихване на едномодовото влакно.
2. Висока ефективност на свързване. Тъй като е оптичен усилвател, той е лесен за свързване с предаващото влакно.
3. Висока ефективност на преобразуване на енергия. Ядрото на EDF е по-малко от това на предавателното влакно, а сигналната светлина и помпената светлина се предават едновременно в EDF, така че оптичният капацитет е много концентриран. Това прави взаимодействието между светлината и усилващата среда Er йон много пълно, съчетано с подходяща дължина на ербий-легирано влакно, така че ефективността на преобразуване на светлинната енергия е висока.
4. Високо усилване, нисък индекс на шум, голяма изходна мощност, ниско ниво на преслушване между каналите.
5. Стабилни характеристики на усилване: EDFA не е чувствителен към температура и усилването има малка корелация с поляризацията.
6. Функцията за усилване е независима от системната битрейт и формата на данните.
недостатък
1. Нелинеен ефект: EDFA усилва оптичната мощност чрез увеличаване на оптичната мощност, инжектирана във влакното, но колкото по-голяма е, толкова по-добре. Когато оптичната мощност се увеличи до известна степен, ще се получи нелинеен ефект на оптичното влакно. Следователно, когато се използват усилватели с оптични влакна, трябва да се обърне внимание на стойността на контрола на входящата оптична мощност на едноканалното влакно.
2. Диапазонът на дължината на вълната на усилването е фиксиран: работният диапазон на дължината на вълната на C-лентата EDFA е 1530nm~1561nm; работният диапазон на дължината на вълната на L-лентата EDFA е 1565nm~1625nm.
3. Неравномерна честотна лента на усилване: Честотната лента на усилване на EDFA ербий-легирания оптичен усилвател е много широка, но спектърът на усилване на самия EDF не е плосък. За да се изравни усилването в WDM системата, трябва да се използва филтър за изравняване на усилването.
4. Проблем със светлинния пик: Когато светлинният път е нормален, ербиевите йони, възбудени от помпената светлина, се отнасят от сигналната светлина, като по този начин се завършва усилването на сигналната светлина. Ако входната светлина е отрязана, тъй като метастабилните ербиеви йони продължават да се натрупват, след като входната сигнална светлина се възстанови, енергията ще скочи, което ще доведе до светлинен пик.
5. Решението на оптичния пик е да се реализира функцията за автоматично намаляване на оптичната мощност (APR) или автоматично изключване на оптичната мощност (APSD) в EDFA, т.е. EDFA автоматично намалява мощността или автоматично изключва захранването, когато няма входна светлина, като по този начин потиска появата на феномена на пик.
Режим на приложение
1. Усилвателят на мощност се използва за усилване на мощността на сигнали с множество дължини на вълната след усилващата вълна и след това за тяхното предаване. Тъй като мощността на сигнала след усилващата вълна обикновено е голяма, индексът на шум и коефициентът на усилване на мощността не са много високи. Има относително голяма изходна мощност.
2. Линейният усилвател, след усилвателя на мощност, се използва за периодично компенсиране на загубите от линейно предаване, като обикновено изисква относително малък индекс на шум и голяма изходна оптична мощност.
3. Предусилвател: Преди разделителя и след линейния усилвател се използва за усилване на сигнала и подобряване на чувствителността на приемника (в случай че съотношението оптичен сигнал/шум (OSNR) отговаря на изискванията, по-голямата входна мощност може да потисне шума на самия приемник и да подобри чувствителността на приемане), а индексът на шум е много малък. Няма големи изисквания към изходната мощност.
Време на публикуване: 17 март 2025 г.