EDFA erbio legiruoto pluošto stiprintuvo principas ir taikymas

Principas ir taikymasEDFA erbio legiruotas šviesolaidinis stiprintuvas

Pagrindinė struktūraEDFAErbio legiruotas šviesolaidžio stiprintuvas, kurį daugiausia sudaro aktyvioji terpė (kelių dešimčių metrų ilgio legiruotas kvarco pluoštas, kurio šerdies skersmuo 3–5 mikronai, legiravimo koncentracija (25–1000) x 10⁻⁶), kaupinimo šviesos šaltinis (990 arba 1480 nm LD), optinis jungiklis ir optinis izoliatorius. Signalinė šviesa ir kaupinimo šviesa erbio pluošte gali sklisti ta pačia kryptimi (bendras kaupinimas), priešinga kryptimi (atvirkštinis kaupinimas) arba abiem kryptimis (dvikryptis kaupinimas). Kai signalinė šviesa ir kaupinimo šviesa vienu metu įpurškiamos į erbio pluoštą, erbio jonas, veikiant kaupinimo šviesai, sužadinamas iki aukšto energijos lygio (trijų lygių sistema) ir netrukus sumažėjęs iki metastabilaus lygio. Kai, veikiant krintančiam signaliniam šviesai, jis grįžta į pagrindinę būseną, išspinduliuojamas signalinę šviesą atitinkantis fotonas, todėl signalas sustiprinamas. Jo sustiprintos savaiminės emisijos (ASE) spektras turi didelį dažnių juostos plotį (iki 20–40 nm) ir du pikus, atitinkančius atitinkamai 1530 nm ir 1550 nm.

Pagrindiniai privalumaiEDFA stiprintuvaspasižymi dideliu stiprinimu, dideliu pralaidumu, didele išėjimo galia, dideliu pumpavimo efektyvumu, mažais įterpties nuostoliais ir nejautrumu poliarizacijos būsenoms.

Erbio legiruoto pluošto stiprintuvo veikimo principas

Erbio legiruotas šviesolaidinis stiprintuvas (EDFA optinis stiprintuvas) daugiausia sudarytas iš erbiu legiruoto pluošto (apie 10–30 m ilgio) ir kaupinamo šviesos šaltinio. Veikimo principas yra tas, kad erbiu legiruotas pluoštas, veikiamas kaupinamo šviesos šaltinio (bangos ilgis 980 nm arba 1480 nm), generuoja stimuliuojamą spinduliuotę, o spinduliuojama šviesa kinta kartu su įėjimo šviesos signalo pasikeitimu, tai atitinka įėjimo šviesos signalo stiprinimą. Rezultatai rodo, kad erbiu legiruoto pluošto stiprintuvo stiprinimo koeficientas paprastai yra 15–40 dB, o perdavimo atstumas gali būti padidintas daugiau nei 100 km. Taigi, žmonės negali nepaklausti: kodėl mokslininkai sugalvojo naudoti legiruotą erbį pluošto stiprintuve, kad padidintų šviesos bangų intensyvumą? Žinome, kad erbis yra retųjų žemių elementas, o retųjų žemių elementai turi ypatingų struktūrinių savybių. Retųjų žemių elementų legiravimas optiniuose įrenginiuose jau seniai naudojamas siekiant pagerinti optinių įrenginių veikimą, todėl tai nėra atsitiktinis veiksnys. Be to, kodėl siurblio šviesos šaltinio bangos ilgis pasirinktas ties 980 nm arba 1480 nm? Iš tiesų, siurblio šviesos šaltinio bangos ilgis gali būti 520 nm, 650 nm, 980 nm ir 1480 nm, tačiau praktika įrodė, kad 1480 nm bangos ilgio siurblio šviesos šaltinio lazerio efektyvumas yra didžiausias, po to seka 980 nm bangos ilgio siurblio šviesos šaltinio lazerio efektyvumas.

Fizinė struktūra

Erbio legiruoto šviesolaidžio stiprintuvo (EDFA optinio stiprintuvo) pagrindinė struktūra. Įėjimo ir išėjimo galuose yra izoliatorius, kurio paskirtis – užtikrinti vienpusį optinio signalo perdavimą. Žadintuvo sužadinimo bangos ilgis yra 980 nm arba 1480 nm, ir jis naudojamas energijai tiekti. Jungiamojo elemento funkcija – sujungti įėjimo optinį signalą ir žadintuvo šviesą su erbio legiruotu šviesolaidžiu ir perduoti žadintuvo šviesos energiją į įėjimo optinį signalą per erbio legiruoto šviesolaidžio veikimą, kad būtų sustiprintas įėjimo optinis signalas. Siekiant gauti didesnę išėjimo optinę galią ir mažesnį triukšmo indeksą, praktikoje naudojamas erbio legiruotas šviesolaidžio stiprintuvas taiko dviejų ar daugiau žadintuvo šaltinių struktūrą su viduryje esančiais izoliatoriais, kad izoliuotų vienas kitą. Siekiant gauti platesnę ir plokštesnę stiprinimo kreivę, pridedamas stiprinimo išlyginimo filtras.

EDFA sudaro penkios pagrindinės dalys: erbio legiruotas šviesolaidis (EDF), optinis jungiklis (WDM), optinis izoliatorius (ISO), optinis filtras ir pumpavimo tiekimas. Dažniausiai naudojami pumpavimo šaltiniai yra 980 nm ir 1480 nm, ir šie du pumpavimo šaltiniai pasižymi didesniu pumpavimo efektyvumu ir yra dažniau naudojami. 980 nm pumpavimo šviesos šaltinio triukšmo koeficientas yra mažesnis; 1480 nm pumpavimo šviesos šaltinis pasižymi didesniu pumpavimo efektyvumu ir gali pasiekti didesnę išėjimo galią (maždaug 3 dB didesnę nei 980 nm pumpavimo šviesos šaltinis).

pranašumas

1. Darbinis bangos ilgis atitinka minimalų vienmodžio pluošto slopinimo langą.

2. Didelis sujungimo efektyvumas. Kadangi tai yra šviesolaidinis stiprintuvas, jį lengva sujungti su perdavimo šviesolaidžiu.

3. Didelis energijos konversijos efektyvumas. EDF šerdis yra mažesnė nei perdavimo šviesolaidžio, todėl signalinė ir kaupinimo šviesa EDF perduodamos vienu metu, todėl optinė talpa yra labai koncentruota. Dėl to šviesos ir stiprinimo terpės Er jonų sąveika yra labai išsami, o tinkamas erbio legiruoto pluošto ilgis užtikrina didelį šviesos energijos konversijos efektyvumą.

4. Didelis stiprinimas, mažas triukšmo indeksas, didelė išėjimo galia, mažas pertrūkis tarp kanalų.

5. Stabilaus stiprinimo charakteristikos: EDFA nėra jautrus temperatūrai, o stiprinimas mažai koreliuoja su poliarizacija.

6. Stiprinimo funkcija nepriklauso nuo sistemos bitų spartos ir duomenų formato.

trūkumas

1. Netiesinis efektas: EDFA sustiprina optinę galią padidindamas į šviesolaidį įleidžiamą optinę galią, tačiau kuo didesnė, tuo geriau. Kai optinė galia tam tikru mastu padidėja, atsiranda netiesinis optinio pluošto efektas. Todėl naudojant optinio pluošto stiprintuvus reikia atkreipti dėmesį į vieno kanalo įeinančios šviesolaidinės optinės galios valdymo vertę.

2. Stiprinimo bangos ilgių diapazonas yra fiksuotas: C juostos EDFA darbinio bangos ilgio diapazonas yra 1530 nm ~ 1561 nm; L juostos EDFA darbinio bangos ilgio diapazonas yra 1565 nm ~ 1625 nm.

3. Netolygus stiprinimo dažnių juostos plotis: EDFA erbio legiruoto šviesolaidinio stiprintuvo stiprinimo dažnių juostos plotis yra labai platus, tačiau paties EDF stiprinimo spektras nėra plokščias. WDM sistemoje stiprinimui išlyginti reikia naudoti stiprinimo išlyginimo filtrą.

4. Šviesos šuolio problema: Kai šviesos kelias normalus, siurblio šviesos sužadinti erbio jonai yra nunešami signalinės šviesos, taip užbaigiant signalinės šviesos sustiprinimą. Jei įvesties šviesa yra sutrumpinta, nes metastabilūs erbio jonai toliau kaupiasi, kai signalinės šviesos įvestis atkuriama, energija šokteli, sukeldamas šviesos šuolį.

5. Optinio viršįtampio sprendimas – EDFA automatinio optinės galios mažinimo (APR) arba automatinio optinio maitinimo išjungimo (APSD) funkcijos realizavimas, tai yra, EDFA automatiškai sumažina galią arba automatiškai išjungia maitinimą, kai nėra įėjimo šviesos, taip slopindama viršįtampio reiškinį.

Taikymo režimas

1. Stiprintuvas naudojamas sustiprinti kelių bangų ilgių signalų galią po stiprinimo bangos ir tada juos perduoti. Kadangi signalo galia po stiprinimo bangos paprastai yra didelė, galios stiprintuvo triukšmo indeksas ir stiprinimo koeficientas nėra labai dideli. Jis turi santykinai didelę išėjimo galią.

2. Linijinis stiprintuvas, jungiamas po galios stiprintuvo, naudojamas periodiškai kompensuoti linijinio perdavimo nuostolius, paprastai reikalaujant santykinai mažo triukšmo indekso ir didelės išėjimo optinės galios.

3. Išankstinis stiprintuvas: jis naudojamas prieš skirstytuvą ir po linijinio stiprintuvo signalui sustiprinti ir imtuvo jautrumui pagerinti (jei optinis signalo ir triukšmo santykis (OSNR) atitinka reikalavimus, didesnė įėjimo galia gali slopinti paties imtuvo triukšmą ir pagerinti priėmimo jautrumą), o triukšmo indeksas yra labai mažas. Išėjimo galiai nėra didelių reikalavimų.