Принцип и применениеУсилитель на основе эрбиевого волокна EDFA
Основная структураЭДФАУсилитель на основе легированного эрбием волокна, который в основном состоит из активной среды (легированное кварцевое волокно длиной в десятки метров, диаметр сердцевины 3-5 микрон, концентрация легирования (25-1000)x10-6), источника света накачки (990 или 1480 нм LD), оптического соединителя и оптического изолятора. Сигнальный свет и свет накачки могут распространяться в одном направлении (совместная накачка), противоположном направлении (обратная накачка) или в обоих направлениях (двунаправленная накачка) в эрбиевом волокне. Когда сигнальный свет и свет накачки одновременно инжектируются в эрбиевое волокно, ион эрбия возбуждается до высокого энергетического уровня (трехуровневая система) под действием света накачки и вскоре распадается до метастабильного уровня. Когда он возвращается в основное состояние под действием падающего света сигнала, излучается фотон, соответствующий свету сигнала, так что сигнал усиливается. Его спектр усиленного спонтанного излучения (УСЭ) имеет большую ширину полосы пропускания (до 20–40 нм) и имеет два пика, соответствующие 1530 нм и 1550 нм соответственно.
Главные преимуществаусилитель EDFAявляются высокий коэффициент усиления, большая полоса пропускания, высокая выходная мощность, высокая эффективность накачки, низкие вносимые потери и нечувствительность к состояниям поляризации.
Принцип работы усилителя на эрбиевом волокне
Усилитель на волокне, легированном эрбием（Оптический усилитель EDFA） в основном состоит из легированного эрбием волокна (длиной около 10-30 м) и источника света накачки. Принцип работы заключается в том, что легированное эрбием волокно генерирует стимулированное излучение под действием накачиваемого источника света (длина волны 980 нм или 1480 нм), а излучаемый свет изменяется с изменением входного светового сигнала, что эквивалентно усилению входного светового сигнала. Результаты показывают, что усиление усилителя на основе легированного эрбием волокна обычно составляет 15-40 дБ, а расстояние передачи может быть увеличено более чем на 100 км. Поэтому люди не могут не задаться вопросом: почему ученые придумали использовать легированный эрбий в волоконном усилителе для увеличения интенсивности световых волн? Мы знаем, что эрбий является редкоземельным элементом, а редкоземельные элементы имеют свои особые структурные характеристики. Легирование редкоземельными элементами в оптических устройствах уже давно используется для улучшения характеристик оптических устройств, так что это не случайный фактор. Кроме того, почему длина волны источника света накачки выбрана 980 нм или 1480 нм? Фактически длина волны источника света накачки может быть 520 нм, 650 нм, 980 нм и 1480 нм, но практика показала, что длина волны источника света накачки 1480 нм является самой высокой эффективностью лазера, за ней следует длина волны источника света накачки 980 нм.
Физическая структура
Базовая структура усилителя на основе легированного эрбием волокна (оптический усилитель EDFA). На входном и выходном концах имеется изолятор, цель которого — сделать оптический сигнал односторонней передачей. Возбудитель накачки имеет длину волны 980 нм или 1480 нм и используется для подачи энергии. Функция соединителя заключается в соединении входного оптического сигнала и света накачки в легированное эрбием волокно и передаче энергии света накачки во входной оптический сигнал посредством действия легированного эрбием волокна, чтобы реализовать усиление энергии входного оптического сигнала. Чтобы получить более высокую выходную оптическую мощность и более низкий индекс шума, усилитель на основе легированного эрбием волокна, используемый на практике, принимает структуру двух или более источников накачки с изоляторами посередине для изоляции друг друга. Чтобы получить более широкую и плоскую кривую усиления, добавляется фильтр выравнивания усиления.
EDFA состоит из пяти основных частей: волокно, легированное эрбием (EDF), оптический соединитель (WDM), оптический изолятор (ISO), оптический фильтр и источник накачки. Обычно используемые источники накачки включают 980 нм и 1480 нм, и эти два источника накачки имеют более высокую эффективность накачки и используются чаще. Коэффициент шума источника света накачки 980 нм ниже; Источник света накачки 1480 нм имеет более высокую эффективность накачки и может получить большую выходную мощность (примерно на 3 дБ выше, чем источник света накачки 980 нм).
преимущество
1. Рабочая длина волны соответствует минимальному окну затухания одномодового волокна.
2. Высокая эффективность соединения. Поскольку это волоконный усилитель, его легко соединить с передающим волокном.
3. Высокая эффективность преобразования энергии. Сердцевина EDF меньше, чем у передающего волокна, а сигнальный свет и свет накачки передаются в EDF одновременно, поэтому оптическая емкость очень концентрирована. Это делает взаимодействие между светом и средой усиления ионом Er очень полным, в сочетании с соответствующей длиной легированного эрбием волокна, поэтому эффективность преобразования световой энергии высокая.
4. Высокий коэффициент усиления, низкий индекс шума, большая выходная мощность, низкие перекрестные помехи между каналами.
5. Стабильные характеристики усиления: EDFA нечувствителен к температуре, а усиление слабо коррелирует с поляризацией.
6. Функция усиления не зависит от скорости передачи данных и формата данных системы.
недостаток
1. Нелинейный эффект: EDFA усиливает оптическую мощность, увеличивая оптическую мощность, вводимую в волокно, но чем больше, тем лучше. Когда оптическая мощность увеличивается до определенной степени, будет получен нелинейный эффект оптического волокна. Поэтому при использовании оптоволоконных усилителей следует уделять внимание значению управления одноканальной входящей оптической мощностью волокна.
2. Диапазон длин волн усиления фиксирован: рабочий диапазон длин волн EDFA C-диапазона составляет 1530 нм ~ 1561 нм; рабочий диапазон длин волн EDFA L-диапазона составляет 1565 нм ~ 1625 нм.
3. Неравномерная полоса пропускания усиления: полоса пропускания усиления эрбиевого волоконного усилителя EDFA очень широка, но спектр усиления самого EDF не плоский. Для выравнивания усиления в системе WDM необходимо использовать фильтр выравнивания усиления.
4. Проблема светового выброса: Когда путь света нормальный, ионы эрбия, возбужденные светом накачки, уносятся сигнальным светом, тем самым завершая усиление сигнального света. Если входной свет усечен, поскольку метастабильные ионы эрбия продолжают накапливаться, как только входной сигнальный свет восстанавливается, энергия подпрыгнет, что приведет к световому выбросу.
5. Решением проблемы оптического скачка напряжения является реализация функции автоматического снижения оптической мощности (APR) или автоматического отключения оптической мощности (APSD) в EDFA, то есть EDFA автоматически снижает мощность или автоматически отключает питание при отсутствии входного света, тем самым подавляя возникновение явления скачка напряжения.
Режим приложения
1. Усилитель-бустер используется для усиления мощности сигналов с несколькими длинами волн после волны-бустера и последующей их передачи. Поскольку мощность сигнала после волны-бустера обычно велика, индекс шума и коэффициент усиления усилителя мощности не очень высоки. Имеет относительно большую выходную мощность.
2. Линейный усилитель, после усилителя мощности, используется для периодической компенсации потерь передачи в линии, обычно требуя относительно небольшого индекса шума и большой выходной оптической мощности.
3. Предварительный усилитель: Перед разветвителем и после линейного усилителя он используется для усиления сигнала и повышения чувствительности приемника (в случае, если оптическое отношение сигнал/шум (OSNR) соответствует требованиям, большая входная мощность может подавить шум самого приемника и повысить чувствительность приема), а индекс шума очень мал. Нет больших требований к выходной мощности.
Время публикации: 17-03-2025