Принцип и применениеEDFA — волоконный усилитель, легированный эрбием
Базовая структураЭДФАУсилитель на основе легированного эрбием волокна состоит в основном из активной среды (легированное кварцевое волокно длиной в десятки метров, диаметр сердцевины 3-5 микрон, концентрация легирования (25-1000) × 10⁻⁶), источника накачки (лазерный диод 990 или 1480 нм), оптического соединителя и оптического изолятора. Сигнальный и накачивающий свет могут распространяться в одном направлении (совместная накачка), в противоположных направлениях (обратная накачка) или в обоих направлениях (двунаправленная накачка) в эрбиевом волокне. Когда сигнальный и накачивающий свет одновременно вводятся в эрбиевое волокно, ион эрбия под действием накачки возбуждается до высокоэнергетического уровня (трехуровневая система) и вскоре распадается до метастабильного уровня. При возвращении в основное состояние под действием падающего сигнального света испускается фотон, соответствующий сигнальному свету, что приводит к усилению сигнала. Его спектр усиленного спонтанного излучения (ASE) имеет широкую полосу пропускания (до 20-40 нм) и содержит два пика, соответствующие длинам волн 1530 нм и 1550 нм соответственно.
Основные преимуществаУсилитель EDFAОбладают высоким коэффициентом усиления, широкой полосой пропускания, высокой выходной мощностью, высокой эффективностью накачки, низкими вносимыми потерями и нечувствительностью к состояниям поляризации.
Принцип работы волоконного усилителя, легированного эрбием.
Волоконный усилитель, легированный эрбием (Оптический усилитель EDFAУсилитель на основе легированного эрбием волокна (длиной около 10-30 м) и источника накачки в основном состоит из легированного эрбием волокна (длиной около 10-30 м) и источника накачки. Принцип работы заключается в том, что легированное эрбием волокно генерирует стимулированное излучение под действием источника накачки (длина волны 980 нм или 1480 нм), и излучаемый свет изменяется в зависимости от изменения входного светового сигнала, что эквивалентно усилению входного светового сигнала. Результаты показывают, что коэффициент усиления усилителя на основе легированного эрбием волокна обычно составляет 15-40 дБ, а дальность передачи может быть увеличена более чем на 100 км. Поэтому невольно возникает вопрос: почему ученые решили использовать легированный эрбием волокнистый усилитель для увеличения интенсивности световых волн? Известно, что эрбий — это редкоземельный элемент, а редкоземельные элементы обладают особыми структурными характеристиками. Легирование редкоземельными элементами оптических устройств давно используется для улучшения характеристик оптических устройств, поэтому это не случайность. Кроме того, почему длина волны источника накачки выбрана равной 980 нм или 1480 нм? На самом деле, длина волны источника накачки может составлять 520 нм, 650 нм, 980 нм и 1480 нм, но практика показала, что лазерное излучение с длиной волны накачки 1480 нм обладает наибольшей эффективностью, за ним следует излучение с длиной волны накачки 980 нм.
Физическая структура
Базовая структура волоконного усилителя с легированием эрбием (EDFA-оптический усилитель). На входном и выходном концах имеется изолятор, предназначенный для односторонней передачи оптического сигнала. Возбудитель накачки имеет длину волны 980 нм или 1480 нм и используется для подачи энергии. Функция соединителя заключается в том, чтобы ввести входной оптический сигнал и свет накачки в легированное эрбием волокно и передать энергию света накачки во входной оптический сигнал посредством действия легированного эрбием волокна, тем самым осуществляя усиление энергии входного оптического сигнала. Для получения более высокой выходной оптической мощности и более низкого уровня шума в используемых на практике волоконных усилителях с легированием эрбием применяется структура из двух или более источников накачки с изоляторами посередине для взаимной изоляции. Для получения более широкой и плоской кривой усиления добавляется фильтр выравнивания усиления.
Усилитель на основе легированного эрбием волокна (EDFA) состоит из пяти основных частей: легированного эрбием волокна (EDF), оптического соединителя (WDM), оптического изолятора (ISO), оптического фильтра и источника накачки. Наиболее часто используемые источники накачки — это 980 нм и 1480 нм, которые обладают более высокой эффективностью накачки и используются чаще. Коэффициент шума источника накачки 980 нм ниже; источник накачки 1480 нм обладает более высокой эффективностью накачки и позволяет получить большую выходную мощность (примерно на 3 дБ выше, чем у источника накачки 980 нм).
преимущество
1. Рабочая длина волны соответствует минимальному диапазону затухания одномодового волокна.
2. Высокая эффективность связи. Поскольку это волоконный усилитель, он легко соединяется с передающим волокном.
3. Высокая эффективность преобразования энергии. Сердцевина волокна, легированного эрбием (EDF), меньше, чем у передающего волокна, и сигнальный и накачивающий свет передаются одновременно, поэтому оптическая емкость очень сконцентрирована. Это обеспечивает очень полное взаимодействие света с ионами Er в активной среде, а в сочетании с оптимальной длиной легированного эрбием волокна эффективность преобразования световой энергии высока.
4. Высокое усиление, низкий уровень шума, большая выходная мощность, низкий уровень перекрестных помех между каналами.
5. Стабильные характеристики усиления: EDFA не чувствителен к температуре, и 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 за счет увеличения мощности, подаваемой в волокно, причем чем больше, тем лучше. При увеличении оптической мощности до определенного уровня возникает нелинейный эффект в оптическом волокне. Поэтому при использовании волоконно-оптических усилителей следует уделять внимание величине управляемой мощности оптического сигнала, поступающего в одноканальное волокно.
2. Диапазон длин волн усиления фиксирован: рабочий диапазон длин волн C-диапазона EDFA составляет 1530–1561 нм; рабочий диапазон длин волн L-диапазона EDFA составляет 1565–1625 нм.
3. Неравномерная полоса пропускания усиления: полоса пропускания усиления эрбиевого волоконного усилителя EDFA очень широка, но спектр усиления самого волокна EDF не является плоским. Для выравнивания усиления в системе WDM необходимо использовать фильтр выравнивания усиления.
4. Проблема светового скачка: Когда световой путь нормальный, ионы эрбия, возбужденные накачивающим светом, уносятся сигнальным светом, завершая таким образом усиление сигнального света. Если входной свет прерывается, из-за продолжающегося накопления метастабильных ионов эрбия, после восстановления входного сигнала произойдет скачок энергии, что приведет к световому скачку.
5. Решение проблемы оптических скачков заключается в реализации функции автоматического снижения оптической мощности (APR) или автоматического отключения оптической мощности (APSD) в усилителях на основе легированных эрбием волокон (EDFA), то есть EDFA автоматически снижает мощность или автоматически отключает питание при отсутствии входного света, тем самым подавляя возникновение явления скачков.
Режим приложения
1. Усилитель-бустер используется для усиления мощности сигналов с несколькими длинами волн после бустерной волны и их последующей передачи. Поскольку мощность сигнала после бустерной волны обычно велика, уровень шума и коэффициент усиления усилителя мощности не очень высоки. Он обладает относительно большой выходной мощностью.
2. Линейный усилитель, расположенный после усилителя мощности, используется для периодической компенсации потерь при передаче по линии, обычно требуя относительно низкого уровня шума и большой выходной оптической мощности.
3. Предусилитель: Перед разветвителем и после линейного усилителя он используется для усиления сигнала и повышения чувствительности приемника (в случае, если отношение оптического сигнала к шуму (OSNR) соответствует требованиям, большая входная мощность может подавлять шум самого приемника и повышать чувствительность приема), при этом уровень шума очень мал. К выходной мощности особых требований нет.
Дата публикации: 17 марта 2025 г.