Принцип и применениеУсилитель на волокне EDFA, легированном эрбием
Базовая структураЭДФАУсилитель на волокне, легированном эрбием, который в основном состоит из активной среды (легированное кварцевое волокно длиной десятки метров, диаметр сердцевины 3-5 микрон, концентрация легирования (25-1000)x10-6), источника света накачки (лазерный диод с длиной волны 990 или 1480 нм), 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 сигнального света, испускается фотон, соответствующий сигнальному свету, так что сигнал усиливается. Его спектр усиленного спонтанного излучения (УСЭ) имеет большую ширину полосы пропускания (до 20–40 нм) и имеет два пика, соответствующих 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 накачки. Принцип работы заключается в том, что легированное эрбием волокно генерирует вынужденное излучение под действием накачиваемого источника света (длина волны 980 нм или 1480 нм), и излучаемый свет изменяется с изменением входного светового сигнала, что эквивалентно усилению входного светового сигнала. Результаты показывают, что коэффициент усиления усилителя, легированного эрбием, 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 додумались 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 накачки выбрана 980 или 1480 нм? Фактически, длина волны источника накачки может быть 520, 650, 980 и 1480 нм, но практика показала, что наибольшую эффективность лазера обеспечивает длина волны 1480 нм, а на втором месте — длина волны 980 нм.
Физическая структура
Базовая структура усилителя на эрбиевом волокне (оптический усилитель EDFA). На входе и выходе имеется изолятор, цель которого состоит в том, чтобы сделать оптический сигнал односторонним. Возбудитель накачки имеет длину волны 980 нм или 1480 нм и используется для подачи энергии. Функция ответвителя заключается в соединении входного оптического сигнала и света накачки в эрбиевое волокно и передаче энергии света накачки во входной оптический сигнал через эрбиевое волокно, чтобы реализовать усиление энергии входного оптического сигнала. Чтобы получить более высокую выходную оптическую мощность и более низкий индекс шума, усилитель на эрбиевом волокне, используемый на практике, принимает структуру из двух или более источников накачки с изоляторами в середине для изоляции друг друга. Чтобы получить более широкую и плоскую кривую усиления, добавляется фильтр, выравнивающий усиление.
EDFA состоит из пяти основных компонентов: эрбиевого волокна (EDF), оптического разветвителя (WDM), оптического изолятора (ISO), оптического фильтра и источника накачки. Обычно используются источники накачки с длиной волны 980 нм и 1480 нм, которые обладают более высокой эффективностью и применяются чаще. Коэффициент шума источника накачки с длиной волны 980 нм ниже; источник накачки с длиной волны 1480 нм имеет более высокую эффективность накачки и может обеспечивать большую выходную мощность (примерно на 3 дБ выше, чем источник накачки с длиной волны 980 нм).
преимущество
1. Рабочая длина волны соответствует минимальному диапазону 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, и сигнальный свет и свет накачки передаются в EDF одновременно, что обеспечивает высокую концентрацию оптической мощности. Это обеспечивает максимально полное взаимодействие света с активным ионами эрбия, а также оптимальную длину легированного эрбием волокна, что обеспечивает высокую эффективность преобразования световой энергии.
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 мощность, вводимую в волокно, но чем больше, тем лучше. При определённом увеличении оптической мощности проявляется нелинейный эффект оптического волокна. Поэтому при использовании волоконно-оптических усилителей следует уделять внимание контролю мощности входного оптического сигнала в одном канале.
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 усиления: полоса усиления усилителя EDFA на эрбиевом волокне очень широкая, но спектр усиления самого EDF неровный. Для выравнивания усиления в системе WDM необходимо использовать фильтр выравнивания усиления.
4. Проблема светового выброса: При нормальном пути света ионы эрбия, возбуждённые светом накачки, увлекаются сигнальным светом, завершая его усиление. Если входной свет прерывается, то, поскольку метастабильные ионы эрбия продолжают накапливаться, после восстановления входного светового выброса энергия резко возрастает, что приводит к световому выбросу.
5. Решением проблемы оптического выброса 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 выброса.
Режим приложения
1. Усилитель мощности (Booster Amplifier) используется для усиления мощности многоволновых сигналов после усилителя мощности и их последующей передачи. Поскольку мощность сигнала после усилителя мощности, как правило, велика, коэффициент шума и коэффициент усиления усилителя мощности невелики. Он обладает относительно высокой выходной мощностью.
2. Линейный усилитель, после усилителя мощности, используется для периодической компенсации потерь при передаче в линии, обычно требуя относительно небольшого индекса шума и большой выходной оптической мощности.
3. Предварительный усилитель: устанавливается перед разветвителем и после линейного усилителя для усиления сигнала и повышения чувствительности приёмника (при соответствующем оптическом отношении сигнал/шум (OSNR), большая входная мощность может подавить шум самого приёмника и повысить чувствительность приёма). Индекс шума очень мал. К выходной мощности высокие требования не предъявляются.
Время публикации: 17 марта 2025 г.