Ербієві волоконні підсилювачі (EDFA)

Оптоволоконні підсилювачі, леговані ербієм (EDFA), використовують рідкоземельні елементи, такі як ербій (Er3+), як середовище підсилення.Він додається в серцевину волокна під час виробничого процесу.Він складається з короткого шматка волокна (зазвичай 10 м або близько того), виготовленого зі скла, до якого додається невелика контрольована кількість ербію як легуючої домішки у формі іона (Er3+).Таким чином, кремнеземне волокно діє як приймаюче середовище.Робочу довжину хвилі та смугу посилення визначають саме допанти (ербій), а не кремнеземне волокно.EDFA зазвичай працюють в діапазоні довжин хвиль 1550 нм і можуть запропонувати пропускну здатність понад 1 Тбіт/с.Таким чином, вони широко використовуються в системах WDM.

Для механізму посилення EDFA застосовний принцип вимушеного випромінювання.Коли допант (іон ербію) перебуває у високоенергетичному стані, падаючий фотон вхідного оптичного сигналу стимулюватиме його.Він віддає частину своєї енергії допанту та повертається до більш стабільного стану з меншою енергією («стимульоване випромінювання»).На малюнку нижче показано базову структуру EDFA.

1.1 Базова структура EDFA

Лазерний діод накачування зазвичай створює оптичний сигнал із довжиною хвилі (980 нм або 1480 нм) із високою потужністю (~ 10–200 мВт).Цей сигнал поєднується з вхідним світловим сигналом у легованій ербієм ділянці кремнеземного волокна через WDM-від’єднувач.Іони ербію поглинають енергію сигналу накачування та переходять у збуджений стан.Частина вихідного світлового сигналу відбирається і повертається на вхід лазера накачування через оптичний фільтр і детектор.Це служить механізмом керування потужністю зворотного зв’язку, щоб зробити EDFA саморегульованими підсилювачами.Коли всі метастабільні електрони споживаються, подальше посилення не відбувається.Таким чином, система стабілізується автоматично, оскільки вихідна оптична потужність EDFA залишається майже постійною, незалежно від коливань вхідної потужності, якщо такі є.

1.2 Спрощена функціональна схема EDFA

На наведеному вище малюнку показано спрощену функціональну схему EDFA, у якій сигнал накачування від лазера додається до вхідного оптичного сигналу (на 1480 нм або 980 нм) через пристрій зв’язку WDM.

На цій діаграмі показаний простий підсилювач EDF.Довжина хвилі сигналу накачки (при потужності накачки близько 50 мВт) становить 1480 нм або 980 нм.Деяка частина цього сигналу накачки передається у вхідний оптичний сигнал за допомогою вимушеного випромінювання на короткій довжині волокна, легованого ербієм.Він має типове оптичне посилення приблизно 5–15 дБ і коефіцієнт шуму менше 10 дБ.Для роботи з довжиною хвилі 1550 нм можна отримати оптичне посилення 30–40 дБ.

1.3 Практична реалізація EDFA

На наведеному вище малюнку зображено спрощену роботу EDFA з його практичною структурою при використанні в додатку WDM.

Як показано, він включає такі основні частини:

• Роз'єднувач на вході.Це запобігає поширенню шуму, створюваного EDFA, у бік передавача.

• Сполучник WDM.Він поєднує малопотужний оптичний вхідний сигнал даних 1550 нм із потужним оптичним сигналом накачування (від джерела накачування, такого як лазер) на довжині хвилі 980 нм.

• Невелика ділянка кремнеземного волокна, легованого ербієм.Фактично, це служить активним середовищем EDFA.

• Ізолятор на виході.Це допомагає запобігти потраплянню будь-якого зворотно відбитого оптичного сигналу на кремнеземне волокно, леговане ербієм.

Остаточним вихідним сигналом є посилений оптичний сигнал даних довжини хвилі 1550 нм із залишковим сигналом накачування довжиною хвилі 980 нм.

Типи легованих ербієм волоконних підсилювачів (EDFA)

Існує два типи структур легованих ербієм волоконних підсилювачів (EDFA):

• EDFA з насосом спільного поширення

• EDFA з насосом зустрічного поширення

На малюнку нижче показані насоси протипоширення та двонаправлені насоси, які можна використовувати в структурах EDFA.

Різне розташування насосів

Насос спільного поширення EDFA має меншу вихідну оптичну потужність із низьким рівнем шуму;в той час як насос зворотного поширення EDFA забезпечує вищу вихідну оптичну потужність, але також створює більший шум.У типовому комерційному EDFA використовується двонаправлений насос із одночасним накачуванням із одночасним і зустрічним поширенням, що призводить до відносно рівномірного оптичного посилення.

Застосування EDFA як бустера, вбудованого та попереднього підсилювача

У довгостроковому застосуванні волоконно-оптичної лінії зв’язку EDFA можна використовувати як додатковий підсилювач на виході оптичного передавача, вбудований оптичний підсилювач разом із оптичним волокном, а також як попередній підсилювач безпосередньо перед приймача, як показано на малюнку вище.

Можна зазначити, що вбудовані EDFA розміщуються на відстані 20–100 км один від одного в залежності від втрати волокна.Оптичний вхідний сигнал має довжину хвилі 1,55 мкм, тоді як лазери накачування працюють на довжині хвилі 1,48 мкм або 980 нм.Типова довжина волокна, легованого ербієм, становить 10–50 м.

Механізм ампліфікації в EDFA

Як було сказано раніше, механізм посилення в EDFA базується на стимульованому випромінюванні, подібному до такого в лазері.Висока енергія оптичного сигналу накачки (виробленого іншим лазером) збуджує легуючі іони ербію (Er3+) у кремнеземному волокні у верхньому енергетичному стані.Вхідний сигнал оптичних даних стимулює перехід збуджених іонів Ербію в нижчий енергетичний стан і призводить до випромінювання фотонів з тією ж енергією, тобто такою ж довжиною хвилі, що і вхідний оптичний сигнал.

Діаграма рівня енергії: Вільні іони Ербію демонструють дискретні рівні енергетичної зони.Коли іони ербію легують у кремнеземне волокно, кожен з їхніх енергетичних рівнів розпадається на кілька тісно пов’язаних рівнів, утворюючи енергетичну зону.

1.4 Механізм ампліфікації в EDFA

Для досягнення інверсії населеності іони Er3+ накачуються на проміжному рівні 2. У непрямому методі (980 нм накачування) іони Er3+ безперервно переміщуються з рівня 1 на рівень 3. Після цього відбувається безвипромінювальний розпад до рівня 2, від де вони падають до рівня 1, випромінюючи оптичні сигнали на потрібній довжині хвилі 1500–1600 нм.Це відоме як 3-рівневий механізм підсилення.

Більше продуктів, легованих ербієм, дивіться на нашому веб-сайті.

https://www.erbiumtechnology.com/erbium-laser-glasseye-safe-laser-glass/

Електронна пошта:devin@erbiumtechnology.com

WhatsApp: +86-18113047438

Факс: +86-2887897578

Додати: No.23, Chaoyang Road, Xihe street, Longquanyi distrcit, Chengdu, 610107, China.