Vláknové zesilovače dopované erbiem (EDFA) využívají jako zesilovací médium prvky vzácných zemin, jako je erbium (Er3+).Je dopován do jádra vlákna během výrobního procesu.Skládá se z krátkého kusu vlákna (typicky 10 m nebo tak) vyrobeného ze skla, do kterého je přidáno malé kontrolované množství erbia jako dopant ve formě iontu (Er3+).Vlákno oxidu křemičitého tedy působí jako hostitelské médium.Provozní vlnovou délku a šířku pásma zisku určují spíše příměsi (erbium) než křemičitá vlákna.EDFA obecně pracují v oblasti vlnových délek 1550 nm a mohou nabídnout kapacity přesahující 1 Tbps.Jsou tedy široce používány v systémech WDM.
Princip stimulované emise je použitelný pro amplifikační mechanismus EDFA.Když je dopant (iont erbia) ve vysokoenergetickém stavu, dopadající foton vstupního optického signálu jej bude stimulovat.Uvolňuje část své energie dopantu a vrací se do stavu s nižší energií („stimulovaná emise“), který je stabilnější.Níže uvedený obrázek ukazuje základní strukturu EDFA.
1.1 Základní struktura EDFA
Laserová dioda pumpy normálně produkuje optický signál o vlnové délce (buď 980 nm nebo 1480 nm) při vysokém výkonu (~ 10–200 mW).Tento signál je propojen se světelným vstupním signálem v erbiem dopované části křemičitého vlákna přes WDM vazební člen.Ionty erbia absorbují tuto energii signálu pumpy a přeskočí do svého excitovaného stavu.Část výstupního světelného signálu je odebírána a přiváděna zpět na vstup čerpacího laseru přes optický filtr a detektor.To slouží jako zpětnovazební mechanismus řízení výkonu, aby se EDFA staly samoregulačními zesilovači.Když jsou všechny metastabilní elektrony spotřebovány, nedochází k žádnému dalšímu zesilování.Proto se systém automaticky stabilizuje, protože výstupní optický výkon EDFA zůstává téměř konstantní bez ohledu na kolísání vstupního výkonu, pokud nějaké existuje.
1.2 Zjednodušené funkční schéma EDFA
Výše uvedený obrázek ukazuje zjednodušené funkční schéma EDFA, ve kterém je signál pumpy z laseru přidán ke vstupnímu optickému signálu (při 1480 nm nebo 980 nm) přes WDM vazební člen.
Toto schéma ukazuje velmi základní zesilovač EDF.Vlnová délka signálu pumpy (s výkonem pumpy asi 50 mW) je 1480 nm nebo 980 nm.Některá část tohoto signálu pumpy je přenesena do vstupního optického signálu stimulovanou emisí v krátké délce vlákna dotovaného erbiem.Má typický optický zisk asi 5–15 dB a šumové číslo méně než 10 dB.Pro provoz 1550 nm je možné získat optický zisk 30–40 dB.
1.3 Praktická realizace EDFA
Výše uvedený obrázek znázorňuje zjednodušené ovládání EDFA s jeho praktickou strukturou při použití v aplikaci WDM.
Jak je znázorněno, zahrnuje následující hlavní části:
-
Izolátor na vstupu.To zabraňuje šíření šumu generovaného EDFA směrem ke konci vysílače.
-
WDM spojka.Kombinuje nízkovýkonový optický vstupní datový signál 1550 nm s vysoce výkonným čerpacím optickým signálem (ze zdroje čerpadla, jako je laser) na vlnové délce 980 nm.
-
Malá část křemičitého vlákna dopovaného erbiem.Ve skutečnosti to slouží jako aktivní médium EDFA.
-
Izolátor na výstupu.Pomáhá zabránit tomu, aby jakýkoli zpětně odražený optický signál pronikl do erbiem dopovaného křemičitého vlákna.
Konečný výstupní signál je zesílený optický datový signál o vlnové délce 1550 nm se zbytkovým signálem pumpy o vlnové délce 980 nm.
Typy erbiem dopovaných vláknových zesilovačů (EDFA)
Existují dva typy struktur erbiem dopovaných vláknových zesilovačů (EDFA):
-
EDFA se souběžným čerpadlem
-
EDFA s protiběžným čerpadlem
Obrázek níže ukazuje protiběžné čerpadlo a obousměrné čerpadlové uspořádání, které lze použít ve strukturách EDFA.
Různé uspořádání čerpadel
Souběžně se rozšiřující čerpadlo EDFA se vyznačuje nižším výstupním optickým výkonem a nízkým šumem;zatímco protiproudové čerpadlo EDFA poskytuje vyšší výstupní optický výkon, ale také produkuje větší šum.V typickém komerčním EDFA se používá obousměrné čerpadlo se současným souběžným a protisměrným čerpáním, což vede k relativně jednotnému optickému zisku.
Aplikace EDFA jako booster, in-line a předzesilovač
V dlouhodobé aplikaci komunikačního spoje s optickým vláknem lze EDFA použít jako posilovací zesilovač na výstupu optického vysílače, řadový optický zesilovač spolu s optickým vláknem a také jako předzesilovač těsně před přijímač, jak je znázorněno na obrázku výše.
Lze poznamenat, že in-line EDFA jsou umístěny ve vzdálenosti 20–100 km od sebe v závislosti na ztrátě vlákna.Optický vstupní signál má vlnovou délku 1,55 μm, zatímco lasery pumpy pracují na vlnové délce 1,48 μm nebo 980 nm.Typická délka vlákna dopovaného erbiem je 10–50 m.
Amplifikační mechanismus v EDFA
Jak bylo uvedeno dříve, mechanismus amplifikace v EDFA je založen na stimulované emisi podobné té u laseru.Vysoká energie ze signálu optické pumpy (produkovaného jiným laserem) excituje dopující ionty erbia (Er3+) ve vláknu oxidu křemičitého v horním energetickém stavu.Vstupní optický datový signál stimuluje přechod excitovaných iontů erbia do nižšího energetického stavu a vede k vyzařování fotonů se stejnou energií, tj. stejnou vlnovou délkou jako má vstupní optický signál.
Diagram energetické hladiny: Volné ionty erbia vykazují diskrétní úrovně energetického pásma.Když jsou ionty erbia dopovány do vlákna oxidu křemičitého, každá z jejich energetických úrovní se rozdělí na řadu úzce souvisejících úrovní, aby vytvořily energetický pás.
1.4 Mechanismus amplifikace v EDFA
K dosažení inverze populace jsou ionty Er3+ čerpány na střední úrovni 2. V nepřímé metodě (980nm čerpání) jsou ionty Er3+ kontinuálně přesouvány z úrovně 1 do úrovně 3. Následuje neradiační rozpad na úroveň 2, od kde klesnou na úroveň 1 a vyzařují optické signály v požadované vlnové délce 1500–1600 nm.Toto je známé jako 3-úrovňový zesilovací mechanismus.
Další produkty dopované erbiem naleznete na našich webových stránkách.
https://www.erbiumtechnology.com/erbium-laser-glasseye-safe-laser-glass/
E-mailem:devin@erbiumtechnology.com
WhatsApp: +86-18113047438
Fax: +86-2887897578
Add: No.23, Chaoyang road, Xihe street, Longquanyi distrcit, Chengdu, 610107, China.
Čas aktualizace: Červenec-05-2022
