◆Charakteristiky a aplikácie vláknových-dotovaných zosilňovačov
Anoptický zosilňovačje zariadenie, ktoré dokáže priamo zosilniť slabé optické signály. Zosilňuje slabé dopadajúce svetlo na princípe stimulovanej emisie alebo stimulovaného rozptylu a jeho mechanizmus je úplne rovnaký ako u lasera. V skutočnosti je štrukturálne optický zosilňovač laser s malou alebo žiadnou spätnou väzbou. Optický zisk sa dosiahne, keď optické médium zažije inverziu populácie pôsobením prúdu pumpy alebo svetla pumpy, čím sa realizuje optické zosilnenie. Táto časť predstavuje bežne používané typy optických zosilňovačov a zameriava sa na princípy a aplikácie erbiom-dopovaných vláknových zosilňovačov.
Klasifikácia optických zosilňovačov
Optické zosilňovače možno v zásade rozdeliť do troch typov na základe ich prevádzkových princípov
1
2
3
Tieto typy optických zosilňovačov sa líšia princípmi fungovania a metódami budenia.
Princíp činnosti zosilňovača so záťažovým vláknom
Štruktúra EDFA
Erbiovým-vláknovým zosilňovačom (EDFA) je zariadenie, ktoré využíva erbiom-dopované vlákno ako médium zosilnenia na zosilnenie signálneho svetla pomocou svetla pumpy vyžarovaného laserovou diódou. Štruktúra erbiového-vláknového zosilňovača je znázornená na obrázku.
Multiplexer s delením vlnových dĺžok, známy aj ako multiplexor, kombinuje svetlo pumpy a signálne svetlo s vlnovými dĺžkami 980/1550 nm alebo 1480/1550 nm pred ich privedením do vlákna dopovaného erbiom-. Vyžaduje nízky vložný úbytok a necitlivosť na polarizáciu svetla.
Optický izolátor zaisťuje jednosmerný prenos svetla, čím zabraňuje odrazu svetla späť do pôvodného zariadenia, pretože takýto odraz zvyšuje šum zosilňovača a znižuje účinnosť zosilnenia.
Funkciou optického filtra je odfiltrovať šum mimo prevádzkovej šírky pásma optického zosilňovača, čím sa zlepší pomer signálu -k{1}}šumu systému.
Erbiom-dopované vlákno je základnou zložkou EDFA (elektrického-dopovaného zosilňovača). Ako matricu používa kremičité vlákno a dopuje jadro iónmi erbia, čo je pevný-pracovný materiál lasera. V rámci niekoľkých metrov až desiatok metrov vlákna dopovaného erbiom- svetlo interaguje s hmotou a je zosilnené a zosilnené.
Priemer módového poľa (MFD) vlákna dopovaného erbiom-je 3–6 μm, čo je oveľa menej ako u konvenčného vlákna (9–16 μm). Toto má zvýšiť hustotu energie signálneho svetla a svetla pumpy, čím sa zlepší ich interakčná účinnosť. Zmenšený priemer jadra vlákna dopovaného erbiom- však tiež vedie k nesúladu poľa režimu s konvenčným vláknom, čo vedie k väčšiemu odrazu a strate spojenia. Riešením je dopovať vlákno malým množstvom fluóru na zníženie indexu lomu, čím sa zväčší priemer vidového poľa, aby sa dosiahla úroveň zhody s konvenčným vláknom. Okrem toho, počas spájania fúziou môže byť nesúlad priemeru poľa režimu znížený použitím prechodových vlákien alebo predĺžením konvenčného vláknového konektora, aby sa zmenšil priemer jadra.
Aby sa dosiahlo efektívnejšie zosilnenie, počas výroby erbiom-dopovaných vlákien sa väčšina iónov koncentruje v centrálnej oblasti jadra vlákna. Je to preto, že v optických vláknach možno svetelné polia signálneho a čerpacieho svetla považovať za približne gaussovsky rozložené, s najsilnejšou intenzitou svetla pozdĺž osi vlákna. Prítomnosť molybdénových iónov v paraxiálnej oblasti umožňuje väčšiu interakciu medzi svetlom a hmotou, čím sa zlepšuje účinnosť premeny energie. V závislosti od použitia erbiových-vláknových zosilňovačov (EDFA) sú pre návrh EDFA k dispozícii rôzne typy erbiom-dopovaných vlákien. Napríklad typ EDF-PAX-01 sa používa na navrhovanie-obvodových zosilňovačov a predzosilňovačov, ktoré vykazujú plochú a širokú šírku pásma zosilnenia; typ EDF-LAX-01 možno použiť v obvodových zosilňovačoch, ktoré ponúkajú vysokú účinnosť konverzie výkonu a nízky šum; a typ EDF-BAX-01 poskytuje vysoký výstupný výkon atď.
Základné parametre{0}}erbiom dopovaných vlákien
| Parameter | EDF-PAX-01 | EDF-LAX-01 | EDF-BAX-01 | EDF-HCX-01 |
|---|---|---|---|---|
| Numerická clona (NA) | 0.24 ± 0.02 | 0.24 ± 0.02 | 0.22 ± 0.02 | 0.24 ± 0.02 |
| Orezaná-vlnová dĺžka (nm) | 953 ± 35 | 953 ± 35 | 920 ± 40 | 920 ± 40 |
| Špičková absorpcia jadra @ 1530 nm (dB/m) | Menšie alebo rovné 1529,5 | 1530.5 ± 0.5 | 1531 ± 0.5 | 1530 ± 1 |
| Špičkový útlm pri 980 nm (dB/m) | 7 ± 2 | 7 ± 2 | 5 ± 2 | 8.5 ± 2 |
| Útlm pri 980 nm (dB/m) | 5 ± 1.5 | 5 ± 1.5 | 3.55 ± 1.5 | 8.5 ± 2 |
| Strata pozadia @ 1200 nm (dB/km) | < 35 | < 15 | < 15 | < 15 |
| Nasýtený výkon pri 1530 nm (mW) | 0.17 | 0.15 | 0.18 | 0.20 |
| Priemer poľa režimu @ 1550 nm (μm) | 4.8 ~ 5.9 | 4.8 ~ 5.9 | 5.2 ~ 6.6 | 4.8 ~ 6 |
Zdroj pumpy je ďalším základným komponentom EDFA (elektro{0}}dopovaného optického zosilňovača). Poskytuje dostatočnú energiu na zosilnenie optického signálu, čo je nevyhnutná podmienka na dosiahnutie inverzie populácie častíc aktivátora. Keďže zdroj čerpadla priamo určuje výkon EDFA, vyžaduje sa vysoký výstupný výkon, dobrá stabilita a dlhá životnosť. Praktické zdroje EDFA pumpy sú všetky laserové diódy s vlnovými dĺžkami pumpy 980nm a 1480nm. 980nm čerpací zdroj je bežnejšie používaný kvôli jeho výhodám nízkej hlučnosti, vysokej účinnosti čerpadla a výkonu až niekoľko stoviek miliwattov.
Svetlo pumpy a signál vstupujú do optického vlákna súčasne. Svetlo pumpy je najsilnejšie na vstupe vlákna dopovaného erbiom-. Ako sa šíri pozdĺž vlákna, postupne prenáša energiu do signálneho svetla, čím zvyšuje silu signálu, zatiaľ čo jeho vlastná sila postupne klesá.
Výstupný výkon a hlučnosť pri rôznych spôsoboch čerpania sú porovnané na nasledujúcich obrázkoch. Obrázok a znázorňuje vzťah medzi výkonom výstupného optického signálu a optickým výkonom čerpadla; rozdielna účinnosť konverzie troch spôsobov čerpania je 61 %, 76 % a 77 %. Obrázok b znázorňuje vzťah medzi šumovým číslom a výstupným optickým výkonom zosilňovača. Keď sa výstupný optický výkon zvyšuje, počet inverzií častíc klesá, čo vedie k zvýšeniu šumového čísla. Obrázok c znázorňuje vzťah medzi šumovým číslom a dĺžkou vlákna dopovaného erbiom-. Ako je možné vidieť na obrázku, bez ohľadu na dĺžku vlákna dopovaného erbiom- má EDFA s metódou ko{10}}smerného čerpania najnižší hluk.
