Pokročilé optické komponenty - Erbium-dopovaný vláknový zosilňovač (EDFA)
Mnoho aplikácií z optických vlákien, ako sú systémy DWDM na dlhé vzdialenosti, vyžadujú zosilnenie optického signálu. V minulosti to znamenalo použitie drahých elektronických zosilňovačov v stredných bodoch každých 100 km. Dnešné moderné diaľkové DWDM systémy používajú niekoľko pokročilých optických komponentov na nahradenie viacerých zosilňovačov jediným optickým zariadením. Tieto optické zariadenia, ktoré sa nazývajú optické zosilňovače, sú kedysi iba laboratórnymi kuriozitami, teraz vidia rozsiahle využitie pri nasadení v teréne. Jedným z najbežnejších optických zosilňovačov je vláknový zosilňovač dopovaný Erbiom (EDFA).
Vedci vyvinuli EDFA, aby nahradili početné elektronické zosilňovače menším počtom optických zosilňovačov, čím sa celkovo znížia náklady a zložitosť systému. EDFA tiež umožňujú jednoduché vylepšenia systému pridaním ďalších zdrojov k rôznym vlnovým dĺžkam a ich kombináciou na jediné vlákno pomocou DWDM multiplexora.
Vlákno použité v EDFA je dopované erbiom, prvkom vzácnych zemín, ktorý má vo svojej atómovej štruktúre príslušné energetické úrovne na zosilnenie svetla pri 1550 nm. 980 nm alebo 1480 nm „pumpa“ laser vstrekuje energiu do vlákna dopovaného erbiom. Keď slabý signál pri 1550 nm vstupuje do vlákna, svetlo stimuluje atómy erbu, aby uvoľňovali svoju uloženú energiu ako ďalšie svetlo 1550 nm. Tento proces pokračuje, keď signál prechádza vláknom a stáva sa silnejším a silnejším, až kým nedosiahne oblasť dopovanú erbiom.
Na nasledujúcom obrázku je dvojstupňový EDFA s prístupom v polovici stupňa, dôležitý prvok vysoko výkonných systémov optických vlákien. V tomto prípade sú dve jednoduché jednostupňové EDFA zabalené spolu. Užívateľ dostane výstup prvej fázy EDFA a vstup druhej fázy EDFA. Tieto systémy často vyžadujú pravidelné používanie ďalších prvkov, ako je vlákno kompenzujúce disperziu (DCF), aby sa znížila celková disperzia. Vysoká strata vloženia 10 dB alebo viac spôsobuje DCF problematické. Umiestnenie DCF do stredného prístupového bodu dvojstupňového EDFA znižuje škodlivé účinky na systém. Užívateľ si stále uvedomuje významný zisk prostredníctvom EDFA, a to aj s dodatočným kusom DCF s vysokou optickou stratou.
Na obrázku optický vstup najskôr prechádza optickým izolátorom č. 1, ktorý umožňuje priechod svetla zľava doprava. Ďalej svetlo prechádza cez WDM # 1. WDM # 1 poskytuje spôsob vstrekovania vlnovej dĺžky pumpy 980 nm do prvej dĺžky vlákna dopovaného erbiom. WDM # 1 tiež umožňuje spojiť optický vstupný signál do vlákna dopovaného erbiom s minimálnou optickou stratou.
Energia 980 nm pumpuje atómy erbia do pomaly sa rozpadajúceho vzrušeného stavu. Keď svetlo v pásme 1550 nm prechádza vláknom dotovaným erbiom, ktoré je zvyčajne desiatky metrov, spôsobuje stimulovanú emisiu žiarenia, podobne ako laser. Týmto spôsobom získa optický vstupný signál 1550 nm silu. Výstup z vlákna dopovaného erbiom potom prechádza optickým izolátorom # 2, ktorý je pre užívateľa k dispozícii. Obvykle sa prístupový bod v polovici stupňa pripája k nejakému zariadeniu na kompenzáciu disperzie. Svetlo potom prechádza izolátorom # 3 a WDM # 2. WDM # 2 spája energiu 1480 nm z druhého laserového čerpadla na druhý koniec druhej dĺžky vlákna dopovaného erbiom, čím sa zvyšuje zisk a výstupný výkon. Nakoniec svetlo prechádza izolátorom # 4.
EDFA sa vyhýbajú najaktívnejším zložkám, pretože fotóny zosilňujú signál. EDFA poskytuje vysoký výstupný výkon, vyžadujúci menej zosilňovačov v danom dizajne systému. Najzákladnejšie zosilňovače dizajnu EDFA sa osvetľujú v pomerne úzkom pásme: 12 nm. Pridanie filtrov vyrovnávania zisku môže zvýšiť pásmo na viac ako 25 nm. Ostatné exotické dotované vlákna zvyšujú amplifikačný pás na 40 nm alebo viac. Nezávislosť rýchlosti dát v EDFA navyše znamená, že aktualizácia systému si vyžaduje zmenu iba spúšťacích a prijímacích terminálov.
Vďaka spoľahlivému výkonu EDFA je tento systém užitočný v diaľkových komunikačných systémoch s optickými vláknami s vysokou rýchlosťou prenosu dát a v systémoch doručovania CATV. V aplikáciách CATV zosilňujú EDFA signál pred a po optickom rozbočovači, aby zosilnili rozdelený signál na prenos cez niekoľko vlákien. Podrobnosti o zosilňovačoch CATV nájdete tu. Pre optické zosilňovače vo všeobecnosti existujú štyri hlavné aplikácie: výkonový zosilňovač / zosilňovač, in-line zosilňovač, predzosilňovač alebo kompenzácia strát pre optické siete.
