Αρχή και εφαρμογή του ενισχυτή οπτικών ινών με πρόσμιξη EDFA ερβίου

Αρχή και εφαρμογή τουΕνισχυτής οπτικών ινών με πρόσμιξη EDFA ερβίου

Η βασική δομή τουEDFAΕνισχυτής οπτικών ινών με πρόσμιξη ερβίου, ο οποίος αποτελείται κυρίως από ένα ενεργό μέσο (δεκάδες μέτρα μήκους ινών χαλαζία με πρόσμιξη, διάμετρο πυρήνα 3-5 μικρά, συγκέντρωση πρόσμιξης (25-1000)x10-6), πηγή φωτός αντλίας (990 ή 1480nm LD), οπτικό ζεύκτη και οπτικό μονωτή. Το φως σήματος και το φως αντλίας μπορούν να διαδοθούν προς την ίδια κατεύθυνση (συμπαραγωγή), αντίθετη κατεύθυνση (αντίστροφη άντληση) ή και στις δύο κατευθύνσεις (αμφίδρομη άντληση) στην ίνα ερβίου. Όταν το φως σήματος και το φως αντλίας εγχέονται ταυτόχρονα στην ίνα ερβίου, το ιόν ερβίου διεγείρεται σε υψηλό ενεργειακό επίπεδο (σύστημα τριών επιπέδων) υπό την επίδραση του φωτός αντλίας και σύντομα αποσυντίθεται στο μετασταθές επίπεδο. Όταν επιστρέφει στην θεμελιώδη κατάσταση υπό την επίδραση του προσπίπτοντος φωτός σήματος, εκπέμπεται το φωτόνιο που αντιστοιχεί στο φως σήματος, έτσι ώστε το σήμα να ενισχύεται. Το φάσμα ενισχυμένης αυθόρμητης εκπομπής (ASE) έχει μεγάλο εύρος ζώνης (έως 20-40nm) και έχει δύο κορυφές που αντιστοιχούν στα 1530nm και 1550nm αντίστοιχα.

Τα κύρια πλεονεκτήματα τουΕνισχυτής EDFAείναι υψηλό κέρδος, μεγάλο εύρος ζώνης, υψηλή ισχύς εξόδου, υψηλή απόδοση άντλησης, χαμηλή απώλεια εισαγωγής και μη ευαισθησία στις καταστάσεις πόλωσης.

Η αρχή λειτουργίας του ενισχυτή οπτικών ινών με πρόσμιξη ερβίου

Ο ενισχυτής οπτικών ινών με προσμίξεις έρβιουΟπτικός ενισχυτής EDFA) αποτελείται κυρίως από μια ίνα με προσμίξεις έρβιου (μήκους περίπου 10-30m) και μια πηγή φωτός αντλίας. Η αρχή λειτουργίας είναι ότι η ίνα με προσμίξεις έρβιου παράγει διεγερμένη ακτινοβολία υπό την επίδραση της πηγής φωτός που αντλείται (μήκος κύματος 980nm ή 1480nm) και το ακτινοβολούμενο φως αλλάζει με την αλλαγή του σήματος εισόδου φωτός, η οποία ισοδυναμεί με την ενίσχυση του σήματος εισόδου φωτός. Τα αποτελέσματα δείχνουν ότι το κέρδος του ενισχυτή ίνας με προσμίξεις έρβιου είναι συνήθως 15-40db και η απόσταση αναμετάδοσης μπορεί να αυξηθεί κατά περισσότερο από 100km. Έτσι, οι άνθρωποι δεν μπορούν παρά να ρωτήσουν: γιατί οι επιστήμονες σκέφτηκαν να χρησιμοποιήσουν προσμιξεις έρβιου σε ενισχυτή ίνας για να αυξήσουν την ένταση των φωτεινών κυμάτων; Γνωρίζουμε ότι το έρβιο είναι ένα στοιχείο σπάνιων γαιών και τα στοιχεία σπάνιων γαιών έχουν τα ιδιαίτερα δομικά τους χαρακτηριστικά. Η προσθήκη στοιχείων σπάνιων γαιών σε οπτικές συσκευές έχει χρησιμοποιηθεί για μεγάλο χρονικό διάστημα για τη βελτίωση της απόδοσης των οπτικών συσκευών, επομένως αυτός δεν είναι ένας τυχαίος παράγοντας. Επιπλέον, γιατί το μήκος κύματος της πηγής φωτός αντλίας επιλέγεται στα 980nm ή 1480nm; Στην πραγματικότητα, το μήκος κύματος της πηγής φωτός αντλίας μπορεί να είναι 520nm, 650nm, 980nm και 1480nm, αλλά η πρακτική έχει αποδείξει ότι το μήκος κύματος της πηγής φωτός αντλίας 1480nm είναι το υψηλότερο, ακολουθούμενο από το μήκος κύματος της πηγής φωτός αντλίας 980nm.

Φυσική δομή

Βασική δομή του ενισχυτή οπτικών ινών με προσμίξεις ερβίου (EDFA Optical Amplifier). Υπάρχει ένας απομονωτής στο άκρο εισόδου και στο άκρο εξόδου, ο σκοπός του οποίου είναι να κάνει το οπτικό σήμα μονόδρομη μετάδοση. Ο διεγέρτης αντλίας έχει μήκος κύματος 980nm ή 1480nm και χρησιμοποιείται για την παροχή ενέργειας. Η λειτουργία του ζεύκτη είναι να συνδέει το οπτικό σήμα εισόδου και το φως αντλίας στην ίνα με προσμίξεις ερβίου και να μεταφέρει την ενέργεια του φωτός αντλίας στο οπτικό σήμα εισόδου μέσω της δράσης της ίνας με προσμίξεις ερβίου, έτσι ώστε να επιτευχθεί η ενεργειακή ενίσχυση του οπτικού σήματος εισόδου. Προκειμένου να επιτευχθεί υψηλότερη οπτική ισχύς εξόδου και χαμηλότερος δείκτης θορύβου, ο ενισχυτής οπτικών ινών με προσμίξεις ερβίου που χρησιμοποιείται στην πράξη υιοθετεί τη δομή δύο ή περισσότερων πηγών αντλίας με απομονωτές στη μέση για να απομονώνονται μεταξύ τους. Προκειμένου να επιτευχθεί μια ευρύτερη και πιο επίπεδη καμπύλη κέρδους, προστίθεται ένα φίλτρο ισοπέδωσης κέρδους.

Το EDFA αποτελείται από πέντε κύρια μέρη: ίνα με προσμίξεις ερβίου (EDF), οπτικό ζεύκτη (WDM), οπτικό μονωτή (ISO), οπτικό φίλτρο και τροφοδοσία άντλησης. Οι συνήθως χρησιμοποιούμενες πηγές άντλησης περιλαμβάνουν τα 980nm και 1480nm, και αυτές οι δύο πηγές άντλησης έχουν υψηλότερη απόδοση άντλησης και χρησιμοποιούνται περισσότερο. Ο συντελεστής θορύβου της πηγής φωτός άντλησης 980nm είναι χαμηλότερος. Η πηγή φωτός άντλησης 1480nm έχει υψηλότερη απόδοση άντλησης και μπορεί να επιτύχει μεγαλύτερη ισχύ εξόδου (περίπου 3dB υψηλότερη από την πηγή φωτός άντλησης 980nm).

πλεονέκτημα

1. Το μήκος κύματος λειτουργίας είναι σύμφωνο με το ελάχιστο παράθυρο εξασθένησης της μονότροπης ίνας.

2. Υψηλή απόδοση ζεύξης. Επειδή είναι ενισχυτής οπτικών ινών, είναι εύκολο να συνδεθεί με την οπτική ίνα μετάδοσης.

3. Υψηλή απόδοση μετατροπής ενέργειας. Ο πυρήνας του EDF είναι μικρότερος από αυτόν της οπτικής ίνας μετάδοσης και το φως σήματος και το φως άντλησης μεταδίδονται ταυτόχρονα στο EDF, επομένως η οπτική χωρητικότητα είναι πολύ συγκεντρωμένη. Αυτό καθιστά την αλληλεπίδραση μεταξύ του φωτός και του μέσου κέρδους Er πολύ πλήρη, σε συνδυασμό με το κατάλληλο μήκος ίνας με πρόσμιξη ερβίου, επομένως η απόδοση μετατροπής της φωτεινής ενέργειας είναι υψηλή.

4. Υψηλό κέρδος, χαμηλός δείκτης θορύβου, μεγάλη ισχύς εξόδου, χαμηλή λογομαχία μεταξύ καναλιών.

5. Χαρακτηριστικά σταθερού κέρδους: Το EDFA δεν είναι ευαίσθητο στη θερμοκρασία και το κέρδος έχει μικρή συσχέτιση με την πόλωση.

6. Η λειτουργία κέρδους είναι ανεξάρτητη από το ρυθμό μετάδοσης bit του συστήματος και τη μορφή δεδομένων.

έλλειψη

1. Μη γραμμικό φαινόμενο: Το EDFA ενισχύει την οπτική ισχύ αυξάνοντας την οπτική ισχύ που εγχέεται στην ίνα, αλλά όσο μεγαλύτερη τόσο το καλύτερο. Όταν η οπτική ισχύς αυξάνεται σε κάποιο βαθμό, θα παραχθεί το μη γραμμικό φαινόμενο της οπτικής ίνας. Επομένως, κατά τη χρήση ενισχυτών οπτικών ινών, θα πρέπει να δοθεί προσοχή στην αξία του ελέγχου της εισερχόμενης μονοκαναλικής οπτικής ισχύος ίνας.

2. Το εύρος μήκους κύματος κέρδους είναι σταθερό: το εύρος μήκους κύματος εργασίας του EDFA ζώνης C είναι 1530nm~1561nm. Το εύρος μήκους κύματος εργασίας του EDFA ζώνης L είναι 1565nm~1625nm.

3. Ανομοιόμορφο εύρος ζώνης κέρδους: Το εύρος ζώνης κέρδους του ενισχυτή οπτικών ινών με πρόσμιξη EDFA ερβίου είναι πολύ ευρύ, αλλά το φάσμα κέρδους του ίδιου του EDF δεν είναι επίπεδο. Το φίλτρο ισοπέδωσης κέρδους πρέπει να υιοθετηθεί για να ισοπεδωθεί το κέρδος στο σύστημα WDM.

4. Πρόβλημα με φωτεινή υπέρταση: Όταν η φωτεινή διαδρομή είναι κανονική, τα ιόντα ερβίου που διεγείρονται από το φως αντλίας παρασύρονται από το φως σήματος, ολοκληρώνοντας έτσι την ενίσχυση του φωτός σήματος. Εάν το φως εισόδου περικοπεί, επειδή τα μετασταθή ιόντα ερβίου συνεχίζουν να συσσωρεύονται, μόλις αποκατασταθεί η είσοδος του φωτός σήματος, η ενέργεια θα μεταπηδήσει, με αποτέλεσμα την υπέρταση του φωτός.

5. Η λύση για το οπτικό κύμα είναι η πραγματοποίηση της λειτουργίας αυτόματης μείωσης οπτικής ισχύος (APR) ή αυτόματης απενεργοποίησης οπτικής ισχύος (APSD) στο EDFA, δηλαδή, το EDFA μειώνει αυτόματα την ισχύ ή απενεργοποιεί αυτόματα την ισχύ όταν δεν υπάρχει φως εισόδου, καταστέλλοντας έτσι την εμφάνιση του φαινομένου του κύματος.

Λειτουργία εφαρμογής

1. Ο ενισχυτής ενίσχυσης χρησιμοποιείται για την ενίσχυση της ισχύος σημάτων πολλαπλών μηκών κύματος μετά το ενισχυτικό κύμα και στη συνέχεια τη μετάδοσή τους. Δεδομένου ότι η ισχύς του σήματος μετά το ενισχυτικό κύμα είναι γενικά μεγάλη, ο δείκτης θορύβου και το κέρδος ενός ενισχυτή ισχύος δεν είναι πολύ υψηλά. Έχει σχετικά μεγάλη ισχύ εξόδου.

2. Ο ενισχυτής γραμμής, μετά τον ενισχυτή ισχύος, χρησιμοποιείται για την περιοδική αντιστάθμιση της απώλειας μετάδοσης γραμμής, απαιτώντας γενικά σχετικά μικρό δείκτη θορύβου και μεγάλη οπτική ισχύ εξόδου.

3. Προενισχυτής: Πριν από τον διαχωριστή και μετά τον ενισχυτή γραμμής, χρησιμοποιείται για την ενίσχυση του σήματος και τη βελτίωση της ευαισθησίας του δέκτη (σε περίπτωση που ο λόγος οπτικού σήματος προς θόρυβο (OSNR) πληροί τις απαιτήσεις, η μεγαλύτερη ισχύς εισόδου μπορεί να καταστείλει τον θόρυβο του ίδιου του δέκτη και να βελτιώσει την ευαισθησία λήψης) και ο δείκτης θορύβου είναι πολύ μικρός. Δεν υπάρχει μεγάλη απαίτηση για την ισχύ εξόδου.