Nguyên tắc và ứng dụng củaBộ khuếch đại sợi quang pha tạp erbium EDFA
Cấu trúc cơ bản củaEDFABộ khuếch đại sợi pha tạp erbi, chủ yếu bao gồm môi trường hoạt động (sợi thạch anh pha tạp dài hàng chục mét, đường kính lõi 3-5 micron, nồng độ pha tạp (25-1000) x 10-6), nguồn sáng bơm (LD 990 hoặc 1480nm), bộ ghép quang và bộ cách ly quang. Ánh sáng tín hiệu và ánh sáng bơm có thể lan truyền theo cùng một hướng (bơm đồng thời), hướng ngược lại (bơm ngược) hoặc cả hai hướng (bơm hai chiều) trong sợi Erbi. Khi ánh sáng tín hiệu và ánh sáng bơm được đưa vào sợi Erbi cùng lúc, ion Erbi bị kích thích lên mức năng lượng cao (hệ thống ba mức) dưới tác động của ánh sáng bơm và nhanh chóng phân rã thành mức siêu bền. Khi trở về trạng thái cơ bản dưới tác động của ánh sáng tín hiệu tới, photon tương ứng với ánh sáng tín hiệu được phát ra, do đó tín hiệu được khuếch đại. Phổ phát xạ tự phát khuếch đại (ASE) của nó có băng thông lớn (lên đến 20-40nm) và có hai đỉnh tương ứng với 1530nm và 1550nm.
Những ưu điểm chính củaBộ khuếch đại EDFAcó độ khuếch đại cao, băng thông lớn, công suất đầu ra cao, hiệu suất bơm cao, suy hao chèn thấp và không nhạy cảm với trạng thái phân cực.
Nguyên lý hoạt động của bộ khuếch đại sợi pha tạp erbium
Bộ khuếch đại sợi pha tạp ErbiumBộ khuếch đại quang EDFA） chủ yếu bao gồm một sợi quang pha tạp erbi (dài khoảng 10-30m) và một nguồn sáng bơm. Nguyên lý hoạt động là sợi quang pha tạp erbi tạo ra bức xạ kích thích dưới tác động của nguồn sáng bơm (bước sóng 980nm hoặc 1480nm) và ánh sáng bức xạ thay đổi theo sự thay đổi của tín hiệu ánh sáng đầu vào, tương đương với việc khuếch đại tín hiệu ánh sáng đầu vào. Kết quả cho thấy độ khuếch đại của bộ khuếch đại sợi quang pha tạp erbi thường là 15-40db và khoảng cách rơle có thể tăng lên hơn 100km. Vì vậy, mọi người không khỏi đặt câu hỏi: tại sao các nhà khoa học lại nghĩ đến việc sử dụng erbi pha tạp trong bộ khuếch đại sợi quang để tăng cường độ sóng ánh sáng? Chúng ta biết rằng erbi là một nguyên tố đất hiếm và các nguyên tố đất hiếm có đặc điểm cấu trúc đặc biệt. Việc pha tạp các nguyên tố đất hiếm trong các thiết bị quang học đã được sử dụng từ lâu để cải thiện hiệu suất của các thiết bị quang học, vì vậy đây không phải là một yếu tố ngẫu nhiên. Ngoài ra, tại sao bước sóng của nguồn sáng bơm lại được chọn là 980nm hoặc 1480nm? Trên thực tế, bước sóng của nguồn sáng bơm có thể là 520nm, 650nm, 980nm và 1480nm, nhưng thực tế đã chứng minh rằng hiệu suất laser của nguồn sáng bơm bước sóng 1480nm là cao nhất, tiếp theo là bước sóng của nguồn sáng bơm bước sóng 980nm.
Cấu trúc vật lý
Cấu trúc cơ bản của bộ khuếch đại sợi pha tạp erbium (Bộ khuếch đại quang EDFA). Có một bộ cách ly ở đầu vào và đầu ra, mục đích là để làm cho tín hiệu quang truyền một chiều. Bộ kích thích bơm có bước sóng 980nm hoặc 1480nm và được sử dụng để cung cấp năng lượng. Chức năng của bộ ghép là ghép tín hiệu quang đầu vào và ánh sáng bơm vào sợi pha tạp erbium và truyền năng lượng của ánh sáng bơm đến tín hiệu quang đầu vào thông qua hoạt động của sợi pha tạp erbium, để thực hiện khuếch đại năng lượng của tín hiệu quang đầu vào. Để đạt được công suất quang đầu ra cao hơn và chỉ số nhiễu thấp hơn, bộ khuếch đại sợi pha tạp Erbium được sử dụng trong thực tế áp dụng cấu trúc của hai hoặc nhiều nguồn bơm với các bộ cách ly ở giữa để cách ly lẫn nhau. Để có được đường cong khuếch đại rộng hơn và phẳng hơn, một bộ lọc làm phẳng khuếch đại được thêm vào.
EDFA bao gồm năm bộ phận chính: sợi quang pha tạp Erbium (EDF), bộ ghép quang (WDM), bộ cách ly quang (ISO), bộ lọc quang và nguồn bơm. Các nguồn bơm thường được sử dụng bao gồm 980nm và 1480nm, hai nguồn bơm này có hiệu suất bơm cao hơn và được sử dụng nhiều hơn. Hệ số nhiễu của nguồn sáng bơm 980nm thấp hơn; nguồn sáng bơm 1480nm có hiệu suất bơm cao hơn và có thể đạt được công suất đầu ra lớn hơn (cao hơn khoảng 3dB so với nguồn sáng bơm 980nm).
lợi thế
1. Bước sóng hoạt động phù hợp với cửa sổ suy giảm tối thiểu của sợi quang đơn mode.
2. Hiệu suất ghép nối cao. Vì là bộ khuếch đại sợi quang nên dễ dàng ghép nối với sợi quang truyền dẫn.
3. Hiệu suất chuyển đổi năng lượng cao. Lõi EDF nhỏ hơn lõi sợi quang truyền dẫn, ánh sáng tín hiệu và ánh sáng bơm được truyền đồng thời trong EDF, do đó dung lượng quang rất tập trung. Điều này làm cho tương tác giữa ánh sáng và ion Er môi trường khuếch đại rất đầy đủ, kết hợp với chiều dài sợi pha tạp Erbium thích hợp, do đó hiệu suất chuyển đổi năng lượng ánh sáng cao.
4. Độ khuếch đại cao, chỉ số nhiễu thấp, công suất đầu ra lớn, nhiễu xuyên âm giữa các kênh thấp.
5. Đặc tính khuếch đại ổn định: EDFA không nhạy cảm với nhiệt độ và độ khuếch đại ít tương quan với độ phân cực.
6. Tính năng khuếch đại không phụ thuộc vào tốc độ bit của hệ thống và định dạng dữ liệu.
thiếu sót
1. Hiệu ứng phi tuyến: EDFA khuếch đại công suất quang bằng cách tăng công suất quang đưa vào sợi quang, nhưng càng lớn càng tốt. Khi công suất quang tăng đến một mức độ nhất định, hiệu ứng phi tuyến của sợi quang sẽ xuất hiện. Do đó, khi sử dụng bộ khuếch đại sợi quang, cần chú ý đến giá trị điều khiển công suất quang đầu vào của sợi quang đơn kênh.
2. Phạm vi bước sóng khuếch đại là cố định: phạm vi bước sóng làm việc của EDFA băng tần C là 1530nm~1561nm; Phạm vi bước sóng làm việc của EDFA băng tần L là 1565nm~1625nm.
3. Băng thông khuếch đại không đồng đều: Băng thông khuếch đại của bộ khuếch đại sợi pha tạp erbium EDFA rất rộng, nhưng phổ khuếch đại của bản thân EDF lại không phẳng. Cần phải áp dụng bộ lọc làm phẳng khuếch đại để làm phẳng khuếch đại trong hệ thống WDM.
4. Vấn đề xung ánh sáng: Khi đường truyền ánh sáng bình thường, các ion erbi được kích thích bởi ánh sáng bơm sẽ bị ánh sáng tín hiệu mang đi, do đó hoàn tất quá trình khuếch đại ánh sáng tín hiệu. Nếu ánh sáng đầu vào bị cắt ngắn, do các ion erbi bán bền tiếp tục tích tụ, khi ánh sáng tín hiệu đầu vào được phục hồi, năng lượng sẽ nhảy vọt, dẫn đến xung ánh sáng.
5. Giải pháp cho hiện tượng xung quang là thực hiện chức năng tự động giảm công suất quang (APR) hoặc tự động tắt nguồn quang (APSD) trong EDFA, tức là EDFA tự động giảm công suất hoặc tự động tắt nguồn khi không có ánh sáng đầu vào, do đó ngăn chặn hiện tượng xung quang xảy ra.
Chế độ ứng dụng
1. Bộ khuếch đại tăng cường được sử dụng để tăng công suất của các tín hiệu nhiều bước sóng sau sóng tăng cường, sau đó truyền đi. Do công suất tín hiệu sau sóng tăng cường thường lớn, nên chỉ số nhiễu và độ lợi của bộ khuếch đại công suất không quá cao. Công suất đầu ra tương đối lớn.
2. Bộ khuếch đại đường truyền, sau Bộ khuếch đại công suất, được sử dụng để bù định kỳ tổn thất truyền dẫn đường truyền, thường yêu cầu chỉ số nhiễu tương đối nhỏ và công suất quang đầu ra lớn.
3. Bộ tiền khuếch đại: Trước bộ chia và sau bộ khuếch đại đường truyền, được sử dụng để khuếch đại tín hiệu và cải thiện độ nhạy của máy thu (trong trường hợp tỷ số tín hiệu trên nhiễu quang (OSNR) đáp ứng yêu cầu, công suất đầu vào lớn hơn có thể triệt tiêu nhiễu của chính máy thu và cải thiện độ nhạy thu), hệ số nhiễu rất nhỏ. Không có yêu cầu lớn về công suất đầu ra.
Thời gian đăng: 17-03-2025