Nguyên lý và ứng dụng của bộ khuếch đại sợi pha tạp erbium EDFA

Nguyên lý và ứng dụng củaBộ khuếch đại sợi quang EDFA pha tạp erbium

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 sớm phân rã thành mức siêu ổn định. 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 tới 20-40nm) và có hai đỉnh tương ứng với 1530nm và 1550nm.

Những lợi thế 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 thắc mắc: 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 của chúng. 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 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 quang 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 quang pha tạp erbium và truyền năng lượng của ánh sáng bơm đến tín hiệu quang đầu vào thông qua tác động của sợi quang pha tạp erbium, để thực hiện khuếch đại năng lượng của tín hiệu quang đầu vào. Để có được công suất quang đầu ra cao hơn và chỉ số nhiễu thấp hơn, bộ khuếch đại sợi quang 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 pha tạp Erbium (EDF), Bộ ghép quang (WDM), Bộ cách ly quang (ISO), Bộ lọc quang và Nguồn cung cấp bơm. Các nguồn bơm thường được sử dụng bao gồm 980nm và 1480nm, và 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 ghép nối với sợi truyền dẫn.

3. Hiệu suất chuyển đổi năng lượng cao. Lõi EDF nhỏ hơn lõi sợi 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 erbi 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.

khuyết điểm

1. Hiệu ứng phi tuyến tính: EDFA khuếch đại công suất quang bằng cách tăng công suất quang đưa vào sợi, nhưng càng lớn càng tốt. Khi công suất quang tăng đến một mức độ nhất định, sẽ tạo ra hiệu ứng phi tuyến tính của sợi quang. 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 một 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 tăng không đều: Băng thông tăng của bộ khuếch đại sợi pha tạp erbium EDFA rất rộng, nhưng phổ tăng của bản thân EDF không phẳng. Bộ lọc làm phẳng tăng phải được áp dụng để làm phẳng tăng trong hệ thống WDM.

4. Vấn đề xung ánh sáng: Khi đường đi của ánh sáng bình thường, các ion erbi bị kích thích bởi ánh sáng bơm được mang đi bởi ánh sáng tín hiệu, do đó hoàn thành việc khuếch đại ánh sáng tín hiệu. Nếu ánh sáng đầu vào bị cắt cụt, vì các ion erbi bán bền tiếp tục tích tụ, một khi đầu vào ánh sáng tín hiệu được phục hồi, năng lượng sẽ nhảy, dẫn đến xung ánh sáng.

5. Giải pháp cho hiện tượng xung quang là thực hiện chức năng giảm công suất quang tự động (APR) hoặc tắt nguồn quang tự động (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 cường công suất của nhiều tín hiệu bước sóng sau sóng tăng cường, sau đó truyền chúng. Vì công suất tín hiệu sau sóng tăng cường thường lớn, chỉ số nhiễu và độ lợi của bộ khuếch đại công suất không cao lắm. Có 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 cho 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, dùng để khuếch đại tín hiệu và cải thiện độ nhạy của bộ thu (trong trường hợp tỷ lệ tín hiệu quang trên nhiễu (OSNR) đáp ứng yêu cầu, công suất đầu vào lớn hơn có thể triệt tiêu nhiễu của chính bộ thu và cải thiện độ nhạy thu), chỉ số nhiễu rất nhỏ. Không có yêu cầu lớn về công suất đầu ra.