◆Egenskaper og bruksområder for fiber-dopede forsterkere
Anoptisk forsterkerer en enhet som direkte kan forsterke svake optiske signaler. Den forsterker svakt innfallende lys basert på prinsippene for stimulert emisjon eller stimulert spredning, og mekanismen er nøyaktig den samme som en laser. Faktisk er en optisk forsterker strukturelt en laser med liten eller ingen tilbakemelding. Optisk gevinst oppnås når det optiske mediet opplever populasjonsinversjon under påvirkning av pumpestrøm eller pumpelys, og dermed realisere optisk forsterkning. Denne delen introduserer vanlige typer optiske forsterkere og fokuserer på prinsippene og bruksområdene til erbium-dopet fiberforsterkere.
Klassifisering av optiske forsterkere
Optiske forsterkere kan grovt klassifiseres i tre typer basert på deres driftsprinsipper
1
2
3
Disse typene optiske forsterkere er forskjellige i driftsprinsipper og eksitasjonsmetoder.
Arbeidsprinsipp for ballastfiberforsterker
EDFA struktur
En erbium-dopet fiberforsterker (EDFA) er en enhet som bruker erbium-dopet fiber som forsterkningsmedium for å forsterke signallys ved hjelp av pumpelys som sendes ut fra en laserdiode. Strukturen til en erbium-dopet fiberforsterker er vist på figuren.
En bølgelengdedelingsmultiplekser, også kjent som en multiplekser, kombinerer pumpelys og signallys på 980/1550nm eller 1480/1550nm bølgelengder før de mates inn i en erbium-dopet fiber. Det krever lavt innsettingstap og ufølsomhet for lyspolarisering.
En optisk isolator sikrer ensrettet lystransmisjon, og forhindrer lysrefleksjon tilbake til den originale enheten, da slik refleksjon øker forsterkerstøyen og reduserer forsterkningseffektiviteten.
Funksjonen til et optisk filter er å filtrere ut støy utenfor driftsbåndbredden til en optisk forsterker, og dermed forbedre signal-til-støyforholdet til systemet.
Erbium-dopet fiber er kjernekomponenten i en EDFA (Electrium-dopet forsterker). Den bruker silikafiber som matrise og doper kjernen med erbiumioner, et fast-laserarbeidsmateriale. Innenfor flere meter til titalls meter med erbium-dopet fiber, samhandler lyset med stoffet og forsterkes og forsterkes.
Modusfeltdiameteren (MFD) for erbium-dopet fiber er 3–6 μm, mye mindre enn konvensjonell fiber (9–16 μm). Dette er for å øke energitettheten til signallyset og pumpelyset, og dermed forbedre deres interaksjonseffektivitet. Den reduserte kjernediameteren til erbium-dopet fiber fører imidlertid også til et modusfeltmisforhold med konvensjonell fiber, noe som resulterer i større refleksjon og forbindelsestap. Løsningen er å dope fiberen med en liten mengde fluor for å senke brytningsindeksen, og dermed øke modusfeltdiameteren for å oppnå et nivå av samsvar med konvensjonell fiber. I tillegg, under fusjonsspleising, kan modusfeltdiametermistilpasningen reduseres ved å bruke overgangsfibre eller forlenge den konvensjonelle fiberkoblingen for å redusere kjernediameteren.
For å oppnå mer effektiv forsterkning, under fremstillingen av erbium-dopede fibre, er de fleste ioner konsentrert i den sentrale delen av fiberkjernen. Dette er fordi, i optiske fibre, kan lysfeltene til signalet og pumpelyset betraktes som tilnærmet Gaussisk distribuert, med den sterkeste lysintensiteten langs fiberkjerneaksen. Tilstedeværelsen av molybdenioner i det paraksiale området tillater større interaksjon mellom lys og materie, og forbedrer dermed energikonverteringseffektiviteten. Avhengig av bruken av erbium-dopet fiberforsterkere (EDFA), er ulike typer erbium-dopete fibre tilgjengelige for EDFA-design. For eksempel brukes EDF-PAX-01-typen til å designe-kretsforsterkere og forforsterkere, som viser en flat og bred forsterkningsbåndbredde; EDF-LAX-01-typen kan brukes i in-circuit-forsterkere, og tilbyr høy effektkonverteringseffektivitet og lav støy; og EDF-BAX-01-typen gir høy utgangseffekt osv.
Grunnleggende parametere for erbium-dopede fibre
| Parameter | EDF-PAX-01 | EDF-LAX-01 | EDF-BAX-01 | EDF-HCX-01 |
|---|---|---|---|---|
| Numerisk blenderåpning (NA) | 0.24 ± 0.02 | 0.24 ± 0.02 | 0.22 ± 0.02 | 0.24 ± 0.02 |
| Kutt-av bølgelengde (nm) | 953 ± 35 | 953 ± 35 | 920 ± 40 | 920 ± 40 |
| Peak Core Absorption @ 1530 nm (dB/m) | Mindre enn eller lik 1529,5 | 1530.5 ± 0.5 | 1531 ± 0.5 | 1530 ± 1 |
| Toppdempning ved 980 nm (dB/m) | 7 ± 2 | 7 ± 2 | 5 ± 2 | 8.5 ± 2 |
| Dempning ved 980 nm (dB/m) | 5 ± 1.5 | 5 ± 1.5 | 3.55 ± 1.5 | 8.5 ± 2 |
| Bakgrunnstap ved 1200 nm (dB/km) | < 35 | < 15 | < 15 | < 15 |
| Mettet effekt @ 1530 nm (mW) | 0.17 | 0.15 | 0.18 | 0.20 |
| Modusfeltdiameter @ 1550 nm (μm) | 4.8 ~ 5.9 | 4.8 ~ 5.9 | 5.2 ~ 6.6 | 4.8 ~ 6 |
Pumpekilden er en annen kjernekomponent i EDFA (Electro-Doped Fiber Optic Amplifier). Det gir tilstrekkelig energi for optisk signalforsterkning, en nødvendig betingelse for å oppnå populasjonsinversjon av aktivatorpartiklene. Siden pumpekilden direkte bestemmer ytelsen til EDFA, kreves det at den har høy utgangseffekt, god stabilitet og lang levetid. Praktiske EDFA-pumpekilder er alle laserdioder, med pumpebølgelengder på 980nm og 1480nm. 980nm pumpekilden er mer vanlig brukt på grunn av fordelene med lav støy, høy pumpeeffektivitet og effekt opp til flere hundre milliwatt.
Pumpelyset og signalet går inn i den optiske fiberen samtidig. Pumpelyset er sterkest ved det erbium-dopete fiberinntaket. Når den forplanter seg langs fiberen, overfører den gradvis energi til signallyset, og øker signalstyrken mens dens egen styrke gradvis avtar.
Utgangseffekten og støyegenskapene under forskjellige pumpemetoder sammenlignes i de følgende figurene. Figur a viser forholdet mellom den optiske utgangssignaleffekten og den optiske pumpeeffekten; den differensielle konverteringseffektiviteten til de tre pumpemetodene er henholdsvis 61 %, 76 % og 77 %. Figur b viser forholdet mellom støytallet og forsterkerens optiske utgangseffekt. Når den optiske utgangseffekten øker, synker partikkelinversjonstallet, noe som resulterer i en økning i støytallet. Figur c viser forholdet mellom støytallet og lengden på den erbium-dopede fiberen. Som det kan ses av figuren, uavhengig av lengden på den erbium-dopede fiberen, har EDFA med sam{10}}retningspumpemetoden den laveste støyen.
