Periaate ja soveltaminenEDFA erbiumilla seostettu kuituvahvistin
PerusrakenneEDFAErbiumilla seostettu kuituvahvistin, joka koostuu pääasiassa aktiivisesta väliaineesta (kymmeniä metrejä pitkä seostettu kvartsikuitu, ytimen halkaisija 3-5 mikronia, seostuspitoisuus (25-1000)x10-6), pumppausvalonlähteestä (990 tai 1480 nm LD), optisesta kytkimestä ja optisesta eristimestä. Signaalivalo ja pumppausvalo voivat edetä erbiumkuidussa samaan suuntaan (yhteispumppaus), vastakkaiseen suuntaan (käänteinen pumppaus) tai molempiin suuntiin (kaksisuuntainen pumppaus). Kun signaalivalo ja pumppausvalo ruiskutetaan erbiumkuituun samanaikaisesti, erbiumioni virittyy korkealle energiatasolle (kolmitasoinen järjestelmä) pumppausvalon vaikutuksesta ja hajoaa pian metastabiilille tasolle. Kun se palaa perustilaan tulevan signaalivalon vaikutuksesta, signaalivaloa vastaava fotoni emittoituu, jolloin signaali vahvistuu. Sen vahvistetulla spontaanilla emissiolla (ASE) on suuri kaistanleveys (jopa 20–40 nm) ja siinä on kaksi piikkiä, jotka vastaavat vastaavasti 1530 nm:n ja 1550 nm:n aallonpituuksia.
Tärkeimmät edutEDFA-vahvistinovat suuri vahvistus, suuri kaistanleveys, suuri lähtöteho, korkea pumppaushyötysuhde, pieni lisäyshäviö ja epäherkkyys polarisaatiotiloille.
Erbiumilla seostetun kuituvahvistimen toimintaperiaate
Erbiumilla seostettu kuituvahvistin (EDFA-optinen vahvistin) Koostuu pääasiassa erbiumilla seostetusta kuidusta (noin 10–30 m pitkä) ja pumppaavasta valonlähteestä. Toimintaperiaatteena on, että erbiumilla seostettu kuitu tuottaa stimuloitua säteilyä pumpatun valonlähteen (aallonpituus 980 nm tai 1480 nm) vaikutuksesta, ja säteilevän valon määrä muuttuu tulovalosignaalin muutoksen myötä, mikä vastaa tulovalosignaalin vahvistamista. Tulokset osoittavat, että erbiumilla seostetun kuituvahvistimen vahvistus on yleensä 15–40 dB ja välitysetäisyyttä voidaan pidentää yli 100 km. Ihmiset kysyvät siis väistämättä: miksi tiedemiehet keksivät käyttää seostettua erbiumia kuituvahvistimissa valoaaltojen voimakkuuden lisäämiseksi? Tiedämme, että erbium on harvinainen maametalli, ja harvinaisilla maametalleilla on omat erityiset rakenteelliset ominaisuutensa. Harvinaisten maametallien seostamista optisissa laitteissa on käytetty jo pitkään optisten laitteiden suorituskyvyn parantamiseksi, joten tämä ei ole sattumaa. Miksi pumpun valonlähteen aallonpituudeksi on valittu 980 nm tai 1480 nm? Itse asiassa pumpun valonlähteen aallonpituus voi olla 520 nm, 650 nm, 980 nm ja 1480 nm, mutta käytäntö on osoittanut, että 1480 nm:n aallonpituudella pumpun valonlähteen lasertehokkuus on korkein, ja seuraavaksi korkein on 980 nm:n aallonpituudella pumpun valonlähteen lasertehokkuus.
Fyysinen rakenne
Erbiumilla seostetun kuituvahvistimen (EDFA-optinen vahvistin) perusrakenne. Tulo- ja lähtöpäässä on eristin, jonka tarkoituksena on varmistaa optisen signaalin yksisuuntainen siirto. Pumppuherättimen aallonpituus on 980 nm tai 1480 nm, ja sitä käytetään energian tuottamiseen. Kytkimen tehtävänä on kytkeä tulosignaali ja pumppausvalo erbiumilla seostettuun kuituun ja siirtää pumppausvalon energia tulosignaaliin erbiumilla seostetun kuidun vaikutuksesta, jolloin tulosignaalin energiavahvistus toteutuu. Käytännössä käytetyssä erbiumilla seostetussa kuituvahvistimessa käytetään rakennetta, jossa on kaksi tai useampia pumppauslähteitä, joiden keskellä on eristimet toisistaan eristämiseksi. Leveämmän ja tasaisemman vahvistuskäyrän saavuttamiseksi lisätään vahvistusta tasoittava suodatin.
EDFA koostuu viidestä pääosasta: erbiumilla seostetusta kuidusta (EDF), optisesta kytkimestä (WDM), optisesta eristimestä (ISO), optisesta suodattimesta ja pumppaussyötöstä. Yleisesti käytettyjä pumppauslähteitä ovat 980 nm ja 1480 nm, ja näillä kahdella pumppauslähteellä on korkeampi pumppaustehokkuus ja niitä käytetään enemmän. 980 nm:n pumppausvalonlähteen kohinakerroin on alhaisempi; 1480 nm:n pumppausvalonlähteellä on korkeampi pumppaustehokkuus ja se voi saavuttaa suuremman lähtötehon (noin 3 dB korkeampi kuin 980 nm:n pumppausvalonlähteellä).
etu
1. Toiminta-aallonpituus on yhdenmukainen yksimuotokuidun pienimmän vaimennusikkunan kanssa.
2. Korkea kytkentätehokkuus. Koska kyseessä on kuituvahvistin, se on helppo kytkeä siirtokuituun.
3. Korkea energianmuunnostehokkuus. EDF:n ydin on pienempi kuin lähetyskuidun, ja signaalivalo ja pumppausvalo lähetetään EDF:ssä samanaikaisesti, joten optinen kapasiteetti on erittäin keskittynyt. Tämä tekee valon ja vahvistusväliaineen Er-ionin välisestä vuorovaikutuksesta erittäin täyden. Yhdessä sopivan pituisen erbiumilla seostetun kuidun kanssa valoenergian muunnostehokkuus on korkea.
4. Suuri vahvistus, alhainen kohinaindeksi, suuri lähtöteho, alhainen ylikuuluminen kanavien välillä.
5. Vakaa vahvistus: EDFA ei ole herkkä lämpötilalle, ja vahvistuksella on vain vähän korrelaatiota polarisaation kanssa.
6. Vahvistusominaisuus on riippumaton järjestelmän bittinopeudesta ja datamuodosta.
puute
1. Epälineaarinen vaikutus: EDFA vahvistaa optista tehoa lisäämällä kuituun syötettyä optista tehoa, mutta mitä suurempi, sitä parempi. Kun optista tehoa lisätään tietyssä määrin, syntyy optisen kuidun epälineaarinen vaikutus. Siksi optisia kuituvahvistimia käytettäessä on kiinnitettävä huomiota yksikanavaisen tulevan kuidun optisen tehon hallinnan arvoon.
2. Vahvistuksen aallonpituusalue on kiinteä: C-kaistan EDFA:n työskentelyaallonpituusalue on 1530 nm ~ 1561 nm; L-kaistan EDFA:n työskentelyaallonpituusalue on 1565 nm ~ 1625 nm.
3. Epätasainen vahvistuskaistanleveys: EDFA:n erbiumilla seostetun kuituvahvistimen vahvistuskaistanleveys on hyvin laaja, mutta EDF:n itsensä vahvistusspektri ei ole tasainen. WDM-järjestelmässä on käytettävä vahvistuksen tasoitussuodatinta vahvistuksen tasoittamiseksi.
4. Valosyöksyongelma: Kun valon reitti on normaali, pumpun valon virittämät erbiumionit kulkeutuvat pois merkkivalon mukana, jolloin merkkivalon vahvistus täydentyy. Jos tulovalo katkeaa metastabiilien erbiumionien kertymisen vuoksi, kun merkkivalon syöttö palautuu, energia hyppää, mikä johtaa valosyöksyyn.
5. Optisen ylijännitteen ratkaisu on toteuttaa automaattinen optisen tehon vähennys (APR) tai automaattinen optinen virrankatkaisu (APSD) EDFA:ssa, eli EDFA vähentää automaattisesti tehoa tai katkaisee virran automaattisesti, kun tulovaloa ei ole, mikä estää ylijännitteen esiintymisen.
Sovellustila
1. Tehostavahvistinta käytetään vahvistamaan useiden aallonpituisten signaalien tehoa tehostusaallon jälkeen ja lähettämään ne sitten. Koska signaalin teho tehostusaallon jälkeen on yleensä suuri, tehovahvistimen kohinaindeksi ja vahvistus eivät ole kovin korkeita. Sillä on suhteellisen suuri lähtöteho.
2. Linjavahvistinta käytetään tehovahvistimen jälkeen kompensoimaan säännöllisesti linjan siirtohäviöitä, mikä yleensä vaatii suhteellisen pienen kohinaindeksin ja suuren lähtötehon optisesti.
3. Esivahvistin: Ennen jakajaa ja linjavahvistimen jälkeen sitä käytetään signaalin vahvistamiseen ja vastaanottimen herkkyyden parantamiseen (jos optinen signaali-kohinasuhde (OSNR) täyttää vaatimukset, suurempi tuloteho voi vaimentaa vastaanottimen omaa kohinaa ja parantaa vastaanottoherkkyyttä), ja kohinaindeksi on hyvin pieni. Lähtöteholle ei ole suuria vaatimuksia.
Julkaisun aika: 17.3.2025