◆Характеристики и приложения на усилватели с-влакна
Аноптичен усилвателе устройство, което може директно да усилва слабите оптични сигнали. Той усилва слаба падаща светлина въз основа на принципите на стимулирано излъчване или стимулирано разсейване и механизмът му е абсолютно същият като този на лазера. Всъщност, структурно, оптичният усилвател е лазер с малка или никаква обратна връзка. Оптичното усилване се постига, когато оптичната среда претърпи инверсия на населението под действието на ток на помпа или светлина на помпа, като по този начин се реализира оптично усилване. Този раздел въвежда често използвани типове оптични усилватели и се фокусира върху принципите и приложенията на усилвателите с влакна с добавка на ербий-.
Класификация на оптичните усилватели
Оптичните усилватели могат да бъдат широко класифицирани в три типа въз основа на техните принципи на работа
1
2
3
Тези видове оптични усилватели се различават по своите принципи на работа и методи на възбуждане.
Принцип на работа на усилвател с баластни влакна
EDFA структура
Усилвател с-влакна с добавка на ербий (EDFA) е устройство, което използва влакна с добавка на ербий-като усилваща среда за усилване на сигналната светлина с помощта на светлина на помпата, излъчвана от лазерен диод. Структурата на оптичен усилвател с добавка на ербий-е показана на фигурата.
Мултиплексорът с разделяне на дължината на вълната, известен също като мултиплексор, комбинира светлина на помпата и сигнална светлина с дължини на вълната 980/1550 nm или 1480/1550 nm, преди да ги подаде във влакно, легирано с ербий-. Изисква ниска загуба на вмъкване и нечувствителност към поляризация на светлината.
Оптичният изолатор осигурява еднопосочно предаване на светлина, предотвратявайки отражението на светлината обратно към оригиналното устройство, тъй като такова отражение увеличава шума на усилвателя и намалява ефективността на усилване.
Функцията на оптичния филтър е да филтрира шума извън работната честотна лента на оптичния усилвател, като по този начин подобрява съотношението сигнал-към-шум на системата.
Влакното с добавка-Electrium е основният компонент на EDFA (усилвател с добавка-Electrium). Той използва силициево влакно като матрица и допълва сърцевината с ербиеви йони, работен материал за твърд-лазер. В рамките на няколко метра до десетки метри легирано с ербий-влакно светлината взаимодейства с материята и се усилва и подобрява.
Диаметърът на полето на модата (MFD) на влакното с-легиран ербий е 3–6 μm, много по-малък от този на конвенционалното влакно (9–16 μm). Това е за увеличаване на енергийната плътност на сигналната светлина и светлината на помпата, като по този начин се подобрява ефективността на тяхното взаимодействие. Въпреки това, намаленият диаметър на сърцевината на влакното, легирано с ербий-, също води до несъответствие на полето на режима с конвенционалното влакно, което води до по-голямо отражение и загуба на връзка. Решението е да се добави влакното с малко количество флуор, за да се намали индексът на пречупване, като по този начин се увеличи диаметърът на полето на модата, за да се постигне ниво на съвпадение с конвенционалното влакно. Освен това, по време на снаждане чрез синтез, несъответствието на диаметъра на полето на режима може да бъде намалено чрез използване на преходни влакна или удължаване на конвенционалния конектор за влакна, за да се намали диаметърът на сърцевината.
За да се постигне по-ефективно усилване, по време на производството на влакна, легирани с ербий-, повечето йони са концентрирани в централната област на сърцевината на влакното. Това е така, защото в оптичните влакна светлинните полета на сигнала и светлината на помпата могат да се считат за приблизително разпределени по Гаус, с най-силен интензитет на светлината по оста на сърцевината на влакното. Наличието на молибденови йони в параксиалната област позволява по-голямо взаимодействие между светлината и материята, като по този начин подобрява ефективността на преобразуване на енергията. В зависимост от приложението на усилвателите с-влакна с добавка на ербий (EDFA), различни видове влакна с добавка на ербий- са налични за проектиране на EDFA. Например типът EDF-PAX-01 се използва за проектиране в-схемни усилватели и предусилватели, показващи равна и широка честотна лента на усилване; типът EDF-LAX-01 може да се използва във вътрешносхемни усилватели, като предлага висока ефективност на преобразуване на мощността и нисък шум; а типът EDF-BAX-01 осигурява висока изходна мощност и др.
Основни параметри на влакна с -добавка на ербий
| Параметър | EDF-PAX-01 | EDF-LAX-01 | EDF-BAX-01 | EDF-HCX-01 |
|---|---|---|---|---|
| Числова апертура (NA) | 0.24 ± 0.02 | 0.24 ± 0.02 | 0.22 ± 0.02 | 0.24 ± 0.02 |
| Изключена дължина на вълната (nm) | 953 ± 35 | 953 ± 35 | 920 ± 40 | 920 ± 40 |
| Пикова сърцевина на абсорбция при 1530 nm (dB/m) | По-малко или равно на 1529,5 | 1530.5 ± 0.5 | 1531 ± 0.5 | 1530 ± 1 |
| Пиково затихване при 980 nm (dB/m) | 7 ± 2 | 7 ± 2 | 5 ± 2 | 8.5 ± 2 |
| Атенюация при 980 nm (dB/m) | 5 ± 1.5 | 5 ± 1.5 | 3.55 ± 1.5 | 8.5 ± 2 |
| Фонова загуба при 1200 nm (dB/km) | < 35 | < 15 | < 15 | < 15 |
| Наситена мощност при 1530 nm (mW) | 0.17 | 0.15 | 0.18 | 0.20 |
| Диаметър на полето на режим @ 1550 nm (μm) | 4.8 ~ 5.9 | 4.8 ~ 5.9 | 5.2 ~ 6.6 | 4.8 ~ 6 |
Източникът на помпа е друг основен компонент на EDFA (Electro-Doped Fiber Optic Amplifier). Осигурява достатъчно енергия за усилване на оптичния сигнал, необходимо условие за постигане на инверсия на населеността на частиците активатор. Тъй като източникът на помпата директно определя производителността на EDFA, се изисква да има висока изходна мощност, добра стабилност и дълъг живот. Практически източници на EDFA помпа са всички лазерни диоди с дължина на вълната на помпата от 980 nm и 1480 nm. Източникът на помпа от 980 nm е по-често използван поради своите предимства на нисък шум, висока ефективност на помпата и мощност до няколкостотин миливата.
Светлината на помпата и сигналът влизат в оптичното влакно едновременно. Светлината на помпата е най-силна при входа на влакното с добавка на ербий-. Докато се разпространява по влакното, той постепенно прехвърля енергия към сигналната светлина, увеличавайки силата на сигнала, докато собствената му сила постепенно намалява.
Характеристиките на изходната мощност и шума при различни методи на изпомпване са сравнени на следващите фигури. Фигура а показва връзката между мощността на изходния оптичен сигнал и оптичната мощност на помпата; диференциалната ефективност на преобразуване на трите метода на изпомпване е съответно 61%, 76% и 77%. Фигура b показва връзката между стойността на шума и изходната оптична мощност на усилвателя. Тъй като изходната оптична мощност се увеличава, броят на инверсията на частиците намалява, което води до увеличаване на шума. Фигура c показва връзката между стойността на шума и дължината на влакното с добавка на ербий-. Както може да се види от фигурата, независимо от дължината на влакното, легирано с-ербий, EDFA с метода на съ-насочено изпомпване има най-нисък шум.
