Волоконные усилители, легированные эрбием (EDFA)

Волоконные усилители, легированные эрбием (EDFA), используют редкоземельные элементы, такие как эрбий (Er3+), в качестве усиливающей среды.Он легируется в сердцевину волокна в процессе производства.Он состоит из короткого отрезка волокна (обычно около 10 м) из стекла, в который добавлено небольшое контролируемое количество эрбия в качестве примеси в форме иона (Er3+).Таким образом, кремнеземное волокно действует как среда-хозяин.Именно легирующие примеси (эрбий), а не кварцевое волокно, определяют рабочую длину волны и полосу усиления.EDFA обычно работают в диапазоне длин волн 1550 нм и могут обеспечивать пропускную способность, превышающую 1 Тбит/с.Поэтому они широко используются в системах WDM.

Принцип вынужденного излучения применим для механизма усиления EDFA.Когда примесь (ион эрбия) находится в высокоэнергетическом состоянии, падающий фотон входного оптического сигнала будет стимулировать его.Он отдает часть своей энергии легирующей примеси и возвращается в более низкое энергетическое состояние («стимулированное излучение»), которое является более стабильным.На рисунке ниже показана базовая структура EDFA.

1.1 Базовая структура EDFA

Лазерный диод накачки обычно производит оптический сигнал с длиной волны (980 нм или 1480 нм) при высокой мощности (~ 10–200 мВт).Этот сигнал связан с входным световым сигналом в легированной эрбием части кварцевого волокна через соединитель WDM.Ионы эрбия поглотят эту энергию сигнала накачки и перейдут в возбужденное состояние.Часть выходного светового сигнала снимается и возвращается на вход лазера накачки через оптический фильтр и детектор.Это служит механизмом управления мощностью с обратной связью, чтобы сделать EDFA саморегулирующимися усилителями.Когда все метастабильные электроны израсходованы, дальнейшее усиление не происходит.Следовательно, система стабилизируется автоматически, поскольку выходная оптическая мощность EDFA остается почти постоянной независимо от колебаний входной мощности, если таковые имеются.

1.2 Упрощенная функциональная схема EDFA

На приведенном выше рисунке показана упрощенная функциональная схема EDFA, в которой сигнал накачки от лазера добавляется к входному оптическому сигналу (на 1480 нм или 980 нм) через ответвитель WDM.

На этой диаграмме показан очень простой усилитель EDF.Длина волны сигнала накачки (при мощности накачки около 50 мВт) составляет 1480 нм или 980 нм.Некоторая часть этого сигнала накачки передается во входной оптический сигнал за счет вынужденного излучения в коротком отрезке волокна, легированного эрбием.Он имеет типичное оптическое усиление около 5–15 дБ и коэффициент шума менее 10 дБ.Для работы на 1550 нм можно получить оптическое усиление 30–40 дБ.

1.3 Практическая реализация EDFA

На приведенном выше рисунке показана упрощенная работа EDFA с ее практической структурой при использовании в приложении WDM.

Как видно, он включает в себя следующие основные части:

• Изолятор на вводе.Это препятствует распространению шума, создаваемого EDFA, к стороне передатчика.

• Муфта WDM.Он сочетает маломощный оптический входной сигнал данных с длиной волны 1550 нм с мощным оптическим сигналом накачки (от источника накачки, такого как лазер) с длиной волны 980 нм.

• Небольшой участок кварцевого волокна, легированного эрбием.Фактически это служит активной средой EDFA.

• Изолятор на выходе.Это помогает предотвратить попадание обратно отраженного оптического сигнала в легированное эрбием кварцевое волокно.

Конечным выходным сигналом является усиленный сигнал оптических данных с длиной волны 1550 нм с остаточным сигналом накачки с длиной волны 980 нм.

Типы волоконных усилителей, легированных эрбием (EDFA)

Существует два типа структур волоконных усилителей, легированных эрбием (EDFA):

• EDFA с попутным насосом

• EDFA с встречным насосом

На рисунке ниже показаны схемы насосов встречного и двунаправленного действия, которые можно использовать в структурах EDFA.

Различные схемы насосов

Совместно распространяющаяся накачка EDFA отличается меньшей выходной оптической мощностью и низким уровнем шума;в то время как встречная накачка EDFA обеспечивает более высокую выходную оптическую мощность, но также создает больший шум.В типичном коммерческом EDFA используется двунаправленная накачка с одновременной попутной и встречной накачкой, что приводит к относительно равномерному оптическому усилению.

Применение EDFA в качестве бустера, встроенного усилителя и предварительного усилителя

В оптоволоконной линии связи на больших расстояниях EDFA можно использовать в качестве усилителя мощности на выходе оптического передатчика, встроенного оптического усилителя вместе с оптическим волокном, а также в качестве предварительного усилителя непосредственно перед выходом оптического передатчика. приемник, как показано на рисунке выше.

Можно отметить, что линейные EDFA располагаются на расстоянии 20–100 км друг от друга в зависимости от потерь в волокне.Оптический входной сигнал имеет длину волны 1,55 мкм, тогда как лазеры накачки работают с длиной волны 1,48 мкм или 980 нм.Типичная длина волокна, легированного эрбием, составляет 10–50 м.

Механизм усиления в EDFA

Как указывалось ранее, механизм усиления в EDFA основан на стимулированном излучении, аналогичном механизму в лазере.Высокая энергия оптического сигнала накачки (генерируемого другим лазером) возбуждает легирующие ионы эрбия (Er3+) в кварцевом волокне в верхнем энергетическом состоянии.Входной оптический информационный сигнал стимулирует переход возбужденных ионов эрбия в более низкое энергетическое состояние и приводит к излучению фотонов с той же энергией, т. е. с той же длиной волны, что и у входного оптического сигнала.

Диаграмма уровня энергии: Свободные ионы эрбия демонстрируют дискретные уровни энергетической зоны.Когда ионы эрбия легируют в кварцевое волокно, каждый из их энергетических уровней расщепляется на ряд тесно связанных уровней, образуя энергетическую зону.

1.4 Механизм усиления в EDFA

Для достижения инверсии населенностей ионы Er3+ накачиваются на промежуточный уровень 2. В косвенном методе (накачка 980 нм) ионы Er3+ непрерывно перемещаются с уровня 1 на уровень 3. Далее следует безызлучательный распад на уровень 2, от где они попадают на уровень 1, излучая оптические сигналы в нужной длине волны 1500–1600 нм.Это известно как 3-уровневый механизм усиления.

Другие продукты, легированные эрбием, можно найти на нашем веб-сайте.

https://www.erbiumtechnology.com/erbium-laser-glasseye-safe-laser-glass/

Электронная почта:devin@erbiumtechnology.com

WhatsApp: +86-18113047438

Факс: +86-2887897578

Добавить: No.23, Chaoyang Road, Xihe street, Longquanyi distrcit, Chengdu, 610107, China.