Principio y aplicación del amplificador de fibra dopada con erbio EDFA

Principio y aplicación deAmplificador de fibra dopada con erbio EDFA

La estructura básica deEDFAAmplificador de fibra dopada con erbio, que se compone principalmente de un medio activo (fibra de cuarzo dopada de decenas de metros de largo, diámetro del núcleo de 3-5 micras, concentración de dopaje (25-1000) x 10-6), fuente de luz de bombeo (990 o 1480 nm LD), acoplador óptico y aislador óptico. La luz de señal y la luz de bombeo pueden propagarse en la misma dirección (bombeo conjunto), dirección opuesta (bombeo inverso) o ambas direcciones (bombeo bidireccional) en la fibra de erbio. Cuando la luz de señal y la luz de bombeo se inyectan en la fibra de erbio al mismo tiempo, el ion de erbio se excita al nivel de alta energía (sistema de tres niveles) bajo la acción de la luz de bombeo, y pronto decae al nivel metaestable. Cuando vuelve al estado fundamental bajo la acción de la luz de señal incidente, se emite el fotón correspondiente a la luz de señal, de modo que la señal se amplifica. Su espectro de emisión espontánea amplificada (ASE) tiene un gran ancho de banda (hasta 20-40 nm) y tiene dos picos correspondientes a 1530 nm y 1550 nm respectivamente.

Las principales ventajas deAmplificador EDFATienen alta ganancia, gran ancho de banda, alta potencia de salida, alta eficiencia de bombeo, baja pérdida de inserción e insensibilidad a los estados de polarización.

El principio de funcionamiento del amplificador de fibra dopada con erbio

El amplificador de fibra dopada con erbio（Amplificador óptico EDFA） se compone principalmente de una fibra dopada con erbio (de unos 10-30 m de longitud) y una fuente de luz de bombeo. El principio de funcionamiento es que la fibra dopada con erbio genera radiación estimulada bajo la acción de la fuente de luz bombeada (longitud de onda de 980 nm o 1480 nm), y la luz radiada cambia con el cambio de la señal de luz de entrada, lo que equivale a amplificarla. Los resultados muestran que la ganancia del amplificador de fibra dopada con erbio suele ser de 15-40 dB, y la distancia de transmisión puede aumentarse en más de 100 km. Por lo tanto, es inevitable preguntarse: ¿por qué se les ocurrió a los científicos usar erbio dopado en amplificadores de fibra para aumentar la intensidad de las ondas de luz? Sabemos que el erbio es un elemento de tierras raras, y que estos elementos tienen características estructurales especiales. El dopado de elementos de tierras raras en dispositivos ópticos se ha utilizado durante mucho tiempo para mejorar el rendimiento de los dispositivos ópticos, por lo que esto no es un factor accidental. Además, ¿por qué se elige una longitud de onda de 980 nm o 1480 nm para la fuente de luz de bombeo? Si bien las longitudes de onda de la fuente de luz de bombeo pueden ser de 520 nm, 650 nm, 980 nm y 1480 nm, la práctica ha demostrado que la eficiencia del láser con la longitud de onda de 1480 nm es la más alta, seguida de la de 980 nm.

Estructura física

Estructura básica del amplificador de fibra dopada con erbio (amplificador óptico EDFA). Cuenta con un aislador en los extremos de entrada y salida para la transmisión unidireccional de la señal óptica. El excitador de bombeo, con una longitud de onda de 980 nm o 1480 nm, se utiliza para suministrar energía. La función del acoplador es acoplar la señal óptica de entrada y la luz de bombeo a la fibra dopada con erbio, y transferir la energía de la luz de bombeo a la señal óptica de entrada mediante la acción de esta última, para así lograr la amplificación de la señal óptica de entrada. Para obtener una mayor potencia óptica de salida y un menor índice de ruido, el amplificador de fibra dopada con erbio que se utiliza en la práctica adopta la estructura de dos o más fuentes de bombeo con aisladores intermedios para aislarse mutuamente. Para obtener una curva de ganancia más amplia y plana, se añade un filtro de aplanamiento de ganancia.

El EDFA consta de cinco partes principales: fibra dopada con erbio (EDF), acoplador óptico (WDM), aislador óptico (ISO), filtro óptico y fuente de bombeo. Las fuentes de bombeo más utilizadas son 980 nm y 1480 nm, y estas dos fuentes presentan una mayor eficiencia de bombeo y son las más utilizadas. El coeficiente de ruido de la fuente de bombeo de 980 nm es menor; la fuente de bombeo de 1480 nm presenta una mayor eficiencia de bombeo y puede alcanzar una mayor potencia de salida (aproximadamente 3 dB superior a la de 980 nm).

ventaja

1. La longitud de onda operativa es consistente con la ventana de atenuación mínima de la fibra monomodo.

2. Alta eficiencia de acoplamiento. Al ser un amplificador de fibra, se acopla fácilmente a la fibra de transmisión.

3. Alta eficiencia de conversión de energía. El núcleo de la fibra óptica dopada con erbio (EDF) es más pequeño que el de la fibra de transmisión, y la luz de señal y la luz de bombeo se transmiten simultáneamente en la EDF, por lo que la capacidad óptica es muy concentrada. Esto permite una interacción muy completa entre la luz y el medio de ganancia, el ion Er, y, junto con la longitud adecuada de la fibra dopada con erbio, la eficiencia de conversión de la energía luminosa es alta.

4. Alta ganancia, bajo índice de ruido, gran potencia de salida, baja diafonía entre canales.

5. Características de ganancia estable: EDFA no es sensible a la temperatura y la ganancia tiene poca correlación con la polarización.

6. La función de ganancia es independiente de la velocidad de bits del sistema y del formato de datos.

defecto

1. Efecto no lineal: El EDFA amplifica la potencia óptica al aumentar la potencia óptica inyectada en la fibra, pero cuanto mayor sea, mejor. Al aumentar la potencia óptica hasta cierto punto, se produce el efecto no lineal de la fibra óptica. Por lo tanto, al utilizar amplificadores de fibra óptica, se debe prestar atención al control de la potencia de entrada de la fibra óptica de un solo canal.

2. El rango de longitud de onda de ganancia es fijo: el rango de longitud de onda de trabajo del EDFA de banda C es de 1530 nm a 1561 nm; el rango de longitud de onda de trabajo del EDFA de banda L es de 1565 nm a 1625 nm.

3. Ancho de banda de ganancia desigual: El ancho de banda de ganancia del amplificador de fibra dopada con erbio EDFA es muy amplio, pero el espectro de ganancia del propio EDF no es plano. Se debe utilizar un filtro de aplanamiento de ganancia para aplanar la ganancia en el sistema WDM.

4. Problema de sobretensión luminosa: Cuando la trayectoria de la luz es normal, los iones de erbio excitados por la luz de bombeo son arrastrados por la luz de señal, completando así la amplificación de la luz de señal. Si la luz de entrada se trunca, debido a la continua acumulación de iones de erbio metaestables, una vez que se restablece la entrada de luz de señal, la energía saltará, lo que provocará una sobretensión luminosa.

5. La solución al problema de la sobretensión óptica es implementar la función de reducción automática de potencia óptica (APR) o apagado automático de potencia óptica (APSD) en EDFA, es decir, EDFA reduce automáticamente la potencia o apaga automáticamente la potencia cuando no hay luz de entrada, suprimiendo así la aparición del fenómeno de sobretensión.

Modo de aplicación

1. El amplificador amplificador se utiliza para amplificar la potencia de señales de múltiples longitudes de onda tras la onda amplificadora y luego transmitirlas. Dado que la potencia de la señal tras la onda amplificadora suele ser alta, el índice de ruido y la ganancia de un amplificador de potencia no son muy altos. Su potencia de salida es relativamente alta.

2. El amplificador de línea, después del amplificador de potencia, se utiliza para compensar periódicamente la pérdida de transmisión de línea, lo que generalmente requiere un índice de ruido relativamente pequeño y una gran potencia óptica de salida.

3. Preamplificador: Antes del divisor y después del amplificador de línea, se utiliza para amplificar la señal y mejorar la sensibilidad del receptor (si la relación señal-ruido (OSNR) cumple con los requisitos, la mayor potencia de entrada puede suprimir el ruido del propio receptor y mejorar la sensibilidad de recepción). El índice de ruido es muy bajo. No se requiere una gran potencia de salida.