Principio y aplicación deAmplificador de fibra dopada con erbio EDFA
La estructura básica deEDFAEl amplificador de fibra dopada con erbio se compone principalmente de un medio activo (fibra de cuarzo dopada de decenas de metros de longitud, con un diámetro de núcleo de 3 a 5 micras y una concentración de dopaje de (25-1000) × 10⁻⁶), una fuente de luz de bombeo (LD de 990 o 1480 nm), un acoplador óptico y un aislador óptico. La luz de señal y la luz de bombeo pueden propagarse en la misma dirección (bombeo simultáneo), en direcciones opuestas (bombeo inverso) o en ambas direcciones (bombeo bidireccional) dentro de la fibra de erbio. Cuando la luz de señal y la luz de bombeo se inyectan simultáneamente en la fibra de erbio, el ion de erbio se excita a un nivel de alta energía (sistema de tres niveles) por la acción de la luz de bombeo, y poco después decae a un nivel metaestable. Al regresar al estado fundamental por la acción de la luz de señal incidente, se emite el fotón correspondiente a la señal, amplificándola. Su espectro de emisión espontánea amplificada (ASE) tiene un ancho de banda amplio (hasta 20-40 nm) y presenta dos picos correspondientes a 1530 nm y 1550 nm respectivamente.
Las principales ventajas deamplificador EDFASon de 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.
Principio de funcionamiento del amplificador de fibra dopada con erbio
El amplificador de fibra dopada con erbio (Amplificador óptico EDFAEl amplificador de fibra dopada con erbio se compone principalmente de una fibra de entre 10 y 30 metros de longitud y una fuente de luz de bombeo. Su principio de funcionamiento se basa en que la fibra genera radiación estimulada por la acción de la fuente de luz de bombeo (longitud de onda de 980 nm o 1480 nm), y la luz radiada varía con la señal de entrada, lo que equivale a amplificarla. Los resultados muestran que la ganancia del amplificador suele ser de 15 a 40 dB, y la distancia de transmisión puede superar los 100 km. Por lo tanto, surge la pregunta: ¿por qué los científicos decidieron utilizar erbio en un amplificador 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 poseen características estructurales especiales. El dopaje con elementos de tierras raras en dispositivos ópticos se ha utilizado durante mucho tiempo para mejorar su rendimiento, por lo que no se trata de un factor casual. Además, ¿por qué se elige una longitud de onda de 980 nm o 1480 nm para la fuente de luz de bombeo? De hecho, la longitud de onda de la fuente de luz de bombeo puede ser de 520 nm, 650 nm, 980 nm o 1480 nm, pero la práctica ha demostrado que la eficiencia del láser con una fuente de luz de bombeo de 1480 nm es la más alta, seguida por la de 980 nm.
Estructura física
Estructura básica de un amplificador de fibra dopada con erbio (amplificador óptico EDFA). Dispone de un aislador en la entrada y otro en la salida para garantizar la transmisión unidireccional de la señal óptica. El excitador de bombeo, con una longitud de onda de 980 nm o 1480 nm, suministra la energía. El acoplador acopla la señal óptica de entrada y la luz de bombeo a la fibra dopada con erbio, transfiriendo la energía de esta última a la señal de entrada mediante la acción de la fibra, logrando así la amplificación de energía 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 utilizado en la práctica emplea una estructura con dos o más fuentes de bombeo, separadas entre sí por aisladores. Para obtener una curva de ganancia más amplia y plana, se añade un filtro aplanador 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 comunes son las de 980 nm y 1480 nm, siendo estas dos últimas las más utilizadas por su alta eficiencia. La fuente de bombeo de 980 nm presenta un coeficiente de ruido menor; la de 1480 nm, en cambio, ofrece una mayor eficiencia y permite obtener una potencia de salida superior (aproximadamente 3 dB más que la de 980 nm).
ventaja
1. La longitud de onda de operación 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 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, lo que concentra la capacidad óptica. Esto permite una interacción muy completa entre la luz y el ion de erbio del medio de ganancia, y, junto con una longitud adecuada de la fibra dopada con erbio, resulta en una alta eficiencia de conversión de energía lumínica.
4. Alta ganancia, bajo índice de ruido, gran potencia de salida, baja diafonía entre canales.
5. Características de ganancia estables: El 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 aumentando la potencia inyectada en la fibra, pero cuanto mayor sea el aumento, mejor. Al incrementar la potencia óptica hasta cierto punto, se produce el efecto no lineal de la fibra óptica. Por lo tanto, al usar amplificadores de fibra óptica, es importante controlar la potencia óptica de entrada en cada 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 irregular: El ancho de banda de ganancia del amplificador de fibra dopada con erbio (EDFA) es muy amplio, pero el espectro de ganancia de la propia fibra no es plano. Es necesario utilizar un filtro de aplanamiento de ganancia para aplanar la ganancia en el sistema WDM.
4. Problema de sobretensión lumínica: Cuando la trayectoria de la luz es normal, los iones de erbio excitados por la luz de bombeo son transportados por la luz de señal, completando así la amplificación de esta. Si se interrumpe la luz de entrada, debido a la continua acumulación de iones de erbio metaestables, al restablecerse la entrada de la luz de señal se produce un salto de energía, lo que resulta en una sobretensión lumínica.
5. La solución al pico óptico es implementar la función de reducción automática de potencia óptica (APR) o de apagado automático de potencia óptica (APSD) en el EDFA, es decir, el EDFA reduce automáticamente la potencia o apaga automáticamente la potencia cuando no hay luz de entrada, suprimiendo así la aparición del fenómeno de pico.
Modo de aplicación
1. El amplificador de potencia se utiliza para aumentar la potencia de señales de múltiples longitudes de onda tras la amplificación, y luego transmitirlas. Dado que la potencia de la señal tras la amplificación suele ser alta, el índice de ruido y la ganancia del amplificador no son muy elevados, lo que resulta en una potencia de salida relativamente alta.
2. El amplificador de línea, después del amplificador de potencia, se utiliza para compensar periódicamente la pérdida de transmisión de la línea, generalmente requiriendo un índice de ruido relativamente pequeño y una gran potencia óptica de salida.
3. Preamplificador: Se coloca antes del divisor y después del amplificador de línea. Se utiliza para amplificar la señal y mejorar la sensibilidad del receptor (siempre que la relación señal/ruido óptica (OSNR) cumpla los requisitos; una mayor potencia de entrada puede suprimir el ruido del receptor y mejorar la sensibilidad de recepción). El índice de ruido es muy bajo, por lo que no se requiere una gran potencia de salida.
Fecha de publicación: 17 de marzo de 2025