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, compuesto principalmente por un medio activo (fibra de cuarzo dopada de decenas de metros de longitud, diámetro del núcleo de 3 a 5 micras, concentración de dopaje de (25-1000) x 10⁻⁶), fuente de luz de bombeo (LD de 990 o 1480 nm), acoplador óptico y aislador óptico. La luz de señal y la luz de bombeo pueden propagarse en la misma dirección (cobombeo), en direcciones opuestas (bombeo inverso) o en ambas direcciones (bombeo bidireccional) en 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) bajo la acción de la luz de bombeo, y pronto decae al nivel metaestable. Cuando regresa al estado fundamental bajo la acción de la luz de señal incidente, se emite el fotón correspondiente a la luz de señal, amplificando así la señal. Su espectro de emisión espontánea amplificada (ASE) tiene un ancho de banda amplio (hasta 20-40 nm) y presenta dos picos que corresponden a 1530 nm y 1550 nm, respectivamente.

Las principales ventajas deamplificador EDFASe caracterizan por tener 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 (de aproximadamente 10 a 30 m de longitud) se compone principalmente de una fibra dopada con erbio (de unos 10 a 30 m de longitud) y una fuente de luz de bombeo. Su principio de funcionamiento se basa en la acción de la fuente de luz de bombeo (longitud de onda de 980 nm o 1480 nm), que genera radiación estimulada. La luz radiada varía con la señal de entrada, lo que equivale a amplificarla. Los resultados muestran que la ganancia del amplificador de fibra dopada con erbio suele ser de 15 a 40 dB, y la distancia de transmisión puede aumentar en más de 100 km. Por lo tanto, surge la pregunta: ¿por qué los científicos pensaron en utilizar erbio dopado 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 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 una casualidad. 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 y 1480 nm, pero la práctica ha demostrado que la eficiencia del láser con una longitud de onda de 1480 nm es la más alta, seguida de la longitud de onda de 980 nm.

Estructura física

Estructura básica del amplificador óptico de fibra dopada con erbio (EDFA). Cuenta con un aislador en la entrada y otro en la salida, cuya función es lograr la transmisión unidireccional de la señal óptica. El excitador de bombeo tiene una longitud de onda de 980 nm o 1480 nm y se utiliza para proporcionar 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 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 adopta una estructura de dos o más fuentes de bombeo con aisladores intermedios para aislarlas entre sí. 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 utilizadas son las de 980 nm y 1480 nm, las cuales presentan una mayor eficiencia de bombeo y son las más empleadas. La fuente de bombeo de 980 nm tiene un coeficiente de ruido menor; la fuente de bombeo de 1480 nm ofrece una mayor eficiencia de bombeo y permite obtener una mayor potencia de salida (aproximadamente 3 dB superior a la de 980 nm).

ventaja

1. La longitud de onda de funcionamiento 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, por lo que la capacidad óptica está muy concentrada. Esto hace que la interacción entre la luz y el medio de ganancia de iones de erbio sea muy completa, y junto con la longitud adecuada de la fibra dopada con erbio, la eficiencia de conversión de la energía lumínica es alta.

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 al aumentar la potencia óptica inyectada en la fibra, y cuanto mayor sea el aumento, mejor. Cuando la potencia óptica se incrementa 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 valor de control de la potencia óptica de entrada de la fibra 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 de la propia fibra dopada con erbio no es plano. Es necesario utilizar un filtro de aplanamiento de ganancia para uniformizar 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 arrastrados por la luz de señal, completando así la amplificación de esta última. Si la luz de entrada se interrumpe, debido a que los iones de erbio metaestables continúan acumulándose, una vez que se restablece la entrada de luz de señal, se produce un salto de energía, lo que resulta en una sobretensión lumínica.

5. La solución a la sobretensión óptica consiste en implementar la función de reducción automática de potencia óptica (APR) o 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 sobretensión.

Modo de aplicación

1. El amplificador de potencia se utiliza para aumentar la potencia de señales de múltiples longitudes de onda después de la onda de refuerzo, y luego transmitirlas. Dado que la potencia de la señal después de la onda de refuerzo suele ser alta, el índice de ruido y la ganancia de un amplificador de potencia no son muy elevados. Tiene una potencia de salida relativamente alta.

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

3. Preamplificador: Ubicado 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 óptica (OSNR) cumple con los requisitos, una mayor potencia de entrada puede suprimir el ruido del propio 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.