◆Karakteristika og anvendelser af fiber-doterede forstærkere
Anoptisk forstærkerer en enhed, der direkte kan forstærke svage optiske signaler. Den forstærker svagt indfaldende lys baseret på principperne om stimuleret emission eller stimuleret spredning, og dens mekanisme er nøjagtig den samme som en lasers. Faktisk er en optisk forstærker strukturelt en laser med ringe eller ingen feedback. Optisk forstærkning opnås, når det optiske medium oplever populationsinversion under påvirkning af pumpestrøm eller pumpelys, og dermed realiseres optisk forstærkning. Dette afsnit introducerer almindeligt anvendte typer optiske forstærkere og fokuserer på principperne og anvendelserne af erbium-doterede fiberforstærkere.
Klassificering af optiske forstærkere
Optiske forstærkere kan bredt klassificeres i tre typer baseret på deres driftsprincipper
1
2
3
Disse typer optiske forstærkere adskiller sig i deres driftsprincipper og excitationsmetoder.
Arbejdsprincip for ballastfiberforstærker
EDFA struktur
En erbium-dopet fiberforstærker (EDFA) er en enhed, der bruger erbium-doteret fiber som forstærkningsmedium til at forstærke signallys ved hjælp af pumpelys udsendt fra en laserdiode. Strukturen af en erbium-doteret fiberforstærker er vist på figuren.
En bølgelængdedelingsmultiplekser, også kendt som en multiplexer, kombinerer pumpelys og signallys på 980/1550 nm eller 1480/1550 nm bølgelængder, før de fødes til en erbium-doteret fiber. Det kræver lavt indføringstab og ufølsomhed over for lyspolarisering.
En optisk isolator sikrer ensrettet lystransmission og forhindrer lysreflektion tilbage til den originale enhed, da sådan refleksion øger forstærkerens støj og reducerer forstærkningseffektiviteten.
Funktionen af et optisk filter er at bortfiltrere støj uden for driftsbåndbredden af en optisk forstærker og derved forbedre systemets signal-til-støjforhold.
Erbium-doteret fiber er kernekomponenten i en EDFA (Electrium-Doped Amplifier). Den bruger silicafiber som matrix og doper kernen med erbiumioner, et fast-laserarbejdsmateriale. Inden for de adskillige meter til titusinder meter af erbium-doteret fiber interagerer lys med stoffet og forstærkes og forstærkes.
Modusfeltdiameteren (MFD) for erbium-doteret fiber er 3-6 μm, meget mindre end konventionel fiber (9-16 μm). Dette er for at øge energitætheden af signallyset og pumpelyset og derved forbedre deres interaktionseffektivitet. Den reducerede kernediameter af erbium-doteret fiber fører imidlertid også til en tilstandsfeltmismatch med konventionel fiber, hvilket resulterer i større refleksion og forbindelsestab. Løsningen er at dope fiberen med en lille mængde fluor for at sænke brydningsindekset og derved øge modusfeltdiameteren for at opnå et niveau af match med konventionel fiber. Derudover, under fusionssplejsning, kan tilstandsfeltdiametermistilpasningen reduceres ved at bruge overgangsfibre eller forlænge den konventionelle fiberkonnektor for at reducere kernediameteren.
For at opnå mere effektiv amplifikation under fremstillingen af erbium-doterede fibre er de fleste ioner koncentreret i det centrale område af fiberkernen. Dette skyldes, at lysfelterne i signal- og pumpelyset i optiske fibre kan betragtes som tilnærmelsesvis Gauss-fordelte med den stærkeste lysintensitet langs fiberkerneaksen. Tilstedeværelsen af molybdænioner i det paraksiale område giver mulighed for større interaktion mellem lys og stof, hvorved energiomdannelseseffektiviteten forbedres. Afhængigt af anvendelsen af erbium-doterede fiberforstærkere (EDFA'er), er forskellige typer erbium-doterede fibre tilgængelige til EDFA-design. For eksempel bruges EDF-PAX-01-typen til at designe-kredsløbsforstærkere og forforstærkere, der udviser en flad og bred forstærkningsbåndbredde; EDF-LAX-01-typen kan bruges i in-circuit-forstærkere, der tilbyder høj effektkonverteringseffektivitet og lav støj; og EDF-BAX-01 typen giver høj udgangseffekt osv.
Grundlæggende parametre for Erbium-doterede fibre
| Parameter | EDF-PAX-01 | EDF-LAX-01 | EDF-BAX-01 | EDF-HCX-01 |
|---|---|---|---|---|
| Numerisk blænde (NA) | 0.24 ± 0.02 | 0.24 ± 0.02 | 0.22 ± 0.02 | 0.24 ± 0.02 |
| Afskære-bølgelængde (nm) | 953 ± 35 | 953 ± 35 | 920 ± 40 | 920 ± 40 |
| Peak Core Absorption @ 1530 nm (dB/m) | Mindre end eller lig med 1529,5 | 1530.5 ± 0.5 | 1531 ± 0.5 | 1530 ± 1 |
| Spidsdæmpning ved 980 nm (dB/m) | 7 ± 2 | 7 ± 2 | 5 ± 2 | 8.5 ± 2 |
| Dæmpning ved 980 nm (dB/m) | 5 ± 1.5 | 5 ± 1.5 | 3.55 ± 1.5 | 8.5 ± 2 |
| Baggrundstab ved 1200 nm (dB/km) | < 35 | < 15 | < 15 | < 15 |
| Mættet effekt @ 1530 nm (mW) | 0.17 | 0.15 | 0.18 | 0.20 |
| Tilstandsfeltdiameter @ 1550 nm (μm) | 4.8 ~ 5.9 | 4.8 ~ 5.9 | 5.2 ~ 6.6 | 4.8 ~ 6 |
Pumpekilden er en anden kernekomponent i EDFA (Electro-Doped Fiber Optic Amplifier). Det giver tilstrækkelig energi til optisk signalforstærkning, en nødvendig betingelse for at opnå populationsinversion af aktivatorpartiklerne. Da pumpekilden direkte bestemmer EDFA'ens ydeevne, skal den have høj udgangseffekt, god stabilitet og lang levetid. Praktiske EDFA-pumpekilder er alle laserdioder med pumpebølgelængder på 980nm og 1480nm. 980nm pumpekilden er mere almindeligt brugt på grund af dens fordele med lav støj, høj pumpeeffektivitet og effekt op til flere hundrede milliwatt.
Pumpelyset og signalet kommer ind i den optiske fiber samtidigt. Pumpelyset er stærkest ved den erbium-doterede fiberindgang. Når den forplanter sig langs fiberen, overfører den gradvist energi til signallyset, hvilket øger signalstyrken, mens dens egen styrke gradvist aftager.
Udgangseffekten og støjegenskaberne under forskellige pumpemetoder sammenlignes i de følgende figurer. figur a viser forholdet mellem den optiske udgangssignaleffekt og den optiske pumpeeffekt; den differentielle konverteringseffektivitet for de tre pumpemetoder er henholdsvis 61 %, 76 % og 77 %. Figur b viser forholdet mellem støjtallet og forstærkerens optiske udgangseffekt. Når den optiske udgangseffekt stiger, falder partikelinversionstallet, hvilket resulterer i en stigning i støjtallet. Figur c viser forholdet mellem støjtallet og længden af den erbium-doterede fiber. Som det kan ses af figuren, uanset længden af den erbium-doterede fiber, har EDFA'en med den co-retningsbestemte pumpemetode den laveste støj.
