◆Kenmerken en toepassingen van glasvezel-gedoteerde versterkers
Eenoptische versterkeris een apparaat dat zwakke optische signalen direct kan versterken. Het versterkt zwak invallend licht op basis van de principes van gestimuleerde emissie of gestimuleerde verstrooiing, en het mechanisme is precies hetzelfde als dat van een laser. Structureel gezien is een optische versterker een laser met weinig of geen feedback. Optische winst wordt bereikt wanneer het optische medium populatie-inversie ervaart onder invloed van pompstroom of pomplicht, waardoor optische versterking wordt gerealiseerd. In dit gedeelte worden veelgebruikte typen optische versterkers geïntroduceerd en wordt de nadruk gelegd op de principes en toepassingen van erbium-gedoteerde vezelversterkers.
Classificatie van optische versterkers
Optische versterkers kunnen grofweg in drie typen worden ingedeeld op basis van hun werkingsprincipes
1
2
3
Dit soort optische versterkers verschillen in hun werkingsprincipes en excitatiemethoden.
Werkingsprincipe van geballaste vezelversterker
EDFA-structuur
Een erbium-gedoteerde vezelversterker (EDFA) is een apparaat dat erbium-gedoteerde vezel gebruikt als versterkingsmedium om signaallicht te versterken met behulp van pomplicht dat wordt uitgezonden door een laserdiode. De structuur van een erbium-gedoteerde vezelversterker wordt weergegeven in de figuur.
Een golflengteverdelingsmultiplexer, ook bekend als multiplexer, combineert pomplicht en signaallicht met een golflengte van 980/1550 nm of 1480/1550 nm voordat deze worden ingevoerd in een erbium-gedoteerde vezel. Het vereist een laag invoegverlies en ongevoeligheid voor lichtpolarisatie.
Een optische isolator zorgt voor unidirectionele lichttransmissie, waardoor lichtreflectie naar het originele apparaat wordt voorkomen, omdat dergelijke reflectie de versterkerruis verhoogt en de versterkingsefficiëntie vermindert.
De functie van een optisch filter is het wegfilteren van ruis buiten de operationele bandbreedte van een optische versterker, waardoor de signaal-tot-ruisverhouding van het systeem wordt verbeterd.
Erbium-gedoteerde vezel is de kerncomponent van een EDFA (Elektrium-gedoteerde versterker). Het maakt gebruik van silicavezels als matrix en doteert de kern met erbiumionen, een laserwerkmateriaal in vaste- toestand. Binnen de enkele meters tot tientallen meters erbium-gedoteerde vezels heeft licht een wisselwerking met de materie en wordt het versterkt en verbeterd.
De modusvelddiameter (MFD) van erbium-gedoteerde vezels is 3–6 μm, veel kleiner dan die van conventionele vezels (9–16 μm). Dit is bedoeld om de energiedichtheid van het signaallicht en het pomplicht te vergroten, waardoor hun interactie-efficiëntie wordt verbeterd. De kleinere kerndiameter van erbium-gedoteerde vezels leidt echter ook tot een mismatch van het modusveld met conventionele vezels, wat resulteert in grotere reflectie en verbindingsverlies. De oplossing is om de vezel te doteren met een kleine hoeveelheid fluor om de brekingsindex te verlagen, waardoor de modusvelddiameter wordt vergroot om een niveau van overeenkomst met conventionele vezels te bereiken. Bovendien kan tijdens het fusielassen de mismatch van de modusvelddiameter worden verminderd door gebruik te maken van overgangsvezels of door de conventionele vezelconnector te verlengen om de kerndiameter te verkleinen.
Om een efficiëntere versterking te bereiken, worden tijdens de vervaardiging van erbium-gedoteerde vezels de meeste ionen geconcentreerd in het centrale gebied van de vezelkern. Dit komt omdat in optische vezels de lichtvelden van het signaal- en pomplicht kunnen worden beschouwd als ongeveer Gaussiaans verdeeld, met de sterkste lichtintensiteit langs de vezelkernas. De aanwezigheid van molybdeenionen in het paraxiale gebied zorgt voor een grotere interactie tussen licht en materie, waardoor de energieomzettingsefficiëntie wordt verbeterd. Afhankelijk van de toepassing van erbium-gedoteerde vezelversterkers (EDFA's), zijn er verschillende soorten erbium-gedoteerde vezels beschikbaar voor EDFA-ontwerp. Het type EDF-PAX-01 wordt bijvoorbeeld gebruikt voor het ontwerpen van-circuitversterkers en voorversterkers, die een vlakke en brede versterkingsbandbreedte vertonen; het EDF-LAX-01-type kan worden gebruikt in in-circuit versterkers en biedt een hoge vermogensconversie-efficiëntie en weinig ruis; en het type EDF-BAX-01 biedt een hoog uitgangsvermogen, enz.
Basisparameters van Erbium-gedoteerde vezels
| Parameter | EDF-PAX-01 | EDF-LAX-01 | EDF-BAX-01 | EDF-HCX-01 |
|---|---|---|---|---|
| Numerieke opening (NA) | 0.24 ± 0.02 | 0.24 ± 0.02 | 0.22 ± 0.02 | 0.24 ± 0.02 |
| Afgesneden-golflengte (nm) | 953 ± 35 | 953 ± 35 | 920 ± 40 | 920 ± 40 |
| Piekkernabsorptie @ 1530 nm (dB/m) | Kleiner dan of gelijk aan 1529,5 | 1530.5 ± 0.5 | 1531 ± 0.5 | 1530 ± 1 |
| Piekdemping @ 980 nm (dB/m) | 7 ± 2 | 7 ± 2 | 5 ± 2 | 8.5 ± 2 |
| Demping @ 980 nm (dB/m) | 5 ± 1.5 | 5 ± 1.5 | 3.55 ± 1.5 | 8.5 ± 2 |
| Achtergrondverlies @ 1200 nm (dB/km) | < 35 | < 15 | < 15 | < 15 |
| Verzadigd vermogen @ 1530 nm (mW) | 0.17 | 0.15 | 0.18 | 0.20 |
| Modus Velddiameter @ 1550 nm (μm) | 4.8 ~ 5.9 | 4.8 ~ 5.9 | 5.2 ~ 6.6 | 4.8 ~ 6 |
De pompbron is een ander kernonderdeel van de EDFA (Electro-Doped Fiber Optic Amplifier). Het levert voldoende energie voor optische signaalversterking, een noodzakelijke voorwaarde voor het bereiken van populatie-inversie van de activatordeeltjes. Omdat de pompbron rechtstreeks de prestaties van de EDFA bepaalt, is een hoog uitgangsvermogen, goede stabiliteit en een lange levensduur vereist. Praktische EDFA-pompbronnen zijn allemaal laserdiodes, met pompgolflengten van 980 nm en 1480 nm. De 980 nm-pompbron wordt vaker gebruikt vanwege de voordelen van laag geluidsniveau, hoge pompefficiëntie en vermogen tot enkele honderden milliwatt.
Het pomplicht en het signaal komen gelijktijdig de optische vezel binnen. Het pomplicht is het sterkst bij de erbium-gedoteerde vezelinlaat. Terwijl het zich langs de vezel voortplant, draagt het geleidelijk energie over aan het signaallicht, waardoor de signaalsterkte toeneemt, terwijl de eigen sterkte geleidelijk afneemt.
Het uitgangsvermogen en de geluidskarakteristieken bij verschillende pompmethoden worden in de volgende figuren vergeleken. Figuur a toont de relatie tussen het optische uitgangssignaalvermogen en het optische vermogen van de pomp; de differentiële conversie-efficiëntie van de drie pompmethoden is respectievelijk 61%, 76% en 77%. Figuur b toont de relatie tussen het ruisgetal en het optische uitgangsvermogen van de versterker. Naarmate het optische uitgangsvermogen toeneemt, neemt het deeltjesinversiegetal af, wat resulteert in een toename van het ruisgetal. Figuur c toont de relatie tussen het ruisgetal en de lengte van de erbium-gedoteerde vezel. Zoals uit de figuur blijkt, heeft de EDFA met de co-directionele pompmethode, ongeacht de lengte van de erbium-gedoteerde vezel, het laagste geluid.
