Geavanceerde optische componenten - Erbium-gedoteerde vezelversterker (EDFA)
Veel glasvezeltoepassingen, zoals DWDM-systemen voor lange afstanden, vereisen versterking van het optische signaal. In het verleden hield dit in dat om de 100 km dure elektronische repeaters moesten worden gebruikt op tussenliggende punten. De moderne DWDM-systemen voor lange afstanden gebruiken verschillende geavanceerde optische componenten om meerdere repeaters te vervangen door een enkel optisch apparaat. Deze optische apparaten, die optische versterkers worden genoemd, ooit slechts curiositeiten in het laboratorium, worden nu algemeen gebruikt in veldimplementaties. Een van de meest voorkomende optische versterkers is Erbium-gedoteerde vezelversterker (EDFA).
Onderzoekers ontwikkelden EDFA om meerdere elektronische repeaters te vervangen door minder optische repeaters, wat de systeemkosten en complexiteit reduceert. EDFA's maken ook eenvoudige systeemupgrades mogelijk door extra bronnen toe te voegen aan verschillende golflengten en ze te combineren op een enkele vezel met behulp van een DWDM-multiplexer .
De vezel die wordt gebruikt in een EDFA is gedoteerd met erbium, een zeldzaam aardelement dat de juiste energieniveaus heeft in zijn atomaire structuur om licht te amplificeren op 1550 nm. Een "pomp" laser van 980 nm of 1480 nm injecteert energie in de erbium-gedoteerde vezel. Wanneer een zwak signaal bij 1550 nm de vezel binnengaat, stimuleert het licht de erbiumatomen om hun opgeslagen energie vrij te maken als bijkomend licht van 1550 nm. Dit proces gaat door wanneer het signaal door de vezel stroomt en sterker en sterker wordt totdat het het met erbium gedoteerde gebied bereikt.
De onderstaande figuur toont een tweetraps EDFA met tussentijdse acess, een belangrijk element van glasvezelsystemen met zeer hoge prestaties. In dit geval zijn twee eenvoudige eentraps EDFA's samen verpakt. De gebruiker ontvangt de uitvoer van de EDFA van de eerste trap en de invoer van de EDFA van de tweede trap. Deze systemen vereisen vaak het periodieke gebruik van extra elementen, zoals Dispersion-Compensating Fiber (DCF), om de algehele verspreiding te verminderen. Een hoog invoegverlies van 10 dB of meer maakt DCF problematisch. Het plaatsen van de DCF op het tussenliggende toegangspunt van de EDFA in twee stadia vermindert schadelijke effecten op het systeem. De gebruiker realiseert nog steeds aanzienlijke winst via de EDFA, zelfs met de toevoeging van het hoge optische verliesstuk van DCF.
In de figuur passeert de optische ingang eerst de optische isolator # 1, die het licht van links naar rechts laat passeren. Vervolgens gaat het licht door WDM # 1. WDM # 1 verschaft een middel voor het injecteren van de 980 nm pompgolflengte in de eerste lengte van erbium-gedoteerde vezel. WDM # 1 maakt het ook mogelijk om het optische invoersignaal te koppelen aan de erbium-gedoteerde vezel met minimaal optisch verlies.
De energie van 980 nm pompt de erbium-atomen in een langzaam vervallende, geëxciteerde toestand. Wanneer het licht in de 1550 nm-band door de erbium-gedoteerde vezel reist, die meestal tientallen meters lang is, veroorzaakt het de gestimuleerde emissie van straling, net als een laser. Op deze manier krijgt het 1550 nm optische invoersignaal kracht. De uitvoer van de erbium-gedoteerde vezel gaat vervolgens door optische isolator # 2, die beschikbaar wordt voor de gebruiker. Typisch verbindt het middentrajectpunt met een soort dispersiecompensatie-inrichting. Het licht reist vervolgens door isolator # 3 en de WDM # 2. WDM # 2 koppelt 1480 nm energie van een tweede pomplaser aan het andere uiteinde van een tweede stuk erbium-gedoteerde vezel, waardoor de versterking en het uitgangsvermogen toenemen. Uiteindelijk gaat het licht door isolator # 4.
EDFA's vermijden de meeste actieve componenten omdat fotonen het signaal versterken. De EDFA biedt een hoog uitgangsvermogen, waarvoor minder versterkers nodig zijn in een bepaald systeemontwerp. De meest eenvoudige EDFA ontwerpversterkers lichten over een vrij smalle band: 12 nm. De toevoeging van versterkingsegalisatiefilters kan de band tot meer dan 25 nm doen toenemen. Andere exotische gedopeerde vezels verhogen de amplificatieband tot 40 nm of meer. Bovendien betekent datasnelheidonafhankelijkheid in EDFA's dat voor een systeemupgrade alleen de start- en ontvangstterminals moeten worden gewijzigd.
De betrouwbare prestaties van de EDFA maken het bruikbaar in glasvezelcommunicatiesystemen op lange afstand en met hoge gegevenssnelheid en CATV-bezorgingssystemen. In CATV-toepassingen versterken EDFA's het signaal voor en na een optische splitser om het gesplitste signaal voor transmissie over meerdere vezels te versterken. Bekijk hier de productgegevens van de CATV-versterker. Over het algemeen bestaan er vier belangrijke toepassingen voor optische versterkers: eindversterker / versterker, in-line versterker, voorversterker of verliescompensatie voor optische netwerken.