Geavanceerde optische componenten - Erbium-gedoteerde vezelversterker (EDFA)
Veel glasvezeltoepassingen, zoals DWDM-systemen voor lange afstanden, vereisen versterking van het optische signaal. In het verleden betekende dit het gebruik van dure elektronische repeaters op tussenliggende punten om de 100 km. De moderne langeafstands DWDM-systemen van vandaag gebruiken verschillende geavanceerde optische componenten om meerdere repeaters te vervangen door één optisch apparaat. Deze optische apparaten, die optische versterkers worden genoemd, waren ooit alleen maar curiosa in het laboratorium, worden nu algemeen gebruikt in veldtoepassingen. Een van de meest voorkomende optische versterkers is Erbium-gedoteerde glasvezelversterker (EDFA).
Onderzoekers ontwikkelden EDFA om tal van elektronische repeaters te vervangen door minder optische repeaters, waardoor de systeemkosten en de complexiteit afnamen. EDFA's maken ook eenvoudige systeemupgrades mogelijk door extra bronnen toe te voegen aan verschillende golflengten en deze te combineren op een enkele vezel met behulp van een DWDM-multiplexer.
De vezel die in een EDFA wordt gebruikt, is gedoteerd met erbium, een zeldzaam aardelement dat de juiste energieniveaus in zijn atoomstructuur heeft om licht bij 1550 nm te versterken. Een "pomp" laser van 980 nm of 1480 nm injecteert energie in de met erbium gedoteerde vezel. Wanneer een zwak signaal bij 1550 nm de vezel binnenkomt, stimuleert het licht de erbiumatomen om hun opgeslagen energie af te geven als extra 1550 nm licht. Dit proces gaat door terwijl het signaal de vezel passeert en sterker en sterker wordt totdat het het met erbium gedoteerde gebied bereikt.
De onderstaande afbeelding toont een tweetraps EDFA met toegang in het middentraject, een belangrijk element van zeer hoogwaardige optische vezelstelsels. In dit geval zijn twee eenvoudige eentraps-EDFA's samen verpakt. De gebruiker ontvangt de uitvoer van de EDFA van de eerste fase en de invoer van de EDFA van de tweede fase. Deze systemen vereisen vaak het periodieke gebruik van extra elementen, zoals Dispersion Compensating Fiber (DCF), om de algehele dispersie te verminderen. Een hoog invoegverlies van 10 dB of meer maakt DCF problematisch. Het plaatsen van de DCF op het middelste toegangspunt van de tweetraps EDFA vermindert schadelijke effecten op het systeem. De gebruiker realiseert nog steeds aanzienlijke winst door de EDFA, zelfs met de toevoeging van het hoge optische verlies van DCF.
In de figuur gaat de optische ingang eerst door optische isolator # 1, waardoor onlu licht van links naar rechts kan passeren. Vervolgens gaat het licht door WDM # 1. WDM # 1 biedt een middel voor het injecteren van de 980 nm pompgolflengte in de eerste lengte van met erbium gedoteerde vezel. WDM # 1 maakt het ook mogelijk om het optische ingangssignaal te koppelen aan de met erbium gedoteerde vezel met minimaal optisch verlies.
De energie van 980 nm pompt de erbiumatomen in een langzaam vervallen, opgewonden toestand. Wanneer licht in de 1550 nm-band door de met erbium gedoteerde vezel reist, die meestal tientallen meters lang is, veroorzaakt het de gestimuleerde emissie van straling, net als een laser. Op deze manier wordt het optische ingangssignaal van 1550 nm sterker. De output van de met erbium gedoteerde vezel gaat vervolgens door optische isolator # 2, die beschikbaar komt voor de gebruiker. Gewoonlijk is het middelste toegangspunt verbonden met een soort dispersiecompensatieapparaat. Het licht reist dan door isolator # 3 en de WDM # 2. WDM # 2 koppelt 1480 nm energie van een tweede pomplaser aan het andere uiteinde van een tweede lengte van met erbium gedoteerde vezel, waardoor de versterking en het uitgangsvermogen toenemen. Eindelijk reist het licht door isolator # 4.
EDFA's vermijden de meeste actieve componenten omdat fotonen het signaal versterken. De EDFA biedt een hoog uitgangsvermogen en vereist minder versterkers in een bepaald systeemontwerp. De meest elementaire EDFA-ontwerpversterkers lichten op over een vrij smalle band: 12 nm. De toevoeging van versterkingsfilters kan de band vergroten tot meer dan 25 nm. Andere exotische gedoteerde vezels verhogen de versterkingsband tot 40 nm of meer. Bovendien betekent onafhankelijkheid van gegevenssnelheden in EDFA's dat een systeemupgrade alleen de lancering- en ontvangstterminals hoeft te wijzigen.
De betrouwbare prestaties van de EDFA maken hem bruikbaar in lange-afstandsvezelkabelvezeloptische communicatiesystemen en CATV-bezorgsystemen. In CATV-toepassingen versterken EDFA's het signaal voor en na een optische splitter om het gesplitste signaal te versterken voor verzending via verschillende vezels. Bekijk hier de productgegevens van de CATV-versterker. Over het algemeen bestaan er vier belangrijke toepassingen voor optische versterkers: eindversterker / booster, in-line versterker, voorversterker of verliescompensatie voor optische netwerken.
