◆Χαρακτηριστικά και εφαρμογές ενισχυτών με πρόσμιξη ινών-
Εναοπτικός ενισχυτήςείναι μια συσκευή που μπορεί να ενισχύσει άμεσα αδύναμα οπτικά σήματα. Ενισχύει το αδύναμο προσπίπτον φως με βάση τις αρχές της διεγερμένης εκπομπής ή της διεγερμένης σκέδασης και ο μηχανισμός του είναι ακριβώς ο ίδιος με αυτόν ενός λέιζερ. Στην πραγματικότητα, δομικά, ένας οπτικός ενισχυτής είναι ένα λέιζερ με μικρή ή καθόλου ανάδραση. Το οπτικό κέρδος επιτυγχάνεται όταν το οπτικό μέσο βιώνει αναστροφή πληθυσμού υπό τη δράση του ρεύματος της αντλίας ή του φωτός της αντλίας, πραγματοποιώντας έτσι οπτική ενίσχυση. Αυτή η ενότητα εισάγει τύπους οπτικών ενισχυτών που χρησιμοποιούνται συνήθως και εστιάζει στις αρχές και τις εφαρμογές των ενισχυτών ινών με πρόσμιξη ερβίου-.
Ταξινόμηση οπτικών ενισχυτών
Οι οπτικοί ενισχυτές μπορούν να ταξινομηθούν ευρέως σε τρεις τύπους με βάση τις αρχές λειτουργίας τους
1
2
3
Αυτοί οι τύποι οπτικών ενισχυτών διαφέρουν ως προς τις αρχές λειτουργίας και τις μεθόδους διέγερσής τους.
Αρχή λειτουργίας του ενισχυτή με έρμα ινών
Δομή EDFA
Ένας ενισχυτής ινών με πρόσμιξη ερβίου-(EDFA) είναι μια συσκευή που χρησιμοποιεί ίνα με πρόσμιξη ερβίου- ως μέσο απολαβής για την ενίσχυση του φωτός σήματος χρησιμοποιώντας το φως της αντλίας που εκπέμπεται από μια δίοδο λέιζερ. Η δομή ενός ενισχυτή ινών με πρόσμιξη ερβίου-παρουσιάζεται στο σχήμα.
Ένας πολυπλέκτης διαίρεσης μήκους κύματος, γνωστός και ως πολυπλέκτης, συνδυάζει φως αντλίας και φως σήματος μήκους κύματος 980/1550 nm ή 1480/1550 nm πριν τα τροφοδοτήσει σε μια ίνα με πρόσμειξη με έρβιο-. Απαιτεί χαμηλή απώλεια εισαγωγής και αναισθησία στην πόλωση φωτός.
Ένας οπτικός απομονωτής εξασφαλίζει μονοκατευθυντική μετάδοση φωτός, αποτρέποντας την ανάκλαση του φωτός πίσω στην αρχική συσκευή, καθώς αυτή η ανάκλαση αυξάνει τον θόρυβο του ενισχυτή και μειώνει την απόδοση της ενίσχυσης.
Η λειτουργία ενός οπτικού φίλτρου είναι να φιλτράρει τον θόρυβο εκτός του εύρους ζώνης λειτουργίας ενός οπτικού ενισχυτή, βελτιώνοντας έτσι την αναλογία σήματος προς-του συστήματος.
Η ίνα με πρόσμιξη με έρβιο-είναι το βασικό συστατικό ενός EDFA (Electrium-Doped Amplifier). Χρησιμοποιεί ίνα πυριτίου ως μήτρα και εμπλουτίζει τον πυρήνα με ιόντα ερβίου, ένα υλικό εργασίας λέιζερ στερεάς κατάστασης-. Εντός των πολλών μέτρων έως δεκάδων μέτρων ίνας εμποτισμένης με έρβιο-, το φως αλληλεπιδρά με την ύλη και ενισχύεται και ενισχύεται.
Η διάμετρος πεδίου λειτουργίας (MFD) της ίνας με πρόσμιξη{0}}ερβίου είναι 3–6 μm, πολύ μικρότερη από αυτή της συμβατικής ίνας (9–16 μm). Αυτό γίνεται για να αυξηθεί η ενεργειακή πυκνότητα του φωτός σήματος και του φωτός της αντλίας, βελτιώνοντας έτσι την απόδοση αλληλεπίδρασής τους. Ωστόσο, η μειωμένη διάμετρος του πυρήνα της ίνας με πρόσμειξη ερβίου- οδηγεί επίσης σε αναντιστοιχία πεδίου λειτουργίας με τις συμβατικές ίνες, με αποτέλεσμα μεγαλύτερη ανάκλαση και απώλεια σύνδεσης. Η λύση είναι να εμποτιστεί η ίνα με μια μικρή ποσότητα φθορίου για να μειωθεί ο δείκτης διάθλασης, αυξάνοντας έτσι τη διάμετρο του πεδίου λειτουργίας για να επιτευχθεί ένα επίπεδο αντιστοιχίας με τις συμβατικές ίνες. Επιπρόσθετα, κατά τη σύντηξη σύντηξης, η αναντιστοιχία διαμέτρου πεδίου λειτουργίας μπορεί να μειωθεί χρησιμοποιώντας μεταβατικές ίνες ή επιμήκυνση του συμβατικού συνδετήρα ινών για μείωση της διαμέτρου του πυρήνα.
Για να επιτευχθεί πιο αποτελεσματική ενίσχυση, κατά την κατασκευή ινών με πρόσμιξη ερβίου-, τα περισσότερα ιόντα συγκεντρώνονται στην κεντρική περιοχή του πυρήνα της ίνας. Αυτό συμβαίνει επειδή, στις οπτικές ίνες, τα φωτεινά πεδία του σήματος και του φωτός της αντλίας μπορούν να θεωρηθούν περίπου Gaussian κατανεμημένα, με την ισχυρότερη ένταση φωτός κατά μήκος του άξονα του πυρήνα της ίνας. Η παρουσία ιόντων μολυβδαινίου στην παραξονική περιοχή επιτρέπει μεγαλύτερη αλληλεπίδραση μεταξύ φωτός και ύλης, βελτιώνοντας έτσι την απόδοση μετατροπής ενέργειας. Ανάλογα με την εφαρμογή ενισχυτών ινών με πρόσμειξη ερβίου-(EDFA), διατίθενται διάφοροι τύποι ινών με πρόσμιξη ερβίου- για σχεδιασμό EDFA. Για παράδειγμα, ο τύπος EDF-PAX-01 χρησιμοποιείται για το σχεδιασμό{10}}ενισχυτών και προενισχυτών κυκλωμάτων, που παρουσιάζουν ένα επίπεδο και μεγάλο εύρος ζώνης κέρδους. Ο τύπος EDF-LAX-01 μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε ενισχυτές κυκλώματος, προσφέροντας υψηλή απόδοση μετατροπής ισχύος και χαμηλό θόρυβο. και ο τύπος EDF-BAX-01 παρέχει υψηλή ισχύ εξόδου κ.λπ.
Βασικές Παράμετροι Ερβίου-Ντοπαρισμένων ινών
| Παράμετρος | EDF-PAX-01 | EDF-LAX-01 | EDF-BAX-01 | EDF-HCX-01 |
|---|---|---|---|---|
| Αριθμητικό διάφραγμα (NA) | 0.24 ± 0.02 | 0.24 ± 0.02 | 0.22 ± 0.02 | 0.24 ± 0.02 |
| Αποκοπή-μήκους κύματος (nm) | 953 ± 35 | 953 ± 35 | 920 ± 40 | 920 ± 40 |
| Μέγιστη απορρόφηση πυρήνα @ 1530 nm (dB/m) | Μικρότερο ή ίσο με 1529,5 | 1530.5 ± 0.5 | 1531 ± 0.5 | 1530 ± 1 |
| Μέγιστη εξασθένηση @ 980 nm (dB/m) | 7 ± 2 | 7 ± 2 | 5 ± 2 | 8.5 ± 2 |
| Εξασθένηση @ 980 nm (dB/m) | 5 ± 1.5 | 5 ± 1.5 | 3.55 ± 1.5 | 8.5 ± 2 |
| Απώλεια φόντου @ 1200 nm (dB/km) | < 35 | < 15 | < 15 | < 15 |
| Κορεσμένη ισχύς @ 1530 nm (mW) | 0.17 | 0.15 | 0.18 | 0.20 |
| Διάμετρος πεδίου λειτουργίας @ 1550 nm (μm) | 4.8 ~ 5.9 | 4.8 ~ 5.9 | 5.2 ~ 6.6 | 4.8 ~ 6 |
Η πηγή αντλίας είναι ένα άλλο βασικό εξάρτημα του EDFA (Ηλεκτρο-Ενισχυτής οπτικών ινών με πρόσμειξη). Παρέχει επαρκή ενέργεια για ενίσχυση οπτικού σήματος, απαραίτητη προϋπόθεση για την επίτευξη πληθυσμιακής αναστροφής των σωματιδίων του ενεργοποιητή. Εφόσον η πηγή της αντλίας καθορίζει άμεσα την απόδοση του EDFA, απαιτείται να έχει υψηλή ισχύ εξόδου, καλή σταθερότητα και μεγάλη διάρκεια ζωής. Οι πρακτικές πηγές αντλιών EDFA είναι όλες οι δίοδοι λέιζερ, με μήκη κύματος αντλίας 980nm και 1480nm. Η πηγή αντλίας 980nm χρησιμοποιείται πιο συχνά λόγω των πλεονεκτημάτων της στον χαμηλό θόρυβο, την υψηλή απόδοση της αντλίας και την ισχύ έως και αρκετές εκατοντάδες milliwatts.
Το φως της αντλίας και το σήμα εισέρχονται στην οπτική ίνα ταυτόχρονα. Το φως της αντλίας είναι ισχυρότερο στην είσοδο ινών με πρόσμειξη ερβίου-. Καθώς διαδίδεται κατά μήκος της ίνας, μεταφέρει σταδιακά ενέργεια στο φως του σήματος, αυξάνοντας την ισχύ του σήματος ενώ η δική του ισχύς σταδιακά μειώνεται.
Η ισχύς εξόδου και τα χαρακτηριστικά θορύβου σε διαφορετικές μεθόδους άντλησης συγκρίνονται στα ακόλουθα σχήματα. Το σχήμα α δείχνει τη σχέση μεταξύ της ισχύος οπτικού σήματος εξόδου και της οπτικής ισχύος της αντλίας. οι διαφορικές αποδόσεις μετατροπής των τριών μεθόδων άντλησης είναι 61%, 76% και 77%, αντίστοιχα. Το σχήμα β δείχνει τη σχέση μεταξύ του αριθμού θορύβου και της οπτικής ισχύος εξόδου του ενισχυτή. Καθώς η οπτική ισχύς εξόδου αυξάνεται, ο αριθμός αντιστροφής σωματιδίων μειώνεται, με αποτέλεσμα την αύξηση του αριθμού θορύβου. Το σχήμα γ δείχνει τη σχέση μεταξύ του αριθμού θορύβου και του μήκους της ίνας με πρόσμιξη-ερβίου. Όπως φαίνεται από το σχήμα, ανεξάρτητα από το μήκος της ίνας με πρόσμειξη με έρβιο-, το EDFA με τη μέθοδο άντλησης ομο{10}}έχει τον χαμηλότερο θόρυβο.
