Προηγμένα οπτικά στοιχεία - Ενισχυτής ενισχυτή οπτικών ινών Erbium (EDFA)
Πολλές εφαρμογές οπτικών ινών, όπως συστήματα DWDM για μεγάλες αποστάσεις, απαιτούν ενίσχυση του οπτικού σήματος. Στο παρελθόν, αυτό συνεπάγεται τη χρήση ακριβών ηλεκτρονικών αναμεταδοτών σε ενδιάμεσες θέσεις κάθε 100 χιλιόμετρα. Τα σημερινά σύγχρονα συστήματα DWDM μακρινών αποστάσεων χρησιμοποιούν αρκετά προηγμένα οπτικά στοιχεία για να αντικαταστήσουν πολλαπλούς αναμεταδότες με μία μόνο οπτική συσκευή. Αυτές οι οπτικές συσκευές, οι οποίες ονομάζονται οπτικοί ενισχυτές, μία φορά μόνο εργαστηριακές περιγραφές, τώρα βλέπουν ευρεία χρήση στις αναπτυγμένες περιοχές. Ένας από τους πιο συνηθισμένους οπτικούς ενισχυτές είναι ενισχυτής ενισχυτή οπτικών ινών Erbium (EDFA).
Οι ερευνητές ανέπτυξαν το EDFA για να αντικαταστήσουν πολυάριθμους ηλεκτρονικούς αναμεταδότες με λιγότερους οπτικούς αναμεταδότες, συνολικό κόστος και πολυπλοκότητα μείωσης του συστήματος. Τα EDFA επιτρέπουν επίσης απλές αναβαθμίσεις του συστήματος προσθέτοντας πρόσθετες πηγές σε διαφορετικά μήκη κύματος και συνδυάζοντάς τα σε μια ενιαία ίνα χρησιμοποιώντας ένα πολυπλέκτη DWDM.
Η ίνα που χρησιμοποιείται σε EDFA είναι εφοδιασμένη με έρβιο, ένα στοιχείο σπανίων γαιών που έχει τα κατάλληλα επίπεδα ενέργειας στην ατομική του δομή για να ενισχύσει το φως στα 1550 nm. Ένα λέιζερ "αντλίας" 980 nm ή 1480 nm ενίει ενέργεια στην ίνα που έχει προστεθεί με έρπη. Όταν ένα αδύναμο σήμα στα 1550 nm εισέρχεται στην ίνα, το φως διεγείρει τα άτομα του έρβιου για να απελευθερώσει την αποθηκευμένη ενέργεια τους ως πρόσθετο φως 1550 nm. Αυτή η διαδικασία συνεχίζεται καθώς το σήμα περνάει κάτω από την ίνα, αυξάνεται ισχυρότερο και ισχυρότερο μέχρι να φτάσει στην περιοχή που έχει προσβληθεί από έρβιο.
Το παρακάτω σχήμα δείχνει ένα EDFA δύο σταδίων με ακρίβεια στα μέσα στάδια, ένα σημαντικό στοιχείο των συστημάτων οπτικών ινών πολύ υψηλής απόδοσης. Σε αυτή την περίπτωση, δύο απλά EDFA ενός σταδίου συσκευάζονται μαζί. Ο χρήστης λαμβάνει την έξοδο του πρώτου σταδίου EDFA και την είσοδο του δεύτερου σταδίου EDFA. Αυτά τα συστήματα συχνά απαιτούν την περιοδική χρήση επιπρόσθετων στοιχείων, όπως είναι η διασπορά-αντισταθμιστική ίνα (DCF), προκειμένου να μειωθεί η συνολική διασπορά. Μια υψηλή απώλεια εισαγωγής 10 dB ή περισσότερο καθιστά DCF προβληματική. Η τοποθέτηση του DCF στο σημείο πρόσβασης στα μέσα του σταδίου του EDFA δύο σταδίων μειώνει τις επιβλαβείς επιδράσεις στο σύστημα. Ο χρήστης εξακολουθεί να συνειδητοποιεί σημαντικό κέρδος μέσω του EDFA, ακόμη και με το πρόσθετο από το μεγάλο κομμάτι οπτικής απώλειας του DCF.
Στο σχήμα, η οπτική είσοδος διέρχεται πρώτα μέσω του οπτικού απομονωτή # 1, ο οποίος επιτρέπει στο φως να περάσει από αριστερά προς τα δεξιά. Στη συνέχεια το φως περνάει από το WDM # 1. Το WDM # 1 παρέχει ένα μέσο έγχυσης του μήκους κύματος της αντλίας 980 nm εντός του πρώτου μήκους ίνας που έχει προστεθεί με έρβιο. Το WDM # 1 επιτρέπει επίσης τη σύζευξη του οπτικού σήματος εισόδου στην ίνα με έμβλημα με έρβιο με ελάχιστη οπτική απώλεια.
Η ενέργεια των 980 nm αντλεί τα άτομα του erbium σε μια αργά αποσυνθετική, διεγερμένη κατάσταση. Όταν το φως στη ζώνη των 1550 nm ταξιδεύει μέσω της ίνας με έμβλημα με έρβιο, η οποία είναι συνήθως δεκάδες μέτρα, προκαλεί την διέγερση εκπομπής ακτινοβολίας, σαν ένα λέιζερ. Με αυτόν τον τρόπο, το οπτικό σήμα εισόδου 1550 nm κερδίζει δύναμη. Η έξοδος της ίνας εμβαπτιζόμενης από έρβιο περνά από τον οπτικό απομονωτή # 2, ο οποίος καθίσταται διαθέσιμος για τον χρήστη. Χαρακτηριστικά, το σημείο ακμής στο μέσο στάδιο συνδέεται με κάποιο είδος συσκευής αντιστάθμισης διασποράς. Στη συνέχεια το φως ταξιδεύει μέσω του απομονωτή # 3 και του WDM # 2. Το WDM # 2 ζευγαρώνει ενέργεια 1480 nm από ένα δεύτερο λέιζερ αντλίας στο άλλο άκρο ενός δεύτερου μήκους ίνας εμβαπτιζόμενου από έρβιο, αυξάνοντας την ισχύ κέρδους και εξόδου. Τέλος, το φως ταξιδεύει μέσω του απομονωτή # 4.
Τα EDFA αποφεύγουν τα πιο ενεργά συστατικά επειδή τα φωτόνια ενισχύουν το σήμα. Το EDFA παρέχει υψηλή ισχύ εξόδου, απαιτώντας λιγότερους ενισχυτές σε ένα συγκεκριμένο σχεδιασμό συστήματος. Οι πιο βασικοί ενισχυτές σχεδιασμού EDFA φωτίζουν σε αρκετά στενή ζώνη: 12 nm. Η προσθήκη φίλτρων εξισορρόπησης κέρδους μπορεί να αυξήσει τη ζώνη σε περισσότερο από 25 nm. Άλλες εξωτικές ίνες ενισχυμένες αυξάνουν τη ζώνη ενίσχυσης στα 40 nm ή και περισσότερο. Επιπλέον, η ανεξαρτησία του ρυθμού δεδομένων σε EDFA σημαίνει ότι η αναβάθμιση του συστήματος απαιτεί την αλλαγή μόνο των τερματικών εκτόξευσης και λήψης.
Οι αξιόπιστες επιδόσεις του EDFA το καθιστούν χρήσιμο σε συστήματα τηλεπικοινωνιών οπτικών ινών μεγάλου μήκους, υψηλής ταχύτητας δεδομένων και συστήματα παράδοσης καλωδιακής τηλεόρασης. Στις εφαρμογές CATV, τα EDFA ενισχύουν το σήμα πριν και μετά από έναν οπτικό διαχωριστή για να ενισχύσουν το διαχωρισμένο σήμα για μετάδοση μέσω διαφόρων ινών. Δείτε τα στοιχεία του προϊόντος ενισχυτή CATV εδώ. Γενικά, υπάρχουν τέσσερις σημαντικές εφαρμογές για οπτικούς ενισχυτές: ενισχυτής / ενισχυτής ισχύος, ενισχυτής εν σειρά, προενισχυτής ή αντισταθμίσεις απώλειας για οπτικά δίκτυα.