Erbium-dopet fiberforsterkere (EDFA)

Erbium-dopet fiberforsterkere (EDFAer) bruker sjeldne jordartselementer som erbium (Er3+) som forsterkningsmedium.Det dopes inn i fiberkjernen under produksjonsprosessen.Den består av et kort stykke fiber (typisk 10 m eller så) laget av glass der en liten kontrollert mengde erbium tilsettes som et dopingmiddel i form av et ion (Er3+).Silikafiberen fungerer således som et vertsmedium.Det er dopstoffene (erbium) i stedet for silikafiber som bestemmer driftsbølgelengden og forsterkningsbåndbredden.EDFA-er opererer vanligvis i 1550 nm bølgelengderegionen og kan tilby kapasiteter over 1 Tbps.Så de er mye brukt i WDM-systemer.

Prinsippet om stimulert emisjon gjelder for forsterkningsmekanismen til EDFA.Når dopemidlet (et erbiumion) er i en høyenergitilstand, vil et innfallende foton fra det optiske inngangssignalet stimulere det.Det frigjør noe av energien til dopemidlet og går tilbake til en tilstand med lavere energi ("stimulert utslipp") som er mer stabil.Figuren nedenfor viser den grunnleggende strukturen til en EDFA.

1.1 Grunnleggende struktur for en EDFA

Pumpelaserdioden produserer normalt et optisk signal med bølgelengde (ved enten 980 nm eller 1480 nm) ved høy effekt (~ 10–200 mW).Dette signalet er koblet med lysinngangssignalet i den erbiumdopete delen av silikafiberen gjennom WDM-kobleren.Erbiumionene vil absorbere denne pumpesignalenergien og hoppe til sin eksiterte tilstand.En del av utgangslyssignalet tappes og mates tilbake ved inngangen til pumpelaseren gjennom optisk filter og detektor.Dette fungerer som tilbakekoblingseffektkontrollmekanisme for å gjøre EDFA-er som selvregulerende forsterkere.Når alle de metastabile elektronene er forbrukt, skjer ingen ytterligere forsterkning.Derfor stabiliserer systemet seg automatisk fordi den optiske utgangseffekten til EDFA forblir nesten konstant uavhengig av inngangseffektsvingningen, hvis noen.

1.2 Forenklet funksjonsskjema av en EDFA

Figuren ovenfor viser det forenklede funksjonsskjemaet til en EDFA der et pumpesignal fra laseren legges til et optisk inngangssignal (ved 1480 nm eller 980 nm) gjennom en WDM-kobler.

Dette diagrammet viser en veldig enkel EDF-forsterker.Bølgelengden til pumpesignalet (med pumpeeffekt på ca. 50 mW) er 1480 nm eller 980 nm.En del av dette pumpesignalet overføres til det optiske inngangssignalet ved stimulert emisjon innenfor en kort lengde av Erbium-dopet fiber.Den har typisk optisk forsterkning på omtrent 5–15 dB og mindre enn 10 dB støytall.For 1550 nm drift er det mulig å oppnå 30–40 dB optisk forsterkning.

1.3 Praktisk realisering av en EDFA

Figuren ovenfor viser en forenklet operasjon av en EDFA med dens praktiske struktur når den brukes i WDM-applikasjoner.

Som vist inkluderer den følgende hoveddeler:

• En isolator ved inngangen.Dette hindrer støyen som genereres av en EDFA fra å forplante seg mot senderenden.

• En WDM-kobling.Den kombinerer det laveffekts 1550 nm optiske inngangsdatasignalet med høyeffekts pumpende optisk signal (fra pumpekilde som laser) ved 980 nm bølgelengde.

• En liten del av erbium-dopet silikafiber.Faktisk fungerer dette som det aktive mediet til EDFA.

• En isolator ved utgangen.Det bidrar til å forhindre at ethvert tilbakereflektert optisk signal kommer inn i den erbium-dopete silikafiberen.

Det endelige utgangssignalet er et forsterket 1550 nm bølgelengde optisk datasignal med et gjenværende 980 nm bølgelengde pumpesignal.

Typer Erbium-dopet fiberforsterkere (EDFA)

Det er to typer strukturer av Erbium-dopet fiberforsterkere (EDFA):

• EDFA med samformeringspumpe

• EDFA med motforplantningspumpe

Figuren nedenfor viser motforplantende pumpe- og toveis pumpearrangementer som kan brukes i EDFA-strukturer.

Ulike pumpearrangementer

En co-propagerende pumpe EDFA har lavere utgangs optisk effekt med lav støy;mens en motforplantende pumpe EDFA gir høyere utgangs optisk kraft, men produserer også større støy.I en typisk kommersiell EDFA brukes en toveis pumpe med samtidig co-propagerende og mot-propagerende pumping som resulterer i en relativt jevn optisk forsterkning.

Bruk av EDFA som booster, in-line og forforsterker

I en langdistanseapplikasjon av en optisk fiberkommunikasjonsforbindelse, kan EDFA-er brukes som en boosterforsterker ved utgangen av den optiske senderen, en in-line optisk forsterker sammen med den optiske fiberen samt en forforsterker like før mottaker, som vist i figuren ovenfor.

Det kan bemerkes at in-line EDFAer er plassert med 20–100 km avstand fra hverandre avhengig av fibertapet.Det optiske inngangssignalet er på 1,55 μm bølgelengde, mens pumpelaserne opererer ved 1,48 μm eller 980 nm bølgelengde.Typisk lengde på Erbium-dopet fiber er 10–50 m.

Amplifikasjonsmekanisme i EDFAer

Som nevnt tidligere er forsterkningsmekanismen i en EDFA basert på stimulert emisjon som ligner på laser.Høy energi fra det optiske pumpesignalet (produsert av en annen laser) eksiterer dopanterbiumionene (Er3+) i en silikafiber ved den øvre energitilstanden.Det optiske inngangsdatasignalet stimulerer overgangen til de eksiterte Erbiumioner til den lavere energitilstanden og resulterer i stråling av fotoner med samme energi, dvs. samme bølgelengde som det optiske inngangssignalet.

Energinivådiagram: Frie erbiumioner viser diskrete nivåer av energibåndet.Når Erbiumioner dopes inn i en silikafiber, splittes hvert av energinivåene deres i en rekke nært beslektede nivåer for å danne et energibånd.

1.4 Amplifikasjonsmekanisme i EDFA

For å oppnå populasjonsinversjon pumpes Er3+ ioner på mellomnivå 2. Ved indirekte metode (980-nm pumping) flyttes Er3+ ioner kontinuerlig fra nivå 1 til nivå 3. Det etterfølges av ikke-strålende nedbrytning til nivå 2, fra kl. hvor de faller til nivå 1, og utstråler de optiske signalene i ønsket bølgelengde på 1500–1600 nm.Dette er kjent som 3-nivå amplifikasjonsmekanisme.

For flere Erbium-dopete produkter, ta en titt på nettsiden vår.

https://www.erbiumtechnology.com/erbium-laser-glasseye-safe-laser-glass/

E-post:devin@erbiumtechnology.com

WhatsApp: +86-18113047438

Faks: +86-2887897578

Legg til: No.23, Chaoyang road, Xihe street, Longquanyi distrcit, Chengdu, 610107, Kina.