Erbium-dopede fiberforstærkere (EDFA'er)

Erbium-doterede fiberforstærkere (EDFA'er) gør brug af sjældne jordarters elementer såsom erbium (Er3+) som forstærkningsmedium.Det dopes ind i fiberkernen under fremstillingsprocessen.Den består af et kort stykke fiber (typisk 10 m eller deromkring) lavet af glas, hvori en lille kontrolleret mængde erbium tilsættes som et dopingmiddel i form af en ion (Er3+).Silicafiberen fungerer således som et værtsmedium.Det er dopanterne (erbium) snarere end silicafibre, der bestemmer driftsbølgelængden og forstærkningsbåndbredden.EDFA'er opererer generelt i 1550 nm bølgelængdeområdet og kan tilbyde kapaciteter på over 1 Tbps.Så de er meget brugt i WDM-systemer.

Princippet om stimuleret emission gælder for EDFA's amplifikationsmekanisme.Når doteringsmidlet (en erbiumion) er i en højenergitilstand, vil en indfaldende foton fra det optiske inputsignal stimulere det.Det frigiver noget af sin energi til dopemidlet og vender tilbage til en lavere energitilstand ("stimuleret emission"), der er mere stabil.Figuren nedenfor viser den grundlæggende struktur af en EDFA.

1.1 Grundlæggende struktur af en EDFA

Pumpens laserdiode producerer normalt et optisk signal med bølgelængde (ved enten 980 nm eller 1480 nm) ved høj effekt (~ 10-200 mW).Dette signal kobles med lysindgangssignalet i den erbiumdopede sektion af silicafiberen gennem WDM-kobleren.Erbium-ionerne vil absorbere denne pumpesignalenergi og hoppe til deres exciterede tilstand.En del af udgangslyssignalet tappes og føres tilbage ved indgangen til pumpelaseren gennem optisk filter og detektor.Dette tjener som feedback effektkontrolmekanisme for at gøre EDFA'er til selvregulerende forstærkere.Når alle de metastabile elektroner er forbrugt, sker der ingen yderligere forstærkning.Derfor stabiliseres systemet automatisk, fordi den optiske udgangseffekt fra EDFA forbliver næsten konstant uanset udsving i indgangseffekten, hvis nogen.

1.2 Forenklet funktionsdiagram af en EDFA

Ovenstående figur viser det forenklede funktionsskema af en EDFA, hvor et pumpesignal fra laseren føjes til et optisk inputsignal (ved 1480 nm eller 980 nm) gennem en WDM-kobler.

Dette diagram viser en meget grundlæggende EDF-forstærker.Bølgelængden af ​​pumpesignalet (med pumpeeffekt på ca. 50 mW) er 1480 nm eller 980 nm.En del af dette pumpesignal overføres til det optiske inputsignal ved stimuleret emission inden for en kort længde af Erbium-doteret fiber.Den har typisk optisk forstærkning på omkring 5-15 dB og mindre end 10 dB støjtal.For 1550 nm drift er det muligt at opnå 30–40 dB optisk forstærkning.

1.3 Praktisk realisering af en EDFA

Ovenstående figur viser en forenklet betjening af en EDFA med dens praktiske struktur, når den bruges i WDM-applikation.

Som vist omfatter det følgende hoveddele:

• En isolator ved indgangen.Dette forhindrer støjen, der genereres af en EDFA, i at forplante sig mod senderenden.

• En WDM-kobling.Den kombinerer det optiske inputdatasignal med lav effekt på 1550 nm med højeffekts pumpende optisk signal (fra pumpekilde såsom laser) ved 980 nm bølgelængde.

• En lille del af erbium-doteret silicafiber.Faktisk tjener dette som det aktive medium for EDFA.

• En isolator ved udgangen.Det hjælper med at forhindre ethvert tilbagereflekteret optisk signal i at trænge ind i den erbium-doterede silicafiber.

Det endelige udgangssignal er et forstærket 1550 nm bølgelængde optisk datasignal med et resterende 980 nm bølgelængde pumpesignal.

Typer af Erbium-dopede fiberforstærkere (EDFA'er)

Der er to typer strukturer af Erbium-Doped Fiber Amplifiers (EDFA'er):

• EDFA med co-formeringspumpe

• EDFA med modformende pumpe

Figuren nedenfor viser mod-udbredende pumpe- og tovejspumpearrangementer, der kan bruges i EDFA-strukturer.

Forskellige pumpearrangementer

En co-propagerende pumpe EDFA har lavere optisk udgangseffekt med lav støj;mens en mod-udbredende pumpe EDFA giver højere output optisk effekt, men producerer også større støj.I en typisk kommerciel EDFA anvendes en tovejspumpe med samtidig co-propagerende og mod-propagerende pumpning, hvilket resulterer i en relativt ensartet optisk forstærkning.

Anvendelse af EDFA som booster, in-line og forforstærker

I en langdistanceapplikation af en optisk fiberkommunikationsforbindelse kan EDFA'er bruges som en boosterforstærker ved udgangen af ​​den optiske sender, en in-line optisk forstærker sammen med den optiske fiber samt en forforstærker lige før modtager, som vist i ovenstående figur.

Det kan bemærkes, at in-line EDFA'er placeres med en afstand på 20-100 km afhængigt af fibertabet.Det optiske inputsignal er på 1,55 μm bølgelængde, hvorimod pumpelaserne arbejder ved 1,48 μm eller 980 nm bølgelængde.Typisk længde af Erbium-doteret fiber er 10-50 m.

Amplifikationsmekanisme i EDFA'er

Som nævnt tidligere er amplifikationsmekanismen i en EDFA baseret på stimuleret emission svarende til den i laser.Høj energi fra det optiske pumpesignal (produceret af en anden laser) exciterer de doterende erbium-ioner (Er3+) i en silicafiber i den øvre energitilstand.Det optiske inputdatasignal stimulerer overgangen af ​​de exciterede Erbium-ioner til den lavere energitilstand og resulterer i stråling af fotoner med samme energi, dvs. den samme bølgelængde som det optiske inputsignals.

Energiniveaudiagram: Frie Erbium-ioner udviser diskrete niveauer af energibåndet.Når Erbium-ioner doteres til en silicafiber, opdeles hver af deres energiniveauer i et antal tæt beslægtede niveauer for at danne et energibånd.

1.4 Amplifikationsmekanisme i EDFA

For at opnå populationsinversion pumpes Er3+ ioner på mellemniveau 2. Ved indirekte metode (980-nm pumpning) flyttes Er3+ ioner kontinuerligt fra niveau 1 til niveau 3. Det efterfølges af ikke-strålende henfald til niveau 2, fra kl. hvor de falder til niveau 1, udsender de optiske signaler i den ønskede bølgelængde på 1500-1600 nm.Dette er kendt som 3-niveau amplifikationsmekanisme.

For flere Erbium-doterede produkter, se venligst på vores hjemmeside.

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

E-mail:devin@erbiumtechnology.com

WhatsApp: +86-18113047438

Fax: +86-2887897578

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