Усовершенствованные оптические компоненты - усилитель на основе эрбия (EDFA)
Многие волоконно-оптические приложения, такие как системы DWDM для дальней связи, требуют усиления оптического сигнала. В прошлом это требовало использования дорогих электронных повторителей в промежуточных точках каждые 100 км. Современные современные дальнемагистральные DWDM-системы используют несколько современных оптических компонентов, чтобы заменить несколько повторителей одним оптическим устройством. Эти оптические устройства, которые называются оптическими усилителями, когда-то представлявшими собой только лабораторные курьезы, теперь широко используются в полевых условиях. Одним из наиболее распространенных оптических усилителей является волоконный усилитель на основе эрбия (EDFA).
Исследователи разработали EDFA для замены многочисленных электронных повторителей меньшим количеством оптических повторителей, что в целом снижает стоимость и сложность системы. EDFA также позволяют выполнять простую модернизацию системы, добавляя дополнительные источники к разным длинам волн и объединяя их в одно волокно с использованием мультиплексора DWDM.
Волокно, используемое в EDFA, легировано эрбием, редкоземельным элементом, который имеет соответствующие энергетические уровни в своей атомной структуре для усиления света при 1550 нм. Лазер накачки с длиной волны 980 нм или 1480 нм вводит энергию в волокно, легированное эрбием. Когда слабый сигнал на 1550 нм входит в волокно, свет стимулирует атомы эрбия высвобождать свою накопленную энергию в виде дополнительного света на 1550 нм. Этот процесс продолжается, когда сигнал проходит по волокну, становясь все сильнее и сильнее, пока не достигнет области, допированной эрбием.
На рисунке ниже показан двухступенчатый EDFA с промежуточным доступом, важный элемент высокопроизводительных волоконно-оптических систем. В этом случае две простые одностадийные EDFA упакованы вместе. Пользователь получает выходные данные EDFA первого этапа и входные данные EDFA второго этапа. Эти системы часто требуют периодического использования дополнительных элементов, таких как волокно с компенсацией дисперсии (DCF), для уменьшения общей дисперсии. Высокая вносимая потеря 10 дБ или более делает проблематичным DCF. Размещение DCF в промежуточной точке доступа двухступенчатого EDFA снижает вредное воздействие на систему. Пользователь по-прежнему осознает значительный выигрыш за счет EDFA, даже с дополнительным элементом DCF с высокими оптическими потерями.
На чертеже оптический вход сначала проходит через оптический изолятор № 1, который позволяет свету проходить слева направо. Затем свет проходит через WDM # 1. WDM # 1 обеспечивает способ ввода длины волны накачки 980 нм в первую длину волокна, легированного эрбием. WDM # 1 также позволяет вводить оптический входной сигнал в волокно, легированное эрбием, с минимальными оптическими потерями.
Энергия 980 нм накачивает атомы эрбия в медленно распадающееся возбужденное состояние. Когда свет в полосе 1550 нм проходит через волокно, легированное эрбием, длина которого обычно составляет десятки метров, это вызывает вынужденное излучение, очень похожее на лазер. Таким образом, оптический входной сигнал 1550 нм набирает силу. Затем выход волокна, легированного эрбием, проходит через оптический изолятор № 2, который становится доступным для пользователя. Как правило, точка доступа средней ступени подключается к какому-либо устройству компенсации дисперсии. Затем свет проходит через изолятор № 3 и WDM № 2. WDM # 2 связывает энергию 1480 нм от второго лазера накачки с другим концом второй длины волокна, легированного эрбием, увеличивая коэффициент усиления и выходную мощность. Наконец свет проходит через изолятор № 4.
EDFA избегают большинства активных компонентов, потому что фотоны усиливают сигнал. EDFA обеспечивает высокую выходную мощность, требуя меньше усилителей в данной конструкции системы. Усилители EDFA базовой конструкции освещают в довольно узкой полосе: 12 нм. Добавление фильтров выравнивания усиления может увеличить полосу до более чем 25 нм. Другие экзотические легированные волокна увеличивают полосу усиления до 40 нм и более. Кроме того, независимость от скорости передачи данных в EDFA означает, что обновление системы требует замены только терминалов запуска и приема.
Надежная работа EDFA делает ее полезной в длинных магистральных волоконно-оптических системах связи и системах доставки CATV. В приложениях CATV EDFA усиливают сигнал до и после оптического разветвителя, чтобы усилить сигнал разделения для передачи по нескольким волокнам. Посмотрите подробности продукта усилителя CATV здесь. В целом, существуют четыре основных применения оптических усилителей: усилитель мощности / усилитель мощности, линейный усилитель, предварительный усилитель или компенсации потерь для оптических сетей.
