Erbiumdopade fiberförstärkare (EDFA)

Erbiumdopade fiberförstärkare (EDFA) använder sig av sällsynta jordartsmetaller som erbium (Er3+) som förstärkningsmedium.Det dopas in i fiberkärnan under tillverkningsprocessen.Den består av en kort bit fiber (vanligtvis 10 m eller så) gjord av glas där en liten kontrollerad mängd erbium tillsätts som dopmedel i form av en jon (Er3+).Sålunda fungerar kiseldioxidfibern som ett värdmedium.Det är dopämnena (erbium) snarare än kiseldioxidfiber som bestämmer driftvåglängden och förstärkningsbandbredden.EDFA:er fungerar i allmänhet i 1550 nm våglängdsregionen och kan erbjuda kapaciteter som överstiger 1 Tbps.Så de används ofta i WDM-system.

Principen om stimulerad emission är tillämplig för förstärkningsmekanismen för EDFA.När dopmedlet (en erbiumjon) är i ett högenergitillstånd kommer en infallande foton från den optiska insignalen att stimulera den.Det frigör en del av sin energi till dopningsmedlet och återgår till ett lägre energitillstånd ("stimulerad emission") som är mer stabil.Figuren nedan visar den grundläggande strukturen för en EDFA.

1.1 Grundläggande struktur för en EDFA

Pumplaserdioden producerar normalt en optisk signal med våglängd (vid antingen 980 nm eller 1480 nm) vid hög effekt (~ 10–200 mW).Denna signal kopplas till ljusinsignalen i den erbiumdopade delen av kiseldioxidfibern genom WDM-kopplaren.Erbiumjonerna kommer att absorbera denna pumpsignalenergi och hoppa till sitt exciterade tillstånd.En del av den utgående ljussignalen tappas och matas tillbaka vid pumplaserns ingång genom optiskt filter och detektor.Detta fungerar som återkopplingseffektkontrollmekanism för att göra EDFA:er som självreglerande förstärkare.När alla metastabila elektroner är förbrukade sker ingen ytterligare förstärkning.Därför stabiliseras systemet automatiskt eftersom den optiska uteffekten från EDFA:n förblir nästan konstant oberoende av ineffektfluktuationen, om någon.

1.2 Förenklat funktionsschema för en EDFA

Ovanstående figur visar det förenklade funktionsschemat för en EDFA där en pumpsignal från lasern läggs till en optisk insignal (vid 1480 nm eller 980 nm) genom en WDM-kopplare.

Detta diagram visar en mycket grundläggande EDF-förstärkare.Våglängden på pumpsignalen (med pumpeffekt på cirka 50 mW) är 1480 nm eller 980 nm.En del av denna pumpsignal överförs till den optiska insignalen genom stimulerad emission inom en kort längd av Erbium-dopad fiber.Den har en typisk optisk förstärkning på cirka 5–15 dB och mindre än 10 dB brus.För 1550 nm drift är det möjligt att få 30–40 dB optisk förstärkning.

1.3 Praktiskt förverkligande av en EDFA

Ovanstående figur visar en förenklad funktion av en EDFA med dess praktiska struktur när den används i WDM-applikationer.

Som visas innehåller den följande huvuddelar:

• En isolator vid ingången.Detta hindrar bruset som genereras av en EDFA från att spridas mot sändaränden.

• En WDM-koppling.Den kombinerar den lågeffekts 1550 nm optiska indatasignalen med högeffekts pumpande optisk signal (från pumpkälla som laser) vid 980 nm våglängd.

• En liten del av erbiumdopad kiseldioxidfiber.I själva verket fungerar detta som det aktiva mediet för EDFA.

• En isolator vid utgången.Det hjälper till att förhindra att eventuell bakåtreflekterad optisk signal kommer in i den erbiumdopade kiseldioxidfibern.

Den slutliga utsignalen är en förstärkt 1550 nm våglängds optisk datasignal med en återstående 980 nm våglängdspumpsignal.

Typer av erbiumdopade fiberförstärkare (EDFA)

Det finns två typer av strukturer av Erbium-dopade fiberförstärkare (EDFA):

• EDFA med samförökningspump

• EDFA med motförökande pump

Figuren nedan visar motriktade pumpar och dubbelriktade pumparrangemang som kan användas i EDFA-strukturer.

Olika pumparrangemang

En samförökande pump EDFA har lägre optisk effekt med lågt brus;medan en mot-propagerande pump EDFA ger högre optisk effekt men producerar också större brus.I en typisk kommersiell EDFA används en dubbelriktad pump med samtidig samförökande och motförökande pumpning, vilket resulterar i en relativt likformig optisk förstärkning.

Användning av EDFA som booster, in-line och förförstärkare

I en långdistansapplikation av en optisk fiberkommunikationslänk kan EDFA:er användas som en boosterförstärkare vid utgången av den optiska sändaren, en in-line optisk förstärkare tillsammans med den optiska fibern samt en förförstärkare precis innan mottagare, som visas i bilden ovan.

Det kan noteras att in-line EDFA:er placeras på 20–100 km avstånd beroende på fiberförlusten.Den optiska insignalen har en våglängd på 1,55 μm, medan pumplasrarna arbetar med en våglängd på 1,48 μm eller 980 nm.Typisk längd på Erbium-dopad fiber är 10–50 m.

Amplifieringsmekanism i EDFA

Som nämnts tidigare är förstärkningsmekanismen i en EDFA baserad på stimulerad emission liknande den i laser.Hög energi från den optiska pumpsignalen (producerad av en annan laser) exciterar dopningserbiumjonerna (Er3+) i en kiseldioxidfiber vid det övre energitillståndet.Den ingående optiska datasignalen stimulerar övergången av de exciterade Erbiumjonerna till det lägre energitillståndet och resulterar i strålning av fotoner med samma energi, dvs samma våglängd som den för den optiska insignalen.

Energinivådiagram: Fria erbiumjoner uppvisar diskreta nivåer av energibandet.När Erbiumjoner dopas till en kiseldioxidfiber delas var och en av deras energinivåer i ett antal närbesläktade nivåer för att bilda ett energiband.

1.4 Amplifieringsmekanism i EDFA

För att uppnå populationsinversion pumpas Er3+-joner på mellannivå 2. I den indirekta metoden (980-nm pumpning) flyttas Er3+-joner kontinuerligt från nivå 1 till nivå 3. Det följs av icke-strålande sönderfall till nivå 2, från där de faller till nivå 1 och strålar ut de optiska signalerna i den önskade våglängden 1500–1600 nm.Detta är känt som 3-nivå amplifieringsmekanism.

För fler Erbium-dopade produkter, ta en titt på vår hemsida.

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

E-post:devin@erbiumtechnology.com

WhatsApp: +86-18113047438

Fax: +86-2887897578

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