Princípio e aplicação deAmplificador de fibra dopada com érbio EDFA
A estrutura básica deEDFAAmplificador de fibra dopada com érbio, composto principalmente por um meio ativo (fibra de quartzo dopada com dezenas de metros de comprimento, diâmetro do núcleo de 3 a 5 mícrons, concentração de dopagem (25 a 1000) x 10-6), fonte de luz de bombeamento (LD de 990 ou 1480 nm), acoplador óptico e isolador óptico. A luz de sinal e a luz de bombeamento podem se propagar na mesma direção (cobombeamento), direção oposta (bombeamento reverso) ou ambas as direções (bombeamento bidirecional) na fibra de érbio. Quando a luz de sinal e a luz de bombeamento são injetadas na fibra de érbio simultaneamente, o íon de érbio é excitado para o nível de alta energia (sistema de três níveis) sob a ação da luz de bombeamento e logo decai para o nível metaestável. Quando retorna ao estado fundamental sob a ação da luz de sinal incidente, o fóton correspondente à luz de sinal é emitido, de modo que o sinal é amplificado. Seu espectro de emissão espontânea amplificada (ASE) tem uma grande largura de banda (até 20-40 nm) e tem dois picos correspondentes a 1530 nm e 1550 nm, respectivamente.
As principais vantagens deAmplificador EDFAsão alto ganho, grande largura de banda, alta potência de saída, alta eficiência de bombeamento, baixa perda de inserção e insensibilidade a estados de polarização.
O princípio de funcionamento do amplificador de fibra dopada com érbio
O amplificador de fibra dopada com érbio（Amplificador Óptico EDFA） é composto principalmente por uma fibra dopada com érbio (cerca de 10-30 m de comprimento) e uma fonte de luz de bombeamento. O princípio de funcionamento é que a fibra dopada com érbio gera radiação estimulada sob a ação da fonte de luz bombeada (comprimento de onda de 980 nm ou 1480 nm), e a luz irradiada muda com a mudança do sinal de luz de entrada, o que é equivalente a amplificar o sinal de luz de entrada. Os resultados mostram que o ganho do amplificador de fibra dopada com érbio é geralmente de 15-40 dB, e a distância do relé pode ser aumentada em mais de 100 km. Então, as pessoas não podem deixar de perguntar: por que os cientistas pensaram em usar érbio dopado em amplificadores de fibra para aumentar a intensidade das ondas de luz? Sabemos que o érbio é um elemento de terras raras, e os elementos de terras raras têm suas próprias características estruturais especiais. A dopagem de elementos de terras raras em dispositivos ópticos tem sido usada há muito tempo para melhorar o desempenho de dispositivos ópticos, portanto, este não é um fator acidental. Além disso, por que o comprimento de onda da fonte de luz da bomba é escolhido em 980 nm ou 1480 nm? De fato, o comprimento de onda da fonte de luz da bomba pode ser 520 nm, 650 nm, 980 nm e 1480 nm, mas a prática comprovou que o comprimento de onda da fonte de luz da bomba de 1480 nm é o mais eficiente, seguido pelo comprimento de onda da fonte de luz da bomba de 980 nm.
Estrutura física
Estrutura básica do amplificador de fibra dopada com érbio (Amplificador Óptico EDFA). Há um isolador na extremidade de entrada e na extremidade de saída, o objetivo é tornar a transmissão do sinal óptico unidirecional. O excitador da bomba tem um comprimento de onda de 980 nm ou 1480 nm e é usado para fornecer energia. A função do acoplador é acoplar o sinal óptico de entrada e a luz da bomba na fibra dopada com érbio e transferir a energia da luz da bomba para o sinal óptico de entrada através da ação da fibra dopada com érbio, de modo a realizar a amplificação de energia do sinal óptico de entrada. A fim de obter maior potência óptica de saída e menor índice de ruído, o amplificador de fibra dopada com érbio usado na prática adota a estrutura de duas ou mais fontes de bomba com isoladores no meio para isolar um ao outro. A fim de obter uma curva de ganho mais ampla e plana, um filtro de achatamento de ganho é adicionado.
O EDFA consiste em cinco partes principais: fibra dopada com érbio (EDF), acoplador óptico (WDM), isolador óptico (ISO), filtro óptico e fonte de bombeamento. As fontes de bombeamento comumente utilizadas incluem 980 nm e 1480 nm, sendo que essas duas fontes apresentam maior eficiência de bombeamento e são mais utilizadas. O coeficiente de ruído da fonte de luz de bombeamento de 980 nm é menor; a fonte de luz de bombeamento de 1480 nm possui maior eficiência de bombeamento e pode obter maior potência de saída (cerca de 3 dB a mais que a fonte de luz de bombeamento de 980 nm).
vantagem
1. O comprimento de onda operacional é consistente com a janela de atenuação mínima da fibra monomodo.
2. Alta eficiência de acoplamento. Por ser um amplificador de fibra, é fácil de acoplar com a fibra de transmissão.
3. Alta eficiência de conversão de energia. O núcleo do EDF é menor que o da fibra de transmissão, e a luz de sinal e a luz de bombeamento são transmitidas simultaneamente no EDF, de modo que a capacidade óptica é muito concentrada. Isso torna a interação entre a luz e o íon Er do meio de ganho muito completa, juntamente com o comprimento apropriado da fibra dopada com érbio, de modo que a eficiência de conversão da energia luminosa é alta.
4. Alto ganho, baixo índice de ruído, grande potência de saída, baixa diafonia entre canais.
5. Características de ganho estável: o EDFA não é sensível à temperatura e o ganho tem pouca correlação com a polarização.
6. O recurso de ganho é independente da taxa de bits do sistema e do formato de dados.
deficiência
1. Efeito não linear: O EDFA amplifica a potência óptica aumentando a potência óptica injetada na fibra, mas quanto maior, melhor. Quando a potência óptica é aumentada até certo ponto, o efeito não linear da fibra óptica é produzido. Portanto, ao utilizar amplificadores de fibra óptica, deve-se atentar para a importância do controle da potência óptica de entrada da fibra óptica de canal único.
2. A faixa de comprimento de onda de ganho é fixa: a faixa de comprimento de onda de trabalho do EDFA de banda C é de 1530 nm a 1561 nm; a faixa de comprimento de onda de trabalho do EDFA de banda L é de 1565 nm a 1625 nm.
3. Largura de banda de ganho desigual: A largura de banda de ganho do amplificador de fibra dopada com érbio EDFA é muito ampla, mas o espectro de ganho do EDF em si não é plano. O filtro de achatamento de ganho deve ser adotado para achatar o ganho no sistema WDM.
4. Problema de surto de luz: Quando o caminho da luz está normal, os íons de érbio excitados pela luz da bomba são carregados pela luz de sinalização, completando assim a amplificação da luz de sinalização. Se a luz de entrada for truncada, como os íons de érbio metaestáveis continuam a se acumular, assim que a entrada da luz de sinalização for restaurada, a energia saltará, resultando em surto de luz.
5. A solução para o surto óptico é realizar a função de redução automática de potência óptica (APR) ou desligamento óptico automático (APSD) no EDFA, ou seja, o EDFA reduz automaticamente a potência ou desliga automaticamente a energia quando não há luz de entrada, suprimindo assim a ocorrência do fenômeno de surto.
Modo de aplicação
1. O amplificador de reforço é usado para amplificar a potência de sinais de múltiplos comprimentos de onda após a onda de reforço e, em seguida, transmiti-los. Como a potência do sinal após a onda de reforço é geralmente grande, o índice de ruído e o ganho de um amplificador de potência não são muito altos. Possui potência de saída relativamente alta.
2. O amplificador de linha, após o amplificador de potência, é usado para compensar periodicamente a perda de transmissão de linha, geralmente exigindo um índice de ruído relativamente pequeno e uma grande potência óptica de saída.
3. Pré-amplificador: Antes do divisor e depois do amplificador de linha, é usado para amplificar o sinal e melhorar a sensibilidade do receptor (caso a relação sinal-ruído óptica (OSNR) atenda aos requisitos, a maior potência de entrada pode suprimir o ruído do próprio receptor e melhorar a sensibilidade de recepção), e o índice de ruído é muito baixo. Não há grandes requisitos para a potência de saída.
Horário da publicação: 17/03/2025