◆Karakteristike i primjene pojačala -dopiranih vlaknima
Anoptičko pojačaloje uređaj koji može izravno pojačati slabe optičke signale. Pojačava slabu upadnu svjetlost na principima stimulirane emisije ili stimuliranog raspršenja, a mehanizam mu je potpuno isti kao kod lasera. Zapravo, strukturno, optičko pojačalo je laser s malo ili nimalo povratne veze. Optičko pojačanje se postiže kada optički medij doživi inverziju naseljenosti pod djelovanjem struje pumpe ili svjetla pumpe, čime se ostvaruje optičko pojačanje. Ovaj odjeljak predstavlja najčešće korištene tipove optičkih pojačala i fokusira se na principe i primjene vlaknastih pojačala dopiranih erbijem-.
Klasifikacija optičkih pojačala
Optička pojačala mogu se općenito klasificirati u tri vrste na temelju njihovih načela rada
1
2
3
Ovi tipovi optičkih pojačala razlikuju se po načelima rada i metodama pobude.
Princip rada pojačala s balastnim vlaknima
EDFA struktura
Vlakno dopirano erbijem-pojačalo (EDFA) je uređaj koji koristi vlakno dopirano erbijem-kao medij pojačanja za pojačavanje svjetla signala pomoću svjetla pumpe koje emitira laserska dioda. Struktura vlaknastog pojačala dopiranog erbijem-je prikazana na slici.
Multiplekser s podjelom valnih duljina, poznat i kao multiplekser, kombinira svjetlo pumpe i svjetlo signala valnih duljina 980/1550 nm ili 1480/1550 nm prije nego što ih unese u vlakno dopirano erbijem-. Zahtijeva nizak uneseni gubitak i neosjetljivost na polarizaciju svjetlosti.
Optički izolator osigurava jednosmjerni prijenos svjetlosti, sprječavajući refleksiju svjetlosti natrag na originalni uređaj, jer takva refleksija povećava šum pojačala i smanjuje učinkovitost pojačanja.
Funkcija optičkog filtra je filtriranje buke izvan radne propusnosti optičkog pojačala, čime se poboljšava omjer signala-i-šuma sustava.
Vlakno dopirano-erbijem ključna je komponenta EDFA (pojačalo dopirano-elektrijem). Koristi silikatno vlakno kao matricu i dopira jezgru erbijevim ionima, radnim-materijalom lasera u čvrstom stanju. Unutar nekoliko metara do desetaka metara vlakana dopiranih erbijem-, svjetlost stupa u interakciju s materijom te se pojačava i pojačava.
Promjer polja moda (MFD) vlakna dopiranog erbijem-je 3–6 μm, puno manje nego kod konvencionalnog vlakna (9–16 μm). Time se povećava gustoća energije signalnog svjetla i svjetla pumpe, čime se poboljšava njihova interakcijska učinkovitost. Međutim, smanjeni promjer jezgre vlakna dopiranog erbijem- također dovodi do neusklađenosti polja moda s konvencionalnim vlaknom, što rezultira većom refleksijom i gubitkom veze. Rješenje je dopiranje vlakna s malom količinom fluora kako bi se smanjio indeks loma, čime se povećava promjer polja moda kako bi se postigla razina podudaranja s konvencionalnim vlaknom. Osim toga, tijekom fuzijskog spajanja, neusklađenost promjera polja moda može se smanjiti korištenjem prijelaznih vlakana ili produljenjem konvencionalnog konektora vlakana kako bi se smanjio promjer jezgre.
Kako bi se postiglo učinkovitije pojačanje, tijekom izrade vlakana dopiranih-erbijem, većina iona koncentrirana je u središnjem području jezgre vlakna. To je zato što se u optičkim vlaknima svjetlosna polja signala i svjetla pumpe mogu smatrati približno raspodijeljenima po Gaussu, s najjačim intenzitetom svjetlosti duž osi jezgre vlakna. Prisutnost iona molibdena u paraksijalnom području omogućuje veću interakciju između svjetlosti i materije, čime se poboljšava učinkovitost pretvorbe energije. Ovisno o primjeni vlakana dopiranih erbijem-pojačala (EDFA), različite vrste vlakana-dopiranih erbijem dostupne su za EDFA dizajn. Na primjer, tip EDF-PAX-01 koristi se za projektiranje in-pojačala i predpojačala u krugovima, pokazujući ravnu i široku propusnost pojačanja; tip EDF-LAX-01 može se koristiti u pojačalima unutar strujnog kruga, nudeći visoku učinkovitost pretvorbe snage i nisku razinu šuma; a tip EDF-BAX-01 daje veliku izlaznu snagu, itd.
Osnovni parametri vlakana-dopiranih erbijem
| Parametar | EDF-PAX-01 | EDF-LAX-01 | EDF-BAX-01 | EDF-HCX-01 |
|---|---|---|---|---|
| Numerička apertura (NA) | 0.24 ± 0.02 | 0.24 ± 0.02 | 0.22 ± 0.02 | 0.24 ± 0.02 |
| Isključena valna duljina (nm) | 953 ± 35 | 953 ± 35 | 920 ± 40 | 920 ± 40 |
| Vršna apsorpcija jezgre @ 1530 nm (dB/m) | Manje ili jednako 1529,5 | 1530.5 ± 0.5 | 1531 ± 0.5 | 1530 ± 1 |
| Vršno prigušenje na 980 nm (dB/m) | 7 ± 2 | 7 ± 2 | 5 ± 2 | 8.5 ± 2 |
| Prigušenje @ 980 nm (dB/m) | 5 ± 1.5 | 5 ± 1.5 | 3.55 ± 1.5 | 8.5 ± 2 |
| Gubitak pozadine @ 1200 nm (dB/km) | < 35 | < 15 | < 15 | < 15 |
| Zasićena snaga @ 1530 nm (mW) | 0.17 | 0.15 | 0.18 | 0.20 |
| Promjer polja moda @ 1550 nm (μm) | 4.8 ~ 5.9 | 4.8 ~ 5.9 | 5.2 ~ 6.6 | 4.8 ~ 6 |
Izvor pumpe još je jedna ključna komponenta EDFA (Electro-Doped Fiber Optic Amplifier). Osigurava dovoljno energije za optičko pojačanje signala, što je neophodan uvjet za postizanje inverzije naseljenosti čestica aktivatora. Budući da izvor pumpe izravno određuje izvedbu EDFA, potrebno je da ima visoku izlaznu snagu, dobru stabilnost i dug životni vijek. Praktični izvori EDFA pumpe su laserske diode, s valnim duljinama pumpe od 980 nm i 1480 nm. Izvor pumpe od 980 nm se češće koristi zbog svojih prednosti niske buke, visoke učinkovitosti pumpe i snage do nekoliko stotina milivata.
Svjetlo pumpe i signal ulaze u optičko vlakno istovremeno. Svjetlo pumpe najjače je na ulazu vlakna dopiranog erbijem-. Dok se širi duž vlakna, postupno prenosi energiju na signalnu svjetlost, povećavajući snagu signala, dok vlastita snaga postupno opada.
Izlazna snaga i karakteristike buke pod različitim metodama pumpanja uspoređeni su na sljedećim slikama. Slika a prikazuje odnos između snage izlaznog optičkog signala i optičke snage pumpe; diferencijalna učinkovitost pretvorbe tri metode crpljenja je 61%, 76%, odnosno 77%. Slika b prikazuje odnos između vrijednosti šuma i izlazne optičke snage pojačala. Kako izlazna optička snaga raste, broj inverzije čestica se smanjuje, što rezultira povećanjem broja šuma. Slika c prikazuje odnos između vrijednosti šuma i duljine vlakna dopiranog erbijem-. Kao što se može vidjeti na slici, bez obzira na duljinu vlakna-dopiranog erbijem, EDFA s metodom ko-smjernog pumpanja ima najmanji šum.
