◆A szálas{0}}adalékos erősítők jellemzői és alkalmazásai
Anoptikai erősítőegy olyan eszköz, amely közvetlenül képes erősíteni a gyenge optikai jeleket. A gyenge beeső fényt a stimulált emisszió vagy a stimulált szórás elve alapján erősíti fel, és mechanizmusa teljesen megegyezik a lézerével. Valójában szerkezetileg az optikai erősítő egy lézer, amely kevés vagy semmilyen visszacsatolást nem tartalmaz. Az optikai erősítést akkor érik el, amikor az optikai közeg populációinverziót tapasztal a szivattyúáram vagy a szivattyú fényének hatására, így optikai erősítést valósít meg. Ez a rész az optikai erősítők általánosan használt típusait mutatja be, és az erbium{4}}adalékos szálas erősítők elveire és alkalmazási területeire összpontosít.
Az optikai erősítők osztályozása
Az optikai erősítők működési elvük alapján nagyjából három típusba sorolhatók
1
2
3
Az ilyen típusú optikai erősítők működési elvükben és gerjesztési módszereikben különböznek.
A ballasztszálas erősítő működési elve
EDFA szerkezet
Az erbium{0}}adalékolt szálerősítő (EDFA) egy olyan eszköz, amely erbium-szálakat használ erősítő közegként a jelfény erősítésére egy lézerdióda által kibocsátott pumpás fény segítségével. Az erbium-adalékolt szálas erősítő felépítése az ábrán látható.
A hullámhosszosztásos multiplexer, más néven multiplexer, 980/1550 nm vagy 1480/1550 nm hullámhosszú szivattyúfényt és jelfényt egyesít, mielőtt erbium{4}}adalékolt szálba táplálja őket. Alacsony beillesztési veszteséget és fénypolarizációra való érzéketlenséget igényel.
Az optikai leválasztó biztosítja az egyirányú fényáteresztést, megakadályozva a fény visszaverődését az eredeti eszközre, mivel az ilyen visszaverődés növeli az erősítő zaját és csökkenti az erősítési hatékonyságot.
Az optikai szűrő feladata, hogy kiszűrje az optikai erősítő működési sávszélességén kívül eső zajokat, ezáltal javítva a rendszer jel{0}}/-zaj arányát.
Az erbium{0}}adalékolt szál az EDFA (Electrium-Doped Amplifier) alapvető összetevője. Szilícium-dioxid szálat használ mátrixként, és a magot erbium-ionokkal, egy szilárd állapotú lézeres munkaanyaggal adalékolja. Az erbiummal adalékolt szál több métertől több tíz méterig terjedő részén belül a fény kölcsönhatásba lép az anyaggal, és felerősödik és fokozódik.
Az erbium{0}}adalékolt szál üzemmód-mezőátmérője (MFD) 3–6 μm, sokkal kisebb, mint a hagyományos szálé (9–16 μm). Ennek célja a jelzőfény és a szivattyúfény energiasűrűségének növelése, ezáltal javítva a kölcsönhatási hatékonyságukat. Az erbium-adalékolt szál csökkentett magátmérője azonban a hagyományos szálhoz képest a módmezők közötti eltéréshez is vezet, ami nagyobb visszaverődést és csatlakozási veszteséget eredményez. A megoldás az, hogy a szálat kis mennyiségű fluorral adalékolják, hogy csökkentsék a törésmutatót, ezáltal növelve a módusmező átmérőjét, hogy a hagyományos szálakkal megegyező szintet érjenek el. Ezenkívül a fúziós splicing során az üzemmód-mező átmérőjének eltérése csökkenthető átmeneti szálak használatával vagy a hagyományos szálcsatlakozó meghosszabbításával a mag átmérőjének csökkentése érdekében.
A hatékonyabb amplifikáció elérése érdekében az erbium-adalékolt szálak gyártása során a legtöbb ion a szálmag központi régiójában koncentrálódik. Ennek az az oka, hogy az optikai szálakban a jel- és a szivattyúfény fénymezői megközelítőleg Gauss-eloszlásúnak tekinthetők, a legerősebb fényintenzitás a szálmag tengelye mentén. A molibdén ionok jelenléte a paraxiális régióban nagyobb kölcsönhatást tesz lehetővé a fény és az anyag között, ezáltal javítva az energiaátalakítás hatékonyságát. Az erbium-adalékolt szálerősítők (EDFA) alkalmazásától függően különféle típusú erbium-szálak állnak rendelkezésre az EDFA tervezéséhez. Például az EDF-PAX-01 típust olyan in-áramköri erősítők és előerősítők tervezésére használják, amelyek lapos és széles erősítésű sávszélességet mutatnak; az EDF-LAX-01 típus áramkörön belüli erősítőkben használható, nagy teljesítményátalakítási hatékonyságot és alacsony zajszintet kínálva; az EDF-BAX-01 típus pedig nagy kimeneti teljesítményt biztosít stb.
Az erbium{0}}adagolt szálak alapvető paraméterei
| Paraméter | EDF-PAX-01 | EDF-LAX-01 | EDF-BAX-01 | EDF-HCX-01 |
|---|---|---|---|---|
| Numerikus rekesz (NA) | 0.24 ± 0.02 | 0.24 ± 0.02 | 0.22 ± 0.02 | 0.24 ± 0.02 |
| Levágott-hullámhossz (nm) | 953 ± 35 | 953 ± 35 | 920 ± 40 | 920 ± 40 |
| Csúcs magabszorpció 1530 nm mellett (dB/m) | Kisebb vagy egyenlő, mint 1529,5 | 1530.5 ± 0.5 | 1531 ± 0.5 | 1530 ± 1 |
| Csúcscsillapítás 980 nm-nél (dB/m) | 7 ± 2 | 7 ± 2 | 5 ± 2 | 8.5 ± 2 |
| Csillapítás 980 nm-nél (dB/m) | 5 ± 1.5 | 5 ± 1.5 | 3.55 ± 1.5 | 8.5 ± 2 |
| Háttérveszteség @ 1200 nm (dB/km) | < 35 | < 15 | < 15 | < 15 |
| Telített teljesítmény @ 1530 nm (mW) | 0.17 | 0.15 | 0.18 | 0.20 |
| Mód mező átmérője @ 1550 nm (μm) | 4.8 ~ 5.9 | 4.8 ~ 5.9 | 5.2 ~ 6.6 | 4.8 ~ 6 |
A pumpaforrás az EDFA (elektro-adagolt száloptikai erősítő) másik alapvető összetevője. Elegendő energiát biztosít az optikai jelerősítéshez, ami szükséges feltétele az aktivátor részecskék populációinverziójának. Mivel a szivattyú forrása közvetlenül meghatározza az EDFA teljesítményét, nagy kimeneti teljesítménnyel, jó stabilitással és hosszú élettartammal kell rendelkeznie. A praktikus EDFA szivattyúforrások mindegyike lézerdióda, 980 nm és 1480 nm hullámhosszú szivattyúval. A 980 nm-es szivattyúforrást gyakrabban használják az alacsony zajszint, a magas szivattyú hatásfok és a több száz milliwattos teljesítmény miatt.
A szivattyú fénye és jele egyszerre lép be az optikai szálba. A szivattyú fénye a legerősebb az erbium-adagolású szál bemeneténél. A szál mentén terjedve fokozatosan energiát ad át a jelzőfénynek, növelve a jelerősséget, miközben saját ereje fokozatosan csökken.
A következő ábrák összehasonlítják a különböző szivattyúzási módszerek kimeneti teljesítményét és zajjellemzőit. Az a. ábra a kimeneti optikai jel teljesítménye és a szivattyú optikai teljesítménye közötti összefüggést mutatja; a három szivattyúzási módszer eltérő konverziós hatásfoka 61%, 76%, illetve 77%. A b ábra a zajadat és az erősítő kimeneti optikai teljesítménye közötti összefüggést mutatja. A kimeneti optikai teljesítmény növekedésével a részecske inverziós száma csökken, ami a zajszint növekedését eredményezi. A c ábra a zajadat és az erbium-adalékolt szál hossza közötti összefüggést mutatja. Amint az ábrán látható, az erbium-adalékolt szál hosszától függetlenül az EDFA a ko-irányú szivattyúzási módszerrel a legalacsonyabb zajszinttel rendelkezik.
