เครื่องขยายสัญญาณไฟเบอร์เจือด้วยเออร์เบียม (EDFA)

เครื่องขยายสัญญาณไฟเบอร์เจือด้วยเออร์เบียม (EDFA) ใช้ธาตุหายาก เช่น เออร์เบียม (Er3+) เป็นสื่อขยายสัญญาณมันถูกเจือลงในแกนไฟเบอร์ในระหว่างกระบวนการผลิตประกอบด้วยเส้นใยสั้น ๆ (โดยทั่วไปประมาณ 10 เมตรหรือมากกว่านั้น) ที่ทำจากแก้วซึ่งมีการเติมเออร์เบียมในปริมาณที่ควบคุมได้เล็กน้อยในรูปของไอออน (Er3+)ดังนั้นเส้นใยซิลิกาจึงทำหน้าที่เป็นสื่อกลางเป็นสารเจือปน (เออร์เบียม) แทนที่จะเป็นเส้นใยซิลิกาที่กำหนดความยาวคลื่นในการทำงานและแบนด์วิดท์ที่ได้รับโดยทั่วไปแล้ว EDFA จะทำงานในย่านความยาวคลื่น 1550 นาโนเมตร และสามารถให้ความจุที่มากกว่า 1 Tbpsดังนั้นจึงใช้กันอย่างแพร่หลายในระบบ WDM

หลักการของการเปล่งเสียงแบบกระตุ้นใช้ได้กับกลไกการขยายเสียงของ EDFAเมื่อสารเจือปน (เออร์เบียมไอออน) อยู่ในสถานะที่มีพลังงานสูง โฟตอนที่ตกกระทบของสัญญาณแสงอินพุตจะกระตุ้นมันมันจะปล่อยพลังงานบางส่วนไปยังสารเจือปนและกลับสู่สถานะพลังงานที่ต่ำกว่า (“การปล่อยสารกระตุ้น”) ซึ่งมีความเสถียรมากกว่ารูปด้านล่างแสดงโครงสร้างพื้นฐานของ EDFA

1.1 โครงสร้างพื้นฐานของ EDFA

โดยปกติแล้ว เลเซอร์ไดโอดปั๊มจะสร้างสัญญาณออพติคัลของความยาวคลื่น (ที่ 980 นาโนเมตรหรือ 1480 นาโนเมตร) ที่กำลังสูง (~ 10–200 มิลลิวัตต์)สัญญาณนี้จับคู่กับสัญญาณอินพุตแสงในส่วนที่มีสารเจือเออร์เบียมของเส้นใยซิลิกาผ่านตัวเชื่อมต่อ WDMไอออนของเออร์เบียมจะดูดซับพลังงานสัญญาณของปั๊มนี้และกระโดดไปสู่สถานะกระตุ้นส่วนหนึ่งของสัญญาณไฟขาออกจะถูกแตะและป้อนกลับที่อินพุตของปั๊มเลเซอร์ผ่านตัวกรองแสงและตัวตรวจจับสิ่งนี้ทำหน้าที่เป็นกลไกควบคุมพลังงานป้อนกลับเพื่อให้ EDFA เป็นแอมพลิฟายเออร์ที่ควบคุมตนเองเมื่ออิเล็กตรอนที่แพร่กระจายได้ทั้งหมดถูกใช้หมด จะไม่มีการขยายเพิ่มเติมอีกดังนั้น ระบบจะเสถียรโดยอัตโนมัติเนื่องจากกำลังแสงเอาต์พุตของ EDFA ยังคงเกือบคงที่ โดยไม่คำนึงถึงความผันผวนของกำลังไฟฟ้าเข้า หากมี

1.2 แผนผังการทำงานแบบง่ายของ EDFA

รูปด้านบนแสดงแผนผังการทำงานแบบง่ายของ EDFA ซึ่งสัญญาณปั๊มจากเลเซอร์ถูกเพิ่มเข้ากับสัญญาณออปติคัลอินพุต (ที่ 1480 นาโนเมตรหรือ 980 นาโนเมตร) ผ่านตัวเชื่อมต่อ WDM

แผนภาพนี้แสดงเครื่องขยายเสียง EDF ขั้นพื้นฐานความยาวคลื่นของสัญญาณปั๊ม (ด้วยกำลังปั๊มประมาณ 50 mW) คือ 1480 nm หรือ 980 nmสัญญาณปั๊มบางส่วนถูกถ่ายโอนไปยังสัญญาณออปติคัลอินพุตโดยการกระตุ้นการปล่อยภายในความยาวสั้นๆ ของเส้นใยเจือด้วยเออร์เบียมมีอัตราการขยายทางแสงทั่วไปประมาณ 5–15 dB และตัวเลขสัญญาณรบกวนน้อยกว่า 10 dBสำหรับการทำงาน 1550 นาโนเมตร เป็นไปได้ที่จะได้รับอัตราขยายทางแสง 30–40 dB

1.3 การทำให้ EDFA เป็นจริง

รูปด้านบนแสดงการทำงานที่เรียบง่ายของ EDFA ด้วยโครงสร้างที่ใช้งานได้จริงเมื่อใช้กับแอปพลิเคชัน WDM

ดังที่แสดงไว้ ประกอบด้วยส่วนสำคัญๆ ดังต่อไปนี้:

• ตัวแยกสัญญาณที่อินพุตสิ่งนี้ช่วยป้องกันไม่ให้เสียงที่เกิดจาก EDFA แพร่กระจายไปยังปลายเครื่องส่งสัญญาณ

• ตัวเชื่อมต่อ WDMโดยจะรวมสัญญาณข้อมูลอินพุตออปติคัลพลังงานต่ำ 1550 นาโนเมตรเข้ากับสัญญาณออปติคัลปั๊มพลังงานสูง (จากแหล่งกำเนิดปั๊ม เช่น เลเซอร์) ที่ความยาวคลื่น 980 นาโนเมตร

• ส่วนเล็ก ๆ ของเส้นใยซิลิกาที่เจือด้วยเออร์เบียมอันที่จริงแล้วสิ่งนี้ทำหน้าที่เป็นสื่อกลางที่ใช้งานอยู่ของ EDFA

• ตัวแยกสัญญาณที่เอาต์พุตช่วยป้องกันไม่ให้สัญญาณออปติคอลที่สะท้อนกลับเข้าสู่เส้นใยซิลิกาที่เจือด้วยเออร์เบียม

สัญญาณเอาต์พุตสุดท้ายคือสัญญาณข้อมูลออปติคัลความยาวคลื่น 1550 นาโนเมตรที่ขยายแล้วพร้อมสัญญาณปั๊มความยาวคลื่นที่เหลือ 980 นาโนเมตร

ประเภทของเครื่องขยายสัญญาณไฟเบอร์เจือด้วยเออร์เบียม (EDFA)

โครงสร้างของ Erbium-Doped Fiber Amplifiers (EDFAs) มีอยู่สองประเภท:

• EDFA พร้อมปั๊มขยายพันธุ์ร่วม

• EDFA พร้อมปั๊มหมุนเวียน

ภาพด้านล่างแสดงการจัดวางปั๊มแบบกระจายสวนทางและแบบสองทิศทางที่สามารถใช้ในโครงสร้าง EDFA

การจัดปั๊มแบบต่างๆ

EDFA ปั๊มแบบแพร่กระจายร่วมมีกำลังออปติกเอาท์พุตที่ต่ำกว่าพร้อมสัญญาณรบกวนต่ำในขณะที่ EDFA ปั๊มกระจายกลับสวนทางกันให้พลังงานออปติคอลเอาท์พุตที่สูงกว่าแต่สร้างเสียงรบกวนที่มากกว่าเช่นกันใน EDFA เชิงพาณิชย์ทั่วไป จะใช้ปั๊มแบบสองทิศทางที่มีการสูบจ่ายแบบกระจายร่วมกันและแบบกระจายสวนทางพร้อมกัน ซึ่งส่งผลให้อัตราขยายทางแสงค่อนข้างสม่ำเสมอ

การประยุกต์ใช้ EDFA เป็นบูสเตอร์ อินไลน์ และปรีแอมพลิฟายเออร์

ในการใช้งานระยะไกลของการเชื่อมโยงการสื่อสารใยแก้วนำแสง EDFA สามารถใช้เป็นเครื่องขยายสัญญาณบูสเตอร์ที่เอาต์พุตของเครื่องส่งสัญญาณออปติคัล เครื่องขยายสัญญาณออปติคัลในสายพร้อมกับไฟเบอร์ออปติคัล เช่นเดียวกับเครื่องขยายสัญญาณล่วงหน้าก่อนหน้า ผู้รับดังแสดงในรูปด้านบน

อาจสังเกตได้ว่า EDFA ในสายวางห่างกัน 20–100 กม. ขึ้นอยู่กับการสูญเสียไฟเบอร์สัญญาณอินพุตออปติคัลอยู่ที่ความยาวคลื่น 1.55 μm ในขณะที่เลเซอร์ปั๊มทำงานที่ความยาวคลื่น 1.48 μm หรือ 980 nmความยาวโดยทั่วไปของเส้นใยที่เจือด้วยเออร์เบียมคือ 10–50 ม.

กลไกการขยายเสียงใน EDFA

ตามที่ระบุไว้ก่อนหน้านี้ กลไกการขยายสัญญาณใน EDFA อิงตามการปล่อยสารกระตุ้นที่คล้ายกับของเลเซอร์พลังงานสูงจากสัญญาณปั๊มแสง (ผลิตโดยเลเซอร์อื่น) กระตุ้นไอออนเออร์เบียมเจือปน (Er3+) ในเส้นใยซิลิกาที่สถานะพลังงานด้านบนสัญญาณข้อมูลออปติคัลอินพุตจะกระตุ้นการเปลี่ยนแปลงของไอออนเออร์เบียมที่กระตุ้นไปสู่สถานะพลังงานที่ต่ำกว่า และส่งผลให้เกิดการแผ่รังสีของโฟตอนที่มีพลังงานเท่ากัน กล่าวคือ ความยาวคลื่นเท่ากันกับสัญญาณออปติคัลอินพุต

แผนภาพระดับพลังงาน: ไอออนของเออร์เบียมอิสระแสดงระดับที่ไม่ต่อเนื่องของแถบพลังงานเมื่อเออร์เบียมไอออนถูกเจือลงในเส้นใยซิลิกา ระดับพลังงานแต่ละระดับของพวกมันจะแบ่งออกเป็นหลายระดับที่เกี่ยวข้องกันอย่างใกล้ชิดเพื่อสร้างแถบพลังงาน

1.4 กลไกการขยายเสียงใน EDFA

เพื่อให้เกิดการผกผันของประชากร ไอออน Er3+ จะถูกสูบที่ระดับกลาง 2 ในวิธีการทางอ้อม (การปั๊ม 980 นาโนเมตร) ไอออน Er3+ จะถูกย้ายอย่างต่อเนื่องจากระดับ 1 ถึงระดับ 3 ตามมาด้วยการสลายตัวแบบไม่แผ่รังสีไปยังระดับ 2 จาก โดยที่พวกมันจะตกลงไปที่ระดับ 1 โดยแผ่สัญญาณออพติคัลในความยาวคลื่นที่ต้องการ 1,500–1600 นาโนเมตรสิ่งนี้เรียกว่ากลไกการขยายเสียง 3 ระดับ

สำหรับผลิตภัณฑ์เจือ Erbium เพิ่มเติม โปรดดูในเว็บไซต์ของเรา

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

อีเมล:devin@erbiumtechnology.com

WhatsApp: +86-18113047438

โทรสาร: +86-2887897578

เพิ่ม: No.23, Chaoyang road, Xihe street, Longquanyi distrcit, Chengdu,610107, China