Prinsip dan penerapanPenguat serat optik yang didoping erbium (EDFA)
Struktur dasar dariEDFAPenguat serat optik yang didoping erbium, yang terutama terdiri dari medium aktif (serat kuarsa yang didoping sepanjang puluhan meter, diameter inti 3-5 mikron, konsentrasi doping (25-1000)x10-6), sumber cahaya pompa (LD 990 atau 1480nm), coupler optik, dan isolator optik. Cahaya sinyal dan cahaya pompa dapat merambat searah (co-pumping), berlawanan arah (reverse pumping), atau kedua arah (bidirectional pumping) dalam serat erbium. Ketika cahaya sinyal dan cahaya pompa disuntikkan ke dalam serat erbium secara bersamaan, ion erbium tereksitasi ke tingkat energi tinggi (sistem tiga tingkat) di bawah pengaruh cahaya pompa, dan segera meluruh ke tingkat metastabil. Ketika kembali ke keadaan dasar di bawah pengaruh cahaya sinyal yang datang, foton yang sesuai dengan cahaya sinyal dipancarkan, sehingga sinyal diperkuat. Spektrum emisi spontan teramplifikasi (ASE) -nya memiliki lebar pita yang besar (hingga 20-40nm) dan memiliki dua puncak yang masing-masing sesuai dengan 1530nm dan 1550nm.
Keuntungan utama dariPenguat EDFAmemiliki penguatan tinggi, bandwidth besar, daya keluaran tinggi, efisiensi pemompaan tinggi, rugi penyisipan rendah, dan tidak sensitif terhadap keadaan polarisasi.
Prinsip kerja penguat serat optik yang didoping erbium
Penguat serat optik yang didoping Erbium (Penguat Optik EDFAPenguat serat optik (fiber amplifier) terutama terdiri dari serat yang didoping erbium (panjang sekitar 10-30m) dan sumber cahaya pompa. Prinsip kerjanya adalah serat yang didoping erbium menghasilkan radiasi terstimulasi di bawah pengaruh sumber cahaya pompa (panjang gelombang 980nm atau 1480nm), dan cahaya yang dipancarkan berubah seiring dengan perubahan sinyal cahaya masukan, yang setara dengan penguatan sinyal cahaya masukan. Hasil penelitian menunjukkan bahwa penguatan penguat serat optik yang didoping erbium biasanya 15-40db, dan jarak relai dapat ditingkatkan lebih dari 100km. Jadi, orang-orang bertanya-tanya: mengapa para ilmuwan berpikir untuk menggunakan erbium yang didoping dalam penguat serat optik untuk meningkatkan intensitas gelombang cahaya? Kita tahu bahwa erbium adalah unsur tanah jarang, dan unsur tanah jarang memiliki karakteristik struktural khusus. Pendopingan unsur tanah jarang dalam perangkat optik telah lama digunakan untuk meningkatkan kinerja perangkat optik, jadi ini bukanlah faktor kebetulan. Selain itu, mengapa panjang gelombang sumber cahaya pompa dipilih pada 980nm atau 1480nm? Sebenarnya, panjang gelombang sumber cahaya pompa dapat berupa 520nm, 650nm, 980nm, dan 1480nm, tetapi praktik telah membuktikan bahwa panjang gelombang sumber cahaya pompa 1480nm menghasilkan efisiensi laser tertinggi, diikuti oleh panjang gelombang sumber cahaya pompa 980nm.
Struktur fisik
Struktur dasar penguat serat optik yang didoping erbium (EDFA). Terdapat isolator di ujung input dan output, tujuannya adalah untuk membuat transmisi sinyal optik satu arah. Sumber pompa memiliki panjang gelombang 980nm atau 1480nm dan digunakan untuk menyediakan energi. Fungsi coupler adalah untuk menggabungkan sinyal optik input dan cahaya pompa ke dalam serat yang didoping erbium, dan mentransfer energi cahaya pompa ke sinyal optik input melalui aksi serat yang didoping erbium, sehingga mewujudkan penguatan energi sinyal optik input. Untuk mendapatkan daya optik output yang lebih tinggi dan indeks noise yang lebih rendah, penguat serat yang didoping erbium yang digunakan dalam praktik mengadopsi struktur dua atau lebih sumber pompa dengan isolator di tengah untuk mengisolasi satu sama lain. Untuk mendapatkan kurva gain yang lebih lebar dan lebih rata, ditambahkan filter perataan gain.
EDFA terdiri dari lima bagian utama: serat optik yang didoping erbium (EDF), coupler optik (WDM), isolator optik (ISO), filter optik, dan catu daya pompa. Sumber pompa yang umum digunakan meliputi 980nm dan 1480nm, dan kedua sumber pompa ini memiliki efisiensi pemompaan yang lebih tinggi dan lebih banyak digunakan. Koefisien noise sumber cahaya pompa 980nm lebih rendah; sumber cahaya pompa 1480nm memiliki efisiensi pemompaan yang lebih tinggi dan dapat menghasilkan daya keluaran yang lebih besar (sekitar 3dB lebih tinggi daripada sumber cahaya pompa 980nm).
keuntungan
1. Panjang gelombang operasi konsisten dengan jendela redaman minimum serat optik mode tunggal.
2. Efisiensi kopling yang tinggi. Karena merupakan penguat serat optik, maka mudah untuk dikopling dengan serat transmisi.
3. Efisiensi konversi energi yang tinggi. Inti serat EDF lebih kecil daripada serat transmisi, dan cahaya sinyal serta cahaya pompa ditransmisikan secara bersamaan dalam serat EDF, sehingga kapasitas optiknya sangat terkonsentrasi. Hal ini membuat interaksi antara cahaya dan medium penguat ion Er sangat penuh, ditambah dengan panjang serat yang didoping erbium yang sesuai, sehingga efisiensi konversi energi cahaya tinggi.
4. Penguatan tinggi, indeks kebisingan rendah, daya keluaran besar, interferensi silang antar saluran rendah.
5. Karakteristik penguatan yang stabil: EDFA tidak sensitif terhadap suhu, dan penguatan memiliki sedikit korelasi dengan polarisasi.
6. Fitur penguatan tidak bergantung pada kecepatan bit sistem dan format data.
kekurangan
1. Efek nonlinier: EDFA memperkuat daya optik dengan meningkatkan daya optik yang disuntikkan ke dalam serat, tetapi semakin besar semakin baik. Ketika daya optik ditingkatkan hingga batas tertentu, efek nonlinier serat optik akan dihasilkan. Oleh karena itu, ketika menggunakan penguat serat optik, perlu diperhatikan nilai kontrol daya optik serat masuk saluran tunggal.
2. Rentang panjang gelombang penguatan bersifat tetap: rentang panjang gelombang kerja EDFA pita C adalah 1530nm~1561nm; Rentang panjang gelombang kerja EDFA pita L adalah 1565nm~1625nm.
3. Lebar pita penguatan yang tidak merata: Lebar pita penguatan penguat serat optik yang didoping erbium (EDFA) sangat lebar, tetapi spektrum penguatan EDF itu sendiri tidak rata. Filter perataan penguatan harus diterapkan untuk meratakan penguatan dalam sistem WDM.
4. Masalah lonjakan cahaya: Ketika jalur cahaya normal, ion erbium yang tereksitasi oleh cahaya pompa terbawa oleh cahaya sinyal, sehingga menyelesaikan amplifikasi cahaya sinyal. Jika cahaya masukan terputus, karena ion erbium metastabil terus terakumulasi, begitu cahaya masukan sinyal dipulihkan, energi akan melonjak, mengakibatkan lonjakan cahaya.
5. Solusi untuk lonjakan daya optik adalah dengan mewujudkan fungsi pengurangan daya optik otomatis (APR) atau pematian daya optik otomatis (APSD) pada EDFA, yaitu, EDFA secara otomatis mengurangi daya atau secara otomatis mematikan daya ketika tidak ada cahaya masukan, sehingga menekan terjadinya fenomena lonjakan daya.
Mode aplikasi
1. Penguat daya (booster amplifier) digunakan untuk meningkatkan daya sinyal multi-panjang gelombang setelah gelombang penguat, dan kemudian mengirimkannya. Karena daya sinyal setelah gelombang penguat umumnya besar, indeks kebisingan dan penguatan penguat daya tidak terlalu tinggi. Memiliki daya keluaran yang relatif besar.
2. Penguat saluran, setelah penguat daya, digunakan untuk mengkompensasi kerugian transmisi saluran secara periodik, umumnya membutuhkan indeks kebisingan yang relatif kecil dan daya optik keluaran yang besar.
3. Pra-Penguat: Sebelum splitter dan setelah penguat saluran, digunakan untuk memperkuat sinyal dan meningkatkan sensitivitas penerima (dalam kasus rasio sinyal-ke-derau optik (OSNR) memenuhi persyaratan, daya masukan yang lebih besar dapat menekan derau penerima itu sendiri dan meningkatkan sensitivitas penerimaan), dan indeks derau sangat kecil. Tidak ada persyaratan besar pada daya keluaran.
Waktu posting: 17 Maret 2025