Розширені оптичні компоненти - підсилювач ербієм волоконного підсилювача (EDFA)
Багато оптоволоконних застосувань, такі як системи DWDM з великою відстанію, вимагають посилення оптичного сигналу. Раніше це спричиняло використання дорогих електронних ретрансляторів у проміжних пунктах кожні 100 км. Сьогоднішні сучасні системи DWDM на великій відстані використовують кілька вдосконалених оптичних компонентів для заміни декількох ретрансляторів одним оптичним пристроєм. Ці оптичні пристрої, які називаються оптичними підсилювачами, колись лише лабораторними цікавинками, тепер бачать широке використання в польових розгортаннях. Одним з найпоширеніших оптичних підсилювачів є волоконно-легований підсилювач ербієм (EDFA).
Дослідники розробили EDFA для заміни численних електронних ретрансляторів на меншу кількість оптичних ретрансляторів, що загалом зменшує вартість і складність системи. EDFA також дозволяють здійснити просте оновлення системи, додаючи додаткові джерела до різних довжин хвиль і комбінуючи їх на одному волокні за допомогою мультиплексора DWDM.
Волокно, що використовується в EDFA, легується ербієм, рідкісноземельним елементом, який має відповідні рівні енергії в атомній структурі для посилення світла при 1550 нм. Лазер «насос» потужністю 980 нм або 1480 нм вводить енергію в волокно, леговане ербієм. Коли слабкий сигнал при 1550 нм надходить у волокно, світло стимулює атоми ербію вивільняти накопичену їх енергію в якості додаткового світла 1550 нм. Цей процес триває, коли сигнал пропускає волокно вниз, дедалі сильніше і сильніше, поки не досягне області, легованої ербієм.
На малюнку нижче зображено двоступеневий EDFA з доступом до середнього ступеня, важливим елементом високоефективних волоконно-оптичних систем. У цьому випадку два простих одноетапних EDFA пакуються разом. Користувач отримує вихід EDFA першого ступеня і вхід EDFA другого ступеня. Ці системи часто вимагають періодичного використання додаткових елементів, таких як волокно, що компенсує дисперсію (DCF), щоб зменшити загальну дисперсію. Висока втрата вставки 10 дБ і більше робить DCF проблематичним. Розміщення DCF в точці середнього ступеня доступу двоступеневої EDFA зменшує шкідливий вплив на систему. Користувач як і раніше реалізує значне посилення завдяки EDFA, навіть за рахунок додаткового оптичного втрати частоти DCF.
На малюнку оптичний вхід спочатку проходить через оптичний ізолятор №1, який дозволяє пропускати світло зліва направо. Далі світло проходить через WDM №1. WDM №1 забезпечує спосіб впорскування довжини хвилі насоса 980 нм в першу довжину волокна, легованої ербієм. WDM №1 також дозволяє з'єднати оптичний вхідний сигнал у волокно, леговане ербієм, з мінімальними оптичними втратами.
Енергія 980 нм перекачує атоми ербію в повільно розпадається, збуджений стан. Коли світло в смузі 1550 нм проходить крізь волокно, леговане ербієм, яке зазвичай становить десятки метрів, воно викликає стимульоване випромінювання, як лазер. Таким чином оптичний вхідний сигнал 1550 нм набирає сили. Вихід волокна, легованої ербієм, потім проходить через оптичний ізолятор №2, який стає доступним для користувача. Зазвичай точка доступу на середній щаблі підключається до якогось пристрою компенсації дисперсії. Потім світло проходить через ізолятор №3 та WDM №2. WDM №2 пари 1480 нм енергії від другого насосного лазера на інший кінець другої довжини волокна, легованого ербієм, збільшуючи коефіцієнт посилення та вихідної потужності. Нарешті світло проходить через ізолятор №4.
EDFA уникають більшості активних компонентів, оскільки фотони посилюють сигнал. EDFA забезпечує високу вихідну потужність, вимагаючи меншої кількості підсилювачів у заданій конструкції системи. Найбільш базові підсилювачі дизайну EDFA освітлюють досить вузьку смугу: 12 нм. Додавання фільтрів вирівнювання посилення може збільшити діапазон до понад 25 нм. Інші екзотичні леговані волокна збільшують смугу ампліфікації до 40 нм і більше. Крім того, незалежність швидкості передачі даних у EDFA означає, що оновлення системи вимагає зміни лише терміналів запуску та прийому.
Надійна продуктивність EDFA робить її корисною в оптичних системах зв'язку з високою швидкістю передачі даних та системах доставки CATV. У додатках CATV EDFA підсилюють сигнал до і після оптичного розгалужувача, щоб посилити розділений сигнал для передачі по декількох волокнах. Перегляньте тут деталі продукту підсилювача CATV. Загалом, для оптичних підсилювачів існує чотири основні програми: підсилювач / підсилювач потужності, вбудований підсилювач, попередній підсилювач або компенсація втрат для оптичних мереж.
