◆Característiques i aplicacions dels amplificadors-dopats de fibra
Anamplificador òpticés un dispositiu que pot amplificar directament senyals òptics febles. Amplifica la llum incident feble basant-se en els principis de l'emissió estimulada o la dispersió estimulada, i el seu mecanisme és exactament el mateix que el d'un làser. De fet, estructuralment, un amplificador òptic és un làser amb poca o cap retroalimentació. El guany òptic s'aconsegueix quan el medi òptic experimenta inversió de població sota l'acció del corrent de bomba o de la llum de la bomba, realitzant així l'amplificació òptica. Aquesta secció presenta els tipus d'amplificadors òptics d'ús habitual i se centra en els principis i les aplicacions dels amplificadors de fibra dopada amb erbi-.
Classificació dels amplificadors òptics
Els amplificadors òptics es poden classificar àmpliament en tres tipus segons els seus principis de funcionament
1
2
3
Aquests tipus d'amplificadors òptics es diferencien en els seus principis de funcionament i mètodes d'excitació.
Principi de funcionament de l'amplificador de fibra lastrada
Estructura EDFA
Un amplificador de fibra dopada -erbi (EDFA) és un dispositiu que utilitza fibra dopada-erbi com a mitjà de guany per amplificar la llum de senyal mitjançant la llum de bomba emesa per un díode làser. L'estructura d'un amplificador de fibra dopada amb erbi-es mostra a la figura.
Un multiplexor de divisió de longitud d'ona, també conegut com a multiplexor, combina llum de bomba i llum de senyal de longituds d'ona de 980/1550 nm o 1480/1550 nm abans d'alimentar-los a una fibra dopada amb erbi-. Requereix baixa pèrdua d'inserció i insensibilitat a la polarització de la llum.
Un aïllador òptic garanteix la transmissió de la llum unidireccional, evitant la reflexió de la llum al dispositiu original, ja que aquesta reflexió augmenta el soroll de l'amplificador i redueix l'eficiència de l'amplificació.
La funció d'un filtre òptic és filtrar el soroll fora de l'amplada de banda operativa d'un amplificador òptic, millorant així la relació senyal-a-soroll del sistema.
La fibra-dopada amb erbi és el component bàsic d'un EDFA (amplificador-dopat amb electricitat). Utilitza fibra de sílice com a matriu i dopa el nucli amb ions d'erbi, un material de treball làser d'estat sòlid-. Dins dels diversos metres a desenes de metres de fibra dopada amb erbi-, la llum interacciona amb la matèria i s'amplifica i millora.
El diàmetre de camp del mode (MFD) de la fibra dopada amb erbi- és de 3-6 μm, molt més petit que el de la fibra convencional (9-16 μm). Això és per augmentar la densitat d'energia de la llum de senyal i la llum de bomba, millorant així la seva eficiència d'interacció. Tanmateix, el diàmetre del nucli reduït de la fibra dopada amb erbi-també condueix a un desajust de camp de mode amb la fibra convencional, donant lloc a una major reflexió i pèrdua de connexió. La solució és dopar la fibra amb una petita quantitat de fluor per reduir l'índex de refracció, augmentant així el diàmetre del camp del mode per aconseguir un nivell de coincidència amb la fibra convencional. A més, durant l'empalmament de fusió, el desajust del diàmetre del camp del mode es pot reduir mitjançant l'ús de fibres de transició o allargant el connector de fibra convencional per reduir el diàmetre del nucli.
Per aconseguir una amplificació més eficient, durant la fabricació de fibres dopades amb erbi-, la majoria dels ions es concentren a la regió central del nucli de la fibra. Això es deu al fet que, a les fibres òptiques, els camps de llum del senyal i la llum de la bomba es poden considerar distribuïts aproximadament gaussià, amb la intensitat de llum més forta al llarg de l'eix del nucli de la fibra. La presència d'ions de molibdè a la regió paraxial permet una major interacció entre la llum i la matèria, millorant així l'eficiència de conversió d'energia. Depenent de l'aplicació dels amplificadors de fibra dopada amb erbi-(EDFA), hi ha disponibles diversos tipus de fibres dopades amb erbi-per al disseny d'EDFA. Per exemple, el tipus EDF-PAX-01 s'utilitza per dissenyar amplificadors i preamplificadors en-circuits, que mostren una amplada de banda de guany plana i àmplia; el tipus EDF-LAX-01 es pot utilitzar en amplificadors en circuit, oferint una alta eficiència de conversió de potència i baix soroll; i el tipus EDF-BAX-01 proporciona una gran potència de sortida, etc.
Paràmetres bàsics de les fibres dopades d'erbi-
| Paràmetre | EDF-PAX-01 | EDF-LAX-01 | EDF-BAX-01 | EDF-HCX-01 |
|---|---|---|---|---|
| Apertura numèrica (NA) | 0.24 ± 0.02 | 0.24 ± 0.02 | 0.22 ± 0.02 | 0.24 ± 0.02 |
| Longitud d'ona de tall{0}(nm) | 953 ± 35 | 953 ± 35 | 920 ± 40 | 920 ± 40 |
| Absorció màxima del nucli @ 1530 nm (dB/m) | Menor o igual a 1529,5 | 1530.5 ± 0.5 | 1531 ± 0.5 | 1530 ± 1 |
| Atenuació màxima @ 980 nm (dB/m) | 7 ± 2 | 7 ± 2 | 5 ± 2 | 8.5 ± 2 |
| Atenuació @ 980 nm (dB/m) | 5 ± 1.5 | 5 ± 1.5 | 3.55 ± 1.5 | 8.5 ± 2 |
| Pèrdua de fons @ 1200 nm (dB/km) | < 35 | < 15 | < 15 | < 15 |
| Potència saturada @ 1530 nm (mW) | 0.17 | 0.15 | 0.18 | 0.20 |
| Mode Diàmetre de camp @ 1550 nm (μm) | 4.8 ~ 5.9 | 4.8 ~ 5.9 | 5.2 ~ 6.6 | 4.8 ~ 6 |
La font de la bomba és un altre component bàsic de l'EDFA (amplificador electro-dopat de fibra òptica). Proporciona energia suficient per a l'amplificació del senyal òptic, una condició necessària per aconseguir la inversió de la població de les partícules activadores. Com que la font de la bomba determina directament el rendiment de l'EDFA, es requereix que tingui una gran potència de sortida, una bona estabilitat i una llarga vida útil. Les fonts pràctiques de bombes EDFA són tots els díodes làser, amb longituds d'ona de bomba de 980 nm i 1480 nm. La font de bomba de 980 nm s'utilitza més habitualment a causa dels seus avantatges de baix soroll, alta eficiència de la bomba i potència de fins a diversos centenars de miliwatts.
La llum i el senyal de la bomba entren a la fibra òptica simultàniament. La llum de la bomba és més intensa a l'entrada de fibra dopada-erbi. A mesura que es propaga al llarg de la fibra, transfereix gradualment energia a la llum del senyal, augmentant la força del senyal mentre la seva pròpia força disminueix gradualment.
Les característiques de la potència de sortida i el soroll sota diferents mètodes de bombeig es comparen a les figures següents. La figura a mostra la relació entre la potència del senyal òptic de sortida i la potència òptica de la bomba; les eficiències de conversió diferencials dels tres mètodes de bombeig són del 61%, 76% i 77%, respectivament. La figura b mostra la relació entre la xifra de soroll i la potència òptica de sortida de l'amplificador. A mesura que augmenta la potència òptica de sortida, el nombre d'inversió de partícules disminueix, donant lloc a un augment de la xifra de soroll. La figura c mostra la relació entre la xifra de soroll i la longitud de la fibra dopada-erbi. Com es pot veure a la figura, independentment de la longitud de la fibra-dopada amb erbi, l'EDFA amb el mètode de bombeig co-teix el soroll més baix.
