עקרון ויישום של מגבר סיבים מסומם בארביום EDFA

עקרון ויישום שלמגבר סיבים מסומם בארביום EDFA

המבנה הבסיסי שלEDFAמגבר סיבים מסומם בארביום, המורכב בעיקר מתווך פעיל (סיב קוורץ מסומם באורך עשרות מטרים, קוטר ליבה 3-5 מיקרון, ריכוז סימום (25-1000)x10-6), מקור אור משאבה (990 או 1480 ננומטר LD), מצמד אופטי ומבודד אופטי. אור אות ואור משאבה יכולים להתפשט באותו כיוון (שאיבה משותפת), בכיוון הפוך (שאיבה הפוכה), או בשני הכיוונים (שאיבה דו-כיוונית) בסיב ארביום. כאשר אור האות ואור המשאבה מוזרקים לסיב ארביום בו זמנית, יון ארביום מעורר לרמת אנרגיה גבוהה (מערכת תלת-מפלסית) תחת פעולת אור המשאבה, ובמהרה דועך לרמה מטא-סטבילית. כאשר הוא חוזר למצב היסוד תחת פעולת אור האות הפוגע, נפלט הפוטון המתאים לאור האות, כך שהאות מוגבר. לספקטרום הפליטה הספונטנית המוגברת (ASE) שלו רוחב פס גדול (עד 20-40 ננומטר) ויש לו שני שיאים התואמים ל-1530 ננומטר ו-1550 ננומטר בהתאמה.

היתרונות העיקריים שלמגבר EDFAהם הגבר גבוה, רוחב פס גדול, הספק יציאה גבוה, יעילות שאיבה גבוהה, אובדן הכנסה נמוך וחוסר רגישות למצבי קיטוב.

עקרון העבודה של מגבר סיבים מסומם בארביום

מגבר הסיבים המסומם בארביום (מגבר אופטי EDFA） מורכב בעיקר מסיב מסומם בארביום (באורך של כ-10-30 מטר) וממקור אור משאבה. עקרון הפעולה הוא שהסיב המסומם בארביום מייצר קרינה מגורה תחת פעולת מקור האור השאוב (אורך גל 980 ננומטר או 1480 ננומטר), והאור המוקרן משתנה עם שינוי אות האור הקלט, דבר השקול להגברת אות האור הקלט. התוצאות מראות כי ההגבר של מגבר סיבים מסומם בארביום הוא בדרך כלל 15-40db, ומרחק הממסר יכול לגדול ביותר מ-100 ק"מ. לכן, אנשים לא יכולים שלא לשאול: מדוע חשבו מדענים להשתמש בארביום מסומם במגבר סיבים כדי להגביר את עוצמת גלי האור? אנו יודעים שארביום הוא יסוד אדמה נדיר, וליסודות אדמה נדירים יש מאפיינים מבניים מיוחדים. סימום יסודות אדמה נדירים במכשירים אופטיים משמש מזה זמן רב לשיפור ביצועי המכשירים האופטיים, כך שזה לא גורם מקרי. בנוסף, מדוע אורך הגל של מקור אור המשאבה נבחר ב-980 ננומטר או 1480 ננומטר? למעשה, אורך הגל של מקור אור המשאבה יכול להיות 520 ננומטר, 650 ננומטר, 980 ננומטר ו-1480 ננומטר, אך בפועל הוכיח כי יעילות הגל של מקור אור המשאבה 1480 ננומטר היא הגבוהה ביותר, ואחריה אורך הגל של מקור אור המשאבה 980 ננומטר.

מבנה פיזי

מבנה בסיסי של מגבר סיבים מסומם בארביום (מגבר אופטי EDFA). ישנו מבודד בקצה הקלט ובקצה הפלט, שמטרתו היא להעביר את האות האופטי לחד-כיווני. למעורר המשאבה אורך גל של 980 ננומטר או 1480 ננומטר והוא משמש לאספקת אנרגיה. תפקיד המצמד הוא לחבר את אות הקלט האופטי ואת אור המשאבה לסיב המסומם בארביום, ולהעביר את אנרגיית אור המשאבה לאות הקלט האופטי באמצעות פעולת הסיב המסומם בארביום, על מנת לממש את הגברת האנרגיה של אות הקלט האופטי. על מנת להשיג הספק אופטי פלט גבוה יותר ומדד רעש נמוך יותר, מגבר הסיבים המסומם בארביום המשמש בפועל מאמץ מבנה של שני מקורות משאבה או יותר עם מבודדים באמצע כדי לבודד זה את זה. על מנת להשיג עקומת הגברה רחבה ושטוחה יותר, נוסף מסנן שיטוח הגברה.

EDFA מורכב מחמישה חלקים עיקריים: סיב מסומם בארביום (EDF), מצמד אופטי (WDM), מבודד אופטי (ISO), מסנן אופטי ואספקת שאיבה. מקורות משאבה נפוצים כוללים 980nm ו-1480nm, ולשני מקורות משאבה אלה יעילות שאיבה גבוהה יותר והם נמצאים בשימוש רב יותר. מקדם הרעש של מקור אור משאבה 980nm נמוך יותר; למקור אור משאבה 1480nm יעילות שאיבה גבוהה יותר והוא יכול להשיג הספק פלט גדול יותר (גבוה בכ-3dB ממקור אור משאבה 980nm).

יִתרוֹן

1. אורך הגל הפעיל תואם את חלון ההנחתה המינימלי של סיב חד-מצבי.

2. יעילות צימוד גבוהה. מכיוון שמדובר במגבר סיבים, קל לחבר אותו לסיב השידור.

3. יעילות המרת אנרגיה גבוהה. ליבת ה-EDF קטנה יותר מזו של סיב ההולכה, ואור האות ואור המשאבה מועברים בו זמנית ב-EDF, כך שהקיבולת האופטית מרוכזת מאוד. זה הופך את האינטראקציה בין האור ליון Er של מדיום ההגבר למלאה מאוד, בשילוב עם אורך מתאים של סיב מסומם בארביום, כך שיעילות ההמרה של אנרגיית האור גבוהה.

4. רווח גבוה, מדד רעש נמוך, הספק פלט גדול, מעבר נמוך בין ערוצים.

5. מאפייני הגברה יציבים: EDFA אינו רגיש לטמפרטורה, והגבר קשור מעט לקיטוב.

6. תכונת ההגבר אינה תלויה בקצב הסיביות של המערכת ובפורמט הנתונים.

חִסָרוֹן

1. אפקט לא ליניארי: EDFA מגביר את ההספק האופטי על ידי הגדלת ההספק האופטי המוזרק לסיב, אך ככל שגדול יותר, כך ייטב. כאשר ההספק האופטי מגביר במידה מסוימת, נוצר אפקט לא ליניארי של סיב אופטי. לכן, בעת שימוש במגברי סיבים אופטיים, יש לשים לב לערך השליטה בהספק האופטי הנכנס של סיב אופטי בערוץ יחיד.

2. טווח אורך הגל של ההגבר קבוע: טווח אורך הגל של EDFA בפס C הוא 1530 ננומטר ~ 1561 ננומטר; טווח אורך הגל של EDFA בפס L הוא 1565 ננומטר ~ 1625 ננומטר.

3. רוחב פס הגבר לא אחיד: רוחב הפס של מגבר סיבים מסומם בארביום EDFA רחב מאוד, אך ספקטרום ההגבר של ה-EDF עצמו אינו שטוח. יש לאמץ מסנן שיטוח הגבר כדי לשטח את ההגבר במערכת WDM.

4. בעיית נחשולי אור: כאשר נתיב האור תקין, יוני ארביום המעוררים על ידי אור המשאבה נסחפים על ידי אור האות, ובכך משלימים את הגברת אור האות. אם אור הקלט נקטע, מכיוון שיוני ארביום מטא-סטבילים ממשיכים להצטבר, לאחר שקלט אור האות מתחדש, האנרגיה תקפוץ, וכתוצאה מכך נחשולי אור.

5. הפתרון לנחשול האופטי הוא לממש את פונקציית הפחתת ההספק האופטי האוטומטית (APR) או כיבוי הספק האופטי האוטומטי (APSD) ב-EDFA, כלומר, EDFA מפחית אוטומטית את ההספק או מכבה אוטומטית את ההספק כאשר אין אור קלט, ובכך מדכא את התרחשות תופעת הנחשול.

מצב יישום

1. מגבר הבוסטר משמש להגברת עוצמתם של אותות באורך גל מרובים לאחר גל הבוסטר, ולאחר מכן שידורם. מכיוון שעוצמת האות לאחר גל הבוסטר היא בדרך כלל גדולה, מדד הרעש וההגבר של מגבר ההספק אינם גבוהים במיוחד. יש לו עוצמת פלט גדולה יחסית.

2. מגבר קו, לאחר מגבר ההספק, משמש לקיזוז תקופתי על אובדן שידור הקו, ובדרך כלל דורש מדד רעש קטן יחסית והספק אופטי פלט גדול.

3. קדם-מגבר: לפני המפצל ואחרי מגבר הקו, הוא משמש להגברת האות ולשיפור רגישות המקלט (במקרה שיחס אות לרעש אופטי (OSNR) עומד בדרישות, הספק קלט גדול יותר יכול לדכא את הרעש של המקלט עצמו ולשפר את רגישות הקליטה), ומדד הרעש קטן מאוד. אין דרישה גדולה להספק המוצא.