◆Kuitu{0}}seostettujen vahvistimien ominaisuudet ja sovellukset
Anoptinen vahvistinon laite, joka voi suoraan vahvistaa heikkoja optisia signaaleja. Se vahvistaa heikkoa tulevaa valoa stimuloidun emission tai stimuloidun sironnan periaatteiden perusteella, ja sen mekanismi on täsmälleen sama kuin laserin. Itse asiassa rakenteellisesti optinen vahvistin on laser, jolla on vähän tai ei ollenkaan takaisinkytkentää. Optinen vahvistus saavutetaan, kun optinen väliaine kokee populaation inversion pumppuvirran tai pumpun valon vaikutuksesta, jolloin optinen vahvistus toteutuu. Tässä osiossa esitellään yleisesti käytettyjä optisia vahvistimia ja keskitytään erbium-seostettujen kuituvahvistimien periaatteisiin ja sovelluksiin.
Optisten vahvistimien luokittelu
Optiset vahvistimet voidaan luokitella laajasti kolmeen tyyppiin niiden toimintaperiaatteiden perusteella
1
2
3
Tämäntyyppiset optiset vahvistimet eroavat toisistaan toimintaperiaatteiltaan ja herätemenetelmiltään.
Liitäntäkuituvahvistimen toimintaperiaate
EDFA-rakenne
Erbium{0}}seostettu kuituvahvistin (EDFA) on laite, joka käyttää erbium-seostettua kuitua vahvistusväliaineena signaalin valon vahvistamiseen laserdiodin lähettämän pumppuvalon avulla. Erbium-seostetun kuituvahvistimen rakenne on esitetty kuvassa.
Aallonpituusjakoinen multiplekseri, joka tunnetaan myös nimellä multiplekseri, yhdistää pumpun valon ja signaalivalon aallonpituuksilla 980/1550nm tai 1480/1550nm ennen kuin syöttää ne erbium{4}}seostettuun kuituun. Se vaatii pientä lisäyshäviötä ja epäherkkyyttä valon polarisaatiolle.
Optinen eristin varmistaa yksisuuntaisen valon läpäisyn, estäen valon heijastumisen takaisin alkuperäiseen laitteeseen, koska tällainen heijastus lisää vahvistimen kohinaa ja vähentää vahvistuksen tehokkuutta.
Optisen suodattimen tehtävänä on suodattaa pois kohina optisen vahvistimen toimintakaistanleveyden ulkopuolella, mikä parantaa järjestelmän signaalin-/-kohinasuhdetta.
Erbium-seostettu kuitu on EDFA:n (Electrium-doped Amplifier) ydinkomponentti. Se käyttää piidioksidikuitua matriisina ja lisää ytimen erbiumioneilla, kiinteän olomuodon lasertyöstömateriaalilla. Useista metristä kymmeniin metriin erbium-seostetussa kuidussa valo on vuorovaikutuksessa aineen kanssa ja vahvistuu ja tehostuu.
Erbium{0}}seostetun kuidun tilakentän halkaisija (MFD) on 3–6 μm, paljon pienempi kuin tavanomaisen kuidun (9–16 μm). Tämä lisää merkkivalon ja pumppuvalon energiatiheyttä, mikä parantaa niiden vuorovaikutuksen tehokkuutta. Erbium-seostetun kuidun pienentynyt ytimen halkaisija johtaa kuitenkin myös tilakentän yhteensopimattomuuteen tavanomaisen kuidun kanssa, mikä johtaa suurempaan heijastukseen ja yhteyden katkeamiseen. Ratkaisu on seostaa kuitu pienellä määrällä fluoria taitekertoimen alentamiseksi, jolloin moodikentän halkaisija kasvaa tavanomaisen kuidun kanssa vastaavan tason saavuttamiseksi. Lisäksi fuusioliitoksen aikana moodikentän halkaisijan epäsopivuutta voidaan vähentää käyttämällä siirtymäkuituja tai pidentämällä tavanomaista kuituliitintä sydämen halkaisijan pienentämiseksi.
Tehokkaamman vahvistuksen saavuttamiseksi erbium-seostettujen kuitujen valmistuksen aikana useimmat ionit keskittyvät kuituytimen keskialueelle. Tämä johtuu siitä, että optisissa kuiduissa signaalin ja pumppuvalon valokenttiä voidaan pitää likimäärin Gaussin jakautuneina ja voimakkaimmin valon intensiteetti pitkin kuidun ytimen akselia. Molybdeeni-ionien läsnäolo paraksiaalisella alueella mahdollistaa suuremman vuorovaikutuksen valon ja aineen välillä, mikä parantaa energian muunnostehokkuutta. Erbium-seostettujen kuituvahvistimien (EDFA) sovelluksesta riippuen EDFA-suunnitteluun on saatavana erilaisia erbium-seostettuja kuituja. Esimerkiksi EDF-PAX-01-tyyppiä käytetään piirivahvistimien ja esivahvistimien suunnittelussa, joilla on tasainen ja laaja vahvistuskaistanleveys. EDF-LAX-01-tyyppiä voidaan käyttää piirin sisäisissä vahvistimissa, mikä tarjoaa korkean tehon muunnostehokkuuden ja alhaisen melutason; ja EDF-BAX-01-tyyppi tarjoaa suuren lähtötehon jne.
Erbium{0}}seostettujen kuitujen perusparametrit
| Parametri | EDF-PAX-01 | EDF-LAX-01 | EDF-BAX-01 | EDF-HCX-01 |
|---|---|---|---|---|
| Numeerinen aukko (NA) | 0.24 ± 0.02 | 0.24 ± 0.02 | 0.22 ± 0.02 | 0.24 ± 0.02 |
| Leikkaus{0}}aallonpituus (nm) | 953 ± 35 | 953 ± 35 | 920 ± 40 | 920 ± 40 |
| Huippuytimen absorptio @ 1530 nm (dB/m) | Pienempi tai yhtä suuri kuin 1529,5 | 1530.5 ± 0.5 | 1531 ± 0.5 | 1530 ± 1 |
| Huippuvaimennus @ 980 nm (dB/m) | 7 ± 2 | 7 ± 2 | 5 ± 2 | 8.5 ± 2 |
| Vaimennus @ 980 nm (dB/m) | 5 ± 1.5 | 5 ± 1.5 | 3.55 ± 1.5 | 8.5 ± 2 |
| Taustahäviö @ 1200 nm (dB/km) | < 35 | < 15 | < 15 | < 15 |
| Kyllästetty teho @ 1530 nm (mW) | 0.17 | 0.15 | 0.18 | 0.20 |
| Tilakentän halkaisija @ 1550 nm (μm) | 4.8 ~ 5.9 | 4.8 ~ 5.9 | 5.2 ~ 6.6 | 4.8 ~ 6 |
Pumppulähde on toinen EDFA:n (electro{0}}doped Fiber Optic Amplifier) ydinkomponentti. Se tarjoaa riittävästi energiaa optisen signaalin vahvistamiseen, mikä on välttämätön edellytys aktivaattorihiukkasten populaation inversion saavuttamiseksi. Koska pumpun lähde määrää suoraan EDFA:n suorituskyvyn, sillä on oltava suuri lähtöteho, hyvä vakaus ja pitkä käyttöikä. Käytännön EDFA-pumppulähteet ovat kaikki laserdiodeja, joiden pumpun aallonpituudet ovat 980nm ja 1480nm. 980 nm:n pumppulähdettä käytetään yleisemmin, koska sen etuja ovat alhainen melutaso, korkea pumpun hyötysuhde ja jopa useiden satojen milliwattien teho.
Pumpun valo ja signaali tulevat optiseen kuituun samanaikaisesti. Pumpun valo on voimakkain erbium-seostetun kuidun sisääntulossa. Kun se etenee kuitua pitkin, se siirtää vähitellen energiaa merkkivaloon, mikä lisää signaalin voimakkuutta samalla kun sen oma voimakkuus vähenee vähitellen.
Eri pumppausmenetelmien lähtöteho- ja meluominaisuuksia verrataan seuraavissa kuvissa. kuvio a esittää optisen lähtösignaalin tehon ja pumpun optisen tehon välistä suhdetta; kolmen pumppausmenetelmän erilaiset muunnostehot ovat 61 %, 76 % ja 77 %. Kuvassa b on esitetty kohinaluvun ja vahvistimen optisen lähtötehon välinen suhde. Kun optinen lähtöteho kasvaa, hiukkasten inversioluku pienenee, mikä johtaa kohinaluvun kasvuun. Kuvassa c näkyy suhde kohinaluvun ja erbium-seostetun kuidun pituuden välillä. Kuten kuvasta voidaan nähdä, riippumatta erbium-seostetun kuidun pituudesta, EDFA:lla yhteissuuntaisella pumppausmenetelmällä{10} on pienin melu.