Erbium-gedoteerde vezelversterkers (EDFA's)

Erbium-gedoteerde vezelversterkers (EDFA's) maken gebruik van zeldzame aardmetalen zoals erbium (Er3+) als versterkingsmedium.Het wordt tijdens het fabricageproces in de vezelkern gedoteerd.Het bestaat uit een kort stuk vezel (typisch ongeveer 10 m) gemaakt van glas waarin een kleine gecontroleerde hoeveelheid erbium is toegevoegd als doteringsmiddel in de vorm van een ion (Er3+).De silicavezel fungeert dus als een gastheermedium.Het zijn de doteermiddelen (erbium) in plaats van de silicavezel die de werkende golflengte en de versterkingsbandbreedte bepalen.EDFA's werken over het algemeen in het golflengtegebied van 1550 nm en kunnen capaciteiten van meer dan 1 Tbps bieden.Ze worden dus veel gebruikt in WDM-systemen.

Het principe van gestimuleerde emissie is van toepassing op het versterkingsmechanisme van de EDFA.Wanneer de doteerstof (een erbiumion) zich in een hoogenergetische toestand bevindt, zal een invallend foton van het optische ingangssignaal het stimuleren.Het geeft een deel van zijn energie af aan de doteerstof en keert terug naar een toestand met een lagere energie ("gestimuleerde emissie") die stabieler is.Onderstaande figuur toont de basisstructuur van een EDFA.

1.1 Basisstructuur van een EDFA

De pomplaserdiode produceert normaal gesproken een optisch signaal met een golflengte (bij 980 nm of 1480 nm) bij een hoog vermogen (~ 10–200 mW).Dit signaal wordt via een WDM-koppeling gekoppeld aan het lichtingangssignaal in het met erbium gedoteerde gedeelte van de silicavezel.De erbiumionen zullen deze pompsignaalenergie absorberen en naar hun aangeslagen toestand springen.Een deel van het uitgangslichtsignaal wordt afgetapt en teruggevoerd naar de ingang van de pomplaser via een optisch filter en een detector.Dit dient als feedback-vermogensregelingsmechanisme om van EDFA's zelfregulerende versterkers te maken.Wanneer alle metastabiele elektronen zijn verbruikt, vindt er geen verdere versterking plaats.Daarom stabiliseert het systeem automatisch omdat het optische uitgangsvermogen van de EDFA vrijwel constant blijft, ongeacht de eventuele fluctuatie van het ingangsvermogen.

1.2 Vereenvoudigd functioneel schema van een EDFA

De bovenstaande afbeelding toont het vereenvoudigde functionele schema van een EDFA waarin een pompsignaal van de laser wordt toegevoegd aan een optisch ingangssignaal (bij 1480 nm of 980 nm) via een WDM-koppeling.

Dit diagram toont een zeer eenvoudige EDF-versterker.De golflengte van het pompsignaal (bij een pompvermogen van ongeveer 50 mW) is 1480 nm of 980 nm.Een deel van dit pompsignaal wordt overgebracht naar het optische ingangssignaal door gestimuleerde emissie binnen een korte lengte van met Erbium gedoteerde vezels.Het heeft een typische optische versterking van ongeveer 5–15 dB en een ruiscijfer van minder dan 10 dB.Voor 1550 nm werking is het mogelijk om 30-40 dB optische versterking te verkrijgen.

1.3 Praktische realisatie van een EDFA

De bovenstaande afbeelding toont een vereenvoudigde werking van een EDFA met zijn praktische structuur bij gebruik in WDM-toepassing.

Zoals weergegeven, bevat het de volgende hoofdonderdelen:

• Een isolator aan de ingang.Dit zorgt ervoor dat de door een EDFA gegenereerde ruis zich niet voortplant naar het uiteinde van de zender.

• Een WDM-koppeling.Het combineert het low-power 1550 nm optische ingangsdatasignaal met een krachtig optisch pompsignaal (van pompbron zoals laser) bij een golflengte van 980 nm.

• Een klein stukje met erbium gedoteerde silicavezel.In feite dient dit als het actieve medium van de EDFA.

• Een isolator aan de uitgang.Het helpt voorkomen dat een teruggekaatst optisch signaal de met erbium gedoteerde silicavezel binnendringt.

Het uiteindelijke uitvoersignaal is een versterkt optisch gegevenssignaal met een golflengte van 1550 nm met een resterend pompsignaal met een golflengte van 980 nm.

Soorten Erbium-gedoteerde vezelversterkers (EDFA's)

Er zijn twee soorten structuren van Erbium-Doped Fiber Amplifiers (EDFA's):

• EDFA met co-propagatiepomp

• EDFA met tegenvermeerderende pomp

De onderstaande afbeelding toont tegengestelde pomp- en bidirectionele pompopstellingen die kunnen worden gebruikt in EDFA-structuren.

Verschillende pompopstellingen

Een co-propagerende pomp EDFA heeft een lager optisch uitgangsvermogen met weinig ruis;terwijl een tegengestelde pomp EDFA een hoger optisch uitgangsvermogen levert, maar ook meer ruis produceert.In een typische commerciële EDFA wordt een bidirectionele pomp met gelijktijdige co-propagerende en contra-propagerende pompen gebruikt, wat resulteert in een relatief uniforme optische versterking.

Toepassing van EDFA als booster, in-line en voorversterker

Bij een langeafstandstoepassing van een optische vezelcommunicatieverbinding kunnen EDFA's worden gebruikt als boosterversterker aan de uitgang van de optische zender, een in-line optische versterker samen met de optische vezel en als voorversterker net voor de ontvanger, zoals weergegeven in de bovenstaande afbeelding.

Opgemerkt kan worden dat in-line EDFA's op 20-100 km afstand van elkaar worden geplaatst, afhankelijk van het vezelverlies.Het optische ingangssignaal heeft een golflengte van 1,55 μm, terwijl de pomplasers werken op een golflengte van 1,48 μm of 980 nm.De typische lengte van met Erbium gedoteerde vezels is 10-50 m.

Amplificatiemechanisme in EDFA's

Zoals eerder vermeld, is het versterkingsmechanisme in een EDFA gebaseerd op gestimuleerde emissie vergelijkbaar met dat van een laser.Hoge energie van het signaal van de optische pomp (geproduceerd door een andere laser) exciteert de doteerstof erbiumionen (Er3+) in een silicavezel in de hoogste energietoestand.Het optische ingangssignaal stimuleert de overgang van de geëxciteerde Erbium-ionen naar de lagere energietoestand en resulteert in de straling van fotonen met dezelfde energie, dwz dezelfde golflengte als die van het optische ingangssignaal.

Diagram op energieniveau: Vrije Erbium-ionen vertonen discrete niveaus van de energieband.Wanneer Erbium-ionen worden gedoteerd in een silicavezel, splitst elk van hun energieniveaus zich op in een aantal nauw verwante niveaus om zo een energieband te vormen.

1.4 Versterkingsmechanisme in EDFA

Om populatie-inversie te bereiken, worden Er3+-ionen gepompt op tussenliggend niveau 2. Bij de indirecte methode (980-nm pompen) worden Er3+-ionen continu verplaatst van niveau 1 naar niveau 3. Het wordt gevolgd door niet-stralend verval naar niveau 2, van waar ze dalen tot niveau 1, waarbij de optische signalen worden uitgestraald in de gewenste golflengte van 1500–1600 nm.Dit staat bekend als versterkingsmechanisme met 3 niveaus.

Voor meer Erbium-gedoopte producten kunt u een kijkje nemen op onze website.

https://www.erbiumtechnology.com/erbium-laser-glasseye-safe-laser-glass/

E-mailadres:devin@erbiumtechnology.com

WhatsApp: +86-18113047438

Telefax: +86-2887897578

Toevoegen: nr. 23, Chaoyang-weg, Xihe-straat, Longquanyi-district, Chengdu, 610107, China.