◆Kiud{0}}legeeritud võimendite omadused ja rakendused
Anoptiline võimendion seade, mis võib otseselt võimendada nõrku optilisi signaale. See võimendab nõrka langevat valgust, mis põhineb stimuleeritud emissiooni või stimuleeritud hajumise põhimõtetel, ja selle mehhanism on täpselt sama, mis laseril. Tegelikult on optiline võimendi struktuurselt laser, millel on vähe või puudub igasugune tagasiside. Optiline võimendus saavutatakse siis, kui optiline keskkond kogeb pumba voolu või pumba valguse toimel populatsiooni inversiooni, realiseerides seega optilise võimenduse. Selles jaotises tutvustatakse sagedamini kasutatavaid optiliste võimendite tüüpe ning keskendutakse erbium-leegeeritud fiiberoptiifi põhimõtetele ja rakendustele.
Optiliste võimendite klassifikatsioon
Optilised võimendid võib nende tööpõhimõtete alusel laias laastus jagada kolme tüüpi
1
2
3
Seda tüüpi optilised võimendid erinevad oma tööpõhimõtete ja ergastusmeetodite poolest.
Ballastkiudvõimendi tööpõhimõte
EDFA struktuur
Erbium{0}}leegeeritud kiudvõimendi (EDFA) on seade, mis kasutab erbium-leegeeritud kiudu signaalvalguse võimendamiseks laserdioodist kiirgava pumbavalguse abil. Erbium-legeeritud kiudvõimendi struktuur on näidatud joonisel.
Lainepikkusjaotusega multiplekser, tuntud ka kui multiplekser, ühendab pumba valguse ja signaalvalguse lainepikkusega 980/1550 nm või 1480/1550 nm, enne kui suunab need erbium{4}} legeeritud kiududesse. See nõuab väikest sisestuskadu ja tundlikkust valguse polarisatsiooni suhtes.
Optiline isolaator tagab ühesuunalise valguse läbilaskvuse, vältides valguse tagasipeegeldumist algseadmele, kuna selline peegeldus suurendab võimendi müra ja vähendab võimenduse efektiivsust.
Optilise filtri ülesanne on välja filtreerida müra väljaspool optilise võimendi tööriba laiust, parandades seeläbi süsteemi signaali-/-müra suhet.
Erbium-leegeeritud kiud on EDFA (electrium-doped Amplifier) põhikomponent. See kasutab maatriksina ränidioksiidkiudu ja seob südamiku erbiumiioonidega, mis on tahke oleklaseri töömaterjal. Mitme meetri kuni kümnete meetrite erbium{5}}leegeeritud kiudude piires interakteerub valgus ainega ning võimendub ja paraneb.
Erbium{0}}leegeeritud kiu režiimivälja diameeter (MFD) on 3–6 μm, mis on palju väiksem kui tavalise kiu puhul (9–16 μm). Selle eesmärk on suurendada signaal- ja pumbavalgusti energiatihedust, parandades seeläbi nende koostoime tõhusust. Erbium-leegeeritud kiu vähendatud südamiku läbimõõt põhjustab aga ka režiimivälja mittevastavust tavapärase kiuduga, mille tulemuseks on suurem peegeldus ja ühenduse katkemine. Lahendus on anda kiud murdumisnäitaja vähendamiseks väikese koguse fluoriga, suurendades seeläbi režiimivälja läbimõõtu, et saavutada tavapäraste kiududega sobiv tase. Lisaks saab liitmise ajal režiimivälja läbimõõdu mittevastavust vähendada, kasutades siirdekiude või pikendades südamiku läbimõõdu vähendamiseks tavapärast kiuühendust.
Tõhusama võimenduse saavutamiseks koondub erbium{0}}leegeeritud kiudude valmistamise ajal enamik ioone kiudude südamiku keskossa. Selle põhjuseks on asjaolu, et optiliste kiudude puhul võib signaali ja pumba valguse valgusvälju pidada ligikaudu Gaussi jaotusega, kusjuures valguse intensiivsus on piki kiu südamiku telge. Molübdeenioonide olemasolu paraksiaalses piirkonnas võimaldab suuremat interaktsiooni valguse ja aine vahel, parandades seeläbi energia muundamise efektiivsust. Sõltuvalt erbium-leegeeritud kiudvõimendite (EDFA) rakendusest on EDFA projekteerimiseks saadaval erinevat tüüpi erbium{5}}legeeritud kiud. Näiteks kasutatakse tüüpi EDF-PAX-01 vooluahelas-võimendite ja eelvõimendite projekteerimiseks, millel on tasane ja lai ribalaius; tüüpi EDF-LAX-01 saab kasutada vooluahelasiseste võimendite puhul, mis pakuvad suurt võimsuse muundamise efektiivsust ja madalat müra; ja EDF-BAX-01 tüüp tagab suure väljundvõimsuse jne.
Erbium{0}}legeeritud kiudude põhiparameetrid
| Parameeter | EDF-PAX-01 | EDF-LAX-01 | EDF-BAX-01 | EDF-HCX-01 |
|---|---|---|---|---|
| Numbriline ava (NA) | 0.24 ± 0.02 | 0.24 ± 0.02 | 0.22 ± 0.02 | 0.24 ± 0.02 |
| Väljalõigatud-lainepikkus (nm) | 953 ± 35 | 953 ± 35 | 920 ± 40 | 920 ± 40 |
| Südamiku tippneeldumine @ 1530 nm (dB/m) | Väiksem või võrdne 1529,5 | 1530.5 ± 0.5 | 1531 ± 0.5 | 1530 ± 1 |
| Maksimaalne sumbumine @ 980 nm (dB/m) | 7 ± 2 | 7 ± 2 | 5 ± 2 | 8.5 ± 2 |
| Sumbumine @ 980 nm (dB/m) | 5 ± 1.5 | 5 ± 1.5 | 3.55 ± 1.5 | 8.5 ± 2 |
| Taustakadu @ 1200 nm (dB/km) | < 35 | < 15 | < 15 | < 15 |
| Küllastunud võimsus @ 1530 nm (mW) | 0.17 | 0.15 | 0.18 | 0.20 |
| Režiimi välja läbimõõt @ 1550 nm (μm) | 4.8 ~ 5.9 | 4.8 ~ 5.9 | 5.2 ~ 6.6 | 4.8 ~ 6 |
Pumba allikas on EDFA (elektro-legeeritud fiiberoptilise võimendi) teine põhikomponent. See annab piisavalt energiat optilise signaali võimendamiseks, mis on vajalik tingimus aktivaatoriosakeste populatsiooni inversiooni saavutamiseks. Kuna pumba allikas määrab otseselt EDFA jõudluse, peab sellel olema suur väljundvõimsus, hea stabiilsus ja pikk kasutusiga. Praktilised EDFA-pumba allikad on kõik laserdioodid, pumba lainepikkustega 980nm ja 1480nm. 980 nm pumbaallikat kasutatakse sagedamini madala mürataseme, kõrge pumba efektiivsuse ja kuni mitmesaja millivatti võimsuse tõttu.
Pumba tuli ja signaal sisenevad optilisse kiudu samaaegselt. Pumba tuli on tugevaim erbium-legeeritud kiu sisselaskeava juures. Kui see levib piki kiudu, kannab see järk-järgult energiat signaaltulele, suurendades signaali tugevust, samal ajal kui tema enda tugevus järk-järgult väheneb.
Erinevate pumpamismeetodite väljundvõimsuse ja müra karakteristikud on võrreldud järgmistel joonistel. Joonisel a on näidatud väljundi optilise signaali võimsuse ja pumba optilise võimsuse suhe; kolme pumpamismeetodi erinev konversiooniefektiivsus on vastavalt 61%, 76% ja 77%. Joonisel b on näidatud seos müra näitaja ja võimendi väljundoptilise võimsuse vahel. Kui väljund optiline võimsus suureneb, väheneb osakeste inversiooniarv, mille tulemuseks on müra suurenemine. Joonisel c on näidatud seos müraarvu ja erbium-legeeritud kiu pikkuse vahel. Nagu jooniselt näha, on erbium-legeeritud kiu pikkusest olenemata kaas-suunalise pumpamise meetodiga EDFA-l madalaim müratase.
