◆ویژگیها و کاربردهای تقویتکنندههای دوپشده با فیبر-
یکتقویت کننده نوریدستگاهی است که می تواند به طور مستقیم سیگنال های نوری ضعیف را تقویت کند. نور فرودی ضعیف را بر اساس اصول انتشار تحریک شده یا پراکندگی تحریک شده تقویت می کند و مکانیسم آن دقیقاً مشابه لیزر است. در واقع، از نظر ساختاری، تقویت کننده نوری یک لیزر با بازخورد کم یا بدون بازخورد است. بهره نوری زمانی به دست می آید که محیط نوری وارونگی جمعیت را تحت تأثیر جریان پمپ یا نور پمپ تجربه کند، بنابراین تقویت نوری محقق می شود. این بخش انواع رایج تقویتکنندههای نوری را معرفی میکند و بر اصول و کاربردهای تقویتکنندههای فیبر دوپشده اربیوم{4}} تمرکز دارد.
طبقه بندی تقویت کننده های نوری
تقویت کننده های نوری را می توان به طور کلی بر اساس اصول عملکردشان به سه نوع طبقه بندی کرد
1
2
3
این نوع تقویت کننده های نوری در اصول عملکرد و روش های تحریک متفاوت هستند.
اصل کار تقویت کننده فیبر بالاست
ساختار EDFA
تقویتکننده فیبر دوپشده اربیوم (EDFA) دستگاهی است که از فیبر دوپشده اربیوم{{1} بهعنوان واسطه برای تقویت نور سیگنال با استفاده از نور پمپ ساطع شده از دیود لیزر استفاده میکند. ساختار تقویت کننده فیبر دوپ شده با اربیوم{3}}در شکل نشان داده شده است.
یک مالتی پلکسر تقسیم طول موج، که به عنوان مالتی پلکسر نیز شناخته می شود، نور پمپ و نور سیگنال با طول موج های 980/1550 نانومتر یا 1480/1550 نانومتر را قبل از وارد کردن آنها به فیبر آلاییده شده با اربیوم ترکیب می کند. این نیاز به تلفات درج کم و عدم حساسیت به قطبش نور دارد.
یک جداکننده نوری انتقال نور یک جهته را تضمین می کند و از بازتاب نور به دستگاه اصلی جلوگیری می کند، زیرا چنین بازتابی نویز تقویت کننده را افزایش می دهد و راندمان تقویت را کاهش می دهد.
عملکرد یک فیلتر نوری فیلتر کردن نویز خارج از پهنای باند عملیاتی تقویتکننده نوری است و در نتیجه نسبت سیگنال به-سیستم را بهبود میبخشد.
فیبر دوپ شده از اربیوم، جزء اصلی یک EDFA (تقویت کننده الکتریک{{1}) دوپ شده است. از فیبر سیلیکا به عنوان ماتریس استفاده میکند و هسته را با یونهای اربیوم، یک ماده{3}}لیزری جامد، آغشته میکند. در چند متر تا دهها متر فیبر دوپ شده از اربیوم{5}}، نور با ماده تعامل میکند و تقویت و تقویت میشود.
قطر میدان حالت (MFD) فیبر دوپ شده با اربیوم 3-6 میکرومتر است که بسیار کوچکتر از فیبر معمولی (9-16 میکرومتر) است. این برای افزایش چگالی انرژی چراغ سیگنال و نور پمپ است و در نتیجه کارایی تعامل آنها را بهبود می بخشد. با این حال، کاهش قطر هسته فیبر آلاییده شده با اربیوم{7}} همچنین منجر به عدم تطابق میدان حالت با فیبر معمولی میشود که در نتیجه بازتاب و از دست دادن اتصال بیشتر میشود. راه حل این است که فیبر را با مقدار کمی فلوئور به منظور کاهش ضریب شکست، در نتیجه افزایش قطر میدان حالت برای دستیابی به سطح تطابق با فیبر معمولی، با مقدار کمی فلوئور آغشته کنید. علاوه بر این، در طول اتصال فیوژن، عدم تطابق قطر میدان حالت را می توان با استفاده از الیاف انتقال یا طولانی کردن رابط فیبر معمولی برای کاهش قطر هسته کاهش داد.
برای دستیابی به تقویت کارآمدتر، در طول ساخت الیاف آلاییده شده با اربیوم، بیشتر یونها در ناحیه مرکزی هسته فیبر متمرکز میشوند. این به این دلیل است که در فیبرهای نوری، میدان های نور سیگنال و نور پمپ را می توان تقریباً توزیع شده گاوسی، با قوی ترین شدت نور در امتداد محور هسته فیبر در نظر گرفت. وجود یونهای مولیبدن در ناحیه پاراکسیال امکان برهمکنش بیشتر بین نور و ماده را فراهم میکند و در نتیجه راندمان تبدیل انرژی را بهبود میبخشد. بسته به کاربرد تقویتکنندههای فیبر دوپشده اربیوم (EDFA)، انواع مختلفی از الیاف دوپشده اربیوم برای طراحی EDFA موجود است. به عنوان مثال، نوع EDF-PAX-01 برای طراحی تقویتکنندهها و پیش تقویتکنندههای مدار در{10}}استفاده میشود، که پهنای باند افزایش مسطح و گسترده را نشان میدهد. نوع EDF-LAX-01 را میتوان در تقویتکنندههای درون مدار استفاده کرد که راندمان تبدیل توان بالا و نویز کم را ارائه میدهد. و نوع EDF-BAX-01 توان خروجی بالایی و غیره را فراهم می کند.
پارامترهای اساسی اربیوم{0}}الیاف دوپ شده
| پارامتر | EDF-PAX-01 | EDF-LAX-01 | EDF -BAX-01 | EDF -HCX-01 |
|---|---|---|---|---|
| دیافراگم عددی (NA) | 0.24 ± 0.02 | 0.24 ± 0.02 | 0.22 ± 0.02 | 0.24 ± 0.02 |
| قطع-طول موج (nm) | 953 ± 35 | 953 ± 35 | 920 ± 40 | 920 ± 40 |
| حداکثر جذب هسته @ 1530 نانومتر (dB/m) | کمتر یا مساوی با 1529.5 | 1530.5 ± 0.5 | 1531 ± 0.5 | 1530 ± 1 |
| میرایی پیک @ 980 نانومتر (dB/m) | 7 ± 2 | 7 ± 2 | 5 ± 2 | 8.5 ± 2 |
| تضعیف @ 980 نانومتر (dB/m) | 5 ± 1.5 | 5 ± 1.5 | 3.55 ± 1.5 | 8.5 ± 2 |
| افت پسزمینه @ 1200 نانومتر (dB/km) | < 35 | < 15 | < 15 | < 15 |
| توان اشباع @ 1530 نانومتر (mW) | 0.17 | 0.15 | 0.18 | 0.20 |
| قطر میدان حالت @ 1550 نانومتر (μm) | 4.8 ~ 5.9 | 4.8 ~ 5.9 | 5.2 ~ 6.6 | 4.8 ~ 6 |
منبع پمپ یکی دیگر از اجزای اصلی EDFA (تقویت کننده فیبر نوری دوپ شده الکترو{{0}) است. انرژی کافی برای تقویت سیگنال نوری، شرط لازم برای دستیابی به وارونگی جمعیت ذرات فعال کننده را فراهم می کند. از آنجایی که منبع پمپ به طور مستقیم عملکرد EDFA را تعیین می کند، باید قدرت خروجی بالا، پایداری خوب و طول عمر طولانی داشته باشد. منابع پمپ عملی EDFA همه دیودهای لیزری با طول موج پمپ 980 نانومتر و 1480 نانومتر هستند. منبع پمپ 980 نانومتری به دلیل مزایای آن در نویز کم، راندمان پمپ بالا و قدرت تا چند صد میلی وات بیشتر مورد استفاده قرار می گیرد.
نور پمپ و سیگنال به طور همزمان وارد فیبر نوری می شود. نور پمپ در ورودی فیبر دوپ شده با اربیوم{1}} قوی ترین است. همانطور که در طول فیبر منتشر می شود، به تدریج انرژی را به نور سیگنال منتقل می کند و قدرت سیگنال را افزایش می دهد در حالی که قدرت خود به تدریج کاهش می یابد.
ویژگی های توان خروجی و نویز تحت روش های مختلف پمپاژ در شکل های زیر مقایسه شده است. شکل a رابطه بین توان سیگنال نوری خروجی و توان نوری پمپ را نشان می دهد. بازده تبدیل دیفرانسیل سه روش پمپاژ به ترتیب 61%، 76% و 77% است. شکل b رابطه بین شکل نویز و توان نوری خروجی تقویت کننده را نشان می دهد. با افزایش توان نوری خروجی، عدد وارونگی ذرات کاهش مییابد و در نتیجه مقدار نویز افزایش مییابد. شکل c رابطه بین شکل نویز و طول فیبر آلاییده شده با اربیوم-را نشان میدهد. همانطور که از شکل مشخص است، صرف نظر از طول فیبر دوپ شده با اربیوم، EDFA با روش پمپاژ هم جهت{10} کمترین نویز را دارد.
