เครื่องขยายสัญญาณไฟเบอร์เจือ Erbium (EDFA)

หลักการทำงานพื้นฐาน:
เดอะเครื่องขยายสัญญาณไฟเบอร์เจือด้วยเออร์เบียม (EDFA)เป็นสื่อที่ใช้ฮีเลียมไอออนเพื่อให้เกิดการแปลงพลังงาน หน้าต่างการขยายพลังงานมีหน้าต่างความยาวคลื่นปฏิบัติการที่ 1 550 นาโนเมตรและความกว้าง 50 am ซึ่งสอดคล้องกับหน้าต่างการสูญเสียต่ำของไฟเบอร์ หน้าต่างการฉีดพลังงานคือ 980 นาโนเมตรและ 1 480 นาโนเมตร โดยทั่วไป เส้นใยไอออนที่เจือด้วยเออร์เบียมจะถูกเตรียมเป็นแกนขยาย EDFA ซึ่งก็คือตัวกลางที่แอคทีฟ ระบบขยายสัญญาณเป็นระบบเลเซอร์สามระดับ พลังงานแสงที่ฉีดเข้าไป 980 นาโนเมตรถูกดูดซับโดยฮีเลียมไอออนจนถึงระดับพลังงานสูง 4" และระดับการเปลี่ยนผ่าน 4n ของเลเซอร์จะถูกเปลี่ยนโดยการสั่นแบบผ่อนคลาย เนื่องจาก อายุการใช้งานยาวนานของระดับพลังงาน การสะสมจำนวนมาก อนุภาคกัมมันต์ซึ่งสำรองพลังงานจำนวนมาก จากนั้นส่งผ่านรังสีกระตุ้นด้วยไฟสัญญาณ รับสัญญาณทวีคูณของความถี่เดียวกันและเฟสเดียวกัน และส่งคืน อนุภาคสู่สถานะพื้นสัญญาณรบกวนที่เหนี่ยวนำในกระบวนการขยายคือการแผ่รังสีที่เกิดขึ้นเอง (Amplified Spontaneous Emission - ASE) ซึ่งสัมพันธ์กับความยาวคลื่นของปั๊ม โดยทั่วไป ปั๊มเลเซอร์ 980 นาโนเมตรมีประสิทธิภาพต่ำและมีสัญญาณรบกวนต่ำ ในขณะที่เลเซอร์ขนาด 1 480 นาโนเมตรมีประสิทธิภาพสูงและมีเสียงดัง ในขั้นตอนการออกแบบ EDFA พรีไฟเบอร์แอมพลิฟายเออร์ทั่วไปใช้การปั๊ม 980 นาโนเมตร ส่วนบูสเตอร์ Booster EDFA ที่ปลายส่งสัญญาณใช้วิธีการปั๊มแบบไฮบริดที่ 980 นาโนเมตรและ 1 480 นาโนเมตร และสื่อที่ออกแบบเป็นพิเศษตามข้อกำหนด DWDM สำหรับตัวกรองการปรับค่าแสง ไดอะแฟรมกรองแบน
โครงสร้างพื้นฐานของเครื่องขยายสัญญาณไฟเบอร์เจือเออร์เบียม (FDFA):
EDFA ทั่วไปประกอบด้วยไฟเบอร์ที่เจือด้วยเออร์เบียม แหล่งกำเนิดของปั๊ม มัลติเพล็กเซอร์การแบ่งความยาวคลื่น ตัวแยกแสง และตัวกรองแสง ไฟเบอร์เจือด้วยเออร์เบียมช่วยขยายสัญญาณ แหล่งปั๊มให้กำลังปั๊มเพียงพอ และมัลติเพล็กเซอร์แบ่งความยาวคลื่นจะรวมไฟสัญญาณและไฟปั๊มเข้ากับไฟเบอร์เจือเออร์เบียม ตัวแยกแสงช่วยให้มั่นใจได้ว่ามีการส่งผ่านแสงทางเดียวเพื่อป้องกันการสะท้อนแสงจากการสั่นของแสงและแสงป้อนกลับทำให้เกิดการรบกวนในสถานะการทำงานของเลเซอร์สัญญาณ บทบาทของตัวกรองแสงคือการกรองสัญญาณรบกวน ASE ในเครื่องขยายสัญญาณออปติคัลและปรับปรุงอัตราส่วนสัญญาณต่อสัญญาณรบกวนของ EDFA โดยปกติแล้ว EDFA จะมีปั๊มสามประเภท: ปั๊มร่วมทิศทาง ปั๊มย้อนกลับ และปั๊มสองทาง เพื่อให้แน่ใจว่ากำลังขยายของ EDFA คงที่ (เช่น แอมพลิฟายเออร์เชิงเส้นของพรีแอมพลิฟายเออร์และไลน์) หรือกำลังขับคงที่ (เช่น แอมพลิฟายเออร์อิ่มตัวที่ปลายส่งสัญญาณ) จึงจำเป็นต้องออกแบบ วงจรเสริมเพื่อตรวจสอบกำลังไฟฟ้าเข้าและออกของ EDFA รวมถึงแหล่งสูบน้ำ มีการตรวจสอบและควบคุมสถานะการทำงาน จากผลการตรวจสอบ พารามิเตอร์การทำงานของแหล่งกำเนิดแสงของปั๊มได้รับการปรับอย่างเหมาะสมเพื่อให้ EDFA ทำงานในสถานะที่เหมาะสมที่สุด นอกจากนี้ ส่วนของวงจรเสริมยังรวมถึงวงจรสำหรับฟังก์ชันการป้องกัน เช่น การควบคุมอุณหภูมิอัตโนมัติและการควบคุมพลังงานอัตโนมัติ
ประสิทธิภาพพื้นฐานของเครื่องขยายสัญญาณไฟเบอร์เจือเออร์เบียม (EDFA):
ประสิทธิภาพพื้นฐานของ EDFA สะท้อนอยู่ในอัตราขยาย กำลังขับ และสัญญาณรบกวน ตลอดจนแบนด์วิธและอีควอไลเซอร์
1. ลักษณะเกน ลักษณะเกนแสดงถึงความสามารถในการขยายของอัตราส่วนของกำลังขับของออปติคัลแอมพลิฟายเออร์ต่อกำลังไฟฟ้าเข้า มันเกี่ยวข้องกับปัจจัยต่างๆ โดยทั่วไปแสดงเป็น dB และปัจจัยการขยายที่ใช้กันทั่วไปคือ 15 ถึง 40 dB โดยทั่วไป อัตราขยายจะเกี่ยวข้องโดยตรงกับกำลังปั๊มและความยาวของเส้นใยที่เจือด้วยเออร์เบียม ค่าที่ดีที่สุดสามารถหาได้จากการทดลอง
2. ลักษณะเฉพาะของกำลังขับ สำหรับเครื่องขยายสัญญาณออปติคัลเชิงเส้นในอุดมคติ สัญญาณออปติคัลสามารถขยายและเอาต์พุตที่เกนเดียวกันโดยไม่คำนึงถึงกำลังออปติคัลอินพุต เพื่อให้แน่ใจว่าเงื่อนไขนี้ โดยทั่วไปเฉพาะเมื่อมีอินพุตสัญญาณออปติคัลขนาดเล็กเท่านั้น เอาต์พุตของสัญญาณออปติคัลที่ขยายโดยอัตราขยายที่เพียงพอนั้นไม่เพียงพอที่จะลดจำนวนอนุภาคของระดับพลังงานของพลังงานปั๊มที่ฉีดเข้าไปในเลเซอร์ อย่างไรก็ตาม เมื่อพลังงานออปติคอลอินพุตมีขนาดใหญ่เพียงพอ พลังงานที่ฉีดเข้าไปจะไม่เพียงพอที่จะชดเชยพลังงานเอาต์พุตหลังจากการขยาย ดังนั้นจำนวนของอนุภาคกลับด้านจึงอิ่มตัวและลดลง ดังนั้นกำลังออปติกเอาต์พุตจึงลดลง ซึ่งส่งผลต่อการลดลง ของปัจจัยการขยาย นั่นคือ ความอิ่มตัวของอัตราขยาย เพื่อให้การขยายเข้าสู่ขอบเขตความอิ่มตัวของการขยายแบบไม่เชิงเส้น โดยปกติแล้ว กำลังขับสูงสุดของ EDFA จะแสดงเป็นกำลังขับที่อิ่มตัว 3 dB ซึ่งสอดคล้องกับกำลังขับที่ออกเมื่ออัตราขยายของความอิ่มตัวลดลง 3 dB ซึ่งสะท้อนถึงกำลังขับสูงสุดของ EDFA ลักษณะเอาต์พุตความอิ่มตัวของ EDFA เกี่ยวข้องกับกำลังปั๊ม ความยาวของเส้นใยเจือเออร์เบียม และโครงสร้าง ยิ่งกำลังออปติคัลของปั๊มสูงเท่าใด กำลังขับที่อิ่มตัว 3 dB ก็จะยิ่งมากขึ้นเท่านั้น ยิ่งเส้นใยที่เจือด้วยเออร์เบียมยาวเท่าไร กำลังขับที่อิ่มตัว 3 dB ก็จะยิ่งมากขึ้นเท่านั้น
x