Всё, что нужно знать об EDFA

Что такое оптический усилитель?

Оптический усилитель используется для усиления оптических сигналов. Основой оптического усилителя является усиливающая среда. Волоконно-оптический усилитель накачивается для реализации инверсии населенности и усиления. Усиление обычно связано с усиливающей средой, источником накачки и входным сигналом. Функция источника накачки заключается в активации усиливающей среды для создания инверсии населенности. Затем сигнал вызывает вынужденное излучение в активированной усиливающей среде, что в конечном итоге обеспечивает усиление. Ниже показана базовая структура оптического усилителя:

Базовая структура оптического усилителя

К основным типам оптических усилителей относятся следующие три типа.

Типы оптических усилителей

• Полупроводниковый оптический усилитель (SOA)

• Волоконно-оптический усилитель с легированием эрбием(EDFA)

• Рамановский оптоволоконный усилитель(RFA). 

Оптический усилитель совершает качественный скачок в развитии технологии оптоволоконной связи. Благодаря быстрому коммерческому внедрению оптических усилителей технология WDM достигла высокой степени зрелости. Сочетание оптического усилителя и технологии WDM позволяет гибко и удобно расширять пропускную способность оптической системы связи без значительных затрат. 

Усилитель EDFA сегодня является наиболее широко используемым коммерческим типом благодаря своим превосходным характеристикам, однако он также имеет ограничения, например узкая полоса пропускания ограничивает стремление к широкополосной передаче и полностью оптическому усилению. Поэтому усилители RFA как полностью оптические усилители также считаются перспективными в будущем. Далее в этой статье будет подробно рассмотрен наиболее распространенный в коммерческом использовании усилитель EDFA.

Что такое EDFA?

Как упоминалось выше, EDFA — это разновидность оптического усилителя, что расшифровывается как волоконно-оптический усилитель с эрбиевой примесью. Усилитель EDFA является одним из величайших изобретений в области волоконно-оптической связи, значительно увеличившим пропускную способность волоконно-оптических систем связи. EDFA обычно используется в волоконно-оптических системах связи на большие расстояния для усиления оптического сигнала и уменьшения оптического затухания.

Структура EDFA

На следующем рисунке показана базовая структура EDFA.

Схема устройства EDFA

Типичный EDFA усилитель в основном состоит из следующих компонентов:

• Эрбиевая легированная оптика: Основа EDFA. Он изготавливается путем легирования кварцевого оптического волокна редкоземельным элементом эрбием. 

• Лазер накачки: Используется для повышения энергии эрбия. Длина волны 1480nm доказала свою наилучшую эффективность, за ней следует длина волны 980nm.

• Изолятор: Используется для предотвращения отражения оптического света и обеспечения стабильной работы оптического усилителя.

• Ответвитель: Используется для ввода оптического излучения и света накачки в эрбиево-легированное волокно.

• Оптический фильтр: Узкополосный оптический фильтр с полосой пропускания в пределах 1nm. Используется для устранения спонтанного эмиссионного излучения EDFA усилитель для снижения уровня шума EDFA.

Принцип работы усилителя на основе волокна EDFA

EDFA в основном состоит из эрбиевого волокна (10~30 метров) и лазера накачки (длина волны 980 нм или 1480 нм). Под воздействием лазера накачки эрбиевое волокно переходит в метастабильное высоковозбуждённое состояние и генерирует вынужденное излучение, усиливая входные оптические сигналы. Как правило, EDFA обеспечивает коэффициент усиления 15–40 дБ, а дальность передачи может превышать 100 км.

Вопросы об EDFA, которые могут вас интересовать

1. Почему волоконно-оптический усилитель на эрбиевом волокне используется наиболее широко? Какие редкоземельные ионы также могут использоваться в оптическом усилитель за исключением эрбия?

Помимо усилителя на эрбиевом волокне, существуют также усилители на празеодимовом и тулиевом волокне.

• EDFA (усилитель на эрбиевом волокне) работает на длине волны 1550nm.

• PDFA (усилитель на волокне, легированном Pr) работает на длине волны 1300nm.

• TDFA (Tm-doped Fiber Amplifier) работает на длине волны 1400nm.

Рабочая длина волны EDFA соответствует окну минимальных потерь в оптической связи, что является одной из причин наиболее широкого применения EDFA.

2. Почему в качестве источника накачки выбраны 980nm и 1480nm?

Длины волн источника могут составлять 520nm, 650nm, 980nm и 1480nm, однако практика показала, что эффективность накачки на длинах волн 980nm и 1480nm выше, чем на других. Эффективность накачки EDFA при 1480nm выше, чем при 980nm. Однако источник накачки 980nm имеет меньший коэффициент шума, поэтому, если вам нужны лучшие шумовые характеристики, рекомендуется 980nm.

Преимущества EDFA 

Усилитель EDFA является наиболее широко используемым оптическим усилителем и обладает следующими преимуществами:

• Работает в окне минимальных потерь оптической связи. EDFA работает на длине волны 1550nm, что полностью соответствует окну минимального затухания одномодового волокна.

• Высокая эффективность сопряжения. Потери на сопряжении EDFA и передающего волокна очень малы, даже ниже 0.1dB.

• Низкий коэффициент шума. 4~7dB.

• Высокое усиление. 20~40dB

• Высокая выходная мощность: двунаправленная накачка может достигать 20dBm.

• Широкая полоса частот. Широкая полоса частот 20~40 нм на длине волны 1550 нм поддерживает одновременное усиление многоканальных сигналов.

• Низкая требуемая мощность накачки. Всего около 10mW.

• Структура на основе оптоволокна. Полностью совместима с волоконно-оптической системой связи.

• Высокая стабильность. Коэффициент усиления EDFA нечувствителен к температуре и не зависит от поляризации.

Применение EDFA: EDFA + WDM

Поскольку EDFA-усилитель обладает многими преимуществами, упомянутыми выше, он широко используется в следующих приложениях:

Применение EDFA:

• Система WDM

• Оптическая солитонная связь

• Распределительная сеть 

В последние годы сочетание технологии WDM ((мультиплексирование с разделением по длине волны)) и усилителя EDFA стало основным решением в высокоскоростных оптоволоконных системах связи большой емкости. Из приведенной ниже общей структуры системы WDM видно, что при сочетании технологии WDM и оптического усилителя количество длин волн, передаваемых по оптическому волокну, увеличилось многократно.

Структура системы WDM

Оптический усилитель EDFA, используемый в системе WDM, главным образом предназначен для компенсации потерь при передаче по оптоволокну. Усилители EDFA можно разделить на три типа в зависимости от их расположения и функций в системах WDM:

1. Усилитель мощности. Расположен за мультиплексором и используется для увеличения мощности нескольких мультиплексированных сигналов разных длин волн. Требуется высокая выходная мощность.

2. Линейный усилитель: расположен за усилителем-репитером и используется для периодической компенсации потерь при передаче. Требуются низкий коэффициент шума и высокая выходная мощность.

3. Предварительный усилитель: Располагается перед демультиплексором и за линейным усилителем, используется для усиления сигналов и повышения чувствительности приемника. Требуется очень низкий показатель шума.

Заключение

Оптический усилитель, особенно EDFA, является важным компонентом системы оптической связи. EDFA работает на длине волны 1550nm. Коммерческий усилитель EDFA обладает такими преимуществами, как низкий коэффициент шума, хорошая характеристика усиления, широкая полоса пропускания усилителя, совместимость с системой спектрального уплотнения (WDM), высокая эффективность накачки и стабильная работа. Он широко используется в современных высокоскоростных системах оптической связи большой протяженности. В настоящее время технология "EDFA+DWDM" становится основным техническим решением для международной высокоскоростной передачи данных по оптоволокну на большие расстояния.

QSFPTEK предоставляет бустерный усилитель и предусилитель с низким уровнем шума и выровненной характеристикой усиления, предназначенные для экономичного увеличения энергетического бюджета оптического канала при построении дальних решений DWDM. Для консультации обращайтесь по адресу [email protected].