اصل و کاربردتقویت‌کننده فیبری آلاییده شده با اربیوم EDFA
ساختار اساسیِادفاتقویت‌کننده فیبر آلاییده با اربیم، که عمدتاً از یک محیط فعال (فیبر کوارتز آلاییده به طول ده‌ها متر، قطر هسته ۳-۵ میکرون، غلظت آلاییده (۲۵-۱۰۰۰)x۱۰-۶)، منبع نور پمپ (LD 990 یا ۱۴۸۰ نانومتر)، کوپلر نوری و ایزولاتور نوری تشکیل شده است. نور سیگنال و نور پمپ می‌توانند در یک جهت (پمپاژ مشترک)، در جهت مخالف (پمپاژ معکوس) یا در هر دو جهت (پمپاژ دو طرفه) در فیبر اربیم منتشر شوند. هنگامی که نور سیگنال و نور پمپ به طور همزمان به فیبر اربیم تزریق می‌شوند، یون اربیم تحت عمل نور پمپ به سطح انرژی بالا (سیستم سه ترازی) برانگیخته می‌شود و به زودی به سطح شبه پایدار واپاشیده می‌شود. هنگامی که تحت عمل نور سیگنال فرودی به حالت پایه باز می‌گردد، فوتون مربوط به نور سیگنال ساطع می‌شود، به طوری که سیگنال تقویت می‌شود. طیف گسیل خودبه‌خودی تقویت‌شده (ASE) آن پهنای باند وسیعی (تا 20-40 نانومتر) دارد و دو پیک به ترتیب مربوط به 1530 نانومتر و 1550 نانومتر دارد.
مزایای اصلیتقویت‌کننده EDFAبهره بالا، پهنای باند وسیع، توان خروجی بالا، راندمان پمپاژ بالا، تلفات عبوری کم و عدم حساسیت به حالت‌های قطبش.
اصول کار تقویت‌کننده فیبری آلاییده با اربیوم
تقویت‌کننده فیبری آلاییده شده با اربیوم (تقویت‌کننده نوری EDFA） عمدتاً از یک فیبر آلاییده شده با اربیم (به طول حدود 10 تا 30 متر) و یک منبع نور پمپ تشکیل شده است. اصل کار این است که فیبر آلاییده شده با اربیم تحت تأثیر منبع نور پمپ شده (طول موج 980 نانومتر یا 1480 نانومتر) تابش تحریک شده تولید می‌کند و نور تابش شده با تغییر سیگنال نور ورودی تغییر می‌کند که معادل تقویت سیگنال نور ورودی است. نتایج نشان می‌دهد که بهره تقویت‌کننده فیبر آلاییده شده با اربیم معمولاً 15 تا 40 دسی‌بل است و فاصله رله را می‌توان بیش از 100 کیلومتر افزایش داد. بنابراین، مردم نمی‌توانند از این سوال نپرسند: چرا دانشمندان به فکر استفاده از اربیم آلاییده شده در تقویت‌کننده فیبر برای افزایش شدت امواج نور افتادند؟ ما می‌دانیم که اربیم یک عنصر خاکی کمیاب است و عناصر خاکی کمیاب ویژگی‌های ساختاری خاص خود را دارند. آلاییده شدن عناصر خاکی کمیاب در دستگاه‌های نوری مدت‌هاست که برای بهبود عملکرد دستگاه‌های نوری استفاده می‌شود، بنابراین این یک عامل تصادفی نیست. علاوه بر این، چرا طول موج منبع نور پمپ ۹۸۰ نانومتر یا ۱۴۸۰ نانومتر انتخاب می‌شود؟ در واقع، طول موج منبع نور پمپ می‌تواند ۵۲۰ نانومتر، ۶۵۰ نانومتر، ۹۸۰ نانومتر و ۱۴۸۰ نانومتر باشد، اما تجربه ثابت کرده است که طول موج ۱۴۸۰ نانومتر منبع نور پمپ، بالاترین راندمان لیزر را دارد و پس از آن طول موج ۹۸۰ نانومتر منبع نور پمپ قرار دارد.
ساختار فیزیکی
ساختار اساسی تقویت‌کننده فیبر آلاییده با اربیم (تقویت‌کننده نوری EDFA). یک ایزولاتور در انتهای ورودی و انتهای خروجی وجود دارد، هدف این است که سیگنال نوری را به صورت یک طرفه منتقل کند. تحریک‌کننده پمپ دارای طول موج 980 نانومتر یا 1480 نانومتر است و برای تأمین انرژی استفاده می‌شود. عملکرد کوپلر این است که سیگنال نوری ورودی و نور پمپ را به فیبر آلاییده با اربیم کوپل کند و انرژی نور پمپ را از طریق عملکرد فیبر آلاییده با اربیم به سیگنال نوری ورودی منتقل کند تا تقویت انرژی سیگنال نوری ورودی محقق شود. برای دستیابی به توان نوری خروجی بالاتر و شاخص نویز کمتر، تقویت‌کننده فیبر آلاییده با اربیم که در عمل استفاده می‌شود، ساختار دو یا چند منبع پمپ را با ایزولاتورهایی در وسط برای ایزوله کردن یکدیگر اتخاذ می‌کند. برای دستیابی به منحنی بهره پهن‌تر و مسطح‌تر، یک فیلتر مسطح‌کننده بهره اضافه می‌شود.
EDFA از پنج بخش اصلی تشکیل شده است: فیبر اربیوم آلاییده (EDF)، کوپلر نوری (WDM)، ایزولاتور نوری (ISO)، فیلتر نوری و منبع پمپاژ. منابع پمپ رایج شامل 980 نانومتر و 1480 نانومتر هستند و این دو منبع پمپ راندمان پمپاژ بالاتری دارند و بیشتر مورد استفاده قرار می‌گیرند. ضریب نویز منبع نور پمپ 980 نانومتر کمتر است. منبع نور پمپ 1480 نانومتر راندمان پمپاژ بالاتری دارد و می‌تواند توان خروجی بیشتری (حدود 3 دسی‌بل بیشتر از منبع نور پمپ 980 نانومتر) به دست آورد.
مزیت
۱. طول موج عملیاتی با حداقل پنجره تضعیف فیبر تک حالته سازگار است.
۲. راندمان بالای کوپلینگ. از آنجایی که این یک تقویت‌کننده فیبر است، به راحتی با فیبر انتقالی کوپلینگ می‌شود.
۳. راندمان تبدیل انرژی بالا. هسته EDF کوچکتر از فیبر انتقالی است و نور سیگنال و نور پمپ به طور همزمان در EDF منتقل می‌شوند، بنابراین ظرفیت نوری بسیار متمرکز است. این امر باعث می‌شود که برهمکنش بین نور و محیط تقویت (یون Er) بسیار کامل باشد، همراه با طول مناسب فیبر آلاییده شده با اربیوم، بنابراین راندمان تبدیل انرژی نور بالا است.
۴. بهره بالا، شاخص نویز پایین، توان خروجی بالا، تداخل کم بین کانال‌ها.
۵. ویژگی‌های بهره پایدار: EDFA به دما حساس نیست و بهره همبستگی کمی با قطبش دارد.
۶. ویژگی بهره مستقل از نرخ بیت سیستم و فرمت داده است.
کاستی
۱. اثر غیرخطی: EDFA با افزایش توان نوری تزریق شده به فیبر، توان نوری را تقویت می‌کند، اما هر چه بزرگتر باشد، بهتر است. وقتی توان نوری تا حد مشخصی افزایش یابد، اثر غیرخطی فیبر نوری ایجاد می‌شود. بنابراین، هنگام استفاده از تقویت‌کننده‌های فیبر نوری، باید به مقدار کنترل توان نوری فیبر ورودی تک کاناله توجه شود.
۲. محدوده طول موج بهره ثابت است: محدوده طول موج کاری EDFA باند C، ۱۵۳۰ نانومتر تا ۱۵۶۱ نانومتر است؛ محدوده طول موج کاری EDFA باند L، ۱۵۶۵ نانومتر تا ۱۶۲۵ نانومتر است.
۳. پهنای باند بهره ناهموار: پهنای باند بهره تقویت‌کننده فیبری آلاییده شده با اربیوم EDFA بسیار وسیع است، اما طیف بهره خود EDF مسطح نیست. برای مسطح کردن بهره در سیستم WDM باید از فیلتر مسطح‌کننده بهره استفاده شود.
۴. مشکل افزایش ناگهانی نور: وقتی مسیر نور طبیعی است، یون‌های اربیم برانگیخته شده توسط نور پمپ توسط نور سیگنال حمل می‌شوند و در نتیجه تقویت نور سیگنال تکمیل می‌شود. اگر نور ورودی کوتاه شود، به دلیل اینکه یون‌های اربیم نیمه پایدار همچنان تجمع می‌یابند، پس از بازیابی ورودی نور سیگنال، انرژی جهش می‌کند و منجر به افزایش ناگهانی نور می‌شود.
۵. راه حل برای افزایش ناگهانی نور، تحقق عملکرد کاهش خودکار توان نوری (APR) یا خاموش کردن خودکار توان نوری (APSD) در EDFA است، یعنی EDFA به طور خودکار توان را کاهش می‌دهد یا وقتی نور ورودی وجود ندارد، به طور خودکار برق را خاموش می‌کند و در نتیجه از وقوع پدیده افزایش ناگهانی نور جلوگیری می‌کند.
حالت برنامه
۱. تقویت‌کننده تقویت‌کننده برای افزایش توان سیگنال‌های با طول موج چندگانه پس از موج تقویت‌کننده و سپس انتقال آنها استفاده می‌شود. از آنجایی که توان سیگنال پس از موج تقویت‌کننده عموماً زیاد است، شاخص نویز و بهره تقویت‌کننده توان خیلی بالا نیست. توان خروجی نسبتاً زیادی دارد.
۲. تقویت‌کننده خط، پس از تقویت‌کننده توان، برای جبران دوره‌ای تلفات انتقال خط استفاده می‌شود و عموماً به شاخص نویز نسبتاً کوچک و توان نوری خروجی بزرگ نیاز دارد.
۳. پیش تقویت‌کننده: قبل از تقسیم‌کننده و بعد از تقویت‌کننده خط، برای تقویت سیگنال و بهبود حساسیت گیرنده استفاده می‌شود (در صورتی که نسبت سیگنال به نویز نوری (OSNR) الزامات را برآورده کند، توان ورودی بزرگتر می‌تواند نویز خود گیرنده را سرکوب کرده و حساسیت دریافت را بهبود بخشد) و شاخص نویز بسیار کوچک است. هیچ الزام زیادی برای توان خروجی وجود ندارد.
زمان ارسال: ۱۷ مارس ۲۰۲۵