에르븀 첨가 광섬유 증폭기(EDFA, 신호가 통과하는 광섬유의 코어에 에르븀 이온 Er3가 도핑된 광신호 증폭기)는 사우샘프턴 대학이 개발에 성공한 최초의 광증폭기입니다. 1985년 영국. 광섬유 통신 분야의 가장 위대한 발명품 중 하나입니다. 에르븀첨가섬유(Erbium-doped Fiber)는 석영섬유에 희토류 원소인 에르븀(Er) 이온을 소량 도핑한 섬유로 에르븀첨가 광섬유 증폭기의 핵심이다. 1980년대 후반부터 에르븀 첨가 광섬유 증폭기에 대한 연구는 계속해서 획기적인 발전을 이루었습니다. WDM 기술은 광섬유 통신의 용량을 크게 증가시켰습니다. 현재 광섬유 통신에서 가장 널리 사용되는 광 증폭기 장치가 되었습니다.
단어명: 에르븀 첨가 광섬유 증폭기
관련 용어: 광 증폭기
희토류 원소(예: Nd, Er, Pr, Tm 등) 다단계 레이저 시스템을 형성하고 펌프 광의 작용에 따라 입력 신호광을 직접 증폭할 수 있습니다. 적절한 피드백을 제공한 후 파이버 레이저가 형성됩니다. Nd 도핑 광섬유 증폭기의 작동 파장은 1060nm와 1330nm이며, 광섬유 통신에 대한 최적의 싱크 편차 및 기타 이유로 인해 개발 및 적용이 제한됩니다. EDFA 및 PDFA의 작동 파장은 각각 광섬유 통신의 최소 손실(1550nm) 및 영분산 파장(1300nm) 창에 있으며, 둘 다 광섬유 통신 시스템 애플리케이션에 매우 적합합니다. . 특히 EDFA는 가장 빠르게 개발돼 실용화됐다.
에르븀 첨가 광섬유의 개발을 바탕으로 많은 새로운 광섬유 증폭기가 끊임없이 등장하고 있습니다. 예를 들어 에르븀 첨가 광섬유를 기반으로 한 이중 대역 광섬유 증폭기(DBFA)는 광대역 광 증폭기입니다. 거의 전체 파장 분할 다중화(WDM) 대역폭을 커버할 수 있습니다. 유사한 제품으로는 단일 광섬유에서 최대 100개의 파장 채널을 증폭할 수 있는 커버리지 대역폭을 갖춘 UWOA(초광대역 광 증폭기)가 있습니다.
3 EDFA의 원리
주로 활성 매체(에르븀 첨가 석영 광섬유 길이 약 수십미터, 코어 직경 3~5)로 구성되는 EDFA의 기본 구조 미크론, 도핑 농도(25-1000)x10-6), 펌프 광원(990 또는 1480nm LD), 광 커플러 및 광 아이솔레이터. 신호등과 펌프 조명은 같은 방향(동일 방향 펌핑), 반대 방향(역 펌핑) 또는 양방향(
에르븀 첨가 광섬유 증폭기
양방향)일 수 있습니다. 펌핑) 전파. 에르븀 섬유에 신호광과 펌프광을 동시에 주입하면 펌프광(3레벨 시스템)의 작용으로 에르븀 이온이 높은 에너지 준위로 여기되다가 준안정 에너지로 빠르게 붕괴됩니다. 레벨, 입사 신호광의 작용하에 바닥 상태로 돌아갈 때 신호광에 해당하는 광자를 방출하여 신호가 증폭됩니다. ASE(증폭 자연 방출) 스펙트럼은 넓은 대역폭(최대 20~40nm)을 가지며 각각 1530nm 및 1550nm에 해당하는 두 개의 피크를 갖습니다.
EDFA의 주요 장점은 높은 이득, 넓은 대역폭, 높은 출력 전력, 높은 펌프 효율, 낮은 삽입 손실, 분극 상태에 대한 둔감함입니다.
에르븀 첨가 광섬유 증폭기의 작동 원리 에르븀 첨가 광섬유 증폭기는 주로 에르븀 첨가 광섬유 섹션(길이 약 10~30m)과 펌프 광원으로 구성됩니다. 작동 원리는 에르븀 첨가 광섬유가 펌프 광원(파장 980nm 또는 1480nm)의 작용에 따라 자극 방사선을 생성하고, 에르븀 첨가 광섬유 증폭기의 작용에 따라 방사된 빛이 변한다는 것입니다. 입력 광 신호를 증폭하는 것과 동일한 입력 광 신호. 연구에 따르면 에르븀 첨가 광섬유 증폭기는 일반적으로 15-40dB의 이득을 달성할 수 있으며 원래 기준으로 릴레이 거리를 100km 이상 늘릴 수 있습니다. 따라서 사람들은 질문하지 않을 수 없습니다. 과학자들은 왜 광파의 강도를 높이기 위해 광섬유 증폭기에 에르븀 첨가 요소를 사용하는 것을 생각합니까? 우리는 에르븀이 희토류 원소의 일종이며 희토류 원소는 고유한 구조적 특성을 가지고 있다는 것을 알고 있습니다. 오랫동안 사람들은 광학소자의 성능을 향상시키기 위해 광학소자에 희토류 원소를 도핑하는 방법을 사용해 왔기 때문에 이것은 우연한 요인이 아닙니다.
또한 펌프 광원의 파장을 980nm 또는 1480nm로 선택한 이유는 무엇입니까? 실제로 펌프 광원의 파장은 520nm, 650nm, 980nm, 1480nm가 될 수 있지만 실무에 따르면 1480nm 파장의 펌프 광원이 레이저 효율이 가장 높고 그 다음이 파장의 펌프 광원입니다. 980nm의
4물리적 구조
에르븀 첨가 광섬유 증폭기의 기본 구조. 입력단과 출력단에 아이솔레이터가 있어 광신호를 한 방향으로 전송하는 데 사용됩니다. 펌프 엑시머의 파장은 980nm 또는 1480nm이며 에너지를 공급하는데 사용됩니다. 커플러의 기능은 입력 광 신호와 펌프 광을 에르븀 도핑 광섬유에 결합하고 펌프 광의 에너지를 에르븀 도핑 광섬유를 통해 입력 광 신호로 전달하여 입력의 에너지 증폭을 달성하는 것입니다 광신호. 더 큰 출력 광전력을 얻고 동시에 더 낮은 잡음 지수 및 기타 매개 변수를 갖기 위해 실제로 사용되는 에르븀 첨가 광섬유 증폭기는 상호 격리를 위해 중간에 절연체를 갖춘 두 개 이상의 펌프 소스 구조를 사용합니다. 더 넓고 평평한 이득 곡선을 얻기 위해 이득 평탄화 필터도 추가됩니다.
EDFA는 크게 5개 부분으로 구성된다: 에르븀 첨가 광섬유(EDF), 광 커플러(WDM), 광 아이솔레이터(ISO), 광 필터(Optical Filter), 펌핑 공급 장치(Pumping Supply)). 아래 그림과 같습니다.
그림
일반적으로 사용되는 펌프 소스에는 980nm와 1480nm가 포함됩니다. 이 두 펌프 소스는 펌핑 효율이 높기 때문에 더 일반적으로 사용됩니다.
980nm 펌프 광원은 노이즈 계수가 더 낮습니다. 1480nm 펌프 광원은 더 높은 펌핑 효율을 가지며 더 큰 출력을 얻을 수 있습니다(980nm 펌프 광원보다 약 3dB 더 높음).
5가지 장점
작동 파장은 단일 모드 광섬유의 최소 감쇠 창과 일치합니다.
결합 효율이 높습니다. 광섬유 증폭기이기 때문에 전송 광섬유와 결합이 쉽습니다.
에너지 변환 효율이 높습니다. 에르븀 첨가 광섬유 EDF의 코어는 전송 광섬유보다 작으며 신호광과 펌프 광이 에르븀 첨가 광섬유 EDF에서 동시에 전송되며 광 출력이 매우 집중됩니다. 이는 빛과 이득 매체 Er 이온 간의 상호 작용을 매우 완전하게 만들고 적절한 길이의 에르븀 첨가 섬유와 결합하여 빛 에너지의 변환 효율이 높습니다.
높은 이득, 낮은 잡음 지수, 높은 출력 전력, 채널 간 낮은 누화.
안정적인 이득 특성: EDFA는 온도에 민감하지 않으며 이득과 극성 사이의 상관관계가 거의 없습니다.
이득 특성은 시스템 비트 전송률 및 데이터 형식과 무관합니다.
6가지 단점
l 비선형 효과:
EDFA는 광섬유에 주입되는 광 출력을 높여 광 출력을 증폭하지만 클수록 항상 좋은 것은 아닙니다. 광 출력이 어느 정도 증가하면 섬유 비선형 효과가 발생합니다. 따라서 광섬유 증폭기를 사용할 때는 광섬유에 들어가는 단일 채널 광 전력 값을 제어하는 데 주의를 기울여야 합니다.
이득 파장 범위는 고정되어 있습니다. C 밴드 EDFA의 작동 파장 범위는 1530nm~1561nm이고 L 밴드 EDFA의 작동 파장 범위는 1565nm~1625nm입니다.
이득 대역폭은 평평하지 않습니다. EDFA의 이득 대역폭은 매우 넓지만 EDF 자체의 이득 스펙트럼은 평평하지 않습니다. WDM 시스템에 적용할 경우 이득 평탄화 필터를 사용하여 이득을 평탄하게 만들어야 합니다.
빛 서지 문제:
광 경로가 정상일 때 펌프 빛에 의해 여기된 에르븀 이온이 신호광에 의해 제거되어 신호광 증폭이 완료됩니다. 입력광이 차단되면 준안정 에르븀 이온이 계속 축적되기 때문에 신호광 입력이 복원되면 에너지 점프가 발생하여 광서지가 발생합니다.
광서지를 해결하는 방법은 EDFA에 자동 광전력 감소(APR)나 자동 광전력 차단(APSD) 기능을 구현하는 것, 즉 EDFA가 자동으로 전력을 줄이거나 자동으로 차단하는 것이다. 입력 전원이 없을 때 다운되어 서지 현상의 발생을 억제합니다.
7가지 적용 방법
1. 결합기 뒤에 위치한 전력 증폭기(booster-Amplifier)는 결합 후 여러 파장 신호의 전력을 증폭시키는 데 사용되며, 전송을 위해 결합된 신호 전력은 일반적으로 상대적으로 크기 때문에
에르븀 첨가 광섬유 증폭기
따라서 전력 증폭기의 잡음 지수 및 이득 요구 사항은 그다지 높지 않습니다. 증폭 후 상대적으로 큰 출력 전력.
2. 전력증폭기 뒤에 위치하는 라인앰프(Line-Amplifier)는 라인전송손실을 주기적으로 보상하기 위해 사용된다. 일반적으로 비교적 작은 노이즈 지수와 큰 출력 광전력을 필요로 한다.
3. 디멀티플렉서 앞, 라인 앰프 뒤에 위치한 프리앰프(Pre-Amplifier)는 신호를 증폭하고 수신기의 감도를 향상시키는 데 사용됩니다(광신호 대 잡음비(OSNR)가 충족될 때) 요구 사항 조건 하에서 더 큰 입력 전력은 수신기 자체의 잡음을 억제하고 수신 감도를 향상시킬 수 있습니다. 이는 작은 잡음 지수가 필요하고 많은 출력 전력이 필요하지 않습니다.
8 실제 응용
기존 광섬유 디지털 통신 시스템에 에르븀 첨가 광섬유 증폭기를 적용하면 많은 수의 광 중계기를 절약할 수 있으며 중계 거리도 크게 늘어납니다. 이는 장거리 광케이블 트렁크 시스템에 있어서 매우 중요한 의미를 갖습니다. 주요 용도는 다음과 같습니다.
1. 광학 거리 증폭기로 사용할 수 있습니다. 기존의 전자 광섬유 중계기에는 많은 제한 사항이 있습니다. 예를 들어, 디지털 신호와 아날로그 신호를 서로 변환하는 경우 이에 따라 중계기를 변경해야 하며, 장비가 저속에서 고속으로 변경되면 이에 따라 중계기를 교체해야 하며 동일한 파장의 광 신호만 전송할 수 있습니다. , 구조가 복잡하고 가격이 비싸다. 에르븀 첨가 광섬유 증폭기는 이러한 단점을 극복하고 신호 모드 변경에 따라 변경할 필요가 없을 뿐만 아니라, 장비를 확장하거나 광파장 분할 다중화에 사용할 경우에도 교체할 필요가 없습니다.
2. 광송신기의 후치증폭기와 광수신기의 전치증폭기로 사용할 수 있습니다. 광송신기의 후치증폭기로 사용하면 레이저의 송신 출력을 0db에서 10db까지 높일 수 있습니다. 광수신기용 프리앰프로 사용하면 감도도 크게 향상시킬 수 있습니다. 따라서 라인에 1~2개의 에르븀 첨가 증폭기를 설치하는 것만으로도 신호 전송 거리를 100~200km 늘릴 수 있습니다.
또한 에르븀 첨가 광섬유 증폭기에서 해결해야 할 문제
에르븀 첨가 광섬유 증폭기의 독특한 장점은 세계적으로 인정을 받아 점점 더 많이 사용되고 있습니다. 그러나 에르븀 첨가 광섬유 증폭기에도 특정 제한 사항이 있습니다. 예를 들어, 장거리 통신에서는 상하 음성 채널 연결이 불가능하고, 각 국과의 통신이 어렵고, 결함 발견이 불편하며, 펌프 광원의 수명도 길지 않다. 광섬유 통신 기술의 지속적인 발전으로 이러한 문제는 완벽하게 해결될 것입니다.