◆Eigenschaften und Anwendungen von faserdotierten Verstärkern
Einoptischer Verstärkerist ein Gerät, das schwache optische Signale direkt verstärken kann. Es verstärkt schwaches einfallendes Licht auf der Grundlage der Prinzipien der stimulierten Emission oder stimulierten Streuung und sein Mechanismus ist genau der gleiche wie der eines Lasers. Tatsächlich ist ein optischer Verstärker strukturell ein Laser mit wenig oder keiner Rückkopplung. Ein optischer Gewinn wird erreicht, wenn das optische Medium unter der Wirkung von Pumpstrom oder Pumplicht eine Besetzungsumkehr erfährt und so eine optische Verstärkung realisiert wird. In diesem Abschnitt werden häufig verwendete Typen optischer Verstärker vorgestellt und der Schwerpunkt auf den Prinzipien und Anwendungen von mit Erbium-dotierten Faserverstärkern gelegt.
Klassifizierung optischer Verstärker
Optische Verstärker können basierend auf ihren Funktionsprinzipien grob in drei Typen eingeteilt werden
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Diese Arten von optischen Verstärkern unterscheiden sich in ihren Funktionsprinzipien und Anregungsmethoden.
Funktionsprinzip eines Ballastfaserverstärkers
EDFA-Struktur
Ein Erbium-dotierter Faserverstärker (EDFA) ist ein Gerät, das Erbium-dotierte Fasern als Verstärkungsmedium verwendet, um Signallicht mithilfe von Pumplicht zu verstärken, das von einer Laserdiode emittiert wird. Die Struktur eines mit Erbium-dotierten Faserverstärkers ist in der Abbildung dargestellt.
Ein Wellenlängenmultiplexer, auch Multiplexer genannt, kombiniert Pumplicht und Signallicht der Wellenlängen 980/1550 nm oder 1480/1550 nm, bevor es in eine mit Erbium-dotierte Faser eingespeist wird. Es erfordert einen geringen Einfügungsverlust und eine Unempfindlichkeit gegenüber Lichtpolarisation.
Ein optischer Isolator sorgt für eine unidirektionale Lichtübertragung und verhindert eine Lichtreflexion zurück zum Originalgerät, da eine solche Reflexion das Verstärkerrauschen erhöht und die Verstärkungseffizienz verringert.
Die Funktion eines optischen Filters besteht darin, Rauschen außerhalb der Betriebsbandbreite eines optischen Verstärkers herauszufiltern und so das Signal-Rausch-Verhältnis des Systems zu verbessern.
Erbium-dotierte Fasern sind die Kernkomponente eines EDFA (Electrium-Doped Amplifier). Es verwendet Quarzfasern als Matrix und dotiert den Kern mit Erbiumionen, einem Festkörper-Laserarbeitsmaterial. Innerhalb der mehrere Meter bis mehrere Dutzend Meter mit Erbium-dotierten Faser interagiert Licht mit der Materie und wird verstärkt und verstärkt.
Der Modenfelddurchmesser (MFD) einer mit Erbium- dotierten Faser beträgt 3–6 μm und ist damit viel kleiner als der einer herkömmlichen Faser (9–16 μm). Dadurch soll die Energiedichte des Signallichts und des Pumplichts erhöht und so deren Wechselwirkungseffizienz verbessert werden. Allerdings führt der verringerte Kerndurchmesser einer Erbium--dotierten Faser auch zu einer Modenfeldfehlanpassung im Vergleich zu herkömmlichen Fasern, was zu größerer Reflexion und Verbindungsverlusten führt. Die Lösung besteht darin, die Faser mit einer kleinen Menge Fluor zu dotieren, um den Brechungsindex zu senken und dadurch den Modenfelddurchmesser zu erhöhen, um eine Übereinstimmung mit herkömmlichen Fasern zu erreichen. Darüber hinaus kann beim Fusionsspleißen die Nichtübereinstimmung des Modenfelddurchmessers durch die Verwendung von Übergangsfasern oder durch die Verlängerung des herkömmlichen Faserverbinders zur Reduzierung des Kerndurchmessers verringert werden.
Um eine effizientere Verstärkung zu erreichen, werden bei der Herstellung von mit Erbium- dotierten Fasern die meisten Ionen im zentralen Bereich des Faserkerns konzentriert. Dies liegt daran, dass in optischen Fasern die Lichtfelder des Signal- und Pumplichts als annähernd gaußförmig verteilt betrachtet werden können, wobei die stärkste Lichtintensität entlang der Faserkernachse liegt. Das Vorhandensein von Molybdänionen im paraxialen Bereich ermöglicht eine stärkere Wechselwirkung zwischen Licht und Materie und verbessert dadurch die Effizienz der Energieumwandlung. Abhängig von der Anwendung von Erbium-dotierten Faserverstärkern (EDFAs) stehen verschiedene Arten von Erbium-dotierten Fasern für das EDFA-Design zur Verfügung. Beispielsweise wird der Typ EDF-PAX-01 zum Entwurf von Schaltkreisverstärkern und Vorverstärkern verwendet, die eine flache und große Verstärkungsbandbreite aufweisen; Der Typ EDF-LAX-01 kann in In-Circuit-Verstärkern verwendet werden und bietet eine hohe Leistungsumwandlungseffizienz und geringes Rauschen; und der Typ EDF-BAX-01 bietet eine hohe Ausgangsleistung usw.
Grundparameter von Erbium-dotierten Fasern
| Parameter | EDF-PAX-01 | EDF-LAX-01 | EDF-BAX-01 | EDF-HCX-01 |
|---|---|---|---|---|
| Numerische Apertur (NA) | 0.24 ± 0.02 | 0.24 ± 0.02 | 0.22 ± 0.02 | 0.24 ± 0.02 |
| Cut-off-Wellenlänge (nm) | 953 ± 35 | 953 ± 35 | 920 ± 40 | 920 ± 40 |
| Spitzenkernabsorption bei 1530 nm (dB/m) | Kleiner oder gleich 1529,5 | 1530.5 ± 0.5 | 1531 ± 0.5 | 1530 ± 1 |
| Spitzendämpfung bei 980 nm (dB/m) | 7 ± 2 | 7 ± 2 | 5 ± 2 | 8.5 ± 2 |
| Dämpfung bei 980 nm (dB/m) | 5 ± 1.5 | 5 ± 1.5 | 3.55 ± 1.5 | 8.5 ± 2 |
| Hintergrundverlust bei 1200 nm (dB/km) | < 35 | < 15 | < 15 | < 15 |
| Sättigungsleistung bei 1530 nm (mW) | 0.17 | 0.15 | 0.18 | 0.20 |
| Modenfelddurchmesser bei 1550 nm (μm) | 4.8 ~ 5.9 | 4.8 ~ 5.9 | 5.2 ~ 6.6 | 4.8 ~ 6 |
Die Pumpquelle ist eine weitere Kernkomponente des EDFA (Electro-Doped Fiber Optic Amplifier). Es liefert ausreichend Energie für die optische Signalverstärkung, eine notwendige Voraussetzung für die Besetzungsinversion der Aktivatorpartikel. Da die Pumpquelle die Leistung des EDFA direkt bestimmt, ist eine hohe Ausgangsleistung, gute Stabilität und lange Lebensdauer erforderlich. Bei den praktischen EDFA-Pumpquellen handelt es sich ausschließlich um Laserdioden mit Pumpwellenlängen von 980 nm und 1480 nm. Die 980-nm-Pumpquelle wird aufgrund ihrer Vorteile wie geringem Rauschen, hoher Pumpeffizienz und Leistung von bis zu mehreren hundert Milliwatt häufiger verwendet.
Das Pumplicht und das Signal gelangen gleichzeitig in die optische Faser. Das Pumplicht ist am Einlass der mit Erbium-dotierten Faser am stärksten. Während es sich entlang der Faser ausbreitet, überträgt es allmählich Energie auf das Signallicht und erhöht so die Signalstärke, während seine eigene Stärke allmählich abnimmt.
Die Ausgangsleistung und die Geräuscheigenschaften bei verschiedenen Pumpmethoden werden in den folgenden Abbildungen verglichen. Abbildung a zeigt die Beziehung zwischen der optischen Ausgangssignalleistung und der optischen Pumpleistung; Die unterschiedlichen Umwandlungswirkungsgrade der drei Pumpmethoden betragen 61 %, 76 % bzw. 77 %. Abbildung b zeigt die Beziehung zwischen der Rauschzahl und der optischen Ausgangsleistung des Verstärkers. Mit zunehmender optischer Ausgangsleistung nimmt die Teilcheninversionszahl ab, was zu einem Anstieg der Rauschzahl führt. Abbildung c zeigt den Zusammenhang zwischen der Rauschzahl und der Länge der Erbium-dotierten Faser. Wie aus der Abbildung ersichtlich ist, weist der EDFA mit der ko{10}}direktionalen Pumpmethode unabhängig von der Länge der mit Erbium-dotierten Faser das geringste Rauschen auf.
