◆Caratteristiche e applicazioni degli amplificatori in fibra-drogata
UNamplificatore otticoè un dispositivo in grado di amplificare direttamente segnali ottici deboli. Amplifica la luce incidente debole in base ai principi dell'emissione stimolata o della diffusione stimolata e il suo meccanismo è esattamente lo stesso di un laser. Infatti, strutturalmente, un amplificatore ottico è un laser con feedback minimo o nullo. Il guadagno ottico si ottiene quando il mezzo ottico subisce un'inversione di popolazione sotto l'azione della corrente di pompa o della luce della pompa, realizzando così l'amplificazione ottica. Questa sezione presenta i tipi di amplificatori ottici comunemente utilizzati e si concentra sui principi e sulle applicazioni degli amplificatori in fibra drogata con erbio-.
Classificazione degli amplificatori ottici
Gli amplificatori ottici possono essere ampiamente classificati in tre tipi in base ai loro principi di funzionamento
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Questi tipi di amplificatori ottici differiscono nei principi di funzionamento e nei metodi di eccitazione.
Principio di funzionamento dell'amplificatore in fibra zavorrato
Struttura dell'EDFA
Un amplificatore a fibra drogata con erbio-(EDFA) è un dispositivo che utilizza la fibra drogata con erbio-come mezzo di guadagno per amplificare la luce del segnale utilizzando la luce della pompa emessa da un diodo laser. La struttura di un amplificatore in fibra drogata con erbio- è mostrata nella figura.
Un multiplexer a divisione di lunghezza d'onda, noto anche come multiplexer, combina la luce della pompa e la luce del segnale di lunghezze d'onda di 980/1550 nm o 1480/1550 nm prima di alimentarle in una fibra drogata con erbio-. Richiede una bassa perdita di inserzione e insensibilità alla polarizzazione della luce.
Un isolatore ottico garantisce la trasmissione della luce unidirezionale, impedendo la riflessione della luce verso il dispositivo originale, poiché tale riflessione aumenta il rumore dell'amplificatore e riduce l'efficienza dell'amplificazione.
La funzione di un filtro ottico è quella di filtrare il rumore al di fuori della larghezza di banda operativa di un amplificatore ottico, migliorando così il rapporto segnale-rispetto-rumore del sistema.
La fibra drogata con erbio- è il componente principale di un EDFA (amplificatore drogato di elettrone-). Utilizza fibra di silice come matrice e arricchisce il nucleo con ioni di erbio, un materiale-lavorabile con laser a stato solido. All'interno di diversi metri o decine di metri di fibra drogata con erbio-, la luce interagisce con la materia e viene amplificata e potenziata.
Il diametro del campo modale (MFD) della fibra drogata con erbio- è 3–6 μm, molto più piccolo di quello della fibra convenzionale (9–16 μm). Questo per aumentare la densità energetica della luce di segnalazione e della luce della pompa, migliorando così la loro efficienza di interazione. Tuttavia, il diametro del nucleo ridotto della fibra drogata con erbio- porta anche a una mancata corrispondenza del campo modale con la fibra convenzionale, con conseguente maggiore riflessione e perdita di connessione. La soluzione è drogare la fibra con una piccola quantità di fluoro per abbassare l'indice di rifrazione, aumentando così il diametro del campo modale per raggiungere un livello di corrispondenza con la fibra convenzionale. Inoltre, durante la giunzione a fusione, il disadattamento del diametro del campo modale può essere ridotto utilizzando fibre di transizione o allungando il connettore della fibra convenzionale per ridurre il diametro del nucleo.
Per ottenere un'amplificazione più efficiente, durante la fabbricazione delle fibre drogate con erbio-, la maggior parte degli ioni viene concentrata nella regione centrale del nucleo della fibra. Questo perché, nelle fibre ottiche, i campi luminosi del segnale e della luce di pompa possono essere considerati distribuiti approssimativamente gaussiani, con l'intensità luminosa più forte lungo l'asse del nucleo della fibra. La presenza di ioni molibdeno nella regione parassiale consente una maggiore interazione tra luce e materia, migliorando così l'efficienza di conversione energetica. A seconda dell'applicazione degli amplificatori in fibra drogata con erbio-(EDFA), sono disponibili vari tipi di fibre drogate con erbio-per la progettazione EDFA. Ad esempio, il tipo EDF-PAX-01 viene utilizzato per la progettazione di amplificatori e preamplificatori in-circuito, che presentano una larghezza di banda di guadagno piatta e ampia; il tipo EDF-LAX-01 può essere utilizzato negli amplificatori in-circuit, offrendo elevata efficienza di conversione di potenza e basso rumore; e il tipo EDF-BAX-01 fornisce un'elevata potenza di uscita, ecc.
Parametri di base delle fibre drogate con Erbio-
| Parametro | EDF-PAX-01 | EDF-LAX-01 | EDF-BAX-01 | EDF-HCX-01 |
|---|---|---|---|---|
| Apertura numerica (NA) | 0.24 ± 0.02 | 0.24 ± 0.02 | 0.22 ± 0.02 | 0.24 ± 0.02 |
| Lunghezza d'onda-tagliata (nm) | 953 ± 35 | 953 ± 35 | 920 ± 40 | 920 ± 40 |
| Picco di assorbimento del nucleo a 1530 nm (dB/m) | Inferiore o uguale a 1529,5 | 1530.5 ± 0.5 | 1531 ± 0.5 | 1530 ± 1 |
| Attenuazione di picco a 980 nm (dB/m) | 7 ± 2 | 7 ± 2 | 5 ± 2 | 8.5 ± 2 |
| Attenuazione a 980 nm (dB/m) | 5 ± 1.5 | 5 ± 1.5 | 3.55 ± 1.5 | 8.5 ± 2 |
| Perdita di fondo a 1200 nm (dB/km) | < 35 | < 15 | < 15 | < 15 |
| Potenza satura a 1530 nm (mW) | 0.17 | 0.15 | 0.18 | 0.20 |
| Modalità Diametro campo a 1550 nm (μm) | 4.8 ~ 5.9 | 4.8 ~ 5.9 | 5.2 ~ 6.6 | 4.8 ~ 6 |
La sorgente della pompa è un altro componente fondamentale dell'EDFA (amplificatore in fibra ottica elettro-doped). Fornisce energia sufficiente per l'amplificazione del segnale ottico, condizione necessaria per ottenere l'inversione della popolazione delle particelle attivatrici. Poiché la sorgente della pompa determina direttamente le prestazioni dell'EDFA, è necessario che abbia un'elevata potenza di uscita, una buona stabilità e una lunga durata. Le sorgenti pratiche della pompa EDFA sono tutti diodi laser, con lunghezze d'onda della pompa di 980 nm e 1480 nm. La sorgente della pompa da 980 nm è più comunemente utilizzata grazie ai vantaggi di bassa rumorosità, elevata efficienza della pompa e potenza fino a diverse centinaia di milliwatt.
La luce e il segnale della pompa entrano simultaneamente nella fibra ottica. La luce della pompa è più forte all'ingresso della fibra drogata con erbio-. Mentre si propaga lungo la fibra, trasferisce gradualmente energia alla luce del segnale, aumentando la forza del segnale mentre la sua stessa forza diminuisce gradualmente.
Nelle figure seguenti vengono confrontate le caratteristiche di potenza in uscita e rumore con diversi metodi di pompaggio. La Figura a mostra la relazione tra la potenza del segnale ottico in uscita e la potenza ottica della pompa; le efficienze di conversione differenziale dei tre metodi di pompaggio sono rispettivamente del 61%, 76% e 77%. La figura b mostra la relazione tra la figura di rumore e la potenza ottica di uscita dell'amplificatore. All’aumentare della potenza ottica in uscita, il numero di inversione delle particelle diminuisce, con conseguente aumento della figura di rumore. La figura c mostra la relazione tra la figura di rumore e la lunghezza della fibra drogata con erbio-. Come si può vedere dalla figura, indipendentemente dalla lunghezza della fibra drogata con erbio-, l'EDFA con il metodo di pompaggio co-direzionale ha il rumore più basso.
