◆Fiber-katkılı amplifikatörlerin özellikleri ve uygulamaları
Biroptik amplifikatörzayıf optik sinyalleri doğrudan güçlendirebilen bir cihazdır. Uyarılmış emisyon veya uyarılmış saçılma ilkelerine dayalı olarak gelen zayıf ışığı güçlendirir ve mekanizması lazerinkiyle tamamen aynıdır. Aslında yapısal olarak bir optik amplifikatör, çok az geri bildirime sahip veya hiç geri bildirimi olmayan bir lazerdir. Optik kazanç, optik ortam, pompa akımı veya pompa ışığının etkisi altında popülasyonun tersine çevrilmesiyle elde edilir, böylece optik amplifikasyon gerçekleşir. Bu bölüm yaygın olarak kullanılan optik amplifikatör türlerini tanıtmakta ve erbiyum-katkılı fiber amplifikatörlerin prensiplerine ve uygulamalarına odaklanmaktadır.
Optik amplifikatörlerin sınıflandırılması
Optik amplifikatörler, çalışma prensiplerine göre genel olarak üç tipte sınıflandırılabilir.
1
2
3
Bu tip optik amplifikatörler çalışma prensipleri ve uyarma yöntemleri bakımından farklılık gösterir.
Balastlı fiber amplifikatörün çalışma prensibi
EDFA yapısı
Erbiyum-katkılı fiber amplifikatör (EDFA), bir lazer diyottan yayılan pompa ışığını kullanarak sinyal ışığını yükseltmek için kazanç ortamı olarak erbiyum-katkılı fiberi kullanan bir cihazdır. Erbiyum-katkılı bir fiber amplifikatörün yapısı şekilde gösterilmiştir.
Çoklayıcı olarak da bilinen bir dalga boyu bölmeli çoklayıcı, 980/1550 nm veya 1480/1550 nm dalga boylarındaki pompa ışığını ve sinyal ışığını bir erbiyum-katkılı fibere beslemeden önce birleştirir. Düşük ekleme kaybı ve ışık polarizasyonuna duyarsızlık gerektirir.
Optik bir yalıtıcı, tek yönlü ışık iletimini sağlayarak ışığın orijinal cihaza geri yansımasını önler, çünkü bu yansıma amplifikatör gürültüsünü artırır ve amplifikasyon verimliliğini azaltır.
Optik filtrenin işlevi, optik amplifikatörün çalışma bant genişliği dışındaki gürültüyü filtrelemek, böylece sistemin sinyal-gürültü- oranını iyileştirmektir.
Erbiyum-katkılı fiber, bir EDFA'nın (Electrium-Katkılı Amplifikatör) temel bileşenidir. Matris olarak silika elyafı kullanır ve çekirdeği, katı halli bir lazer çalışma malzemesi olan erbiyum iyonlarıyla takviye eder-. Erbiyum-katkılı fiberin birkaç metreden onlarca metreye kadar olan kısmında ışık, maddeyle etkileşime girer ve güçlendirilip güçlendirilir.
Erbiyum-katkılı fiberin mod alanı çapı (MFD) 3–6 μm olup, geleneksel fiberden (9–16 μm) çok daha küçüktür. Bunun amacı, sinyal ışığının ve pompa ışığının enerji yoğunluğunu artırmak, böylece etkileşim verimliliğini artırmaktır. Bununla birlikte, erbiyum-katkılı fiberin azaltılmış çekirdek çapı, geleneksel fiberle mod alanı uyumsuzluğuna da yol açarak daha fazla yansıma ve bağlantı kaybına neden olur. Çözüm, kırılma indeksini düşürmek için fibere az miktarda flor katmak, böylece geleneksel fiberle uyum düzeyi elde etmek için mod alanı çapını arttırmaktır. Ek olarak, füzyon birleştirme sırasında mod alanı çapı uyumsuzluğu, geçiş fiberleri kullanılarak veya çekirdek çapını azaltmak için geleneksel fiber konektörü uzatılarak azaltılabilir.
Daha etkili amplifikasyon elde etmek için, erbiyum{0}}katkılı fiberlerin üretimi sırasında iyonların çoğu fiber çekirdeğinin merkezi bölgesinde yoğunlaşır. Bunun nedeni, optik fiberlerde sinyal ve pompa ışığının ışık alanlarının, fiber çekirdek ekseni boyunca en güçlü ışık yoğunluğuna sahip, yaklaşık olarak Gauss dağılımlı olarak kabul edilebilmesidir. Paraksiyal bölgede molibden iyonlarının varlığı, ışık ve madde arasında daha fazla etkileşime izin vererek enerji dönüşüm verimliliğini artırır. Erbiyum-katkılı fiber yükselticilerin (EDFA'lar) uygulanmasına bağlı olarak, EDFA tasarımı için çeşitli erbiyum-katkılı fiber türleri mevcuttur. Örneğin, EDF-PAX-01 türü, düz ve geniş kazanç bant genişliği sergileyen devre amplifikatörleri ve ön amplifikatörleri tasarlamak için kullanılır; EDF-LAX-01 türü devre içi amplifikatörlerde kullanılabilir ve yüksek güç dönüştürme verimliliği ve düşük gürültü sunar; ve EDF-BAX-01 tipi yüksek çıkış gücü vb. sağlar.
Erbiyum-Katkılı Liflerin Temel Parametreleri
| Parametre | EDF-PAX-01 | EDF-LAX-01 | EDF-BAX-01 | EDF-HCX-01 |
|---|---|---|---|---|
| Sayısal Açıklık (NA) | 0.24 ± 0.02 | 0.24 ± 0.02 | 0.22 ± 0.02 | 0.24 ± 0.02 |
| Dalga Boyu-kesme (nm) | 953 ± 35 | 953 ± 35 | 920 ± 40 | 920 ± 40 |
| Tepe Çekirdek Emilimi @ 1530 nm (dB/m) | 1529,5'ten küçük veya ona eşit | 1530.5 ± 0.5 | 1531 ± 0.5 | 1530 ± 1 |
| Tepe Zayıflaması @ 980 nm (dB/m) | 7 ± 2 | 7 ± 2 | 5 ± 2 | 8.5 ± 2 |
| Zayıflama @ 980 nm (dB/m) | 5 ± 1.5 | 5 ± 1.5 | 3.55 ± 1.5 | 8.5 ± 2 |
| Arka Plan Kaybı @ 1200 nm (dB/km) | < 35 | < 15 | < 15 | < 15 |
| Doymuş Güç @ 1530 nm (mW) | 0.17 | 0.15 | 0.18 | 0.20 |
| Mod Alanı Çapı @ 1550 nm (μm) | 4.8 ~ 5.9 | 4.8 ~ 5.9 | 5.2 ~ 6.6 | 4.8 ~ 6 |
Pompa kaynağı, EDFA'nın (Elektro-Katkılı Fiber Optik Amplifikatör) bir başka temel bileşenidir. Aktivatör parçacıklarının popülasyonunun tersine çevrilmesi için gerekli bir koşul olan optik sinyal amplifikasyonu için yeterli enerjiyi sağlar. Pompa kaynağı EDFA'nın performansını doğrudan belirlediğinden, yüksek çıkış gücüne, iyi stabiliteye ve uzun ömre sahip olması gerekir. Pratik EDFA pompa kaynaklarının tümü, pompa dalga boyları 980 nm ve 1480 nm olan lazer diyotlardır. 980nm pompa kaynağı, düşük gürültü, yüksek pompa verimliliği ve birkaç yüz miliwatt'a kadar güç avantajlarından dolayı daha yaygın olarak kullanılır.
Pompa ışığı ve sinyali optik fibere aynı anda girer. Pompa ışığı erbiyum-katkılı fiber girişinde en güçlüdür. Fiber boyunca yayıldıkça yavaş yavaş enerjiyi sinyal ışığına aktarır, sinyal gücünü artırırken kendi gücü giderek azalır.
Farklı pompalama yöntemleri altında çıkış gücü ve gürültü özellikleri aşağıdaki şekillerde karşılaştırılmıştır. Şekil a, çıkış optik sinyal gücü ile pompa optik gücü arasındaki ilişkiyi göstermektedir; üç pompalama yönteminin diferansiyel dönüşüm verimliliği sırasıyla %61, %76 ve %77'dir. Şekil b, gürültü rakamı ile amplifikatörün çıkış optik gücü arasındaki ilişkiyi göstermektedir. Çıkış optik gücü arttıkça parçacık evirme sayısı azalır, bu da gürültü rakamının artmasına neden olur. Şekil c, gürültü rakamı ile erbiyum-katkılı fiberin uzunluğu arasındaki ilişkiyi göstermektedir. Şekilden görülebileceği gibi, erbiyum-katkılı fiberin uzunluğu ne olursa olsun, çift yönlü pompalama yöntemine sahip EDFA en düşük gürültüye sahiptir.
