원리 및 응용EDFA 에르븀 도핑 광섬유 증폭기
기본 구조에드파에르븀 도핑 광섬유 증폭기는 주로 활성 매질(수십 미터 길이의 도핑된 석영 광섬유, 코어 직경 3-5 마이크론, 도핑 농도 (25-1000)x10-6), 펌프 광원(990 또는 1480nm LD), 광 커플러, 광 아이솔레이터로 구성됩니다. 신호광과 펌프광은 에르븀 광섬유에서 동일 방향(코 펌핑), 반대 방향(역방향 펌핑), 또는 양방향(양방향 펌핑)으로 전파될 수 있습니다. 신호광과 펌프광이 동시에 에르븀 광섬유에 주입되면, 에르븀 이온은 펌프광의 작용으로 고에너지 준위(3준위 시스템)로 여기된 후 곧 준안정 준위로 붕괴됩니다. 입사 신호광의 작용으로 기저 상태로 돌아오면 신호광에 해당하는 광자가 방출되어 신호가 증폭됩니다. 증폭된 자발 방출(ASE) 스펙트럼은 넓은 대역폭(최대 20~40nm)을 갖고 있으며, 각각 1530nm와 1550nm에 해당하는 두 개의 피크를 갖습니다.
주요 장점EDFA 증폭기높은 이득, 넓은 대역폭, 높은 출력 전력, 높은 펌핑 효율, 낮은 삽입 손실, 편광 상태에 대한 둔감 등의 특징이 있습니다.
에르븀 도핑 광섬유 증폭기의 작동 원리
에르븀 도핑 광섬유 증폭기(EDFA 광 증폭기)는 주로 에르븀 도핑 광섬유(길이 약 10~30m)와 펌프 광원으로 구성됩니다. 작동 원리는 에르븀 도핑 광섬유가 펌핑된 광원(파장 980nm 또는 1480nm)의 작용으로 유도 복사를 생성하고, 복사된 빛은 입력 광 신호의 변화에 따라 변하는데, 이는 입력 광 신호의 증폭과 같습니다. 결과는 에르븀 도핑 광섬유 증폭기의 이득이 일반적으로 15~40dB이며, 중계 거리는 100km 이상 증가할 수 있음을 보여줍니다. 따라서 사람들은 과학자들이 광파의 세기를 높이기 위해 광섬유 증폭기에 도핑된 에르븀을 사용하는 것을 왜 생각했는지 의문을 품지 않을 수 없습니다. 에르븀이 희토류 원소이고, 희토류 원소는 특별한 구조적 특성을 가지고 있다는 것은 잘 알려져 있습니다. 광 소자에 희토류 원소를 도핑하는 것은 오랫동안 광 소자의 성능 향상을 위해 사용되어 왔으므로 이는 우연이 아닙니다. 또한, 펌프 광원의 파장을 980nm 또는 1480nm로 선택하는 이유는 무엇일까요? 실제로 펌프 광원의 파장은 520nm, 650nm, 980nm, 1480nm가 될 수 있지만, 실제로는 1480nm 펌프 광원의 파장이 레이저 효율이 가장 높고, 그 다음으로 980nm 펌프 광원의 파장이 높은 것으로 입증되었습니다.
물리적 구조
에르븀 첨가 광섬유 증폭기(EDFA 광 증폭기)의 기본 구조. 입력단과 출력단에 아이솔레이터가 있으며, 이는 광 신호를 단방향 전송으로 만드는 것을 목적으로 합니다. 펌프 여기기는 980nm 또는 1480nm 파장을 가지며 에너지를 공급하는 데 사용됩니다. 커플러의 기능은 입력 광 신호와 펌프 광을 에르븀 첨가 광섬유로 결합하고, 에르븀 첨가 광섬유의 작용을 통해 펌프 광의 에너지를 입력 광 신호로 전달하여 입력 광 신호의 에너지 증폭을 실현하는 것입니다. 더 높은 출력 광 전력과 더 낮은 잡음 지수를 얻기 위해, 실제로 사용되는 에르븀 첨가 광섬유 증폭기는 중간에 아이솔레이터가 있는 두 개 이상의 펌프 광원 구조를 채택하여 서로 분리합니다. 더 넓고 평탄한 이득 곡선을 얻기 위해 이득 평탄화 필터가 추가됩니다.
EDFA는 에르븀 첨가 광섬유(EDF), 광 커플러(WDM), 광 분리기(ISO), 광 필터, 그리고 펌핑 공급의 다섯 가지 주요 부분으로 구성됩니다. 일반적으로 사용되는 펌프 광원으로는 980nm와 1480nm가 있으며, 이 두 가지 펌프 광원은 펌핑 효율이 높아 더 많이 사용됩니다. 980nm 펌프 광원은 잡음 계수가 더 낮습니다. 1480nm 펌프 광원은 펌핑 효율이 더 높고 더 큰 출력 전력(980nm 펌프 광원보다 약 3dB 높음)을 얻을 수 있습니다.
이점
1. 작동 파장은 단일 모드 광섬유의 최소 감쇠 창과 일치합니다.
2. 높은 결합 효율. 광섬유 증폭기이므로 전송 광섬유와의 결합이 용이합니다.
3. 높은 에너지 변환 효율. EDF의 코어는 전송 광섬유보다 작으며, 신호광과 펌프광이 EDF를 통해 동시에 전송되므로 광 용량이 매우 집중됩니다. 이로 인해 빛과 이득 매질인 Er 이온 간의 상호작용이 매우 활발해지고, 적절한 길이의 에르븀 첨가 광섬유와 결합되어 빛 에너지 변환 효율이 높습니다.
4. 높은 이득, 낮은 잡음 지수, 큰 출력 전력, 채널 간 낮은 크로스토크.
5. 안정적인 이득 특성: EDFA는 온도에 민감하지 않으며 이득은 편파와 상관 관계가 거의 없습니다.
6. 이득 기능은 시스템 비트 전송률 및 데이터 형식과 무관합니다.
결점
1. 비선형 효과: EDFA는 광섬유에 주입되는 광 출력을 증가시켜 광 출력을 증폭하지만, 출력이 클수록 좋습니다. 광 출력이 어느 정도 증가하면 광섬유의 비선형 효과가 발생합니다. 따라서 광섬유 증폭기를 사용할 때는 단일 채널 입력 광섬유 광 출력 제어에 주의를 기울여야 합니다.
2. 이득 파장 범위는 고정되어 있습니다. C-밴드 EDFA의 작동 파장 범위는 1530nm~1561nm입니다. L-밴드 EDFA의 작동 파장 범위는 1565nm~1625nm입니다.
3. 불균일한 이득 대역폭: EDFA 에르븀 도핑 광섬유 증폭기의 이득 대역폭은 매우 넓지만, EDF 자체의 이득 스펙트럼은 평탄하지 않습니다. WDM 시스템에서 이득을 평탄화하려면 이득 평탄화 필터를 사용해야 합니다.
4. 광 서지 문제: 광 경로가 정상일 때, 펌프 광에 의해 여기된 에르븀 이온은 신호광에 의해 운반되어 신호광의 증폭이 완료됩니다. 입력 광이 절단되면 준안정 에르븀 이온이 계속 축적되기 때문에, 신호광 입력이 복구되면 에너지가 급상승하여 광 서지가 발생합니다.
5. 광 서지 현상에 대한 해결책은 EDFA에 자동 광 출력 감소(APR) 또는 자동 광 출력 차단(APSD) 기능을 구현하는 것입니다. 즉, 입력 광이 없을 때 EDFA가 자동으로 출력을 감소시키거나 자동으로 전원을 꺼서 서지 현상 발생을 억제합니다.
응용 프로그램 모드
1. 부스터 증폭기는 부스터파 이후의 여러 파장 신호의 전력을 증폭하여 전송하는 데 사용됩니다. 부스터파 이후의 신호 전력은 일반적으로 크기 때문에 전력 증폭기의 잡음 지수와 이득은 그다지 높지 않습니다. 출력 전력은 비교적 큽니다.
2. 라인 증폭기는 전력 증폭기 다음에 위치하며, 라인 전송 손실을 주기적으로 보상하는 데 사용되며 일반적으로 비교적 작은 잡음 지수와 큰 출력 광 전력이 필요합니다.
3. 프리앰프: 분배기 전, 라인 증폭기 후단에 위치하며, 신호를 증폭하고 수신기 감도를 향상시키는 데 사용됩니다(광 신호 대 잡음비(OSNR)가 요구 사항을 충족하는 경우, 더 큰 입력 전력으로 수신기 자체의 잡음을 억제하고 수신 감도를 향상시킬 수 있음). 잡음 지수가 매우 낮아 출력 전력에 대한 요구 사항이 크지 않습니다.
게시 시간: 2025년 3월 17일