Principe et application de l'amplificateur à fibre dopée à l'erbium EDFA

Principe et application deAmplificateur à fibre dopée à l'erbium EDFA

La structure de base deEDFAAmplificateur à fibre dopée à l'erbium, principalement composé d'un milieu actif (fibre de quartz dopée de plusieurs dizaines de mètres de long, diamètre du cœur de 3 à 5 microns, concentration de dopage de 25 à 1000 x 10-6), d'une source lumineuse de pompage (LD à 990 ou 1480 nm), d'un coupleur optique et d'un isolateur optique. Dans la fibre d'erbium, les signaux lumineux et les signaux lumineux de pompage peuvent se propager dans la même direction (copompage), dans des directions opposées (pompage inverse) ou dans les deux sens (pompage bidirectionnel). Lorsque les signaux lumineux et les signaux lumineux de pompage sont injectés simultanément dans la fibre d'erbium, l'ion erbium est excité à un niveau d'énergie élevé (système à trois niveaux) sous l'action de la lumière de pompage, puis décroît rapidement jusqu'au niveau métastable. Lorsqu'il revient à l'état fondamental sous l'action du signal lumineux incident, le photon correspondant au signal lumineux est émis, amplifiant ainsi le signal. Son spectre d'émission spontanée amplifiée (ASE) a une large bande passante (jusqu'à 20-40 nm) et présente deux pics correspondant respectivement à 1530 nm et 1550 nm.

Les principaux avantages deamplificateur EDFAsont un gain élevé, une large bande passante, une puissance de sortie élevée, une efficacité de pompage élevée, une faible perte d'insertion et une insensibilité aux états de polarisation.

Le principe de fonctionnement de l'amplificateur à fibre dopée à l'erbium

L'amplificateur à fibre dopée à l'erbium（Amplificateur optique EDFA） est principalement composé d'une fibre dopée à l'erbium (d'environ 10 à 30 m de long) et d'une source lumineuse de pompage. Son principe de fonctionnement est le suivant : la fibre dopée à l'erbium génère un rayonnement stimulé sous l'action de la source lumineuse de pompage (longueur d'onde : 980 nm ou 1 480 nm). Le rayonnement lumineux varie en fonction du signal d'entrée, ce qui équivaut à amplifier ce dernier. Les résultats montrent que le gain d'un amplificateur à fibre dopée à l'erbium est généralement de 15 à 40 dB et que la distance de relais peut être augmentée de plus de 100 km. On ne peut donc s'empêcher de se demander : pourquoi les scientifiques ont-ils pensé à utiliser de l'erbium dopé dans un amplificateur à fibre pour augmenter l'intensité des ondes lumineuses ? L'erbium est une terre rare, dont la structure est particulière. Le dopage des terres rares dans les dispositifs optiques est utilisé depuis longtemps pour améliorer leurs performances ; il ne s'agit donc pas d'un hasard. De plus, pourquoi choisir une longueur d'onde de 980 nm ou de 1480 nm pour la source lumineuse de pompage ? En réalité, la longueur d'onde de la source lumineuse de pompage peut être de 520 nm, 650 nm, 980 nm et 1480 nm, mais la pratique a montré que la longueur d'onde de la source lumineuse de pompage de 1480 nm offre l'efficacité laser la plus élevée, suivie de celle de 980 nm.

Structure physique

Structure de base d'un amplificateur à fibre dopée à l'erbium (amplificateur optique EDFA). Un isolateur est présent en entrée et en sortie, assurant la transmission unidirectionnelle du signal optique. L'excitateur de pompage, d'une longueur d'onde de 980 nm ou 1480 nm, fournit l'énergie. Le coupleur couple le signal optique d'entrée et la lumière de pompage dans la fibre dopée à l'erbium, puis transfère l'énergie de la lumière de pompage au signal optique d'entrée grâce à la fibre, amplifiant ainsi l'énergie du signal optique d'entrée. Afin d'obtenir une puissance optique de sortie supérieure et un indice de bruit plus faible, l'amplificateur à fibre dopée à l'erbium utilisé en pratique adopte une structure composée de deux ou plusieurs sources de pompage avec des isolateurs centraux pour les isoler mutuellement. Afin d'obtenir une courbe de gain plus large et plus plate, un filtre d'aplatissement du gain est ajouté.

L'EDFA se compose de cinq éléments principaux : une fibre dopée à l'erbium (EDF), un coupleur optique (WDM), un isolateur optique (ISO), un filtre optique et une alimentation de pompage. Les sources de pompage les plus courantes sont à 980 nm et 1 480 nm, qui offrent une efficacité de pompage supérieure et sont plus utilisées. Le coefficient de bruit de la source lumineuse de pompage à 980 nm est plus faible ; la source lumineuse de pompage à 1 480 nm offre une efficacité de pompage supérieure et permet d'obtenir une puissance de sortie plus élevée (environ 3 dB de plus que la source lumineuse de pompage à 980 nm).

avantage

1. La longueur d’onde de fonctionnement est cohérente avec la fenêtre d’atténuation minimale de la fibre monomode.

2. Efficacité de couplage élevée. Grâce à son amplificateur à fibre, il est facile à coupler à la fibre de transmission.

3. Rendement élevé de conversion énergétique. Le cœur de l'EDF est plus petit que celui d'une fibre de transmission, et la lumière de signal et la lumière de pompage sont transmises simultanément dans l'EDF, ce qui entraîne une forte concentration de la capacité optique. Cela permet une interaction optimale entre la lumière et l'ion Erbium du milieu amplificateur. La longueur appropriée de la fibre dopée à l'erbium assure un rendement élevé de conversion de l'énergie lumineuse.

4. Gain élevé, faible indice de bruit, grande puissance de sortie, faible diaphonie entre les canaux.

5. Caractéristiques de gain stables : l'EDFA n'est pas sensible à la température et le gain a peu de corrélation avec la polarisation.

6. La fonction de gain est indépendante du débit binaire du système et du format des données.

défaut

1. Effet non linéaire : l'EDFA amplifie la puissance optique en augmentant la puissance optique injectée dans la fibre. Plus la puissance optique est élevée, mieux c'est. Lorsque la puissance optique est augmentée, l'effet non linéaire de la fibre optique se produit. Par conséquent, lors de l'utilisation d'amplificateurs à fibre optique, il est important de veiller à contrôler la puissance optique entrante de la fibre optique monocanal.

2. La plage de longueurs d'onde de gain est fixe : la plage de longueurs d'onde de travail de l'EDFA en bande C est de 1530 nm à 1561 nm ; la plage de longueurs d'onde de travail de l'EDFA en bande L est de 1565 nm à 1625 nm.

3. Gain irrégulier : La bande passante de gain de l'amplificateur à fibre dopée à l'erbium EDFA est très large, mais le spectre de gain de l'EDF lui-même n'est pas plat. Un filtre d'aplatissement du gain doit être adopté pour l'aplatir dans le système WDM.

4. Problème de surtension lumineuse : lorsque le trajet lumineux est normal, les ions erbium excités par la lumière de pompage sont emportés par le signal lumineux, amplifiant ainsi son amplification. Si la lumière d'entrée est tronquée, en raison de l'accumulation continue d'ions erbium métastables, une fois le signal lumineux d'entrée rétabli, l'énergie saute, provoquant une surtension lumineuse.

5. La solution à la surtension optique consiste à réaliser la fonction de réduction automatique de la puissance optique (APR) ou de mise hors tension automatique de la puissance optique (APSD) dans EDFA, c'est-à-dire que EDFA réduit automatiquement la puissance ou coupe automatiquement l'alimentation lorsqu'il n'y a pas de lumière d'entrée, supprimant ainsi l'apparition du phénomène de surtension.

Mode d'application

1. L'amplificateur de puissance sert à amplifier la puissance des signaux multi-longueurs d'onde après l'onde d'amplification, puis à les transmettre. La puissance du signal après l'onde d'amplification étant généralement importante, l'indice de bruit et le gain d'un amplificateur de puissance sont faibles. Sa puissance de sortie est relativement élevée.

2. L'amplificateur de ligne, après l'amplificateur de puissance, est utilisé pour compenser périodiquement la perte de transmission de ligne, nécessitant généralement un indice de bruit relativement faible et une puissance optique de sortie importante.

3. Préamplificateur : avant le répartiteur et après l'amplificateur de ligne, il sert à amplifier le signal et à améliorer la sensibilité du récepteur (si le rapport signal/bruit optique (OSNR) est satisfaisant, une puissance d'entrée plus élevée permet de supprimer le bruit du récepteur et d'améliorer la sensibilité de réception). L'indice de bruit est très faible. La puissance de sortie est faible.