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

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

La structure de base deEDFAL'amplificateur à fibre dopée à l'erbium est principalement composé d'un milieu actif (fibre de quartz dopée de plusieurs dizaines de mètres de long, de diamètre de cœur de 3 à 5 microns et de concentration de dopage de (25-1000) × 10⁻⁶), d'une source de lumière de pompage (laser diode à 990 ou 1480 nm), d'un coupleur optique et d'un isolateur optique. La lumière de signal et la lumière de pompage peuvent se propager dans la même direction (pompage simultané), en sens inverse (pompage inverse) ou dans les deux sens (pompage bidirectionnel) dans la fibre dopée à l'erbium. Lorsque la lumière de signal et la lumière de pompage sont injectées simultanément dans la fibre, l'ion erbium est excité à un niveau d'énergie élevé (système à trois niveaux) sous l'action de la lumière de pompage, puis se désexcite rapidement vers un niveau métastable. Lorsqu'il retourne à son état fondamental sous l'action de la lumière de signal incidente, le photon correspondant 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, un rendement de pompage élevé, une faible perte d'insertion et une insensibilité aux états de polarisation.

Principe de fonctionnement d'un amplificateur à fibre dopée à l'erbium

L'amplificateur à fibre dopée à l'erbium (Amplificateur optique EDFACe dispositif est principalement composé d'une fibre dopée à l'erbium (d'une longueur d'environ 10 à 30 m) et d'une source de lumière de pompage. Son principe de fonctionnement repose sur la génération d'un rayonnement stimulé par la fibre dopée à l'erbium sous l'action de cette source (longueur d'onde de 980 nm ou 1480 nm). La lumière émise varie en fonction du signal lumineux d'entrée, ce qui équivaut à amplifier ce dernier. Les résultats montrent que le gain de cet amplificateur est généralement de 15 à 40 dB, et que la distance de transmission peut être augmentée de plus de 100 km. Dès lors, une question se pose : pourquoi les scientifiques ont-ils pensé à utiliser l'erbium comme dopant dans un amplificateur à fibre pour accroître l'intensité des ondes lumineuses ? L'erbium est un élément des terres rares, et ces éléments possèdent des caractéristiques structurales particulières. Le dopage aux terres rares est une technique utilisée depuis longtemps dans les dispositifs optiques pour améliorer leurs performances ; il ne s'agit donc pas d'un hasard. Par ailleurs, pourquoi choisir une longueur d'onde de 980 nm ou de 1480 nm pour la source de lumière de pompage ? En réalité, cette longueur d'onde pourrait être de 520 nm, 650 nm, 980 nm ou 1480 nm, mais l'expérience a démontré que le laser fonctionnant avec une source de lumière de pompage à 1480 nm offre le meilleur rendement, suivi par celui fonctionnant à 980 nm.

structure physique

Structure de base d'un amplificateur à fibre dopée à l'erbium (amplificateur optique EDFA). Un isolateur est placé à l'entrée et à la sortie afin d'assurer la transmission unidirectionnelle du signal optique. L'excitateur de pompe, d'une longueur d'onde de 980 nm ou 1480 nm, fournit l'énergie. Le coupleur permet de coupler le signal optique d'entrée et la lumière de pompe dans la fibre dopée à l'erbium, puis de transférer l'énergie de la lumière de pompe au signal optique d'entrée grâce à l'action de cette fibre, amplifiant ainsi le signal. Pour obtenir une puissance optique de sortie plus élevée et un faible niveau de bruit, les amplificateurs à fibre dopée à l'erbium utilisés en pratique adoptent une structure à deux sources de pompe ou plus, séparées par des isolateurs. Un filtre d'égalisation de gain permet d'obtenir une courbe de gain plus large et plus plate.

L'EDFA se compose de cinq parties principales : une fibre dopée à l'erbium (EDF), un coupleur optique (WDM), un isolateur optique (ISO), un filtre optique et une source de pompage. Les sources de pompage les plus couramment utilisées sont celles de 980 nm et de 1480 nm, ces deux dernières présentant un rendement de pompage plus élevé et étant donc plus fréquemment employées. Le coefficient de bruit de la source de pompage à 980 nm est plus faible ; la source de pompage à 1480 nm offre un rendement de pompage supérieur et permet d'obtenir une puissance de sortie plus importante (environ 3 dB de plus que la source à 980 nm).

avantage

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

2. Rendement de couplage élevé. Étant donné qu'il s'agit d'un amplificateur à fibre, son couplage avec la fibre de transmission est aisé.

3. Rendement de conversion énergétique élevé. Le cœur de la fibre dopée à l'erbium (EDF) est plus petit que celui d'une fibre de transmission. La lumière de signal et la lumière de pompe y sont transmises simultanément, ce qui concentre fortement la capacité optique. L'interaction entre la lumière et les ions Er du milieu amplificateur est ainsi optimale. Associée à une longueur appropriée de fibre dopée à l'erbium, cette configuration permet d'obtenir un rendement de conversion d'énergie lumineuse élevé.

4. Gain élevé, faible indice de bruit, puissance de sortie élevée, 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, et plus cette dernière est élevée, mieux c’est. Lorsque la puissance optique est augmentée jusqu’à un certain seuil, l’effet non linéaire de la fibre optique apparaît. Par conséquent, lors de l’utilisation d’amplificateurs à fibre optique, il convient de veiller au contrôle de la puissance optique entrante dans chaque canal.

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

3. Bande passante de gain irrégulière : La bande passante de gain de l’amplificateur à fibre dopée à l’erbium (EDFA) est très large, mais le spectre de gain de la fibre dopée à l’erbium elle-même n’est pas plat. Un filtre d’égalisation de gain est donc nécessaire pour uniformiser le gain dans un système WDM.

4. Problème de surtension lumineuse : Lorsque le trajet optique est normal, les ions erbium excités par la lumière de pompe sont entraînés par la lumière de signal, amplifiant ainsi cette dernière. Si la lumière incidente est interrompue, les ions erbium métastables continuent de s’accumuler. Lors du rétablissement de l’injection de la lumière de signal, une brusque augmentation d’énergie se produit, 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 coupure automatique de la puissance optique (APSD) dans l'EDFA, c'est-à-dire que l'EDFA réduit automatiquement la puissance ou coupe automatiquement la puissance lorsqu'il n'y a pas de lumière d'entrée, supprimant ainsi l'apparition du phénomène de surtension.

Mode application

1. L'amplificateur amplificateur sert à amplifier la puissance de signaux de longueurs d'onde multiples après l'amplification, puis à les transmettre. La puissance du signal après amplification étant généralement élevée, l'indice de bruit et le gain de l'amplificateur de puissance ne sont pas très élevés. Il offre une puissance de sortie relativement importante.

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

3. Préamplificateur : Placé avant le répartiteur et après l’amplificateur de ligne, il sert à amplifier le signal et à améliorer la sensibilité du récepteur (lorsque le rapport signal/bruit optique (OSNR) est suffisant, une puissance d’entrée plus élevée permet de réduire le bruit du récepteur et d’améliorer sa sensibilité de réception), et que l’indice de bruit est très faible. La puissance de sortie requise n’est pas élevée.