◆Características y aplicaciones de los amplificadores dopados con fibra-
Unamplificador ópticoes un dispositivo que puede amplificar directamente señales ópticas débiles. Amplifica la luz incidente débil basándose en los principios de emisión estimulada o dispersión estimulada, y su mecanismo es exactamente el mismo que el de un láser. De hecho, estructuralmente, un amplificador óptico es un láser con poca o ninguna retroalimentación. La ganancia óptica se logra cuando el medio óptico experimenta una inversión de población bajo la acción de la corriente de la bomba o la luz de la bomba, logrando así la amplificación óptica. Esta sección presenta los tipos de amplificadores ópticos más utilizados y se centra en los principios y aplicaciones de los amplificadores de fibra dopada con erbio-.
Clasificación de amplificadores ópticos.
Los amplificadores ópticos se pueden clasificar en tres tipos según sus principios operativos.
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Estos tipos de amplificadores ópticos se diferencian en sus principios de funcionamiento y métodos de excitación.
Principio de funcionamiento del amplificador de fibra lastrada.
Estructura EDFA
Un amplificador de fibra dopada con erbio-(EDFA) es un dispositivo que utiliza fibra dopada con erbio-como medio de ganancia para amplificar la luz de señal utilizando la luz de bombeo emitida por un diodo láser. En la figura se muestra la estructura de un amplificador de fibra dopada con erbio-.
Un multiplexor por división de longitud de onda, también conocido como multiplexor, combina luz de bombeo y luz de señal de longitudes de onda de 980/1550 nm o 1480/1550 nm antes de alimentarlas a una fibra dopada con erbio-. Requiere baja pérdida de inserción e insensibilidad a la polarización de la luz.
Un aislador óptico garantiza la transmisión de luz unidireccional, evitando que la luz se refleje en el dispositivo original, ya que dicho reflejo aumenta el ruido del amplificador y reduce la eficiencia de la amplificación.
La función de un filtro óptico es filtrar el ruido fuera del ancho de banda operativo de un amplificador óptico, mejorando así la relación señal-a-ruido del sistema.
La fibra dopada con erbio-es el componente central de un EDFA (amplificador dopado con electrio-). Utiliza fibra de sílice como matriz y dopa el núcleo con iones de erbio, un material de trabajo láser en estado sólido-. Dentro de los varios metros a decenas de metros de fibra dopada con erbio-, la luz interactúa con la materia y se amplifica y mejora.
El diámetro del campo modal (MFD) de la fibra dopada con erbio-es de 3 a 6 μm, mucho más pequeño que el de la fibra convencional (9 a 16 μm). Esto tiene como objetivo aumentar la densidad de energía de la luz de señal y la luz de bombeo, mejorando así su eficiencia de interacción. Sin embargo, el diámetro reducido del núcleo de la fibra dopada con erbio-también provoca una discrepancia en el campo modal con la fibra convencional, lo que resulta en una mayor reflexión y pérdida de conexión. La solución es dopar la fibra con una pequeña cantidad de flúor para reducir el índice de refracción, aumentando así el diámetro del campo modal para lograr un nivel de coincidencia con la fibra convencional. Además, durante el empalme por fusión, el desajuste del diámetro del campo modal se puede reducir utilizando fibras de transición o alargando el conector de fibra convencional para reducir el diámetro del núcleo.
Para lograr una amplificación más eficiente, durante la fabricación de fibras dopadas con erbio-, la mayoría de los iones se concentran en la región central del núcleo de la fibra. Esto se debe a que, en las fibras ópticas, los campos de luz de la señal y la luz de bombeo pueden considerarse distribuidos aproximadamente en forma gaussiana, con la intensidad de luz más fuerte a lo largo del eje del núcleo de la fibra. La presencia de iones de molibdeno en la región paraxial permite una mayor interacción entre la luz y la materia, mejorando así la eficiencia de conversión de energía. Dependiendo de la aplicación de los amplificadores de fibra dopada con erbio-(EDFA), hay varios tipos de fibras dopadas con erbio-disponibles para el diseño de EDFA. Por ejemplo, el tipo EDF-PAX-01 se utiliza para diseñar amplificadores y preamplificadores en-circuitos, que exhiben un ancho de banda de ganancia amplio y plano; el tipo EDF-LAX-01 se puede utilizar en amplificadores en circuito, ofreciendo alta eficiencia de conversión de potencia y bajo nivel de ruido; y el tipo EDF-BAX-01 proporciona alta potencia de salida, etc.
Parámetros básicos de las fibras dopadas con erbio-
| Parámetro | FED-PAX-01 | FED-LAX-01 | FED-BAX-01 | FED-HCX-01 |
|---|---|---|---|---|
| Apertura numérica (NA) | 0.24 ± 0.02 | 0.24 ± 0.02 | 0.22 ± 0.02 | 0.24 ± 0.02 |
| Longitud de onda de corte-(nm) | 953 ± 35 | 953 ± 35 | 920 ± 40 | 920 ± 40 |
| Absorción máxima del núcleo a 1530 nm (dB/m) | Menor o igual a 1529,5 | 1530.5 ± 0.5 | 1531 ± 0.5 | 1530 ± 1 |
| Atenuación máxima a 980 nm (dB/m) | 7 ± 2 | 7 ± 2 | 5 ± 2 | 8.5 ± 2 |
| Atenuación a 980 nm (dB/m) | 5 ± 1.5 | 5 ± 1.5 | 3.55 ± 1.5 | 8.5 ± 2 |
| Pérdida de fondo a 1200 nm (dB/km) | < 35 | < 15 | < 15 | < 15 |
| Potencia saturada a 1530 nm (mW) | 0.17 | 0.15 | 0.18 | 0.20 |
| Modo Diámetro de campo @ 1550 nm (μm) | 4.8 ~ 5.9 | 4.8 ~ 5.9 | 5.2 ~ 6.6 | 4.8 ~ 6 |
La fuente de la bomba es otro componente central del EDFA (amplificador de fibra óptica electro-dopado). Proporciona suficiente energía para la amplificación de la señal óptica, una condición necesaria para lograr la inversión de población de las partículas activadoras. Dado que la fuente de la bomba determina directamente el rendimiento del EDFA, se requiere que tenga una alta potencia de salida, buena estabilidad y una larga vida útil. Las fuentes prácticas de bomba EDFA son todas diodos láser, con longitudes de onda de bomba de 980 nm y 1480 nm. La fuente de bomba de 980 nm se utiliza más comúnmente debido a sus ventajas de bajo nivel de ruido, alta eficiencia de la bomba y potencia de hasta varios cientos de milivatios.
La luz y la señal de la bomba ingresan a la fibra óptica simultáneamente. La luz de la bomba es más intensa en la entrada de fibra dopada con erbio-. A medida que se propaga a lo largo de la fibra, transfiere energía gradualmente a la luz de señal, aumentando la intensidad de la señal mientras que su propia intensidad disminuye gradualmente.
En las siguientes figuras se comparan la potencia de salida y las características de ruido bajo diferentes métodos de bombeo. La Figura a muestra la relación entre la potencia de la señal óptica de salida y la potencia óptica de la bomba; Las eficiencias de conversión diferenciales de los tres métodos de bombeo son 61%, 76% y 77%, respectivamente. La figura b muestra la relación entre la figura de ruido y la potencia óptica de salida del amplificador. A medida que aumenta la potencia óptica de salida, el número de inversión de las partículas disminuye, lo que da como resultado un aumento en la figura de ruido. La figura c muestra la relación entre la figura de ruido y la longitud de la fibra dopada con erbio-. Como se puede ver en la figura, independientemente de la longitud de la fibra dopada con erbio-, el EDFA con el método de bombeo co-direccional tiene el menor ruido.