◆ลักษณะเฉพาะและการประยุกต์ใช้เครื่องขยายสัญญาณแบบเจือไฟเบอร์-
หนึ่งเครื่องขยายเสียงแบบออปติคัลเป็นอุปกรณ์ที่สามารถขยายสัญญาณแสงอ่อนได้โดยตรง โดยจะขยายแสงตกกระทบที่อ่อนแอตามหลักการของการปล่อยแสงแบบกระตุ้นหรือการกระเจิงแบบกระตุ้น และกลไกของมันก็เหมือนกับของเลเซอร์ทุกประการ ในความเป็นจริงแล้ว ในเชิงโครงสร้างแล้ว แอมพลิฟายเออร์แบบออปติคัลนั้นเป็นเลเซอร์ที่มีการป้อนกลับเพียงเล็กน้อยหรือไม่มีเลย อัตราขยายเชิงแสงจะเกิดขึ้นได้เมื่อตัวกลางเชิงแสงประสบกับการผกผันของจำนวนประชากรภายใต้การกระทำของกระแสของปั๊มหรือไฟของปั๊ม ดังนั้นจึงทำให้เกิดการขยายทางแสง ในส่วนนี้แนะนำประเภทเครื่องขยายสัญญาณแบบออปติกที่ใช้กันทั่วไป และเน้นที่หลักการและการประยุกต์ใช้เครื่องขยายสัญญาณไฟเบอร์เจือเออร์เบียม-
การจำแนกประเภทของเครื่องขยายสัญญาณออปติคัล
เครื่องขยายสัญญาณแบบออปติคัลสามารถแบ่งออกกว้าง ๆ ได้เป็นสามประเภทตามหลักการทำงาน
1
2
3
เครื่องขยายสัญญาณออปติคอลประเภทนี้แตกต่างกันในหลักการทำงานและวิธีการกระตุ้น
หลักการทำงานของเครื่องขยายสัญญาณไฟเบอร์บัลลาสต์
โครงสร้าง EDFA
เครื่องขยายสัญญาณไฟเบอร์แบบเจือเออร์เบียม- (EDFA) เป็นอุปกรณ์ที่ใช้ไฟเบอร์เจือเออร์เบียม-เป็นสื่อกลางในการขยายสัญญาณเพื่อขยายสัญญาณไฟโดยใช้แสงปั๊มที่ปล่อยออกมาจากเลเซอร์ไดโอด โครงสร้างของเครื่องขยายสัญญาณไฟเบอร์แบบเจือเออร์เบียม-แสดงไว้ในภาพ
มัลติเพล็กเซอร์แบบแบ่งความยาวคลื่นหรือที่เรียกว่ามัลติเพล็กเซอร์ จะรวมแสงปั๊มและไฟสัญญาณที่ความยาวคลื่น 980/1550 นาโนเมตรหรือ 1480/1550 นาโนเมตร ก่อนที่จะป้อนเข้าไปในไฟเบอร์เจือเออร์เบียม- ต้องการการสูญเสียการแทรกต่ำและไม่ไวต่อโพลาไรเซชันของแสง
ตัวแยกแสงช่วยให้มั่นใจได้ว่าการส่งผ่านแสงในทิศทางเดียว ป้องกันการสะท้อนแสงกลับไปยังอุปกรณ์ดั้งเดิม เนื่องจากการสะท้อนดังกล่าวจะเพิ่มเสียงรบกวนของเครื่องขยายเสียงและลดประสิทธิภาพในการขยายสัญญาณ
หน้าที่ของตัวกรองแสงคือการกรองสัญญาณรบกวนที่อยู่นอกแบนด์วิดธ์การทำงานของเครื่องขยายสัญญาณแบบออปติคัล ซึ่งจะช่วยปรับปรุงอัตราส่วนสัญญาณ-ต่อ-สัญญาณรบกวนของระบบ
ไฟเบอร์เจือเออร์เบียม-เป็นองค์ประกอบหลักของ EDFA (Electrium-Doped Amplifier) ใช้เส้นใยซิลิกาเป็นเมทริกซ์และเติมแกนด้วยเออร์เบียมไอออน ซึ่งเป็นวัสดุทำงานเลเซอร์ในสถานะของแข็ง- ภายในระยะหลายเมตรถึงหลายสิบเมตรของเส้นใยเจือเออร์เบียม- แสงจะมีปฏิกิริยากับสสารและถูกขยายและปรับปรุง
เส้นผ่านศูนย์กลางสนามโหมด (MFD) ของไฟเบอร์เจือเออร์เบียม-คือ 3–6 μm ซึ่งเล็กกว่าเส้นใยทั่วไปมาก (9–16 μm) เพื่อเพิ่มความหนาแน่นของพลังงานของไฟสัญญาณและไฟปั๊ม ซึ่งจะช่วยเพิ่มประสิทธิภาพในการโต้ตอบ อย่างไรก็ตาม เส้นผ่านศูนย์กลางแกนกลางที่ลดลงของไฟเบอร์เจือเออร์เบียม-ยังทำให้สนามโหมดไม่ตรงกับไฟเบอร์ทั่วไป ส่งผลให้มีการสะท้อนและสูญเสียการเชื่อมต่อมากขึ้น วิธีแก้ไขคือการเติมฟลูออรีนจำนวนเล็กน้อยให้กับไฟเบอร์เพื่อลดดัชนีการหักเหของแสง ซึ่งจะเป็นการเพิ่มเส้นผ่านศูนย์กลางของโหมดเพื่อให้ได้ระดับที่เข้ากันได้กับไฟเบอร์ทั่วไป นอกจากนี้ ในระหว่างการต่อฟิวชั่น เส้นผ่านศูนย์กลางของฟิลด์โหมดที่ไม่ตรงกันสามารถลดลงได้โดยใช้ไฟเบอร์ทรานซิชันหรือทำให้ขั้วต่อไฟเบอร์แบบเดิมยาวขึ้นเพื่อลดเส้นผ่านศูนย์กลางแกนกลาง
เพื่อให้เกิดการขยายสัญญาณที่มีประสิทธิภาพมากขึ้น ในระหว่างการผลิตเส้นใยเจือเออร์เบียม- ไอออนส่วนใหญ่จะกระจุกตัวอยู่ในบริเวณตอนกลางของแกนเส้นใย เนื่องจากในเส้นใยนำแสง สนามแสงของสัญญาณและไฟปั๊มสามารถพิจารณาการกระจายแบบเกาส์เซียนโดยประมาณ โดยมีความเข้มของแสงที่เข้มที่สุดตามแนวแกนแกนของไฟเบอร์ การมีอยู่ของไอออนโมลิบดีนัมในบริเวณพาราแอกเชียลช่วยให้มีปฏิสัมพันธ์ระหว่างแสงและสสารได้มากขึ้น จึงช่วยเพิ่มประสิทธิภาพในการแปลงพลังงาน ขึ้นอยู่กับการใช้งานของเออร์เบียม-เครื่องขยายสัญญาณไฟเบอร์เจือ (EDFA) เส้นใยเจือเออร์เบียม-หลายประเภทมีจำหน่ายสำหรับการออกแบบ EDFA ตัวอย่างเช่น ประเภท EDF-PAX-01 ใช้สำหรับการออกแบบ-เครื่องขยายสัญญาณวงจรและปรีแอมพลิฟายเออร์ ซึ่งแสดงแบนด์วิดธ์เกนแบบแบนและกว้าง ประเภท EDF-LAX-01 สามารถใช้ในแอมพลิฟายเออร์ในวงจรได้ ซึ่งให้ประสิทธิภาพการแปลงกำลังสูงและมีเสียงรบกวนต่ำ และรุ่น EDF-BAX-01 ให้กำลังเอาต์พุตสูง เป็นต้น
พารามิเตอร์พื้นฐานของเออร์เบียม-เส้นใยเจือ
| พารามิเตอร์ | มูลนิธิEDF-PAX-01 | มูลนิธิEDF-LAX-01 | มูลนิธิEDF-BAX-01 | EDF-HCX-01 |
|---|---|---|---|---|
| รูรับแสงเชิงตัวเลข (NA) | 0.24 ± 0.02 | 0.24 ± 0.02 | 0.22 ± 0.02 | 0.24 ± 0.02 |
| ตัด-ความยาวคลื่น (นาโนเมตร) | 953 ± 35 | 953 ± 35 | 920 ± 40 | 920 ± 40 |
| การดูดซับแกนกลางสูงสุด @ 1530 นาโนเมตร (dB/m) | น้อยกว่าหรือเท่ากับ 1529.5 | 1530.5 ± 0.5 | 1531 ± 0.5 | 1530 ± 1 |
| การลดทอนสูงสุดที่ 980 นาโนเมตร (dB/m) | 7 ± 2 | 7 ± 2 | 5 ± 2 | 8.5 ± 2 |
| การลดทอน @ 980 นาโนเมตร (dB/m) | 5 ± 1.5 | 5 ± 1.5 | 3.55 ± 1.5 | 8.5 ± 2 |
| การสูญเสียพื้นหลัง @ 1200 นาโนเมตร (dB/กม.) | < 35 | < 15 | < 15 | < 15 |
| กำลังอิ่มตัว @ 1530 นาโนเมตร (mW) | 0.17 | 0.15 | 0.18 | 0.20 |
| โหมดเส้นผ่านศูนย์กลางสนาม @ 1550 นาโนเมตร (μm) | 4.8 ~ 5.9 | 4.8 ~ 5.9 | 5.2 ~ 6.6 | 4.8 ~ 6 |
แหล่งกำเนิดปั๊มเป็นองค์ประกอบหลักอีกประการหนึ่งของ EDFA (เครื่องขยายสัญญาณไฟเบอร์ออปติกแบบใช้ไฟฟ้า-) โดยให้พลังงานเพียงพอสำหรับการขยายสัญญาณแบบออปติคอล ซึ่งเป็นเงื่อนไขที่จำเป็นสำหรับการกลับตัวของอนุภาคของแอคติเวเตอร์ เนื่องจากแหล่งกำเนิดปั๊มจะกำหนดประสิทธิภาพของ EDFA โดยตรง จึงจำเป็นต้องมีกำลังขับสูง ความเสถียรที่ดี และอายุการใช้งานที่ยาวนาน แหล่งที่มาของปั๊ม EDFA ที่ใช้งานได้จริงคือเลเซอร์ไดโอดทั้งหมด โดยมีความยาวคลื่นของปั๊ม 980 นาโนเมตรและ 1480 นาโนเมตร แหล่งกำเนิดปั๊มขนาด 980 นาโนเมตรมีการใช้กันทั่วไปมากกว่าเนื่องจากมีข้อดีคือมีเสียงรบกวนต่ำ ประสิทธิภาพของปั๊มสูง และมีกำลังสูงถึงหลายร้อยมิลลิวัตต์
ไฟปั๊มและสัญญาณเข้าสู่ใยแก้วนำแสงพร้อมกัน ไฟปั๊มสว่างที่สุดที่ทางเข้าไฟเบอร์เจือเออร์เบียม- เมื่อมันแพร่กระจายไปตามเส้นใย มันจะค่อยๆ ถ่ายเทพลังงานไปยังไฟสัญญาณ เพิ่มความแรงของสัญญาณ ในขณะที่ความแรงของมันเองจะค่อยๆ ลดลง
กำลังไฟฟ้าเอาท์พุตและลักษณะเสียงภายใต้วิธีการปั๊มที่แตกต่างกันมีการเปรียบเทียบในรูปต่อไปนี้ รูปที่ a แสดงความสัมพันธ์ระหว่างกำลังสัญญาณแสงเอาท์พุตและกำลังแสงของปั๊ม ประสิทธิภาพการแปลงส่วนต่างของวิธีการปั๊มทั้งสามวิธีคือ 61%, 76% และ 77% ตามลำดับ รูปที่ b แสดงความสัมพันธ์ระหว่างรูปสัญญาณรบกวนกับกำลังแสงเอาท์พุตของเครื่องขยายเสียง เมื่อกำลังแสงเอาท์พุตเพิ่มขึ้น จำนวนการผกผันของอนุภาคจะลดลง ส่งผลให้ค่าสัญญาณรบกวนเพิ่มขึ้น รูปที่ c แสดงความสัมพันธ์ระหว่างรูปสัญญาณรบกวนกับความยาวของไฟเบอร์เจือเออร์เบียม- ดังที่เห็นได้จากภาพ ไม่ว่าเส้นใยเออร์เบียม-เจือจะมีความยาวเท่าใด EDFA ที่ใช้วิธีการปั๊มแบบร่วม-ก็มีสัญญาณรบกวนน้อยที่สุด
