Nguyên lý và cấu trúc của Bộ khuếch đại sợi pha tạp erbium

Bộ khuếch đại sợi pha tạp erbium là một bộ khuếch đại quang học được làm bằng sợi quang pha tạp với erbium kim loại hiếm. Bộ khuếch đại sợi pha tạp erbium đã trở thành thiết bị rất quan trọng trong các hệ thống truyền thông tốc độ cao ngày nay và hệ thống ghép kênh phân chia bước sóng, hoạt động trong cửa sổ 1550nm. Bộ khuếch đại sợi pha tạp erbium là một thành tựu đột phá của công nghệ quang điện tử trong lĩnh vực thông tin trên thế giới trong mười năm qua. Sự xuất hiện của nó đã dẫn đến cuộc cách mạng của công nghệ truyền thông quang học. Đây là phần quan trọng nhất trong ba công nghệ cốt lõi bao gồmBộ khuếch đại sợi pha tạp erbium edfa, Công nghệ ghép kênh phân chia bước sóng và bù tán sắc sợi.

Ⅰ. Nguyên lý của Bộ khuếch đại sợi pha tạp erbium

Khi môi trường laser được cung cấp năng lượng để làm cho nó ở trạng thái kích thích, nó sẽ tạo ra hiện tượng bức xạ ánh sáng kích thích. Nếu có thể đáp ứng các điều kiện cho bức xạ kích thích liên tục và ánh sáng đầu vào được sử dụng để cảm nhận, thì có thể thu được ánh sáng đầu ra mạnh hơn để phát hiệu ứng khuếch đại. Hiệu ứng khuếch đại của Bộ khuếch đại sợi pha tạp erbium được tạo ra bởi sự tương tác của ER3 (ion erbium) thông qua việc truyền ánh sáng tín hiệu với bước sóng 1550nm trong sợi quang pha tạp erbium. Trạng thái năng lượng của ER3 trong sợi quang pha tạp erbium không thể được đánh giá liên tục. Nó chỉ có thể ở một loạt các trạng thái năng lượng rời rạc. Những Trạng thái năng lượng này được gọi là mức năng lượng. Khi ER3 không bị kích thích, nó ở mức năng lượng thấp nhất, đó là trạng thái cơ bản E1.

Bơm ánh sáng bơm đủ mạnh vào sợi quang pha tạp erbium có thể bơm hầu hết các ion E1 ở trạng thái cơ bản đến trạng thái năng lượng cao E3, và các ion ER3 trong E3 nhanh chóng được chuyển sang trạng thái siêu ổn định E2 mà không cần bức xạ. Ion ER3 có thời gian sống lâu hơn ở mức độ di căn. Do bơm liên tục, Số lượng hạt E2 tăng liên tục, do đó Số lượng hạt E1 và E2 bị đảo ngược, nghĩa là, số lượng hạt trong E2 nhiều hơn số hạt trong E1. Khi Photon tín hiệu đi qua sợi quang pha tạp erbium, nó tương tác với các ion ER3 để tạo ra hiệu ứng phát xạ kích thích. Ion ER3 của E2 chuyển tiếp sang E1 và tạo ra các Photon giống hệt như các Photon trong đèn tín hiệu tới, do đó làm tăng đáng kể số lượng Photon tín hiệu và phát ra hiệu ứng khuếch đại.

Trạng thái siêu ổn định và trạng thái nền của ion ER3 có chiều rộng nhất định, do đó hiệu ứng khuếch đại của Bộ khuếch đại sợi pha tạp erbium có một dải bước sóng nhất định và giá trị điển hình của nó là 1530 đến 1570nm. Khi ion ER3 ở E2, ngoài bức xạ kích thích và sự hấp thụ kích thích, bức xạ tự phát cũng được tạo ra, chuyển đổi tự phát từ E2 sang E1 và phát ra một photon có bước sóng 1550nm. Photon này khác với đèn tín hiệu và tạo thành tiếng ồn của Bộ khuếch đại sợi pha tạp erbium. Nếu công suất quang đầu vào của Bộ khuếch đại sợi pha tạp erbium thấp, bức xạ tự kích thích mạnh sẽ tạo ra tiếng ồn lớn.

Ⅱ. Cấu trúc của Bộ khuếch đại sợi pha tạp erbium

Bộ khuếch đại sợi pha tạp erbium thường bao gồm năm bộ phận cơ bản, cụ thể là sợi quang pha tạp erbium, nguồn sáng bơm, thiết bị thụ động quang học, Bộ điều khiển và giao diện giám sát. Chức năng của Bộ ghép quang là kết hợp đèn tín hiệu và đèn bơm, thường được thực hiện bằng Bộ ghép kênh phân chia bước sóng. Chức năng của bộ cách ly quang là triệt tiêu phản xạ ánh sáng để đảm bảo hoạt động ổn định của Bộ khuếch đại sợi quang. Nó phải có tổn thất chèn thấp, độc lập với sự phân cực và cách ly tốt hơn 40dB. Chức năng của bộ lọc quang học là giảm ảnh hưởng của tiếng ồn do bức xạ tự phát tạo ra trên hệ thống. Bộ điều khiển Điều khiển công việc của Bộ khuếch đại tăng cường sợi quang trong thời gian thực và bộ phận giám sát cung cấp thông tin trạng thái làm việc.