エルビウム添加ファイバー増幅器 (EDFA)

エルビウムドープファイバー増幅器 (EDFA) は、エルビウム (Er3+) などの希土類元素を増幅媒体として利用します。製造プロセス中にファイバーコアにドープされます。これはガラス製の短いファイバー (通常は 10 m 程度) で構成されており、その中に制御された少量のエルビウムがドーパントとしてイオン (Er3+) の形で添加されています。したがって、シリカ繊維はホスト媒体として機能します。動作波長と利得帯域幅を決定するのは、シリカ ファイバではなくドーパント (エルビウム) です。EDFA は通常、1550 nm の波長領域で動作し、1 Tbps を超える容量を提供できます。そのため、WDM システムで広く使用されています。

誘導放出の原理は EDFA の増幅メカニズムに適用できます。ドーパント (エルビウム イオン) が高エネルギー状態にある場合、入力光信号の入射光子がドーパントを刺激します。エネルギーの一部をドーパントに放出し、より安定した低エネルギー状態 (「誘導放出」) に戻ります。以下の図は、EDFA の基本構造を示しています。

1.1 EDFAの基本構造

ポンプ レーザー ダイオードは通常、高出力 (約 10 ～ 200 mW) の波長 (980 nm または 1480 nm) の光信号を生成します。この信号は、WDM カプラを介してシリカ ファイバのエルビウム ドープ セクションで光入力信号と結合されます。エルビウム イオンはこのポンプ信号エネルギーを吸収し、励起状態にジャンプします。出力光信号の一部はタップされ、光フィルターと検出器を介してポンプ レーザーの入力にフィードバックされます。これは、EDFA を自己調整増幅器として機能させるためのフィードバック電力制御メカニズムとして機能します。すべての準安定電子が消費されると、それ以上の増幅は起こりません。したがって、EDFA の出力光パワーは入力パワーの変動に関係なくほぼ一定に保たれるため、システムは自動的に安定します。

1.2 EDFA の簡略化された機能図

上の図は、レーザーからのポンプ信号が WDM カプラーを介して入力光信号 (1480 nm または 980 nm) に追加される EDFA の簡略化された機能図を示しています。

この図は、非常に基本的な EDF アンプを示しています。ポンプ信号 (ポンプパワー約 50 mW) の波長は 1480 nm または 980 nm です。このポンプ信号の一部は、エルビウムドープファイバの短い長さ内の誘導放出によって入力光信号に転送されます。標準的な光利得は約 5 ～ 15 dB、雑音指数は 10 dB 未満です。1550 nm での動作では、30 ～ 40 dB の光ゲインを得ることが可能です。

1.3 EDFAの実用化

上の図は、WDM アプリケーションで使用される場合の EDFA の実際の構造を備えた簡略化された動作を示しています。

示されているように、これには次の主要な部分が含まれています。

• 入力にアイソレータを搭載。これにより、EDFA によって生成されたノイズが送信側に伝播するのを防ぎます。

• WDMカプラーです。低パワーの 1550 nm 光入力データ信号と、980 nm 波長の高パワーポンピング光信号 (レーザーなどのポンプ源から) を組み合わせます。

• エルビウムがドープされたシリカ ファイバーの小さなセクション。実際、これは EDFA の活性媒体として機能します。

• 出力にアイソレータを搭載。これは、後方反射された光信号がエルビウムドープシリカファイバーに入るのを防ぐのに役立ちます。

最終出力信号は、残りの 980 nm 波長ポンプ信号を含む、増幅された 1550 nm 波長光データ信号です。

エルビウム添加ファイバ増幅器 (EDFA) の種類

エルビウム添加ファイバ増幅器 (EDFA) には 2 つのタイプの構造があります。

• 共伝播ポンプを備えた EDFA

• 逆伝播ポンプを備えた EDFA

以下の図は、EDFA 構造で使用できる逆伝播ポンプと双方向ポンプの配置を示しています。

さまざまなポンプの配置

共伝播ポンプ EDFA は、低出力光パワーと低ノイズを特徴としています。一方、逆伝播ポンプ EDFA はより高い出力光パワーを提供しますが、より大きなノイズも生成します。典型的な市販の EDFA では、同時伝播ポンピングと逆伝播ポンピングを備えた双方向ポンプが使用され、これにより比較的均一な光利得が得られます。

ブースター、インライン、プリアンプとしての EDFA の応用

光ファイバー通信リンクの長距離アプリケーションでは、EDFA は、光送信機の出力におけるブースター増幅器、光ファイバーに沿ったインライン光増幅器、および送信直前のプリアンプとして使用できます。上の図に示すように、受信機。

インライン EDFA は、ファイバー損失に応じて 20 ～ 100 km の距離に配置されることに注意してください。光入力信号は 1.55 μm の波長ですが、ポンプ レーザーは 1.48 μm または 980 nm の波長で動作します。エルビウムがドープされたファイバーの一般的な長さは 10 ～ 50 m です。

EDFAの増幅メカニズム

前述したように、EDFA の増幅メカニズムはレーザーの増幅メカニズムと同様の誘導放出に基づいています。光ポンプ信号 (別のレーザーによって生成される) からの高エネルギーは、シリカ ファイバー内のドーパント エルビウム イオン (Er3+) を上部のエネルギー状態で励起します。入力光データ信号は、励起されたエルビウムイオンのより低いエネルギー状態への遷移を刺激し、その結果、入力光信号と同じエネルギー、すなわち同じ波長の光子の放射が生じる。

エネルギー準位図: 自由エルビウム イオンは、エネルギー バンドの離散レベルを示します。エルビウム イオンがシリカ ファイバーにドープされると、それらの各エネルギー レベルが多数の密接に関連したレベルに分割され、エネルギー バンドが形成されます。

1.4 EDFA における増幅メカニズム

反転分布を達成するには、Er3+ イオンが中間レベル 2 でポンピングされます。間接法 (980 nm ポンピング) では、Er3+ イオンはレベル 1 からレベル 3 まで連続的に移動します。その後、非放射でレベル 2 に減衰します。ここでレベル 1 に下がり、1500 ～ 1600 nm の必要な波長で光信号を放射します。これは 3 レベル増幅メカニズムとして知られています。

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