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エルビウム添加ファイバー増幅器 (EDFA)

エルビウム添加ファイバー増幅器 (EDFA) は、エルビウム (Er3+) などの希土類元素を増幅媒体として使用します。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、制御された少量のエルビウムがイオン (Er3+) の形でドーパントとして添加されています。したがって、シリカファイバーはホスト媒体として機能します。動作波長とゲイン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 は一般に 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。次の図は、EDFA の基本構造を示しています。

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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 (~ 10 ~ 200 mW) で波長 (980 nm または 1480 nm) の光信号を生成します。この信号は、WDM カプラーを介して、シリカ ファイバーのエルビウム 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。出力光信号の一部がタップされ、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、それ以上の増幅は発生しません。したがって、EDFA の出力光パワーは、入力パワーの変動があったとしても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。

 

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1.2 EDFA の簡略機能図

 

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。ポンプ信号の波長 (約 50 mW のポンプ電力) は 1480 nm または 980 nm です。このポンプ信号の一部は、短い長さのエルビウム ドープ ファイバ内の誘導放出によって入力光信号に転送されます。典型的な光ゲインは約 5 ~ 15 dB で、雑音指数は 10 dB 未満です。1550 nm 動作の場合、30 ~ 40 dB の光ゲインを得ることができます。

 

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1.3 EDFAの実用化

上の図は、WDM アプリケーションで使用する場合の実用的な構造を持つ EDFA の簡略化された動作を示しています。

示されているように、次の主要な部分が含まれています。

  • 入力のアイソレーター。これにより、EDFA によって生成されたノイズがトランスミッタ側に伝搬するのを防ぎます。

  • WDMカプラーです。これは、低出力の 1550 nm 光入力データ信号を、980 nm 波長の高出力ポンピング光信号 (レーザーなどのポンプ ソースから) と結合します。

  • エルビウム添加シリカファイバーの小さな部分。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ー。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 ファイバに入るのを防ぐのに役立ちます。

最終的な出力信号は、増幅された 1550 nm 波長の光データ信号で、残りの 980 nm 波長のポンプ信号が含まれています。

エルビウム添加ファイバー増幅器 (EDFA) の種類

エルビウム添加ファイバー増幅器 (EDFA) には、次の 2 種類の構造があります。

  • 共伝搬ポンプを備えた EDFA

  • 逆伝播ポンプを備えた EDFA

下の図は、EDFA 構造で使用できる対向伝搬ポンプと双方向ポンプの配置を示しています。

異なるポンプ配置

共伝搬ポンプ EDFA は、低ノイズで低出力の光パワーを備えています。一方、反対方向に伝搬するポンプ EDFA は、より高い出力光パワーを提供しますが、ノイズも大きくなります。典型的な商用 EDFA では、同方向伝搬および逆方向伝搬の同時ポンピングを備えた双方向ポンプが使用され、比較的均一な光ゲインが得られます。

ブースター、インライン、およびプリアンプとしての EDFA の適用

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、光送信機の出力でのブースター増幅器、光ファイバーと一緒のインライン光増幅器、およびその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。光入力信号の波長は 1.55 μm 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。エルビウム添加ファイバーの典型的な長さは 10 ~ 50 m です。

EDFA の増幅メカニズム

前述のように、EDFA の増幅メカニズムは、レーザー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+) を高い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、入力光信号と同じエネルギー、つまり同じ波長を持つ光子の放射をもたらします。

エネルギー準位図: 遊離エルビウム 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、エネルギー バンドを形成するように、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ます。

 

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1.4 EDFA における増幅メカニズム

 

反転分布を達成するために、Er3+ イオンは中間準位 2 でポンピングされます。間接法 (980 nm ポンピング) では、Er3+ イオンは準位 1 から準位 3 に連続的に移動します。レベル1に落ち、1500〜1600 nmの目的の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。

 

その他のエルビウム ドープ製品については、当社の Web サイトをご覧ください。

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更新時間: Jul-05-2022