หลักการและการประยุกต์ใช้เครื่องขยายสัญญาณไฟเบอร์แบบโดปเออร์เบียม EDFA
โครงสร้างพื้นฐานของEDFAเครื่องขยายสัญญาณไฟเบอร์ที่เติมเออร์เบียม ซึ่งประกอบด้วยตัวกลางที่ใช้งานเป็นหลัก (ไฟเบอร์ควอตซ์ที่เติมเออร์เบียมยาวหลายสิบเมตร เส้นผ่านศูนย์กลางแกน 3-5 ไมครอน ความเข้มข้นของสารเจือปน (25-1000)x10-6) แหล่งกำเนิดแสงปั๊ม (LD 990 หรือ 1480 นาโนเมตร) คัปเปิลออปติกและไอโซเลเตอร์ออปติก แสงสัญญาณและแสงปั๊มสามารถแพร่กระจายไปในทิศทางเดียวกัน (ปั๊มร่วม) ทิศทางตรงข้าม (ปั๊มย้อนกลับ) หรือทั้งสองทิศทาง (ปั๊มสองทิศทาง) ในไฟเบอร์เออร์เบียม เมื่อแสงสัญญาณและแสงปั๊มถูกฉีดเข้าไปในไฟเบอร์เออร์เบียมในเวลาเดียวกัน ไอออนเออร์เบียมจะถูกกระตุ้นไปที่ระดับพลังงานสูง (ระบบสามระดับ) ภายใต้การกระทำของแสงปั๊ม และสลายตัวลงสู่ระดับกึ่งเสถียรในไม่ช้า เมื่อกลับสู่สถานะพื้นภายใต้การกระทำของแสงสัญญาณตกกระทบ โฟตอนที่สอดคล้องกับแสงสัญญาณจะถูกปล่อยออกมา เพื่อให้สัญญาณถูกขยาย สเปกตรัมการปล่อยแสงโดยธรรมชาติที่ขยาย (ASE) มีแบนด์วิดท์ขนาดใหญ่ (สูงถึง 20-40 นาโนเมตร) และมีสองจุดสูงสุดที่สอดคล้องกับ 1,530 นาโนเมตรและ 1,550 นาโนเมตร ตามลำดับ
ข้อดีหลักๆของเครื่องขยายเสียง EDFAมีค่าเกนสูง แบนด์วิดท์ขนาดใหญ่ กำลังเอาต์พุตสูง ประสิทธิภาพการปั๊มสูง การสูญเสียการแทรกต่ำ และไม่ไวต่อสถานะโพลาไรเซชัน
หลักการทำงานของเครื่องขยายสัญญาณไฟเบอร์แบบโด๊ปเออร์เบียม
เครื่องขยายสัญญาณไฟเบอร์แบบโดปเออร์เบียมเครื่องขยายสัญญาณออปติคอล EDFA） ประกอบด้วยไฟเบอร์ที่เจือด้วยเออร์เบียม (ยาวประมาณ 10-30 เมตร) และแหล่งกำเนิดแสงแบบปั๊ม หลักการทำงานคือไฟเบอร์ที่เจือด้วยเออร์เบียมจะสร้างรังสีกระตุ้นภายใต้การกระทำของแหล่งกำเนิดแสงแบบปั๊ม (ความยาวคลื่น 980 นาโนเมตรหรือ 1480 นาโนเมตร) และแสงที่แผ่ออกมาจะเปลี่ยนไปพร้อมกับการเปลี่ยนแปลงของสัญญาณแสงอินพุต ซึ่งเทียบเท่ากับการขยายสัญญาณแสงอินพุต ผลลัพธ์แสดงให้เห็นว่าอัตราขยายของแอมพลิฟายเออร์ไฟเบอร์ที่เจือด้วยเออร์เบียมมักจะอยู่ที่ 15-40 เดซิเบล และระยะทางของรีเลย์สามารถเพิ่มได้มากกว่า 100 กิโลเมตร ดังนั้นผู้คนจึงอดไม่ได้ที่จะถามว่า ทำไมนักวิทยาศาสตร์ถึงคิดที่จะใช้เออร์เบียมเจือด้วยในแอมพลิฟายเออร์ไฟเบอร์เพื่อเพิ่มความเข้มของคลื่นแสง เรารู้ดีว่าเออร์เบียมเป็นธาตุหายาก และธาตุหายากก็มีลักษณะโครงสร้างพิเศษ การเจือด้วยธาตุหายากในอุปกรณ์ออปติกถูกนำมาใช้เป็นเวลานานเพื่อปรับปรุงประสิทธิภาพของอุปกรณ์ออปติก ดังนั้นจึงไม่ใช่ปัจจัยที่เกิดขึ้นโดยบังเอิญ นอกจากนี้ เหตุใดจึงเลือกความยาวคลื่นของแหล่งกำเนิดแสงปั๊มที่ 980 นาโนเมตรหรือ 1480 นาโนเมตร ในความเป็นจริง ความยาวคลื่นของแหล่งกำเนิดแสงปั๊มสามารถเป็น 520 นาโนเมตร 650 นาโนเมตร 980 นาโนเมตร และ 1480 นาโนเมตร แต่ในทางปฏิบัติได้พิสูจน์แล้วว่าความยาวคลื่นของแหล่งกำเนิดแสงปั๊มเลเซอร์ที่ 1480 นาโนเมตรนั้นมีประสิทธิภาพสูงสุด รองลงมาคือความยาวคลื่นของแหล่งกำเนิดแสงปั๊มที่ 980 นาโนเมตร
โครงสร้างทางกายภาพ
โครงสร้างพื้นฐานของเครื่องขยายสัญญาณไฟเบอร์ที่เติมเออร์เบียม (เครื่องขยายสัญญาณออปติก EDFA) มีตัวแยกสัญญาณที่ปลายอินพุตและปลายเอาต์พุต จุดประสงค์คือเพื่อให้สัญญาณออปติกส่งผ่านทางเดียว ตัวกระตุ้นปั๊มมีความยาวคลื่น 980 นาโนเมตรหรือ 1480 นาโนเมตร และใช้เพื่อให้พลังงาน หน้าที่ของตัวต่อคือการเชื่อมต่อสัญญาณออปติกอินพุตและแสงปั๊มเข้ากับไฟเบอร์ที่เติมเออร์เบียม และถ่ายโอนพลังงานของแสงปั๊มไปยังสัญญาณออปติกอินพุตผ่านการกระทำของไฟเบอร์ที่เติมเออร์เบียม เพื่อให้เกิดการขยายพลังงานของสัญญาณออปติกอินพุต เพื่อให้ได้กำลังแสงเอาต์พุตที่สูงขึ้นและดัชนีสัญญาณรบกวนที่ต่ำลง เครื่องขยายสัญญาณไฟเบอร์ที่เติมเออร์เบียมที่ใช้ในทางปฏิบัติใช้โครงสร้างของแหล่งปั๊มสองแหล่งขึ้นไปโดยมีตัวแยกสัญญาณอยู่ตรงกลางเพื่อแยกกัน เพื่อให้ได้เส้นโค้งเกนที่กว้างขึ้นและแบนราบกว่า จึงได้เพิ่มฟิลเตอร์ปรับเกนให้แบนราบ
EDFA ประกอบด้วยส่วนหลัก 5 ส่วน ได้แก่ ไฟเบอร์ที่เจือด้วยเออร์เบียม (EDF), คัปเปลอร์ออปติคัล (WDM), ตัวแยกออปติคัล (ISO), ตัวกรองออปติคัล และแหล่งจ่ายปั๊ม แหล่งปั๊มที่ใช้กันทั่วไปได้แก่ 980 นาโนเมตรและ 1480 นาโนเมตร โดยแหล่งปั๊มทั้งสองนี้มีประสิทธิภาพในการปั๊มที่สูงกว่าและใช้งานมากขึ้น ค่าสัมประสิทธิ์สัญญาณรบกวนของแหล่งกำเนิดแสงปั๊ม 980 นาโนเมตรต่ำกว่า แหล่งกำเนิดแสงปั๊ม 1480 นาโนเมตรมีประสิทธิภาพในการปั๊มที่สูงกว่าและสามารถรับพลังงานเอาต์พุตที่มากขึ้นได้ (สูงกว่าแหล่งกำเนิดแสงปั๊ม 980 นาโนเมตรประมาณ 3 เดซิเบล)
ข้อได้เปรียบ
1. ความยาวคลื่นในการทำงานสอดคล้องกับหน้าต่างการลดทอนขั้นต่ำของไฟเบอร์โหมดเดียว
2. ประสิทธิภาพการเชื่อมต่อสูง เนื่องจากเป็นเครื่องขยายสัญญาณไฟเบอร์ จึงสามารถเชื่อมต่อกับไฟเบอร์ส่งสัญญาณได้ง่าย
3. ประสิทธิภาพการแปลงพลังงานสูง แกนของ EDF มีขนาดเล็กกว่าเส้นใยส่งสัญญาณ และแสงสัญญาณและแสงปั๊มถูกส่งพร้อมกันใน EDF ดังนั้นความจุแสงจึงเข้มข้นมาก ซึ่งทำให้ปฏิสัมพันธ์ระหว่างแสงและตัวกลางอัตราขยาย Erion เต็มมาก เมื่อรวมกับความยาวที่เหมาะสมของเส้นใยที่เจือด้วยเออร์เบียม จึงทำให้ประสิทธิภาพการแปลงพลังงานแสงสูง
4. ค่าเกนสูง ดัชนีสัญญาณรบกวนต่ำ กำลังขับสูง ครอสทอล์คระหว่างช่องสัญญาณต่ำ
5. ลักษณะอัตราขยายที่เสถียร: EDFA ไม่ไวต่ออุณหภูมิ และอัตราขยายมีความสัมพันธ์เพียงเล็กน้อยกับโพลาไรเซชัน
6. คุณสมบัติการขยายนั้นไม่ขึ้นอยู่กับอัตราบิตของระบบและรูปแบบข้อมูล
ข้อบกพร่อง
1. ผลที่ไม่เป็นเชิงเส้น: EDFA ขยายกำลังแสงโดยเพิ่มกำลังแสงที่ฉีดเข้าไปในไฟเบอร์ แต่ยิ่งมากก็ยิ่งดี เมื่อเพิ่มกำลังแสงจนถึงระดับหนึ่ง จะเกิดผลที่ไม่เป็นเชิงเส้นของไฟเบอร์ออปติก ดังนั้น เมื่อใช้เครื่องขยายสัญญาณไฟเบอร์ออปติก ควรใส่ใจกับค่าของการควบคุมกำลังแสงไฟเบอร์ออปติกขาเข้าช่องเดียว
2. ช่วงความยาวคลื่นเกนได้รับการแก้ไข: ช่วงความยาวคลื่นทำงานของ EDFA แบนด์ C คือ 1530nm~1561nm; ช่วงความยาวคลื่นทำงานของ EDFA แบนด์ L คือ 1565nm~1625nm
3. แบนด์วิดท์เกนที่ไม่สม่ำเสมอ: แบนด์วิดท์เกนของเครื่องขยายสัญญาณไฟเบอร์แบบ EDFA ที่ผสมเออร์เบียมนั้นกว้างมาก แต่สเปกตรัมเกนของ EDF เองนั้นไม่แบน ต้องใช้ฟิลเตอร์ปรับค่าเกนให้แบนเพื่อปรับค่าเกนในระบบ WDM ให้แบน
4. ปัญหาไฟกระชาก: เมื่อเส้นทางแสงเป็นปกติ ไอออนเออร์เบียมที่ถูกกระตุ้นโดยแสงปั๊มจะถูกพาไปด้วยแสงสัญญาณ ทำให้แสงสัญญาณขยายสมบูรณ์ หากแสงอินพุตถูกตัดทอน เนื่องจากไอออนเออร์เบียมที่ไม่เสถียรยังคงสะสมอยู่ เมื่อไฟสัญญาณอินพุตกลับมาเป็นปกติ พลังงานจะกระโดดขึ้น ส่งผลให้เกิดไฟกระชาก
5. วิธีแก้ปัญหาไฟกระชากคือการใช้ฟังก์ชันลดกำลังแสงอัตโนมัติ (APR) หรือปิดเครื่องแสงอัตโนมัติ (APSD) ใน EDFA กล่าวคือ EDFA จะลดกำลังแสงโดยอัตโนมัติหรือปิดเครื่องโดยอัตโนมัติเมื่อไม่มีแสงเข้า จึงป้องกันไม่ให้เกิดปรากฏการณ์ไฟกระชากได้
โหมดการใช้งาน
1. เครื่องขยายสัญญาณบูสเตอร์ใช้เพื่อเพิ่มกำลังของสัญญาณความยาวคลื่นหลายสัญญาณหลังจากคลื่นบูสเตอร์แล้วจึงส่งสัญญาณออกไป เนื่องจากกำลังของสัญญาณหลังจากคลื่นบูสเตอร์นั้นโดยทั่วไปจะมีขนาดใหญ่ ดัชนีสัญญาณรบกวนและอัตราขยายของเครื่องขยายเสียงจึงไม่สูงมากนัก มีกำลังส่งออกที่ค่อนข้างมาก
2. เครื่องขยายสัญญาณแบบไลน์ หรือเรียกอีกอย่างหนึ่งว่าเครื่องขยายสัญญาณกำลัง จะใช้เพื่อชดเชยการสูญเสียการส่งสัญญาณแบบไลน์เป็นระยะๆ โดยทั่วไปต้องใช้ดัชนีสัญญาณรบกวนที่ค่อนข้างน้อยและกำลังแสงเอาต์พุตออปติคอลขนาดใหญ่
3. ปรีแอมป์: ก่อนตัวแยกสัญญาณและหลังตัวขยายสัญญาณไลน์ ใช้เพื่อขยายสัญญาณและปรับปรุงความไวของตัวรับ (ในกรณีที่อัตราส่วนสัญญาณต่อสัญญาณรบกวนแบบออปติคัล (OSNR) ตรงตามข้อกำหนด กำลังไฟฟ้าเข้าที่มากขึ้นสามารถระงับสัญญาณรบกวนของตัวรับเองและปรับปรุงความไวในการรับได้) และดัชนีสัญญาณรบกวนมีขนาดเล็กมาก ไม่มีข้อกำหนดเกี่ยวกับกำลังไฟฟ้าออกที่มากเกินไป
เวลาโพสต์ : 17 มี.ค. 2568