หลักการและการประยุกต์ใช้ของEDFA (เครื่องขยายสัญญาณไฟเบอร์ที่เจือด้วยเออร์เบียม)
โครงสร้างพื้นฐานของอีดีเอฟเอเครื่องขยายสัญญาณใยแก้วเจือเออร์เบียม ประกอบด้วยตัวกลางแอคทีฟ (ใยแก้วควอตซ์เจือสารยาวหลายสิบเมตร เส้นผ่านศูนย์กลางแกน 3-5 ไมครอน ความเข้มข้นของการเจือสาร (25-1000)x10-6) แหล่งกำเนิดแสงปั๊ม (LD 990 หรือ 1480 นาโนเมตร) ตัวเชื่อมต่อแสง และตัวแยกแสง แสงสัญญาณและแสงปั๊มสามารถแพร่กระจายไปในทิศทางเดียวกัน (การปั๊มร่วม) ทิศทางตรงกันข้าม (การปั๊มย้อนกลับ) หรือทั้งสองทิศทาง (การปั๊มแบบสองทิศทาง) ในใยแก้วเออร์เบียม เมื่อแสงสัญญาณและแสงปั๊มถูกฉีดเข้าไปในใยแก้วเออร์เบียมพร้อมกัน ไอออนเออร์เบียมจะถูกกระตุ้นไปยังระดับพลังงานสูง (ระบบสามระดับ) ภายใต้การกระทำของแสงปั๊ม และจะสลายตัวไปยังระดับกึ่งเสถียรในไม่ช้า เมื่อมันกลับสู่สถานะพื้นฐานภายใต้การกระทำของแสงสัญญาณที่ตกกระทบ โฟตอนที่สอดคล้องกับแสงสัญญาณจะถูกปล่อยออกมา ทำให้สัญญาณถูกขยาย สเปกตรัมการปล่อยแสงแบบสุ่มที่ถูกขยาย (ASE) มีแบนด์วิดท์กว้าง (สูงสุด 20-40 นาโนเมตร) และมีจุดสูงสุดสองจุดที่สอดคล้องกับ 1530 นาโนเมตรและ 1550 นาโนเมตร ตามลำดับ
ข้อดีหลักของเครื่องขยายเสียง EDFAมีคุณสมบัติเด่นคือ อัตราขยายสูง แบนด์วิดท์กว้าง กำลังเอาต์พุตสูง ประสิทธิภาพการปั๊มสูง การสูญเสียการแทรกต่ำ และไม่ไวต่อสถานะโพลาไรเซชัน
หลักการทำงานของเครื่องขยายสัญญาณใยแก้วนำแสงที่เจือด้วยเออร์เบียม
เครื่องขยายสัญญาณไฟเบอร์ที่เจือด้วยเออร์เบียม (เครื่องขยายสัญญาณแสง EDFAอุปกรณ์ขยายสัญญาณใยแก้วนำแสง (Erbium-doped fiber amplifier) ประกอบด้วยเส้นใยนำแสงที่เจือด้วยเออร์เบียม (ยาวประมาณ 10-30 เมตร) และแหล่งกำเนิดแสงกระตุ้น หลักการทำงานคือ เส้นใยนำแสงที่เจือด้วยเออร์เบียมจะสร้างรังสีแบบกระตุ้นภายใต้การทำงานของแหล่งกำเนิดแสงกระตุ้น (ความยาวคลื่น 980 นาโนเมตร หรือ 1480 นาโนเมตร) และแสงที่แผ่รังสีจะเปลี่ยนแปลงไปตามการเปลี่ยนแปลงของสัญญาณแสงขาเข้า ซึ่งเทียบเท่ากับการขยายสัญญาณแสงขาเข้า ผลการทดสอบแสดงให้เห็นว่า อัตราขยายของอุปกรณ์ขยายสัญญาณใยแก้วนำแสงที่เจือด้วยเออร์เบียมโดยทั่วไปอยู่ที่ 15-40 เดซิเบล และระยะการส่งสัญญาณสามารถเพิ่มขึ้นได้มากกว่า 100 กิโลเมตร ดังนั้นจึงเกิดคำถามขึ้นว่า ทำไมนักวิทยาศาสตร์จึงคิดค้นการใช้เออร์เบียมเจือปนในอุปกรณ์ขยายสัญญาณใยแก้วนำแสงเพื่อเพิ่มความเข้มของคลื่นแสง? เรารู้ว่าเออร์เบียมเป็นธาตุหายาก และธาตุหายากมีลักษณะโครงสร้างพิเศษ การเจือปนธาตุหายากในอุปกรณ์ทางแสงถูกนำมาใช้เป็นเวลานานเพื่อปรับปรุงประสิทธิภาพของอุปกรณ์ทางแสง ดังนั้นนี่จึงไม่ใช่เรื่องบังเอิญ นอกจากนี้ เหตุใดจึงเลือกความยาวคลื่นของแหล่งกำเนิดแสงปั๊มที่ 980 นาโนเมตร หรือ 1480 นาโนเมตร? ในความเป็นจริง ความยาวคลื่นของแหล่งกำเนิดแสงปั๊มสามารถเป็น 520 นาโนเมตร, 650 นาโนเมตร, 980 นาโนเมตร และ 1480 นาโนเมตรได้ แต่จากการทดลองพบว่าแหล่งกำเนิดแสงปั๊มที่มีความยาวคลื่น 1480 นาโนเมตรให้ประสิทธิภาพของเลเซอร์สูงสุด รองลงมาคือแหล่งกำเนิดแสงปั๊มที่มีความยาวคลื่น 980 นาโนเมตร
โครงสร้างทางกายภาพ
โครงสร้างพื้นฐานของเครื่องขยายสัญญาณแสงแบบใช้ใยแก้วเจือเออร์เบียม (EDFA Optical Amplifier) ประกอบด้วยตัวแยกสัญญาณที่ปลายด้านอินพุตและด้านเอาต์พุต เพื่อให้สัญญาณแสงส่งผ่านทางเดียว แหล่งกำเนิดแสงปั๊มมีความยาวคลื่น 980 นาโนเมตร หรือ 1480 นาโนเมตร ใช้สำหรับให้พลังงาน ตัวเชื่อมต่อทำหน้าที่เชื่อมต่อสัญญาณแสงอินพุตและแสงปั๊มเข้าไปในใยแก้วเจือเออร์เบียม และถ่ายโอนพลังงานจากแสงปั๊มไปยังสัญญาณแสงอินพุตผ่านการทำงานของใยแก้วเจือเออร์เบียม เพื่อให้เกิดการขยายพลังงานของสัญญาณแสงอินพุต เพื่อให้ได้กำลังแสงเอาต์พุตที่สูงขึ้นและดัชนีสัญญาณรบกวนที่ต่ำลง เครื่องขยายสัญญาณแสงแบบใช้ใยแก้วเจือเออร์เบียมที่ใช้ในทางปฏิบัติจึงใช้โครงสร้างที่มีแหล่งกำเนิดแสงปั๊มสองแหล่งขึ้นไป โดยมีตัวแยกสัญญาณอยู่ตรงกลางเพื่อแยกสัญญาณออกจากกัน เพื่อให้ได้เส้นโค้งการขยายที่กว้างและราบเรียบยิ่งขึ้น จึงมีการเพิ่มตัวกรองปรับความเรียบของการขยายเข้าไป
EDFA ประกอบด้วยส่วนประกอบหลัก 5 ส่วน ได้แก่ เส้นใยนำแสงที่เจือด้วยเออร์เบียม (EDF), ตัวเชื่อมต่อแสง (WDM), ตัวแยกแสง (ISO), ตัวกรองแสง และแหล่งจ่ายแสงปั๊ม แหล่งกำเนิดแสงปั๊มที่ใช้กันทั่วไป ได้แก่ 980 นาโนเมตร และ 1480 นาโนเมตร ซึ่งแหล่งกำเนิดแสงทั้งสองนี้มีประสิทธิภาพการปั๊มสูงกว่าและนิยมใช้มากกว่า แหล่งกำเนิดแสงปั๊ม 980 นาโนเมตรมีค่าสัมประสิทธิ์สัญญาณรบกวนต่ำกว่า ในขณะที่แหล่งกำเนิดแสงปั๊ม 1480 นาโนเมตรมีประสิทธิภาพการปั๊มสูงกว่าและสามารถให้กำลังเอาต์พุตที่มากกว่า (สูงกว่าแหล่งกำเนิดแสงปั๊ม 980 นาโนเมตรประมาณ 3 dB)
ข้อได้เปรียบ
1. ความยาวคลื่นในการทำงานสอดคล้องกับช่วงการลดทอนต่ำสุดของใยแก้วนำแสงแบบโหมดเดียว
2. ประสิทธิภาพการเชื่อมต่อสูง เนื่องจากเป็นเครื่องขยายสัญญาณแบบไฟเบอร์ จึงเชื่อมต่อกับสายส่งสัญญาณได้ง่าย
3. ประสิทธิภาพการแปลงพลังงานสูง แกนกลางของ EDF มีขนาดเล็กกว่าเส้นใยนำแสงทั่วไป และแสงสัญญาณและแสงกระตุ้นจะถูกส่งผ่านพร้อมกันใน EDF ทำให้ความหนาแน่นของแสงสูงมาก ส่งผลให้การปฏิสัมพันธ์ระหว่างแสงและตัวกลางขยายสัญญาณไอออนเออร์เบียมมีประสิทธิภาพสูงสุด ประกอบกับความยาวของเส้นใยที่เจือด้วยเออร์เบียมที่เหมาะสม ทำให้ประสิทธิภาพการแปลงพลังงานแสงสูง
4. อัตราขยายสูง ดัชนีสัญญาณรบกวนต่ำ กำลังขับสูง การรบกวนระหว่างช่องสัญญาณต่ำ
5. คุณลักษณะการขยายสัญญาณที่เสถียร: EDFA ไม่ไวต่ออุณหภูมิ และการขยายสัญญาณมีความสัมพันธ์กับโพลาไรเซชันน้อยมาก
6. คุณสมบัติการขยายสัญญาณนั้นไม่ขึ้นอยู่กับอัตราการส่งข้อมูลและรูปแบบข้อมูลของระบบ
ข้อบกพร่อง
1. ผลกระทบแบบไม่เชิงเส้น: EDFA ขยายกำลังแสงโดยการเพิ่มกำลังแสงที่ป้อนเข้าไปในใยแก้วนำแสง แต่ยิ่งมากยิ่งดี เมื่อกำลังแสงเพิ่มขึ้นถึงระดับหนึ่ง จะเกิดผลกระทบแบบไม่เชิงเส้นของใยแก้วนำแสงขึ้น ดังนั้น เมื่อใช้เครื่องขยายสัญญาณใยแก้วนำแสง ควรให้ความสำคัญกับการควบคุมค่ากำลังแสงขาเข้าของใยแก้วนำแสงแต่ละช่องสัญญาณ
2. ช่วงความยาวคลื่นการขยายสัญญาณถูกกำหนดไว้ตายตัว: ช่วงความยาวคลื่นการทำงานของ EDFA ย่าน C คือ 1530 นาโนเมตร ถึง 1561 นาโนเมตร; ช่วงความยาวคลื่นการทำงานของ EDFA ย่าน L คือ 1565 นาโนเมตร ถึง 1625 นาโนเมตร
3. แบนด์วิดท์การขยายสัญญาณไม่สม่ำเสมอ: แบนด์วิดท์การขยายสัญญาณของ EDFA (เครื่องขยายสัญญาณใยแก้วเจือเออร์เบียม) นั้นกว้างมาก แต่สเปกตรัมการขยายสัญญาณของ EDF เองนั้นไม่ราบเรียบ จึงต้องใช้ตัวกรองปรับความราบเรียบของการขยายสัญญาณเพื่อปรับความราบเรียบของการขยายสัญญาณในระบบ WDM
4. ปัญหาแสงกระชาก: เมื่อเส้นทางของแสงเป็นปกติ ไอออนเออร์เบียมที่ถูกกระตุ้นด้วยแสงปั๊มจะถูกพาไปโดยแสงสัญญาณ ทำให้การขยายสัญญาณเสร็จสมบูรณ์ หากแสงอินพุตถูกตัดทอน เนื่องจากไอออนเออร์เบียมในสถานะกึ่งเสถียรยังคงสะสมต่อไป เมื่อแสงสัญญาณอินพุตกลับคืนมา พลังงานจะกระโดด ทำให้เกิดแสงกระชาก
5. วิธีแก้ปัญหาเรื่องไฟกระชากทางแสง คือ การทำให้ EDFA มีฟังก์ชันลดกำลังแสงอัตโนมัติ (APR) หรือปิดกำลังแสงอัตโนมัติ (APSD) กล่าวคือ EDFA จะลดกำลังแสงหรือปิดกำลังแสงโดยอัตโนมัติเมื่อไม่มีแสงป้อนเข้ามา ซึ่งจะช่วยยับยั้งการเกิดปรากฏการณ์ไฟกระชากได้
โหมดแอปพลิเคชัน
1. เครื่องขยายสัญญาณแบบบูสเตอร์ใช้สำหรับเพิ่มกำลังของสัญญาณหลายความยาวคลื่นหลังจากคลื่นบูสเตอร์แล้วจึงส่งสัญญาณออกไป เนื่องจากกำลังของสัญญาณหลังจากคลื่นบูสเตอร์โดยทั่วไปมีขนาดใหญ่ ดัชนีเสียงรบกวนและอัตราขยายของเครื่องขยายกำลังจึงไม่สูงมากนัก ทำให้มีกำลังส่งออกค่อนข้างมาก
2. วงจรขยายสัญญาณสาย (Line-amplifier) ซึ่งต่อจากวงจรขยายกำลัง (Power Amplifier) ใช้เพื่อชดเชยการสูญเสียสัญญาณในสายส่งเป็นระยะ โดยทั่วไปแล้วจะต้องมีค่าดัชนีสัญญาณรบกวนค่อนข้างต่ำและมีกำลังแสงเอาต์พุตสูง
3. พรีแอมพลิฟายเออร์: อยู่ก่อนตัวแยกสัญญาณและหลังตัวขยายสัญญาณแบบไลน์แอมพลิฟายเออร์ ใช้เพื่อขยายสัญญาณและเพิ่มความไวในการรับสัญญาณ (ในกรณีที่อัตราส่วนสัญญาณต่อสัญญาณรบกวนทางแสง (OSNR) เป็นไปตามข้อกำหนด กำลังไฟฟ้าขาเข้าที่มากขึ้นสามารถลดสัญญาณรบกวนของตัวรับสัญญาณเองและเพิ่มความไวในการรับสัญญาณได้) และดัชนีสัญญาณรบกวนมีค่าต่ำมาก จึงไม่จำเป็นต้องมีกำลังไฟฟ้าขาออกสูงมากนัก
วันที่โพสต์: 17 มีนาคม 2025