หลักการและการประยุกต์ใช้เครื่องขยายสัญญาณไฟเบอร์แบบโด๊ปเออร์เบียม EDFA
โครงสร้างพื้นฐานของเอ็ดฟาเครื่องขยายสัญญาณไฟเบอร์แบบโด๊ปเออร์เบียม ซึ่งประกอบด้วยตัวกลางหลัก (ไฟเบอร์ควอตซ์โด๊ปยาวหลายสิบเมตร เส้นผ่านศูนย์กลางแกนกลาง 3-5 ไมครอน ความเข้มข้นของโด๊ป (25-1000)x10-6), แหล่งกำเนิดแสงแบบปั๊ม (LD 990 หรือ 1480 นาโนเมตร), ตัวเชื่อมต่อแสง และตัวแยกแสง แสงสัญญาณและแสงปั๊มสามารถแพร่กระจายไปในทิศทางเดียวกัน (co-pumping), ทิศทางตรงกันข้าม (reverse pumping), หรือทั้งสองทิศทาง (bidirectional pumping) ในไฟเบอร์เออร์เบียม เมื่อแสงสัญญาณและแสงปั๊มถูกฉีดเข้าไปในไฟเบอร์เออร์เบียมพร้อมกัน ไอออนเออร์เบียมจะถูกกระตุ้นไปยังระดับพลังงานสูง (ระบบสามระดับ) ภายใต้การทำงานของแสงปั๊ม และสลายตัวลงสู่ระดับเมตาเสถียรในไม่ช้า เมื่อกลับสู่สถานะพื้นภายใต้การทำงานของแสงสัญญาณตกกระทบ โฟตอนที่สอดคล้องกับแสงสัญญาณจะถูกปล่อยออกมา ทำให้สัญญาณถูกขยาย สเปกตรัมการปล่อยคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าแบบขยาย (ASE) มีแบนด์วิดท์ขนาดใหญ่ (สูงถึง 20-40 นาโนเมตร) และมีจุดสูงสุด 2 จุดคือ 1,530 นาโนเมตรและ 1,550 นาโนเมตร ตามลำดับ
ข้อดีหลักๆของเครื่องขยายเสียง EDFAมีค่าเกนสูง แบนด์วิดท์ขนาดใหญ่ กำลังเอาต์พุตสูง ประสิทธิภาพการสูบสูง การสูญเสียการแทรกต่ำ และไม่ไวต่อสถานะโพลาไรเซชัน
หลักการทำงานของเครื่องขยายสัญญาณไฟเบอร์ที่เจือด้วยเออร์เบียม
เครื่องขยายสัญญาณไฟเบอร์แบบโด๊ปเออร์เบียม（เครื่องขยายสัญญาณออปติคอล EDFA） ประกอบด้วยเส้นใยแก้วที่เจือด้วยเออร์เบียม (ความยาวประมาณ 10-30 เมตร) และแหล่งกำเนิดแสงแบบปั๊ม หลักการทำงานคือ เส้นใยแก้วที่เจือด้วยเออร์เบียมจะสร้างรังสีกระตุ้นภายใต้การทำงานของแหล่งกำเนิดแสงแบบปั๊ม (ความยาวคลื่น 980 นาโนเมตร หรือ 1480 นาโนเมตร) และแสงที่แผ่ออกมาจะเปลี่ยนแปลงไปตามการเปลี่ยนแปลงของสัญญาณแสงขาเข้า ซึ่งเทียบเท่ากับการขยายสัญญาณแสงขาเข้า ผลการทดลองแสดงให้เห็นว่าอัตราขยายของเครื่องขยายเสียงใยแก้วที่เจือด้วยเออร์เบียมโดยทั่วไปอยู่ที่ 15-40 เดซิเบล และสามารถเพิ่มระยะทางการถ่ายทอดสัญญาณได้มากกว่า 100 กิโลเมตร ดังนั้น ผู้คนจึงอดไม่ได้ที่จะตั้งคำถามว่า ทำไมนักวิทยาศาสตร์จึงคิดใช้เออร์เบียมเจือในเครื่องขยายเสียงใยแก้วเพื่อเพิ่มความเข้มของคลื่นแสง เรารู้ว่าเออร์เบียมเป็นธาตุหายาก และธาตุหายากก็มีลักษณะโครงสร้างพิเศษ การเจือธาตุหายากในอุปกรณ์ออปติคัลถูกนำมาใช้เป็นเวลานานเพื่อปรับปรุงประสิทธิภาพของอุปกรณ์ออปติคัล ดังนั้นนี่จึงไม่ใช่ปัจจัยบังเอิญ นอกจากนี้ เหตุใดจึงเลือกความยาวคลื่นของแหล่งกำเนิดแสงแบบปั๊มที่ 980 นาโนเมตรหรือ 1480 นาโนเมตร อันที่จริง ความยาวคลื่นของแหล่งกำเนิดแสงแบบปั๊มสามารถเป็น 520 นาโนเมตร, 650 นาโนเมตร, 980 นาโนเมตร และ 1480 นาโนเมตรได้ แต่ในทางปฏิบัติได้พิสูจน์แล้วว่าเลเซอร์ของแหล่งกำเนิดแสงแบบปั๊มที่มีความยาวคลื่น 1480 นาโนเมตรมีประสิทธิภาพสูงสุด รองลงมาคือความยาวคลื่นของแหล่งกำเนิดแสงแบบปั๊มที่มีความยาวคลื่น 980 นาโนเมตร
โครงสร้างทางกายภาพ
โครงสร้างพื้นฐานของเครื่องขยายสัญญาณใยแก้วนำแสงแบบโดปเออร์เบียม (EDFA Optical Amplifier) มีตัวแยกสัญญาณที่ปลายด้านขาเข้าและปลายด้านขาออก วัตถุประสงค์คือการส่งสัญญาณแสงแบบทางเดียว ตัวกระตุ้นปั๊มมีความยาวคลื่น 980 นาโนเมตร หรือ 1480 นาโนเมตร และใช้เป็นแหล่งพลังงาน หน้าที่ของตัวต่อคือการเชื่อมต่อสัญญาณแสงขาเข้าและแสงจากปั๊มเข้ากับใยแก้วนำแสงแบบโดปเออร์เบียม และถ่ายโอนพลังงานจากแสงจากปั๊มไปยังสัญญาณแสงขาเข้าผ่านการทำงานของใยแก้วนำแสงแบบโดปเออร์เบียม เพื่อให้สามารถขยายพลังงานของสัญญาณแสงขาเข้าได้ เพื่อให้ได้กำลังแสงขาออกที่สูงขึ้นและดัชนีสัญญาณรบกวนที่ต่ำลง เครื่องขยายสัญญาณใยแก้วนำแสงแบบโดปเออร์เบียมที่ใช้ในทางปฏิบัติจึงใช้โครงสร้างของแหล่งจ่ายสัญญาณตั้งแต่สองแหล่งขึ้นไป โดยมีตัวแยกสัญญาณอยู่ตรงกลางเพื่อแยกสัญญาณซึ่งกันและกัน เพื่อให้ได้เส้นโค้งอัตราขยายที่กว้างขึ้นและแบนราบมากขึ้น จึงได้เพิ่มตัวกรองปรับอัตราขยาย
EDFA ประกอบด้วยส่วนประกอบหลัก 5 ส่วน ได้แก่ เส้นใยเออร์เบียมเจือปน (EDF), ตัวเชื่อมต่อออปติคัล (WDM), ตัวแยกแสง (ISO), ตัวกรองแสง และแหล่งจ่ายพลังงานปั๊ม แหล่งจ่ายพลังงานปั๊มที่นิยมใช้กัน ได้แก่ 980 นาโนเมตรและ 1480 นาโนเมตร ซึ่งแหล่งจ่ายพลังงานปั๊มทั้งสองนี้มีประสิทธิภาพในการปั๊มสูงกว่าและถูกใช้งานมากกว่า ค่าสัมประสิทธิ์สัญญาณรบกวนของแหล่งกำเนิดแสงปั๊ม 980 นาโนเมตรต่ำกว่า แหล่งกำเนิดแสงปั๊ม 1480 นาโนเมตรมีประสิทธิภาพในการปั๊มสูงกว่าและสามารถรับพลังงานเอาต์พุตได้มากกว่า (สูงกว่าแหล่งกำเนิดแสงปั๊ม 980 นาโนเมตรประมาณ 3 เดซิเบล)
ข้อได้เปรียบ
1. ความยาวคลื่นในการทำงานสอดคล้องกับหน้าต่างการลดทอนขั้นต่ำของไฟเบอร์โหมดเดียว
2. ประสิทธิภาพการเชื่อมต่อสูง เนื่องจากเป็นเครื่องขยายสัญญาณไฟเบอร์ จึงสามารถเชื่อมต่อกับไฟเบอร์ส่งสัญญาณได้ง่าย
3. ประสิทธิภาพการแปลงพลังงานสูง แกนกลางของ EDF มีขนาดเล็กกว่าเส้นใยนำแสงส่ง และแสงสัญญาณและแสงปั๊มถูกส่งผ่านพร้อมกันใน EDF ทำให้ความจุแสงมีความเข้มข้นสูง ซึ่งทำให้ปฏิสัมพันธ์ระหว่างแสงและตัวกลางอัตราขยาย (Er) สมบูรณ์มาก ประกอบกับเส้นใยนำแสงที่โด๊ปด้วยเออร์เบียมที่มีความยาวเหมาะสม จึงทำให้ประสิทธิภาพการแปลงพลังงานแสงสูง
4. ค่าเกนสูง ดัชนีสัญญาณรบกวนต่ำ กำลังขับสูง ครอสทอล์คระหว่างช่องสัญญาณต่ำ
5. ลักษณะอัตราขยายที่เสถียร: EDFA ไม่ไวต่ออุณหภูมิ และอัตราขยายมีความสัมพันธ์เพียงเล็กน้อยกับโพลาไรเซชัน
6. คุณสมบัติการเพิ่มค่าไม่ขึ้นอยู่กับอัตราบิตของระบบและรูปแบบข้อมูล
ข้อบกพร่อง
1. ผลกระทบแบบไม่เชิงเส้น: EDFA ขยายกำลังแสงโดยการเพิ่มกำลังแสงที่ส่งผ่านเส้นใยแก้วนำแสง แต่ยิ่งมากยิ่งดี เมื่อเพิ่มกำลังแสงในระดับหนึ่ง จะทำให้เกิดผลกระทบแบบไม่เชิงเส้นของเส้นใยแก้วนำแสง ดังนั้น เมื่อใช้เครื่องขยายสัญญาณใยแก้วนำแสง ควรคำนึงถึงค่าของการควบคุมกำลังแสงขาเข้าของเส้นใยแก้วนำแสงแบบช่องสัญญาณเดียว
2. ช่วงความยาวคลื่นเกนได้รับการแก้ไข: ช่วงความยาวคลื่นการทำงานของ EDFA แบนด์ C คือ 1530nm~1561nm; ช่วงความยาวคลื่นการทำงานของ EDFA แบนด์ L คือ 1565nm~1625nm
3. แบนด์วิดท์เกนที่ไม่สม่ำเสมอ: แบนด์วิดท์เกนของแอมพลิฟายเออร์ไฟเบอร์แบบ EDFA ที่เจือด้วยเออร์เบียมนั้นกว้างมาก แต่สเปกตรัมเกนของ EDF เองกลับไม่แบนราบ จำเป็นต้องใช้ฟิลเตอร์ปรับค่าเกนให้แบนราบเพื่อปรับค่าเกนในระบบ WDM ให้แบนราบ
4. ปัญหาไฟกระชาก: เมื่อเส้นทางแสงเป็นปกติ ไอออนเออร์เบียมที่ถูกกระตุ้นโดยแสงปั๊มจะถูกไฟสัญญาณพาออกไป ทำให้ไฟสัญญาณขยายสัญญาณจนสมบูรณ์ หากแสงขาเข้าถูกตัดทอน เนื่องจากไอออนเออร์เบียมที่ไม่เสถียรยังคงสะสมอยู่ เมื่อไฟสัญญาณขาเข้ากลับมา พลังงานจะเพิ่มขึ้น ส่งผลให้เกิดไฟกระชาก
5. วิธีแก้ปัญหาไฟกระชากทางแสง คือ การใช้ฟังก์ชันลดพลังงานแสงอัตโนมัติ (APR) หรือปิดพลังงานแสงอัตโนมัติ (APSD) ใน EDFA กล่าวคือ EDFA จะลดพลังงานโดยอัตโนมัติหรือปิดพลังงานโดยอัตโนมัติเมื่อไม่มีแสงเข้า จึงป้องกันไม่ให้เกิดปรากฏการณ์ไฟกระชากได้
โหมดการใช้งาน
1. เครื่องขยายเสียงบูสเตอร์ใช้เพื่อเพิ่มกำลังของสัญญาณความยาวคลื่นหลายสัญญาณหลังจากคลื่นบูสเตอร์ แล้วจึงส่งสัญญาณออกไป เนื่องจากกำลังของสัญญาณหลังจากคลื่นบูสเตอร์โดยทั่วไปจะมีขนาดใหญ่ ดัชนีสัญญาณรบกวนและอัตราขยายของเครื่องขยายเสียงจึงไม่สูงนัก มีกำลังส่งออกค่อนข้างสูง
2. เครื่องขยายสัญญาณแบบไลน์ หรือเรียกอีกอย่างว่าเครื่องขยายสัญญาณกำลัง จะใช้เพื่อชดเชยการสูญเสียการส่งสัญญาณแบบไลน์เป็นระยะๆ โดยทั่วไปต้องใช้ดัชนีสัญญาณรบกวนที่ค่อนข้างน้อยและกำลังแสงเอาต์พุตขนาดใหญ่
3. พรีแอมป์: ใช้เพื่อขยายสัญญาณก่อนตัวแยกสัญญาณและหลังตัวขยายสัญญาณไลน์ เพื่อเพิ่มความไวของตัวรับสัญญาณ (ในกรณีที่อัตราส่วนสัญญาณต่อสัญญาณรบกวนออปติคัล (OSNR) ตรงตามข้อกำหนด กำลังไฟฟ้าเข้าที่มากขึ้นจะช่วยลดสัญญาณรบกวนของตัวรับสัญญาณเองและเพิ่มความไวในการรับสัญญาณ) และดัชนีสัญญาณรบกวนก็ต่ำมาก ไม่จำเป็นต้องใช้กำลังไฟฟ้าออกมากนัก
เวลาโพสต์: 17 มี.ค. 2568