안광 증폭기약한 광신호를 직접 증폭할 수 있는 장치입니다. 유도 방출이나 유도 산란의 원리를 바탕으로 약한 입사광을 증폭시키며, 그 메커니즘은 레이저와 완전히 동일합니다. 실제로 구조적으로 광 증폭기는 피드백이 거의 또는 전혀 없는 레이저입니다. 광 이득은 광 매체가 펌프 전류 또는 펌프 광의 작용으로 밀도 반전을 경험하여 광 증폭을 실현할 때 달성됩니다. 이 섹션에서는 일반적으로 사용되는 유형의 광 증폭기를 소개하고 에르븀{4}} 도핑된 광섬유 증폭기의 원리와 응용에 중점을 둡니다.
광 증폭기의 분류
광 증폭기는 작동 원리에 따라 크게 세 가지 유형으로 분류됩니다.
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이러한 유형의 광 증폭기는 작동 원리와 여기 방법이 다릅니다.
안정기 광섬유 증폭기의 작동 원리
EDFA 구조
EDFA(에르븀- 도핑 광섬유 증폭기)는 에르븀- 도핑 광섬유를 이득 매질로 사용하여 레이저 다이오드에서 방출되는 펌프광을 이용하여 신호광을 증폭하는 장치입니다. 에르븀- 도핑된 광섬유 증폭기의 구조가 그림에 나와 있습니다.
멀티플렉서라고도 알려진 파장 분할 멀티플렉서는 펌프광과 980/1550nm 또는 1480/1550nm 파장의 신호광을 결합한 후 이를 에르븀- 도핑된 광섬유에 공급합니다. 낮은 삽입 손실과 빛의 편광에 대한 둔감성이 필요합니다.
광 아이솔레이터는 단방향 광 전송을 보장하여 빛이 원래 장치로 다시 반사되는 것을 방지합니다. 이러한 반사는 증폭기 잡음을 증가시키고 증폭 효율을 감소시킵니다.
광 필터의 기능은 광 증폭기의 작동 대역폭 외부에 있는 잡음을 필터링하여 시스템의 신호{0}}대-잡음 비율을 향상시키는 것입니다.
에르븀- 도핑된 광섬유는 EDFA(Electrium{1}}Doped Amplifier)의 핵심 구성 요소입니다. 이는 실리카 섬유를 매트릭스로 사용하고 고체- 레이저 작업 재료인 에르븀 이온으로 코어를 도핑합니다. 수 미터에서 수십 미터의 에르븀- 도핑된 섬유 내에서 빛은 물질과 상호 작용하여 증폭되고 강화됩니다.
에르븀- 도핑된 광섬유의 모드 필드 직경(MFD)은 3~6μm로 기존 광섬유(9~16μm)보다 훨씬 작습니다. 이는 신호광과 펌프광의 에너지 밀도를 높여 상호작용 효율을 높이기 위함이다. 그러나 에르븀- 도핑된 광섬유의 감소된 코어 직경은 기존 광섬유와의 모드 필드 불일치로 이어져 반사 및 연결 손실이 더 커집니다. 해결책은 광섬유에 소량의 불소를 도핑하여 굴절률을 낮추고 모드 필드 직경을 늘려 기존 광섬유와 일치하는 수준을 달성하는 것입니다. 또한 융합 접합 중에 전이 광섬유를 사용하거나 기존 광섬유 커넥터를 늘려 코어 직경을 줄임으로써 모드 필드 직경 불일치를 줄일 수 있습니다.
보다 효율적인 증폭을 달성하기 위해 에르븀- 첨가 섬유를 제조하는 동안 대부분의 이온은 섬유 코어의 중앙 영역에 집중됩니다. 이는 광섬유에서 신호 및 펌프 광의 조명 필드가 광섬유 코어 축을 따라 가장 강한 광 강도를 갖는 대략 가우스 분포로 간주될 수 있기 때문입니다. 근축 영역에 몰리브덴 이온이 존재하면 빛과 물질 사이의 상호 작용이 더 커져 에너지 변환 효율이 향상됩니다. EDFA(에르븀{4}} 도핑된 섬유 증폭기)의 적용에 따라 다양한 유형의 에르븀- 도핑된 섬유를 EDFA 설계에 사용할 수 있습니다. 예를 들어 EDF-PAX-01 유형은 회로 내 증폭기 및 전치 증폭기 설계에 사용되며 평탄하고 넓은 이득 대역폭을 나타냅니다. EDF-LAX-01 유형은 회로 내 증폭기에 사용할 수 있어 높은 전력 변환 효율과 낮은 잡음을 제공합니다. EDF-BAX-01 유형은 높은 출력 전력 등을 제공합니다.
에르븀-도핑 섬유의 기본 매개변수
| 매개변수 | EDF-PAX-01 | EDF-LAX-01 | EDF-BAX-01 | EDF-HCX-01 |
|---|---|---|---|---|
| 조리개(NA) | 0.24 ± 0.02 | 0.24 ± 0.02 | 0.22 ± 0.02 | 0.24 ± 0.02 |
| 차단-파장(nm) | 953 ± 35 | 953 ± 35 | 920 ± 40 | 920 ± 40 |
| 피크 코어 흡수 @ 1530nm(dB/m) | 1529.5 이하 | 1530.5 ± 0.5 | 1531 ± 0.5 | 1530 ± 1 |
| 피크 감쇠 @ 980nm(dB/m) | 7 ± 2 | 7 ± 2 | 5 ± 2 | 8.5 ± 2 |
| 감쇠 @ 980nm(dB/m) | 5 ± 1.5 | 5 ± 1.5 | 3.55 ± 1.5 | 8.5 ± 2 |
| 배경 손실 @ 1200nm(dB/km) | < 35 | < 15 | < 15 | < 15 |
| 포화 전력 @ 1530nm(mW) | 0.17 | 0.15 | 0.18 | 0.20 |
| 모드 필드 직경 @ 1550nm(μm) | 4.8 ~ 5.9 | 4.8 ~ 5.9 | 5.2 ~ 6.6 | 4.8 ~ 6 |
펌프 소스는 EDFA(Electro{0}}Doped Fiber Optic Amplifier)의 또 다른 핵심 구성요소입니다. 이는 활성화제 입자의 밀도 반전을 달성하는 데 필요한 조건인 광 신호 증폭을 위한 충분한 에너지를 제공합니다. EDFA의 성능은 펌프 소스에 의해 직접적으로 결정되기 때문에 높은 출력, 우수한 안정성, 긴 수명이 요구됩니다. 실용적인 EDFA 펌프 소스는 모두 레이저 다이오드이며 펌프 파장은 980nm 및 1480nm입니다. 980nm 펌프 소스는 낮은 소음, 높은 펌프 효율 및 최대 수백 밀리와트의 전력이라는 장점으로 인해 더 일반적으로 사용됩니다.
펌프 빛과 신호는 동시에 광섬유에 들어갑니다. 펌프 광은 에르븀- 도핑된 섬유 입구에서 가장 강합니다. 광섬유를 따라 전파되면서 점차 신호광에 에너지를 전달하여 신호 강도를 높이고 자체 강도는 점차 감소합니다.
다양한 펌핑 방법에 따른 출력 전력 및 잡음 특성은 다음 그림에서 비교됩니다. 그림 a는 출력 광 신호 전력과 펌프 광 전력 사이의 관계를 보여줍니다. 세 가지 펌핑 방법의 차등 변환 효율은 각각 61%, 76%, 77%입니다. 그림 b는 잡음 지수와 증폭기의 출력 광전력 사이의 관계를 보여줍니다. 출력 광전력이 증가할수록 입자 반전 수가 감소하여 노이즈 지수가 증가합니다. 그림 c는 잡음 지수와 에르븀- 도핑된 섬유의 길이 사이의 관계를 보여줍니다. 그림에서 볼 수 있듯이 에르븀- 도핑된 광섬유의 길이에 관계없이 양방향 펌핑 방식을 적용한 EDFA의 잡음이 가장 낮습니다.
