◆Karakteristik dan aplikasi amplifier-doped serat
Sebuahpenguat optikadalah perangkat yang dapat secara langsung memperkuat sinyal optik yang lemah. Ini memperkuat cahaya datang lemah berdasarkan prinsip emisi terstimulasi atau hamburan terstimulasi, dan mekanismenya persis sama dengan laser. Faktanya, secara struktural, penguat optik adalah laser dengan sedikit atau tanpa umpan balik. Penguatan optik dicapai ketika media optik mengalami inversi populasi di bawah pengaruh arus pompa atau cahaya pompa, sehingga mewujudkan amplifikasi optik. Bagian ini memperkenalkan jenis penguat optik yang umum digunakan dan berfokus pada prinsip dan aplikasi penguat serat yang didoping erbium-.
Klasifikasi amplifier optik
Penguat optik secara garis besar dapat diklasifikasikan menjadi tiga jenis berdasarkan prinsip operasinya
1
2
3
Jenis penguat optik ini berbeda dalam prinsip operasi dan metode eksitasinya.
Prinsip kerja penguat serat pemberat
Struktur EDFA
Penguat serat yang didoping erbium-(EDFA) adalah perangkat yang menggunakan serat yang didoping erbium-sebagai media penguatan untuk memperkuat cahaya sinyal menggunakan cahaya pompa yang dipancarkan dari dioda laser. Struktur penguat serat yang didoping erbium-ditunjukkan pada gambar.
Multiplexer pembagian panjang gelombang, juga dikenal sebagai multiplexer, menggabungkan cahaya pompa dan cahaya sinyal dengan panjang gelombang 980/1550nm atau 1480/1550nm sebelum memasukkannya ke dalam serat yang didoping erbium-. Hal ini membutuhkan insertion loss yang rendah dan ketidakpekaan terhadap polarisasi cahaya.
Isolator optik memastikan transmisi cahaya searah, mencegah pantulan cahaya kembali ke perangkat aslinya, karena pantulan tersebut meningkatkan kebisingan amplifier dan mengurangi efisiensi amplifikasi.
Fungsi filter optik adalah menyaring kebisingan di luar bandwidth pengoperasian penguat optik, sehingga meningkatkan rasio sinyal-terhadap-noise sistem.
Serat yang didoping Erbium-adalah komponen inti dari EDFA (Electrium-Doped Amplifier). Ia menggunakan serat silika sebagai matriks dan melapisi inti dengan ion erbium, bahan kerja laser keadaan-padat. Dalam jarak beberapa meter hingga puluhan meter serat doping erbium-, cahaya berinteraksi dengan materi dan diperkuat serta ditingkatkan.
Diameter medan mode (MFD) serat doping erbium-adalah 3–6 μm, jauh lebih kecil dibandingkan serat konvensional (9–16 μm). Hal ini untuk meningkatkan kepadatan energi lampu sinyal dan lampu pompa, sehingga meningkatkan efisiensi interaksinya. Namun, berkurangnya diameter inti serat yang didoping erbium-juga menyebabkan ketidakcocokan medan mode dengan serat konvensional, sehingga mengakibatkan refleksi dan kehilangan koneksi yang lebih besar. Solusinya adalah dengan menambahkan sedikit fluor pada serat untuk menurunkan indeks bias, sehingga meningkatkan diameter bidang mode untuk mencapai tingkat kecocokan dengan serat konvensional. Selain itu, selama penyambungan fusi, ketidaksesuaian diameter bidang mode dapat dikurangi dengan menggunakan serat transisi atau memperpanjang konektor serat konvensional untuk mengurangi diameter inti.
Untuk mencapai amplifikasi yang lebih efisien, selama pembuatan serat yang didoping erbium-, sebagian besar ion terkonsentrasi di wilayah tengah inti serat. Hal ini karena, dalam serat optik, bidang cahaya sinyal dan cahaya pompa dapat dianggap terdistribusi mendekati Gaussian, dengan intensitas cahaya terkuat di sepanjang sumbu inti serat. Kehadiran ion molibdenum di wilayah paraksial memungkinkan interaksi yang lebih besar antara cahaya dan materi, sehingga meningkatkan efisiensi konversi energi. Bergantung pada penerapan penguat serat erbium-doped (EDFA), berbagai jenis serat doped erbium-tersedia untuk desain EDFA. Misalnya, tipe EDF-PAX-01 digunakan untuk mendesain amplifier dan preamplifier dalam sirkuit, yang menunjukkan bandwidth gain yang datar dan lebar; tipe EDF-LAX-01 dapat digunakan pada amplifier dalam sirkuit, menawarkan efisiensi konversi daya tinggi dan kebisingan rendah; dan tipe EDF-BAX-01 memberikan daya output tinggi, dll.
Parameter Dasar Erbium-Serat Doping
| Parameter | EDF-PAX-01 | EDF-LAX-01 | EDF-BAX-01 | EDF-HCX-01 |
|---|---|---|---|---|
| Bukaan Numerik (NA) | 0.24 ± 0.02 | 0.24 ± 0.02 | 0.22 ± 0.02 | 0.24 ± 0.02 |
| Potong-Panjang Gelombang (nm) | 953 ± 35 | 953 ± 35 | 920 ± 40 | 920 ± 40 |
| Penyerapan Inti Puncak @ 1530 nm (dB/m) | Kurang dari atau sama dengan 1529,5 | 1530.5 ± 0.5 | 1531 ± 0.5 | 1530 ± 1 |
| Atenuasi Puncak @ 980 nm (dB/m) | 7 ± 2 | 7 ± 2 | 5 ± 2 | 8.5 ± 2 |
| Atenuasi @ 980 nm (dB/m) | 5 ± 1.5 | 5 ± 1.5 | 3.55 ± 1.5 | 8.5 ± 2 |
| Kehilangan Latar Belakang @ 1200 nm (dB/km) | < 35 | < 15 | < 15 | < 15 |
| Daya Jenuh @ 1530 nm (mW) | 0.17 | 0.15 | 0.18 | 0.20 |
| Mode Diameter Bidang @ 1550 nm (μm) | 4.8 ~ 5.9 | 4.8 ~ 5.9 | 5.2 ~ 6.6 | 4.8 ~ 6 |
Sumber pompa adalah komponen inti lain dari EDFA (Electro-Doped Fiber Optic Amplifier). Ini memberikan energi yang cukup untuk penguatan sinyal optik, suatu kondisi yang diperlukan untuk mencapai inversi populasi partikel aktivator. Karena sumber pompa secara langsung menentukan kinerja EDFA, maka diperlukan daya keluaran yang tinggi, stabilitas yang baik, dan umur yang panjang. Sumber pompa EDFA praktis semuanya adalah dioda laser, dengan panjang gelombang pompa 980nm dan 1480nm. Sumber pompa 980nm lebih umum digunakan karena keunggulannya berupa kebisingan yang rendah, efisiensi pompa yang tinggi, dan daya hingga beberapa ratus miliwatt.
Lampu dan sinyal pompa memasuki serat optik secara bersamaan. Lampu pompa paling kuat di saluran masuk serat yang didoping erbium-. Saat ia merambat di sepanjang serat, ia secara bertahap mentransfer energi ke cahaya sinyal, meningkatkan kekuatan sinyal sementara kekuatannya sendiri secara bertahap menurun.
Karakteristik daya keluaran dan kebisingan pada metode pemompaan yang berbeda dibandingkan pada gambar berikut. Gambar a menunjukkan hubungan antara daya sinyal optik keluaran dan daya optik pompa; efisiensi konversi diferensial dari ketiga metode pemompaan masing-masing adalah 61%, 76%, dan 77%. Gambar b menunjukkan hubungan antara noise figure dan daya optik keluaran amplifier. Ketika daya optik keluaran meningkat, bilangan inversi partikel menurun, yang mengakibatkan peningkatan angka kebisingan. Gambar c menunjukkan hubungan antara noise figure dan panjang serat yang didoping erbium-. Seperti dapat dilihat dari gambar, berapa pun panjang serat yang diolah erbium-, EDFA dengan metode pemompaan ko{10}}arah memiliki kebisingan yang paling rendah.
