ईडीएफए एर्बियम-डॉप्ड फाइबर एम्पलीफायर का सिद्धांत और अनुप्रयोग

सिद्धांत और अनुप्रयोगईडीएफए एर्बियम-डॉप्ड फाइबर एम्पलीफायर

मूल संरचनाईडीएफएएर्बियम-डॉप्ड फाइबर एम्पलीफायर मुख्य रूप से एक सक्रिय माध्यम (दर्जनों मीटर लंबा डॉप्ड क्वार्ट्ज फाइबर, कोर व्यास 3-5 माइक्रोन, डोपिंग सांद्रता (25-1000)x10⁻⁶), पंप प्रकाश स्रोत (990 या 1480 एनएम एलडी), ऑप्टिकल कपलर और ऑप्टिकल आइसोलेटर से बना होता है। सिग्नल प्रकाश और पंप प्रकाश एर्बियम फाइबर में एक ही दिशा में (सह-पंपिंग), विपरीत दिशा में (रिवर्स पंपिंग), या दोनों दिशाओं में (द्विदिशात्मक पंपिंग) प्रसारित हो सकते हैं। जब सिग्नल प्रकाश और पंप प्रकाश को एक ही समय में एर्बियम फाइबर में प्रक्षेपित किया जाता है, तो पंप प्रकाश की क्रिया से एर्बियम आयन उच्च ऊर्जा स्तर (त्रिस्तरीय प्रणाली) तक उत्तेजित हो जाता है, और शीघ्र ही मेटास्टेबल स्तर पर क्षय हो जाता है। जब आपतित सिग्नल प्रकाश की क्रिया से यह ग्राउंड स्टेट में लौटता है, तो सिग्नल प्रकाश के अनुरूप फोटॉन उत्सर्जित होता है, जिससे सिग्नल प्रवर्धित होता है। इसके प्रवर्धित सहज उत्सर्जन (एएसई) स्पेक्ट्रम में एक बड़ी बैंडविड्थ (20-40 एनएम तक) होती है और इसमें क्रमशः 1530 एनएम और 1550 एनएम के अनुरूप दो शिखर होते हैं।

मुख्य लाभईडीएफए एम्पलीफायरइनमें उच्च लाभ, बड़ी बैंडविड्थ, उच्च आउटपुट पावर, उच्च पंपिंग दक्षता, कम सम्मिलन हानि और ध्रुवीकरण अवस्थाओं के प्रति असंवेदनशीलता शामिल हैं।

एर्बियम-मिश्रित फाइबर एम्पलीफायर का कार्य सिद्धांत

एर्बियम-डॉप्ड फाइबर एम्पलीफायर (ईडीएफए ऑप्टिकल एम्पलीफायरयह उपकरण मुख्य रूप से एर्बियम-मिश्रित फाइबर (लगभग 10-30 मीटर लंबा) और एक पंप प्रकाश स्रोत से बना होता है। इसका कार्य सिद्धांत यह है कि एर्बियम-मिश्रित फाइबर पंप प्रकाश स्रोत (980nm या 1480nm तरंगदैर्ध्य) की क्रिया से उत्तेजित विकिरण उत्पन्न करता है, और उत्सर्जित प्रकाश इनपुट प्रकाश संकेत के परिवर्तन के साथ बदलता है, जो इनपुट प्रकाश संकेत को प्रवर्धित करने के बराबर है। परिणामों से पता चलता है कि एर्बियम-मिश्रित फाइबर एम्पलीफायर का लाभ आमतौर पर 15-40db होता है, और रिले दूरी को 100km से अधिक बढ़ाया जा सकता है। इसलिए, लोगों के मन में यह सवाल उठता है: वैज्ञानिकों ने प्रकाश तरंगों की तीव्रता बढ़ाने के लिए फाइबर एम्पलीफायर में एर्बियम मिश्रण का उपयोग करने के बारे में क्यों सोचा? हम जानते हैं कि एर्बियम एक दुर्लभ पृथ्वी तत्व है, और दुर्लभ पृथ्वी तत्वों में विशेष संरचनात्मक विशेषताएं होती हैं। ऑप्टिकल उपकरणों में दुर्लभ पृथ्वी तत्वों का मिश्रण लंबे समय से ऑप्टिकल उपकरणों के प्रदर्शन को बेहतर बनाने के लिए उपयोग किया जाता रहा है, इसलिए यह कोई संयोग नहीं है। इसके अलावा, पंप प्रकाश स्रोत की तरंगदैर्ध्य 980nm या 1480nm ही क्यों चुनी जाती है? वास्तव में, पंप प्रकाश स्रोत की तरंगदैर्ध्य 520nm, 650nm, 980nm और 1480nm हो सकती है, लेकिन व्यवहार में यह सिद्ध हो चुका है कि 1480nm तरंगदैर्ध्य वाले पंप प्रकाश स्रोत की लेजर दक्षता सबसे अधिक होती है, उसके बाद 980nm तरंगदैर्ध्य वाले पंप प्रकाश स्रोत की दक्षता का स्थान आता है।

भौतिक संरचना

एर्बियम-डॉप्ड फाइबर एम्पलीफायर (EDFA ऑप्टिकल एम्पलीफायर) की मूल संरचना। इसके इनपुट और आउटपुट दोनों सिरों पर आइसोलेटर लगे होते हैं, जिनका उद्देश्य ऑप्टिकल सिग्नल को एकतरफा संचारित करना है। पंप एक्साइटर की तरंगदैर्ध्य 980nm या 1480nm होती है और इसका उपयोग ऊर्जा प्रदान करने के लिए किया जाता है। कपलर का कार्य इनपुट ऑप्टिकल सिग्नल और पंप प्रकाश को एर्बियम-डॉप्ड फाइबर में जोड़ना है, और एर्बियम-डॉप्ड फाइबर की क्रिया द्वारा पंप प्रकाश की ऊर्जा को इनपुट ऑप्टिकल सिग्नल में स्थानांतरित करना है, जिससे इनपुट ऑप्टिकल सिग्नल का ऊर्जा प्रवर्धन होता है। उच्च आउटपुट ऑप्टिकल शक्ति और कम शोर सूचकांक प्राप्त करने के लिए, व्यवहार में उपयोग किए जाने वाले एर्बियम-डॉप्ड फाइबर एम्पलीफायर में दो या अधिक पंप स्रोतों की संरचना अपनाई जाती है, जिनके बीच में आइसोलेटर लगे होते हैं जो एक दूसरे को पृथक करते हैं। व्यापक और समतल लाभ वक्र प्राप्त करने के लिए, एक लाभ समतलीकरण फ़िल्टर जोड़ा जाता है।

ईडीएफए में पाँच मुख्य भाग होते हैं: एर्बियम-डॉप्ड फाइबर (ईडीएफ), ऑप्टिकल कपलर (डब्ल्यूडीएम), ऑप्टिकल आइसोलेटर (आईएसओ), ऑप्टिकल फिल्टर और पंपिंग सप्लाई। आमतौर पर उपयोग किए जाने वाले पंप स्रोत 980 एनएम और 1480 एनएम हैं, और इन दोनों पंप स्रोतों की पंपिंग दक्षता अधिक होती है और इनका उपयोग अधिक किया जाता है। 980 एनएम पंप प्रकाश स्रोत का शोर गुणांक कम होता है; 1480 एनएम पंप प्रकाश स्रोत की पंपिंग दक्षता अधिक होती है और इससे अधिक आउटपुट पावर प्राप्त की जा सकती है (980 एनएम पंप प्रकाश स्रोत की तुलना में लगभग 3 dB अधिक)।

फ़ायदा

1. परिचालन तरंगदैर्ध्य सिंगल-मोड फाइबर की न्यूनतम क्षीणन सीमा के अनुरूप है।

2. उच्च युग्मन दक्षता। चूंकि यह एक फाइबर एम्पलीफायर है, इसलिए इसे ट्रांसमिशन फाइबर के साथ आसानी से जोड़ा जा सकता है।

3. उच्च ऊर्जा रूपांतरण दक्षता। ईडीएफ का कोर ट्रांसमिशन फाइबर की तुलना में छोटा होता है, और ईडीएफ में सिग्नल प्रकाश और पंप प्रकाश एक साथ संचारित होते हैं, इसलिए ऑप्टिकल क्षमता बहुत केंद्रित होती है। इससे प्रकाश और गेन माध्यम एर्बियम आयन के बीच परस्पर क्रिया बहुत प्रभावी होती है, साथ ही एर्बियम-डॉप्ड फाइबर की उचित लंबाई के कारण प्रकाश ऊर्जा की रूपांतरण दक्षता उच्च होती है।

4. उच्च लाभ, निम्न शोर सूचकांक, उच्च आउटपुट शक्ति, चैनलों के बीच कम क्रॉसस्टॉक।

5. स्थिर लाभ विशेषताएँ: ईडीएफए तापमान के प्रति संवेदनशील नहीं है, और लाभ का ध्रुवीकरण के साथ बहुत कम सहसंबंध है।

6. गेन फीचर सिस्टम बिट रेट और डेटा फॉर्मेट से स्वतंत्र है।

कमी

1. गैर-रैखिक प्रभाव: EDFA फाइबर में डाली गई ऑप्टिकल शक्ति को बढ़ाकर ऑप्टिकल शक्ति को बढ़ाता है, लेकिन जितनी अधिक शक्ति हो उतना बेहतर। ऑप्टिकल शक्ति को एक निश्चित सीमा तक बढ़ाने पर ऑप्टिकल फाइबर का गैर-रैखिक प्रभाव उत्पन्न होता है। इसलिए, ऑप्टिकल फाइबर एम्पलीफायर का उपयोग करते समय, एकल-चैनल में आने वाली फाइबर ऑप्टिकल शक्ति के मान को नियंत्रित करने पर ध्यान देना चाहिए।

2. लाभ तरंगदैर्ध्य सीमा निश्चित है: सी-बैंड ईडीएफए की कार्यशील तरंगदैर्ध्य सीमा 1530 एनएम~1561 एनएम है; एल-बैंड ईडीएफए की कार्यशील तरंगदैर्ध्य सीमा 1565 एनएम~1625 एनएम है।

3. असमान लाभ बैंडविड्थ: ईडीएफए एर्बियम-डॉप्ड फाइबर एम्पलीफायर की लाभ बैंडविड्थ बहुत विस्तृत होती है, लेकिन ईडीएफ का लाभ स्पेक्ट्रम समतल नहीं होता है। डब्ल्यूडीएम प्रणाली में लाभ को समतल करने के लिए लाभ समतलीकरण फ़िल्टर का उपयोग करना आवश्यक है।

4. प्रकाश वृद्धि की समस्या: जब प्रकाश पथ सामान्य होता है, तो पंप प्रकाश द्वारा उत्तेजित एर्बियम आयन सिग्नल प्रकाश द्वारा ले जाए जाते हैं, जिससे सिग्नल प्रकाश का प्रवर्धन पूरा हो जाता है। यदि इनपुट प्रकाश बाधित होता है, तो मेटास्टेबल एर्बियम आयनों के लगातार संचय के कारण, सिग्नल प्रकाश इनपुट बहाल होने पर ऊर्जा में उछाल आएगा, जिसके परिणामस्वरूप प्रकाश वृद्धि होगी।

5. ऑप्टिकल सर्ज का समाधान ईडीएफए में स्वचालित ऑप्टिकल पावर रिडक्शन (एपीआर) या स्वचालित ऑप्टिकल पावर ऑफ (एपीएसडी) फ़ंक्शन को लागू करना है, यानी, जब कोई इनपुट प्रकाश नहीं होता है तो ईडीएफए स्वचालित रूप से बिजली कम कर देता है या स्वचालित रूप से बिजली बंद कर देता है, जिससे सर्ज की घटना को दबाया जा सके।

आवेदन मोड

1. बूस्टर एम्पलीफायर का उपयोग बूस्टर तरंग के बाद कई तरंगदैर्ध्य वाले संकेतों की शक्ति को बढ़ाने और फिर उन्हें प्रसारित करने के लिए किया जाता है। चूंकि बूस्टर तरंग के बाद सिग्नल की शक्ति आमतौर पर अधिक होती है, इसलिए पावर एम्पलीफायर का शोर सूचकांक और लाभ बहुत अधिक नहीं होता है। इसकी आउटपुट शक्ति अपेक्षाकृत अधिक होती है।

2. पावर एम्पलीफायर के बाद, लाइन एम्पलीफायर का उपयोग समय-समय पर लाइन ट्रांसमिशन हानि की भरपाई के लिए किया जाता है, जिसके लिए आमतौर पर अपेक्षाकृत कम शोर सूचकांक और उच्च आउटपुट ऑप्टिकल पावर की आवश्यकता होती है।

3. प्री-एम्पलीफायर: स्प्लिटर से पहले और लाइन एम्पलीफायर के बाद लगाया जाता है। इसका उपयोग सिग्नल को एम्पलीफाई करने और रिसीवर की संवेदनशीलता को बेहतर बनाने के लिए किया जाता है (यदि ऑप्टिकल सिग्नल-टू-नॉइज़ रेशियो (OSNR) आवश्यकताओं को पूरा करता है, तो अधिक इनपुट पावर रिसीवर के शोर को कम कर सकती है और रिसीविंग संवेदनशीलता को बढ़ा सकती है)। इसका नॉइज़ इंडेक्स बहुत कम होता है। आउटपुट पावर की कोई विशेष आवश्यकता नहीं होती है।