مبدأ وتطبيقمضخم الألياف المشبع بالإربيوم EDFA
الهيكل الأساسي لEDFAمُضخِّم ألياف مُشبَّع بالإربيوم، يتكوَّن أساسًا من وسطٍ فعَّال (ليف كوارتز مُشبَّع بطول عشرات الأمتار، قطر قلبه 3-5 ميكرون، تركيز مُشبَّع (25-1000)×10-6)، ومصدر ضوء مضخة (طول موجة ضوئية 990 أو 1480 نانومتر)، ومُقرِّن بصري وعازل بصري. ينتشر ضوء الإشارة وضوء المضخة في نفس الاتجاه (الضخ المشترك)، أو في الاتجاهين المعاكسين (الضخ العكسي)، أو في كلا الاتجاهين (الضخ ثنائي الاتجاه) داخل ليف الإربيوم. عند حقن ضوء الإشارة وضوء المضخة في ليف الإربيوم في الوقت نفسه، يُثار أيون الإربيوم إلى مستوى طاقة عالٍ (نظام ثلاثي المستويات) تحت تأثير ضوء المضخة، وسرعان ما يتحلل إلى مستوى شبه مستقر. عند عودته إلى حالة الأرض تحت تأثير ضوء الإشارة الساقط، يُصدر الفوتون المُقابل لضوء الإشارة، مما يُضخِّم الإشارة. يتمتع طيف الانبعاث التلقائي المضخم (ASE) الخاص به بنطاق ترددي كبير (يصل إلى 20-40 نانومتر) وله ذروتين تتوافقان مع 1530 نانومتر و1550 نانومتر على التوالي.
المزايا الرئيسية لـمضخم EDFAتتميز هذه التقنية بمكسب عالي، وعرض نطاق ترددي كبير، وقوة خرج عالية، وكفاءة ضخ عالية، وخسارة إدخال منخفضة، وعدم حساسية لحالات الاستقطاب.
مبدأ عمل مكبر الألياف المشبع بالإربيوم
مضخم الألياف المضاف إليه الإربيوممكبر بصري EDFA） يتكون بشكل أساسي من ليف مُشبّع بالإربيوم (بطول حوالي 10-30 مترًا) ومصدر ضوء مضخة. مبدأ العمل هو أن الألياف المُشبّعة بالإربيوم تولد إشعاعًا مُحفّزًا تحت تأثير مصدر الضوء المُضخّ (الطول الموجي 980 نانومتر أو 1480 نانومتر)، ويتغير الضوء المُشعّ مع تغير إشارة الضوء الداخلة، وهو ما يُعادل تضخيم إشارة الضوء الداخلة. تُظهر النتائج أن مكسب مُضخّم الألياف المُشبّع بالإربيوم يكون عادةً 15-40 ديسيبل، ويمكن زيادة مسافة التتابع بأكثر من 100 كيلومتر. لذا، لا يسع الناس إلا أن يسألوا: لماذا فكّر العلماء في استخدام الإربيوم المُشبّع في مُضخّم الألياف لزيادة شدة موجات الضوء؟ نحن نعلم أن الإربيوم عنصر أرضي نادر، وأن العناصر الأرضية النادرة لها خصائصها الهيكلية الخاصة. لقد استُخدمت عناصر الأرض النادرة المُشبّعة في الأجهزة البصرية لفترة طويلة لتحسين أداء الأجهزة البصرية، لذا فهذا ليس عاملاً عرضيًا. بالإضافة إلى ذلك، لماذا يُختار طول موجة مصدر ضوء المضخة عند 980 نانومتر أو 1480 نانومتر؟ في الواقع، يمكن أن يكون طول موجة مصدر ضوء المضخة 520 نانومتر، 650 نانومتر، 980 نانومتر، و1480 نانومتر، ولكن أثبتت التجربة أن كفاءة ليزر مصدر ضوء المضخة عند طول موجة 1480 نانومتر هي الأعلى، يليه طول موجة مصدر ضوء المضخة عند 980 نانومتر.
البنية المادية
البنية الأساسية لمضخم الألياف الضوئية المُشبع بالإربيوم (EDFA). يوجد عازل في طرفي الإدخال والإخراج، والغرض منه هو جعل الإشارة الضوئية أحادية الاتجاه. يبلغ طول موجة مُثير المضخة 980 أو 1480 نانومتر، ويُستخدم لتوفير الطاقة. وظيفة المُقرن هي ربط إشارة الإدخال الضوئية وضوء المضخة في الألياف الضوئية المُشبعة بالإربيوم، ونقل طاقة ضوء المضخة إلى إشارة الإدخال الضوئية من خلال الألياف الضوئية المُشبعة بالإربيوم، وذلك لتحقيق تضخيم طاقة إشارة الإدخال الضوئية. للحصول على طاقة إخراج ضوئية أعلى ومؤشر ضوضاء أقل، يعتمد مضخم الألياف الضوئية المُشبع بالإربيوم المستخدم عمليًا على هيكل مصدري مضخة أو أكثر مع عوازل في المنتصف لعزل بعضها البعض. للحصول على منحنى كسب أوسع وأكثر تسطحًا، يُضاف مرشح تسطيح الكسب.
يتكون EDFA من خمسة أجزاء رئيسية: الألياف الضوئية المشبعة بالإربيوم (EDF)، والمقرن البصري (WDM)، والعازل البصري (ISO)، والمرشح البصري، ووحدة تغذية الضخ. تشمل مصادر الضخ الشائعة الاستخدام 980 نانومتر و1480 نانومتر، ويتميز هذان المصدران بكفاءة ضخ أعلى واستخدام أكثر. يتميز مصدر ضوء المضخة 980 نانومتر بمعامل ضوضاء أقل؛ بينما يتميز مصدر ضوء المضخة 1480 نانومتر بكفاءة ضخ أعلى ويمكنه الحصول على طاقة خرج أعلى (أعلى بحوالي 3 ديسيبل من مصدر ضوء المضخة 980 نانومتر).
ميزة
1. يتوافق طول الموجة التشغيلية مع الحد الأدنى لنافذة التوهين للألياف أحادية الوضع.
٢. كفاءة اقتران عالية. بفضل مُضخِّم الألياف، يسهل اقترانه بألياف النقل.
٣. كفاءة تحويل طاقة عالية. قلب ألياف EDF أصغر من قلب ألياف النقل، ويتم نقل ضوء الإشارة وضوء المضخة في وقت واحد عبر ألياف EDF، مما يجعل السعة الضوئية مركزة للغاية. هذا يجعل التفاعل بين الضوء ووسط الكسب (أيون الإربيوم) كاملاً للغاية، إلى جانب الطول المناسب للألياف المُشبّعة بالإربيوم، مما يجعل كفاءة تحويل طاقة الضوء عالية.
4. مكسب عالي، مؤشر ضوضاء منخفض، طاقة خرج كبيرة، تداخل منخفض بين القنوات.
5. خصائص الكسب المستقرة: EDFA غير حساس لدرجة الحرارة، والكسب لا يرتبط بالاستقطاب.
6. ميزة المكسب مستقلة عن معدل بت النظام وتنسيق البيانات.
عيب
١. التأثير اللاخطي: يُضخّم EDFA الطاقة الضوئية عن طريق زيادة الطاقة الضوئية المُدخلة إلى الألياف، وكلما زادت كانت أفضل. عند زيادة الطاقة الضوئية إلى حدٍّ معين، يُنتج التأثير اللاخطي للألياف الضوئية. لذلك، عند استخدام مُضخّمات الألياف الضوئية، يجب الانتباه إلى أهمية التحكم في الطاقة الضوئية الواردة للألياف أحادية القناة.
2. نطاق الطول الموجي للمكسب ثابت: نطاق الطول الموجي العامل لـ EDFA في النطاق C هو 1530 نانومتر ~ 1561 نانومتر؛ نطاق الطول الموجي العامل لـ EDFA في النطاق L هو 1565 نانومتر ~ 1625 نانومتر.
٣. نطاق تردد الكسب غير المتساوي: يتميز نطاق تردد الكسب لمضخم الألياف المُشبّع بالإربيوم EDFA بنطاق واسع جدًا، إلا أن طيف الكسب لمضخم الألياف المُشبّع بالإربيوم EDF نفسه ليس متساويًا. يجب استخدام مرشح تسطيح الكسب لتسطيح الكسب في نظام WDM.
٤. مشكلة ارتفاع شدة الضوء: عندما يكون مسار الضوء طبيعيًا، تُحمل أيونات الإربيوم المُثارة بواسطة ضوء المضخة بعيدًا بواسطة ضوء الإشارة، مما يُكمل تضخيم ضوء الإشارة. إذا تم قطع ضوء الإدخال، بسبب استمرار تراكم أيونات الإربيوم شبه المستقرة، فبمجرد استعادة ضوء الإشارة المُدخل، ستقفز الطاقة، مما يُسبب ارتفاع شدة الضوء.
5. الحل للزيادة الضوئية هو تحقيق وظيفة تقليل الطاقة الضوئية التلقائية (APR) أو إيقاف التشغيل الضوئي التلقائي (APSD) في EDFA، أي أن EDFA يقلل الطاقة تلقائيًا أو يقوم بإيقاف تشغيل الطاقة تلقائيًا عندما لا يكون هناك ضوء إدخال، وبالتالي قمع حدوث ظاهرة الزيادة.
وضع التطبيق
١. يُستخدم مُضخِّم الطاقة المُعزِّز لتعزيز قوة إشارات متعددة الأطوال الموجية بعد موجة التعزيز، ثم نقلها. ونظرًا لارتفاع قوة الإشارة بعد موجة التعزيز، فإن مؤشر الضوضاء وكسب مُضخِّم الطاقة ليسا مرتفعين جدًا. يتمتع مُضخِّم الطاقة بطاقة خرج عالية نسبيًا.
2. يتم استخدام مكبر الخط، بعد مكبر الطاقة، للتعويض بشكل دوري عن خسارة نقل الخط، وهو ما يتطلب بشكل عام مؤشر ضوضاء صغير نسبيًا وقوة بصرية خرج كبيرة.
٣. مُضخِّم أولي: يُستخدم قبل المُقسِّم وبعد مُضخِّم الخط لتضخيم الإشارة وتحسين حساسية المُستقبِل (في حال استيفاء نسبة الإشارة الضوئية إلى الضوضاء (OSNR) للمتطلبات، يُمكن لطاقة الإدخال الأكبر أن تُخفِّض ضوضاء المُستقبِل نفسه وتُحسِّن حساسية الاستقبال)، ومؤشر الضوضاء صغير جدًا. لا توجد حاجة كبيرة لطاقة الخرج.
وقت النشر: ١٧ مارس ٢٠٢٥