مبدأ وتطبيقمضخم الألياف المطعّم بالإربيوم (EDFA)
البنية الأساسية لـإي دي إف إيهمضخم الألياف المشوبة بالإربيوم، والذي يتكون أساسًا من وسط فعال (ألياف كوارتز مشوبة بطول عشرات الأمتار، قطر اللب 3-5 ميكرومتر، تركيز التشويب 25-1000 × 10⁻⁶)، ومصدر ضوء ضخ (ليزر ثنائي 990 أو 1480 نانومتر)، ومقرن ضوئي، وعازل ضوئي. يمكن لضوء الإشارة وضوء الضخ أن ينتشرا في نفس الاتجاه (ضخ مشترك)، أو في اتجاهين متعاكسين (ضخ عكسي)، أو في كلا الاتجاهين (ضخ ثنائي الاتجاه) داخل ألياف الإربيوم. عند حقن ضوء الإشارة وضوء الضخ في ألياف الإربيوم في الوقت نفسه، يُثار أيون الإربيوم إلى مستوى طاقة عالٍ (نظام ثلاثي المستويات) بفعل ضوء الضخ، ثم يتحلل سريعًا إلى مستوى شبه مستقر. وعندما يعود إلى حالته الأرضية بفعل ضوء الإشارة الساقط، ينبعث الفوتون المقابل لضوء الإشارة، مما يؤدي إلى تضخيم الإشارة. يتميز طيف الانبعاث التلقائي المضخم (ASE) بنطاق ترددي كبير (يصل إلى 20-40 نانومتر) وله قمتان تتوافقان مع 1530 نانومتر و1550 نانومتر على التوالي.
المزايا الرئيسية لـمضخم EDFAتتميز هذه الأجهزة بكسب عالٍ، وعرض نطاق ترددي كبير، وقدرة خرج عالية، وكفاءة ضخ عالية، وفقدان إدخال منخفض، وعدم حساسيتها لحالات الاستقطاب.
مبدأ عمل مضخم الألياف المشوبة بالإربيوم
مضخم الألياف المشوب بالإربيوم (مضخم بصري EDFAيتكون هذا الجهاز بشكل أساسي من ألياف مشبعة بالإربيوم (بطول يتراوح بين 10 و30 مترًا تقريبًا) ومصدر ضوئي للضخ. ويعتمد مبدأ عمله على توليد الألياف المشبعة بالإربيوم إشعاعًا محفزًا بفعل مصدر الضوء المضخ (بطول موجي 980 نانومتر أو 1480 نانومتر)، ويتغير الضوء المشع بتغير إشارة الضوء الداخلة، ما يُعادل تضخيمها. وتُظهر النتائج أن كسب مُضخِّم الألياف المشبعة بالإربيوم يتراوح عادةً بين 15 و40 ديسيبل، ويمكن زيادة مسافة النقل لأكثر من 100 كيلومتر. لذا، يتساءل المرء: لماذا فكر العلماء في استخدام الإربيوم المُشبع في مُضخِّم الألياف لزيادة شدة الموجات الضوئية؟ نعلم أن الإربيوم عنصر من العناصر الأرضية النادرة، وهذه العناصر لها خصائصها البنيوية المميزة. وقد استُخدم تطعيم العناصر الأرضية النادرة في الأجهزة البصرية منذ زمن طويل لتحسين أدائها، لذا فإن هذا ليس عاملًا عشوائيًا. بالإضافة إلى ذلك، لماذا تم اختيار طول موجة مصدر ضوء الضخ عند 980 نانومتر أو 1480 نانومتر؟ في الواقع، يمكن أن يكون طول موجة مصدر ضوء الضخ 520 نانومتر، أو 650 نانومتر، أو 980 نانومتر، أو 1480 نانومتر، ولكن أثبتت التجارب أن كفاءة الليزر عند طول موجة 1480 نانومتر هي الأعلى، تليها كفاءة الليزر عند طول موجة 980 نانومتر.
البنية الفيزيائية
البنية الأساسية لمضخم الألياف الضوئية المطعّمة بالإربيوم (EDFA). يوجد عازل عند طرفي الإدخال والإخراج، ووظيفته ضمان انتقال الإشارة الضوئية في اتجاه واحد. يستخدم مُثير الضخ بطول موجي 980 نانومتر أو 1480 نانومتر لتوفير الطاقة. تتمثل وظيفة الموصل في ربط الإشارة الضوئية الداخلة وضوء الضخ بالألياف المطعّمة بالإربيوم، ونقل طاقة ضوء الضخ إلى الإشارة الضوئية الداخلة عبر الألياف، مما يؤدي إلى تضخيم طاقة الإشارة الضوئية الداخلة. وللحصول على قدرة ضوئية خرج أعلى ومؤشر ضوضاء أقل، يعتمد مضخم الألياف الضوئية المطعّمة بالإربيوم المستخدم عمليًا على بنية تتكون من مصدرين أو أكثر للضخ مع عوازل في المنتصف لعزل كل منها عن الآخر. وللحصول على منحنى كسب أوسع وأكثر استواءً، يُضاف مرشح لتسوية الكسب.
يتكون مضخم الألياف الضوئية المطعّم بالإربيوم (EDFA) من خمسة أجزاء رئيسية: ألياف مطعّمة بالإربيوم (EDF)، ومقرن ضوئي (WDM)، وعازل ضوئي (ISO)، ومرشح ضوئي، ومصدر ضخ. تشمل مصادر الضخ الشائعة الاستخدام 980 نانومتر و1480 نانومتر، ويتميز هذان المصدران بكفاءة ضخ أعلى، لذا فهما الأكثر استخدامًا. يتميز مصدر الضخ 980 نانومتر بمعامل ضوضاء منخفض، بينما يتميز مصدر الضخ 1480 نانومتر بكفاءة ضخ أعلى، ويمكنه الحصول على طاقة خرج أكبر (أعلى بحوالي 3 ديسيبل من مصدر الضخ 980 نانومتر).
ميزة
1. يتوافق طول الموجة التشغيلية مع الحد الأدنى لنافذة التوهين للألياف أحادية النمط.
2. كفاءة اقتران عالية. نظرًا لكونه مضخمًا للألياف، فإنه يسهل اقترانه بألياف الإرسال.
3. كفاءة عالية في تحويل الطاقة. يتميز قلب الألياف المطعمة بالإربيوم (EDF) بصغر حجمه مقارنةً بألياف النقل، حيث يتم نقل ضوء الإشارة وضوء الضخ معًا في الألياف المطعمة بالإربيوم، مما يؤدي إلى تركيز عالٍ للطاقة الضوئية. هذا بدوره يُحسّن التفاعل بين الضوء وأيونات الإربيوم في وسط التضخيم، بالإضافة إلى طول مناسب للألياف المطعمة بالإربيوم، مما يرفع كفاءة تحويل الطاقة الضوئية.
4. كسب عالٍ، مؤشر ضوضاء منخفض، طاقة خرج كبيرة، تداخل منخفض بين القنوات.
5. خصائص الكسب المستقر: لا تتأثر EDFA بدرجة الحرارة، والكسب له ارتباط ضئيل بالاستقطاب.
6. خاصية الكسب مستقلة عن معدل بت النظام وتنسيق البيانات.
عيب
1. التأثير غير الخطي: يُضخّم مُضخّم الألياف الضوئية المُطعّم بالإربيوم (EDFA) القدرة الضوئية عن طريق زيادة القدرة الضوئية المُدخلة إلى الألياف، وكلما زادت هذه الزيادة كان ذلك أفضل. عند زيادة القدرة الضوئية إلى حدٍ معين، يظهر التأثير غير الخطي للألياف الضوئية. لذلك، عند استخدام مُضخّمات الألياف الضوئية، يجب الانتباه إلى قيمة التحكم في القدرة الضوئية الداخلة إلى الألياف أحادية القناة.
2. نطاق طول موجة الكسب ثابت: نطاق طول موجة التشغيل لـ EDFA من النطاق C هو 1530 نانومتر ~ 1561 نانومتر؛ نطاق طول موجة التشغيل لـ EDFA من النطاق L هو 1565 نانومتر ~ 1625 نانومتر.
3. عدم انتظام نطاق كسب الإشارة: يتميز مضخم الألياف الضوئية المشبع بالإربيوم (EDFA) بنطاق كسب واسع جدًا، إلا أن طيف كسب الألياف الضوئية نفسها غير منتظم. لذا، يجب استخدام مرشح لتسوية الكسب في نظام تقسيم الطول الموجي (WDM).
4. مشكلة ارتفاع شدة الضوء: عندما يكون مسار الضوء طبيعيًا، تحمل أيونات الإربيوم المُثارة بواسطة ضوء المضخة بواسطة ضوء الإشارة، مما يُكمل تضخيم ضوء الإشارة. أما إذا تم قطع ضوء الإدخال، فبسبب استمرار تراكم أيونات الإربيوم شبه المستقرة، بمجرد استعادة ضوء الإشارة، ستحدث قفزة في الطاقة، مما يؤدي إلى ارتفاع شدة الضوء.
5. يتمثل حل مشكلة الارتفاع المفاجئ في الطاقة الضوئية في تحقيق وظيفة خفض الطاقة الضوئية التلقائي (APR) أو إيقاف تشغيل الطاقة الضوئية التلقائي (APSD) في EDFA، أي أن EDFA يقلل الطاقة تلقائيًا أو يوقف تشغيل الطاقة تلقائيًا عندما لا يكون هناك ضوء وارد، وبالتالي يمنع حدوث ظاهرة الارتفاع المفاجئ.
وضع التطبيق
1. يُستخدم مُضخِّم الطاقة لزيادة قوة إشارات متعددة الأطوال الموجية بعد موجة التضخيم، ثم إرسالها. ونظرًا لأن قوة الإشارة بعد موجة التضخيم تكون عالية عمومًا، فإن مؤشر الضوضاء وكسب مُضخِّم الطاقة ليسا مرتفعين جدًا، ولكنه يتميز بقدرة خرج عالية نسبيًا.
2. يتم استخدام مضخم الخط، بعد مضخم الطاقة، لتعويض فقدان إرسال الخط بشكل دوري، ويتطلب ذلك بشكل عام مؤشر ضوضاء صغير نسبيًا وقدرة بصرية خرج كبيرة.
3. المُضخِّم الأولي: يُستخدم قبل المُقسِّم وبعد مُضخِّم الخط، لتضخيم الإشارة وتحسين حساسية المُستقبِل (في حال استيفاء نسبة الإشارة إلى الضوضاء البصرية (OSNR) للمتطلبات، فإن زيادة طاقة الإدخال تُقلِّل من ضوضاء المُستقبِل نفسه وتُحسِّن حساسية الاستقبال)، ويكون مُؤشِّر الضوضاء منخفضًا جدًا. لا توجد متطلبات كبيرة على طاقة الإخراج.
تاريخ النشر: 17 مارس 2025