امپلیفایر الیافی دوپ‌شده با اربیوم چیست و در شبکه‌های فیبر نوری چگونه کار می‌کند؟

ارسال سیگنال در فاصله‌های طولانی در شبکه‌های فیبر نوری سنتی همواره چالش‌برانگیز بوده است. تقویت‌کننده فیبر حاوی اربیوم (EDFA)، به‌عنوان قلب شبکه‌های نوری، به‌عنوان راه‌حلی ایده‌آل برای تقویت کاملاً نوری اختراع شده است و امکان انتقال سیگنال را در سراسر فیبر بدون نیاز به تبدیل گران‌قیمت نوری-الکتریکی-نوری فراهم می‌کند. شرکت ما، شاندونگ وانشو اوپتوالکترونیک اِکویپمنت کو.، لتد، راه‌حل‌های حرفه‌ای «سرتاًسر» و «یک‌جا» در صنعت ارتباطات نوری ارائه می‌دهد، از جمله تقویت‌کننده‌های پیشرفته فیبر نوری که از EDFAها استفاده می‌کنند تا عملکرد پایدار انتقال شبکه را تضمین کنند.

EDFA چیست؟

این EDFA نوعی تقویت‌کنندهٔ نوری است که از طولی از فیبر نوری آلاییده‌شده با اربیوم استفاده می‌کند و هنگامی که با نور لیزری به طول موج‌های ۹۸۰ نانومتر یا ۱۴۸۰ نانومتر تحریک (پامپ) می‌شود، به‌صورت نوری بهره ایجاد می‌کند. فیبر نوری آلاییده‌شده با اربیوم طوری طراحی شده است که با منبع لیزر اربیومی کار کند که در محدودهٔ طول موج‌های ۱۵۳۰ تا ۱۵۶۵ نانومتر فعالیت دارد. برخلاف تکرارکننده‌های پیشین که از روش تقویت سیگنال نوری-الکتریکی-نوری استفاده می‌کردند، EDFAs سیگنال‌ها را به‌طور کامل نوری تقویت می‌کنند. با تقویت همزمان چندین کانال طول موج، کاربرد آن‌ها در سیستم‌های DWDM گسترش می‌یابد.

EDFAs عمدتاً نور را در محدودهٔ ۱۵۳۰ تا ۱۵۶۵ نانومتر (باند C) و تا ۱۶۲۵ نانومتر (باند L) تقویت می‌کنند، زیرا این محدوده‌ها متناظر با کمترین ناحیهٔ تضعیف در فیبرهای نوری مبتنی بر سیلیس هستند. EDFAs عمدتاً در مسیرهای زمینی بلند، ارتباطات زیردریایی و شهری به کار می‌روند.

اصل کار EDFAs: این دستگاه چگونه کار می‌کند؟

درک اصل کار EDFAs نیازمند بررسی فیزیک تابش القایی در فیبر آلاییده‌شده با اربیوم است. فرآیند تقویت شامل سه مرحلهٔ کلیدی است:

۱. تحریک با پامپ

لیزر پمپ که در طول‌موج‌های ۹۸۰ نانومتر یا ۱۴۸۰ نانومتر کار می‌کند، انرژی را به فیبر آلاییده‌شده با اربیوم وارد می‌کند. هنگامی که پمپ در طول‌موج ۹۸۰ نانومتر انجام می‌شود، یون‌های اربیوم از حالت پایه (⁴I₁₅⁄₂) به سطح انرژی بالاتری (⁴I₁₁⁄₂) برانگیخته می‌شوند؛ سپس به‌سرعت و بدون تابش به حالت متاستیبل (⁴I₁₃⁄₂) با عمری حدود ۱۰ میلی‌ثانیه تخلیه می‌شوند. این فرآیند معکوس‌شدن جمعیت را ایجاد می‌کند که شرطی اساسی برای تقویت نوری است.

۲. تابش القایی

هنگامی که فوتون سیگنال اصلی در باند ۱۵۵۰ نانومتر از فیبر آلاییده عبور می‌کند، فرآیند تابش القایی را آغاز می‌کند: در این فرآیند، یک یون اربیوم از حالت برانگیخته به حالت پایه بازمی‌گردد و یک فوتون هم‌فاز، هم‌طول‌موج و هم‌جهته با فوتون ورودی ساطع می‌کند. این امر باعث می‌شود سیگنال دچار تضعیف نشود و تقویت نوری خالص انجام گیرد.

۳. پیکربندی‌های پمپ

سه پیکربندی پمپاژ برای تقویت‌کننده‌های نوری دوپه‌شده با اربیوم (EDFA) وجود دارد که می‌توانند عملکرد کم‌نویز، توان خروجی بالا یا بازده بهره را فراهم کنند:

پمپاژ هم‌جهت: تقویت‌کننده‌ی فیبر خطی که در جهت یکسان با سیگنال پمپ می‌شود و برای دستیابی به شکل‌نمای نویز پایین در تقویت‌کننده‌ی توان یا تقویت‌کننده‌ی پیشین در ابتدای پیوند ارتباطی استفاده می‌شود.

پمپاژ ضدجهت: این نوع تقویت‌کننده که در جهت مخالف جهت حرکت سیگنال پمپ می‌شود، برای دستگاه‌هایی با نسبت سیگنال به نویز بالاتر به کار می‌رود.

پمپاژ دوجهته: ترکیبی از هر دو روش پمپاژ است و برای دستیابی به بهره‌ی بالا، توان بالا و نویز پایین مناسب سیستم‌های خط انتقال بلندمدت است.

اجزای کلیدی یک EDFA

EDFA از ماژول‌های اصلی زیر تشکیل شده است:

فیبر دوپه‌شده با اربیوم (EDF): بخشی از فیبر فعال که معمولاً بین ۱۰ تا ۱۰۰ متر طول دارد. این بخش نقش اصلی رسانه بهره‌برداری را از طریق تابش القایی ایفا می‌کند.

دیود لیزر پمپ: برای تأمین منبع نور برانگیخته‌کنندهٔ یون‌ها جهت انتقال آن‌ها به سطوح انرژی بالاتر. دیودهای لیزر پمپ رایج شامل طول‌موج‌های ۹۸۰ نانومتر و ۱۴۸۰ نانومتر هستند.

کوپلر انتخاب‌کنندهٔ طول‌موج: برای ترکیب ورودی نور سیگنال و منبع سیگنال نوری در فیبر (EDF) استفاده می‌شود. در EDFA، نورهای ورودی ترکیب‌شده در باند C برای انتقال داده‌ها قرار دارند و طول‌موج پمپ یا ۱۴۸۰ نانومتر یا ۹۸۰ نانومتر است.

جداکنندهٔ نوری: عملکرد بهرهٔ EDFA و سیگنال شبکه را در برابر آسیب‌های احتمالی ناشی از نور بازتابیده‌شده از بخش‌های بعدی شبکه محافظت می‌کند.

فیلتر تسطیح‌کنندهٔ بهره: برای جبران ویژگی ذاتی غیریکنواخت بهرهٔ فیبر در باند C استفاده می‌شود تا بهرهٔ کلی انتقال در تمام کانال‌های ارسالی را یکنواخت سازد.

کاربردهای EDFA در شبکه‌های فیبر نوری

امپلیفایر الکترونیکی تقویت‌کنندهٔ دوپ‌شده با اربیوم (EDFA) کاربردهای متعددی در سیستم‌های ارتباطی فیبر نوری دارد، از جمله:

انتقال زمینی بلندبرد: تقویت‌کننده‌های نوری درون‌خطی که به‌عنوان تکرارکننده‌های خط اصلی استفاده می‌شوند و افت فیبر را پس از صدها کیلومتر انتقال نوری جبران می‌کنند.

سیستم انتقال زیردریایی: نقش مهمی ایفا کرده و انتقال قابل‌اعتماد و پایدار را برای هزاران کیلومتر در عرض اقیانوس‌ها تضمین می‌کند.

سیستم انتقال شبکهٔ شهری WDM: عمدتاً در ورودی خطوط ارتباطی (پیش‌تقویت‌کننده) یا در انتهای آن‌ها (تقویت‌کنندهٔ خروجی) برای افزایش قدرت سیگنال و گسترش فاصلهٔ ارتباطی به‌کار می‌رود.

سنسور فیبر نوری: برای اندازه‌گیری دما، کرنش و سایر کمیت‌ها در فیبر نوری در فواصل دور به‌کار می‌رود.

شبکه‌های CATV و PON: امپلیفایر‌های نئودیمیوم-دُپ‌شده با اربیوم (EDFA) اجزای ضروری در زیرساخت‌های تلویزیون کابلی و شبکه‌های نوری غیرفعال هستند و توزیع سیگنال با کیفیت بالا را تضمین می‌کنند.

مزایای فناوری EDFA

در مقایسه با سایر فناوری‌ها، امپلیفایر نوری EDFA با عملکرد بالا مزایایی دارد:

بهره‌ی بالای کارایی: بهره‌ی تا ۲۰ تا ۴۰ دسی‌بل در محدوده‌ی کارآمد طول فیبر ۱۰۰ تا ۲۰۰ کیلومتر حاصل می‌شود؛

پهنای باند گسترده: این دستگاه می‌تواند به‌طور همزمان برای جبران تمام پنجره‌های انتقال عمل کند، بنابراین تعداد زیادی کانال طول‌موجی برای انتقال قابل دستیابی است؛

شکل‌نمای نویز فاز پایین: نویز فاز پایین و شکل‌نمای نویز معمولی در حدود ۴ تا ۶ دسی‌بل است که به حد کوانتومی (۳ دسی‌بل) نزدیک است؛

مستقل از نرخ بیت: امپلیفایر‌های EDFA تمام نرخ‌های داده را بدون تغییر تقویت می‌کنند و از این رو برای ارتقای شبکه در آینده مقاوم هستند.

کروستالک مطلوب: طول عمر طولانی حالت بالای یون‌های اربیوم، تداخل بین کانال‌ها را در سیستم‌های WDM کاهش می‌دهد.

نتیجه‌گیری

امپلیفایر‌های فیبر تقویت‌شده با اربیوم (EDFA)، امپلیفایر‌های نوری اصلی در انتقال فیبر نوری شبکه‌ها، از طریق تقویت کاملاً نوری سیگنال، افت‌های ورودی را در پیوندهای نوری بلندمدت بین انتهای ارسال‌کننده و دریافت‌کننده جبران می‌کنند و عملکرد پایداری را تضمین می‌نمایند. در شبکه‌های پشتیبان بلندبرد، سیستم‌های کابلی زیردریایی، شبکه‌های متروی WDM و غیره، این کاربردهای EDFA نقشی اساسی ایفا می‌کنند.

شرکت شاندونگ وانشوئو برای تجهیزات اپتوالکترونیکی محدود، یک شرکت تولیدکنندهٔ حرفه‌ای تقویت‌کننده‌های فیبر نوری است. این شرکت راه‌حل‌های جامع «یک‌جا» برای تمامی تقویت‌کننده‌های فیبر نوری در ارتباطات نوری ارائه می‌دهد، از جمله فرآیندهای تولید که خطوط تولید خودکار، اتاق‌های بدون گرد و غبار و تجهیزات دقیق آزمایشی را شامل می‌شوند. محصولات این شرکت کاربردهای گسترده‌ای در شبکه‌های اصلی بلندمدت، ارتباطات زیردریایی، ارتباطات شهری، شبکه‌های PON و حسگرهای فیبری دارند.