アン光増幅器微弱な光信号を直接増幅できるデバイスです。誘導放出や誘導散乱の原理に基づいて微弱な入射光を増幅するもので、仕組みはレーザーと全く同じです。実際、構造的には、光増幅器はフィードバックがほとんど、またはまったくないレーザーです。光学利得は、光学媒質がポンプ電流またはポンプ光の作用下で反転分布を経験するときに達成され、これにより光増幅が実現される。このセクションでは、一般的に使用されるタイプの光増幅器を紹介し、エルビウム-ドープ ファイバ増幅器の原理と応用に焦点を当てます。
光アンプの分類
光アンプは動作原理から大きく3種類に分類できます。
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これらのタイプの光増幅器は、動作原理や励起方法が異なります。
バラストファイバ増幅器の動作原理
EDFAの構造
エルビウム-ドープ ファイバ増幅器（EDFA）は、エルビウム-ドープ ファイバを利得媒体として使用し、レーザー ダイオードから放射されるポンプ光を使用して信号光を増幅するデバイスです。エルビウム-ドープファイバ増幅器の構造を図に示します。
マルチプレクサとも呼ばれる波長分割マルチプレクサは、980/1550nm または 1480/1550nm の波長のポンプ光と信号光を結合してから、エルビウム ドープ ファイバに送り込みます。{4}挿入損失が低く、光の偏光に影響されないことが必要です。
光アイソレータは一方向の光伝送を保証し、元のデバイスへの光の反射を防ぎます。反射によって増幅器のノイズが増加し、増幅効率が低下するからです。
光フィルタの機能は、光アンプの動作帯域幅外のノイズをフィルタリングして除去し、それによってシステムの信号対雑音比を改善することです。--
エルビウム-ドープ ファイバは、EDFA（エレクトリウム-ドープ増幅器）のコアコンポーネントです。マトリックスとしてシリカ ファイバーを使用し、固体レーザー加工材料であるエルビウム イオンをコアにドープします。-エルビウム-をドープしたファイバーの数メートルから数十メートル内で、光は物質と相互作用し、増幅され強化されます。
エルビウム-ドープファイバのモードフィールド直径（MFD）は3～6μmで、従来のファイバ（9～16μm）よりもはるかに小さくなります。これは、信号光と励起光のエネルギー密度を高め、相互作用効率を向上させるためである。ただし、エルビウム-ドープファイバのコア径が小さくなると、従来のファイバとのモードフィールドの不整合も生じ、その結果、反射と接続損失が大きくなります。解決策は、ファイバに少量のフッ素をドープして屈折率を下げ、それによってモードフィールド直径を大きくして従来のファイバと同等のレベルを達成することです。さらに、融着接続中に、遷移ファイバを使用するか、従来のファイバ コネクタを長くしてコア直径を小さくすることにより、モード フィールド直径の不一致を減らすことができます。
より効率的な増幅を実現するために、エルビウムをドープしたファイバーの製造中に、ほとんどのイオンがファイバー コアの中央領域に集中します。{0}これは、光ファイバーでは、信号光とポンプ光の光場がほぼガウス分布しており、ファイバーのコア軸に沿って光強度が最も強いと考えることができるためです。近軸領域にモリブデンイオンが存在すると、光と物質の間の相互作用が大きくなり、エネルギー変換効率が向上します。エルビウム-ドープ ファイバ増幅器（EDFA）の用途に応じて、さまざまなタイプのエルビウム-ドープ ファイバを EDFA 設計に利用できます。たとえば、EDF-PAX-01 タイプは回路内アンプやプリアンプの設計に使用され、フラットで広いゲイン帯域幅を示します。- EDF-LAX-01 タイプは回路内アンプに使用でき、高い電力変換効率と低ノイズを実現します。 EDF-BAX-01タイプは高出力などを実現します。
エルビウム-ドープファイバーの基本パラメータ
| パラメータ | EDF-PAX-01 | EDF-LAX-01 | EDF-BAX-01 | EDF-HCX-01 |
|---|---|---|---|---|
| 開口数 (NA) | 0.24 ± 0.02 | 0.24 ± 0.02 | 0.22 ± 0.02 | 0.24 ± 0.02 |
| カットオフ波長 (nm) | 953 ± 35 | 953 ± 35 | 920 ± 40 | 920 ± 40 |
| ピークコア吸収 @ 1530 nm (dB/m) | 1529.5以下 | 1530.5 ± 0.5 | 1531 ± 0.5 | 1530 ± 1 |
| ピーク減衰 @ 980 nm (dB/m) | 7 ± 2 | 7 ± 2 | 5 ± 2 | 8.5 ± 2 |
| 980 nm での減衰 (dB/m) | 5 ± 1.5 | 5 ± 1.5 | 3.55 ± 1.5 | 8.5 ± 2 |
| バックグラウンド損失 @ 1200 nm (dB/km) | < 35 | < 15 | < 15 | < 15 |
| 飽和出力 @ 1530 nm (mW) | 0.17 | 0.15 | 0.18 | 0.20 |
| モードフィールド直径 @ 1550 nm (μm) | 4.8 ~ 5.9 | 4.8 ~ 5.9 | 5.2 ~ 6.6 | 4.8 ~ 6 |
ポンプ源は、EDFA (電気ドープ光ファイバ増幅器) のもう 1 つのコア コンポーネントです。{0}これは、活性化剤粒子の反転分布を達成するために必要な条件である光信号増幅に十分なエネルギーを提供します。ポンプ源はEDFAの性能を直接決定するため、高出力、良好な安定性、長寿命が求められます。実際の EDFA ポンプ光源はすべてレーザー ダイオードであり、ポンプ波長は 980nm と 1480nm です。 980nm ポンプ源は、低ノイズ、高いポンプ効率、最大数百ミリワットの出力という利点により、より一般的に使用されています。
ポンプ光と信号は同時に光ファイバーに入ります。ポンプ光はエルビウム-がドープされたファイバー入口で最も強くなります。光がファイバに沿って伝播するにつれて、信号光にエネルギーが徐々に伝達され、信号強度が増加しますが、信号自体の強度は徐々に減少します。
次の図では、さまざまな励起方法での出力電力とノイズ特性を比較しています。図aは、出力光信号パワーとポンプ光パワーの関係を示しています。 3 つのポンピング方式の差動変換効率は、それぞれ 61%、76%、77% です。図 b は、雑音指数とアンプの出力光パワーの関係を示しています。出力光パワーが増加すると、粒子反転数が減少し、その結果雑音指数が増加します。図cは、雑音指数とエルビウム-ドープファイバの長さの関係を示しています。図からわかるように、エルビウム-ドープファイバの長さに関係なく、同方向励起方式のEDFA-のノイズが最も低くなります。
