高度な光学部品–エルビウム添加ファイバ増幅器（EDFA）
長距離DWDMシステムなどの多くの光ファイバーアプリケーションでは、光信号の増幅が必要です。 過去には、これには100 kmごとの中間地点で高価な電子中継器を使用する必要がありました。 現在の最新の長距離DWDMシステムは、複数の高度な光学コンポーネントを使用して、複数のリピーターを単一の光学デバイスに置き換えています。 光増幅器と呼ばれるこれらの光デバイスは、かつては実験室の好奇心しかなかったが、現在ではフィールド展開で広く使用されています。 最も一般的な光増幅器の1つは、エルビウム添加ファイバ増幅器（EDFA）です。
研究者は、EDFAを開発して、多数の電子中継器をより少ない光学中継器に置き換え、システムコストと複雑さを全体的に削減しました。 EDFAでは、別のソースを異なる波長に追加し、DWDMマルチプレクサーを使用して単一のファイバーに結合することにより、システムを簡単にアップグレードすることもできます。
EDFAで使用されるファイバーには、1550 nmの光を増幅するために原子構造に適切なエネルギーレベルを持つ希土類元素であるエルビウムがドープされています。 980 nmまたは1480 nmの「ポンプ」レーザーは、エルビウムドープファイバーにエネルギーを注入します。 1550 nmの弱い信号がファイバに入ると、光はエルビウム原子を刺激し、蓄積されたエネルギーを追加の1550 nm光として放出します。 このプロセスは、信号がファイバを通過するときに続き、エルビウムがドープされた領域に到達するまでますます強くなります。
下の図は、非常に高性能な光ファイバーシステムの重要な要素である中間ステージのアクセスを備えた2ステージEDFAを示しています。 この場合、2つのシンプルなシングルステージEDFAが一緒にパッケージ化されます。 ユーザーは、第1ステージEDFAの出力と第2ステージEDFAの入力を受け取ります。 これらのシステムでは、全体的な分散を減らすために、分散補償ファイバー（DCF）などの追加要素を定期的に使用する必要があります。 10 dB以上の高い挿入損失は、DCFを問題にします。 DCFを2ステージEDFAの中間ステージアクセスポイントに配置すると、システムへの悪影響が軽減されます。 ユーザーは、DCFの高光損失部分を追加しても、EDFAを介して大きなゲインを実現しています。
図では、光入力は最初に光アイソレータ＃1を通過します。これにより、光が左から右に通過できます。 次に、光はWDM＃1を通過します。 WDM＃1は、980 nmのポンプ波長をエルビウム添加ファイバの最初の長さに注入する手段を提供します。 WDM＃1では、光損失を最小限に抑えて、光入力信号をエルビウム添加ファイバに結合することもできます。
980 nmのエネルギーは、エルビウム原子をゆっくりと減衰する励起状態に励起します。 1550 nm帯域の光が、通常数十メートルのエルビウムドープファイバーを通過すると、レーザーのように放射の誘導放出が発生します。 このようにして、1550 nmの光入力信号は強度を増します。 エルビウムドープファイバの出力は、光アイソレータ＃2を通過し、ユーザーが使用できるようになります。 通常、中間ステージのアクセスポイントは、ある種の分散補償デバイスに接続します。 その後、光はアイソレータ＃3とWDM＃2を通過します。 WDM＃2は、2番目のポンプレーザーからの1480 nmのエネルギーを2番目の長さのエルビウムドープファイバのもう一方の端に結合し、ゲインと出力を増加させます。 最後に、光はアイソレーター＃4を通過します。
EDFAは、光子が信号を増幅するため、ほとんどのアクティブなコンポーネントを回避します。 EDFAは高出力を提供し、特定のシステム設計で必要なアンプの数が少なくなります。 最も基本的なEDFA設計のアンプは、12 nmというかなり狭い帯域で点灯します。 ゲインイコライゼーションフィルターを追加すると、帯域幅が25 nmを超えることがあります。 他のエキゾチックなドープファイバは、増幅帯域を40 nm以上に増加させます。 さらに、EDFAのデータレートに依存しないため、システムのアップグレードには、起動端末と受信端末のみを変更する必要があります。
EDFAの信頼性の高いパフォーマンスにより、長距離、高データレートの光ファイバー通信システムおよびCATV配信システムで役立ちます。 CATVアプリケーションでは、EDFAは光スプリッターの前後で信号をブーストし、複数のファイバーで伝送するためにスプリット信号を増幅します。 CATVアンプ製品の詳細はこちらをご覧ください。 一般に、光増幅器には、パワーアンプ/ブースター、インラインアンプ、プリアンプ、または光ネットワークの損失補償の4つの主要なアプリケーションがあります。
