基本構造EDFAエルビウム添加光ファイバ増幅器は、主に活性媒質（数十メートル長の添加石英光ファイバ、コア径3～5ミクロン、添加濃度（25～1000）×10-6）、ポンプ光源（990nmまたは1480nm LD）、光カプラ、光アイソレータから構成されます。 信号光とポンプ光は、エルビウム光ファイバ内で同じ方向（共ポンピング）、反対方向（逆ポンピング）、または両方向（双方向ポンピング）に伝播できます。 信号光とポンプ光が同時にエルビウム光ファイバに注入されると、ポンプ光の作用でエルビウムイオンが高エネルギー準位（3準位系）に励起され、すぐに準安定準位に減衰します。 入射信号光の作用で基底状態に戻る際に、信号光に対応する光子が放出され、信号が増幅されます。増幅自然放出光（ASE）スペクトルは広い帯域幅（最大 20 ～ 40 nm）を持ち、それぞれ 1530 nm と 1550 nm に対応する 2 つのピークがあります。
の主な利点はEDFA増幅器高い利得、広い帯域幅、高い出力、高いポンピング効率、低い挿入損失、および偏光状態に対する鈍感性が特徴です。
エルビウム添加光ファイバ増幅器の動作原理
エルビウム添加光ファイバ増幅器（EDFA光増幅器）は、主にエルビウム添加光ファイバ（長さ約10～30m）と励起光源で構成されています。動作原理は、エルビウム添加光ファイバが励起光源（波長980nmまたは1480nm）の作用下で誘導放射を発生し、放射光が入力光信号の変化に応じて変化し、入力光信号を増幅することに相当するというものです。実験結果によると、エルビウム添加光ファイバ増幅器の利得は通常15～40dbで、中継距離は100km以上延長できます。そこで、科学者がなぜ光ファイバ増幅器に添加エルビウムを使用して光波の強度を高めることを考えたのかと疑問に思う人もいるでしょう。エルビウムは希土類元素であり、希土類元素には特殊な構造特性があることは周知の事実です。光デバイスに希土類元素を添加することは、光デバイスの性能向上に長年利用されてきたため、偶然の要因ではありません。さらに、なぜポンプ光源の波長は980nmまたは1480nmに選ばれるのでしょうか？実際には、ポンプ光源の波長は520nm、650nm、980nm、1480nmのいずれかを選択できますが、実践では1480nmのポンプ光源の波長がレーザー効率が最も高く、次いで980nmのポンプ光源の波長が効率が高いことが証明されています。
物理的構造
エルビウム添加光ファイバ増幅器（EDFA光増幅器）の基本構造。入力端と出力端にはアイソレータがあり、光信号を一方向に伝送することを目的としています。ポンプ励起器の波長は980nmまたは1480nmで、エネルギーを供給するために使用されます。カプラの機能は、入力光信号とポンプ光をエルビウム添加光ファイバに結合し、エルビウム添加光ファイバの作用によりポンプ光のエネルギーを入力光信号に伝達し、入力光信号のエネルギー増幅を実現します。より高い出力光パワーとより低い雑音指数を得るために、実際に使用されるエルビウム添加光ファイバ増幅器は、互いを分離するために中間にアイソレータを備えた2つ以上のポンプ光源の構造を採用しています。より広く平坦な利得曲線を得るために、利得平坦化フィルタが追加されます。
EDFAは、エルビウムドープ光ファイバ（EDF）、光カプラ（WDM）、光アイソレータ（ISO）、光フィルタ、および励起光源の5つの主要部分で構成されています。一般的に使用される励起光源には980nmと1480nmがあり、これらの2つの励起光源は励起効率が高く、より多く使用されています。980nm励起光源はノイズ係数が低く、1480nm励起光源は励起効率が高く、より大きな出力（980nm励起光源より約3dB高い）を得ることができます。
アドバンテージ
1. 動作波長は、シングルモード ファイバーの最小減衰ウィンドウと一致します。
2. 高い結合効率。ファイバーアンプなので、伝送ファイバーとの結合が容易です。
3. 高いエネルギー変換効率。EDFのコアは伝送ファイバよりも小さく、信号光とポンプ光が同時に伝送されるため、光容量が非常に集中しています。これにより、光と利得媒質であるErイオンとの相互作用が非常に豊かになり、適切な長さのエルビウムドープファイバと相まって、光エネルギーの変換効率が高くなります。
4. 高ゲイン、低ノイズ指数、大出力、チャネル間のクロストークが低い。
5. 安定したゲイン特性：EDFA は温度の影響を受けにくく、ゲインは偏光とほとんど相関がありません。
6. ゲイン機能は、システム ビット レートおよびデータ形式に依存しません。
欠点
1. 非線形効果：EDFAは光ファイバに注入される光パワーを増加させることで光パワーを増幅しますが、光パワーが大きいほど効果的です。光パワーがある程度まで増加すると、光ファイバの非線形効果が発生します。したがって、光ファイバ増幅器を使用する場合は、単一チャネルの入射光パワーの制御値に注意する必要があります。
2. ゲイン波長範囲は固定されています。C バンド EDFA の動作波長範囲は 1530nm ～ 1561nm、L バンド EDFA の動作波長範囲は 1565nm ～ 1625nm です。
3. 利得帯域幅の不均一性：EDFA（エルビウムドープ光ファイバ増幅器）の利得帯域幅は非常に広いものの、EDF自体の利得スペクトルは平坦ではありません。WDMシステムでは、利得を平坦化するために利得平坦化フィルタを使用する必要があります。
4. 光サージ問題：光路が正常な場合、ポンプ光によって励起されたエルビウムイオンは信号光によって運び去られ、信号光の増幅が完了します。入力光が切断された場合、準安定エルビウムイオンが蓄積し続けるため、信号光入力が回復するとエネルギーが急上昇し、光サージが発生します。
5. 光サージの解決策は、EDFA に自動光パワー低減 (APR) または自動光パワーオフ (APSD) 機能を実現することです。つまり、EDFA は入力光がないときに自動的にパワーを低減するか、自動的にパワーをオフにすることで、サージ現象の発生を抑制します。
アプリケーションモード
1. ブースターアンプは、ブースター波後の多波長信号の電力を増幅し、送信するために使用されます。ブースター波後の信号電力は一般的に大きいため、パワーアンプの雑音指数と利得はそれほど高くありません。比較的大きな出力電力を有します。
2. ラインアンプは、パワーアンプの後段で、ライン伝送損失を定期的に補償するために使用されます。通常、比較的小さなノイズ指数と大きな出力光パワーが必要です。
3. プリアンプ：スプリッタの前、ラインアンプの後段に位置し、信号を増幅し、受信機の感度を向上させるために使用されます（光信号対雑音比（OSNR）が要件を満たしている場合、入力電力が大きいほど受信機自体の雑音を抑制し、受信感度を向上させることができます）。また、雑音指数は非常に小さく、出力電力に大きな要件はありません。
投稿日時: 2025年3月17日