एर्बियम-डोप्ड फाइबर एम्पलीफायर (ईडीएफए)

एर्बियम-डॉप्ड फाइबर एम्पलीफायर (ईडीएफए) प्रवर्धन माध्यम के रूप में एरबियम (ईआर3+) जैसे दुर्लभ-पृथ्वी तत्वों का उपयोग करते हैं।विनिर्माण प्रक्रिया के दौरान इसे फाइबर कोर में मिलाया जाता है।इसमें कांच से बना फाइबर का एक छोटा टुकड़ा (आमतौर पर 10 मीटर या उससे अधिक) होता है जिसमें आयन (ईआर 3+) के रूप में डोपेंट के रूप में एरोबियम की एक छोटी नियंत्रित मात्रा डाली जाती है।इस प्रकार, सिलिका फाइबर एक मेजबान माध्यम के रूप में कार्य करता है।यह सिलिका फाइबर के बजाय डोपेंट (एर्बियम) है जो ऑपरेटिंग तरंग दैर्ध्य और लाभ बैंडविड्थ निर्धारित करता है।ईडीएफए आम तौर पर 1550 एनएम तरंग दैर्ध्य क्षेत्र में काम करते हैं और 1 टीबीपीएस से अधिक क्षमता प्रदान कर सकते हैं।इसलिए, इन्हें WDM सिस्टम में व्यापक रूप से उपयोग किया जाता है।

उत्तेजित उत्सर्जन का सिद्धांत ईडीएफए के प्रवर्धन तंत्र के लिए लागू है।जब डोपेंट (एर्बियम आयन) उच्च-ऊर्जा अवस्था में होता है, तो इनपुट ऑप्टिकल सिग्नल का एक आपतित फोटॉन इसे उत्तेजित करेगा।यह अपनी कुछ ऊर्जा डोपेंट को छोड़ता है और कम ऊर्जा वाली स्थिति ("उत्तेजित उत्सर्जन") में लौट आता है जो अधिक स्थिर होती है।नीचे दिया गया चित्र EDFA की मूल संरचना को दर्शाता है।

1.1 ईडीएफए की मूल संरचना

पंप लेजर डायोड आम तौर पर उच्च शक्ति (~ 10-200 मेगावाट) पर तरंग दैर्ध्य (या तो 980 एनएम या 1480 एनएम) का एक ऑप्टिकल सिग्नल उत्पन्न करता है।यह सिग्नल WDM कपलर के माध्यम से सिलिका फाइबर के एर्बियमडॉप्ड सेक्शन में प्रकाश इनपुट सिग्नल के साथ जुड़ा हुआ है।एरबियम आयन इस पंप सिग्नल ऊर्जा को अवशोषित करेंगे और अपनी उत्तेजित अवस्था में पहुंच जाएंगे।आउटपुट लाइट सिग्नल का एक हिस्सा टैप किया जाता है और ऑप्टिकल फिल्टर और डिटेक्टर के माध्यम से पंप लेजर के इनपुट पर वापस फीड किया जाता है।यह फीडबैक पावर नियंत्रण तंत्र के रूप में कार्य करता है ताकि ईडीएफए को स्व-विनियमन एम्पलीफायर बनाया जा सके।जब सभी मेटास्टेबल इलेक्ट्रॉनों का उपभोग हो जाता है तो आगे कोई प्रवर्धन नहीं होता है।इसलिए, सिस्टम स्वचालित रूप से स्थिर हो जाता है क्योंकि इनपुट पावर में उतार-चढ़ाव, यदि कोई हो, के बावजूद ईडीएफए की आउटपुट ऑप्टिकल पावर लगभग स्थिर रहती है।

1.2 ईडीएफए का सरलीकृत कार्यात्मक योजनाबद्ध

उपरोक्त आंकड़ा एक ईडीएफए की सरलीकृत कार्यात्मक योजना को दर्शाता है जिसमें लेजर से एक पंप सिग्नल को डब्ल्यूडीएम कपलर के माध्यम से इनपुट ऑप्टिकल सिग्नल (1480 एनएम या 980 एनएम पर) में जोड़ा जाता है।

यह आरेख एक बहुत ही बुनियादी ईडीएफ एम्पलीफायर दिखाता है।पंप सिग्नल की तरंग दैर्ध्य (लगभग 50 मेगावाट की पंप शक्ति के साथ) 1480 एनएम या 980 एनएम है।इस पंप सिग्नल का कुछ हिस्सा एर्बियम-डोप्ड फाइबर की एक छोटी लंबाई के भीतर उत्तेजित उत्सर्जन द्वारा इनपुट ऑप्टिकल सिग्नल में स्थानांतरित किया जाता है।इसमें लगभग 5-15 डीबी का विशिष्ट ऑप्टिकल लाभ और 10 डीबी से कम शोर का आंकड़ा है।1550 एनएम ऑपरेशन के लिए, 30-40 डीबी ऑप्टिकल लाभ प्राप्त करना संभव है।

1.3 ईडीएफए का व्यावहारिक कार्यान्वयन

उपरोक्त चित्र WDM अनुप्रयोग में उपयोग किए जाने पर इसकी व्यावहारिक संरचना के साथ EDFA के सरलीकृत संचालन को दर्शाता है।

जैसा कि दिखाया गया है, इसमें निम्नलिखित प्रमुख भाग शामिल हैं:

• इनपुट पर एक आइसोलेटर।यह EDFA द्वारा उत्पन्न शोर को ट्रांसमीटर सिरे की ओर फैलने से रोकता है।

• एक WDM युग्मक.यह 980 एनएम तरंग दैर्ध्य पर कम-शक्ति 1550 एनएम ऑप्टिकल इनपुट डेटा सिग्नल को उच्च-शक्ति पंपिंग ऑप्टिकल सिग्नल (लेजर जैसे पंप स्रोत से) के साथ जोड़ता है।

• एर्बियम-डॉप्ड सिलिका फाइबर का एक छोटा सा खंड।वास्तव में, यह EDFA के सक्रिय माध्यम के रूप में कार्य करता है।

• आउटपुट पर एक आइसोलेटर।यह किसी भी बैक-रिफ्लेक्टेड ऑप्टिकल सिग्नल को एर्बियम-डॉप्ड सिलिका फाइबर में प्रवेश करने से रोकने में मदद करता है।

अंतिम आउटपुट सिग्नल एक प्रवर्धित 1550 एनएम तरंग दैर्ध्य ऑप्टिकल डेटा सिग्नल है जिसमें अवशिष्ट 980 एनएम तरंग दैर्ध्य पंप सिग्नल है।

एर्बियम-डोपेड फाइबर एम्पलीफायरों (ईडीएफए) के प्रकार

एर्बियम-डोपेड फाइबर एम्पलीफायरों (ईडीएफए) की दो प्रकार की संरचनाएं हैं:

• सह-प्रसार पंप के साथ ईडीएफए

• काउंटर-प्रोपेगेटिंग पंप के साथ ईडीएफए

नीचे दिया गया आंकड़ा काउंटर-प्रोपेगेटिंग पंप और द्विदिश पंप व्यवस्था को दर्शाता है जिसका उपयोग ईडीएफए संरचनाओं में किया जा सकता है।

विभिन्न पंप व्यवस्थाएँ

एक सह-प्रसार पंप ईडीएफए में कम शोर के साथ कम आउटपुट ऑप्टिकल पावर की सुविधा है;जबकि एक काउंटर-प्रोपेगेटिंग पंप ईडीएफए उच्च आउटपुट ऑप्टिकल पावर प्रदान करता है लेकिन अधिक शोर भी पैदा करता है।एक विशिष्ट वाणिज्यिक ईडीएफए में, एक साथ सह-प्रसार और प्रति-प्रसार पंपिंग के साथ एक द्वि-दिशात्मक पंप का उपयोग किया जाता है जिसके परिणामस्वरूप अपेक्षाकृत समान ऑप्टिकल लाभ होता है।

बूस्टर, इन-लाइन और प्री-एम्प्लीफायर के रूप में ईडीएफए का अनुप्रयोग

ऑप्टिकल फाइबर संचार लिंक के लंबे समय तक चलने वाले अनुप्रयोग में, ईडीएफए का उपयोग ऑप्टिकल ट्रांसमीटर के आउटपुट पर बूस्टर एम्पलीफायर के रूप में किया जा सकता है, ऑप्टिकल फाइबर के साथ-साथ एक इन-लाइन ऑप्टिकल एम्पलीफायर के साथ-साथ प्री-एम्प्लीफायर के ठीक पहले भी इस्तेमाल किया जा सकता है। रिसीवर, जैसा कि उपरोक्त चित्र में दिखाया गया है।

यह ध्यान दिया जा सकता है कि इन-लाइन ईडीएफए को फाइबर हानि के आधार पर 20-100 किमी की दूरी पर रखा जाता है।ऑप्टिकल इनपुट सिग्नल 1.55 μm तरंग दैर्ध्य पर है, जबकि पंप लेजर 1.48 μm या 980 एनएम तरंग दैर्ध्य पर काम करते हैं।एर्बियम-डोप्ड फाइबर की सामान्य लंबाई 10-50 मीटर है।

ईडीएफए में प्रवर्धन तंत्र

जैसा कि पहले कहा गया है, ईडीएफए में प्रवर्धन तंत्र लेजर के समान उत्तेजित उत्सर्जन पर आधारित है।ऑप्टिकल पंप सिग्नल से उच्च ऊर्जा (किसी अन्य लेजर द्वारा उत्पादित) ऊपरी ऊर्जा अवस्था में सिलिका फाइबर में डोपेंट एरबियम आयनों (ईआर 3+) को उत्तेजित करती है।इनपुट ऑप्टिकल डेटा सिग्नल उत्तेजित एर्बियम आयनों के निम्न ऊर्जा अवस्था में संक्रमण को उत्तेजित करता है और परिणामस्वरूप समान ऊर्जा वाले फोटॉन का विकिरण होता है, यानी, इनपुट ऑप्टिकल सिग्नल के समान तरंग दैर्ध्य।

ऊर्जा-स्तर आरेख: मुक्त एर्बियम आयन ऊर्जा बैंड के अलग-अलग स्तर प्रदर्शित करते हैं।जब एर्बियम आयनों को सिलिका फाइबर में डाला जाता है, तो उनका प्रत्येक ऊर्जा स्तर कई निकट से संबंधित स्तरों में विभाजित हो जाता है ताकि एक ऊर्जा बैंड बन सके।

1.4 ईडीएफए में प्रवर्धन तंत्र

जनसंख्या व्युत्क्रम प्राप्त करने के लिए, ईआर3+ आयनों को मध्यवर्ती स्तर 2 पर पंप किया जाता है। अप्रत्यक्ष विधि (980-एनएम पंपिंग) में, ईआर3+ आयनों को लगातार स्तर 1 से स्तर 3 तक ले जाया जाता है। इसके बाद गैर-विकिरणीय क्षय से स्तर 2 तक होता है जहां वे स्तर 1 तक गिर जाते हैं, 1500-1600 एनएम की वांछित तरंग दैर्ध्य में ऑप्टिकल सिग्नल उत्सर्जित करते हैं।इसे 3-स्तरीय प्रवर्धन तंत्र के रूप में जाना जाता है।

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