◆Características e aplicações de amplificadores{0}dopados com fibra
Umamplificador ópticoé um dispositivo que pode amplificar diretamente sinais ópticos fracos. Ele amplifica a luz incidente fraca com base nos princípios de emissão estimulada ou espalhamento estimulado, e seu mecanismo é exatamente o mesmo de um laser. Na verdade, estruturalmente, um amplificador óptico é um laser com pouco ou nenhum feedback. O ganho óptico é alcançado quando o meio óptico experimenta inversão de população sob a ação da corrente da bomba ou da luz da bomba, realizando assim a amplificação óptica. Esta seção apresenta tipos de amplificadores ópticos comumente usados e concentra-se nos princípios e aplicações de amplificadores de fibra dopada com érbio-.
Classificação de amplificadores ópticos
Os amplificadores ópticos podem ser amplamente classificados em três tipos com base em seus princípios operacionais
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Esses tipos de amplificadores ópticos diferem em seus princípios operacionais e métodos de excitação.
Princípio de funcionamento do amplificador de fibra com lastro
Estrutura EDFA
Um amplificador de fibra dopada com érbio (EDFA) é um dispositivo que usa fibra dopada com érbio como meio de ganho para amplificar a luz do sinal usando luz de bomba emitida por um diodo laser. A estrutura de um amplificador de fibra dopada com érbio-é mostrada na figura.
Um multiplexador por divisão de comprimento de onda, também conhecido como multiplexador, combina luz de bomba e luz de sinal de comprimentos de onda de 980/1550 nm ou 1480/1550 nm antes de alimentá-los em uma fibra dopada com érbio-. Requer baixa perda de inserção e insensibilidade à polarização da luz.
Um isolador óptico garante a transmissão unidirecional da luz, evitando a reflexão da luz de volta ao dispositivo original, pois tal reflexão aumenta o ruído do amplificador e reduz a eficiência da amplificação.
A função de um filtro óptico é filtrar o ruído fora da largura de banda operacional de um amplificador óptico, melhorando assim a relação sinal-para{1}}ruído do sistema.
A fibra dopada com érbio-é o componente principal de um EDFA (amplificador dopado-de eletrio). Ele usa fibra de sílica como matriz e dopa o núcleo com íons de érbio, um material de trabalho a laser em estado sólido. Dentro dos vários metros a dezenas de metros de fibra dopada com érbio-, a luz interage com a matéria e é amplificada e aprimorada.
O diâmetro de campo modal (MFD) da fibra dopada com érbio-é de 3 a 6 μm, muito menor que o da fibra convencional (9 a 16 μm). Isso aumenta a densidade de energia da luz de sinalização e da luz da bomba, melhorando assim sua eficiência de interação. No entanto, o diâmetro reduzido do núcleo da fibra dopada com érbio-também leva a uma incompatibilidade de campo de modo com a fibra convencional, resultando em maior reflexão e perda de conexão. A solução é dopar a fibra com uma pequena quantidade de flúor para diminuir o índice de refração, aumentando assim o diâmetro do campo modal para atingir um nível de correspondência com a fibra convencional. Além disso, durante a emenda por fusão, a incompatibilidade do diâmetro do campo modal pode ser reduzida usando fibras de transição ou alongando o conector de fibra convencional para reduzir o diâmetro do núcleo.
Para obter uma amplificação mais eficiente, durante a fabricação de fibras dopadas com érbio-, a maioria dos íons está concentrada na região central do núcleo da fibra. Isso ocorre porque, nas fibras ópticas, os campos de luz do sinal e da luz da bomba podem ser considerados com distribuição aproximadamente gaussiana, com a intensidade de luz mais forte ao longo do eixo do núcleo da fibra. A presença de íons molibdênio na região paraxial permite maior interação entre luz e matéria, melhorando assim a eficiência de conversão de energia. Dependendo da aplicação de amplificadores de fibra dopada com érbio (EDFAs), vários tipos de fibras dopadas com érbio estão disponíveis para projeto de EDFA. Por exemplo, o tipo EDF-PAX-01 é usado para projetar amplificadores e pré-amplificadores em-circuitos, exibindo uma largura de banda de ganho ampla e plana; o tipo EDF-LAX-01 pode ser usado em amplificadores de circuito, oferecendo alta eficiência de conversão de potência e baixo ruído; e o tipo EDF-BAX-01 fornece alta potência de saída, etc.
Parâmetros básicos de fibras dopadas com érbio-
| Parâmetro | EDF-PAX-01 | FED-LAX-01 | FED-BAX-01 | EDF-HCX-01 |
|---|---|---|---|---|
| Abertura Numérica (NA) | 0.24 ± 0.02 | 0.24 ± 0.02 | 0.22 ± 0.02 | 0.24 ± 0.02 |
| Cortar-comprimento de onda (nm) | 953 ± 35 | 953 ± 35 | 920 ± 40 | 920 ± 40 |
| Absorção central de pico a 1530 nm (dB/m) | Menor ou igual a 1529,5 | 1530.5 ± 0.5 | 1531 ± 0.5 | 1530 ± 1 |
| Atenuação de pico a 980 nm (dB/m) | 7 ± 2 | 7 ± 2 | 5 ± 2 | 8.5 ± 2 |
| Atenuação @ 980 nm (dB/m) | 5 ± 1.5 | 5 ± 1.5 | 3.55 ± 1.5 | 8.5 ± 2 |
| Perda de fundo a 1200 nm (dB/km) | < 35 | < 15 | < 15 | < 15 |
| Potência saturada a 1530 nm (mW) | 0.17 | 0.15 | 0.18 | 0.20 |
| Diâmetro de campo do modo @ 1550 nm (μm) | 4.8 ~ 5.9 | 4.8 ~ 5.9 | 5.2 ~ 6.6 | 4.8 ~ 6 |
A fonte da bomba é outro componente principal do EDFA (amplificador de fibra óptica dopado eletro{{0}). Fornece energia suficiente para amplificação do sinal óptico, condição necessária para alcançar a inversão populacional das partículas ativadoras. Como a fonte da bomba determina diretamente o desempenho do EDFA, é necessário que ele tenha alta potência de saída, boa estabilidade e longa vida útil. As fontes práticas de bomba EDFA são todas diodos laser, com comprimentos de onda de bomba de 980nm e 1480nm. A fonte de bomba de 980 nm é mais comumente usada devido às suas vantagens de baixo ruído, alta eficiência da bomba e potência de até várias centenas de miliwatts.
A luz e o sinal da bomba entram na fibra óptica simultaneamente. A luz da bomba é mais forte na entrada da fibra-dopada com érbio. À medida que se propaga ao longo da fibra, transfere gradualmente energia para a luz do sinal, aumentando a intensidade do sinal enquanto a sua própria intensidade diminui gradualmente.
A potência de saída e as características de ruído sob diferentes métodos de bombeamento são comparadas nas figuras a seguir. A Figura a mostra a relação entre a potência do sinal óptico de saída e a potência óptica da bomba; as eficiências de conversão diferencial dos três métodos de bombeamento são 61%, 76% e 77%, respectivamente. A Figura b mostra a relação entre o valor do ruído e a potência óptica de saída do amplificador. À medida que a potência óptica de saída aumenta, o número de inversão de partículas diminui, resultando em um aumento no valor do ruído. A Figura c mostra a relação entre a figura do ruído e o comprimento da fibra dopada com érbio-. Como pode ser visto na figura, independentemente do comprimento da fibra dopada com érbio-, o EDFA com o método de bombeamento co-direcional tem o menor ruído.
