Componentes ópticos avançados - amplificador de fibra dopada com érbio (EDFA)
Muitas aplicações de fibra ótica, como sistemas DWDM de longa distância, exigem amplificação do sinal óptico. No passado, isso exigia o uso de repetidores eletrônicos caros em pontos intermediários a cada 100 km. Os modernos sistemas DWDM de longa distância atuais usam vários componentes ópticos avançados para substituir vários repetidores por um único dispositivo óptico. Esses dispositivos ópticos que são chamados de amplificadores ópticos , antes apenas curiosidades de laboratório, agora são amplamente usados em implantações de campo. Um dos amplificadores ópticos mais comuns é o amplificador de fibra dopada com érbio (EDFA).
Os pesquisadores desenvolveram o EDFA para substituir vários repetidores eletrônicos com menos repetidores ópticos, reduzindo, em geral, o custo e a complexidade do sistema. Os EDFAs também permitem atualizações simples do sistema adicionando fontes adicionais a diferentes comprimentos de onda e combinando-os em uma única fibra usando um multiplexador DWDM .
A fibra usada em um EDFA é dopada com érbio, um elemento de terra rara que possui os níveis de energia apropriados em sua estrutura atômica para amplificar a luz em 1550 nm. Um laser “bomba” de 980 nm ou 1480 nm injeta energia na fibra dopada com érbio. Quando um sinal fraco a 1550 nm entra na fibra, a luz estimula os átomos de érbio a liberarem sua energia armazenada como luz adicional de 1550 nm. Esse processo continua à medida que o sinal passa pela fibra, ficando cada vez mais forte até atingir a região dopada com érbio.
A figura abaixo mostra um EDFA de dois estágios com acesso intermediário, um elemento importante dos sistemas de fibra ótica de altíssimo desempenho. Nesse caso, dois EDFAs simples de estágio único são empacotados juntos. O usuário recebe a saída do primeiro estágio do EDFA e a entrada do segundo estágio do EDFA. Esses sistemas geralmente exigem o uso periódico de elementos adicionais, como Fibra de Compensação por Dispersão (DCF), para reduzir a dispersão geral. Uma alta perda de inserção de 10 dB ou mais torna o DCF problemático. Colocar o DCF no ponto de acesso intermediário do EDFA de dois estágios reduz os efeitos prejudiciais no sistema. O usuário ainda obtém ganhos significativos através do EDFA, mesmo com o acréscimo da peça de alta perda óptica do DCF.
Na figura, a entrada óptica passa primeiro pelo isolador óptico # 1, que permite que a luz passe da esquerda para a direita. Em seguida a luz passa pelo WDM # 1. O WDM # 1 fornece um meio de injetar o comprimento de onda da bomba de 980 nm no primeiro comprimento da fibra dopada com érbio. O WDM # 1 também permite o acoplamento do sinal de entrada óptica na fibra dopada com érbio com perda óptica mínima.
A energia de 980 nm bombeia os átomos de érbio em um estado excitado lentamente em decomposição. Quando a luz na banda de 1550 nm percorre a fibra dopada com érbio, que normalmente tem dezenas de metros de comprimento, causa a emissão estimulada de radiação, muito semelhante a um laser. Desta forma, o sinal de entrada óptica de 1550 nm ganha força. A saída da fibra dopada com érbio passa pelo isolador óptico # 2, que fica disponível para o usuário. Normalmente, o ponto de acesso no meio do palco se conecta a algum tipo de dispositivo de compensação de dispersão. A luz então viaja através do isolador # 3 e do WDM # 2. WDM # 2 conjuga 1480 nm de energia de um segundo laser de bomba para a outra extremidade de um segundo comprimento de fibra dopada com érbio, aumentando o ganho e a potência de saída. Finalmente a luz viaja através do isolador # 4.
Os EDFAs evitam a maioria dos componentes ativos porque os fótons amplificam o sinal. O EDFA fornece uma alta potência de saída, exigindo menos amplificadores em um determinado design de sistema. Os amplificadores de design EDFA mais básicos iluminam uma faixa bastante estreita: 12 nm. A adição de filtros de equalização de ganho pode aumentar a banda para mais de 25 nm. Outras fibras dopadas exóticas aumentam a banda de amplificação para 40 nm ou mais. Além disso, a independência da taxa de dados nos EDFAs significa que uma atualização do sistema requer a alteração apenas dos terminais de lançamento e recepção.
O desempenho confiável do EDFA o torna útil em sistemas de comunicação de fibra ótica de dados longos e de alta taxa de dados e sistemas de entrega de CATV. Em aplicações de CATV, os EDFAs aumentam o sinal antes e depois de um divisor óptico para amplificar o sinal dividido para transmissão por várias fibras. Veja os detalhes do produto do amplificador CATV aqui. Em geral, existem quatro aplicações principais para amplificadores ópticos: amplificador / amplificador de potência, amplificador em linha, pré-amplificador ou compensações de perda para redes ópticas.