1. Classificação deFiberAamplificadores
Existem três tipos principais de amplificadores ópticos:
(1) Amplificador Óptico Semicondutor (SOA, Amplificador Óptico Semicondutor);
(2) Amplificadores de fibra óptica dopados com elementos de terras raras (erbium Er, thulium Tm, praseodímio Pr, rubídio Nd, etc.), principalmente amplificadores de fibra dopados com érbio (EDFA), bem como amplificadores de fibra dopados com túlio (TDFA) e amplificadores de fibra dopados com praseodímio (PDFA), etc.
(3) Amplificadores de fibra óptica não lineares, principalmente amplificadores Raman de fibra óptica (FRA, Fiber Raman Amplifier). A principal comparação de desempenho desses amplificadores ópticos é mostrada na tabela.
EDFA (Amplificador de Fibra Dopada com Érbio)
Um sistema de laser multinível pode ser formado pela dopagem da fibra de quartzo com elementos de terras raras (como Nd, Er, Pr, Tm, etc.), e a luz do sinal de entrada é amplificada diretamente sob a ação da luz de bombeamento. Após fornecer o feedback apropriado, um laser de fibra é formado. O comprimento de onda de trabalho do amplificador de fibra dopado com Nd é de 1060 nm e 1330 nm, e seu desenvolvimento e aplicação são limitados devido ao desvio da melhor porta de recebimento da comunicação por fibra óptica e outros motivos. Os comprimentos de onda de operação do EDFA e do PDFA estão, respectivamente, na janela de menor perda (1550 nm) e comprimento de onda de dispersão zero (1300 nm) da comunicação por fibra óptica, e o TDFA opera na banda S, que é muito adequada para aplicações em sistemas de comunicação por fibra óptica. Especialmente o EDFA, o desenvolvimento mais rápido, tem sido prático.
OPprincípio do EDFA
A estrutura básica do EDFA é mostrada na Figura 1(a), que é composta principalmente de um meio ativo (fibra de sílica dopada com érbio com cerca de dezenas de metros de comprimento, com um diâmetro de núcleo de 3-5 mícrons e uma concentração de dopagem de (25-1000)x10-6), fonte de luz de bombeamento (LD de 990 ou 1480 nm), acoplador óptico e isolador óptico. A luz de sinal e a luz de bombeamento podem se propagar na mesma direção (bombeamento codirecional), em direções opostas (bombeamento reverso) ou em ambas as direções (bombeamento bidirecional) na fibra de érbio. Quando a luz de sinalização e a luz de bombeamento são injetadas na fibra de érbio ao mesmo tempo, os íons de érbio são excitados a um alto nível de energia sob a ação da luz de bombeamento (Figura 1 (b), um sistema de três níveis) e decaem rapidamente para o nível de energia metaestável, quando retornam ao estado fundamental sob a ação da luz de sinalização incidente, emitem fótons correspondentes à luz de sinalização, de modo que o sinal é amplificado. A Figura 1 (c) é seu espectro de emissão espontânea amplificada (ASE) com uma grande largura de banda (até 20-40 nm) e dois picos correspondentes a 1530 nm e 1550 nm, respectivamente.
As principais vantagens do EDFA são alto ganho, grande largura de banda, alta potência de saída, alta eficiência de bombeamento, baixa perda de inserção e insensibilidade ao estado de polarização.
2. Problemas com Amplificadores de Fibra Óptica
Embora o amplificador óptico (especialmente o EDFA) tenha muitas vantagens notáveis, ele não é um amplificador ideal. Além do ruído adicional que reduz a relação sinal-ruído (SNR) do sinal, existem algumas outras desvantagens, como:
- A irregularidade do espectro de ganho dentro da largura de banda do amplificador afeta o desempenho da amplificação multicanal;
- Quando amplificadores ópticos são conectados em cascata, os efeitos do ruído ASE, da dispersão da fibra e dos efeitos não lineares se acumulam.
Essas questões devem ser consideradas no projeto da aplicação e do sistema.
3. Aplicação de Amplificador Óptico em Sistema de Comunicação por Fibra Óptica
No sistema de comunicação por fibra óptica, oAmplificador de Fibra Ópticapode ser usado não apenas como um amplificador de aumento de potência do transmissor para aumentar a potência de transmissão, mas também como um pré-amplificador do receptor para melhorar a sensibilidade de recepção e também pode substituir o repetidor óptico-elétrico-óptico tradicional, para estender a distância de transmissão e realizar comunicação totalmente óptica.
Em sistemas de comunicação por fibra óptica, os principais fatores que limitam a distância de transmissão são a perda e a dispersão da fibra óptica. Utilizando uma fonte de luz de espectro estreito ou trabalhando próximo ao comprimento de onda de dispersão zero, a influência da dispersão da fibra é pequena. Este sistema não precisa realizar a regeneração completa do sinal (relé 3R) em cada estação de retransmissão. Basta amplificar diretamente o sinal óptico com um amplificador óptico (relé 1R). Amplificadores ópticos podem ser usados não apenas em sistemas tronco de longa distância, mas também em redes de distribuição de fibra óptica, especialmente em sistemas WDM, para amplificar múltiplos canais simultaneamente.
1) Aplicação de Amplificadores Ópticos em Sistemas de Comunicação por Fibra Óptica Tronco
A Figura 2 apresenta um diagrama esquemático da aplicação do amplificador óptico no sistema de comunicação de fibra óptica troncal. (a) A figura mostra que o amplificador óptico é usado como amplificador de reforço de potência do transmissor e como pré-amplificador do receptor, de modo que a distância sem relé é dobrada. Por exemplo, adotando EDFA, a transmissão do sistema A distância de 1,8 Gb/s aumenta de 120 km para 250 km ou até mesmo atinge 400 km. As Figuras 2 (b)-(d) mostram a aplicação de amplificadores ópticos em sistemas multirrelé; A Figura (b) mostra o modo de relé 3R tradicional; A Figura (c) mostra o modo de relé misto de repetidores 3R e amplificadores ópticos; A Figura 2 (d) é um modo de relé totalmente óptico; em um sistema de comunicação totalmente óptico, não inclui circuitos de temporização e regeneração, portanto, é transparente em bits e não há restrição de "bigodes eletrônicos". Desde que os equipamentos de envio e recebimento em ambas as extremidades sejam substituídos, é fácil atualizar de uma taxa baixa para uma alta, e o amplificador óptico não precisa ser substituído.
2) Aplicação de Amplificador Óptico em Rede de Distribuição de Fibra Óptica
As vantagens de alta potência de saída dos amplificadores ópticos (especialmente EDFA) são muito úteis em redes de distribuição de banda larga (comoTV a caboRedes). A rede CATV tradicional utiliza cabo coaxial, que precisa ser amplificado a cada centenas de metros, e o raio de cobertura da rede é de cerca de 7 km. A rede CATV de fibra óptica, utilizando amplificadores ópticos, pode não apenas aumentar significativamente o número de usuários distribuídos, como também expandir significativamente o caminho da rede. Desenvolvimentos recentes demonstraram que a distribuição de fibra óptica/híbrida (HFC) aproveita os pontos fortes de ambos e apresenta forte competitividade.
A Figura 4 é um exemplo de uma rede de distribuição de fibra óptica para modulação AM-VSB de 35 canais de TV. A fonte de luz do transmissor é DFB-LD com comprimento de onda de 1550 nm e potência de saída de 3,3 dBm. Utilizando EDFA de 4 níveis como amplificador de distribuição de potência, sua potência de entrada é de cerca de -6 dBm e sua potência de saída é de cerca de 13 dBm. A sensibilidade do receptor óptico é de -9,2 dBm. Após 4 níveis de distribuição, o número total de usuários atingiu 4,2 milhões e o caminho da rede é superior a dezenas de quilômetros. A relação sinal-ruído ponderada do teste foi superior a 45 dB e o EDFA não causou redução no CSO.
Horário da publicação: 23/04/2023