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 (érbio Er, túlio Tm, praseodímio Pr, rubídio Nd, etc.), principalmente amplificadores de fibra dopados com érbio (EDFA), bem como amplificadores de fibra dopada com túlio (TDFA) e amplificadores de fibra dopada com praseodímio (PDFA), etc.
(3) Amplificadores de fibra não lineares, principalmente amplificadores Raman de fibra (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 laser multinível pode ser formado dopando-se a fibra de quartzo com elementos de terras raras (como Nd, Er, Pr, Tm, etc.), e a luz do sinal de entrada é amplificada diretamente pela ação da luz de bombeamento. Após o fornecimento de realimentação adequada, forma-se um laser de fibra. O comprimento de onda de operação do amplificador de fibra dopada com Nd é de 1060 nm e 1330 nm, e seu desenvolvimento e aplicação são limitados devido ao desvio da melhor porta de absorção da comunicação por fibra óptica, entre outros fatores. Os comprimentos de onda de operação do EDFA e do PDFA estão, respectivamente, na janela de menor perda (1550 nm) e de dispersão zero (1300 nm) da comunicação por fibra óptica, e o TDFA opera na banda S, sendo muito adequado para aplicações em sistemas de comunicação por fibra óptica. O EDFA, em particular, é o que apresenta o desenvolvimento mais rápido e já se tornou viável na prática.
OPPrincípio do EDFA
A estrutura básica do EDFA é mostrada na Figura 1(a), que é composta principalmente por um meio ativo (fibra de sílica dopada com érbio com cerca de dezenas de metros de comprimento, com um diâmetro de núcleo de 3 a 5 micrômetros 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 sinal e a luz de bombeamento são injetadas na fibra de érbio simultaneamente, os íons de érbio são excitados para um nível de alta 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 sinal incidente, emitem fótons correspondentes à luz de sinal, amplificando assim o sinal. A Figura 1 (c) mostra o 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) possua 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, tais 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 de aplicativos e sistemas.
3. Aplicação do amplificador óptico em sistemas de comunicação por fibra óptica
No sistema de comunicação por fibra óptica, oAmplificador de fibra ópticaPode ser usado não apenas como um amplificador de potência do transmissor para aumentar a potência de transmissão, mas também como um pré-amplificador do receptor para melhorar a sensibilidade de recepção, podendo ainda 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. Utilizando uma fonte de luz de espectro estreito ou operando próximo ao comprimento de onda de dispersão zero, a influência da dispersão da fibra é pequena. Este sistema não necessita realizar a regeneração completa do sinal (relé 3R) em cada estação repetidora. É suficiente amplificar diretamente o sinal óptico com um amplificador óptico (relé 1R). Amplificadores ópticos podem ser utilizados não apenas em sistemas de longa distância, mas também em redes de distribuição por fibra óptica, especialmente em sistemas WDM, para amplificar múltiplos canais simultaneamente.
1) Aplicação de amplificadores ópticos em sistemas de comunicação por fibra óptica de longa distância
A Figura 2 é um diagrama esquemático da aplicação do amplificador óptico em um sistema de comunicação por fibra óptica de longa distância. (a) A figura mostra que o amplificador óptico é usado como amplificador de reforço de potência do transmissor e pré-amplificador do receptor, de forma a dobrar a distância sem necessidade de retransmissão. Por exemplo, adotando um EDFA, a transmissão do sistema é otimizada. A distância de 1,8 Gb/s aumenta de 120 km para 250 km ou até mesmo atinge 400 km. A Figura 2 (b)-(d) mostra a aplicação de amplificadores ópticos em sistemas de múltiplos repetidores; a Figura (b) representa o modo de retransmissão 3R tradicional; a Figura (c) representa o modo de retransmissão misto de repetidores 3R e amplificadores ópticos; a Figura 2 (d) representa um modo de retransmissão totalmente óptico; em um sistema de comunicação totalmente óptico, não há circuitos de temporização e regeneração, portanto, ele é transparente em termos de bits e não há restrição de "bigode eletrônico". Basta substituir os equipamentos de transmissão e recepção em ambas as extremidades para atualizar de uma taxa baixa para uma taxa alta, sem a necessidade de substituir o amplificador óptico.
2) Aplicação de amplificadores ópticos em redes 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 (como, por exemplo, redes de distribuição de banda larga).CATVRedes). A rede CATV tradicional adota cabo coaxial, que precisa ser amplificado a cada algumas 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, não só aumenta significativamente o número de usuários distribuídos, como também expande consideravelmente o alcance da rede. Desenvolvimentos recentes demonstraram que a distribuição por fibra óptica/híbrida (HFC) reúne os pontos fortes de ambas as tecnologias e apresenta forte competitividade.
A Figura 4 mostra 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 um laser DFB com comprimento de onda de 1550 nm e potência de saída de 3,3 dBm. Utilizando um amplificador de distribuição de potência EDFA de 4 níveis, sua potência de entrada é de aproximadamente -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 percurso 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 sinal de canal único (CSO).
Data da publicação: 23/04/2023