Amplificadores de fibra dopada com érbio (EDFAs)

Amplificadores de fibra dopada com érbio (EDFAs) fazem uso de elementos de terras raras, como érbio (Er3+) como meio de amplificação.É dopado no núcleo da fibra durante o processo de fabricação.Consiste em um pequeno pedaço de fibra (normalmente 10 m ou mais) feito de vidro no qual uma pequena quantidade controlada de érbio é adicionada como dopante na forma de um íon (Er3+).Assim, a fibra de sílica atua como um meio hospedeiro.São os dopantes (érbio) em vez da fibra de sílica que determinam o comprimento de onda operacional e a largura de banda de ganho.Os EDFAs geralmente operam na região de comprimento de onda de 1550 nm e podem oferecer capacidades superiores a 1 Tbps.Assim, eles são amplamente utilizados em sistemas WDM.

O princípio da emissão estimulada é aplicável ao mecanismo de amplificação do EDFA.Quando o dopante (um íon de érbio) está em um estado de alta energia, um fóton incidente do sinal óptico de entrada o estimulará.Ele libera parte de sua energia para o dopante e retorna a um estado de menor energia (“emissão estimulada”) que é mais estável.A figura abaixo mostra a estrutura básica de um EDFA.

1.1 Estrutura básica de um EDFA

O diodo laser da bomba normalmente produz um sinal óptico de comprimento de onda (em 980 nm ou 1480 nm) em alta potência (~ 10–200 mW).Este sinal é acoplado ao sinal de entrada de luz na seção dopada com érbio da fibra de sílica através do acoplador WDM.Os íons de érbio absorverão a energia do sinal da bomba e saltarão para seu estado excitado.Uma parte do sinal de luz de saída é captada e realimentada na entrada do laser da bomba através do filtro óptico e do detector.Isso serve como mecanismo de controle de potência de feedback para tornar os EDFAs como amplificadores autorregulados.Quando todos os elétrons metaestáveis ​​são consumidos, nenhuma amplificação adicional ocorre.Portanto, o sistema se estabiliza automaticamente porque a potência óptica de saída do EDFA permanece quase constante, independentemente da flutuação da potência de entrada, se houver.

1.2 Esquema funcional simplificado de um EDFA

A figura acima mostra o esquema funcional simplificado de um EDFA no qual um sinal de bombeamento do laser é adicionado a um sinal óptico de entrada (a 1480 nm ou 980 nm) por meio de um acoplador WDM.

Este diagrama mostra um amplificador EDF muito básico.O comprimento de onda do sinal da bomba (com potência da bomba de cerca de 50 mW) é ​​1480 nm ou 980 nm.Alguma parte deste sinal de bomba é transferida para o sinal óptico de entrada por emissão estimulada dentro de um curto comprimento de fibra dopada com érbio.Possui ganho óptico típico de cerca de 5 a 15 dB e menos de 10 dB de figura de ruído.Para operação em 1550 nm, é possível obter ganho óptico de 30 a 40 dB.

1.3 Realização prática de um EDFA

A figura acima representa uma operação simplificada de um EDFA com sua estrutura prática quando usado na aplicação WDM.

Como mostrado, ele inclui as seguintes partes principais:

• Um isolador na entrada.Isso evita que o ruído gerado por um EDFA se propague em direção à extremidade do transmissor.

• Um acoplador WDM.Ele combina o sinal de dados de entrada óptica de 1550 nm de baixa potência com o sinal óptico de bombeamento de alta potência (da fonte da bomba, como o laser) no comprimento de onda de 980 nm.

• Uma pequena seção de fibra de sílica dopada com érbio.Na verdade, isso serve como meio ativo do EDFA.

• Um isolador na saída.Isso ajuda a evitar que qualquer sinal óptico retrorrefletido entre na fibra de sílica dopada com érbio.

O sinal de saída final é um sinal de dados óptico de comprimento de onda de 1550 nm amplificado com um sinal de bomba de comprimento de onda residual de 980 nm.

Tipos de amplificadores de fibra dopada com érbio (EDFAs)

Existem dois tipos de estruturas de amplificadores de fibra dopada com érbio (EDFAs):

• EDFA com bomba de copropagação

• EDFA com bomba de contrapropagação

A figura abaixo mostra arranjos de bombas de contrapropagação e bombas bidirecionais que podem ser usadas em estruturas EDFA.

Diferentes arranjos de bombas

Uma bomba de copropagação EDFA apresenta menor potência óptica de saída com baixo ruído;enquanto uma bomba de contrapropagação EDFA fornece maior potência óptica de saída, mas também produz maior ruído.Em um EDFA comercial típico, é usada uma bomba bidirecional com bombeamento simultâneo de copropagação e contrapropagação, o que resulta em um ganho óptico relativamente uniforme.

Aplicação de EDFA como booster, in-line e pré-amplificador

Em uma aplicação de longa distância de um link de comunicação de fibra óptica, os EDFAs podem ser usados ​​como um amplificador de reforço na saída do transmissor óptico, um amplificador óptico em linha junto com a fibra óptica, bem como um pré-amplificador logo antes do receptor, como mostrado na figura acima.

Pode-se notar que os EDFAs em linha são colocados a uma distância de 20 a 100 km, dependendo da perda de fibra.O sinal de entrada óptica está no comprimento de onda de 1,55 μm, enquanto os lasers da bomba operam em 1,48 μm ou 980 nm de comprimento de onda.O comprimento típico da fibra dopada com érbio é de 10 a 50 m.

Mecanismo de amplificação em EDFAs

Como afirmado anteriormente, o mecanismo de amplificação em um EDFA é baseado na emissão estimulada semelhante à do laser.A alta energia do sinal da bomba óptica (produzida por outro laser) excita os íons de érbio dopante (Er3+) em uma fibra de sílica no estado de energia superior.O sinal óptico de dados de entrada estimula a transição dos íons excitados de Érbio para o estado de menor energia e resulta na radiação de fótons com a mesma energia, ou seja, o mesmo comprimento de onda do sinal óptico de entrada.

Diagrama de nível de energia: Os íons de érbio livre exibem níveis discretos da banda de energia.Quando os íons de érbio são dopados em uma fibra de sílica, cada um de seus níveis de energia se divide em vários níveis intimamente relacionados, de modo a formar uma banda de energia.

1.4 Mecanismo de amplificação em EDFA

Para atingir a inversão populacional, os íons Er3+ são bombeados no nível intermediário 2. No método indireto (bombeamento de 980 nm), os íons Er3+ são continuamente movidos do nível 1 para o nível 3. É seguido por um decaimento não radiativo para o nível 2, de onde caem para o nível 1, irradiando os sinais ópticos no comprimento de onda desejado de 1500–1600 nm.Isso é conhecido como mecanismo de amplificação de 3 níveis.

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