Princípio e aplicação do amplificador de fibra dopada com érbio (EDFA)

Princípio e aplicação deAmplificador de fibra dopada com érbio (EDFA)

A estrutura básica deEDFAO amplificador de fibra dopada com érbio é composto principalmente por um meio ativo (fibra de quartzo dopada com dezenas de metros de comprimento, diâmetro do núcleo de 3 a 5 micrômetros e concentração de dopagem de 25 a 1000 x 10⁻⁶), uma fonte de luz de bombeamento (diodo laser de 990 ou 1480 nm), um acoplador óptico e um isolador óptico. A luz de sinal e a luz de bombeamento podem se propagar na mesma direção (bombeamento simultâneo), 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 simultaneamente na fibra de érbio, o íon de érbio é excitado para um nível de alta energia (sistema de três níveis) sob a ação da luz de bombeamento e logo decai para um nível metaestável. Ao retornar ao estado fundamental sob a ação da luz de sinal incidente, o fóton correspondente à luz de sinal é emitido, amplificando assim o sinal. Seu espectro de emissão espontânea amplificada (ASE) possui uma grande largura de banda (até 20-40 nm) e apresenta dois picos correspondentes a 1530 nm e 1550 nm, respectivamente.

As principais vantagens deAmplificador EDFAApresentam alto ganho, grande largura de banda, alta potência de saída, alta eficiência de bombeamento, baixa perda de inserção e insensibilidade aos estados de polarização.

Princípio de funcionamento do amplificador de fibra dopada com érbio

O amplificador de fibra dopada com érbio (Amplificador Óptico EDFAO amplificador de fibra dopada com érbio é composto principalmente por uma fibra dopada com érbio (com cerca de 10 a 30 metros de comprimento) e uma fonte de luz de bombeamento. O princípio de funcionamento é que a fibra dopada com érbio gera radiação estimulada sob a ação da fonte de luz de bombeamento (comprimento de onda de 980 nm ou 1480 nm), e a luz irradiada varia com a mudança do sinal de luz de entrada, o que equivale a amplificar o sinal de luz de entrada. Os resultados mostram que o ganho do amplificador de fibra dopada com érbio geralmente varia de 15 a 40 dB, e a distância de retransmissão pode ser aumentada em mais de 100 km. Assim, surge a pergunta: por que os cientistas pensaram em usar érbio dopado em um amplificador de fibra para aumentar a intensidade das ondas de luz? Sabemos que o érbio é um elemento de terras raras, e elementos de terras raras possuem características estruturais especiais. A dopagem com elementos de terras raras em dispositivos ópticos tem sido usada há muito tempo para melhorar o desempenho desses dispositivos, portanto, esse não é um fator acidental. Além disso, por que o comprimento de onda da fonte de luz de bombeamento foi escolhido em 980 nm ou 1480 nm? Na verdade, o comprimento de onda da fonte de luz de bombeamento pode ser 520 nm, 650 nm, 980 nm e 1480 nm, mas a prática comprovou que a eficiência do laser com fonte de luz de bombeamento de 1480 nm é a mais alta, seguida pela fonte de luz de bombeamento de 980 nm.

Estrutura física

Estrutura básica de um amplificador de fibra dopada com érbio (amplificador óptico EDFA). Há um isolador na entrada e outro na saída, cuja função é garantir a transmissão unidirecional do sinal óptico. O excitador de bombeamento possui um comprimento de onda de 980 nm ou 1480 nm e fornece energia. A função do acoplador é acoplar o sinal óptico de entrada e a luz de bombeamento na fibra dopada com érbio, transferindo a energia da luz de bombeamento para o sinal óptico de entrada através da ação da fibra, de modo a realizar a amplificação de energia do sinal óptico de entrada. Para obter maior potência óptica de saída e menor índice de ruído, o amplificador de fibra dopada com érbio utilizado na prática adota a estrutura de duas ou mais fontes de bombeamento com isoladores entre elas para isolá-las mutuamente. Para obter uma curva de ganho mais ampla e plana, adiciona-se um filtro de equalização de ganho.

O EDFA consiste em cinco partes principais: fibra dopada com érbio (EDF), acoplador óptico (WDM), isolador óptico (ISO), filtro óptico e fonte de bombeamento. As fontes de bombeamento mais comuns são as de 980 nm e 1480 nm, sendo que estas duas possuem maior eficiência de bombeamento e, portanto, são mais utilizadas. O coeficiente de ruído da fonte de bombeamento de 980 nm é menor; a fonte de bombeamento de 1480 nm possui maior eficiência de bombeamento e pode obter uma potência de saída maior (cerca de 3 dB superior à da fonte de bombeamento de 980 nm).

vantagem

1. O comprimento de onda de operação é compatível com a janela de atenuação mínima da fibra monomodo.

2. Alta eficiência de acoplamento. Por ser um amplificador de fibra, o acoplamento com a fibra de transmissão é facilitado.

3. Alta eficiência de conversão de energia. O núcleo da fibra dopada com érbio (EDF) é menor que o da fibra de transmissão, e a luz de sinal e a luz de bombeamento são transmitidas simultaneamente na EDF, de modo que a capacidade óptica é muito concentrada. Isso faz com que a interação entre a luz e o íon de érbio (Er) no meio de ganho seja muito intensa, e, juntamente com o comprimento apropriado da fibra dopada com érbio, resulta em alta eficiência de conversão da energia luminosa.

4. Alto ganho, baixo índice de ruído, grande potência de saída, baixa interferência entre canais.

5. Características de ganho estáveis: o EDFA não é sensível à temperatura e o ganho tem pouca correlação com a polarização.

6. O recurso de ganho é independente da taxa de bits do sistema e do formato de dados.

deficiência

1. Efeito não linear: O EDFA amplifica a potência óptica aumentando a potência óptica injetada na fibra, sendo que quanto maior, melhor. Quando a potência óptica é aumentada até certo ponto, o efeito não linear da fibra óptica se manifesta. Portanto, ao utilizar amplificadores de fibra óptica, deve-se atentar para o valor do controle da potência óptica de entrada em cada canal da fibra.

2. A faixa de comprimento de onda de ganho é fixa: a faixa de comprimento de onda de trabalho do EDFA de banda C é de 1530 nm a 1561 nm; a faixa de comprimento de onda de trabalho do EDFA de banda L é de 1565 nm a 1625 nm.

3. Largura de banda de ganho irregular: A largura de banda de ganho do amplificador de fibra dopada com érbio (EDFA) é muito ampla, mas o espectro de ganho da própria fibra dopada com érbio não é plano. Um filtro de equalização de ganho deve ser adotado para equalizar o ganho em um sistema WDM.

4. Problema de pico de luz: Quando o caminho da luz é normal, os íons de érbio excitados pela luz de bombeamento são transportados pela luz de sinal, completando assim a amplificação do sinal. Se a luz de entrada for interrompida, como os íons de érbio metaestáveis ​​continuam a se acumular, assim que a entrada de luz de sinal for restaurada, haverá um salto de energia, resultando em um pico de luz.

5. A solução para a sobretensão óptica é implementar a função de redução automática de potência óptica (APR) ou desligamento automático de potência óptica (APSD) no EDFA, ou seja, o EDFA reduz automaticamente a potência ou desliga automaticamente a energia quando não há luz de entrada, suprimindo assim a ocorrência do fenômeno de sobretensão.

Modo de aplicação

1. O amplificador de potência é usado para amplificar a potência de sinais de múltiplos comprimentos de onda após a onda amplificadora, e então transmiti-los. Como a potência do sinal após a onda amplificadora é geralmente alta, o índice de ruído e o ganho de um amplificador de potência não são muito elevados. Ele possui uma potência de saída relativamente grande.

2. O amplificador de linha, após o amplificador de potência, é usado para compensar periodicamente a perda de transmissão da linha, geralmente exigindo um índice de ruído relativamente baixo e uma grande potência óptica de saída.

3. Pré-amplificador: Antes do divisor e depois do amplificador de linha, ele é usado para amplificar o sinal e melhorar a sensibilidade do receptor (caso a relação sinal-ruído óptica (OSNR) atenda aos requisitos, uma potência de entrada maior pode suprimir o ruído do próprio receptor e melhorar a sensibilidade de recepção), e o índice de ruído é muito baixo. Não há grande exigência quanto à potência de saída.