Instrução para a tecnologia EDFA (amplificador de fibra dopada com érbio)

Amplificadores de fibra dopada com érbio (EDFAs) têm sido uma tecnologia chave para redes de comunicação óptica após o início dos anos 90, eles incluem a maioria de todos os amplificadores ópticos implantados no campo. Agora vamos fornecer uma explicação da tecnologia EDFA e quanto ao conhecimento básico de EDFA, consulte o Tutorial da Fiber-Mart "Princípios e Aplicações de EDFA".

Noções básicas de EDFA

Princípio Físico do EDFA

O ponto da tecnologia EDFA é a fibra dopada com érbio (EDF), que é uma fibra de sílica tradicional dopada com érbio. Quando o érbio no comprimento de onda adequado (980 nm ou 1480 nm) é excitado para um estado intermediário de longa vida (veja a figura abaixo), então ele decai de volta ao estado fundamental emitindo luz dentro da banda de 1525-1565 nm. Se já existir energia luminosa na banda de 1525-1565 nm, por exemplo, devido a um canal de sinal que passa pelo EDF, isso estimula o processo de decaimento (chamado de emissão estimulada), resultando em energia luminosa adicional. Assim, se um comprimento de onda da bomba e um comprimento de onda do sinal estiverem se propagando simultaneamente através de um EDF, a transferência de energia ocorrerá via Erbio do comprimento de onda da bomba para o comprimento de onda do sinal, resultando na amplificação do sinal.

Projeto EDFA Básico

O EDFA mais comum inclui EDF (normalmente 10-30m), um laser de bomba e WDM para sinal combinado e comprimento de onda da bomba, para fazê-los passar pelo EDF. Em princípio, os EDFAs podem ser projetados de modo que a energia da bomba se propague na mesma direção do sinal, apenas bombeando para frente e na direção oposta ao sinal e apenas bombeando para trás, ou se combiná-los, a energia da bomba pode ser de 980nm de energia da bomba, 1480nm bomba de energia. Na verdade, a configuração EDFA mais comum usa energia de bomba de 980 nm (como mostrado na figura). Essa configuração faz uso máximo de diodos laser de bomba semicondutora de 980 nm econômicos, confiáveis e com baixo consumo de energia, fornecendo assim o melhor design geral com relação ao desempenho e compensações de custo.

Exceto pelos componentes básicos, também podemos ver componentes ópticos e eletrônicos adicionais usados em um EDFA básico de estágio único. O sinal entra no amplificador através da porta de entrada, então através dele para desviar uma pequena porcentagem da potência do sinal (normalmente 1-2%), o sinal passa por um isolador, antes de ser combinado com a energia da bomba emitida pelo diodo laser da bomba de 980nm . O sinal combinado e a energia da bomba se propagam ao longo do EDF, onde ocorre a amplificação do sinal e, em seguida, o sinal amplificado sai do EDF e passa por um segundo isolador. A finalidade dos dois isoladores, que permitem a passagem da luz apenas em uma única direção, é garantir que o laser não ocorra dentro do EDF. Além disso, o isolador de saída também atua como um filtro para a propagação da luz de 980 nm na direção direta, impedindo assim que a luz de 980 nm saia da porta de saída do amplificador. Em um amplificador WDM multicanal, um Gain Flattening Filter (GFF) geralmente é colocado após o isolador de saída para nivelar o espectro de ganho (como mostrado na figura a seguir). O espectro de atenuação do GFF é projetado para corresponder ao espectro de ganho do EDF (operando em um determinado ganho fixo), de modo que a combinação dos dois produza um ganho plano. Seguindo o GFF, o sinal passa por uma derivação de saída usada para desviar uma pequena porcentagem da potência de saída (normalmente 1-2%) para o detector de saída. Os detectores de saída e entrada são usados para monitorar a potência de entrada e saída, respectivamente, e assim fornecer feedback para a unidade de controle, que controla o amplificador ajustando a corrente do laser da bomba e, portanto, a quantidade de potência da bomba injetada no EDF. A unidade de controle também fornece comunicação externa, por exemplo, através de uma interface RS232.

Exceto pelos componentes básicos, também podemos ver componentes ópticos e eletrônicos adicionais usados em um EDFA básico de estágio único. O sinal entra no amplificador através da porta de entrada, então através dele para desviar uma pequena porcentagem da potência do sinal (normalmente 1-2%), o sinal passa por um isolador, antes de ser combinado com a energia da bomba emitida pelo diodo laser da bomba de 980nm . O sinal combinado e a energia da bomba se propagam ao longo do EDF, onde ocorre a amplificação do sinal e, em seguida, o sinal amplificado sai do EDF e passa por um segundo isolador. A finalidade dos dois isoladores, que permitem a passagem da luz apenas em uma única direção, é garantir que o laser não ocorra dentro do EDF. Além disso, o isolador de saída também atua como um filtro para a propagação da luz de 980 nm na direção direta, impedindo assim que a luz de 980 nm saia da porta de saída do amplificador. Em um amplificador WDM multicanal, um Gain Flattening Filter (GFF) geralmente é colocado após o isolador de saída para nivelar o espectro de ganho (como mostrado na figura a seguir). O espectro de atenuação do GFF é projetado para corresponder ao espectro de ganho do EDF (operando em um determinado ganho fixo), de modo que a combinação dos dois produza um ganho plano. Seguindo o GFF, o sinal passa por uma derivação de saída usada para desviar uma pequena porcentagem da potência de saída (normalmente 1-2%) para o detector de saída. Os detectores de saída e entrada são usados para monitorar a potência de entrada e saída, respectivamente, e assim fornecer feedback para a unidade de controle, que controla o amplificador ajustando a corrente do laser da bomba e, portanto, a quantidade de potência da bomba injetada no EDF. A unidade de controle também fornece comunicação externa, por exemplo, através de uma interface RS232.

Projetos EDFA Avançados

Supressão transitória rápida

Como acabamos de dizer, o loop de feedback AGC de um EDFA tem um tempo de resposta inerentemente lento, da ordem de 1 ms ou mais. Portanto, para suprimir os transientes de ganho que podem se desenvolver durante esse tempo de resposta lento devido a mudanças bruscas na potência de entrada, é necessário usar um loop de controle feed-forward. Como a entrada para este loop de controle é apenas o sinal do detector de entrada, ele detectará as mudanças na potência de entrada imediatamente e ajustará a potência da bomba de acordo, mesmo antes que o transiente comece a se desenvolver. Esse ajuste é realizado usando uma relação aproximada pré-definida entre a corrente da bomba e a potência de entrada para um determinado ganho necessário. Assim, o controle de feedforward fornece uma resposta inicial rápida e relativamente grosseira, enquanto o controle de feedback fornece uma resposta mais lenta e mais precisa. A combinação de loops de controle de feed-back e feed-forward bem projetados pode fornecer ganho estável em todas as condições, com um overshoot máximo de até 1dB durante 100μs, mesmo no caso de um aumento ou diminuição acentuada da potência de entrada, conforme mostrado na a seguinte figura.

Ganho Variável EDFA

Para suportar diferentes comprimentos de extensão entre amplificadores em um link de transmissão (normalmente na faixa de 60-120 km) e fornecer o envelhecimento do link (o que pode levar ao aumento da perda do link ao longo do tempo). Um amplificador suporta a maior faixa de ganho dinâmico possível, ou seja, para permitir que o ganho seja configurado dinamicamente em uma ampla faixa. Para um amplificador de canal único, isso pode ser facilmente alcançado, e a maioria dos amplificadores de estágio único suporta uma ampla faixa de ganho dinâmico. Para amplificadores multicanal WDM a situação é muito mais complicada devido à necessidade de manter um ganho plano para todos os valores de ganho. Assim, a maioria dos amplificadores WDM de baixo custo são projetados como amplificadores de ganho fixo, ou seja, eles fornecem ganho plano para apenas um determinado valor de ganho pré-projetado. Para suportar diferentes valores de ganho, os projetistas de sistemas podem usar vários amplificadores de ganho fixo com diferentes valores de ganho predefinidos ou colocar um atenuador óptico variável (VOA) antes do amplificador de ganho fixo. A primeira solução requer números de peça diferentes para os vários amplificadores e, portanto, complica questões operacionais, como controle de estoque e reserva, enquanto a última solução leva a uma grande deterioração no OSNR e, portanto, não é adequada para links com mais de 200-300 km. Essas desvantagens podem ser resolvidas com um amplificador WDM de ganho variável. Um EDFA de ganho variável é normalmente projetado para ter ganho plano no topo da faixa de ganho necessária, usando um GFF apropriado, enquanto um VOA é usado para atenuar todos os canais uniformemente para atingir uma faixa de valores de ganho. Se o VOA for colocado na entrada do amplificador, ocorrerá uma grande deterioração no NF. Por outro lado, se o VOA for colocado na saída do amplificador, será necessária uma alta potência da bomba, aumentando assim o custo do amplificador. Portanto, é necessário colocar o VOA entre dois subestágios de amplificação, conforme mostrado na Figura 6. Os dois estágios de ganho são normalmente bombeados por uma única bomba onde a potência da bomba é dividida entre os estágios e o loop de controle controla o ganho de todo o amplificador (ambos subestágios de ganho e VOA). Ao projetar cuidadosamente o comprimento do EDF e a potência da bomba designada para cada subestágio, é possível obter um desempenho de NF muito bom em uma faixa de valores de ganho, com apenas um aumento moderado na potência total da bomba em comparação com um EDFA de ganho fixo. O desempenho NF típico de um EDFA de ganho variável também é mostrado na figura a seguir em comparação com um EDFA de ganho fixo comparável com um VOA colocado anteriormente. Como pode ser visto, o NF aumenta apenas ligeiramente na faixa de baixo ganho, representando uma vantagem de desempenho significativa em comparação com o EDFA de ganho fixo alternativo com um VOA colocado antes.

EDFA de estágio duplo com acesso intermediário

Além dos amplificadores ópticos, as redes ópticas modernas também exigem que outros componentes sejam colocados ao longo do link, como os Módulos Compensadores de Dispersão (DCM's) usados para corrigir a distorção do sinal devido à Dispersão Cromática da fibra de transmissão. Como a atenuação dos DCMs pode ser bastante grande, na faixa de 5 a 10 dB, é necessária uma amplificação adicional para acomodá-los. A fim de minimizar o OSNR e o impacto de custo dessa amplificação adicional, é benéfico colocar o DCF entre dois amplificadores Amplificadores de estágio duplo são basicamente dois amplificadores em um pacote, onde há acesso para um componente óptico, como um DCM, a ser colocado entre eles, (conforme ilustrado na figura a seguir). Na maioria das vezes, o primeiro amplificador (o pré-amplificador) é de ganho variável e o segundo amplificador (o booster) é de ganho fixo, de modo que o amplificador como um todo fornece operação de ganho variável. O controle de ambos os amplificadores é combinado - em outras palavras, o usuário define o ganho líquido necessário de toda a combinação (incluindo o DCF) e as unidades de controle definem o ganho de cada um dos dois amplificadores para atingir o ganho líquido. Os amplificadores são projetados a priori para levar em consideração a perda DCM. Por exemplo, a faixa dinâmica dos detectores de entrada de ambos os amplificadores é definida de acordo e o desempenho óptico, como NF, é especificado já levando em consideração a perda DCM. Como o DCM é frequentemente implementado usando fibra de compensação de dispersão especial (DCF), pode haver um grande atraso óptico entre o primeiro e o segundo estágio do amplificador. Por esta razão, a supressão de transientes de cada amplificador precisa ser realizada separadamente e, consequentemente, cada amplificador tem sua própria bomba e seu próprio mecanismo de controle local (além do controle geral usado para definir o ganho líquido).

Conclusão

Pela explicação acima, das várias tecnologias disponíveis para amplificadores ópticos, a tecnologia EDFA é de longe a mais avançada e, consequentemente, a grande maioria dos amplificadores ópticos implantados até o momento são baseados nesta tecnologia. Hoje é possível construir EDFAs WDM de banda larga que fornecem ganho plano em uma ampla faixa de ganho dinâmico, baixo ruído, potência de saída de alta saturação e operação estável com excelente supressão de transientes. Esses recursos são fornecidos em pequenos módulos de tamanho < 100x100 mm e com consumo de energia de apenas alguns Watts. Essa combinação de bom desempenho confiável, juntamente com custo relativamente baixo, permite que os EDFAs atendam à maioria das aplicações e funções em redes ópticas modernas.

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