Princípios e aplicações do EDFA

Fibermart
Thursday 02 July, 2015
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O EDFA (amplificador de fibra dopada com érbio) é o amplificador de fibra mais importante, amplamente utilizado em comunicações de fibra óptica de longa distância até o momento, principalmente devido à baixa perda de acoplamento e também às suas outras vantagens em relação aos amplificadores baseados em semicondutores. O EDFA pode amplificar com eficiência a luz na região de comprimento de onda de 1,5 μm, onde as fibras de telecomunicações têm perdas mínimas. Como funciona o EDFA e quais são as principais aplicações para ele? Este tutorial tem como objetivo descrever os princípios e aplicações do EDFA.

Princípios

O núcleo do EDFA é a fibra óptica dopada com érbio. Trata-se de uma fibra óptica cujo núcleo é dopado com íons de érbio do elemento de terras raras Er3+. Quando o érbio é iluminado com energia luminosa em um comprimento de onda adequado (980 nm ou 1480 nm), ele é excitado para um estado intermediário de longa vida útil (ver Figura 1), após o qual decai de volta ao estado fundamental emitindo luz na faixa de 1525-1565 nm. Se a energia luminosa já existir na faixa de 1525-1565 nm, por exemplo, devido à passagem de um canal de sinal pelo EDF, isso estimula o processo de decaimento (chamado de emissão estimulada), resultando em energia luminosa adicional. Assim, se um comprimento de onda de bombeamento e um comprimento de onda de sinal estiverem se propagando simultaneamente por um EDF, a transferência de energia ocorrerá através do érbio do comprimento de onda de bombeamento para o comprimento de onda do sinal, resultando na amplificação do sinal.

Princípio EDFA

Figura 1: Níveis de energia do érbio com o EDF. O érbio pode ser bombeado por luz de 980 nm, caso em que passa por um estado instável de curta duração antes de decair rapidamente para um estado quase estável, ou por luz de 1480 nm, caso em que é diretamente excitado para o estado quase estável. Uma vez no estado quase estável, decai para o estado fundamental emitindo luz na faixa de 1525-1565 nm. Esse processo de decaimento pode ser estimulado por luz preexistente, resultando em amplificação.

Aplicações

Os EDFAs podem desempenhar diversas funções em sistemas de comunicação por fibra óptica. As aplicações mais importantes são as seguintes:

A potência de um transmissor de dados pode ser aumentada com um EDFA de alta potência antes de atingir um longo trecho de fibra óptica, ou com um dispositivo com grandes perdas, como um divisor de fibra óptica. Esses divisores são amplamente utilizados, por exemplo, em sistemas de TV a cabo (CATV), onde um único transmissor é usado para entregar sinais a várias fibras.

Um amplificador de fibra também pode ser usado na frente de um receptor de dados, se o sinal de chegada for fraco. Apesar da introdução do ruído do amplificador, isso pode melhorar a relação sinal-ruído e, consequentemente, a possível taxa de transmissão de dados, visto que o ruído do amplificador pode ser mais fraco do que o ruído de entrada do receptor. É mais comum, no entanto, usar fotodiodos de avalanche, que possuem alguma amplificação de sinal incorporada.

EDFAs em linha são utilizados entre longos trechos de fibra óptica de transmissão passiva. O uso de múltiplos amplificadores em um longo enlace de fibra óptica tem a vantagem de compensar grandes perdas de transmissão sem que a potência óptica caia a níveis muito baixos, o que prejudicaria a relação sinal-ruído, e sem transmitir potências ópticas excessivas em outros locais, o que causaria efeitos não lineares prejudiciais devido às inevitáveis não linearidades da fibra. Muitos desses EDFAs em linha são operados mesmo em condições difíceis, por exemplo, no fundo do oceano, onde a manutenção seria praticamente impossível.

Embora os transmissores de dados normalmente não sejam baseados em dispositivos dopados com érbio, os EDFAs costumam fazer parte de equipamentos para testar hardware de transmissão. Eles também são usados no contexto de processamento óptico de sinais.

O EDFA pode ser implementado nas bandas C e L de telecomunicações. Assim, o EDFA é muito convenientemente utilizado em sistemas WDM para compensar diversas atenuações ópticas. Um atrativo particular dos EDFAs é sua grande largura de banda de ganho, que normalmente é de dezenas de nanômetros e, portanto, mais do que suficiente para amplificar canais de dados com as maiores taxas de dados sem introduzir quaisquer efeitos de estreitamento de ganho. Um único EDFA pode ser usado para amplificar simultaneamente muitos canais de dados em diferentes comprimentos de onda dentro da região de ganho — essa técnica é chamada de multiplexação por divisão de comprimento de onda (WDM). Antes da disponibilidade desses amplificadores de fibra, não havia um método prático para amplificar todos os canais, por exemplo, entre longos trechos de fibra de um link de fibra óptica: era necessário separar todos os canais de dados, detectá-los e amplificá-los eletronicamente, reenviá-los opticamente e combiná-los novamente. A introdução dos amplificadores de fibra trouxe, portanto, uma enorme redução na complexidade, juntamente com um aumento correspondente na confiabilidade. Vidas úteis muito longas são possíveis com o uso de diodos de bomba redundantes com classificação reduzida.

Até o momento, os únicos concorrentes dos EDFAs na região de 1,5 μm são os amplificadores Raman, que se beneficiam do desenvolvimento de lasers de bombeamento de maior potência. A amplificação Raman também pode ser realizada na fibra de transmissão. No entanto, os EDFAs permanecem muito dominantes.

Soluções EDFA da Fiber-Mart: atendem a diversas aplicações

A Fiber-Mart oferece uma série de amplificadores ópticos EDFA , incluindo EDFA DWDM para sistemas DWDM (Multiplexação por Divisão de Comprimento de Onda Densa), EDFA CATV para aplicações CATV e EDFA SDH para redes SDH (Hierarquia Digital Síncrona). Além disso, também podemos fornecer EDFA DCM com acesso intermediário e amplificadores de alta potência, como EYDFA.

EDFA para aplicação CATV: