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©João Pires Sistemas de Comunicação Óptica 82

Sistemas de Comunicação Óptica

Amplificadores Ópticos


Aplicações gerais (I)

• Amplificador de linhaUsado para compensar a atenuação da fibra óptica em sistemas limitados pela atenuação, permitindo aumentar a distância entre regeneradores.

• Pré-amplificadorUsado para amplificar um sinal fraco antes da fotodetecção, permitindo mitigar o efeito do ruído de origem térmica originado no receptor e melhorar a relação sinal-ruído.

Emissor óptico

Fibra óptica

Receptor óptico

Amplificador óptico de linha

GG

Emissor óptico

Fibra Óptica

Receptor óptico

Pré-amplificador óptico

G


Aplicações gerais (II)

• Amplificador de potência (Pós-amplificador)É colocado logo a seguir à fonte óptica de modo a aumentar a potência transmitida, e deste modo aumentar a distância de transmissão. Conjugando um amplificador de potência com um pré-amplificador é possível atingir distâncias entre 200 e 250 km em sistemas limitados pela atenuação.

• Amplificador de compensaçãoUsado para compensar as perdas devidas à derivação de potência.

Emissor óptico

Fibra óptica

Receptor óptico

Amplificador óptico de potência

G

Emissor óptico

Fibra óptica

Receptor óptico

Amplificador óptico de compensação

G

Derivador


Tipos de amplificadores ópticos

• Amplificador de fibra dopada A amplificação tem lugar num troço de fibra dopada (érbio para a banda de 1.55 μm e neodímio para a banda de 1.3 μm). A alimentação é feita por um laser.

• Amplificador de RamanA amplificação tem lugar na fibra óptica usada na transmissão do sinal óptico através do efeito de Raman.

• Amplificador de semicondutor (SOA, semiconductor optical amplifier)A amplificação tem lugar numa heterojunção de material semicondutor, acoplada à fibra óptica.

Lase

r

Fibra dopadaSinal óptico de entrada Sinal óptico de saída

Laser bombeadorAcoplador

Lase

rFibra óptica

Sinal óptico de entrada Sinal óptico de saída

Laser bombeador

Acoplador

Fibra óptica

Corrente de injecção

Fibra óptica


Vantagens

• Devido à largura de banda elevada permite amplificar sinais WDM constituídos por um grande número de canais.

• Como a amplificação tem lugar no domínio óptico, permite realizar uma ligação transparente relativamente ao formato e ao débito binário.

• Permite aumentar a capacidade actuando unicamente nos terminais do sistema.

• Permite compensar as perdas de componentes passivos (derivadores, filtros, acopladores, comutadores ópticos, etc.)

λ1

λ2

λΝ

λ1

λ2

λΝAmplificador óptico

Fibra óptica

Multiplexador WDM

DesmultiplexadorWDM

Sinal analógico

Sinal digital

Presente

Futuro


Fundamentos dos EDFAs

• O amplificador de fibra dopada a érbio ou EDFA (Erbium-doped fibre amplifier) é construído dopando a parte central do núcleo (diâmetro de cerca de 2.5 μm) de uma fibra óptica de sílica com iões de érbio (Er3+).

• O iões de érbio são activados pela energia fornecida por um laser bombeador, permitindo criar uma inversão de população, e realizar amplificação por emissão estimulada. O EDFA é usualmente bombeado por lasers de semicondutor operando a 980 nm ou 1480 nm.

• O ganho do amplificador permanece insensível às variações do sinal de entrada, desde que estas sejam mais rápidas do que o tempo de fluorescência (τ) . Tal evita o problema da diafonia inter-canal presente nos SOAs.

980 nm

1480 nm

Transição não radiativa (1μs)

Emissão estimulada (1520 –1570 nm) τ = 14 ms

Bombeamento energético

4I11/2

4I13/2

4I15/2

O bombeamento é usado para excitar os iões de érbio da banda fundamental para a banda excitada de maior energia (4I11/2 ). Os iões excitados decaem rapidamente dessa banda para a banda 4I13/2 , designada por metaestável. Esta banda é caracterizado por um tempo médio de fluorescência (τ) longo de 14 ms, permitindo realizar uma inversão de população.


Esquemas de bombeamento (I)

• Um amplificador óptico inclui um troço de fibra dopada, um ou mais lasers bomba, isoladores ópticos e acopladores. No esquema de bombeamento co-direccional o sinal e a potência de bombeamento propagam-se na mesma direcção. Este esquema apresenta o melhor desempenho em termos de ruído.

• No esquema de bombeamento contra-direccional o sinal e a potência de bombeamento propagam-se em direcções opostas. Este esquema permite obter um ganho mais elevado do que o anterior.

Fibra Er3

Isolador

Sinal de entrada

Laser bombeador

Sinal de saída

Acoplador WDM

Fibra Er3

Isolador

Sinal de entrada

Laser bombeador

Sinal de saída

Acoplador WDM


Esquemas de bombeamento (II)

• O esquema de bombeamento bidireccional (ou dual) usa dois lasers bomba. A potência de bombeamento propaga-se nos dois sentidos.

• No esquema dual usa-se normalmente um laser operando a 1480 nm na direcção oposta à propagação do sinal e um laser operando a 980 nm na mesma direcção que o sinal. O bombeamento a 1480 nm apresenta uma eficiência de conversão elevada ([Pin-Pout]/Pb,mas também um factor de ruído elevado. O bombeamento a 980 nm permite obter um factor de ruído baixo próximo do limite quântico.

• O valores típicos para as potências ópticas máximas na saída são, respectivamente, 16 dBm e 26 dBm para esquemas com um laser e duais.

Fibra Er3

Sinal de entrada (Pin)

Laser bombeador

Acoplador WDM

Laser bombeador

Sinal de saída (Pout)

Pb


Características dos EDFAs (I)

• GanhoO ganho de um amplificador óptico é definido como a razão entre a potência óptica média de saída (Pout) e a potência óptica média de entrada (Pin). O ganho (G) depende de vários parâmetros, incluindo a potência de bombeamento (Pb) e o comprimento do troço de fibra dopada.

• Potência de saturaçãoComo a potência de saída é limitada, quanto a potência de entrada aumenta o ganho do amplificador diminui (saturação).

Comprimento da fibra dopada

Gan

ho (d

B)

0 Pb1Pb2

Pb2> Pb1

GPin Pout

Regime Saturado

Compressão de 3dB

Regime Linear

G(dB)

G0

Psat Pout(dBm)

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ −=

s

out

PP

GGGG )1(exp0

Psat: potência de saturação de saída

Ps: potência de saturação interna

2lnssat PP ≈

G0: ganho não saturado


Características dos EDFAs (II)

• Espectro do ganhoOs EDFAs convencionais são usados na banda C (1528-1561 nm). No entanto, o ganho não é constante nessa banda, apresentando um pico para os comprimentos de onda mais baixos. A não uniformidade do ganho é uma limitação importante para os sistemas WDM, já que diferentes canais sofrem diferente amplificação. Para ultrapassar esse limitação pode-se usar um filtro igualador.

• RuídoA principal fonte de ruído nos amplificadores ópticos é a emissão espontânea amplificada. Essa emissão é caracterizada pela densidade espectral de potência unilateral (por polarização):

1520 1570

Gan

ho (d

B)

10

20

Comprimento de onda (nm)

Er3+

Laser bombeador

Er3+

Filtro

Filtro igualador usado para compensar a não uniformidade do ganho

)1()( 0 −= GnhvS eses ν nes:factor de emissão espontânea hv0: energia do fotão

eses nGGnF 2/)1(2 ≈−=

Factor de ruído do amplificador


Pré-Amplificadores Ópticos

• O desempenho dos receptores ópticos é limitado fundamentalmente pelo ruído de circuito gerado no interior desses receptores. Esse desempenho pode ser melhorado introduzindo um amplificador óptico na sua entrada, associado a um filtro óptico para reduzir a contribuição do ruído.

• O fotodetector segue uma lei quadrática em relação ao campo eléctrico. Tal vai originar termos de batimento entre o sinal e o ruído de emissão espontânea. Assim, na saída do fotodetector a foto-corrente é dada por

Receptor Óptico

Filtro B0

GPs GPs GPs

B0

ν0 ν

SesDensidade espectral de potência do ruído de emissão espontânea gerada pelo amplificador óptico na saída do filtro

Pes

000 )1(2

BGFhBSP aeses −== ν

Potência de ruído de emissão espontânea

)()()( titiGPRti esesesss −− ++= λ⎪⎩

⎪⎨⎧

>≤

=>< −

2/02/2 0

22

o

essess

BfBfSGPR

dfid λ [ ]

⎩⎨⎧

>≤−

=>< −

o

oeseses

BfBfBfBSR

dfid

0/12 00

222λ

is-es( t) : corrente de ruído de batimento sinal-espontâneo, ies-es( t) : corrente de ruído de batimento espontâneo-espontâneo

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