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FIBRA DOPADA

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Amplificadores: a Fibra Dopada com Érbio 
Autor: Edson Chitz - GPS 
 
 
Visão geral 
 
Nesses últimos anos, a tecnologia dos amplificadores ópticos, dispositivos capazes de amplificar o sinal 
óptico sem nenhuma conversão eletroóptica, começou a se aproximar da maturidade, tanto os 
amplificadores a diodo laser como os amplificadores a fibra dopada. Sistemas ópticos de transmissão, já 
incorporam amplificadores ópticos com excelentes resultados, substituindo gradativamente os tradicionais 
repetidores eletrônicos. São equipamentos de elevada largura de banda, baixo custo, compactos e de 
pequeno consumo de energia elétrica. A Fig. 1 mostra uma comparação entre sistemas a fibra 
convencionais e sistemas com AFDEs. 
 
 
 
Figura 1 – Sistemas a fibra convencionais e com AFDE 
 
Onde, TX representa o transmissor do sinal, RX representa o receptor do sinal, SMF representa a Fibra 
Monomodo Padrão (Standard Monomode Fibers) sendo o meio de transmissão, AFDE que representa o 
Amplificador a Fibra Dopada com Érbio. Uma das grandes vantagens dos amplificadores ópticos está no 
fato de um único amplificador poder substituir todo o complexo circuito que compõe um repetidor 
regenerativo (Fig. 2), conforme ilustra a Fig. 1. A conseqüência imediata é o aumento da velocidade de 
transmissão. Outro ponto importante é que esses amplificadores são transparentes à taxa de bits e pode-
se aumentar a taxa de transmissão, por exemplo: de 155Mbps para 622Mbps, sem que seja necessário 
alterar o sistema de amplificação. Neste caso, somente os acessos deveriam ser modificados. 
 
 
 
Figura 2 - Diagrama de blocos de um repetidor regenerativo. 
 
CAG representa o Controlador de Aumento e Ganho do repetidor regenerativo. Os amplificadores ópticos 
dopados com terras-raras, mais especificamente com o érbio, operam em 1,55m m, comprimento de onda 
em que a atenuação do sinal é mínimo em fibras de sílica. Quanto à sua utilização em sistemas, o 
Amplificador Óptico a Fibra Dopada com Érbio (AFDE) pode funcionar como amplificador de potência 
para aumentar o nível do sinal de saída do transmissor; posicionado na entrada do receptor, como pré-
amplificador, para aumentar a sensitividade na recepção; ou como repetidor ou amplificador de linha para 
amplificar o sinal já atenuado ao longo do enlace óptico. 
 
Um amplificador a fibra dopada com érbio (Fig. 3) é constituído basicamente por um laser semicondutor 
de bombeamento, operando em uma das bandas de absorção do Érbio, onde as mais eficientes estão em 
980nm e 1480nm; por um acoplador que opera com multiplexação por divisão de comprimento de onda 
(WDM), cuja função é acoplar em uma mesma fibra a potência óptica do laser de bombeamento e o sinal 
óptico a ser amplificado; e um trecho limitado de fibra dopada com érbio (FDE), responsável pelo 
processo de amplificação. 
 
 
 
Figura 3 - Esquema básico de um AFDE. 
 
Os amplificadores podem ser montados em três configurações básicas de acordo com o sentido de 
propagação do bombeamento com relação ao sinal, conforme esquematizado na Fig.4. 
 
 
 
Figura 4 - Configurações básicas de bombeamento em um AFDE 
 
1. Co-propagante; 
2. Contrapropagante; 
3. Bidirecional. 
 
Na configuração de bombeamento co-propagante utiliza-se um único laser de bombeamento, cujo sentido 
de propagação na FDE é o mesmo do sinal a ser amplificado. No caso contrapropagante o bombeamento 
é enviado no sentido oposto ao do sinal a ser amplificado. A configuração bidirecional utiliza dois 
bombeamentos, um co- e outro contrapropagante com relação ao sinal e tem o objetivo de fornecer altas 
potências de bombeamento à fibra dopada. 
 
Mecanismos de amplificação 
 
A amplificação óptica é realizada sem a necessidade de conversão da portadora óptica em sinal elétrico 
por componentes eletrônicos. Isto é possível utilizando-se o fato de determinados elementos químicos 
(elementos das terras-raras) serem opticamente ativos e inserindo-os na composição física dessa fibra 
óptica. Um bom exemplo é o átomo de érbio que sob a influência de um campo eletromagnético, no caso 
o bombeamento, sofre transições entre seus auto-estados de energia, e emite luz. Estas transições 
correspondem a saltos entre níveis de energia de um auto-estado (N1) para outro auto-estado com mais 
alta energia (N2) e resulta na emissão de luz no decaimento do estado excitado para o estado 
fundamental. 
 
Todo o processo de amplificação pode ser explicado de maneira simplificada a partir da situação em que 
uma onda eletromagnética passa por um sistema, assumido ser de dois níveis, onde o alargamento de 
linha é homogêneo e com um bombeamento uniforme, como ilustrado na Fig. 5. 
 
 
 
Figura 5 - Meio amplificador 
 
A onda incidente, ao se propagar em tal meio, é amplificada devido à maior quantidade de elétrons estar 
no estado com maior energia (N2 > N1). Esta condição caracteriza um meio com "inversão de população", 
isto é, o nível com energia N2 (energia do nível N2 é maior que a energia do nível N1), apresenta-se 
completamente populado. 
 
Na configuração básica do AFDE (Fig. 3), o laser semicondutor de bombeamento, que opera em regiões 
de absorção do érbio, onde 980nm e 1480nm são os comprimentos de ondas mais eficientes, fornece 
energia para que possa ocorrer a inversão de população na fibra dopada com érbio. 
 
Condições para a implementação 
 
As condições para a implementação de um ADFE devem ser escolhidas de modo a proporcionar alto 
ganho (> 25dB), baixa figura de ruído (<~ 5dB) e alta potência de saturação do sinal de saída (~ +7dBm) 
simultaneamente. 
 
As limitações serão impostas por efeitos de ruído, principalmente pela emissão espontânea amplificada 
(ASE), a qual sofre alterações de acordo com a configuração de bombeamento adotada. 
 
As características de um amplificador como o comprimento de onda operacional e a largura de banda do 
ganho são determinados pelo dopante da fibra, onde silício é a matriz hospedeira. Podem ser usadas 
diferentes terras-raras para construir amplificadores que operam nas matrizes do caso do dopante como 
fluoreto, telureto, em região de comprimentos de onda de 1550nm. 
 
Amplificadores a fibra dopada com érbio (AFDEs) atrairam a maioria das atenções simplesmente porque 
eles operam próximos a 1,55m m, para região de comprimento de onda na qual a perda de fibra é 
mínima. O desenvolvimento dos AFDE revolucionou a construção de sistemas ópticos. O AFDE teve o 
seu primeiro uso para distribuição de vídeo em 1992. Os cabos de fibra ótica transatlânticos e 
transpacíficos, usando AFDEs como amplificadores em linha, foram operacionalizados em 1996 e 
permitem operar a 5 Gb/s. AFDEs também são habitualmente usados para sistemas de WDM terrestres. 
 
Em resumo 
 
Amplificadores Ópticos a Fibra Dopada com Érbio (AFDE) estão gradativamente substituindo os 
tradicionais repetidores eletrônicos. Possuem elevada largura de banda, baixo custo, são compactos, e 
têm pequeno consumo de energia. Amplificam o sinal sem a necessidade de componentes eletrônicos; 
consiste da manipulação dos elementos químicos da Fibra Dopada com Érbio (FDE). 
 
Podem funcionar como amplificador de potência para aumentar o nível e do sinal de saída do transmissor; 
como pré-amplificador para aumentar a sensitividade na recepção do sinal; ou como amplificador de linha 
para amplificar o sinal já atenuado ao longo do enlace óptico. Podem ser montados em três configurações 
básicas: co-propagante, contrapropagante ou bidirecional. Possuem alto ganho (>25dB), baixa figura de 
ruído (~5dB) e alta potência de saturação do sinal de saída (~7dBm).

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