Sistemas de Comunicação Óptica Amplificadores Ópticos

Transcrição

1 Sistemas de Comunicação Óptica Amplificadores Ópticos João Pires Sistemas de Comunicação Óptica 85

2 Aplicações gerais (I) Amplificador de linha Usado para compensar a atenuação da fibra óptica em sistemas limitados pela atenuação, permitindo aumentar a distância entre regeneradores. Emissor Receptor Fibra óptica Amplificador de linha Pré-amplificador Usado 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 Receptor Fibra Óptica Pré-amplificador João Pires Sistemas de Comunicação Óptica 86

3 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 2 e 25 km em sistemas limitados pela atenuação. Emissor Amplificador de compensação Amplificador de potência Fibra óptica Receptor Usado para compensar as perdas devidas à derivação de potência. Emissor Fibra óptica Amplificador de compensação Derivador Receptor João Pires Sistemas de Comunicação Óptica 87

4 Tipos de amplificadores s 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. Sinal de entrada Acoplador Amplificador de Raman bombeador Fibra dopada Sinal de saída A amplificação tem lugar na fibra óptica usada na transmissão do sinal através do efeito de Raman. Sinal de entrada Acoplador bombeador Fibra óptica Sinal de saída Amplificador de semicondutor (SOA, semiconductor optical amplifier) A amplificação tem lugar numa heterojunção de material semicondutor, acoplada à fibra óptica. Corrente de injecção Fibra óptica Fibra óptica João Pires Sistemas de Comunicação Óptica 88

5 Vantagens Devido à largura de banda elevada permite amplificar sinais WDM constituídos por um grande número de canais. λ 1 λ 2 Fibra óptica λ 1 λ 2 λ Ν Multiplexador WDM Amplificador Desmultiplexador WDM λ Ν Como a amplificação tem lugar no domínio, permite realizar uma ligação transparente relativamente ao formato e ao débito binário. Sinal digital Sinal analógico Permite aumentar a capacidade actuando unicamente nos terminais do sistema. Presente Futuro Permite compensar as perdas de componentes passivos (derivadores, filtros, acopladores, comutadores s, etc.) João Pires Sistemas de Comunicação Óptica 89

6 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 (Er 3+ ). 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 98 nm ou 148 nm. O bombeamento é usado para excitar os iões de érbio da banda fundamental para a banda excitada de maior energia ( 4 I 11/2 ). Os iões excitados decaem rapidamente dessa banda para a banda 4 I 13/2, designada por metaestável. Esta banda é caracterizado por um tempo médio de fluorescência (τ) longo de 14 ms, permitindo realizar uma inversão de população. 98 nm Bombeamento energético 148 nm Transição não radiativa (1µs) 4 I 11/2 4 I 13/2 Emissão estimulada ( nm) τ = 14 ms 4 I 15/2 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. João Pires Sistemas de Comunicação Óptica 9

7 Esquemas de bombeamento (I) Um amplificador inclui um troço de fibra dopada, um ou mais lasers bomba, isoladores s e acopladores. No esquema de bombeamento codireccional o sinal e a potência de bombeamento propagam-se na mesma direcção. Este esquema apresenta o melhor desempenho em termos de ruído. Sinal de entrada Fibra Er 3 Sinal de saída Isolador bombeador Acoplador WDM 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. Sinal de entrada Fibra Er 3 Sinal de saída Isolador Acoplador WDM bombeador João Pires Sistemas de Comunicação Óptica 91

8 Esquemas de bombeamento (II) O esquema de bombeamento bidireccional (ou dual) usa dois lasers bomba. A potência de bombeamento propaga-se nos dois sentidos. Sinal de entrada (P in ) Fibra Er 3 Sinal de saída (P out ) bombeador P b Acoplador WDM bombeador No esquema dual usa-se normalmente um laser operando a 148 nm na direcção oposta à propagação do sinal e um laser operando a 98 nm na mesma direcção que o sinal. O bombeamento a 148 nm apresenta uma eficiência de conversão elevada ([P in -P out ]/P b,mas também um factor de ruído elevado. O bombeamento a 98 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. João Pires Sistemas de Comunicação Óptica 92

9 Características dos EDFAs (I) anho O ganho de um amplificador é definido como a razão entre a potência óptica média de saída (P out ) e a potência óptica média de entrada (P in ). O ganho () depende de vários parâmetros, incluindo a potência de bombeamento (P b ) e o comprimento do troço de fibra dopada. P in P out anho (db) P b1 P b2 P b2 > P b1 Potência de saturação Comprimento da fibra dopada Como a potência de saída é limitada, quanto a potência de entrada aumenta o ganho do amplificador diminui (saturação). = (1 ) P exp P out s : ganho não saturado P sat : potência de saturação de saída P s : potência de saturação interna Psat P s ln 2 Regime Linear Compressão de 3dB Regime Saturado João Pires Sistemas de Comunicação Óptica 93 (db) P sat P out (dbm)

10 Características dos EDFAs (II) Espectro do ganho Os EDFAs convencionais são usados na banda C ( 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. Er 3+ Filtro Er 3+ anho (db) 2 1 Filtro igualador usado para compensar a não uniformidade do ganho bombeador Comprimento de onda (nm) Ruído A principal fonte de ruído nos amplificadores s é a emissão espontânea amplificada. Essa emissão é caracterizada pela densidade espectral de potência bilateral (por polarização): S ( ) = hvn ( 1) es ν es n es :factor de emissão espontânea hv: energia do fotão Factor de ruído do amplificador F = 2n ( 1) / 2 es n es João Pires Sistemas de Comunicação Óptica 94

11 Pré-Amplificadores Ópticos O desempenho dos receptores s é limitado fundamentalmente pelo ruído de circuito gerado no interior desses receptores. Esse desempenho pode ser melhorado introduzindo um amplificador na sua entrada, associado a um filtro para reduzir a contribuição do ruído. P s P s P s Filtro B P es Receptor Óptico Potência de ruído de emissão espontânea Densidade espectral de potência do ruído de emissão espontânea gerada pelo amplificador na saída do filtro S es B ν 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 i( t) = R λ Ps + is es( t) + ies es( t) < 2 i > 2R P / 2 sses f B s es = df f > B / 2 ν o P es F = SesB ν 2 a = h ( 1) d λ d i > R S B [ 1 f / B ] < es es df = B B > B 2 λ es o f f o i s-es ( t) : corrente de ruído de batimento sinal-espontâneo, i es-es ( t) : corrente de ruído de batimento espontâneo-espontâneo João Pires Sistemas de Comunicação Óptica 95