Comunicações Ópticas Amplificadores Ópticos Prof.: Cláudio Henrique Albuquerque Rodrigues, M. Sc.
Introdução Em um sistema de comunicação óptica, o sinal óptico é atenuado após a propagação na fibra óptica e até pelos dispositivos encontrados no caminho de propagação, tais como multiplexadores, comutadores e acopladores. 2
Introdução Após alguma distância, a perda acumulada pode fazer com que a potência óptica do sinal recebido no fotodetector não possa ser detectada. Antes disso acontecer, o sinal óptico necessita de ser restaurado. 3
Introdução Amplificadores Puramente Ópticos são aqueles que amplificam exclusivamente as Radiações Luminosas, na forma de Fótons. Os Amplificadores Puramente Ópticos ou, simplesmente Amplificadores Ópticos, conhecidos como: AO s (do Inglês: Optical Amplifiers), são considerados um dos pontos mais importantes de um Sistema de Telecomunicações Ópticas. 4
Introdução Sua finalidade básica é a de promover a amplificação óptica dos sinais entrantes, de forma transparente, independente do tipo de modulação ou protocolo utilizado. Portanto, com o uso de AO s, um sinal óptico poderá ser transmitido a distâncias muito maiores, sem necessidade de Regeneradores. 5
Introdução Lembramos que os Regeneradores são equipamentos que convertem primeiramente as Radiações Luminosas em Energia Elétrica, na forma de Elétrons, promovem a amplificação elétrica e, a re-converte novamente em Radiações Luminosas, fazendo desta forma uma conversão indesejável O - E - O. 6
Introdução No caso de Enlaces Ópticos que se utilizam Sistemas C/D/DWM, esta amplificação deve ser a mais uniforme possível, em todos os canais em que o Sistema opera. Os Amplificadores Ópticos são largamente usados em Sistemas de Comunicações Ópticas, exercendo funções de Amplificador de Potência (conhecido como Booster ), usado logo após o Multiplexador, Amplificador de Linha, colocado no meio de um enlace e, também como Pré- Amplificador, logo antes do Demultiplexador. 7
Aplicações gerais 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 préamplificador é possível atingir distâncias entre 200 e 250 km em sistemas limitados pela atenuação. 8
Aplicações gerais Amplificador de linha Usado para compensar a atenuação da fibra óptica em sistemas limitados pela atenuação, permitindo aumentar a distância entre regeneradores. 9
Aplicações gerais 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. 10
Aplicações gerais Amplificador de compensação Usado para compensar as perdas devidas à derivação de potência. 11
Amplificadores Ópticos x Regeneradores Os amplificadores ópticos possuem algumas vantagens em relação aos regeneradores: Os regeneradores dependem da taxa de transmissão e do formato de modulação utilizado pelo sinal óptico. 12
Amplificadores Ópticos x Regeneradores Amplificadores ópticos possuem uma largura de banda de ganho maior para amplificação, de modo que um único amplificador óptico pode amplificar diversos comprimentos de onda ao mesmo tempo. Em contrapartida, introduzem ruído ao longo da propagação do sinal no sistema de transmissão óptico. 13
Parâmetros dos Amplificadores Ópticos Os Parâmetros que normalmente Amplificador Óptico, são os seguintes: definem um Faixa de Operação [ nm ] Faixa de Variação de Potência de Entrada [ dbm ] Faixa de Variação de Ganho [ db ] Figura de Ruído [ db ] Potência de Saída [ dbm ] Eficiência da Conversão de Potência [ % ] PDG ( P olarization D ependent G ain ) [ db ] PMD ( P olarization M ode D ispersion ) [ ps ] 14
Principais Tipos de Amplificadores Ópticos Vamos para fins didáticos, dividir os Amplificadores Puramente Ópticos, em duas Categorias: 1. Amplificadores Ópticos baseados em Fibras Ópticas, geralmente denominados de OFA s (do Inglês: Optical Fibre Amplifiers). 2. Amplificadores Ópticos baseados em Guias de Onda Ópticas, normalmente chamados de OWGA s (do Inglês: Optical Wave Guide Amplifiers). 15
Principais Tipos de Amplificadores Ópticos Assim sendo, podemos subdividir Amplificadores Ópticos baseados em Fibras Ópticas, (OFA s) da maneira abaixo: - EDFA (do Inglês: Erbium Doped Fibre Amplifier) - EYDFA ( do Inglês: Erbium Ytterbium Doped Fibre Amplifier) - PDFFA (do Inglês: Praseodymium Doped Fluoride Fibre Amplifier) - TDFFA (do Inglês: Thulium Doped Fluorid Fibre Amplifier) - RA (do Inglês: R aman A mplifier) - Híbridos 16
Principais Tipos de Amplificadores Ópticos Os Amplificadores Ópticos baseados em Guias de Onda Ópticas ( OWGA s), podem ser subdivididos da seguinte forma: - EDWA (do Inglês: Erbium Doped Waveguide Amplifier) - SOA (do Inglês: Semiconductor Optical Amplifier) - LOA (do Inglês: Linear Optical Amplifier ) - TIA (do Inglês: Transimpedance Integrated Amplifier) 17
Compressão de Ganho Independentemente do tipo do Amplificador Óptico utilizado, utiliza uma técnica chamada de Compressão de Ganho. Esta técnica reserva uma parte do ganho do Amplificador Óptico para compensar problemas Sistêmicos e, também existentes no amplificador em si. 18
Compressão de Ganho As compensações sistêmicas são as advindas da degeneração das condições iniciais de projeto, devido à: Aumento da atenuação do enlace, devido à Degradação das Fibras Ópticas. Perda de sensibilidade pelo Receptor Óptico, geralmente por envelhecimento. 19
Compressão de Ganho Aumento da atenuação dos Jumpers`` (cabos óticos usados na interligação dos equipamentos ópticos) devido, via de regra, a realocação de equipamentos nas estações terminais e de passagem. Aumento da atenuação nos conectores Ópticos, principalmente quando sujeitos a um número elevado de manobras. 20
Compressão de Ganho Aumento da atenuação do enlace, pela introdução de emendas por fusão, devido à rupturas acidentais, no Cabo de Fibras Ópticas. os Amplificadores Ópticos operam em uma determinada Faixa de Passagem (também chamada de Banda Passante) e, apresentam Variação de seu Ganho, em função do Comprimento de Onda e da Potência do Sinal de Entrada. 21
Compressão de Ganho Dessa forma, a amplificação de determinados Comprimentos de Ondas está limitada a Faixa Passagem do Amplificador Óptico e, a Variação de Ganho em Função da Potência do Sinal de Entrada. 22
Compressão de Ganho Quando um sinal de pequena intensidade é aplicado na entrada de um Amplificador Óptico inicia-se um processo de amplificação, proporcionando um alto ganho. Com o aumento do Sinal de Entrada, o ganho do amplificador diminui, e desta forma, a potência do sinal na saída, diminui na mesma proporção. 23
Compressão de Ganho Esse comportamento ocorre até um ponto onde um aumento da Potência do Sinal de Entrada implica em uma queda da Potência do Sinal de Saída. Este valor da Potência do Sinal de Entrada define a condição de Saturação do Amplificador, isto é, para Sinais de Entrada com intensidade superior ao ponto de saturação, não haverá uma amplificação significativa. 24
Compressão de Ganho A esta faixa de onde o ganho está saturado, denomina-se Compressão de Ganho. Alguns Fabricantes utilizam em seus equipamentos um ganho menor que o máximo ganho possível, logo abaixo da Compressão de Ganho, com a finalidade de poder garantir a operação do Amplificador Óptico, mesmo com uma diminuição indesejável da Potência do Sinal de Entrada. 25
Compressão de Ganho Isto é feito para compensar algumas das degenerações das condições iniciais de projeto que já descritas anteriormente e, o valor adotado para esta Compressão é, de 3db. 26
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. 27
Amplificadores a fibra dopada com Érbio (EDFA) Disponibilidade de lasers de bombeio a semicondutor compactos e confiáveis. Dispositivo completamente óptico. Não é dependente da polarização do sinal. Permite fácil acoplamento do sinal óptico na fibra óptica e vice-versa. Utilizado na amplificação de sinais na banda C e L (1528 1605nm) 28
Tipos de amplificadores ópticos Amplificador de Raman A amplificação tem lugar na fibra óptica usada na transmissão do sinal óptico através do efeito de Raman. 29
Amplificadores Raman Utiliza-se do efeito não-linear de espalhamento Raman estimulado. Pode fornecer ganho em qualquer comprimento de onda, sendo utilizado nas outras bandas em que o EDFA não é utilizado. O bombeio é transmitido na própria fibra, não havendo necessidade de conexão com uma fibra dopada. 30
Tipos de amplificadores ópticos Amplificador de semicondutor (SOA, semiconductor optical amplifier) A amplificação tem lugar numa heterojunção de material semicondutor, acoplada à fibra óptica. 31
Amplificadores ópticos a semicondutor 32 São utilizados em comutadores ópticos e dispositivos conversores de comprimento de onda. Introduz muita interferência (crosstalk) em sistemas WDM. Os ganhos e as potências de saída possuem valores inferiores aos alcançados com os EDFAs. As perdas de acoplamento e as relacionadas às perdas dependentes da polarização do sinal são maiores que nos EDFAs. Os valores de figura de ruído são maiores que os encontrados com os EDFAs.
Vantagens Devido à largura de banda elevada permite amplificar sinais WDM constituídos por um grande número de canais. 33
Vantagens Como a amplificação tem lugar no domínio óptico, permite realizar uma ligação transparente relativamente ao formato e ao débito binário. 34
Vantagens Permite aumentar a capacidade atuando unicamente nos terminais do sistema. Permite compensar as perdas de componentes passivos (derivadores, filtros,acopladores, comutadores ópticos, etc.) 35