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
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).
REFERÊNCIA BIBLIOGRÁFICA
CHITZ, Edson. Otimização de amplificadores ópticos a fibra dopada a partir de simulação. Curitiba, 2000. Tese (Mestrado em Telemática) - Centro Federal de Educação Tecnológica do Paraná.
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