Componenti ottici avanzati - Amplificatore a fibra drogata con erbio (EDFA)
Molte applicazioni in fibra ottica, come i sistemi DWDM a lungo raggio, richiedono l'amplificazione del segnale ottico. In passato, ciò comportava l'uso di costosi ripetitori elettronici in punti intermedi ogni 100 km. I moderni sistemi DWDM a lungo raggio utilizzano diversi componenti ottici avanzati per sostituire più ripetitori con un singolo dispositivo ottico. Questi dispositivi ottici che sono chiamati amplificatori ottici, un tempo solo curiosità di laboratorio, ora vedono un uso diffuso nelle implementazioni sul campo. Uno degli amplificatori ottici più comuni è l'amplificatore in fibra drogato con erbio (EDFA).
I ricercatori hanno sviluppato EDFA per sostituire numerosi ripetitori elettronici con un minor numero di ripetitori ottici, riducendo nel complesso i costi e la complessità del sistema. Gli EDFA consentono anche semplici aggiornamenti del sistema aggiungendo ulteriori fonti a diverse lunghezze d'onda e combinandole su una singola fibra utilizzando un multiplexer DWDM.
La fibra utilizzata in un EDFA è drogata con erbio, un elemento di terre rare che ha i livelli di energia appropriati nella sua struttura atomica per amplificare la luce a 1550 nm. Un laser a "pompa" da 980 nm o 1480 nm inietta energia nella fibra drogata con erbio. Quando un segnale debole a 1550 nm entra nella fibra, la luce stimola gli atomi di erbio a rilasciare la loro energia immagazzinata come ulteriore luce a 1550 nm. Questo processo continua mentre il segnale passa attraverso la fibra, diventando sempre più forte fino a raggiungere la regione drogata con erbio.
La figura seguente mostra un EDFA a due stadi con accesso intermedio, un elemento importante dei sistemi in fibra ottica ad altissime prestazioni. In questo caso, due semplici EDFA a singolo stadio sono impacchettati insieme. L'utente riceve l'output dell'EDFA del primo stadio e l'input dell'EDFA del secondo stadio. Questi sistemi richiedono spesso l'uso periodico di elementi aggiuntivi, come la fibra a compensazione della dispersione (DCF), al fine di ridurre la dispersione complessiva. Un'elevata perdita di inserzione di almeno 10 dB rende problematica la DCF. Posizionare il DCF nel punto di accesso intermedio dell'EDFA a due stadi riduce gli effetti dannosi sul sistema. L'utente realizza comunque un guadagno significativo attraverso l'EDFA, anche con l'aggiunta del componente DCF ad alta perdita ottica.
Nella figura, l'ingresso ottico passa prima attraverso l'isolatore ottico n. 1, che consente alla luce di passare da sinistra a destra. Successivamente la luce passa attraverso WDM # 1. Il WDM n. 1 fornisce un mezzo per iniettare la lunghezza d'onda della pompa da 980 nm nella prima lunghezza della fibra drogata con erbio. Il WDM n. 1 consente inoltre di accoppiare il segnale di ingresso ottico nella fibra drogata con erbio con una perdita ottica minima.
L'energia a 980 nm pompa gli atomi di erbio in uno stato eccitato che si sta lentamente deteriorando. Quando la luce nella banda 1550 nm viaggia attraverso la fibra drogata con erbio, che di solito è lunga decine di metri, provoca l'emissione stimolata di radiazioni, proprio come un laser. In questo modo, il segnale di ingresso ottico a 1550 nm guadagna forza. L'uscita della fibra drogata con erbio passa quindi attraverso l'isolatore ottico n. 2, che diventa disponibile per l'utente. Tipicamente, il punto di accesso intermedio si collega a una sorta di dispositivo di compensazione della dispersione. La luce viaggia quindi attraverso l'isolatore # 3 e il WDM # 2. Il WDM n. 2 accoppia 1480 nm di energia da un secondo laser della pompa all'altra estremità di una seconda lunghezza di fibra drogata con erbio, aumentando il guadagno e la potenza di uscita. Alla fine la luce viaggia attraverso l'isolatore n. 4.
Gli EDFA evitano la maggior parte dei componenti attivi perché i fotoni amplificano il segnale. L'EDFA offre un'elevata potenza di uscita, che richiede un minor numero di amplificatori in un determinato design di sistema. Gli amplificatori di design EDFA più elementari si illuminano su una banda abbastanza stretta: 12 nm. L'aggiunta di filtri di equalizzazione del guadagno può aumentare la banda a oltre 25 nm. Altre fibre drogate esotiche aumentano la banda di amplificazione a 40 nm o più. Inoltre, l'indipendenza della velocità dei dati negli EDFA implica che un aggiornamento del sistema richiede solo la modifica dei terminali di lancio e ricezione.
Le prestazioni affidabili dell'EDFA lo rendono utile nei sistemi di comunicazione in fibra ottica a lungo raggio e ad alta velocità di trasmissione e nei sistemi di consegna CATV. Nelle applicazioni CATV, gli EDFA aumentano il segnale prima e dopo uno splitter ottico per amplificare il segnale split per la trasmissione su più fibre. Visualizza i dettagli del prodotto amplificatore CATV qui. In generale, esistono quattro applicazioni principali per gli amplificatori ottici: amplificatore / amplificatore di potenza, amplificatore in linea, pre-amplificatore o compensazione delle perdite per reti ottiche.
