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 costosi ripetitori elettronici in punti intermedi ogni 100 km. I moderni sistemi DWDM a lungo raggio di oggi utilizzano diversi componenti ottici avanzati per sostituire ripetitori multipli con un singolo dispositivo ottico. Questi dispositivi ottici che sono chiamati amplificatori ottici , una volta solo curiosità di laboratorio, ora vedono un uso diffuso nelle distribuzioni sul campo. Uno degli amplificatori ottici più comuni è l'amplificatore a fibra drogata con Erbio (EDFA).
I ricercatori hanno sviluppato EDFA per sostituire numerosi ripetitori elettronici con un minor numero di ripetitori ottici, riducendo in generale i costi e la complessità del sistema. Gli EDFA consentono inoltre semplici aggiornamenti del sistema aggiungendo sorgenti aggiuntive 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 terra rara 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 per rilasciare la loro energia immagazzinata sotto forma di 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 dall'erbio.
La figura seguente mostra un'EDFA a due stadi con accesso intermedio, un elemento importante dei sistemi a fibra ottica ad altissime prestazioni. In questo caso, due semplici EDFA a stadio singolo sono imballati insieme. L'utente riceve l'output del primo stadio EDFA e l'input del secondo stadio EDFA. Questi sistemi richiedono spesso l'uso periodico di elementi aggiuntivi, come la fibra di compensazione della dispersione (DCF), al fine di ridurre la dispersione complessiva. Una perdita di inserzione elevata di 10 dB o superiore rende problematico il DCF. Posizionando il DCF nel punto di accesso a metà stadio dell'EDFA a due stadi si riducono gli effetti dannosi sul sistema. L'utente realizza ancora guadagni significativi attraverso l'EDFA, anche con l'aggiunta dell'elevato componente di perdita ottica di DCF.
Nella figura, l'ingresso ottico passa prima attraverso l'isolatore ottico # 1, che onlu consente alla luce di passare da sinistra a destra. Successivamente la luce passa attraverso WDM # 1. WDM # 1 fornisce un mezzo per iniettare la lunghezza d'onda della pompa a 980 nm nella prima lunghezza della fibra drogata con erbio. WDM # 1 consente anche 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 di eccitazione lentamente decadente. Quando la luce nella banda di 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 da 1550 nm si rafforza. L'uscita della fibra drogata con erbio passa quindi attraverso l'isolatore ottico n. 2, che diventa disponibile all'utente. In genere, il punto di accesso intermedio si connette a una sorta di dispositivo di compensazione della dispersione. La luce viaggia quindi attraverso l'isolatore # 3 e il WDM # 2. WDM # 2 accoppia l'energia di 1480 nm da un secondo laser a pompa nell'altra estremità di una seconda lunghezza di fibra drogata con erbio, aumentando il guadagno e la potenza di uscita. Finalmente la luce viaggia attraverso l'isolatore # 4.
Gli EDFA evitano la maggior parte dei componenti attivi perché i fotoni amplificano il segnale. L'EDFA fornisce un'elevata potenza di uscita, che richiede un numero inferiore di amplificatori in un determinato progetto di sistema. Gli amplificatori di progettazione EDFA più elementari si illuminano su una banda piuttosto stretta: 12 nm. L'aggiunta di filtri di equalizzazione del guadagno può aumentare la banda a più di 25 nm. Altre fibre drogate esotiche aumentano la banda di amplificazione a 40 nm o più. Inoltre, l'indipendenza della velocità dei dati in EDFA significa che un aggiornamento del sistema richiede la modifica solo dei terminali di avvio e di ricezione.
Le prestazioni affidabili di EDFA lo rendono utile nei sistemi di comunicazione a fibra ottica a lungo raggio e ad alta velocità di trasmissione dati 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 dell'amplificatore CATV qui. In generale, esistono quattro principali applicazioni per amplificatori ottici: amplificatore / amplificatore di potenza, amplificatore in linea, preamplificatore o compensazioni di perdita per reti ottiche.
