Introduzione

Gli amplificatori in fibra ottica vengono utilizzati per amplificare i segnali ottici senza convertire il segnale in segnali elettrici avanti e indietro. In questo articolo parleremo degli amplificatori in fibra ottica, di come funzionano e del loro prezzo di mercato.

Che cos'è un amplificatore in fibra ottica?

Le reti in fibra ottica utilizzano fili di fibra trasparente appositamente progettata per trasmettere segnali come impulsi luminosi. Spesso questi segnali ricadono nello spettro infrarosso (850, 1300 e 1550 nanometri) che fornisce le caratteristiche di attenuazione più basse nella fibra. Questo rientra nell'intervallo inferiore a 0.2 dB per chilometro per una banda di 1550 nanometri, che è molto inferiore alla sua controparte elettrica. 

Tuttavia, nessun segnale è completamente immune all'attenuazione. Pertanto, quando un segnale viaggia attraverso un cavo in fibra ottica, tende a indebolirsi su lunghe distanze. Ad esempio, quando la lunghezza del cavo in fibra supera i 10 km, la perdita di trasmissione si somma a una quantità significativa. Quando la lunghezza diventa molto più alta, il segnale diventa esponenzialmente più debole.

Gli amplificatori in fibra ottica aiutano a mitigare questo problema aumentando il segnale quando diventa debole.

Gli amplificatori in fibra ottica (noti anche come amplificatori in fibra ottica) amplificano il segnale ottico senza convertirlo in un segnale elettrico. Questo è molto importante poiché se il segnale doveva essere prima convertito in segnale elettrico per amplificare, il ritardo di propagazione tra la conversione ottica -> elettrica -> ottica sarà molto più alto. Gli amplificatori in fibra ottica saltano le conversioni intermedie e amplificano direttamente il segnale ottico.

Esistono tre tipi principali di amplificatori in fibra ottica:

• EDFA (amplificatore per fibra ottica drogato con erbio)
• FRA (amplificatore Raman in fibra)
• SOA (amplificatore ottico a semiconduttore)

Diamo un'occhiata a come funzionano questi tipi di amplificatori per amplificare un debole segnale in fibra ottica.

Come funzionano gli amplificatori in fibra ottica?

Cominciamo con l'EDFA, uno dei primi e ancora più robusti progetti di amplificatori in fibra in uso fino ad oggi.

EDFA - Amplificatore in fibra drogata con erbio

Gli amplificatori in fibra ottica drogati con erbio sono gli amplificatori in fibra ottica più comunemente usati che si trovano oggi. Possono essere utilizzati in più fasi di una rete in fibra ottica come

1. Un booster
2. Amplificatore in linea
3. Preamplificatori.

Quando viene utilizzato come preamplificatore, l'EDFA viene posizionato appena prima del ricevitore. Quando viene posizionato al centro di una linea di trasmissione per rafforzare il segnale, viene utilizzato "in linea" con l'ottica. Un EDFA posizionato subito dopo il trasmettitore è chiamato "booter" che potenzia il segnale da inserire nel collegamento ottico.

Gli amplificatori EDFA funzionano prima "pompando" luce laser da 980 nm o 1480 nm nell'erbio drogato nelle fibre. Questo eccita gli ioni negli stati eccitati 2 o 1 rispettivamente, come mostrato nell'immagine qui sotto. Lo stato eccitato 1 è la banda più stabile, quindi gli elettroni eccitati dal laser da 980 mm ricadono nello stato eccitato 1 emettendo calore (senza fotoni) e stabilizzandosi.

Quando un segnale in arrivo è accoppiato con questi elettroni eccitati, il segnale stimola gli elettroni a entrare nello stato fondamentale rilasciando l'energia immagazzinata in essi come fotoni. Sia questi fotoni emessi che il segnale ottico hanno una lunghezza d'onda di 1550 nm, pertanto il segnale in ingresso viene amplificato più volte. Questi segnali sono chiamati segnali "coerenti" (stessa lunghezza d'onda, frequenza e fase) che rendono possibile l'amplificazione.

Amplificatore Raman in fibra

L'amplificatore Raman è anche un altro tipo popolare di amplificatore in fibra ottica. Questi amplificatori utilizzano un fenomeno chiamato 'Scattering Raman stimolato' per amplificare i segnali ottici.

I mezzi in fibra ottica sono costituiti da reticoli di cristallo/vetro. Quando un segnale luminoso si propaga attraverso un tale mezzo reticolare, la velocità di spostamento è non lineare e può essere osservata come non istantanea. Ciò è causato dalle vibrazioni che si verificano nella struttura reticolare quando il segnale si propaga.

Sfruttando questo fenomeno, un raggio di lunghezza d'onda maggiore (chiamato onda di Stokes), che è il segnale effettivo da amplificare, può essere amplificato a scapito di un raggio di lunghezza d'onda minore. Affinché il segnale di lunghezza d'onda maggiore venga amplificato, l'altro segnale deve avere la stessa polarizzazione, stessa direzione e passare attraverso un mezzo Raman-attivo. Questo può essere un cristallo sfuso, una guida d'onda o un circuito integrato fotonico o una cella con un mezzo gassoso o liquido.

L'immagine sotto mostra il principio di funzionamento di un amplificatore Raman.

La pompa e i fasci di segnale alle frequenze ωp e ωs vengono iniettati nel trefolo di fibra attraverso un accoppiatore di fibra. Durante il processo di amplificazione, un fotone pompato rilascia la sua energia per creare un altro fotone con energia ridotta. L'energia in eccesso viene assorbita dal materiale in fibra sotto forma di vibrazioni molecolari. Questa energia di vibrazione viene quindi trasferita nel segnale originale, co-propagandosi con il raggio della pompa.

A differenza degli amplificatori drogati con erbio, gli amplificatori Raman generalmente non necessitano di materiale drogato con ioni di terre rare. Tuttavia, ci sono fibre speciali che sono aumentate Raman Guadagno che hanno prestazioni più elevate rispetto alle normali fibre monomodali.

Amplificatore ottico a semiconduttore

Gli amplificatori ottici a semiconduttore utilizzano i semiconduttori come mezzo di guadagno per amplificare un segnale ottico. Essenzialmente, SOA è un diodo laser accoppiato in fibra che ha gli specchietti terminali sostituiti con rivestimenti antiriflesso.

In una SOA, il segnale luminoso viene amplificato in un unico passaggio quando viaggia tra due materiali semiconduttori. Questa è la regione attiva e agisce in modo simile a un laser ma senza il feedback e i passaggi multipli richiesti in EDFA. 

Le SOA hanno due regioni primarie, attiva e passiva. Quando il segnale passa attraverso la regione attiva, gli elettroni nella regione attiva perdono energia (come fotoni) e raggiungono lo stato fondamentale. Questi fotoni eccitati hanno la stessa lunghezza d'onda del segnale stesso e la stessa fase. Pertanto, questo fenomeno amplifica il segnale delle origini mentre lascia la regione attiva.

Gli amplificatori SOA sono il tipo più economico di amplificatori in fibra ottica a causa della minore complessità coinvolta nella produzione.

Prezzo dell'amplificatore in fibra ottica

Quando si tratta di prezzi, i costi degli amplificatori in fibra ottica variano a seconda del numero di canali e della tecnologia utilizzata. In genere, gli amplificatori EDFA costano da $ 400 a $ 3000. Il tipo più economico, gli amplificatori SOA costano da $ 150 in poi.

Conclusione

Analogamente alle reti che utilizzano segnali elettrici, anche le reti ottiche soffrono di degradazione del segnale su collegamenti a lunga distanza. Con l'uso dell'amplificatore ottico corretto alla distanza corretta, il degrado del segnale può essere ridotto al minimo e la larghezza di banda può essere migliorata su lunghe distanze.