Introdução
Amplificadores de fibra óptica são usados para amplificar sinais ópticos sem converter o sinal em sinais elétricos para frente e para trás. Neste artigo, discutiremos os amplificadores de fibra ótica, como eles funcionam e seu preço de mercado.
O que é um amplificador de fibra óptica?
As redes de fibra óptica usam fios de fibra transparente especialmente projetados para transmitir sinais como pulsos de luz. Freqüentemente, esses sinais caem no espectro infravermelho (850, 1300 e 1550 nanômetros) que fornecem características de atenuação mais baixas na fibra. Isso cai na faixa de menos de 0.2 dB por quilômetro para uma banda de 1550 nanômetros, que é muito menor do que sua contraparte elétrica.
No entanto, nenhum sinal é completamente imune à atenuação. Portanto, quando um sinal percorre um cabo de fibra ótica, ele tende a enfraquecer em longas distâncias. Por exemplo, quando o comprimento do cabo de fibra excede 10 km, a perda de transmissão aumenta significativamente. Quando o comprimento se torna muito maior, o sinal fica exponencialmente mais fraco.
Os amplificadores de fibra óptica ajudam a mitigar esse problema, aumentando o sinal quando ele fica fraco.
Os amplificadores de fibra óptica (também conhecidos como amplificadores de fibra óptica) amplificam o sinal óptico sem convertê-lo em sinal elétrico. Isso é muito importante, pois se o sinal tiver que ser convertido em sinal elétrico antes de ser amplificado, o atraso de propagação entre a conversão óptica -> elétrica -> óptica será muito maior. Os amplificadores de fibra óptica ignoram as conversões intermediárias e amplificam o sinal óptico diretamente.
Existem três tipos principais de amplificadores de fibra óptica:
- EDFA (amplificador de fibra óptica dopado com érbio)
- FRA (amplificador de fibra Raman)
- SOA (amplificador óptico semicondutor)
Vamos dar uma olhada em como esses tipos de amplificadores funcionam para amplificar um sinal fraco de fibra óptica.
Como funcionam os amplificadores de fibra óptica?
Vamos começar com o EDFA, um dos primeiros designs de amplificadores de fibra ainda mais robustos que está em uso até hoje.
EDFA - Amplificador de fibra dopada com érbio
Os amplificadores de fibra óptica dopados com érbio são os amplificadores de fibra óptica mais comumente usados encontrados hoje. Eles podem ser usados em vários estágios de uma rede de fibra óptica como
- um impulsionador
- Amplificador embutido
- Pré-amplificadores.
Quando usado como pré-amplificador, o EDFA é colocado logo antes do receptor. Quando colocado no meio de uma linha de transmissão para fortalecer o sinal, ele está sendo usado 'em linha' com a ótica. Um EDFA colocado logo após o transmissor é chamado de 'booter' que aumenta o sinal a ser alimentado no link óptico.
Os amplificadores EDFA funcionam primeiro 'bombeando' luz laser de 980nm ou 1480nm no Erbium dopado nas fibras. Isso excita os íons nos estados excitados 2 ou 1, respectivamente, conforme mostrado na imagem abaixo. O estado excitado 1 é a banda mais estável, portanto, os elétrons excitados pelo laser de 980 mm voltam ao estado excitado 1 emitindo calor (sem fótons) e se estabilizando.
Quando um sinal de entrada é acoplado a esses elétrons excitados, o sinal estimula os elétrons a entrarem no estado fundamental, liberando a energia armazenada neles como fótons. Ambos os fótons emitidos e o sinal óptico estão em 1550 nm de comprimento de onda, portanto, o sinal de entrada é amplificado várias vezes. Esses sinais são chamados de sinais 'coerentes' (mesmo comprimento de onda, frequência e fase) que tornam possível a amplificação.
Amplificador Raman de Fibra
O amplificador Raman também é outro tipo popular de amplificador de fibra óptica. Esses amplificadores usam um fenômeno chamado 'Espalhamento Raman Estimulado' para amplificar os sinais ópticos.
Meios de fibra óptica são feitos de redes de cristal/vidro. Quando um sinal de luz se propaga através desse meio de rede, a velocidade de deslocamento é não linear e pode ser observada como não instantânea. Isso é causado pelas vibrações que ocorrem na estrutura da treliça quando o sinal se propaga.
Ao explorar esse fenômeno, um feixe de comprimento de onda mais longo (chamado onda de Stokes), que é o sinal real a ser amplificado, pode ser amplificado às custas de um feixe de comprimento de onda mais curto. Para que o sinal de maior comprimento de onda seja amplificado, o outro sinal deve ter a mesma polarização, mesma direção e passar por um meio Raman-ativo. Pode ser um cristal a granel, um guia de onda ou um circuito fotônico integrado ou uma célula com um meio gasoso ou líquido.
A imagem abaixo mostra o princípio de funcionamento de um amplificador Raman.
A bomba e os feixes de sinal nas frequências ωp e ωs são injetados no fio de fibra através de um acoplador de fibra. Durante o processo de amplificação, um fóton bombeado libera sua energia para criar outro fóton com energia reduzida. O excesso de energia é absorvido pelo material da fibra na forma de vibrações moleculares. Essa energia de vibração é então transferida para o sinal original, copropagando-se com o feixe da bomba.
Ao contrário dos amplificadores dopados com érbio, os amplificadores Raman geralmente não precisam de material dopado com íons de terras raras. No entanto, existem fibras especiais que aumentaram Ganho Raman que têm maior desempenho do que as fibras monomodo regulares.
Amplificador óptico semicondutor
Amplificadores ópticos semicondutores usam semicondutores como meio de ganho para amplificar um sinal óptico. Essencialmente, SOA é um diodo laser acoplado a fibra que tem os espelhos finais substituídos por revestimentos antirreflexo.
Em um SOA, o sinal de luz é amplificado em uma passagem única ao viajar entre dois materiais semicondutores. Esta é a região ativa e age de forma semelhante a um laser, mas sem o feedback e as passagens múltiplas exigidas no EDFA.
SOAs têm duas regiões primárias, ativa e passiva. Quando o sinal passa pela região ativa, os elétrons na região ativa perdem energia (como fótons) e atingem o estado fundamental. Esses fótons excitados têm o mesmo comprimento de onda que o próprio sinal e a mesma fase. Portanto, esse fenômeno amplifica o sinal de origem ao deixar a região ativa.
Os amplificadores SOA são o tipo mais econômico de amplificadores de fibra ótica devido à menor complexidade envolvida na fabricação.
Preço do Amplificador de Fibra Óptica
Quando se trata de preços, os custos dos amplificadores de fibra óptica variam de acordo com o número de canais e a tecnologia utilizada. Normalmente, os amplificadores EDFA custam de US$ 400 a US$ 3000. O tipo mais barato, os amplificadores SOA, custam a partir de US$ 150.
Conclusão
Assim como as redes que usam sinais elétricos, as redes ópticas também sofrem com a degradação do sinal em links de longa distância. Com o uso do amplificador óptico correto na distância correta, a degradação do sinal pode ser minimizada e a largura de banda pode ser melhorada em longas distâncias.
