Amplificatori in fibra drogata con erbio (EDFA)

Gli amplificatori in fibra drogata con erbio (EDFA) utilizzano elementi di terre rare come l'erbio (Er3+) come mezzo di amplificazione.Viene drogato nel nucleo della fibra durante il processo di fabbricazione.Consiste in un breve pezzo di fibra (tipicamente 10 m circa) fatto di vetro in cui viene aggiunta una piccola quantità controllata di erbio come drogante sotto forma di ione (Er3+).Pertanto, la fibra di silice funge da mezzo ospite.Sono i droganti (erbio) piuttosto che la fibra di silice che determinano la lunghezza d'onda operativa e la larghezza di banda del guadagno.Gli EDFA generalmente operano nella regione della lunghezza d'onda di 1550 nm e possono offrire capacità superiori a 1 Tbps.Pertanto, sono ampiamente utilizzati nei sistemi WDM.

Il principio dell'emissione stimolata è applicabile al meccanismo di amplificazione dell'EDFA.Quando il drogante (uno ione erbio) si trova in uno stato ad alta energia, un fotone incidente del segnale ottico in ingresso lo stimolerà.Rilascia parte della sua energia al drogante e ritorna a uno stato di energia inferiore ("emissione stimolata") che è più stabile.La figura seguente mostra la struttura di base di un EDFA.

1.1 Struttura di base di un EDFA

Il diodo laser della pompa normalmente produce un segnale ottico di lunghezza d'onda (a 980 nm o 1480 nm) ad alta potenza (~ 10–200 mW).Questo segnale è accoppiato con il segnale di ingresso della luce nella sezione drogata con erbio della fibra di silice tramite l'accoppiatore WDM.Gli ioni erbio assorbiranno l'energia del segnale della pompa e passeranno al loro stato eccitato.Una parte del segnale luminoso in uscita viene intercettata e restituita all'ingresso del laser della pompa attraverso il filtro ottico e il rivelatore.Questo funge da meccanismo di controllo della potenza di feedback in modo da rendere gli EDFA amplificatori autoregolanti.Quando tutti gli elettroni metastabili vengono consumati, non si verifica alcuna ulteriore amplificazione.Pertanto, il sistema si stabilizza automaticamente poiché la potenza ottica in uscita dell'EDFA rimane pressoché costante indipendentemente dall'eventuale fluttuazione della potenza in ingresso.

1.2 Schema funzionale semplificato di un EDFA

La figura sopra mostra lo schema funzionale semplificato di un EDFA in cui un segnale di pompa dal laser viene aggiunto a un segnale ottico di ingresso (a 1480 nm o 980 nm) attraverso un accoppiatore WDM.

Questo diagramma mostra un amplificatore EDF molto semplice.La lunghezza d'onda del segnale della pompa (con una potenza della pompa di circa 50 mW) è di 1480 nm o 980 nm.Una parte di questo segnale di pompa viene trasferita al segnale ottico di ingresso mediante emissione stimolata all'interno di un breve tratto di fibra drogata con erbio.Ha un guadagno ottico tipico di circa 5–15 dB e una figura di rumore inferiore a 10 dB.Per il funzionamento a 1550 nm, è possibile ottenere un guadagno ottico di 30–40 dB.

1.3 Realizzazione pratica di un EDFA

La figura sopra mostra un funzionamento semplificato di un EDFA con la sua struttura pratica quando utilizzato nell'applicazione WDM.

Come mostrato, include le seguenti parti principali:

• Un isolatore all'ingresso.Ciò impedisce al rumore generato da un EDFA di propagarsi verso l'estremità del trasmettitore.

• Un accoppiatore WDM.Combina il segnale dati di ingresso ottico a bassa potenza da 1550 nm con il segnale ottico di pompaggio ad alta potenza (dalla sorgente della pompa come il laser) a una lunghezza d'onda di 980 nm.

• Una piccola sezione di fibra di silice drogata con erbio.In effetti, questo funge da mezzo attivo dell'EDFA.

• Un isolatore in uscita.Aiuta a impedire che qualsiasi segnale ottico riflesso all'indietro entri nella fibra di silice drogata con erbio.

Il segnale di uscita finale è un segnale di dati ottici di lunghezza d'onda di 1550 nm amplificato con un segnale di pompa di lunghezza d'onda residua di 980 nm.

Tipi di amplificatori in fibra drogata con erbio (EDFA)

Esistono due tipi di strutture di amplificatori in fibra drogata con erbio (EDFA):

• EDFA con pompa co-propagante

• EDFA con pompa contropropagante

La figura seguente mostra le disposizioni della pompa contro-propagazione e della pompa bidirezionale che possono essere utilizzate nelle strutture EDFA.

Diverse disposizioni della pompa

Una pompa di co-propagazione EDFA presenta una potenza ottica di uscita inferiore con basso rumore;mentre una pompa contropropagante EDFA fornisce una maggiore potenza ottica in uscita ma produce anche un rumore maggiore.In un tipico EDFA commerciale, viene utilizzata una pompa bidirezionale con pompaggio simultaneo di co-propagazione e contro-propagazione che si traduce in un guadagno ottico relativamente uniforme.

Applicazione di EDFA come booster, in linea e preamplificatore

In un'applicazione a lungo raggio di un collegamento di comunicazione in fibra ottica, gli EDFA possono essere utilizzati come amplificatore booster all'uscita del trasmettitore ottico, un amplificatore ottico in linea insieme alla fibra ottica e un preamplificatore appena prima del ricevitore, come mostrato nella figura sopra.

Si può notare che gli EDFA in linea sono posizionati a una distanza di 20-100 km l'uno dall'altro a seconda della perdita di fibra.Il segnale di ingresso ottico è a una lunghezza d'onda di 1,55 μm, mentre i laser della pompa funzionano a una lunghezza d'onda di 1,48 μm o 980 nm.La lunghezza tipica della fibra drogata con erbio è di 10-50 m.

Meccanismo di amplificazione negli EDFA

Come affermato in precedenza, il meccanismo di amplificazione in un EDFA si basa su un'emissione stimolata simile a quella del laser.L'elevata energia del segnale della pompa ottica (prodotto da un altro laser) eccita gli ioni di erbio drogante (Er3+) in una fibra di silice allo stato energetico superiore.Il segnale di dati ottici in ingresso stimola la transizione degli ioni Erbio eccitati allo stato di energia inferiore e provoca l'irradiazione di fotoni con la stessa energia, cioè la stessa lunghezza d'onda di quella del segnale ottico in ingresso.

Diagramma del livello di energia: Gli ioni Erbio liberi mostrano livelli discreti della banda di energia.Quando gli ioni Erbio vengono drogati in una fibra di silice, ciascuno dei loro livelli energetici si divide in un numero di livelli strettamente correlati in modo da formare una banda energetica.

1.4 Meccanismo di amplificazione in EDFA

Per ottenere l'inversione della popolazione, gli ioni Er3+ vengono pompati al livello intermedio 2. Nel metodo indiretto (pompaggio a 980 nm), gli ioni Er3+ vengono continuamente spostati dal livello 1 al livello 3. È seguito da un decadimento non radiativo al livello 2, da dove cadono al livello 1, irradiando i segnali ottici nella lunghezza d'onda desiderata di 1500-1600 nm.Questo è noto come meccanismo di amplificazione a 3 livelli.

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