Componentes ópticos avanzados: amplificador de fibra dopada con erbio (EDFA)
Muchas aplicaciones de fibra óptica, como los sistemas DWDM de larga distancia, requieren la amplificación de la señal óptica. En el pasado, esto implicaba utilizar repetidores electrónicos caros en puntos intermedios cada 100 km. Los modernos sistemas DWDM de larga distancia de hoy en día utilizan varios componentes ópticos avanzados para reemplazar múltiples repetidores con un solo dispositivo óptico. Estos dispositivos ópticos, llamados amplificadores ópticos, que antes eran solo curiosidades de laboratorio, ahora se usan ampliamente en implementaciones de campo. Uno de los amplificadores ópticos más comunes es el amplificador de fibra dopado con erbio (EDFA).
Los investigadores desarrollaron EDFA para reemplazar numerosos repetidores electrónicos con menos repetidores ópticos, reduciendo en general el costo y la complejidad del sistema. Los EDFA también permiten actualizaciones simples del sistema al agregar fuentes adicionales a diferentes longitudes de onda y combinarlas en una sola fibra utilizando un multiplexor DWDM.
La fibra utilizada en un EDFA está dopada con erbio, un elemento de tierras raras que tiene los niveles de energía apropiados en su estructura atómica para amplificar la luz a 1550 nm. Un láser de "bomba" de 980 nm o 1480 nm inyecta energía en la fibra dopada con erbio. Cuando una señal débil a 1550 nm ingresa a la fibra, la luz estimula los átomos de erbio para liberar su energía almacenada como luz adicional de 1550 nm. Este proceso continúa a medida que la señal pasa por la fibra, creciendo más y más fuerte hasta que alcanza la región dopada con erbio.
La figura a continuación muestra un EDFA de dos etapas con acceso de etapa intermedia, un elemento importante de los sistemas de fibra óptica de muy alto rendimiento. En este caso, dos EDFA simples de una etapa se empaquetan juntos. El usuario recibe la salida de la primera etapa EDFA y la entrada de la segunda etapa EDFA. Estos sistemas a menudo requieren el uso periódico de elementos adicionales, como la fibra de compensación de dispersión (DCF), para reducir la dispersión general. Una alta pérdida de inserción de 10 dB o más hace que DCF sea problemático. Colocar el DCF en el punto de acceso de la etapa intermedia del EDFA de dos etapas reduce los efectos nocivos en el sistema. El usuario aún obtiene una ganancia significativa a través del EDFA, incluso con la pieza adicional de DCF de alta pérdida óptica.
En la figura, la entrada óptica primero pasa a través del aislador óptico # 1, que solo permite que la luz pase de izquierda a derecha. Luego la luz pasa a través de WDM # 1. WDM # 1 proporciona un medio para inyectar la longitud de onda de la bomba de 980 nm en la primera longitud de fibra dopada con erbio. WDM # 1 también permite acoplar la señal de entrada óptica en la fibra dopada con erbio con una pérdida óptica mínima.
La energía de 980 nm bombea los átomos de erbio a un estado excitado que decae lentamente. Cuando la luz en la banda de 1550 nm viaja a través de la fibra dopada con erbio, que generalmente tiene decenas de metros de largo, provoca la emisión estimulada de radiación, al igual que un láser. De esta manera, la señal de entrada óptica de 1550 nm gana fuerza. La salida de la fibra dopada con erbio luego pasa a través del aislador óptico # 2, que está disponible para el usuario. Típicamente, el punto de acceso de la etapa media se conecta a algún tipo de dispositivo de compensación de dispersión. La luz luego viaja a través del aislador # 3 y el WDM # 2. WDM # 2 conecta la energía de 1480 nm de un segundo láser de bomba al otro extremo de una segunda longitud de fibra dopada con erbio, aumentando la ganancia y la potencia de salida. Finalmente la luz viaja a través del aislador # 4.
Los EDFA evitan la mayoría de los componentes activos porque los fotones amplifican la señal. El EDFA proporciona una potencia de salida alta, que requiere menos amplificadores en un diseño de sistema dado. Los amplificadores de diseño EDFA más básicos se iluminan en una banda bastante estrecha: 12 nm. La adición de filtros de ecualización de ganancia puede aumentar la banda a más de 25 nm. Otras fibras exóticas dopadas aumentan la banda de amplificación a 40 nm o más. Además, la independencia de la velocidad de datos en EDFA significa que una actualización del sistema requiere cambiar solo los terminales de lanzamiento y recepción.
El rendimiento confiable de EDFA lo hace útil en sistemas de comunicaciones de fibra óptica de larga distancia y alta velocidad de datos y sistemas de entrega de CATV. En aplicaciones de CATV, los EDFA aumentan la señal antes y después de un divisor óptico para amplificar la señal dividida para su transmisión a través de varias fibras. Vea los detalles del producto del amplificador CATV aquí. En general, existen cuatro aplicaciones principales para los amplificadores ópticos: amplificador / amplificador de potencia, amplificador en línea, preamplificador o compensaciones de pérdida para redes ópticas.
