Amplificatori in fibra drogata à l'erbiu (EDFA)

L'amplificatori di fibra dopata à l'erbiu (EDFA) utilizanu elementi di terra rara cum'è l'erbiu (Er3+) cum'è mediu di amplificazione.Hè dopatu in u core di fibra durante u prucessu di fabricazione.Hè custituitu da un pezzu cortu di fibra (tipicamenti 10 m o più) fattu di vetru in quale una piccula quantità cuntrullata di erbiu hè aghjuntu cum'è dopante in forma di ion (Er3 +).Cusì, a fibra di silice agisce cum'è un mediu host.Sò i dopanti (erbium) piuttostu cà a fibra di silice chì determinanu a lunghezza d'onda operativa è a larghezza di banda di guadagnà.L'EDFA generalmente operanu in a regione di lunghezza d'onda di 1550 nm è ponu offre capacità chì superanu 1 Tbps.Cusì, sò largamente usati in sistemi WDM.

U principiu di l'emissione stimulata hè applicabile per u mecanismu di amplificazione di l'EDFA.Quandu u dopante (un ioni di erbium) hè in un statu d'alta energia, un fotonu incidente di u signale otticu di l'input u stimulerà.Allibera una parte di a so energia à u dopante è torna à un statu di energia più bassa ("emissione stimulata") chì hè più stabile.A figura sottu mostra a struttura basica di un EDFA.

1.1 Struttura basica di un EDFA

U diode laser di pompa produce normalmente un signalu otticu di lunghezza d'onda (à 980 nm o 1480 nm) à alta putenza (~ 10-200 mW).Stu signalu hè accumpagnatu cù u signale di input di luce in a sezione erbiumdoped di a fibra di silice attraversu l'accoppiatore WDM.L'ioni d'erbiu assorberanu l'energia di u signale di a pompa è saltanu à u so statu eccitatu.Una parte di u signale luminoso di output hè sfruttata è rinviata à l'ingressu di u laser di pompa à traversu u filtru otticu è u detector.Questu serve cum'è mecanismu di cuntrollu di putere di feedback per fà l'EDFA cum'è amplificatori autoregulatori.Quandu tutti l'elettroni metastabili sò cunsumati, ùn ci hè più amplificazione.Per quessa, u sistema si stabilizza automaticamente perchè a putenza ottica di output di l'EDFA ferma quasi custante indipendentemente da a fluttuazione di a putenza di input, s'ellu ci hè.

1.2 Schema funziunale simplificatu di un EDFA

A figura sopra mostra u schema funzionale simplificatu di un EDFA in quale un signalu di pompa da u laser hè aghjuntu à un signalu otticu di input (à 1480 nm o 980 nm) per un accoppiatore WDM.

Stu diagramma mostra un amplificatore EDF assai basi.A lunghezza d'onda di u signale di a pompa (cù una putenza di pompa di circa 50 mW) hè 1480 nm o 980 nm.Una parte di stu signalu di pompa hè trasferitu à u signale otticu d'ingressu per emissione stimulata in una corta lunghezza di fibra dopata da Erbium.Havi un guadagnu otticu tipicu di circa 5-15 dB è menu di 10 dB figura di rumore.Per u funziunamentu di 1550 nm, hè pussibule ottene un guadagnu otticu di 30-40 dB.

1.3 Realizazione pratica di un EDFA

A figura di sopra mostra una operazione simplificata di un EDFA cù a so struttura pratica quandu s'utilice in l'applicazione WDM.

Comu mostra, include e seguenti parti principali:

• Un isolante à l'entrata.Questu mantene u rumore generatu da un EDFA da propagazione versu l'estremità di u trasmettitore.

• Un accoppiatore WDM.Unisce u signale di dati di input otticu di bassa putenza di 1550 nm cù un signalu otticu di pompamentu d'alta putenza (da fonte di pompa cum'è laser) à a lunghezza d'onda di 980 nm.

• Una piccula sezione di fibra di silice drogata cù erbiu.In fattu, questu serve cum'è u mediu attivu di l'EDFA.

• Un isolante à l'output.Aiuta à prevene ogni signale otticu riflessu in daretu à entre in a fibra di silice dopata cù erbiu.

U signale finali di output hè un signalu di dati otticu di lunghezza d'onda amplificata di 1550 nm cù un signalu di pompa di lunghezza d'onda residuale di 980 nm.

Tipi di amplificatori di fibra drogata à l'erbiu (EDFA)

Ci sò dui tipi di strutture di Amplificatori di Fibra Dopata à Erbium (EDFA):

• EDFA cù pompa di co-propagazione

• EDFA cù pompa contra-propagazione

A figura quì sottu mostra pompe contra-propagazione è arrangiamenti di pompa bidirezionale chì ponu esse aduprati in strutture EDFA.

Diversi arrangiamenti di pompa

Una pompa di co-propagazione EDFA presenta una putenza ottica di output più bassa cù un rumore bassu;mentre chì una pompa contra-propagazione EDFA furnisce una putenza ottica di output più altu, ma pruduce ancu un rumore più grande.In un EDFA cummirciali tipicu, una pompa bidirezionale cù co-propagating simultaneous and counter-propagating pumping hè aduprata chì risulta in un guadagnu otticu relativamente uniforme.

Applicazione di EDFA cum'è booster, in-line, è pre-amplificatore

In una applicazione à longu andà di un ligame di cumunicazione in fibra ottica, l'EDFA ponu esse aduprati cum'è un amplificatore booster à l'output di u trasmettitore otticu, un amplificatore otticu in linea cù a fibra ottica è ancu un pre-amplificatore ghjustu prima di u trasmettitore otticu. ricevitore, cum'è mostra in a figura sopra.

Pò esse nutatu chì l'EDFA in-line sò posti à una distanza di 20-100 km, secondu a perdita di fibra.Le signal d'entrée optique est à 1,55 μm de longueur d'onde, tandis que les lasers à pompe fonctionnent à 1,48 μm ou 980 nm de longueur d'onde.Lunghezza tipica di fibra drogata cù Erbium hè 10-50 m.

Meccanismu di amplificazione in EDFAs

Comu diciatu prima, u mecanismu di amplificazione in un EDFA hè basatu annantu à l'emissione stimulata simile à quella di u laser.L'alta energia da u signalu di a pompa otticu (pruduciutu da un altru laser) eccita l'ioni d'erbium dopanti (Er3+) in una fibra di silice à u statu di energia superiore.U signale di dati otticu di input stimulates a transizione di l'ioni Erbium eccitati à u statu d'energia più bassu è risultati in a radiazione di fotoni cù a listessa energia, vale à dì, a stessa lunghezza d'onda cum'è quella di u signalu otticu di input.

Diagramma di livellu di energia: Ioni Erbium liberi mostranu livelli discreti di a banda di energia.Quandu l'ioni Erbium sò dopati in una fibra di silice, ognunu di i so livelli di energia si divide in una quantità di livelli strettamente ligati in modu di furmà una banda di energia.

1.4 Meccanisimu di amplificazione in EDFA

Per ottene l'inversione di a pupulazione, l'ioni Er3 + sò pumped à u livellu intermediu 2. In u metudu indirettu (pumping 980-nm), l'ioni Er3 + sò continuamente spustati da u nivellu 1 à u nivellu 3. Hè seguitu da una decadenza non radiativa à u livellu 2, da induve cascanu à u livellu 1, irradiendu i segnali ottichi in a lunghezza d'onda desiderata di 1500-1600 nm.Questu hè cunnisciutu cum'è mecanismu di amplificazione di 3 livelli.

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