Amplificateur optique-EDFA (Amplificateur à fibre dopée à l'Erbium) pour système WDM

Mis à jour depuis le 20 oct, 2021 by

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Partie intégrante de la transmission de données longue distance, un amplificateur optique peut amplifier des signaux optiques directement sans qu'il soit nécessaire de convertir le signal en un signal électrique avant de l'amplifier, ce qui est également la caractéristique la plus importante. Parmi les nombreux amplificateurs optiques qui permettent d'amplifier les communications optiques longue distance, l'amplificateur à fibre dopée à l'Erbium (EDFA) est l'un des types les plus couramment utilisés.

Amplificateur optique EDFA - Améliorer l'efficacité des signaux optiques

Lorsqu'il est transmis sur de longues distances, le signal optique doit être amplifié plusieurs fois entre les deux, en raison de la perte de signal due à l'atténuation de la fibre, aux pertes de connectivité, aux pertes d'épissure de la fibre, etc. Avant le développement des amplificateurs optiques, le signal optique devait d'abord être converti en un signal électrique, amplifié, puis reconverti en un signal optique. Ce processus est très compliqué et coûteux. Pour surmonter ce problème, l'amplificateur optique a été conçu pour amplifier directement les signaux, de sorte que ce processus est nettement moins coûteux et a déclenché une révolution dans le domaine de la fibre optique.

Il existe plusieurs types d'amplificateurs à fibre optique : l'amplificateur optique à semi-conducteur(SOA), l'amplificateur à fibre Raman et Brillouin, et l'amplificateur à fibre dopée à l'erbium (EDFA). Parmi ces types d'amplificateurs optiques, l'EDFA est le système WDM le plus largement déployé. Il utilise la fibre dopée à l'erbium comme support d'amplification optique pour améliorer directement les signaux. Aujourd'hui, l'EDFA est couramment utilisé pour compenser la perte de fibre dans les communications optiques longue distance. La caractéristique la plus importante est qu'il peut amplifier plusieurs signaux optiques simultanément et qu'il est facile à combiner avec la technologie WDM. Généralement, il est utilisé dans les bandes C et la bande L, presque dans la gamme de 1530 à 1565 nm. Il convient toutefois de noter que les EDFA ne peuvent pas amplifier les longueurs d'onde inférieures à 1525 nm.

Comment fonctionne l'EDFA ?

La structure de base d'un EDFA se compose d'une longueur de fibre dopée à l'Erbium (EDF), d'un laser de pompe et d'un combineur WDM. Le combineur WDM sert à combiner le signal et la longueur d'onde de la pompe afin qu'ils puissent se propager simultanément dans la fibre EDF. L'image ci-dessous présente un schéma plus détaillé de l'EDFA.

Un signal optique, par exemple un signal de 1550 nm, entre dans un amplificateur EDFA à partir de l'entrée. Le signal de 1550 nm est combiné à un laser de pompe de 980 nm avec un dispositif WDM - le signal et le laser de pompe passent par une longueur de fibre dopée avec des ions Erbium. Comme indiqué ci-dessus, l'EDFA utilise la fibre dopée à l'erbium comme moyen d'amplification optique. Le signal de 1550 nm est amplifié par l'interaction avec les ions Erbium dopés. Cette action amplifie un signal optique faible à une puissance plus élevée, ce qui a pour effet d'augmenter la force du signal.

En résumé, un EDFA utilise l'émission stimulée dans une fibre dopée à l'erbium pour amplifier les signaux optiques. Le laser de pompage excite les ions erbium dans la fibre et, lorsque les signaux entrants stimulent ces ions, des photons supplémentaires sont émis, ce qui amplifie les signaux d'origine. Ce processus est crucial dans les systèmes de communication optique à longue distance pour compenser l'atténuation du signal.

Trois types d'amplificateurs EDFA pour la connectivité DWDM

Amplificateur de puissance

Un amplificateur de puissance opère du côté transmission de la liaison, conçu pour amplifier les canaux de signaux sortant de l'émetteur au niveau requis pour les lancer dans la liaison par fibre. Il n'est pas toujours nécessaire dans les liaisons à canal unique, mais il est un élément essentiel de la liaison DWDM où le multiplexeur atténue les canaux de signal. Il a une puissance d'entrée élevée, une puissance de sortie élevée et un gain optique moyen. Les types les plus courants sont l'EDFA avec une sortie de 20 dBm en bande C et 40 canaux avec un gain de 26 dB, l'EDFA avec une sortie de 16 dBm en bande C et 40 canaux avec un gain de 14 dB, et ainsi de suite.

Amplificateur en ligne

Un amplificateur en ligne est généralement placé à des points intermédiaires le long de la liaison de transmission dans une liaison DWDM pour surmonter la transmission par fibre et d'autres pertes de distribution. L'EDFA en ligne est conçu pour l'amplification optique entre deux nœuds de réseau sur la liaison optique principale. Les EDFA en ligne sont placés tous les 80-100 km pour garantir que le niveau du signal optique reste au-dessus du bruit de fond. Il se caractérise par une puissance d'entrée moyenne à faible, une puissance de sortie élevée, un gain optique élevé et un faible facteur de bruit.

Pré-amplificateur

Un préamplificateur EDFA opère à l'extrémité réceptrice d'une liaison DWDM. Le préamplificateur est utilisé pour compenser les pertes dans un démultiplexeur près du récepteur optique. Placé avant l'extrémité réceptrice de la liaison DWDM, le préamplificateur EDFA permet d'améliorer le niveau du signal avant que la photodétection n'ait lieu dans un système à très longue distance, améliorant ainsi la sensibilité du récepteur. Il a une puissance d'entrée relativement faible, une puissance de sortie moyenne et un gain moyen.

Que sont le gain et le niveau de bruit de l'EDFA ?

Dans la pratique, le gain et le facteur de bruit sont des paramètres critiques dans la conception et l'optimisation des systèmes de communication optique, garantissant une amplification efficace du signal avec une dégradation minimale de la qualité du signal.

Gain EDFA

Le gain d'un EDFA représente l'ampleur de l'amplification du signal optique entrant. Il est généralement mesuré en décibels (dB) et correspond au rapport entre la puissance optique de sortie et la puissance optique d'entrée, exprimé en dB. Le gain est essentiel pour garantir que le signal optique dispose d'une puissance suffisante pour parcourir de longues distances dans un système de communication par fibre optique sans dégradation significative du signal.

Le gain d'un EDFA est obtenu par le processus d'émission stimulée, où les ions erbium dans la fibre sont excités à un niveau d'énergie plus élevé et libèrent ensuite des photons de manière cohérente, amplifiant ainsi le signal. Plus le gain est élevé, plus le signal optique est amplifié efficacement.

Figure de bruit de l'EDFA

Le facteur de bruit d'un EDFA est une mesure de la contribution de l'amplificateur au bruit global du signal optique. Il est exprimé en décibels (dB) et représente la dégradation du rapport signal/bruit causée par l'amplificateur. Lorsque le signal optique traverse l'EDFA, un bruit supplémentaire est introduit, ce qui a un impact sur la qualité du signal. Plus le facteur de bruit est faible, plus l'amplificateur est performant en termes de minimisation du bruit supplémentaire.

Le facteur de bruit des EDFA est particulièrement important dans les systèmes de communication optique où le maintien d'un rapport signal/bruit élevé est crucial pour une transmission fiable et de haute qualité du signal.

Avantages et éléments à prendre en compte pour l'EDFA

De nos jours, l'amplificateur optique EDFA s'impose comme une option préférable pour la méthode d'amplification du signal pour les systèmes DWDM, en raison de son faible bruit et de son insensibilité à la polarisation du signal. Si vous avez des doutes sur le choix de l'amplificateur, les avantages et les considérations vous donneront des indications.

Avantages

L'EDFA a une utilisation élevée de la puissance de pompage (>50%).
L'EDFA amplifie directement et simultanément une large bande de longueur d'onde (>80nm) dans la région de 1550nm, avec un gain relativement plat.
La planéité peut être améliorée en utilisant des filtres optiques d'aplatissement du gain.
Gain supérieur à 50 dB.
L'EDFA se caractérise par un faible niveau de bruit qui convient aux applications longue distance.
Le déploiement de l'EDFA est relativement plus facile à réaliser et plus abordable que d'autres méthodes d'amplification du signal.

Éléments à prendre en compte

1. Compatibilité des longueurs d'onde : vérifier que l'EDFA choisi correspond à la gamme de longueurs d'onde utilisée dans le système DWDM. L'EDFA fonctionne généralement dans la bande C (1530-1565 nm) et la bande L (1565-1625 nm).
2. Puissance de saturation : l'EDFA a une limite de puissance de saturation, où le gain tend à saturer à des niveaux de puissance plus élevés. Les concepteurs de systèmes doivent tenir compte de cet effet de saturation pour garantir la stabilité des performances du système.
3. Surveillance du système : L'intégration des systèmes de surveillance et de gestion est essentielle pour la surveillance en temps réel des performances de l'EDFA. Cela permet d'identifier et de résoudre rapidement les problèmes potentiels.
4. Prévention de la diaphonie : Dans les systèmes DWDM à haute densité, il faut veiller à éviter la diaphonie entre les longueurs d'onde. Une bonne planification des longueurs d'onde et l'utilisation de multiplexeurs de longueur d'onde appropriés sont cruciales.

Résumé

L'EDFA est un composant essentiel des systèmes WDM, qui répond aux défis de l'atténuation du signal, permet l'amplification simultanée de plusieurs longueurs d'onde et contribue à l'efficacité et à la fiabilité globales des réseaux de communication optique. Avec le déploiement des systèmes WDM et l'augmentation de la largeur de bande globale de la fibre optique, les systèmes WDM intégrés à l'EDFA bénéficieront encore plus de ces avantages.