AMPLIFICATORI OTTICI

Nonostante le fibre ottiche siano attualmente il mezzo trasmissivo più efficace, avente un’attenuazione pressoché irrisoria, il degradamento del segnale come abbiamo già visto avviene comunque e di conseguenza, l’uso degli amplificatori ottici è di norma.

Gli amplificatori ottici sono dispositivi che consentono di incrementare la potenza del segnale ottico accoppiato in ingresso. Tali componenti risultano preziosi poiché consentono di amplificare il segnale senza la necessità di conversioni elettro-ottiche e viceversa. Gli amplificatori ottici (in breve AO) si possono impiegare secondo le quattro configurazioni base riportate schematicamente nella figura seguente.

·                     Amplificatore di potenza (booster) per incrementare la potenza del segnale modulato da trasmettere. Il booster è utile quando non si desidera far operare il LASER di trasmissione ad alte potenze per problemi di affidabilità, stabilità e purezza spettrale.

·                     Preamplificatore di segnale per incrementare la sensibilità e le prestazioni del ricevitore amplificando il debole segnale ricevuto prima della rivelazione.

·                     Ripetitore non rigenerativo (amplificatore di linea) per collegamenti multitratta a lunga distanza. Nella figura seguente si confronta lo schema di principio di un collegamento multitratta rigenerativo (a), avente ripetitori costituiti dalla cascata di un ricevitore optoelettronico e di un modulatore elettroottico, con quello di un collegamento multitratta trasparente (b) con AO. 

I vantaggi principali della seconda configurazione risiedono nella maggiore semplicità del ripetitore e nella trasparenza del medesimo. I ripetitori rigenerativi sono, infatti, in grado di funzionare soltanto ad una ben determinata velocità di trasmissione e costituiscono un impedimento ad un eventuale incremento di capacità della tratta; gli AO sono, invece, componenti analogici con una larghissima banda passante (decine di THz) in grado di trattare segnali della più varia natura e larghezza di banda, che non pongono limiti su possibili modifiche della capacità della tratta stessa.
 
 

·                     Compensatore delle perdite di suddivisione in reti di distribuzione completamente ottiche. In tali reti, dopo alcuni stadi di suddivisione con componenti passivi, il segnale ottico può risultare troppo debole per essere utilizzato senza una adeguata amplificazione.

È evidente che il progetto di un AO deve tenere conto dell'effettivo impiego a cui è destinato: ad esempio, un AO impiegato come preamplificatore dovrà privilegiare la caratteristica di bassa rumorosità nell'amplificazione di piccoli segnali mentre un booster dovrà fornire la massima potenza di uscita senza fenomeni di saturazione.

Dal punto di vista costruttivo gli amplificatori ottici si possono distinguere in tre grandi classi:

·                     Amplificatori a nonlinearità in fibra;

·                     Amplificatori a semiconduttore;

·                     Amplificatori a fibra drogata (EDFA).

Gli AO a nonlinearità in fibra si distinguono  in AO Brillouin e AO Raman. Entrambi si basano sugli effetti non lineari di un segnale esterno di pompa, ad un'opportuna lunghezza d'onda λ_p, che viene trasferito al segnale utile a lunghezza d'onda λ₀. La diffusione viene opportunamente stimolata dal segnale pompa in un tronco di fibra a nucleo stretto, al fine di massimizzare la densità di potenza, della lunghezza di qualche decina di metri. Le prestazioni dei due tipi di AO sono differenti nonostante che il fenomeno della diffusione stimolata sia simile per entrambi. L'AO Raman è caratterizzato da una larga banda del guadagno (decine di THz) e da un'alta potenza si saturazione (qualche Watt). Gli AO Raman sembrano particolarmente adatti per applicazioni in cui l'alta potenza e la banda larga siano essenziali. Negli AO Brillouin invece, si ottiene una banda stretta (decine di MHz) e quindi inadatti per applicazioni a grande traffico. Possono tuttavia essere utili come elementi selettivi in frequenza in sistemi di multiplazione a suddivisione di frequenza, per realizzare filtri ottici attivi. Il principale svantaggio degli AO a nonlinearità in fibra è costituito dalla estrema potenza necessaria al pompaggio; per questo motivo essi vengono ritenuti inadatti, in generale, all'impiego nei sistemi ottici di trasmissione.

Gli AO a semiconduttore e quelli in fibra drogata si basano su di un fenomeno completamente diverso; da un punto di vista costruttivo possono essere considerati dei LASER. Ciò che si fa è rivestire le facce esterne di una cavità a semiconduttore di materiale antiriflettente; il fenomeno alla base dell'amplificazione ottica resta come per i LASER l'emissione stimolata all'interno della zona attiva del mezzo (fig.3). Questi tipi di amplificatori ottici vengono anche detti ad onda progressiva (TWA, Travelling Wave Amplifiers) perché il segnale, per effetto dell'emissione stimolata, aumenta di ampiezza durante la propagazione nella zona attiva, come rappresentato nella figura 3.

Condizione necessaria all'emissione stimolata, come si ricorderà, è un sistema a due livelli con pompaggio. Negli amplificatori a fibra drogata (EDFA) si implementa, invece, un sistema a tre livelli tra alcuni stati energetici degli atomi di Erbio dispersi nel reticolo amorfo della fibra e il pompaggio è ottico con un LASER ad un'opportuna lunghezza d'onda (generalmente 0.98  m, nel caso di un preamplificatore, o 1.48  m, nel caso di un booster) accoppiata al tronco di fibra attivo, come si vede rappresentato di seguito. Il tronco di fibra per gli EDFA è, generalmente, lungo qualche decina di metri.

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