Amplificadores Raman
Este tutorial apresenta os conceitos e tipos básicos de Amplificadores Raman, utilizados em Redes Ópticas.
Luiz Felipe de Camargo Fernandes
Engenheiro Eletrônico (FEI 73), Mestre em Telecomunicações (FEI 86), atuando há mais de 20 anos
somente em Telecomunicações, com enfoque em Sistemas Ópticos, Redes tipo LAN, Acesso, MAN, WAN
e, Proteção.
Fez cursos na Alemanha, USA, Japão, Espanha, Inglaterra.
É Especialista em Sistemas Ópticos, com várias publicações, tendo participando também como Chairman e
Palestrante de Seminários promovidos pelo IBC, Sala 21 de São Paulo, IIR, TELEXPO, entre outros.
Elaborou todas as especificações e realizou testes completos em equipamentos DWDM, no Brasil,
Argentina, Suécia, França, Alemanha e Áustria.
Foi Gerente na ERICSSON e na TELESP/TELEFONICA, tendo atuado em projetos como a Rede de Aceso
Rápido à Internet (Speedy), Rede ATM, Rede L.D., Redes Ópticas e ASON.
Em 2001 deixou a TELEFONICA, para fundar a TELECOMM CONSULTING S/C LTDA.
Integrou a equipe do Teleco para contribuir na área de Sistemas de Telecomunicações Fotônicos.
Email: [email protected]
Categoria: Redes Ópticas
Nível: Introdutório
Enfoque: Técnico
Duração: 15 minutos
Publicado em: 23/02/2004
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Amplificadores Raman: Histórico
Em 28 de Fevereiro de 1.928, foi anunciada a descoberta de um fenômeno da Física, que muitos anos
depois, teria uma grande importância, na fabricação de equipamentos e dispositivos, que estão sendo cada
vez mais empregados, nos Sistemas de Telecomunicações Ópticas.
Este fenômeno foi denominado, posteriormente, de Efeito Raman, em homenagem ao seu descobridor, Sir
Chandrasekhara Venkata Raman. Raman nasceu na cidade de Trichinópolis (hoje Tiruchiarapalli), localizada
ao Sul da Índia, em 7 de Novembro de 1.888, filho de um humilde professor de matemática e física.
Em 1.904, graduou-se em primeiro lugar, com medalha de ouro como Bacharel em Física, e em 1.907,
concluiu o seu Mestrado, também em Física. Apesar dos reveses de sua vida, publicou diversas obras em
vários campos da física e, na área óptica, teve destaque em trabalhos como o da Difração Molecular da Luz.
Em 1.924 por seus trabalhos, obras e, pela sua destacada atuação, foi admitido como Membro da Real
Sociedade Britânica. Em 1.929, recebeu o título de Cavaleiro do Império Britânico (Sir) e, em 1.930 ganhou
o Premio Nobel de Física.
Faleceu em 1.970, aos 82 anos, deixando os fundamentos que, estão permitindo hoje, a implementação de
várias tecnologias revolucionárias como a da Amplificação Óptica pelo Efeito Raman.
Em 1.972, H. R. Stolen e E.I. Ippen, no volume 20, número 2, da Publicação Applied Phisycs Letters ,
publicaram um artigo, denominado: Raman Oscillaton in Glass Optical Waveguides, que foi o primeiro
trabalho a explorar o fenômeno da Emissão Estimulada por Efeito Raman, em Fibras Ópticas de Sílica.
Posteriormente, em 1.973, ambos autores acima, no volume 22, número 6, da mesma publicação Applied
Phisycs Letters, apresentaram um outro artigo, denominado: Raman Gain in Glass Optical Waveguides, que
praticamente introduziu o conceito e aplicabilidade da amplificação por efeito Raman, em Fibras Ópticas de
Sílica.
Entretanto até 1.980, os amplificadores ópticos que usavam o Efeito Raman, chamados abreviadamente de
RFA ou RA (em Inglês respectivamente: Raman Fibre Amplifiers e Raman Amplifiers ), ficaram restritos à
laboratórios e equipamentos para testes e pesquisas.
A principal razão disto foi, o surpreendente desenvolvimento e, a conseqüente aplicação de amplificadores
do tipo EDFA, nos Sistemas Ópticos de Telecomunicações.
No início de 1.990, ressurgiu o interesse nos Amplificadores Raman, principalmente para Sistemas de Longa
Distância, conhecidos como L. H.( Long Haul) que geralmente possuem enlaces com extensões da ordem de
300 Km á 800 Km e, também para Sistemas de Ultra Longa Distância: U. L. H. ( Ultra Long Haul), com
enlaces acima de 800 Km.
Hoje, a aplicação dos Amplificadores Raman, em todos os tipos de Redes Ópticas, sendo talvez a única
exceção, as Redes Ópticas de Acesso, somada as seguintes características abaixo:
Possibilidade de operação em qualquer faixa suportada pelas Fibras Ópticas, inclusive as de nova
geração que, não sofrem a chamada Atenuação por Íons Oxidrila; *
O surgimento no mercado, de LASER´s de Bombeamento (também chamados de LASER´s de
Bombeio) com potências extremamente elevadas, operando praticamente em qualquer freqüência,
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com custos, cada vez menores;
A utilização em Sistemas Ópticos novos ou já implantados, em conjunto com os EDFA (Erbium Doped
Fiber Amplifiers), constituindo os chamados Amplificadores Híbridos;
A introdução comercial de Fibras Ópticas de diâmetro reduzido que, com perdas extremamente baixas
e outras propriedades, que propiciam a construção de Amplificadores de Raman cada vez melhores e,
de menores dimensões;
O uso de Amplificações de Raman Distribuídas, conhecidas como DRA (em Inglês: D istributed R
aman A mplification ), que veremos adiante.
Torna hoje, a Amplificação por Efeito Raman, uma das mais promissoras tecnologias no ramo das
Telecomunicações Ópticas.
* Embora chamado por muitos de Atenuação por Pico de Água (em Inglês: Water Peak Attenuation, abreviado
como: WPA ), esta denominação é incorreta, pois são os Íons Oxidrila ( OH + ), que provocam esta Atenuação
e, não a Água. Portanto a denominação correta, a ser empregada,é: Atenuação por Absorções Extrínsecas dos
Materiais, pelos Íons Oxidrila ( OH + ) ou, mais simplesmente: Atenuação por Íons Oxidrila ou então:
Atenuação por Pico OH (Oxidrila).
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Amplificadores Raman: Características
Espalhamento de Raman
De uma maneira simplificada e, dirigida para as Telecomunicações, iremos descrever, o Fenômeno do
Espalhamento de Raman (em Inglês: Raman Scattering), que ocorre, quando Radiações Luminosas
interagem com as vibrações dos Átomos dos Elementos constituintes da Fibra Óptica.
Estes Átomos absorvem as Radiações Luminosas e, rapidamente, as re-emitem na forma de Fótons. A
energia vibracional dos referidos Átomos, dependendo do caso, propicia um aumento ou, inflige uma
diminuição, dos níveis de energia, que estes Fótons originariamente possuíam.
Espalhamento Estimulado de Raman
Define-se como Espalhamento Estimulado de Raman (em Inglês: Stimulated Raman Scattering), quando a
energia vibracional dos referidos Átomos, dos Elementos constituintes da Fibra Óptica propicia um
"estímulo" que resulta em acréscimo, dos níveis de energia, que estes Fótons originariamente possuíam.
Efeitos
O Espalhamento Estimulado de Raman apresenta vários efeitos de ordem prática, dos quais podemos citar:
Como se propaga em ambas direções de uma Fibra Óptica, o Espalhamento de Raman, pode vir a
ocasionar Modulação Cruzada;
Pode deslocar efeitos não lineares, tais como: Mistura de Quatro Ondas (em Inglês: Four Wave
Mixing ), Modulação de Fase Cruzada (em Inglês: Cross Phase Modulation ), Auto Modulação de
Fase (em Inglês: Self Phase Modulation ), e outros, para fora da faixa de passagem do amplificador;
Pode ainda ocasionar o "roubo" de energia, de um determinado Comprimento de Onda e, transferir
desta energia, para um outro Comprimento de Onda. Apesar deste efeito ser aparentemente
indesejável, ele pode e, é usado como meio para amplificar sinais ópticos fracos.
Amplificação por Efeito Raman
O fenômeno da Amplificação por Efeito Raman ocorre, quando os Fótons, provenientes de uma Fonte de
Bombeio, que possuem níveis elevados de energia, interagem com as vibrações dos Átomos da Fibra Óptica,
e ao encontrar com os Fótons do Sinal Óptico que se propagava na Fibra, estes são estimulados e, o seu nível
de energia é aumentado.
Modelo Teórico
Na figura abaixo, nos apresenta um Modelo Teórico, para fins didáticos, de como se processa a
Amplificação por Efeito Raman.
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Propriedades dos Amplificadores Raman
Os Amplificadores Raman apresentam as seguintes propriedades:
A Amplificação por Efeito Raman pode ser indistintamente usada em todas as Fibras Ópticas até hoje
instaladas nas Redes de Telecomunicações;
O ganho, dentro do Espectro Fotônico, pode ser ajustado ou adequado, pela injeção de LASER´s de
bombeio, operando em diversos Comprimentos de Onda;
O ganho acima descrito, ao contrário de outros tipos de Amplificadores Ópticos, não é vinculado a
uma ou duas Regiões do Espectro Fotônico. Os Amplificadores Raman permitem Curvas
Características com Regiões Lineares que permitem ganho para Comprimentos de Onda desde 300nm
até 2.000 nm.
Tipos de Amplificadores Raman
Para fins didáticos, podemos dividir a Amplificação Raman, em dois tipos:
Com o uso de Amplificadores Raman Discretos, mais conhecidos pela sigla LRA (em Inglês: L umped
R aman A mplifiers);
Com o uso de Amplificações de Raman Distribuídas, conhecidas como DRA (em Inglês: D istributed
R aman A mplification).
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Amplificadores Raman: LRA
A Figura 2, abaixo nos mostra a configuração básica de um Amplificador Raman Discreto (LRA).
Como o LRA, explora os Efeitos Não Lineares, do Espalhamento Estimulado de Raman, o Comprimento de
Onda do LASER de Bombeio é que irá determinar a faixa de passagem que este Amplificador irá operar.
Para fins práticos, costuma-se fazer uma analogia, deste efeito, ao de uma gangorra, onde pulando em um
lado, iremos imediatamente, levantar o outro lado. No caso da amplificação pelo Efeito Raman, o outro lado
da gangorra onde os sinais serão amplificados situa-se a aproximadamente 100 nm acima do Comprimento
de Onda do LASER de Bombeio.
A Figura 3, mostra a faixa de passagem, de um LRA, com LASER de Bombeio operando em 1.460 nm,
amplificando sinais no entorno de um Comprimento de Onda que, se situa faixa de passagem á
aproximadamente 100 nm, resultando em uma faixa de passagem, que se estende desde 1.530 nm até 1.570
nm.
É possível "moldar" a curva de resposta de um LRA, pela utilização de:
Diferentes Comprimentos de Onda emitidos pelo LASER de Bombeio;
Pelo uso de duas ou mais Fontes de Bombeio, cada uma delas operando com Laser´s de diferentes
Comprimentos de Onda;
Pelo ajuste do Nível de Potência fornecido pela(s) fonte(s) de Bombeio(s).
A Figura 4, ilustra a curva de resposta de um LRA, com várias Fontes de Bombeio, cada uma delas
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modeladas por Laser´s, operando em diferentes Comprimentos de Onda.
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Amplificadores Raman: Tipos de LRA
Tipos de Amplificadores LRA
De acordo com o posicionamento dos LASER´s de Bombeio, podemos subdividir os LRA (Amplificadores
Raman Discretos), nos seguintes tipos:
Amplificação Raman por Bombeio Contra Direcional;
Amplificação Raman por Bombeio Co-Direcional;
Amplificação Raman por Bombeio Combinado.
Amplificação Raman por Bombeio Contra Direcional
Na Amplificação Contra Direcional, por Efeito Raman, o LASER de Bombeio é colocado na extremidade da
Fibra Óptica do enlace que se deseja amplificar, como ilustrado na Figura e, suas principais características
são:
As flutuações indesejáveis de ruído, devido ao efeito de bombeio são atenuadas;
Os Sinais Ópticos podem ser lançados na Fibra com níveis de potência menores, para evitar os Efeitos
Não Lineares;
Praticamente independe do Ganho de Polarização;
A amplificação ocorre somente a partir da segunda metade do enlace.
Amplificação Raman por Bombeio Co-Direcional
Na Amplificação Co-Direcional, por Efeito Raman, o LASER de Bombeio é colocado no início da Fibra
Óptica, do enlace que se deseja amplificar, como nos mostra a Figura 6, suas características são:
Alto Ganho;
Aumento das Flutuações Indesejáveis de Ruído, devido ao efeito de bombeio;
A amplificação vai decrescendo, ao longo do Enlace;
Sinais Ópticos, lançados na Fibra, com altos níveis de potência, podem gerar Efeitos Não Lineares.
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Amplificação Raman por Bombeio Combinado
Neste tipo de Amplificação por Efeito Raman, denominado Combinada, ilustrada na Figura 7, são usados
dois LASER´s de bombeio, sendo um LASER colocado no início da Fibra Óptica do Enlace e um outro
colocado na extremidade deste Enlace ou seja, é a combinação da Amplificação Co-Direcional e, da
Amplificação Contra Direcional.
Poderia-se pensar que este tipo de Amplificação Combinada seria superior a dos dois tipos anteriormente
descritos. Entretanto não é assim, como podemos ver por algumas de suas características, abaixo descrita:
Possui maior ganho, quando comparado á Amplificação Contra Direcional;
Com relação á Amplificação Co-Direcional, o ruído inerente ao acoplamento co a fonte de bombeio, é
menor;
A amplificação ocorre em todo o Enlace Óptico, diminuindo a ASE (Amplified Spontaneous Emission)
e, abaixando a Relação Sinal Ruído Óptico (OSNR).
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Amplificadores Raman: Comparação Entre os Tipos de LRA
A Figura 8 abaixo, foi apresentada pela Nortel Networks Corporation, do Canadá, na OFC ( O ptical F ibre
C ommunication conference & exposition ) realizada em Anaheim, Califórnia, USA, entre os dias 17 e 22 de
Março de 2001.
Para facilitar o entendimento sobre o exposto, extraímos do livro: EDFA`s: Principles and Applications,
publicado em 1994 pela Editora Wiley Interscience, cujo Autor é Emmanuel Desurvire, dados comparativos,
na forma de curvas, quanto as possíveis distâncias que um Enlace Óptico pode chegar, dependendo do tipo
de LRA utilizado, os quais são apresentados na Figura 9.
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A tabela abaixo, nos dá uma melhor compreensão, das características apresentadas pelos três tipos de LRA.
CONTRA
DIRECIONAL
CO
DIRECIONAL
COMBINADO
Diminui ao longo
do Enlace
Ocorre em todo
o Enlace
Ganho
Ruído*
ENL
Amplificação
Ocorre a partir da
metade do Enlace
* Devido ao acoplamento com a Fonte de Bombeio.
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Amplificadores Raman: DRA
Os DRA´s se apresentam, nos dias de hoje, como talvez, a melhor das soluções de amplificação, para
Enlaces Ópticos de qualquer natureza, tenham estes, qualquer distância.
Como já dissemos, a utilização das Fibras Ópticas, que foram instaladas desde o início da Implementação das
Redes Ópticas, é um diferencial, que pode ser amplamente aproveitado, pelo uso de Amplificações de
Raman Distribuídas (DRA´s), que em conjunto com Amplificadores Ópticos existentes ou não, podem
aumentar consideravelmente, as distâncias entre os enlaces, com a diminuição da ONSR.
As principais vantagens, advindas do uso do uso das Amplificações de Raman Distribuídas, além da acima
citada, ou seja, o uso em Redes Ópticas já existentes á algum tempo, onde os Cabos de Fibras, não possuem
características tão boas em relação aos recentemente desenvolvidos, podemos citar as seguintes:
Permitem a utilização de Sistemas DWDM, com Menor Espaçamento entre Canais;
Possibilitam a utilização de Sistemas DWDM, com Altas Taxas de Transmissão;
Reduzem sobremaneira os ENL (Efeitos Não Lineares), por possibilitar a operação com níveis
menores de sinal;
Melhoria da Figura de Ruído, com relação aos Amplificadores Discretos;
Permite perdas maiores, o que implica em distâncias maiores entre os pontos de Regeneração;
Amplificação mais uniforme ao longo do Enlace Óptico;
Permite o uso de Sólitons.
A Figura 10 nos mostra as Curvas de um Sinal, respectivamente com e sem a Amplificação Raman, versus a
Distância máxima possível, de um Enlace Óptico.
A seqüência das Figuras 11 até 14 ilustra como se processa a introdução da Amplificação Raman, em um
Enlace Óptico pré-existente.
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Na Figura 11, a Linha Vermelha Tracejada, representa como se comporta a amplificação em um Enlace
Óptico, que não emprega a Amplificação Raman.
Observe-se que há invasão da Região onde ocorrem os Efeitos Não Lineares e, também da Região onde se
dá a interação com os Ruídos, degradando de forma grave a performance deste Enlace Óptico.
Na Figura 12, abaixo, introduziu-se no Enlace Óptico, a Amplificação Raman, por meio de dois DRA´s, onde
a Curva Azul Pontilhada representa a amplificação gerada pelos mesmos.
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Vemos na Figura 13, o resultado apresentado, pela interação da Amplificação Raman no Enlace.
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Na Figura 14, a Linha Preta representa a Curva de Ganho de Amplificação Resultante.
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Podem-se facilmente notar as vantagens apresentadas: o Aumento de Ganho, sem entrar na Região dos
Efeitos Não Lineares, ao mesmo tempo em que a Região de Ruído é evitada.
Desta forma, demonstra-se de forma irrefutável as vantagens que são obtidas em um Enlace Óptico
convencional, como o ilustrado que possui Amplificadores Ópticos convencionais, do tipo EDFA (do Inglês:
Erbium Doped Fiber Amplifier), quando da introdução dos LRA.
Some-se ao exposto que os LRA´s estão com os preços cada vez menores e, com confiabilidade, cada vez
maiores.
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Amplificadores Raman: Teste seu Entendimento
1. No início dos anos 90, os Amplificadores Puramente Ópticos que, utilizavam a Amplificação pelo
efeito Raman, começaram a serem utilizados, com grande sucesso em:
Sistemas Totalmente Ópticos Metropolitanos (em Inglês: AOMN = All Optical Metropolitam
Networks).
Redes Ópticas Internas.
Sistemas de Comunicações Ópticas de Longa Distância (em Inglês: L.H. = LongHaul).
Equipamentos de Teste.
2. Assinale a alternativa incorreta:
A Amplificação pelo efeito Raman, pode ocasionar o "roubo" de energia, de um determinado
Comprimento de Onda e, transferir desta energia, para um outro Comprimento de Onda e, pode ser
usado como meio para amplificar sinais ópticos fracos.
É possível ´´moldar`` a curva de resposta de um LRA, pela utilização de Diferentes Comprimentos de
Onda emitidos pelo LASER de Bombeio.
Podemos afirmar que o LRA, por utilizar os efeitos não lineares, só pode operar em uma única porção
do espectro Fotônico.
O posicionamento do (s)LASER(s) de bombeio, é que define os diferentes tipos de LRA.
3. Assinale os tipos de Amplificaçãode Raman por Bombeio, as quais você considera corretas:
Bombeio ContraDirecional.
Bombeio Co-Direcional.
Bombeio Combinado.
Todas acima.
4. Qual o tipo de LRA que apresenta o maior ganho, apesar de ter, devido ao acoplamento com a
Fonte de Bombeio, o maior coeficiente de ruído.
Contra Direcional.
Co-Direcional.
Bombeio Combinado.
5. Qual o tipo de LRA que apresenta o menor coeficiente de ruído, devido ao acoplamento com a
Fonte de Bombeio.
Contra Direcional.
Co-Direcional.
Bombeio Combinado.
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