Emissão espontânea amplificada

Uma característica importante para o processo de amplificação óptica, e que esta

presente em outros tipos de amplificadores, é a emissão espontânea amplificada de fótons

[6]. Todos os íons que foram excitados através de um bombeio óptico e que estão em níveis

de energia superiores podem decair espontaneamente, após um determinado tempo,

emitindo um fóton que não possui semelhança alguma com qualquer fóton pertencente ao

sinal óptico ou com outro fóton também gerado espontaneamente. No entanto, há a

possibilidade desses fótons de origem espontânea estimularem íons de érbio presentes no

estado excitado a decaírem, produzindo, desta forma, fótons com as mesmas características

dos diferentes fótons gerados espontaneamente, todos descorrelacionados em relação ao

sinal óptico de informação.

Assim, os fótons espontâneos podem ser considerados como um sinal extra gerado

dentro da EDF que também sofre amplificação e, por causa de suas características

ruído produzido pelo EDFA. Este processo pode ocorrer em qualquer freqüência dentro do

espectro de fluorescência das transições do amplificador. Quando a ocorrência desse

fenômeno é significativa em relação ao sinal óptico, o desempenho do amplificador pode

ser prejudicado, pois, em alguns casos, pode ocorrer a saturação na saída do amplificador e

a limitação de ganho óptico. Este processo de amplificação de fótons que foram gerados

pela emissão espontânea é chamado de emissão espontânea amplificada (ASE). Vale

salientar que este processo de amplificação pode ocorrer nos dois sentidos dentro da EDF, o

co-propagante em relação ao sinal óptico e o contra-propagante em relação ao sinal óptico.

Dependendo do tipo de configuração de EDFA utilizado, a ASE pode apresentar

valores distintos. Isto se deve ao fato de que dependendo, por exemplo, por onde o bombeio

óptico e o sinal óptico são inseridos, é possível que a ASE encontre um ambiente com

maior ou menor facilidade para se desenvolver. No Capítulo 3, que diz respeito às

topologias de EDFA, será apresentado um estudo referente ao impacto que a ASE pode

causar em uma determinada topologia. Outro fato que pode prejudicar o desempenho do

EDFA é a potência do sinal óptico de entrada que, se for relativamente baixa, pode causar a

supressão do ganho pela ASE. Isso ocorre devido a elevada quantidade de portadores no

nível metaestável que não estão sendo estimulados pelo sinal óptico na entrada da EDF.

Com isso, algumas emissões espontâneas se tornam eminentes e, conseqüentemente, a

amplificação das mesmas. Quanto maior a quantidade de emissões espontâneas, maior é a

tendência de uma ASE relativamente forte nas outras extremidades da EDF.

2.5.3 Figura de ruído

O processo de amplificação óptica do EDFA é acompanhado por um fenômeno

emitidos pelo decaimento espontâneo são amplificados ao longo da EDF. A ASE adiciona

ruído e, conseqüentemente, degrada o sinal de saída. Assim, a figura de ruído (NF – noise

figure) pode ser considerada como um parâmetro importante na caracterização do EDFA e

pode ser definida como a razão entre a relação sinal ruído (SNR – signal to noise ratio) da

saída do amplificador pela SNR da entrada do amplificador. A NF pode também ser

definida como uma medida da degradação do sinal óptico pelo ruído adicionado pelo

amplificador. Como a contribuição dominante para a NF de um amplificador óptico é a

ASE, a potência de ASE na saída do EDFA pode variar de forma significativa dependendo,

por exemplo, do tipo de topologia utilizado.

Existem diversos métodos que podem ser utilizados para medir a figura de ruído em

um sistema óptico [22]. Entre os mais conhecidos, destaca-se o método com interpolação

espectral. Para utilizar este método é necessário que se faça uma interpolação de pontos no

espectro do sinal óptico amplificado, com o objetivo de se determinar o valor aproximado

da potência de ASE. A Fig. 2.4 mostra uma pequena parte do espectro de EDFA para o

bombeio em 10 mW, sendo que, este gráfico relaciona a potência óptica com o

comprimento de onda, para um sinal que acabou de ser amplificado. Para obter a potência

real de ASE, é necessário, primeiramente, marcar dois pontos na base do pico do sinal

amplificado. Em seguida, deve-se traçar uma reta unindo estes dois pontos. Tendo como

referência o ponto com maior amplitude do sinal amplificado, deve-se unir este ponto até o

segmento de reta traçado anteriormente. Assim, obtém-se o ponto que representa a potência

de ASE para o sinal óptico amplificado.

Com isso, pode-se utilizar a Eq. (2.5) para determinar a NF através do método de

0 1 ( ) 10 log PASE NF dB h B G

ν

onde PASE é a potência da ASE observada para uma largura de banda B0, hν é a energia do

fóton e G é o valor do ganho óptico do EDFA. Através desta equação, é possível perceber

que a potência da ASE é um dos fatores que mais contribuem para o aumento da figura de

ruído, pois, é diretamente proporcional a mesma.

Da mesma forma, pode-se dizer que o ganho óptico tem uma contribuição positiva

no cálculo da figura de ruído, pois, um ganho óptico eficiente alto pode melhorar de forma

significativa a figura de ruído. Quanto maior o ganho óptico, maior se torna a relação sinal

ruído na saída do EDFA e, conseqüentemente, isto melhora os valores de figura de ruído. A

inversão de população na entrada do amplificador também apresenta um grande impacto na

figura de ruído. Isso ocorre devido às emissões espontâneas geradas na entrada do

amplificador, que, por sua vez, experimentam o ganho quase que completo do EDFA,

degradando assim, a relação sinal/ruído da saída e conseqüentemente, a figura de ruído.