Upload
adilam007
View
329
Download
10
Embed Size (px)
Citation preview
7/29/2019 Amplificatoare Optice cu Semiconductori
1/61
7/29/2019 Amplificatoare Optice cu Semiconductori
2/61
2
7/29/2019 Amplificatoare Optice cu Semiconductori
3/61
3
Cuprins
INTRODUCERE
1 Nevoia de amplificare optica.......................................................11
2 Scurt istoric al amplificatoarelor optice cu semiconductori....133 Clasificarea amplificatoarelor optice.........................................14
3.1 Amplificatoare Raman.........................................................16
3.2 Amplificatoare optice cu fibra din material plastic......18
3.3 Amplificatoare optice cu fibra dopata cu Erbiu......19
3.3.1 Amplificarea optica....21
3.3.2 Amplificarea emisiei spontane.......23
3.4 Amplificatoare optice cu fibra dopata cu Praseodimiu....25
3.5 Amplificatoare optice cu fibr dopat cu Neodimiu......25
3.6 Amplificatoare optice cu fibr dopat cu Tuliu.....26
4 Comparatie intre SOA si OFA...................................................26
CAPITOLUL 1 AMPLIFICATOARE OPTICE
1.1 Motivele folosirii amplificatoarelor optice.............................28
1.2 Castigul optic.............................................................................301.3 Castigul si largimea de banda a amplificatorului..................31
1.4 Saturatia castigului...............34
1.5 Zgomotul amplificatoarelor optice..37
1.6 Aplicatii ale amplificatoarelor optice......................................39
7/29/2019 Amplificatoare Optice cu Semiconductori
4/61
4
CAPITOLUL 2 AMPLIFICATOARE OPTICE CU
SEMICONDUCTORI
2.1 Descrierea SOA.........................................................................41
2.2 Principiul functionarii unui SOA............................................42
2.3 Clasificarea SOAs.....................................................................44
2.3.1 Fabry-Perot SOA..46
2.3.2 TWA SOA....54
2.4 Castigul si largimea de banda a unui SOA.............................55
2.5 Sensibilitatea polarizarii...59
2.6 Saturatia castigului a unui SOA..60
2.7 Zgomotul unui SOA..................................................................60
2.8 Efecte dinamice.........................................................................61
2.9 Neliniaritatea.
61
CAPITOLUL 3 PREZENTAREA UNOR SOA
COMERCIALE..................................................62
CONCLUZII.....................................................................................72
BIBLIOGRAFIE...............................................................................74
7/29/2019 Amplificatoare Optice cu Semiconductori
5/61
5
Lista de acronime
ASEAmplified Spontaneus Emission = emisie spontana amplificata
BERBit Error Rate = rata de eroare de bit
DBRDistributed Bragg Reflector = reflector Bragg distribuit
DCFDispersion Compensating Fibers = fibre compensatoare de dispersie
EDFAErbium Doped Fiber Amplifier = amplificator din fibra optica dopata cu erbiu
ESAExcited State Absorbtion = absorbtie de stare excitata
FOTBFiltru Optic Trece Banda
FP-SOAFabry-Perot Semiconductor Optical Amplifier = amplificator optic cu
semiconductori Fabry-PerotFPA - Fabry-Perot Amplifier = amplificator Fabry-Perot
FRAFiber Raman Amplifier = amplificator Raman din fibra optica
FSRFree Spectral Range = domeniu spectral liber
FWHMFull Width at Half Maximum = largimea la semiinaltime
NDFANeodimium Doped Fiber Amplifier = amplificator din fibra dopata cu neodimiu
NTWANearTravelling Wave Amplifier = aproape amplificator cu unda calatoare
OFAOptical Fiber Amplifier = amplificator din fibra opticaPCFPower Conversion Efficiency = eficienta de conversie a puterii
PDFAPraseodimium Doped Fiber Amplifier = amplificator din fibra dopata cu
praseodimiu
PICPhotonic Integrated Circuit = circuit fotonic integrat
PMMAPolyMethyl MethylAcrylate
RSZRaport Semnal-Zgomot
SOA - Semiconductor Optical Amplifier = amplificator optic cu semiconductoriSRSStimulated Raman Scatering = dispersie Raman stimulata
TDFA - Tulium Doped Fiber Amplifier = amplificator din fibra dopata cu tuliu
TETransversal Electric
TMTransversal Magnetic
TW-SOA - Travelling Wave Semiconductor Optical Amplifier = amplificator optic cu
semiconductori cu unda calatoare
TWA - Travelling Wave Amplifier
REDFARare Earth Doped Fiber Amplifier=amplificator din fibra dopata cu pamanturi rare
ZBLANZiconiu Bariu Lantan Aluminiu Natriu
7/29/2019 Amplificatoare Optice cu Semiconductori
6/61
6
7/29/2019 Amplificatoare Optice cu Semiconductori
7/61
7
INTRODUCERE
1. Nevoia de aplificare optica
Comunicaiile pot fi n linii mari, definite ca un transfer de informaii de la un punct la
altul. n comunicaiile cu fibra optica, acest transfer se realizeaz prin utilizarea luminii ca
informaie purtatoare. S-a inregistrat o cretere exponenial n tehnologia comunicatiilor cu
fibra optica n ultimii douzeci i cinci de ani. Aceast cretere a fost posibila prin
dezvoltarea de noi tehnologii optoelectronice, care pot fi utilizate pentru a exploata
potenialul enorm de latime de banda a fibrei optice. Astzi, sunt sistemeoperaionale care
funcioneaz la o rata de bit mai mare de 100 Gb / s. Astfel de sisteme de mare capacitate
exploateaza largimea benzii fibrei optice prin multiplexarea lungimii de und.
Tehnologia optic este dominanta in comunicatii la nivel global. De asemenea, este
esenial pentru realizarea de reele viitoare, care vor avea capabilitile solicitate de ctre
societate. Aceste capabiliti includ sevicii de comunicatii de aproape orice fel, cu banda
nelimitata precum i transparena total. Multe din progresele facute n domeniul reelelor
optice au fost posibile datorita de apariiei amplificatorului optic.
n general, amplificatoarele optice pot fi mprite n dou clase: amplificatoare cufibra optica i amplificatoare cu semiconductori (SOA). Datorita avansurilor facute in
domeniul tehnicilor de fabricatie a semiconductoarelor optice, mai ales n ultimii ani, exista
premisele folosirii tot mai des a amplificatoarelor optice cu semiconductori in evolotia
retelelor de comunicatii optice.
Fibr optic este limitata de 2 factori principali: atenuare i dispersie. Atenuarea duce
la pierderea de putere de semnal, care limiteaza distanta de trasmisie. Dispersia n esen,
limiteaza limea de band a fibrei. Spectrul de atenuare al fibrei optice de dioxid de siliciu,este prezentat n figura 1. Se observa un minim in regiunea lungimii de und de 1.55 m.
Atenuare are o valoare mai mare in regiunea de 1.3 m. In figura 2 este prezentat spectrul
dispersiei unei fibre optice de dioxid de siliciu. Se observa ca avem un minim in jurul valorii
de 1.3 m. Pentru c valorile minime pentru atenuare si dispersie de material sunt 1.55 mi
1.3 m acestea sunt principalele lungimi de und folosite n sistemele de comunicaii cu fibre
optice comerciale. Pentru legaturile de scurta distanta sunt folosite si sisteme de comunicatii
care au o lungime de unda de 830 nm. Acestea, de obicei, nu necesit amplificare optica.
7/29/2019 Amplificatoare Optice cu Semiconductori
8/61
8
Fig. 1 Spectrul atenuarii unei fibre optice de dioxid de siliciu
Fig. 2 Spectrul dispersiei unei fibre optice din dioxid de siliciu
Pentru ca atenuarea si dispersia semnalului cresc pe masura ce lungimea fibrei optice
creste, la un moment dat este necesar ca semnalul optic sa se regenereze. Regenerarea 3R
(reshaping-retiming-retransmission) implic detectarea (conversie foton-electron),
amplificarea electrica, resincronizarea, modelarea pulsului i retransmisia (conversie
electron-foton).Aceast metod are o serie de dezavantaje. n primul rnd, ea implic ruperea legturii
optice i deci nu este optic transparenta. n al doilea rnd, procesul de regenerare este
lungime de unda (m)
atenuare(dB/km)
lungime de unda (m)
dispersie(psnm-1km
-1)
7/29/2019 Amplificatoare Optice cu Semiconductori
9/61
9
dependent de formatul semnalului modulat i de rata de bit deci nu este transparent electric.
Aceasta, la rndul su, creeaz dificulti n cazul n care conexiunea trebuie s fie upgradata.
Ideal este ca modificarile ulterioare sa se faca numai la echipamentele terminale (emitor sau
receptor). n al treilea rnd, din cauza ca sistemele de regenerare sunt complexe i adesea,
situate in locatii greu de accesat, este dificil accesul la locaie, cum este cazul conexiunilor
submarine, astfel fiabilitatea reelei este afectat.
Amplificatoarele optice pot fi, de asemenea, utile ca amplificatore de putere, de
exemplu, pentru a compensa pierderile in reelele optice de distribuie, ct i ca un
preamplificator optic pentru a mbunti sensibilitatea receptorului. Imbunatairile realizate
cu amplificatoare optice, in retelele de comunicatii, au dus la noi oportunitati de exploatare a
largimii de banda a fibrei optice.
Exist dou tipuri de amplificator optic: cu semiconductori (SOA) si cu fibra optica
(OFA) [1-6]. n ultima vreme acesta din urm este mai des folosit. Cu toate acestea,
amplificatoarele optice cu semiconductori au atras un real interes pentru a fi utilizate ca
amplificatoare de baz, ca elemente n reelele optice de comunicaii i dispozitive de
prelucrare a semnalului optic.
Pentru ca atenuarea si dispersia semnalului cresc pe masura ce lungimea fibrei optice
creste, la un moment dat este necesar ca semnalul optic sa se regenereze. Regenerarea 3R
(reshaping-retiming-retransmission) implic detectarea (conversie foton-electron),
amplificarea electrica, resincronizarea, modelarea pulsului i retransmisia (conversie
electron-foton).
2. Scurt istoric al aplificatoarelor optice cu semiconductori
Primele studii privind amplificatoarele optice cu semiconductori s-au efectuat n jurul
anului 1960 cand au aparut semiconductoarele laser. Aceste dispozitive s-au bazat pe
homojonctiunile GaAs obtinute la temperaturi joase. Aparitia dispozitivelor cu
heterostructura dubla a dus la investigatii suplimentare pentru folosirea amplificatoarelor
optice cu semiconductori in sistemele optice de comunicatii. n 1970 Zeidler i Personick au
efectuat mai multe studii asupra aplificatoarelor optice cu semiconductori [7-8]. n anii 1980
au avut loc importante progrese in proiectarea si modelarea dispozitivelor cu amplificatoare
optice cu semiconductori. Primele studii s-au concentrat pe amplificatoarele optice cu
semiconductori cu AlGaAs care opereaza in gama 830 nm [9-10]. Pe la sfarsitul anilor 80 au
7/29/2019 Amplificatoare Optice cu Semiconductori
10/61
10
aparut studii cu amplificatoare optice cu semiconductori cu InP / InGaAsP proiectate sa
opereze in regiunea de 1,3 m -1,55 m [11].
nainte de 1989, structurile SOA s-au bazat pe anti-reflexie. Aceste dispozitive
acoperite cu diode laser au o structurasimetrica a ghidului de unda care s duca la un cistig
al polarizarii cat mai mare.
n 1989 SOA au nceput s fie concepute ca dispozitive de sine stttoare, cu
utilizarea a mai multor structuri simetrice ale ghidului de unda ducand la o sensibilitate la
polarizare mai redusa [13].
De atunci, proiectarea si dezvoltarea SOA a progresat in tandem cu dezvoltarea
materialelor semiconductoare, fabricarii dispozitivelor, a tehnologiei cu strat antireflexie, a
circuitelor fotonice integrate, pana la momentul in care costul dispozitivelor a ajuns unul
fiabil pentru folosirea lor in sistemele optice de comunicatii comerciale. Evolutiile in
tehnologia SOA sunt in curs de desfasurare cu un real interes in aplicatiile functionale.
Utilizarea de SOA n circuitele fotonice integrate (PIC) atrage de asemenea un interes mare
de cercatare.
3. Clasificarea aplificatoarelor optice
Tipurile de baza ale amplificatoarelor optice sunt:
- amplificatoare optice cu semiconductoare (SOA-Semiconductor OpticalAmplifiers);
- amplificatoare Raman (FRA-FiberRaman Amplifier);- amplificatoare optice cu fibra din material plastic (Plastic Fibre Amplifiers);- amplificatoare optice cu fibr dopat cu Erbiu (EDFA-Erbium Doped Fiber
Amplifiers);
- amplificatoare optice cu fibra dopata cu Praseodimiu (PDFA-PraseodimiumDoped Fiber Amplifiers);
- amplificatoare optice cu fibrdopatcu Neodimiu (NDFA-Neodimium DopedFiber Amplifiers);
- amplificatoare optice cu fibr dopat cu Tuliu (TDFA-Tulium Doped FiberAmplifiers).
In figura 3 sunt reprezentate cateva amplificatoare optice tinandu-se cont de banda
corespunzatoare lungimii de unda.
7/29/2019 Amplificatoare Optice cu Semiconductori
11/61
11
Fig. 3 Amplificatoare optice clasificate, dupa lungimea de unda, in banda corespunzsatoare.
3 din cele mai importante amplificatoare optice sunt prezentate in figura 4:
Fig. 4 Exemple de amplificatoare optice
lungime de unda (nm)
puteredeiesiresaturata(dBm)
7/29/2019 Amplificatoare Optice cu Semiconductori
12/61
12
3.1. Amplificatoare Raman
Principiul de baz al amplificrii const in utilizarea dispersiei Raman stimulate
(SRS) n fibrele optice ca mecanism de interactiune a luminii cu energia de vibratie a
materialului. n acest proces n timpul propagrii unui fascicul de pompaj intens, are loc
transferul de energie al pompajului spre semnal decurgnd emiterea de fononi optici. SRS a
fost observat pentru prima dat de Ippen si colaboratorii sai n 1970. n acest experiment s-a
utilizat o fibr de nucleu lichid cu sectiune de soc de dispersie spontan Raman () ridicat.
Prima demostratie a efectului Raman stimulat n fibrele de sticl a fost realizat a Stolen si
colaboratori n 1971, folosind o fibr monomod fabricat de Corning Glass Works.
Comparnd SRS si emisia stimulat a aprut un aspect fundamental. La emiterea stimulat,un foton incident este capabil de a genera un foton cu aceeasi energie, n ceea ce priveste
dispersia Raman stimulat fotonii incidenti pot genera un foton cu energie redus si s emit
un foton optic care este absorbit de starea de vibratie a miezului.
Pe msur ce semnalul se propagn miez, se amplific datorit tranzitiei electronice
ntre starea fundamental si alte strile de vibratie (alte ) prin intermediul strii virtuale.
Diferenta de energie ntre starea virtual si starea la care revine electronul (tranzitie), este
suficienta pentru emiterea unui foton si respectiv a unui numr de fononi optici caredetermin frecventele Stokes. Comparnd cu lichidele si cristalele, sticla inregistreaza o
dispersie Raman mai mic. Astfel diminuarea ariei efective a pompajului este esential pentru
cresterea cstigului de amplificare. S-au studiat diferite materiale viznd descoperirea unei
optiuni cu un cstig Raman mai mare pentru producerea de fibre optice amplificatoare,
printre care: sticla produs dintr-un singur material, sticle de siliciu dopate si sticle produse
din diferite componente, inclusiv sticle dopate cu oxizi de metale grele. Fibrele cu pierderi
sczute fabricate plecnd de la aceste sticle dopate cu oxizi de metale grele sunt nerealizabile
practic n ciuda valorii ridicate a dispersiei Raman pe sectiune de fibra.
In figura 5 este prezentata imprastierea Raman.
7/29/2019 Amplificatoare Optice cu Semiconductori
13/61
13
Fig. 5 Imprastierea Raman
Din cauza naturii amorfe a sticlelor care compun fibrele optice, nivelurile de vibratiei
se distribuie cvasicontinuu genernd un plus omogen. n fibrele de siliciu datorit numrului
mare de vibratii, la frecvent unghiular a semnalului (s) poate s difere destul de mult
frecventa unghiular de pompaj (p), aducnd un spectru mai larg de amplificare.
Pentru aplicatii care folosesc efectul Raman n fibrele optice parametrii cei mai
relevanti sunt: schimbarea frecventei si cresterea cstigului Raman, modulul ariei efective
pentru pompaj, coeficientul de atenuare pentru pompaj si semnal, limitarea de putere pe care
fibra o poate suporta si compatibilitatea cu alte elemente ale sistemului de comunicatie optic.
Pentru optimizarea performantelor, diferenta ntre frecventa de pompaj si frecventa
semnalului trebuie s corespund la nivelul curbei care determin amplificarea n functie de
aceast diferent de frecvent. Pentru fibrele de siliciu, conform ilustratiei de la figura 6
diferenta trebuie s fie de aproximativ 13 THz, care corespunde aproximativ cu 100 nm
pentru lungimi de und de 1550 nm.Sunt utilizate fibrele compensatoare ale dispersiei (DCF-Dispersion Compensating
Fibers) ridicnd cstigul Raman de la 5 pn la 10 ori pentru fibrele standard monomod cu
profilul indicelui de refractie de tip prag. Cu exceptia absorbtiilor de hidroxid de siliciu se
poate obtine amplificare Raman pentru orice lungime de und ntre 300 nm si 2000 nm.
Utiliznd diverse tipuri de pompaje este posibil generarea unui spectru de amplificare destul
de larg si cu putine variatii de amplitudine.
n aplicatiile cu band larga pompajul variaz ntre 20 nm si 30 nm n functie deuniformitatea de cstig cerut. Profilul cstigului Raman cu siliciu se concentreaz pe lungimi
Lungimea deunda de pompaj
Imprastiere
Raman
Lungimea de undaa semnalului
Imprastiere Raman
Lungimea de undaa semnalului
7/29/2019 Amplificatoare Optice cu Semiconductori
14/61
14
de und mai mari, alte materiale avnd spectre Raman diferite, oferind posibilitatea de
egalizare si extindere a benzii folosind fibre compuse din alte materiale.
Fig. 6 Coeficientul de amplificare pentru siliciu
(pe axa X avem diferenta de lungime de undn nm, iar pe axa Y avem coeficientul de cstig n m/W)
Aceste amplificatoare n afar c au o band larg de amplificare, sunt destul de
flexibile n ceea ce priveste cstigul, putnd nlocui deficientele de band a celorlalte
amplificatoare, fiind atractive pentru aplicatiile n comunicatiile cu fibr optic. Din contr,
amplificatoarele construite din fibr dopat cu materiale rare si semiconductoare sunt putin
eficiente cernd putere ridicat de pompaj si fibre mai lungi. Un aspect important care trebuie
mentionat este pierderea zgomotului asociat cu transferul de energie a lungimilor de und din
banda Spentru lungimi de und din banda L, prin intermediul procesului de dispersie Raman.
Aceste amplificatoare sunt amplu utilizate pentru a suplimenta folosirea amplificatoarelor din
fibre dopate, aducnd un cstig aditional n forme distribuite n legturi foarte lungi. Astfel
pentru banda L se folosesc scheme de amplificare hibride.
3.2. Amplificatoare optice cu fibra din material plastic
Rapoatele recente de cercetare au sugerat faptul c, daca utilizam amplificatoare cu
fibr din material plastic acestea pot oferi rezultate care nu sunt posibile utilizand
amplificatoarele cu sticl (sau de dioxid de siliciu).
7/29/2019 Amplificatoare Optice cu Semiconductori
15/61
15
Fibra din material plasticare lungimea de unda de transmisie de 570 nm i 670 nm,
dar amplificatoare nu sunt disponibile la aceste lungimi de unda. Unii sustin c, n loc de a
utiliza amplificatoare pe fibr din material plastic s-ar putea folosi fibr de sticl i n cele
mai multe cazuri amplificatoarele nu vor mai fi necesare.
A fost dezvoltat recent un amplificator din material plastic folosind fibra PMMA
(PolyMethyl MethylAcrylate) dopata cu Rodamina B. Fereastra de castig raportat a fost intre
610 nm-640 nm cu o eficienta de pompare de 33% i un ctig de 24 dB. Acest lucru este
interesant din cauza ca lungimea de und a banzii este foarte aproape de fereastra de
transmitere pentru fibr PMMA (dar nu destul de aproape).
Fig. 7 Rodamina B
3.3. Amplificatoare optice cu fibra dopata cu erbiu
Din 1985 cnd la Univeritatea din Southampton (Anglia) s-a demonstrat o nou
tehnic pentru fabricarea fibrelor optice dopate cu materiale rare care prezentau pierderi
sczute, amplificatoarele optice cu structur bazat pe aceste fibre au fost imediat identificateca dispozitive importante n aplicatiile comunicatiilor prin fibre optice n principal datorit
cstigului ridicat, zgomotului intrinsec sczut, dependetei sczute de polarizare, transmiterea
cu eroare de bit (BER) sczut si eficient mrit de conversie de putere (PCE-Power
Coversion Efficiency).
Primul material rar folosit a fost neodimiu, cel mai bun dopant n lasere solide. Dup
aceste rezultate ncurajatoare s-au utilizat si alti dopanti pentru producerea amplificatoarelor
optice: tuliu, yterbiu si erbiu. S-au dezvoltat numeroase amplificatoare din fibr dopat cu
diferite elemente, profitnd de propriettile fluorescente ale fiecruia.
7/29/2019 Amplificatoare Optice cu Semiconductori
16/61
16
n prezent cele mai importante amplificatoare optice cu fibr dopat sunt cele cu erbiu
care pot produce amplificare in banda C. Amplificatoarele optice cu fibr dopat cu
praseodimiu si neodimiu se pot folosi pentru a obtine valori de 1300 nm. n ceea ce priveste
amplificatoarele cu fibr dopat cu tuliu pot produce cstig pentru toat banda S de
transmisie optic (1460 nm-1530 nm).
Fig. 8 EDFA
La finele anului 1986, grupul de la Southampton a produs primul amplificator cu fibr
dopat cu erbiu. n 1986, Emmanuel Desurvire a nceput s lucreze la laboratoarele Bell si
imediat a nceput s foloseasc EDFA. E. Desurvire a realizat mijloace detaliate, a dezvolatat
modelul teoretic si a realizat prima optimizare a lungimii de und dopat.
EDFA sunt amplificatoarele optice cele mai folosite si cunoscute n principal pentru
c spectrul lor de amplificare coincide exact cu minimul pierderilor in siliciu pentru 1550 nm.
Pentru EDFA cu siliciu, toate posibilittile de tranzitie ntre nivelele de energie din erbiu sunt
radiative datorit procesului de cdere cu emisie de fononi, cu exceptia transmisiei care
cuprinde nivele care sunt 100% radiative. Aceast tranzitie arat un
spectru de emisie destul de larg, cu maximul la 1530 nm care ofer amplificare n toat bandaC. Este de asemenea posibil amplificarea in banda L cu EDFA. Timpul de viat superior
este de 10 ms, care este mult mai mare dect timpurile asociate transmisiei semnalului.
In figura 9 este prezentata schema bloc a unui amplificator optic dopat cu fibra cu
Erbiu.
Semnalintrare
Fibra optica dopata cu erbiu
Laser depompaj
Semnal deiesireamplificat
Amplificator din fibra dopata cu erbiu
7/29/2019 Amplificatoare Optice cu Semiconductori
17/61
17
Fig. 9 Schema bloc EDFA
3.3.1. Amplificarea optica
Amplificatoarele optice amplifica radiatia incidenta prin emisie stimulata, iar castigul
se realizeaza prin pompaj optic pentru a se obtine inversia de populatie. In timpul emisiei
spontane, laserul de iesire poate sa contina un spectru larg de zgomot pentru laser, care dupa
detectie furnizeaza termeni de zgomot pentru fotocurent.
Dezavantajul principal la amplificarea optica il constituie faptul ca simultan cu ea se
adauga si amplificarea zgomotului. De aceea se incearca reducerea zgomotului sau chiar
eliminarea lui. Pentru acest lucru se utilizeaza diagrame de zgomot similare celor de la
amplificatoarele electronice.Daca in procesul de amplificare optica sunt prezente mai multe canale pentru
lungimile de unda, se poate induce diafonia dintre aceste canale in cazul particular pentru
regimul de saturare al amplificatorului.
In cazul EDFA ,datorit multiplicittii nivelelor de energie poate s aib loc absorbtiaunor lungimi de und pompate ncepnd de la nivelul superior de amplificare diminund
eficienta pompajului. Acest proces este denumit absorbtie de stare excitat (ESA-Excited
State Absorbtion). Lungimile de und de pompaj ntre 980 nm si 1480 nm sunt libere pentru
absorbtia strii excitate. Acestea pot fi generate plecnd de la laserele diodelor comerciale.
Pompajul de 980 nm minimizeaz nivelul zgomotului si este mai adecvat cnd EDFA este
folosit ca un preamplificator.
Dac este pompaj suficient pentru a mentine inversiunea de populatie, ionii de erbiuabsorb semnalul care se propag amplificat, dupa principiul unui laser cu trei niveluri. Un
Diagrama bloc a unui amplificator EDFA
7/29/2019 Amplificatoare Optice cu Semiconductori
18/61
18
parametru important a EDFA-urilor este puterea de transparent definit ca putere de pompaj
pentru ca semnalul s nu sufere nici cstig nici pierdere.
Fig. 10 Excitarea ionilor de Erbiu
Fig. 11 Pompajul EDFA
In figura 12 sunt prezentate nivelele de energie pentru ionii Er3+
.
Excitarea/emisia cu erbiu
Stare de excitare 1
Stare neexcitata
Ion de erbiu
Pompaj la1480 nm
SemnalSemnalamplificat1550 nm
7/29/2019 Amplificatoare Optice cu Semiconductori
19/61
19
Fig. 12 Diagrama energetica a ionilor de Erbiu
3.3.2. Amplificarea emisiei spontane
Generarea zgomotului in amplificatoarele optice este un efect al dezexcitarii spontane
a ionilor laser. Pentru ioni avem timpul de viata finit pentru starea excitata, de aproximativ
= 10 ms, in cazul fibrei optice dopate cu erbium, pentru ca putinii ioni spontani se reintorc la
starea fundamentala si astfel emit cate un foton in acest fel. Acesti fotoni nu au caracteristi
coerente cu respectarea proprietatilor semnaluli laser care intra si se opune la generareafotonilor prin emisie stimulata.
Colectarea fotonilor generati spontan se poate face prin mai multe tipuri de
amplificare a fibrelor optice, dar astfel rezulta si un zgomot de fond suplimentar la semnalul
laser.
Amplificarea emisiei spontane depinde de puterea semnalului.
Fig. 13 Dependenta ASE fata de puterea semnalului
pompaj
Descompunere nereadioactiva
Energia ionului Er3+ infibra din sticla
Iesire
7/29/2019 Amplificatoare Optice cu Semiconductori
20/61
20
Amplificarea optica genereaza un zgomot numit zgomotul amplificarii emisiei
spontane (Amplified Spontaneous Emission ).
Fig. 14 Amplificarea optica
In figurile 15 si 16 sunt reprezentate caracteristicile spectrale pentru un semnal (fig.15), respectiv pentru un sistem WDM.
Fig. 15 Caracteristicile spectrale pentru un semnal
Fig. 16 Caracteristicile spectrale pentru un sistem WDM
Optical
Amplifier
(G)
Optical
Amplifier
(G)
Weak signal
Pin
Amplified signal
Pout
ASE ASE
Pump Source
Optical
Amplifier
(G)
Optical
Amplifier
(G)
Weak signal
Pin
Amplified signal
Pout
ASE ASE
Pump Source
Amplificator
Optic
Semnal slab Semnal amplificat
Surasa de pompaj
7/29/2019 Amplificatoare Optice cu Semiconductori
21/61
21
Suprimarea ASE se face prin intermediu filtrelor n multiple stagii de amplificare,
fcnd sistemul destul de complex sau utiliznd structuri de fibre speciale cu lungimi de und
de 1530 nm genernd pierderi ridicate pentru ASE.
3.4. Amplificatoare optice cu fibra dopata cu Praseodimiu
EDFA funcioneaz n banda de 1550 nm. Majoritatea (aproape toate) sistemelor de
transmisie existente utilizeaza banda de 1300 nm, banda in care EDFAs nu funcineaza.Ca o
replica la acestea au fost dezvoltate amplificatoare dopate cu Pr3+. Cu toate acestea, ele nu
sunt la fel de bune ca EDFA. Castigul valabil in PDFAs comerciale este n jur de 12 dB, iar
gama lungimilor de unda amplificate nu este la fel de mare cum s-ar dori. Castigul este folositmai mult in aplicatii decat pentru amplificarea de putere. Cu toate acestea, ctigul la un
semnal de nivel redus este mic.
Praseodimiul emite fluorescent n zona spectral de 1300 nm, permitnd amplificarea
lungimilor de und dorite, acest lucru fcnd posibil producerea unui amplificator optic cu
fibr dopat cu prasedemiu. Eficienta pompajului este extrem de sczut. n schimb pentru un
EDFA cu un nivel de pompaj la 20 mW este suficient pentru a obtine un cstig de 20 dB.
Pentru un PDFA sunt necesare cteva sute de mW pentru a atinge aceeasi valoare.Prasedemiul poate fi pompat la 2 lungimi de unda:
1. La 1017 nm, folosind un laser InGaAs. Acestea sunt similare cu laserii in regiunea
de 980 nm folositi pentru pomparea EDFAs. Cea mai mare putere valabila in aceasta clasa
este de numai 50 mW;
2. La 1047 nm, folosind un laser de cristal Nd:YLF. Acestea sunt disponibile la o
putere foarte mare, dar sunt, de asemenea, costisitoare. Pompare la aceast lungime de und
este, de asemenea, foarte mica n eficiena. Din aceasta cauza, pompele Nd: YLFsunt
singurele pompe folosite in PDFAs comerciale.
3.5. Amplificatoare optice cu fibr dopat cu Neodimiu
Neodimiul, alt material rar, emite de asemenea fluorescenta la nivelul de 1,3 m, fiind
posibil producerea de amplificatoare optice si lasere cu fibre din ZBLAN dopate cu
neodimiu. Cea mai mare problemn legtur cu aceste fibre il constituie tranzitul la 1,05 mcare poate opri emisia dorit. Folosind tehnici de suprimare a cstigului la 1,05 m, se pot
7/29/2019 Amplificatoare Optice cu Semiconductori
22/61
22
obtine amplificri de pn la +10 dB a laserelor cu eficient de pn la 15,7%. Exist de
asemenea mentionri n literatur privind folosirea disprosiului pentru amplificri de 1,3 m.
Neodimiul este un alt candidat pentru rolul de element activ n amplificatoarele de
fibr in banda de 1300 nm. Nd va amplifica n intervalul 1310 - 1360 nm in ZBLAN i ntre
1360 i 1400 nm n dioxid de siliciu. Pomparea eficienta se produce la lungimile de unda
795 si 810 nm.
Eficienta totala este foarte sczut. Durata de viata a purtatoarei in ZBLAN la 390
sec este destul de scurta. Nivelul de zgomot este de asemenea adecvat, dar nu la fel de bun
precum caracteristicile EDFA (amplificarea emisiei spontane este oproblem).
3.6. Amplificatoare optice cu fibr dopat cu Tuliu
Din perspectiva largirii benzii de transmitere n sisteme WDM (wavelength division
multiplexed), se utilizeaza de asemenea amplificarea prin fibra dopat cu tuliu (element
puternic fluorescent), in banda S. Este important de subliniat c procesul de amplificare se
realizeaza ca un model de laserare pe trei nivele.
4. Comparatie intre SOA si OFA
In tabelul 1 sunt prezentate cateva caracterisitici ale OFAs i SOAs
CARACTERISTICA OFA SOA
castig intern maxim (dB) 30-50 30
pierderi de insertie (dB) 0.1-2 6-10
sensibilitate la polarizare ? nu slaba (
7/29/2019 Amplificatoare Optice cu Semiconductori
23/61
23
In tabelul 2 este prezentata o comparatie intre EDFA si SOA.
Tehnologie Descriere Avantaj Dezavantaj Furnizori
amplificator din
fibra dopata cu
erbiu (EDFA)
standard dupa
2005
tehnologie
bine stapanita
cost mai
ridicat
Corning, JDS Uniphase,
Agere,AlcatelOptronics,
NornetHPOCS, Avanex,
Altmar,Onetta, Keopsys
amplificator
optic cu
semiconductor
(SOA)
componenta
discreta pe
baza de InP
cost scazut;
dimensiune
mica; usor de
integrat
putere de
iesire
scazuta;
zgomot
mare;
tehnologie
inca
nedezvoltata
AlcatelOptronics,Genoa,
JDS Uniphase, Nortel
HPOCS,Optical
Crossing,Kamelian,
OptoSpeed
Tabel 2 Comparatie intre OFA si SOA
In tabelul 3 este sunt prezentate performantele parametrilor EDFA si SOA.
Caracteristici de
performanta
SOA (TWA) EDFA
putere de iesire in saturatie 5 - 15 dBm 10 - 20 dBm
castig nesaturat 10 - 30 dB 40 - 50 dB
zgomot 6 - 9 dB 3 - 5 dB
dependenta de polarizare variaza niciunadimensiune/lungime 300 - 1000 m lungimea fibrei pana la 100m
pierderi de cuplaj mare mica
largime de banda > 20THz 1 - 4 THz
lungime de unda de operare benzile 1.3 m si1.55 m numai banda 1.55 m
Tabel 3 Performantele parametrilor OFA si SOA
7/29/2019 Amplificatoare Optice cu Semiconductori
24/61
24
CAPITOLUL 1 - AMPLIFICATOARE OPTICE
1.1. Motivele folosirii amplificatoarelor optice
Dup cum s-a menionat si n introducere, aparitia amplificatoarelor optice s-a realizat
recent (1980), aceasta ducand la revolutionarea comunicaiilor.
Un amplificator optic este un dispozitiv care amplifica semnalul optic direct, fara a-l
schimba vreodata in semnal electric. Este amplificata lumina in sine.
In lumea comunicatiilor a fost facuta trecerea in sistemele optice de la repetoare la
amplificatoare. Intr-un sistem digital se pot evita amplificatoarele pe distante mari, folosindu-
se in schimb, repetitoare.
Motivul pentru care oamenii au vrut sa utilizeze repetoare a fost acela de a elimina
zgomotul. Repetoarele primesc semnalul initial, il refac in semnal digital si apoi genereaza un
nou semnal. Astfel, zgomotul si dispersia acumulate de-a lungul caii de transmisie sunt
inlaturate complet de catre repetor. In cazul in care este utilizat un amplificator, aceste
componente sunt amplificate impreuna cu semnalul.
ntr-un sistem optic de comunicaii nu prea avem probleme cu zgomotul sau cu
interferentele de semnal. Un semnal in fibra monomod care ajunge la destinaie este mult mai
slab, dar pentru considerente practice semnalul este neschimbat. Pe langa dezavantajul creat
de zgomot exista si unele avantaje pentru a folosi amplificatoare cum ar fi:
Fiabilitatea amplificatoarelor
Cand este folosit un repetor, semnalul optic trebuie convertit intr-o forma electrica,
trecut prin repetor si apoi convertit inapoi in semnal optic. In concluzie un dispozitiv cum ar
fi amplificatorul de semnal se va comporta la fel sau poate chiar mai bine decat un repetor.
Flexibilitatea
Un repetor este specializat pentru un anumit semnal si pe caracteristicile lui (viteza,
cod etc.). Un amplificator amplifica indiferent de semnalul de intrare. Daca se doreste
cresterea vitezei de transmisie intr-o retea de comunicatie ce foloseste amplificatore tot ce
trebuie facut este sa se schimbe transmitatorul si receptorul de la capetele retelei. In schimb,
daca se folosesc repetoare, acestea ar trebui inlocuite, lucru care este destul de incomod inunele medii (cum ar fi cabluri submarine).
7/29/2019 Amplificatoare Optice cu Semiconductori
25/61
25
Multiplexarea prin divizarea lungimii de unda(WDM)
Un sistem WDM utilizeaza surse de lumina cu diferite lungimi de unda, fiecare
modulata de un anumit semnal. Daca s-ar folosi repetoare este nevoie de o demultiplexarea a
semnalului, in timp ce pentru amplificatoare nu este nevoie.
Costul
Amplificatoarele optice sunt mult mai simple dect repetoare i ar trebui s aibe un
cost semnificativ mai mic.
Exist mai multe tipuri de amplificatoare optice. Amplificatoarele pot fi construite cu
ajutorul tehnologiei semiconductoare (ca de exemplu lasere), a tehnologiei ghidului de unda
planar, precum i amplificatoare cu fibre.
Aproape orice laser cu semiconductor se poate transforma intr-un amplificator cu
cteva modificri.
Cel mai important tip de amplificator este amplificatorul cu fibra optica dopata cu
erbiu (EDFA), pentru c are un cost mic (relativ), este extrem de eficient si prezinta un
zgomot mic.
Fig. 1.1 Amplificatoar optic cu fibr dopat cu Erbiu - functionarea
La sfritul anilor 1980 un grup de cercetatori de la Universitatea din Southampton
din Marea Britanie, a reusit sa dezvolte un aplificator bazat de fibr optic, care este acum cel
mai folosit mijloc de regenerare a semnalului in comunicatiile pe distante mari, este vorba de
EDFA. Aceasta a devenit tipul de amplificator optic cel mai folosit si este reprezentat in
figura 1.1.Semnalul trece de-a lungul unei scurte lungimi de fibra speciala i este amplificata
(pn la 1000 de ori, 30 dB), n timpul trasmiterii lui.Semnalul nu devine niciodata electric i
nici nu iese niciodata din fibr.
semnal de intrare
cresterea puterii semnalului
Semnal de iesire
amplificat
Fibra optica
dopata cu erbiuLaser de
pompaj
7/29/2019 Amplificatoare Optice cu Semiconductori
26/61
26
Astzi, exist o ntreag clas de amplificatoare optice bazate pe aceleai principii .
Acestea sunt numite generic REDFAs (Rare Earth Doped Fibre Amplifiers). Singurele
dispozitive de interes comercial curent, sunt cele dopate cu erbiu sau praseodimium dar
oricare element din pmnturi rare ale tabeluluiperiodic este utilizabil ntr-un amplificator
optic.
Amplificatoarele de mai sus (SOA i REDFA), ambele folosesc principiul laserului in
modul lor de operare. Exista si alte amplificatoare care folosesc principii complet diferite de
amplificare (de exeplu efectul Raman).
1.2. Castigul optic
Cele mai multe aplificatoare amplifica lumina incidenta prin emisie stimulata, acelasi
mecanism folosit de catre laseri. ntr-adevr, un amplificator optic nu este altceva dect un
laser fr reactie inversa (feedback). Principala sa proprietate este castigul, realizat cand
aplificatorul este pompat (optic sau electric) pentru a obtine o inversie a populaiei. Castigul
este, in general dependent, nu numai de frecventa (sau lungimea de unda) a semnalului
incident, ci si de intensitatea fasciculului local, n orice punct din interiorul amplificatorului.
Fiind dat un amplificator definim urmatoarele marimi:
Pin = puterea de la intrarea amplificatorului;
Pout = puterea de la iesirea amplificatorului;
z = distanta parcursa de unda optica in mediul de amplificare;
L = lungimea mediului de amplificare (lungimea de amplificare);
Pp = puterea de pompaj (pompaj optic);
Avem relatiile:
Pout Pin + Pp
Pout = Pin + Pp
Pe masura ce se avanseaza in mediul activ, se obtine o crestere a P(z).
Castigul optic depinde de:
- lungimea de unda a radiatiei incidente;- intensitatea locala a pompajului in fiecare punct din mediul optic;- caracteristicile mediului optic utilizat.
7/29/2019 Amplificatoare Optice cu Semiconductori
27/61
27
Se considera un model atomic omogen cu 2 nivele atomice pentru mediul de
amplificare.
S
zPg
PT)(1
g)(
2
2
2
0
0
.
g() = coeficientul de castig optic (castigul optic) ;
g0 = valoarea de varf (maxima) a g(), determinata de nivelul pompajului (castigul de
varf al amplificatorului);
0 = frecventa atomica de tranzitie caracteristica mediului utilizat;
P = puterea optica a semnalului care trebuie amplificat (Pin);
PS = puterea optica de saturatie (puterea de intrare pentru care amplificatorul are un
castig limita) (parametru specific mediului utilizat);
T2 = timpul de relaxare dipolara (parametru specific mediului utilizat) (0.1 ps1ns);
= frecventa semnalului incident.
Amplificatorul optic se poate plasa oriunde intre sursa si receptor.
Amplificatorul de putere functioneaza la nivel ridicat de putere; el poate creste
distanta legaturii (distanta sursa - receptor) cu pana la 400 km.
Amplificatoarele de linie inlocuiesc regeneratoarele electronice.
Preamplificatoarele maresc sensibilitatea receptoarelor.Expresia lui g0 poate fi folosita pentru a estima proprietatile importante ale
amplificatorului:
- largimea de banda a castigului;- factorul de amplificare (castigul);- puterea optica de saturatie.
1.3. Castigul si largimea de banda a amplificatorului
Pentru a determina acesti parametri se considera ca amplificatorul optic functioneaza
in regiunea nesaturata (adica regim de semnal mic).
)(T)(1
g)(P1
P 22
2
0
0 ztindependengPP
S
S
(saturatia castigului e neglijabila);- daca g()=g()=0;
7/29/2019 Amplificatoare Optice cu Semiconductori
28/61
28
- daca 0g()=g(0)=T1
g2
2
2
0
0
;
g()=g0 =max 1+2
2
2
0 T)( =min=12
2
2
0 T)( = 0
= 0; deci g(0)=g0= gmax;Reducerea coeficientului de castig (cand 0) se face dupa o curba lorentziana
caracteristica modelului considerat.
Aplicatie: Sa se calculeze banda coeficientului de castig (banda pentru g).
FWHM = Full Width at Half Maximum (largimea la semiinatltime);
= largimea de banda (banda).
Se calculeaza 1 si 2 pentru care g()=2
1g0
1T)(1T)(2
g
T)(1
g
2
g)( 20
2
2
2
00
2
2
2
0
00
g ;
T
1
2
0 - dacaT
1
T
1
2
01
2
0 ;
- dacaT
1
T
1
2
02
2
0 .
T
2
T
1
T
1-
22
0
2
021g21 ;
T
1
T
22
T
2
2
g
2
g
2
g
vv .
Banda coeficientului de castig este o caracteristica interna a amplificatorului.
Aplicatie: Sa se calculeze banda coeficientului de castig pentru T2=0.1ps.
THzTHzHzv 2.31.0
1
101.0
1
T
1
122
g
Se defineste G() = castigul in putere al aplificatorului optic (castigul optic).
Banda lui G() = banda castigului = banda amplificatorului.
Banda lui G e mai importanta (mai utila) decat banda lui g.
zgdzg
eezG
z
0)(
in P
P(z))(
;
P
P
)(in
ou t)(
Lg
eG
;
7/29/2019 Amplificatoare Optice cu Semiconductori
29/61
29
)(z
dP(z))( inin zPggeP
dePzP zgzg
zgePzP in)( - in)0( PP ; conditiile initiale
- inLg
inout PGePPLP
)( . (la limita) pentruIntegrare de la 0 la L.
P
P1
P
PP
P
P
in
p
in
pin
in
out
LgeG ;
),( zdepG ;
max00 G)(G0 LgLg eeG .
Datorita dependentei exponentiale: Lge )()(G , G() scade mai repede decat g(),
cand se departeaza de 0 .
Aplicatie: Sa se calculeze banda lui G.
T)(1
Lg
)(2
22
0
0
)(G
ee Lg ;
ln2
ln2
1
2
1
)G(
)(G)(
)(
0
0
0 Lg
Lg
Lg
Lg
e
e
e
e
L
LggLgLg
2ln)(2ln)( 0
0
;
2
2
1
2
1
)G(
)(G 22T2)0(1L0g
0
0
22T2)0(1
L0g
0
Lg
ee
eLg
2lnT)(1
T)(Lg2
2
2
2
0
2
2
2
002
2T2)0(1
22T
2)0(L0g
e
222
0
2
2
2
00 T)(2ln2lnT)(Lg
2ln
2ln]T)([2ln)2ln(T)(
0
2
200
2
2
2
0Lg
Lg
2ln
2lnT)(
0
20
Lg
;
2ln
2ln1
2ln
2lnT)(
02
01
0
201
LgTLg ;
2ln
2ln1
2ln
2ln
T)(02
020
202 LgTLg ;
7/29/2019 Amplificatoare Optice cu Semiconductori
30/61
30
2ln
2ln2
02
21g21
LgT ;
g
Sau:
L
Lg
L
Lgg
2ln
T)(1
g2ln)( 0
2
2
2
0
00
2ln
ln2T)(
2lnT)(1
0
2
2
2
0
0
02
2
2
0
LgLg
Lg ;
GG 2 v ;
2ln
2ln2
0
gGgg
Lg
vvv ;
Fig. 1.2 Profilul castigului Lorentzian g()si corespondentul benzii castiguluiG()
unde:
0
)g(
g
- castigul spectrului normat (curba castigului amplificatorului nesaturat);
0
)G(
G
- castigul normat al amplificatorului optic;
Dezacord normalizat
Castig
7/29/2019 Amplificatoare Optice cu Semiconductori
31/61
31
20 )( T - dezacordul normalizat;
gG ; - G are banda mai ingusta decat g.
1.4. Saturatia castigului
Saturatia castigului reiese din dependenta castigului de putere. Se analizeaza cazul in
care 0 .
S
zPg
P1
g)( 0 daca P(z) creste, atunci )(g scade
OBS:
P
T)(1
g)(
2
2
2
0
0
S
zPg
;
Notam: 222
0 T)( - A;
S
zP
P-B.
Caz I: 0P BP S se vede influenta lui A;
Caz II: 00 A se vede influenta lui B;
Concluzie: in final se combina (suprapune) ambele influente.
Se considera o radiatie incidenta perfect acordata ( 0 ), de putere P comparabila
cu SP (deci regim de semnal mare).
S
zgzg
zP
zPgzPggeP
zdPePzP
P1
)(dz
)( 0inin
LL
SS dzzdPzPg
zP
dzzdPzPg
zP
00 00
)(P
1
)(P
1
LL L
dzzdPzPgP
zP
zPg
zP
000 0 S0
)(1d
LL L
dzzdPzPPgzP
zP
g00 0S00
)(
1d1
7/29/2019 Amplificatoare Optice cu Semiconductori
32/61
32
LLL zzPPg
zPg
00
S0
0
0
)(1
)(ln1
LPgPg
LPgg S00S00
P(0)-P(L)
)0(
P(L)ln
1lnP(0)-lnP(L)lnP(0)-lnP(L)
Lg
P
P
P
P
P
PLg
P
PP
P
P0
ou t
S
ou t
in
in
ou t0
S
inout
in
ou t
-1
lnln
LgP
P
G
GGLg
P
PGG 0
S
ou t0
ou t
S
1ln
11
ln
S
ou t
0
0
S
out 1lnln1
lnP
P
G
G
G
GG
P
P
G
GG
S
ou t1
0
P
P
G
G
eG
G
;
Figura 1.3 ne prezinta dependenta lui0
)(
G
G fata de
S
ou t
P
P.
Fig. 1.3 Dependenta lui
0
)(
G
G fata de
S
ou t
P
P
Putere de iesire normalizata, Pout/Ps
Castignormalizatalamplificatorului.G/G0
7/29/2019 Amplificatoare Optice cu Semiconductori
33/61
33
Lg
)( P(z)
1
0
)(GSP
ee Lg
.
In regim nesaturat 1)(
)(00Sout
0
G
GGeGPP
Lg ;
SPout = puterea de saturatie la iesire, adica puterea de iesire ou tP pentru care G se
reduce cu 3dB (adica de 2 ori) fata de oG .
S
ou t
0
0S
ou t
0
0
2
2
12
0
0
0 22
2
P
P
G
GP
P
G
G
S
S
eeG
G
GG
22ln22ln
0
0Sout
S
ou t
0
0
GGPP
PP
GG S
S
.
Aplicatie: Sa se calculeze SPout , daca 0G =30dB.
100010101010
lglg10 31030
100
0
00dB
dB0
dB G
GG
GGG ;
SSout0 69.02ln2 PPPGS .
Se observa ca, in general, SPou t este cu arpoximativ 30% mai mic decat SP .
SSSSout 7.0%70%30 PPPPPS .
1.5. Zgomotul amplificatoarelor optice
Toate amplificatoarele degradeaza raportul semnal-zgomot (RSZ), din cauza
emisiilor, spontane din timpul amplificarii (care produc zgomot).Factorul de zgomot al amplificarii optice este:
ou t
inn
RSZ
RSZF ; 1n F ;(depinde de detector).
RSZ se refera la puterea electrica generata prin conversie optic-electric. Detectorul
introduce, prin fotodetectie, zgomot termic si cuantic.
Se considera un detector ideal cu performante limitate (doar) prin zgomot cuantic
(detectie optica la limita cuantica).2
S = puterea de zgomot cuantic;
7/29/2019 Amplificatoare Optice cu Semiconductori
34/61
34
fq
PR
fPRq
PRIRSZ
2)(2
)( in
in
2
in
2
S
2
in
.
inPRI fotocurentul mediu (valoarea medie a curentului fotodetectat);
fh
P
fq
P
h
qRSZ
h
qR
22
in
2
inin ;
R = responsivitatea unui fotodetector ideal;
= eficienta cuantica (in mod ideal se considera 1);
f = banda fotodetectorului;
curentul de intuneric se considera nul;
RSZRSZ out al semnalului amplificat;
)(sp S = densitatea spectrala de putere a zgomotului cuantic indus prin amplificare.
se considera hnGS spsp )1()( =constant (zgomot alb);
= frecventa optica;
spn = factorul de inversie a populatiei - spn = 1 pentru inversie completa;
- spn > 1 pentru inversie incompleta;
pentru un sistem cu 2 nivele atomice:12
2sp
NN
Nn
;
pentru un amplificator ideal spn = 1;
1N = populatia atomica in stare normala;
2N = populatia atomica in stare excitata.
Emisia spontana adauga o fluctuatie proprie (suplimentara) puterii optice care
urmeaza a fi fotodetectata.Are loc o interactiune intre emisia spontana si semnalul optic, fenomen asemanator cu
acela din detectia heterodina, in care oscilatorul local se mixeaza coerent cu semnalul
incident pe fotodetector.
Deci se considera doar: - zgomotul cuantic;
- zgomotul de interactiune.
2 = puterea fotocurentului detectat;
fSRPGRfPGRq ))((4)(2spinin
2
;Daca G>>1 domina al doilea termen fSRPGR ))((4 spin
2 .
7/29/2019 Amplificatoare Optice cu Semiconductori
35/61
35
fhnG
PG
fS
PG
fSRPGR
PGRIRSZ
sp
in
sp
in
spin
2
in
2
2
ou t)1(44))((4
)(;
spsp
in
spin
ou t
inn
21
2)1(4
2
n
G
Gn
PG
fhnG
fh
P
RSZ
RSZF
;
ideal (cazul cel mai favorabil):2
21 inoutnspRSZ
RSZFn ;
outRSZ se degradeaza cu 3dB (se injumatateste);
Demonstratie:
dBRSZRSZRSZ
RSZRSZ inout 32lg10lg102
lg10lg10dBdB in
inou t ;
dBFFn 32lg10lg10 ndB ;In practica
nF > 3dB (uzual G = 8dB).
Fiind dat un amplificator definim urmatoarele marimi:
'
oN = zgomotul propriu introdus chiar de amplificator;
oN = zgomotul de iesire, in ipoteza ca'
oN = 0;
N si P sunt puterile elctrice (care corespund puterilor optice);
Avem relatiile:
io PGP ; io NGN ; o'
o NNN ;
in
inin
N
PRSZ ;
i
in
i
i
o
o
'
o
oout
1NG
N
RSZ
NNG
PG
NN
P
N
PRSZ
;
- daca inout0 RSZRSZN ;- daca inout0 RSZRSZN ;
1.6. Aplicatii ale amplificatoarelor optice
Amplificatoare optice pot fi folosite in mai multe scopuri in proiectarea sistemelor de
comunicatii cu fibra optica: trei aplicaii comune sunt prezentate schematic n figura 1.4.
Pentru sistemele situate la distante mari se prefera folosirea amplificatoarelor in locul
regeneratoarelor elctronice. Pentru sistemele WDM se folosesc amplificatoare optice,deoarece canalele sistemului pot si amplificate simultan.
7/29/2019 Amplificatoare Optice cu Semiconductori
36/61
36
Pentru a creste puterea de transmisie intr-un sistem de comunicatie se plaseaza un
amplificator imediat dupa transmitator. Acest amplificator este numit amplificator de putere
si principalul lui scop este acela de a mari puterea de transmisie. Un amplificator de putere
poate creste distanta de transmisie cu 100 km sau chiar mai mult, in functie de castigul
amplificatorului si de pierderile in fibra. Distanta de transmisie poate fi de asemenea marita
prin plasarea unui amplificator inaintea receptorului, pentru a mari puterea primita. Aceste
amplificatoare sunt numite preamplificatoare optice si sunt folosite pentru a imbunatatii
sensibilitatea receptorului. O alta aplicatie a amplificatoarelor optice este folosirea lor pentru
a compensa pierderile in LAN.
Fig. 1.4 -3 aplicatii pentru amplificatoarele optice: (a) amplificatoare in serie; (b) marirea puterii
transmise; (c) preamplificarea puterii primite
In figura 1.5 este reprezentata implementarea ampificatoarelor optice intr-un sistem
optic.
Fig. 1.5 Implementarea amplificatoarelor optice intr-un sistem optic de comunicatii
amplificatoare de linie
fibra optica fibra optica
fibra optica
fibra optica
amplificator de putere
preamplificator
transmitator amplificator
de putere
amplificator
de linie
preamplificator receptor
7/29/2019 Amplificatoare Optice cu Semiconductori
37/61
37
CAPITOLUL 2AMPLIFICATOARE OPTICE CU
SEMICONDUCTORI
2.1. Descrierea SOA
SOA este un dispozitiv optoelectronic, care dupa mai multe operatii poate amplifica
un semnal de intrare. In figura 2.1 este reprezentata o diagrama schematica a unui SOA.
Regiunea activa da o parte din castig semnalului de intrare. Un curent electric extern
genereaza sursa de energie care permite aparitia castigului. Ghidul de unda incorporat
limiteaza semnalul de unda propagat in regiunea activa. Cu toate acestea, semnalul optic care
a luat nastere este destul de slab si din aceasta cauza o parte din el va ramane in regiunile care
prezinta pierderi. Semnalul de iesire prezinta zgomot. Acest zgomot aditiv este adaugat de
procesul de amplificare in sine, deci nu se poate scapa de el in totalitate. Fetele
amplificatorului sunt reflective, cauzand perturbatii in spectrul de castig.
Fig. 2.1 Diagrama schematica a unui SOA
curent
semnal de iesire
si zgomot
fateta de iesire
fateta de intrare
regiune activa si
ghid de unda
semnal de
intrare
7/29/2019 Amplificatoare Optice cu Semiconductori
38/61
38
Fig. 2.2 SOA
SOA realizaeaza amplificare inantea atingerii curentului de propagare.
2.2. Principiul functionarii unui SOA
Un SOA se bazeaza pe aceeasi tehnologie ca a diodelor laser Fabry-Perot. Functia de
amplificare este realizata de pomparea externa a nivelelor de energie ale materialului. Este
necesara o protectie a dispozitivelor impotriva oscilatiilor proprii generate de efectul laser.
SOA sunt pompate electric prin curentul injectat.
Fig. 2.3 SOAprincipiul functionarii
7/29/2019 Amplificatoare Optice cu Semiconductori
39/61
39
Presupunand ca diodele laser nu ar avea oglinzi atunci punem diodei conditia inversiei
populatiei si injectam fotoni la un capat al diodei.
Fig. 2.4 Comparatie Laser/SOA
SOA se bazeaza pe emisia laser stimulata de purtatorii injectati in structura. Prin
aceasta emisie stimulata, semnalul incident va fi amplificat. Un foton da nastere la alt foton;
avem in total 2 fotoni. Fiecare din acesti 2 fotoni, da la randul lui nastere altui foton, avand in
total 4 fotoni, si procesul continua la fel.
dioda laser amplificator
oglindaoglinda partiala strat antireflexie
7/29/2019 Amplificatoare Optice cu Semiconductori
40/61
40
2.3. Clasificarea SOA
SOA pot fi clasificate in 2 mari categorii prezentate in figura 2.5: Fabry-Perot SOA
(FP-SOA), in care reflexiile de la sfarsitul fetelor sunt semnificative (semnalul are mai multe
treceri prin amplificator) si SOA cu unda calatoare (TW-SOA) unde reflexiile sunt neglijabile
(semnalul trece o singura data prin amplificator). TW-SOA nu este la fel de sensibil ca FP-
SOA la fluctuatiile in diagonala ale curentului, la temperatura si la polarizarea semnalului.
Fig. 2.5 Principalele tipuri de SOA si castigul acestora
Cele mai multe aplicatii ale SOAs sunt bazate pe castigul lor optic. In tabelul 2.1 sunt
prezentate o lista cu cateva proprietati practice ale SOA. Scopul celor mai multe cercetari in
domeniul SOA este acela de a putea implementa aceste proprietati in dispozitive practice.
SOA Fabry-Perot SOA cu unda calatoare
fatete reflectoare
intrare
iesire iesire
iesireintrare
straturi
antireflexie
rezonanta
antirezonanta
lungime de unda lungime de unda
castig(dB)
castig(dB)
7/29/2019 Amplificatoare Optice cu Semiconductori
41/61
41
Proprietate
Castig mare si largime de banda mare
Reflectivitati neglijabile ale fatetelor
Sensibilitate scazuta la polarizarePutere mare de iesire la saturatie
Zgomot aditiv aproape de limita teoretica
Insensibil la caracteristicile de modulatie ale semnalului de intrare
Amplificarea multicanal fara diafonie
Fara neliniaritati
Tabel 2.1 Proprietatile SOA dorite in implementarea dispozitivelor practice
In tabelul 2.2 sunt prezentati parametri fizici ai unui SOA:
Parametru Simbol Valoare/Unitate
densitatea purtatoarei la transparentao
N 324/104.1 m
lungime de unda la transparentao nm1605
densitatea initiala a purtatoarei iN 324/103 m
lungimea de unda a semnalului nm1550
pierderea interna prin imprastiere a ghiduluis m/1040
2
castig diferentialg
220/1078.2 m
constanta de castig 2a 318/104.7 m
constanta de castig3a
425/10155.3 m
coeficientul de translatie al castigului de varf 4a 432103 m
lungimea SOA L 500 m
latimea SOA W 3 m
inaltimea SOA H 80 m
factor de confinare 0.3
frecventa luminii f 193.5THz
constanta Planck h 34106.62606896
sarcina electron q C1910602.1
coeficient de recombinare datorat defectelor
de suprafata
A 81043.1
1/s
7/29/2019 Amplificatoare Optice cu Semiconductori
42/61
42
coeficient de recombinare radiativa B sm /101 316
coeficient de recombinare Auger C sm /103 641
factor de compresie al castigului E 0.2/W
curent de bias I 150 mATabel 2.2 Parametri fizici ai unui SOA
2.3.1. SOA Fabry-Perot
In functie de reflectivitatea fatetelor se disting doua variante de SOA: FPA si TW.
FPA = amplificator cu cavitate rezonanta Fabry-Perot.
La FPA fatetele laserului au o reflectivitate de 30-35%.Intr-un amplificator optic se defineste relatia:
inout PGP ;
FPA are o reactie importanta datorita reflexiilor multiple pe fatetele structurii. FPA
poate fi folosit sub pragul emisiei coerente.
Caracteristica amplificatorului va fi construita din mai multe benzi inguste de trecere
centrate pe lungimile de unda la care se realizeaza un castig de varf.
Fig. 2.6 Caracteristici de transmisie ale filtrului Fabry-Perot
lungime de unda
transmitan
ta
reflexie 90% domeniu spectral liber
(FSR)
reflexie 70%
reflexie 5%
7/29/2019 Amplificatoare Optice cu Semiconductori
43/61
43
In figura 2.6 se observa ingustarea benzii de trecere odata cu cresterea reflectivitatiii
oglinzilor.
FPA este foarte sensibil la : - variatii ale curentului de polarizare;
- variatii ale temperaturii;
- variatii de polarizare ale semnalului incident (unda
optica de la intrare).
Filtrele optice acordabile se impart in 2 categorii:
- FOTB cu cavitati de tiplul Fabry-Perot;- Filtre care folosesc amplificatoare cu semiconductori.A) FOTB cu cavitati de tipul Fabry-PerotFOTB mai este numit si filtru pieptane.
Rezonatorul Fabry-Perot care transmite mai multe lungimi de unda cu banda
ingusta si opreste altele este de fapt un filtru trece banda multiplu pe frecventele
proprii ale cavitatii.
Presupunand un rezonator optic care are coeficientii de transmisie si de
reflexie ai oglinzilor de la capetele cavitatii notati cu t si r ( 122 rt reprezinta
legea de conservare) se poate deduce functia de transfer.
O unda cu vectorul de unda k si amplitudinea 0E este incidenta din stanga
rezonatorului.
Unda transmisa (in dreapta) va fi:
2
222
0
2222
0t )(...)(on
LkjLkjLkjLkj erteEertteEE
1
122
2
0
erteE Lkj ;
2
22
2
2
0
2
t
1 Lkj
Lkj
er
et
E
E
;
Se stie ca xjxe xj sincos si 22 babja .
2
22
22
2
2
2
0
2
t
)2sin)2cos1(
)sin(cos)1(
)2sin2(cos1
)sin(cos
LkrjLkr
LkjLkr
LkjLkr
LkjLkt
E
E
2
2222
222
)2sin(2cos1
sincos)1(
LkrLkr
LkLkr
7/29/2019 Amplificatoare Optice cu Semiconductori
44/61
44
LkrLkrLkr
r
2sin2cos2cos21
)1(24242
22
42
22
2cos21)1(
rLkrr
.
Transmisia este 100% 42422
0
2
t2cos21211 rLkrrr
E
E
m2
22212cos f
L
cmfmL
c
fmLkLk
Daca se poate presupune ca r = 0.51, atunci varfurile de transmisie sunt inguste si
FWHM (Full Width at Half Maximum) este dat de:
rm
tf
r
r
L
cf
2
m
21
2.
Demonstratie:
2
1
2cos21
21
2
142
42
2
0
2
t
rLkr
rr
E
E
422242 )21(21242 rLkrrr
4222242
421242 rLkrrrr 222224 )2()1()2(12 LkrrLkrrr
fc
Lr
c
fLrLkrr
422212 ;
Lr
rcff
c
Lrr
4
)1(41
2
11
2
Lr
rcfff
2
)1(2
12 ;
Lr
rcff
c
Lrr
4
)1(41
2
22
2
Din cauza latimii reduse a benzilor de trecere si a transmitantei de 100%,
rezonatoarele Fabry-Perot sunt larg folosite in (ca) filtre pentru WDM.
7/29/2019 Amplificatoare Optice cu Semiconductori
45/61
45
Fig. 2.7 Filtrul Fabry-Perot
Daca se doreste transmisia unei singure benzi de frecventa, atunci spatiul dintre cele 2
benzi de trecere ale filtrului trebuie sa fie superior latimii spectrale incidente.
Spatiul dintre varfurile de transmisie
L
cFSR 2 este denumit domeniu spectral
liber (FSR = Free Spectral Range), iar rapoertul dintre FSR si banda de frecventa a
semnalului incident este denumit factor de finete:
R
R
fL
c
f
FSRF
12
lumina la lungimi de unda
nerezonante
lumina la lungimi de
unda rezonante
oglinda 1 oglinda 2
7/29/2019 Amplificatoare Optice cu Semiconductori
46/61
46
Fig. 2.8 Conectarea in cascada a unor filtre Fabry-Perot cu FSR diferit
Aplictie: Un filtru trebuie sa aiba un singur canal cu o banda f = 50GHz si FSR =banda C (50 nm centrati pe 1550 nm).
In acest caz factorul de finete al filtrului piptane FOTB va fi F = 140
THzTHzHzHzc
FSR 72.6102.610101550
15
101550
1031050
12126
2182
89
2
14050
7000
GHz
GHz
f
FSRF ;
2
c
.
Este importanta de mentinut senzitivitatea ridicata a filtrului FP la variatii ale lungimii
cavitatii.
O schimbare a lungimii cavittii cu o jumatate de lungime de unda (~ 0.5 microni)
deplaseaza substantial varful de trecere.
Pentru a contracara senzitivitatea, de multe ori lungimea cavitaii este controlata
electric cu ajutorul unor piese piezoelectrice (adica se foloseste controlul piezoelectric al
lungimii cavitatii).
lungimi de unda rezonante
grating 1
lungimi de unda rezonante
grating 2
caracteristica rezultanta
a filtrului
lungime de unda
7/29/2019 Amplificatoare Optice cu Semiconductori
47/61
47
Fig. 2.9 Filtru acordabil Fabry-Perot cu fibre optice
Poate fi controlat de asemenea si indicele de refractie al cavitatii folosind un cristal
electro-optic.
In cazul filtrului FP, caracteristica de transmisie este dependenta de modurile
longitudinale determinate de lungimea optica ( Ln ) a cavitatii.
Atunci frecventele de trecere vor fi:
Ln
cmf
2, unde m este un numar intreg, iar spatiul dintre doua frecvente successive
ale FOTB va fi:
Ln
c
2L , unde n este indicele de refractie folosit la constructia receptorului FP.
In cazul transmisiei a N canale, banda acestora, S trebuie sa fie mai mica decat
L :
Lsig .
fibra optica
single-mode
cristal piezoelectric
miezul fibrei
oglinzidielectrice
structura desustinere
d
7/29/2019 Amplificatoare Optice cu Semiconductori
48/61
48
Fig. 2.10 Caracteristicile de transmisie ale filtrelor acusto-optic si electro-optic (stanga) si respectiv a unui
lob din caracteristica unui filtru Fabry-Perot cu oglinzi cu R = 40% (dreapta)
DSNN chchsig ;
DS chch
.
chS = spatierea normalizata dintre canale;
D = debitul.
Banda filtruluiFP trebuie sa fie suficienta pentru a trece toata informatia canalului
selectat:
D FP .
Atunci:chFPch
L
S
F
SN
, unde
ch
L
F este un factor de finete al FOTB.
Presupunand ca chS = 3 (pentru a mentine suprapunerea canalelor sub 10 dB), atunci:
)1(3 R
RN
.
Rezulta ca numarul maxim de canale este determinat de reflectivitatea oglinzilor.
Pentru R ~ 99%, rezulta N
7/29/2019 Amplificatoare Optice cu Semiconductori
49/61
49
Fig. 2.11 Filtru Fabry-Perot: ajustare prin efectul piezoelectric
De exemplu, pentru sig = 1000GHz, L
7/29/2019 Amplificatoare Optice cu Semiconductori
50/61
50
DFB (Distributed Feed-Back) sau DBR (Distributed Bragg Reflector) este posibil si un
accord.
In varianta DFB un curent variaza periodicitatea reflectorului si deci a lungimii de
unda, al doilea curent controleaza faza amplificatorului, iar ultimul regleaza amplificarea.
2.3.2. TW SOA
TWA = amplificator cu unda calatoare.
La TWA fatetele structurii sunt tratate antireflex (ideal se doreste reflectivitate nula).
Astfel se formeaza un dispozitiv cu trecere unica fara rezonante. Se obtine si o crestere
substantiala a benzii de trecere.
Lumina trece fara sa se reflecte, adica fara sa se mai intoarca, si astfel creste banda de
frecventa in care se obtine amplificarea.
TWA este insensibil la variatiile la care este sensibil FPA.
Din punct de vedere al saturatiei castigului si al zgomotului, TWA este superior FPA.
In practica TWA este denumit NTWA (near TWA = aproape TWA), deoarece o
reflectivitate total nula a fatetelor este imposibil de obtinut.
TWA este un amplificator unidirectional fara reactie.
In figura 2.12 este prezentata structura unui TWA:
7/29/2019 Amplificatoare Optice cu Semiconductori
51/61
51
Fig. 2.12 Structura unui TWA
2.4. Castigul si largimea de banda a unui SOA
Castigul (factorul de amplificare) FPA este:
L
m2
21
2
21
21FP )(
sin4)1(
)()1()1()(
RRGRRG
GRRG ;
1R , 2R = reflectivitatile fatetelor mediului activ;
m =frecventele de rezonanta ale cavitatii;
L = FSR (Free Spectral Range = domeniul spectral liber);
regiune activa inclinata
fereastra transparenta InP
stratantireflexie
7/29/2019 Amplificatoare Optice cu Semiconductori
52/61
52
= spatierea modala longitudinala (spatierea frecventelor de rezonanta), (spatierea
intre varfuri).
daca1R , GGR FP2 0 , deci G corespunde unui TWA la semnal mic, adica G este
castigul pentru o singura trecere a undei prin cavitate (castigul fara reflexii multiple).Aplicatie: Sa se calculeze banda: G (banda de frecvente a amplificatorului).
Gm frecventa de taiere.
Banda se calculeaza in jurul luim .
Banda la 3dB este dezacordulm , pentru care )(FP G scade la 0.707.
2
)()21()1(
)(sin4)1(
)1(
)()21()1(2
)(
)(
1
L
m2
21
2
21
2
21
m1
FP
mFP
GRR
RRGRRG
RRG
GRR
G
G
2
)(sin
)1(
41
L
m2
2
21
21
RRG
RRG
21
2
21
L
m2
4
)1()(sin
RRG
RRG
21
21
L
m
4
1)(sin
RRG
RRG
21
21
L
m
4
1arcsin
)(
RRG
RRG
21
21Lm
4
1arcsin)(
RRG
RRG
21
21Lm1
4
1arcsin
RRG
RRG
;
21
21Lm2
4
1arcsin
RRG
RRG
;
21
21L21G
4
1arcsin
2
RRG
RRG
.
Se defineste 21geo RRR ca fiind reflectivitatea suprafetei.
In figura 2.13 sunt reprezentate diferite valori ale lui Rgeo in functie de )(G . De
exemplu pentru a obtine un castig perturbat mai mic decat 1 dB pentru un )(G de 25 dB
trebuie ca Rgeo
7/29/2019 Amplificatoare Optice cu Semiconductori
53/61
53
cuprinse in intervalul 30-35 dB. Largimea benzii amplificatoarelor ia valori in intervalul 30-
60 nm.
Fig. 2.13 Interpretarea geometrica a suprafetei reflexive raportata la )(G
Aplicatie: Sa se calculeze G daca: L = 100GHz, 35.021 RR , G=2.85.
GHzGHzGHz
1057.49975.1
0025.0arcsin
200
35.085.24
35.085.21arcsin
10002G
.
Pentru FPA se remarca existenta unei contradictii intre amplificare si banda: candcreste amplificarea, scade banda (si invers).
Demonstratie:
amplificare mare inseamna 1maxmax 21FP RRGGG
0G banda .
De aceea, pentru aplicatii in sisteme de comunicatii se folosesc TWA, deoarece au
banda mai larga si deci sunt mai potrivite decat FPA.
TWA poate fi obtinut din FPA prin suprimarea reactiei, adica prin inlocuirea fatetelor
reflectante cu unele antireflex.
7/29/2019 Amplificatoare Optice cu Semiconductori
54/61
54
Pentru o reflectivitate redusa (de 310 ), FPA lucreaza ca un TWA.
Aplicatie: Sa se calculezemin
FP
max
FP
G
GG .
2
21
1mFP0sinFP
maxFP
)1()()21()1()(
RRGGRRGGG
;
21
2
21
1
21
2
21
11sinFP
min
FP2)(1
)()21()1(
4)1(
)()21()1(
RRGRRG
GRR
RRGRRG
GRRGG
2
2
21
21
min
FP
max
FP
2
21
1
1
1
)1(
)()21()1(
RRG
RRG
G
GG
RRG
GRR .
Daca G > 3dB se considera ca G este determinat de cavitate si nu de spectrul incare se obtine castig.
Aplicatie: Ce conditie trebuie indeplinita pentru ca G > 3dB ?
10
lglg10max
maxmaxmaxdB
dB
GGGG
2101010 3.0103
10max
max
dBG
G ;
2
21
21
2
2
21
21
11
11
RRGRRGG
RRGRRGG
21211 RRGGGRRG
1
11)1( 2121
G
GRRGGGRRG ;
17.012
12
1
1)( max21
G
GRRG .
Deci G > 3dB 17.021 RRG .
Daca 17.021 RRG , atunci se considera ca FPA e de fapt un TWA.
Aplicatie: Ce conditie trebuie indeplinita pentru ca G = 30dB ?
310
30
10 101010lg10 dB
dB
G
GGG ;
43
2121 107.11017.017.0
17.0 G
RRRRG .
In acest caz cavitatea lucreaza in regim de unda progresiva.
7/29/2019 Amplificatoare Optice cu Semiconductori
55/61
55
2.5. Sensibilitatea polarizarii
n general, castigul unui SOA depinde de starea de polarizare a semnalului de intrare.
Aceast dependen se datoreaz mai multor factori cum ar fi : structura ghidului de unda,polarizarea, care la randul ei este dependenta de natura antireflexiva a invelisului si castigul
materialului. SOA legate in serie pun cel mai bine in evidenta aceasta dependenta a
polarizarii. Ghidul de unda al amplificatorului este caracterizat de 2 moduri fundamentale:
Transversal Electric (TE) si Transversal Magnetic (TM). Polarizarea semnalului de intrare
este de obicei undeva intre aceste 2 moduri extreme. Sensibilitatea polarizarii unui SOA este
definita ca modulul diferentei intre castigul modului TE (GTE) si castigul modului TM (GTM).
)(/TMTETE/TM dBGGG In figura 2.14 sunt prezentate 3 configuratii folosite pentru a reduce sensibilitatea
polarizarii unui SOA:
Fig. 2.14 -3 configuratii folosite pentru a reduce sensibilitatea polarizarii unui SOA: (a)
amplificatore identice legate in serie; (b) amplificatoare identice legate in paralel; (c) trecere dubla prin
acelasi amplificator
am lificatoare
spliter de
olarizare
controler de
polarizare cip deamplificare
rotitor
Faraday
intrare
iesireo linda
7/29/2019 Amplificatoare Optice cu Semiconductori
56/61
56
2.6. Saturatia castigului a unui SOA
Castigul unui SOA este influentat atat de puterea semnalului de intrare cat si de
zgomotul intern generat de procesul de amplificare. Daca creste puterea semnalului, numarul
purtatorilor din regiunea activa se diminueaza, acest fenomen ducand la o scadere a castigului
amplificatorului. Aceasta saturatie a castigului poate cauza distorsiuni semnificative ale
semnalului. Poate, de asemena, limita castigul unui amplificator atunci cand SOA sunt
folosite ca amplificatoare cu mai multe canale. In figura 2.15 este reprezentat castigul unui
amplificator SOA in functie de puterea semnalului de iesire a unui amplificator. Un
parametru folosit pentru cuantificarea saturatiei castigului este puterea de iesire a saturatiei
(PO,sat ) care este definita ca fiind puterea semnalului de iesire a amplificatorului al caruicastig este jumatate din castigul amplificatorului de semnal mic. Aceasta putere ia valori in
intervalul 5-20 dBm, pentru dispozitivele practice.
Fig. 2.15 Castigul unui SOA in functie de puterea semnalului de iesire al unui amplificator
2.7. Zgomotul unui SOA
In cazul in care castigul amplificatorului este mult mai mare decat 1 si la iesirea
amplificatorului se afla un filtru trece-banda atunci expresia zgomotului va fi data de relatia:
sp2 nF
puterea semnalului de iesire (dBm)
castig(dB)
7/29/2019 Amplificatoare Optice cu Semiconductori
57/61
57
Cea mai mic valoare posibil pentru nsp este 1. Aceasta situatie are loc atunci cand se
relizeaza o inversie completa a mediului atomic. De exemplu, pentru N1=0 rezulta F=2
(3dB). Valorile tipice pentru expresia zgomotului pentru SOA sunt in intervalul 7-12 dB.
2.8. Efecte dinamice
SOA sunt utilizate de obicei pentru a amplifica semnale modulate. Daca puterea
semnalului este mare atunci va aparea fenomenul de saturatia al castigului. In SOA dinamica
castigurilor este determinata de durata de viata a purtatorilor recombinati. Aceasta durata de
viata este de ordinul sutelor de picosecunde. Atunci, castigul amplificatorului va reactionarelativ repede la schimbarile facute asupra puterii semnalului de intrare. Acesta dinamica a
castigului poate cauza distorsiuni ale semnalului, care devin mai pronuntate atunci cand
largimea de banda a semnalului creste. In contrast cu SOA, la amplificatoarele cu fibra
dopata, durata de viata a purtatorilor recombinati este de ordinul milisecundelor, fapt care
duce la distorsiuni ale semnalului neglijabile.
2.9. Neliniaritatea
SOA au un comportament neliniar. Neliniaritatea poate fi benefica pentru SOA, in
folosirea acestora ca dispozitive functionale acum ar fi convertoarele de lungime de unda.
7/29/2019 Amplificatoare Optice cu Semiconductori
58/61
58
CAPITOLUL 3 - PREZENTAREA UNOR SOA
COMERCIALE
SOA sunt folosite:
- ca amplificatoare de putere;
- ca preamplificatore de putere;
- ca dispozitive optice de comutare;
- ca convertoare de lungime de unda;
- pentru a compensa pierderile de dsitributie in LAN;
- pentru a amplifica mai multe canale in acelasi timp.
In paginile ce urmeaza vor fi prezentate datasheet-urile (foile din catalog) ale unor
SOA comerciale apartinand companiilor: Superlum, InPhenixsi Kamelian.
Fig. 3.1 SOA - exemplu
SOA 1300nm SOA 1550nm preamplificator SOA CWDM
SOA neliniar SOA reflectiv SOA reflectiv cu cooler termoelectric
7/29/2019 Amplificatoare Optice cu Semiconductori
59/61
59
CONCLUZII
Comunicaiile pot fi definite ca un transfer de informaii de la un punct la altul. n
comunicaiile cu fibra optica, acest transfer se realizeaz prin utilizarea luminii ca informaie
purtatoare. Tehnologia optic este dominanta in comunicatii la nivel global.
Amplificatoarele opticepot fi mprite n dou clase: amplificatoare cu fibra optica i
amplificatoare cu semiconductori (SOA). Datorita avansurilor facute in domeniul tehnicilor
de fabricatie a semiconductoarelor optice, mai ales n ultimii cinci ani, exista premisele
folosirii tot mai des a amplificatoarelor optice cu semiconductori in evolotia retelelor de
comunicatii optice.
Amplificatoarele optice pot fi, de asemenea, utile ca aplificatore de putere, de
exemplu, pentru a compensa pierderile in reelele optice de distribuie, ct i ca un
preamplificator optic pentru a mbunti sensibilitatea receptorului. Imbunatairile realizate
cu amplificatoare optice, in retelele de comunicatii, au dus la noi oportunitati de exploatare a
largimii de banda a fibrei optice.
Primele studii privind amplificatoarele optice cu semiconductori s-au efectuat n jurul
anului 1960 cand au aparut semiconductoarele laser. Aceste dispozitive s-au bazat pehomojonctiunile GaAs obtinute la temperaturi joase. Aparitia dispozitivelor cu
heterostructura dubla a dus la investigatii suplimentare pentru folosirea amplificatoarelor
optice cu semiconductori in sistemele optice de comunicatii. n 1970 a Zeidler i Personick
au efectuat mai multe studii asupra aplificatoarelor optice cu semiconductoriUn amplificator optic este un dispozitiv care amplifica semnalul optic direct, fara a-l
schimba vreodata in semnal electric. Este amplificata lumina in sine.
SOA este un dispozitiv optoelectronic, care dupa mai multe operatii poate amplificaun semnal de intrare. Un SOA se bazeaza pe aceeasi tehnologie ca a diodelor laser Fabry-
Perot. Functia de amplificare este realizata de pomparea externa a nivelelor de energie ale
materialului. Este necesara o protectia a dispozitivelor impotriva oscilatiilor proprii generate
de efectul laser. SOAs sunt pompate electric prin curentul injectat.
SOAs pot fi clasificate in 2 mari: Fabry-Perot SOA (FP-SOA), in care reflexiile de la
sfarsitul fetelor sunt semnificative (semnalul are mai multe treceri prin amplificator) si SOA
cu unda calatoare (TW-SOA) unde reflexiile sunt neglijabile (semnalul trece o singura dataprin amplificator). TW-SOA nu este la fel de sensibil ca FP-SOA la fluctuatiile in diagonala
ale curentului, la temperatura si la polarizarea semnalului.72
7/29/2019 Amplificatoare Optice cu Semiconductori
60/61
60
In tabelul 6 sunt prezentate principalele avantaje si dezavantaje ale unui SOA:
Avantaje Dezavantaje
Compacte Pierderi de cuplaj mari
Pot fi integrate Dependenta de polarizarea semnaluluiPutere mare de iesire Factor de zgomot mare
Pot opera intr-o banda mare de lungimi de
unda (400-2000nm)
Distorsiunea semnalului
Pret scazut pentru productii mari Alinierea cu fibra prezinta dificultati
Dimensiune mica
Pot fi folosite ca dispozitive functionale
(conversia lungimii de unda)
Tabel 4. Avantaje/Dezavantaje SOA
73
7/29/2019 Amplificatoare Optice cu Semiconductori
61/61
BIBLIOGRAFIE
1. S. Shimada and H. Ishio, Eds., Optical Amplifiers and their Applications, John Wiley(1992).2. H. Ghafouri-Shiraz, Fundamentals of Laser Diode Amplifiers, John Wiley (1995).3. Y. Yamamoto, Ed., Coherence, Amplification and Quantum Effects in Semiconductor
Lasers, John Wiley (1991).4. E. Desurvire, Erbium-Doped Fibre Amplifiers: Principles and Applications, John Wiley,New York (1994).5. M. J. OMahony, Semiconductor optical amplifiers for use in future fibre systems,
IEEE/OSA J. Lightwave Technol., 6, 531-544 (1988).6. N. A. Olsson, Semiconductor optical amplifiers,IEEE Proc., 80, 375-382 (1992).7. G. Zeidler and D. Schicetanz, Use of laser amplifiers in glass fibre communication
systems, Siemens Forch. u. Entwickl. Ber., 2, 227-234 (1973).8. S. D. Personick, Applications for quantum amplifiers in simple digital opticalcommunication systems,Bell Syst. Tech. J., 52, 117-133 (1973).9. Y. Yamamoto, Characteristics of AlGaAs Fabry-Perot cavity type laser amplifiers,IEEE J.Quantum Electron., 16, 1047-1052 (1980).10. T. Mukai, Y. Yamamoto and T. Kimura, S/N and error rate performance in AlGaAssemiconductor laser preamplifier and linear repeater systems, IEEE Trans. MicrowaveTheory And Tech., 30, 1548-1556 (1982).11. J. C. Simon, GaInAsP semiconductor laser amplifiers for single-mode fibrecommunications,IEEE/OSA J. Lightwave Technol., 5, 1286-1295, 1987.12. N. A. Olsson, R. F. Kazarinov, W. A. Nordland, C. H. Henry, M. G. Oberg, H. G. White,
P. A. Garbinski and A. Savage, Polarisation-independent optical amplifier with buried facets,Electron. Lett., 25, 1048-1049 (1989).13. J.D. Montgomery, S. Montgomery and S. Hailu, Semiconductor optical amplifiers expandcommercial opportunities, WDM Solutions, Supplement to Laser Focus World, 27-30 August2001.14. Harry J. R. Dutton Understanding Optical Communications, September 199815. J.D. Montgomery, S. Montgomery and S. Hailu, Semiconductor optical amplifiersexpand commercial opportunities, WDM Solutions, Supplement to Laser Focus World, 27-30August 2001.16. Y. Yamamoto, Characteristics of AlGaAs Fabry-Perot cavity type laser amplifiers,IEEE
J. Quantum Electron., 16, 1047-1052 (1980).17.http://www.superlumdiodes.com18.http://www.inphenix.com19.http://www.kamelian.com
http://www.superlumdiodes.com/http://www.superlumdiodes.com/http://www.superlumdiodes.com/http://www.inphenix.com/http://www.inphenix.com/http://www.inphenix.com/http://www.kamelian.com/http://www.kamelian.com/http://www.kamelian.com/http://www.kamelian.com/http://www.inphenix.com/http://www.superlumdiodes.com/