UNIVERSITATEA MARITIMA CONSTANTA
LASERI DE POMPAJ AI AMPLIFICATOARELOR CU FIBRA OPTICA DOTATA CU
ERBIUM (EDFA)
ndrumator :Prof.univ.dr PAUL CHIOPU
2011Definitie:1
Un amplificator optic este un dispozitiv care amplifica un
semnal optic n mod direct, fr a fi nevoie de a-l converti la un
semnal electric. Un amplificator optic poate fi gndit ca un laser,
fr o cavitate optic, sau una n care feedback-ului din cavitatea
este suprimat. Stimulat de emisie n mediu ctig amplificator,
cauzeaz amplificare a luminii primite. Amplificatoare optice sunt
importante n comunicare optice si fizica laserilor.
1.Caracteristici
Amplificatoarele cu fibra optica ofera o combinatie unica de
caracteristici, care tind sa revolutioneze comunicatiile prin fibra
optica. Cateva dintre aceste caracteristici sunt: zgomot redus,
putere optica, castig mare, liniaritate, banda larga,
permeabilitate in functie de lungimea de unda, polarizare prin
impedante si compatibilitate intre diferitele fibre. Acestea au
condus la numeroase aplicatii, fiecare facuta special sa
indeplineasca o anumita sarcina. Proiectarea eficienta a
amplificatoarelor depinde de doi parametri: proprietatile fibrei
active si topologia amplificatorului. Optimizarea fibrei dopate cu
erbium a fost cercetata pentru alimentarea la lungimi de unda de
980 nm si 1480nm. In mod similar au fost facute cercetari pentru
EDFA care sunt inca de actualitate in realizarea unor aplicatii de
o diversitate mare. Comportamentul si performantele EDFA-ului sunt
date de un numar mare de parametri: castigul de semnal mic,factorul
de zgomot, raport semnal-zgomot, puterea de saturatie la iesire,
eficienta conversiei din optic in optic, eficienta conversiei din
electric in optic, eficienta globala a conversiei, temperatura de
lucru, dependenta de polarizare a castigului, banda semnalului,
latimea de banda pompei si fiabilitatea. Castigul reprezinta
caracteristica de baza a oricarui amplificator, pe care EDFA-ul il
poate produce liniar pornind chiar de la o sursa de2
mica putere. O poza ilustrativa care sa compare diferite
arhitecturi de amplificatoare din punctul de vedere al castigului
este utila. Au fost obtinute castiguri de 11dB/W si 6.3 dB/W pentru
semnale cu lungimea de unda de 1533nm, care proveneau de la surse
cu 980nm si 1480nm. In general castigul se poate imbunatati marind
apertura numerica a fibrei si delimitand doparea cu erbium. O
apertura numerica de 0.24 yield reprezinta cel mai bun compromis
intre eficienta castigului si zgomot. Avantajul unui amplificator
cu castig mare este ca necesita mai putina putere de la sursa,
marind asfel fiabilitatea sistemului. La o configuratie standard se
pot obtine castiguri de de pana la 30dB de la o sursa cu o putere
de cativa mW. Acestea pot creste si mai mult folosind fibre mai
lungi. Experimental s-a demonstrat un castig de 51dB la o fibra cu
un singur stagiu lunga de 22m la 1532nm cu sursa de 180mW care
emite la 980nm. Acest castig este limitat de dispersia Rayleigh. O
putere de iesire mare se obtine daca la intrare avem un semnal
puternic care provoaca emisie stimulata care reduce castigul. Pe un
grafic tipic al saturatiei Psat se refera la puterea de iesire
atunci cand castigul a scazut cu 3dB. In amplificatoarele cu
conversie eficienta de putere putem descrie transferul de energie
de la sursa la semnal ceea ce inseamna ca putem modela
amplificatorul astfel incat puterea de iesire sa fie mare.
Randamente de 50-80% au fost obtinute pentru 980nm si 1480nm. Din
experimente s-a aratat ca pentru o putere de saturatie mai mare de
22.7dB randamentul este de circa 70%pentru 1480nm. Cu toate
acestea, randamentul este un indicator util al puterii sistemelor.
Acesta descrie cat de bine puterea de la sursa si caldura sunt
administrate si transformate in putere de semnal. Dependenta
puterii de saturatie a sursei de lungimea de unda poate avea un rol
important la proiectarea amplificatorului si performantele sale.
Raportul intre puterea totala a unei EDFA cu sursa la 1480nm si o
EDFA cu 980nm este de doi in favoarea EDFA-ului cu sursa de
980nm.3
Un alt aspect pe care trebuie sa il luam in considerare cand
vorbim de Psat este temperatura de operare. Daca la o sursa cu
980nm performantele cu temperatura variaza foarte putin, la o sursa
de 1480nm valorile Psat variaza semnificativ, avand in discutie
aceeasi lungime de banda. Zgomotul este definit ca raportul dintre
RSZ la iesire si RSZ intrare. De regula RSZ-ul scade din cauza
emisiei spontane (ASE) generata de fibra. Zgomotul cel mai mic este
atunci cand fibra este in regim de inversie puternic, iar valorile
acestuia sunt de 3dB pentru amplificatoare cu surse de 980nm si de
4.1 dB pentru cele cu 1480nm. Zgomotul mai este influentat si de
configuratia EDFA-ului, inversie puternica la intrarea in EDFA
insemnand zgomot cat mai redus. Limita de jos a zgomotului pentru
un amplificator cu un castig de 30dB este data de retrodifuzie
Rayleigh Un amplificator optic particular este creat pentru o
aplicatie specifica impreuna cu cerinte de proiectare specifice.
Aplicatiile EDFA corespund regimurilor particulare ale unui
amplificator. Dintre acestea trei sunt mai importante, si anume:
regimul de semnal mic numit si regimul liniar, regimul de saturatie
si regimul de saturatie puternica. Fiecare regim opereaza cu
anumiti parametri care pot fi optimizati prin arhitectura fibrei
sau topologia amplificatorului. In tabelul 2 sunt evidentiate
criteriile de proiectare in functie de castig, zgomot si puterea de
saturatie a EDFA-ului sau pre-amplificatorului sau a
amplificatorului de putere. In cele ce urmeaza vom face referire la
trei aplicatii de baza. Amplificatorul de putere este folosit in
transmiterea de semnale puternice pe fibra pentru a creste distanta
de transmisie sau ca semnalul poate fi divizat la iesire. Deoarece
pierderile intre transmitator si amplificatorul de putere sunt
neglijabile, amplificatorul poate opera in regimul de saturatie
puternica. In mod normal castigul pentru astfel de amplificatoare
este undeva intre 20 si 40 dB. In aceste conditii zgomotul ASE
(emisie spontana amplificata) la iesire este foarte redus, iar RSZ
este foarte mare. Prin4
urmare zgomotul poate sa nu fie luat in calcul ca parametru de
proiectare. Pe de alta parte un parametru foarte important este
puterea maxima de saturatie de la iesirea amplificatorului,
deoarece aceasta va determina puterea din regimul de saturatie
puternica. In practica, amplificatoarele de putere care au puterea
la iesire direct proportionala cu puterea pompei mai au un
parametru important si anume randamentul de transformare a puterii
optice in alta putere optica sau puterii electrice in putere
optica. Prin urmare, aceste amplificatoare sunt proiectate in
scopul obtinerii randamentului maxim al transferului de putere de
la sursa la semnal in conditiile regimului de saturare. La
amplificatoarele cu un singur stagiu acest lucru se poate realiza
marind lungimea stagiului astfel incat lumina de la sursa sa fie
absorbita complet. Daca se foloseste un amplificator cu mai multe
stagii vom folosi componente intermediare cum ar fi filtrele sau
izolatorii pentru a nu permite propagarea ASE. Daca in continuare
vrem sa marim puterea de iesire putem apela la surse aditionale. Se
vor folosi de asemenea si reflectori care sa reintoarca lumina de
la sursa pentru a fi folosita in marirea castigului, care in caz
contrar ar fi pierduta. Pre-amplificatorul este folosit la
sfarsitul canalului de transmisie, chiar inainte de fotodetector si
regenerator. La intrarea preamplificatorului nivelul semnalului va
fi scazut deoarece acesta a pierdut putere pe canal. La iesirea din
pre-amplificator semnalul trebuie sa fie suficient de puternic
astfel incat la fotodetector zgomotul predominant sa fie cel produs
de ASE si sa nu fie zgomotul de la receptor. Asta inseamna ca
preamplificatorul trebuie sa opereze la un nivel cu cel putin 10dB
mai mare decat senzitivitatea nominala a fotodetectorului. In
general acest lucru nu conduce la constrangeri pentru castigul
pre-amplificatorului. In concluzie, pre-amplificatorul e proiectat
pentru obtinerea de nivel mic a zgomotului si un castig intre 10 si
20 dB. Structura prin urmare trebuie sa prezinte pierderi mici ale
semnalului de intrare, izolare puternica cu un izolator polarizat
independent . De asemenea5
un factor important este mentinerea nivelului mediu de inversie
cat mai ridicat posibil la intrare pentru semnalele mici. Acest
lucru se poate realiza la amplificatoarele cu o singura treapta
prin doparea cu erbium a unui segment de fibra si prevenirea
pierderilor de cuplaj de la intrare. Amplificatoarele multi-treapta
de regula nu sunt folosite pentru astfel de cerinte. Acum sa
consideram un amplificator pe linie. Acesta se foloseste in
interiorul unui sistem de regenerare cu scopul maririi puterii
semnalului si a lungimii de transmisie. Deoarece este folosit la
marirea lungimii de transmisie, puterea de iesire a acestuia joaca
un rol important. Cu toate acestea semnalul de la intrarea in
amplificator este slab, asa ca trebuie sa avem in vedere si
zgomotul introdus de acesta. Prin urmare zgomotul devine un
parametru important asa ca amplificatorul pe linie trebuie sa fie
atat un bun pre-amplificator cat si un bun amplificator de putere.
Pentru un amplificator pe linie parametrii de proiectare cei mai
importanti sunt: castigul, puterea de iesire si zgomotul pentru o
varietate mare de semnale de intrare. Este foarte dificila
optimizarea acestor trei parametri in acelasi timp intr-o
arhitectura cu un singur stagiu. De exemplu un castig mare se
obtine folosind segmente lungi de fibra dopata cu erbium, pe cand
un zgomot mic se obtine la o inversie puternica la intrare care
necesita segmete scurte de fibra dopata cu erbium. Prin urmare in
mod natural ne gandim sa folosim amplificatoare multi-stagiu astfel
incat primul stagiu sa reprezinte un bun preamplificator, iar
stagiile urmatoare sa fie folosite ca amplificatoare de putere. In
aceste conditii se pot indeplini cerintele de castig mare si zgomot
redus pentru fiecare stagiu in parte. Arhitecturi care indeplinesc
aceste cerinte sunt amplificatoarele duble alcatuite dintr-un
pre-amplificator in cascada cu un amplificator de putere. Acestea
au tendinta sa devina foarte
6
complexe. In sectiunea urmatoare vom introduce notiuni utile in
descrierea amplificatoarelor multi-stagiu.
1.
Arhitecturi si principii de operare
Amplificatoare de fibre dopate cu erbium :
Amplificatoarul de fibre dopat cu erbiu (EDFA) este cea mai
folosit amplificator de fibre deoarece fereastra de amplificare
coincide cu fereastra de transmitere a treia din fibr optic pe baz
de siliciu. Dou benzi s-au dezvoltat n fereastra de transmitere a
treia - convenional, sau C-band, de la aproximativ 1525 nm - 1565
nm, i lung, sau L-band, de la aproximativ 1570 nm la 1610 nm.
Ambele aceste benzi pot fi amplificate de EDFAs, dar este normal s
utilizeze dou amplificatoare diferite, fiecare optimizate pentru
una dintre benzi.
Principala diferen ntre amplificatoarele de band C si L este c o
lungime mai mare de fibra dopata este utilizata n amplificatoarele
band L. Lungimea mai mare a fibrei permite a fi utilizat un nivel
inferior de inversiune, prin aceasta oferind lungimi de und mai
lungi , n timp ce nc mai ofer un ctig util. EDFA au doua frecvente
de pompare utilizate - 980 nm i 1480 nm. Banda de 980 nm, are o
seciune mare de absorbie i este folosit n general n cazul n care
este necesar performan de zgomot redusa. Banda de absorbie este
relativ ngust aa ca surse stabilizate laser sunt de obicei
necesare. Banda de 1480 nm, are o mai mic, dar mai larga de seciune
transversal absorbie i este folosit n general pentru amplificatoare
de putere mai mare. O combinaie de 980 nm i 1480 nm de pompare este
n general utilizata n amplificatoare. Amplificatorul pe fibra
optica a fost inventat de H.J. Shaw i Michel Digonnet de la
Universitatea Stanford, California, la nceputul anilor 1980. EDFA
fost pentru7
prima dat demonstrat mai muli ani mai trziu de ctre un grup,
inclusiv David N. Payne, Mears R., i L. Reekie, de la Universitatea
din Southampton i un grup de la AT & T Bell Laboratories, E.
Desurvire, P. Becker, i J. Simpson.
Amplificatoare de fibre dopate pentru alte game de lungimi de
und :
Amplificatoarele de fibre dopate cu thulium sunt utilizate n
banda S-(14501490 nm) i amplificatoarele de fibre dopate cu
praseodim n regiune nm 1300. Cu toate acestea, aceste regiuni nu au
vzut nici o utilizare comercial semnificativ pn n prezent i astfel
acele amplificatoare nu au fcut obiectul dezvoltarii precum EDFA.
Cu toate acestea, laserele si amplificatoarele dopate cu yterbiu ,
care funcioneaz n apropierea lungimii de und de 1 micrometru, au
multe aplicaii n prelucrarea industrial a materialelor, deoarece
aceste dispozitive pot fi fcute cu o putere extrem de mare (zeci de
kilowai).
Amplificatorele optice cu semiconductor (SOA) :
Amplificatoare optice cu semiconductori sunt amplificatoare care
utilizeaz un semiconductor de a oferi ctigul mediu. Aceste
amplificatoare au o structur similar cu diodele laser Fabry-Perot,
dar cu elemente anti-reflexie de design. Desenele i modelele
recente includ produsele de acoperire de reflecie i ghid de unda
nclinat i regiunile fereastra care poate reduce reflecie la mai
puin de 0.001%. Deoarece aceasta creeaz o pierdere de putere din
cavitatea care este mai mare dect ctigul acesta previne
amplificatorul sa acioneze ca un laser.8
Amplificatorele optice cu semiconductor sunt de obicei realizate
din grupa III-V, semiconductori compui, cum ar fi GaAs / AlGaAs,
InP / InGaAs, InP / InGaAsP i InP / InAlGaAs, desi orice band de
diferena de semiconductori directe, cum ar fi II-VI ar putea fi
folosite. Amplificatoare de acest tip sunt adesea folosite n
sistemele de telecomunicaii, sub form de fibre componente
pigtailed, care funcioneaz la lungimi de und ntre 0.85 m i 1,6 m i
ctigurile de generatoare de pn la 30 dB. Amplificatorul optic cu
semiconductor este de dimensiuni mici i actionat electric. Ea poate
fi mai puin costisitoar dect EDFA i poate fi integrat cu laseri
semiconductori, modulatoare, etc. Cu toate acestea performana nc nu
se compar cu EDFA. SOA are zgomot mai mare, castig mai mic,
dependena moderat de polarizare i neliniaritate ridicat. Aceasta
provine de la durata de via de cateva nanosecunde sau mai puin a
stratului superior, astfel nct ctigul reactioneaza rapid la
schimbri ale pompei sau puterea semnalului, de asemenea, duce la
modificarea modului de faz, care poate denatura semnalul. Acest
neliniaritate prezint problema cea mai severa pentru aplicaii de
comunicare optice. Cu toate acestea, ofer posibilitatea de ctig din
diferite regiuni ale lungimii de und de la EDFA.
Neliniaritatea optica mare face amplificatoarele cu
semiconductori atractive pentru toate prelucrare semnalului optic
cum sunt comutarea optic i conversia lungimii de und. Au fost
cercetare de mult amplificatoarele de semiconductoare ca elemente
optice pentru prelucrarea semnalelor optice, de conversie lungime
de und, de recuperare ceas, semnal demultiplexing, i recunoaterea
de model.
SOA cavitatea vertical :
O recenta adaugare la familia SOA este cavitatea verticala SOA
(VCSOA). Aceste dispozitive sunt similare n structura i multor
caracteristici, cu cavitatea verticala de suprafa-emitoare de
lasere (VCSELs). Diferena major atunci9
cnd se compar VCSOAs i VCSELs este reflectivitatea redusa a
oglinzii folosite n cavitatea amplificator. Cu VCSOAs, feedback-ul
redus este necesar pentru a preveni aparatul de a atinge pragul de
lasing. Avnd n vedere lungimea cavitatii extrem de scurta i
respectiv, ctigul mediu mic, aceste dispozitive prezint un ctig
scazut(de obicei de pe ordinea de cteva procente) i de asemenea, o
gama spectrala libera foarte larga (FSR). Ctig single-pass necesit
reflectivitate relativ mare a oglinzii pentru a impulsiona ctigul
total de semnal. n plus fa de creterea ctigului total de semnal,
utilizarea rezultatelor rezonan structura cavitatea ntr-o lime de
band ctig foarte nguste; cuplat cu FSR mari ale cavitii optice
acest lucru reduce n mod eficient limitele de funcionare a VCSOA la
un singur canal de amplificare. Astfel, VCSOAs poate fi privit ca
amplificnd filtre. Avnd n vedere verticale cavitatilor geometrice,
VCSOA sunt amplificatoare cu cavitatea rezonant optic care opereaz
cu intrare / semnalului de ieire intrarea / ieirea normal la
suprafa plachetei. n plus fa de dimensiunea lor redus, funcionarea
normal a VCSOA duce la o serie de avantaje, inclusiv consumul redus
de energie, figura cu zgomot redus, polarizare ctiga insensibil, i
capacitatea de a fabrica cu factor de umplere cu dou matrice
dimensionale pe un cip unic din materiale semiconductoare . Aceste
dispozitive sunt inca in stadii incipiente de cercetare, dei
rezultatele promitoare au fost demonstrate cu preamplificator. O
alt prelungire a tehnologiei VCSOA sunt de dispozitivele cu lungime
de und acordabila. Aceste MEMS-acordabile SOA utilizeaza sisteme pe
baza de reglare continua a ctigului in functie de lungimea de und a
amplificatorului.
Amplificatorul Raman :
ntr-un amplificator Raman, semnalul este intensificat de
amplificare Raman. Spre deosebire de EDFA i SOA efectul de
amplificare este realizat printr-o interaciune neliniara ntre
semnal i un laser ntr-o pompa de fibr optic. Exist dou tipuri de
amplificatoare Raman: distribuite i nodale. Un amplificator
distribuit Raman este unul n care fibra de transport este utilizat
ca10
mediu ctig de multiplexare o pomp de lungimi de und cu semnal de
lungime de und, n timp ce un amplificator Raman noda
Fig.1
Pompa de lumina poate fi cuplata n fibra de transport n aceeai
direcie ca semnal (co-direcionale de pompare), n direcia opus
(contra-direcionale de pompare), sau ambele. Contra-directional de
pompare este mai frecvent utilizata deoarece transferul de zgomot
de la pompa la semnal este redus. Pompa de putere necesar pentru
amplificarea Raman este mai mare dect cea prevzut de EDFA, cu mai
mare de 500 mW necesari pentru a atinge niveluri utile de ctig
ntr-un amplificator distribuit. Amplificatoare nodale, n cazul n
care lumina pompa pot fi inclusa n condiii de siguran pentru a se
evita implicaiile de siguran de nalt putere optic, se poat folosi
puterii optice de peste 1W. Avantajul principal al amplificare
Raman este capacitatea sa de a furniza amplificarea distribuita n
cadrul fibrei de transport, contribuind astfel la creterea lungimii
de deschideri dintre amplificator i site-urile de regenerare. Lime
de band de amplificare a amplificatoarelor Raman este definita de
lungimea de und a pompei utilizate i astfel amplificarea poate fi
furnizate pentru domenii mai largi, i diferite, n regiuni dect
poate fi posibil cu alte tipuri de amplificator care se bazeaz pe
dopanti.11
Comparatie intre cele trei tipuri de amplificatoare : O
arhitectura simpla pentru un amplificator cu fibra optica dopata cu
erbium(EDFA) este sugerat in figura 2. Nucleul sau este format din
fibra optica dopata cu erbium, care are un singur mod de propagare
pe o directie de polarizare pentru o lungime de unda data. In cazul
prezentat fibra activa este pompata" cu lumina provenita de la doua
diode laser(pompare bidi-rectionala), desi pomparea unidirectionala
in directia inainte sau inapoi(co-directional si
contra-directional) este deasemenea foarte frecventa. Pompa de
lumina, care are cel mai adesea o lungime de und in jur de 980 nm i
uneori, n jurul a 1450 nm, excita ionii de erbiu (Er3+) in starea
4I13/2 (n cazul pomparii de 980-nm, prin intermediul 4I11/2), de
unde poate aplifica lu-mina din regiunea de 1,5 m pt lungimea de
unda prin intermediul emisiei stimulate inapoi in spatiul cu cel
mai mic nivel al energiei 4I15/2.
Fig.2
Setup-ul include deasemenea si doua izolatoare optice in
configuratie pig-tailed(cuplate in fibra). Izolatorul de la intrare
impiedica lumina provenita din emisia spontanta aplificata sa
perturbeze etapele anterioare, pe cand cel de la iesire suprimeaza
efectul de laser sau chiar distrugerea daca lumina de la iesire
este reflectata inapoi in12
amplificator. Fara izolatoare, amplificatoarele pot fi afecatate
de reflexiile spre spate. Pe langa izolatoarele optice, multe alte
componente pot fi cuprinse ntr-un amplificator de fibra de uz
comercial. De exemplu pot fii fibre de cuplaj sau fotodetectori
folositi pentru monitorizarea nivelelor de putere optica, diode
laser de pompare cu control electronic si filtre cu, castig
egalizat. Pentru dispozitive deosebit de compacte, diverse
componente optice pasive pot fi combinate ntr-un circuit fotonic
integrat. Castiguri foarte mari de semnal, ca, cele folosite de
exemplu pentru amplificarea unor pulsatii foarte scurte la energii
mari, sunt deobicei realizate cu lanturi de amplificare, continand
mai multe etape de amplificare si elemente optice aditionale
(izolatoare,filtre,modulatoare) intre ele.
2.Componente intermediare
Se aloca mult timp de cercetare pentru gasirea de noi modalitati
optice care sa modifice caracteristicile amplificarii pentru
diferite aplicatii in parte. Componentele intermediare s-au bucurat
de o atentie speciala, intrucat acestea ofera solutii simple in
marirea performantelor amplificatorului si functionalitatii
amplificatoarelor optice. Majoritatea acestor componente sunt
izolatori, filtre, reflectoare si circulatoare folosite individual
sau in sisteme. In unele cazuri o componenta intermediara poate fi
considerata si adaptarea sau modificarea unei fibre actrive in
scopul realizarii unei anumite functii. In cele ce urmeaza vom
analiza modul de utilizare a componentelor intermediare intr-o
schema de amplificator.13
A. Izolatorii Izolatorii intermediari au reprezentat modalitatea
directa de a imbunatati castigul modelelor de amplificatoare mixte.
Acestia sunt folositi in primul rand pentru a atenua efectul de
reactie al transmisiei ASE in diferite stadii. In general, prima
faza de lucru asigura un zgomot redus si un castig rezonabil, iar a
doua faza furnizeaza amplificare aditionala si putere optica. Prin
limitarea puterii ASE la intrarea in fibra se mentine inversia,
ceea ce previne degradarea coeficientului de zgomot si reduce
amplificarea pierduta de reactia ASE-ului. Imbunatatirea
performantelor amplificatoarelor cu izolatori intermediari s-a
demonstrat prima data pentru lungimi de unda de 1480nm. Deoarece
izolatorii opereaza pe o banda larga de lungimi de unda in jurul
valorii de 1500nm, lumina emisa prin izolator nu are pierderi
semnificative, iar reactia zgomotului ASE-ului este blocata.
Masuratorile lui Lumholdt au aratat o imbunatatire de 4dB pentru
castig si 2 dB pentru zgomot pentru un izolator situat la din
lungimea fibrei in configuratia EDFA si emisie la 1480nm (S=0FF2,
P=0FF2, ASE=0FF2+2R+1R0). Pompa de alimentare de la primul stagiu
trece de izolator si alimenteaza emisia pentru stagiul doi. Atunci
cand avem emisie bidirectionala, izolatorul are rolul de a bloca
lumina de la o sursa sa ajunga la cea de-a doua sursa. Chiar si la
amplificatoare hibride in cascada lucrand la 1480 nm si 980 nm,
unde diafonia nu prezinta importanta, izolatorul este util in
mentinerea coeficientului de zgomot prin competivitate intre cele
doua lungimi de unda. Atunci cand lungimea de unda emisa nu poate
trece de izolator, se foloseste o tehnica de trece banda . Astfel
sursa se separa de lungimea de unda a asemnalului pentru a fi din
nou recombinate dupa ce semnalul si ASE-ul trec de izolator. In
comparatie cu un EDFA conventional cu un stagiu Zervas a aratat ca
e suficienta o izolare de 20dB pentru ca castigul sa creasca cu 6dB
, iar zgomotul cu 0.8 dB.14
Variatia minima a castigului si zgomotului optim (-1dB, +0.15dB)
s-a obtinut la plasarea izolatorului intre 15-45% din lungimea
fibrei.
Fig.3 Atunci cand lungimea de unda emisa nu poate trece de
izolator, se foloseste o tehnica de trece banda . Astfel sursa se
separa de lungimea de unda a asemnalului pentru a fi din nou
recombinate dupa ce semnalul si ASE-ul trec de izolator. In
comparatie cu un EDFA conventional cu un stagiu Zervas a aratat ca
e suficienta o izolare de 20dB pentru ca castigul sa creasca cu 6dB
, iar zgomotul cu 0.8 dB. Variatia minima a castigului si
zgomotului optim (-1dB, +0.15dB) s-a obtinut la plasarea
izolatorului intre 15-45% din lungimea fibrei. Datorita eliminarii
saturatiei cauzate de reactia ASE, puterea de absorbtie a sursei se
face resimtita pe o lungime mai mare a EDFAului, rezultand o
crestere a castigului semnalului mic. Figura 3 arata rezultatele
experimentale a dependentei castigului si zgomotului in functie de
lungimea stagiului doi pentru diferite nivele de putere pentru
configuratia REAP[61] prezentata in figura 10. In aceste calcule
lungimea stagiului unu a fost configurata astfel incat sa
ofere15
un castig de semnal mic de 20dB pentru o putere a sursei de
20mW. Stagiul doi poate fi facut mai lung pentru a oferi un castig
mai mare deoarece se poate folosi putere reziduala de la prima
sursa. Rezultatele arata ca o combinatie de castig mare(>30db)
si zgomot redus(50% din excitatie) , apare la 1535 nm. In acea
regiune spectrala fibra nepompata prezinta pierderi substantiale,
dar sectiunea transversala ce prezinta o emisie ridicata permite un
castig mare pentru o excitatie puter-nica. Pentru lungimi de unda
mai mari(de exemplu: 1535 nm), un nivel de excitatie mai scazut
este necesar pentru a obtine castig, dar castigul maxim este mai
mic . Ctigul maxim apare, de obicei n regiunea din jurul lungimii
de und de 1530-1560 nm, varful de 1530 nm fiind cel mai pronuntat
pentru excitatiile de nivel inalt. Nivelul local al excitatiei
depinde de emisia si absortia sectiu-nii transversale, de pompa si
de intensitatea20
semnalului(n afar de de cea a luminii ASE). Nivelul mediu de
excitatie pe toata lungimea fibrei depinde de pompa si de puterea
semnalului, dar si de lungimea fibrei si de concen-tratia
erbiumului. Astfel de parametri sunt utilizati pentru a optimiza
EDFA-urile pentru o regiune particulara a lungimii de unda. cum ar
fi in telecomunicatii banda L si C. O buna egalizare a castigului
intr-o gama larga a lungimii de unde, cum este necesar de exemplu
pentru divizarea multiplexata a lungimii de un-da,se obtine
utilizand sticle gazda optimizate (de exemplul fibre de fluor sau
de telur sau anumite combinatii de sectiuni amplificate cu diferite
sticle) sau prin asocierea cu filtre optice potrivite cum ar fi
perturbatiile indicelui de refractie cunoscute sub numele de fibre
Bragg echivalente. Fig.6
3.Amplificatoare dopate cu erbium in sisteme de
telecomunicatii
EDFA-urile pot servi diverse funcii n sistemele de comunicaii de
fibra optica; aplicaiile cele mai importante sunt urmtoarele:
21
- Puterea unui emitor de date poate fi stimulat cu un EDFA de
mare putere inainte de a intra intr-o lunga perioada de fibra sau
cu un dispozitiv cu pierderi mari cum ar fi un splitter de fibra
optica. Astfel de splittere sunt utilizate pe scara larga in sist
de cablu TV, unde un singur transmitator este utilizat pentru a
furniza semnalul in mai multe fibre. -Un amplificator de fibra
poate fi de asemenea utilizat n partea din fa a unui receptor de
date, n cazul n care semnalul de sosire este slab. In pofida
introducerii unei amplificarii a zgomotului , acest lucru poate
imbunatati raportul semnal zgomot si astfel rata posibila de
transfer a date-lor, din moment ce zgomotul amplificat ar putea fi
mai mic decat zgomotul de intrare al receptorului. Este, totusi,
mai comuna utilizarea fotodiodelor in avalansa, care au o
amplificare interna a semnalului. -EDFA-urile in linie sunt
utilizate intre lungi rastimpuri de transmitere pasiva a fibrei.
Utilizarea mai multor amplificatoare intr-o link-are lunga a fibrei
are avantajul ca pierderile mari de transmisiune pot fi compensate
fara a lasa puterea optica sa scada la niveluri prea joase, lucru
care ar afecta raportul semnal zgomot si fara a transmite puteri
optice excesive la alte locatii, lucru ce ar cauza efecte nelineare
distructive datorita inevitabilei neliniaritatii a fi-brei. Mare
parte dintre aceste EDFa-uri sunt operate in conditii dificile, de
exemplul pe fundul oceanului,unde intretinerea este aproape
imposibila. -Desi transmitatoarele de date nu sunt in mod normal
bazate pe dispozitive dopate cu erbium, EDFA-urile fac parte adesea
din echipamentul folosit pentru testarea transmisiei hardware.
Acestea sunt, de asemenea, folosite n contextul de prelucrare a
semnalului optic.
22
Fig.7 Aceste functii pot fi realizate in benzile S si C de
telecomunicatii. Alte tipuri de amplificatoare cu fibra, de exemplu
cele bazate pe praseodymium au fost luate in considerare pentru
alte benzi, dar nu pot concura cu dispoziti-vele bazate pe erbium
in termeni de castig si eficienta a castigului. O particularitate
atractiva a EDFA-urilor este largimea de banda cu castig ridicat,
care este deobicei zeci de nanometri si astfel mai mult decat
sufici-ent pentru amplificarea canalelor de date cu cele mai mari
rate de date, fara a introduce un efect de micsorare a castigului.
Un singur EDFA poate fi folosit pentru amplificarea simultana a mai
multor canale de date la diferite lungimi de unda in regiunea de
castig; aceasta tehnica este cunoscuta sub numele de divizare
multiplexata a lungimi de unda. Inainte ca astfel de amplificatoare
de fibra sa fie disponibile, nu exista o metoda practica de
amplificare a tuturor canalelor,de exemplu perioadele lungii de
fibra in conexiunea de fibra optica: de unul singur trebuia sa
separe toate canalele sa le detecteze si sa le amplifice
electronic, sa le retrimita si sa le combine dinou optic.23
Introducerea amplificatoarelor cu fibra a produs astfel o
reducere enorma a complexitatii, mpreun cu o cretere corespunztoare
a fiabilitii. Durate de viata foarte ridicate sunt posibile prin
utilizarea unor diode cu pompa redundante evaluate jos. Singuri
competitori ai amplificatoarele cu fibra dopate cu erbium in
regiunea de 1,5 m raman amplificatoarele Raman, care profita de
dezvoltarea unor lasare cu pompa de putere mai ridica. Cu toate
aceastea, EDFA-urile raman foarte dominante.
Fig.8 Amplificator Raman
4.Diverse detalii tehnice
Cea mai comuna lungime de unda a pompei pt EDFA-uri este in
jurul la 980 nm. Lumina la aceasta lungime de unda pompeaza ioni de
erbium din spatiul 4I15/2 pana in 4I14/2 de unde exista un transfer
rapid non-radiativ pana la nivelul de laser superior 4I13/2.
Datorita transferului rapid nu este esential nici o destimulare via
emisia stimulata si pot fi atinse astfel nivele foarte inalte de
excitatii. Prin24
urmare, aceasta abordare face posibila atingerea celui mai inalt
nivel al eficientei (de ordinul 10dB/mW) si cel mai jos nivel al
cifrei de zgomot, desi eficienta puterii nu este ideala din cauza
efectului cuantic semnificativ. O eficienta mai ridicata a puterii
se obtine prin pompare in banda la 1450 nm. Totusi, emisia
stimulata a pompei de lumina limiteaza nivelul de excitatie
realizabil, deasemnea si castigul pe unitatea de lungime, iar
castigul maxim apare la lungimi de unda mai mari. Cifra de zgomot
va fi, de asemenea, mai mare. Datorita unor nu foarte mari sectiuni
transversale, puterea de saturatie a unui EDFA este relativ
ridicata in comparatie cu cea a unui amplificator optic cu
semiconductori. Drept urmare, simbolurile singulare in transmisiile
de date cu o rata de biti ridicata au o prea mica energie pentru a
provoca o crestere semnificativa in saturatie. Numai peste mii sau
milioane de simboluri, ctigul se ajusteaza singur la nivelul de
semnal mediu al puterii. In amplificatoarele cu castig mare, emisia
spontata amplificita(ASE) este adesea un factor de limitare a
catigului realizabil. Datorita naturii pe cvasi trei nivele a
ionilor de erbium, puterea ASE poate fi diferita intre directia
inainte si inapoi, si maximul ASE poate sa apara la o lungime de
unda diferita de cea a castigului maxim. Cifra de zgomot a unui
EDFA este puin mai mare dect limita teoretic de 3 dB pentru un
amplificator de mare ctig; acest lucru se datoreaza in principal
naturii pe cvasi trei nivele. Performante pentru un zgomot relativ
redus pot fi obtinute cu un design convenabil al amplificatorului,
innd n considerare n special nivelul de excitatie al erbiumului
apropiat de sfarsitul semnalului de intrare, care poate fi puternic
influenat de ctre, de exemplu, direcia pompei.
25
5.
Modele si alte aplicatii ale amplificatoarelor cu fibra dopate
cu erbium
Un castig mai mare intr-o durata mai scurta se poate obtine cu
fibre sintetizate cu yterbiu. Pe langa dopanti cu erbium, acestea
mai contin si concentratii semnificative de ioni Yb 3 + (de obicei
mai mult yterbiu decat erbium). Ioni de yterbiu ar putea fi
excitati atunci cu pompe de lumina de 980 nm (sau chiar la lungimi
de unda mai mari cum ar fi 1064 nm) si transfera energia lor
ionilor de erbium.Pentru o buna alegere a compozitiei materialelor
nucleului fibrei, acest transfer de energie poate fi destul de
eficient. Cu toate acestea, utilizarea unor fibre dotate cu erbium
pur este mai des intalnita in domeniul telecomunicatiilor, deoarece
sintetizarea yerbiumului nu are nici un avantaj esential in acest
caz si, eventual,duce la o banda mai redusa castigului, datorita
compozitiei chimice modificate. Fibrele cu 2 straturi exterioare
unui nucleu dopate cu erbium pot fi utilizate pentru generea unor
puteri foarte mari de iesire de zeci de wati sau chiar mai mult.
Cum eficienta pompeo de absortie poate fi foarte slaba in acest
caz, un nucleu sintetizat cu yterbiu poate fi dinou util. De
asemenea este posibil sa se amplifice impulsuri ultrascurte in
regiunea de 1,5m la energii relativ ridicate, utilizand EDFA-urile
sub forma de lanturi de amplificare. Aceasta exploateaza nivelul
relativ inalt al energiei de saturatie specific acestui tip de
amplificatoare mai ales atunci cand se utilizeaza fibre cu mod
efectiv dopate cu erbium(LMA fibers).
26
Fig.9 Fibre Double-clad
6.Exemplul de laser EDFAUn exemplu de laser EDFA ar fi modelul
QFBGLD-1420-150 produs de firma QPHOTONICS,LLC care are pretul de
890$. Principalele caracteristici ale acestui model: - laser single
mode cu lungimea de unda stabilizata FFG - curent de strapungere
jos si o panta ridicata eficienta-
gama temperaturii: -40oC la +50 oC coeficientul lungime de
unda/temperatura: 0,01 nm/oC
- fotodioda incorporata,cooler termo-electric si termistor -
conector FP/APC optional-
fibra single-mode prevazuta cu intretinerea polarizatiei(PM)
27
Fig.10
7. Specificatii conditii de testare: temperatura 25 oC, puterea
150 mW,
Parametri Puterea de iesire Lungimea de unda Temperatura sudurii
la 10s Largimea spectrala(FWHM) Curentul de inaintare Curentul de
strapungerea
Simbo Min Tip Max l Pf 150 1420 1425 260 IF Istr 600 30 3 800
50
Unitat e mW nm o C nm mA mA28
Tensiunea de inaintare Timp de crester in mod pulsatie Curent de
monitorizare Curentul TEC la T=50 oC Tensiunea TEC la T=50 o C
Constanta B a termistorului Rezistenta termistorului Temperatura de
stocare Temperat in caz de operare Tensiunea inversa PD Curentul
inainte PD Lung de unda/temperat imbun.
Vf Tr Im ITEC VTEC 0.05
2.5 30 1.0 1.5 3.8 3900
V ns mA A V K
tstc Tc VrPD IfPD -
9.5 -40 0
10.0
10.5 85 70 20 5
k o C o C V mA Nm/ o C
5 0.01
Spectrul emisiilor Fig.11
29
Configuratia pinilor:
Fig.12 8. Scurt istoric
30
Progresul rapid in dezvoltarea de fibre dopate cu elemente rare
a condus la productia de masa a amplificatoarelor optice, acestea
devenind elemente de baza in noile arhitecturi ale sistemelor de
transmisie. In particular fibrele dopate cu erbium (EDFA) sunt in
centrul atentiei deoarece s-a observat ca acestea prezinta o banda
larga de fluorescenta (40nm) in jurul lungimii de unda de 1550nm,
lungime cu pierderi mici pe fibra. Multe dintre experimentele
efectuate au demonstrat potetialul si flexibilitatea
amplifi-catoarelor optice intr-o transmisie analoaga sau digitala
in aplicatii terestre si subacvatice. De exemplu, EDFA-urile au
contribuit la transmisia datelor neamplificate si fara repetoare pe
distante de mii de kilometri. Pe langa asigurarea de mijloace de
combatere a atenuarii duce la sisteme care sunt transparente atat
la cresterea ratei de bit, cat si a cresterii capacitatii pe
lungime de unda a canalului. Aceasta caracteristica a deschis noi
perspective pentru viitoarele sisteme de comunicatii optice (multi
gigabit, cu mai multe lungimi de unda si sisteme bazate pe
soliton). Prima varianta de alimentare a fibrei dopate cu erbium in
benzile de 980nm si 1480nm a fost realizata cu laseri cu
semiconductori de tipul InGaAs si InGaAsP. Mai mult decat atat,
optimizarea arhitecturii fibrei a condus la noi arhitecturi de
amplificatoare, marind astfel gama de aplicatii. Majoritatea
arhitecturilor conventionale ale amplificatorului aveau la baza o
topologie cu un singur etaj, iar alimentarea se putea face in
sensul de transmisie, in sens opus sau bidirectional. Cu toate
acestea, dorinta de performante cat mai bune si functii multiple au
dus la dezvoltarea amplificatoarelor cu mai multe etaje . Acestea
reprezinta urmatorul pas de evolutie din punctul de vedere al
circuitului astfel incat atributele EDFA-ului sunt folosite la
maxim Amplificatoarele cu fibra optica dopata cu erbium sunt de
departe cele mai importante amplificatoare cu fibra optica in
contextul comunicatiilor cu fibra optica pe distante mari. Ele pot
aplifica eficient31
lumina in regiunea de 1,5 m a lungimii d unda, unde fibrele de
telecomunicatii au cele mai mici pierderi.9.
Criterii de optimizare EDFA :
Pentru optimizarea performantei amplificatorului optic, trebuie
determinati urmatorii parametrii : Caracteristicile ghidului de
unda al fibrei optice (apertura numerica, lungimea de unda de
taiere,) Distributia si concentratia ionilor Puterea de pompaj si
nivelul inversiei de populatie ( banda-L EDFA) Matricea de sticla
gazda (aplatizarea cistigului EDFA) Lungimea de unda de pompaj
Lungimea fibrei optice Sectiunile 2 si 4 au descris deja efectul
citorva dintre acesti parametrii. In aceasta sectiune vom da
informatii suplimentare referitoare la optimizarea
amplificatorilor. Mai departe vom examina pe scurt influenta fibrei
optice si a parametrilor de pompaj in realizarea amplificatorilor
cu caracteristici specifice.
9.1. Apertura numerica si lungimea de unda de taiere :Atunci
cind amplificatorul EDFA este utilizat in linie sau ca
preamplificator, semnalul de intrare este atit de jos incit
amplificatorul se afla in regiunea nesaturata. Pentru aceasta
regiune, scopul este de a realiza cel mai mare cistig pentru o
putere de pompaj disponibila sau sa minimizam puterea de pompaj
necesara pentru un anumit cistig cu scopul de a realiza un timp de
viata mai lung al diodei laser folosite pentru pompaj. Este
frecvent utilizata asa numita eficienta a semnalului, adica
raportul maxim dintre cistig in decibeli si puterea de pompaj in
miliwati. Modelul amplificatorului EDFA cu semnal mare a fost
utilizat pentru optimizarea profilului indicelui (raza miezului si
apertura numerica) fibrei. In figura 13 este reprezentata eficienta
pompajului in functie de lungimea de unda de taiere c (raza
miezului poate fi determinata ca ( R = 2.405c 2NA ) pentru modul
LP11 pentru o fibra Al/Er cu un profil treapta al indicelui.32
Eficienta pompajului pentru o valoare data NA are un maxim care
depinde de lungimea de unda de taiere si este independent de NA.
Valoarea optima a lui c pentru o lungime de unda de pompaj de 980nm
si 1480nm este de 800nm respectiv 900nm. In toate calculele, a fost
determinata lungimea optima a fibrei pentru care se obtine cistigul
maxim. In general eficienta pompajului creste odata cu cresterea
aperturii numerice.
Fig.13: Eficienta pompajului in functie de lungimea de unda de
taiere pentru o fibra Al/Er cu un profil treapta al indicelui.
Apertura numerica se modifica de la 0.1 la 0.4 cu pasul de 0.05.
Cind utilizam EDFA ca amplificator de putere, semnalul la intrare
este relativ mare. Pentru a evalua eficienta unei fibrei EDF in
aplicatiile de amplificare a puterii, se utilizeaza frecvent
eficienta conversiei cuantice (QCE) definita ca raportul dintre
numarul de fotoni ai semnalului obtinut si numarul de fotoni
pompati.QCE = h p Ps ( z = L ) Ps ( z = 0 ) h s Pp ( z = 0 )
In figura 14 este reprezentata QCE in functie de lungimea de
unda de taiere a modului LP11 pentru o fibra Er-Yb pompata la
1064nm cu Pp0=50mW. Lungimea de unda si puterea semnalului de
intrare sint de 1530nm , respectiv 1mW. Lungimea de unda optima de
taiere este33
c = 850 nm si este independenta de apertura numerica in timp ce
QCE
creste odata cu cresterea aperturii numrice NA. In timp ce 58%
din fotonii pompati sint convertiti in fotoni ai semnalului intr-o
fibra cu NA=0.15, cea mai mare valoare QCE atinge 78.5% intr-o
fibra cu NA=0.30. QCE este o functie care variaza lent cu lungimea
de unda de taiere a modului LP11.
Fig.14 : OCE pentru o fibra Er-Yb ca o functie de lungimea de
unda de taiere LP11: p = 1064 nm, Pp 0 = 50mW , s = 1530 nm, Ps 0 =
1mW S-a studiat efectul concentratiei de Er3+ in apropiere de
centrul miezului fibrei. S-a gasit ca la puteri de pompaj mici,
coeficientul de cistig poate creste cu un factor de 1.5 pina la 2.
In figura 15 este prezentata dependenta QCE de puterea de pompaj
pentru o fibra ErYb cu NA = 0.30, c = 1400 nm pompata la p = 1064
nm pentru un factor de confinare (confinement factor) b / R = 1 ,
0.75 si 0.5. La puteri de pompaj mici (Pp 25 dBm se atinge cea mai
mare valoare QCE pentru miezul fibrei complet dopat ( b / R = 1)
.
34
Fig.15 : QCE in functie de puterea pompajului , cu factorul de
confinare ca parametru: NA=0.30, c = 1530 nm , Ps=1mW, p = 1064 nm
.
10 .Bibliografie
1) R. J. Mears, L. Reekie, M. Jauncey, si D. N. Payne, Low-noise
erbium-doped fiber amplifier operating at 1.54m, Electron.
Lett. 26, 1026 (1987) 2) E. Desurvire, J. R. Simpson, and P. C.
Becker, High-gain erbium doped traveling wave fiber amplifier, Opt.
Lett. 12 (11), 888 (1987) 3) R. I. Laming si al., Efficient pump
wavelengths of erbiumdoped optical fiber amplifier, Electron. Lett.
25, 12 (1989) 4) E. Desurvire si al., Gain dynamics of erbium-doped
fiber amplifiers, Proc. SPIE 1171, 103 (1989) 5) A. A. M. Saleh si
al., Modelling of gain in erbium-doped fiber amplifiers, IEEE
Photon. Technol. Lett. 2 (10), 714 (1990)35
6) B. Pedersen si al., Experimental and theoretical analysis of
efficient erbium-doped fiber power-amplifiers, IEEE Photon.
Technol. Lett. 3, 1085 (1991) 7) www.wikipedia.com 8)
www.google.com
36
