Amplificatoare optice: Amplificatorul cu laser semiconductor

Amplificatoare optice

Amplificatoarele optice amplifica radiatia laser incidenta prin emisie stimulata, iar fibrele optice utilizeaza radiatia laser drept purtatoare pentru transmisia datelor. In timpul propagarii prin fibrele optice, semnalele optice sufera o serie de distorsiuni fata de forma initiala pe care o au la intrare in fibrele optice. Principalele efecte sunt: atenuarea, dispersia si efectele de polarizare. Acestea sunt efecte care reduc capacitatea si distanta de transmisie. De aceea se urmareste diminuarea acestor distorsiuni prin crearea de noi tipuri de fibre optice si prin dezvoltarea de noi tehnologii. Pentru a se obtine distante mari de transmisie, sunt necesare regeneratoare sau amplificatoare optice.

Prin amplificare optica se poate creste puterea optica de la iesirea unui sistem de transmisiuni care are inclus un amplificator optic, cu mai multi dB, ceea ce inseamna un castig mare. In plus, amplificatorul optic poate fi utilizat ca repetor optic si nu mai este necesara utilizarea unui regenerator optic suplimentar. Comunicatiile care au ca suport de transmisie fibrele optice, ofera posibilitatea implementarii unei game largi de aplicatii cu diferite capacitati de transmisie de la Mbit/s, Gbit/s la Tbit/s. Sistemele de transmisie pentru capacitate mare sunt cele care utilizeaza tehnologia DWDM (Dense Wavelength Division Multiplexing)

Retelele digitale recente (retea optica sincrona, ierarhie sincrona digitala) folosesc fibra optica doar ca mediu de transmisie, semnalul optic este intai amplificat prin conversia fluxului de informatii intr-un semnal electronic de date, pentru ca pe urma semnalul sa fie retransmis optic. Este vorba de amplificare 3R (regeneration, reshaping, reclocking). Reshapingul semnalului reproduce forma originala a impulsului fiecarui bit, eliminand mare parte din zgomot. Reclockingul semnalului sincronizeaza semnalul cu perioada de bit initiala si cu debitul. Reclockingul se aplica semnalelor modulate digital.

Amplificarea 2R (regeneration, reshaping) transforma semnalul optic in semnal electronic. Tehnicile 2R si 3R asigura mai putina transparenta decat 1R (amplificarea ce apare din alegerea transparentei retelelor optice).

Printre parametrii de baza intr-un amplificator optic sunt: castigul, castigul in latime de banda, castigul de saturatie, sensibilitatea de polarizare, zgomotul. Raportul dintre puterea semnalului de iesire si puterea lui de la intrare se masoara in castig. Castigul in latime de banda reprezinta intervalul de frecventa sau lungime de unda functional. Numarul de lungimi de unda disponibile pentru un spatiu dat al canalului din cadrul unei retele este limitat de castigul in latime de banda.

Valoarea puterii de iesire la care aceasta putere nu mai creste chiar daca se mareste puterea de intrare reprezinta castigul de saturatie. Cand puterea de intrare trece peste o anumita valoare, purtatorii din amplificator nu mai sunt capabili sa aduca la iesire energie luminoasa suplimentara. Puterea de saturatie este definita ca puterea de iesire pentru care apare o reducere de 3 dB a raportului putere la iesire / puterea la intrare (castigul in semnal mic).

Sensibilitatea de polarizare se refera la dependenta castigului de polarizare cu semnalul. Sensibilitatea este masurata in dB.

Sursa dominanta de zgomot este emisia spontana amplificata ce apare din emisia spontana a fotonilor in regiunea activa a amplificatorului. Cantitatea de zgomot generata de amplificator depinde de factori cum ar fi castigul de spectru al amplificatorului, zgomotul de banda, parametrul de populatie inversa ce specifica gradul de populatie inversa ce a fost atins intre doua nivele energetice. Atunci cand sunt cascadate mai multe amplificatoare, zgomotul devine o problema. Fiecare amplificator urmator in cascada amplifica zgomotul generat de amplificatoarele anterioare.

Un amplificator optic ar trebui sa aiba urmatoarele caracteristici:

spectru de castig plan (castig egal pentru toate canalele)

raportul cerut de castig mare - puterea de pompare. Pentru fiecare miliwatt de putere de pompare incidenta, amplificatorul trebuie sa dea cea mai mare amplificare cu putinta

emisie spontana amplificata slab (ASE amplified-stimulated-emission)

dependenta neglijabila fata de lungimea de unda si pierderi dependente de polarizare (PDL polarization dependent loss)

diferenta dintre nivelele de putere dintre canalul amplificat cel mai putin si canalul amplificat cel mai mult sa fie minima.

Coeficientul de castig al unui amplificator g(w):

g(w) (rel. 55)

unde g(w) este coeficientul de castig, w-frecventa optica incidenta, w₀-frecventa atomica de tranzitie, T₂-timpul de relaxare al dipolului, P-puterea de intrare, P_S-puterea de saturatie pentru un amplificator dat.

Banda de amplificare ne da abaterea spectrala maxima a semnalului WDM cumulativ ce poate fi amplificat.

Zgomotul amplificatorului

Factorul de zgomot este raportul dintre RSZ de intrare si RSZ de iesire intr-un amplificator optic.

NF (rel. 56)

1 Amplificatorul cu laser semiconductor

Un semnal slab este trimis prin regiunea activa a semiconductorului, iar prin emisie stimulata devine un semnal puternic emis de semiconductor.

Amplicatorul Fabry-Perot si amplificatorul cu transport al undei (traveling wave amplifier - TWA) sunt amplificatoare cu laser semiconductor. Intre cele doua tipuri exista diferenta constand in cantitatea de reflexie a oglinzilor din capete. Pentru amplificatoarele Fabry-Perot aceasta reflexie se cifreaza la aproximatix 30%, in timp ce pentru cele TWA este 0,01%. Intr-un amplificator Fabry-Perot curentul generat este tinut sub curentul prag de laser pentru a putea preveni efectul laser. Reflexiile ridicate in amplificatorul Fabry-Perot conduc la rezonanta amplificatorului, rezultand treceri-banda inguste de aproximativ 5 Ghz. Acest fenomen nu este de dorit in sistemele WDM. Prin reducerea reflexiei, amplificatorul are un singur pas si nu mai apare rezonanta. Pentru retelele WDM sunt potrivite TWA-urile.

Amplificatoarele cu semiconductori ajung la un castig de 25 dB. Castigul de saturatie este de 10 dB, sensibilitatea de polarizare este de 1 dB si latimea de banda de 40 nm. Amplificatoarele cu semiconductori bazate pe MQW (multiple quantum wells) au latimea de banda si castigul de saturatie mai mare si timpi de comutare on-off mai buni. Dezavantajul este insa sensibilitatea mare de polarizare.

2 Amplificator pe fibra dopata cu pamanturi-rare

Ideea doparii fibrelor optice cu ioni de pamanturi-rare pentru realizarea de amplificatoare a fost investigata incepand cu anul 196 Primele amplificatoare pe fibra erau pompate cu ajutorul lampilor flash si lucrau in mod pulsat. La mijlocul anilor 1980, a fost dezvoltata o tehnologie de depunere a ionilor de pamanturi-rare in fibrele de siliciu mono-mod, iar in 1987 s-a realizat primul EDFA (Erbium Doped Fiber Amplifier). In 1989 s-au folosit noile diode laser InGaAsP pentru pomparea EDFA la 1480 nm. Ionii de pamanturi-rare cu care este dopat miezul fibrei pot exista in mai multe stari energetice discrete in functie de energia sistemului. Puterea de pompaj a lungimilor de unda corespunzatoare propagandu-se prin miezul fibrei dopate abate sistemul fizic de la echilibrul termic. Lungimile de unda pompate trebuie sa corespunda uneia dintre tranzitiile de absorbtie. Astfel de pompaje fac ca o fractiune importanta dintre ioni sa ramana pe nivelul lor energetic ridicat, nivel "meta-stabil". Populatia nivelului energetic meta-stabil scade exponential cu o constanta de timp numita durata de viata de emisie spontana (10 ms pentru Er). Fotonii emisi spontan au faza si polarizarea aleatoare, se propaga prin fibra in ambele directii si sunt amplificate in acelasi mod ca si fotonii de semnal. In cadrul amplificatorului pe fibra emisia spontana amplificata este sursa de zgomot. Emisia stimulata produce fotoni care au aceeasi frecventa, faza, polarizare si directie de propagare le fel ca si fotonii de semnal. Pe durata propagarii prin fibra optica unda semnal este atenuata, din cauza abdorbtiei de la starea de baza.

Un astfel de amplificator pe fibra optica este realizat din urmatoarele componente: fibra dopata cu pamanturi-rare, cuploare dicroice, lasere semiconductoare de pompaj, izolatori si egalizatori de castig. O parte din caracteristicile componentelor pe fibra optica, ce au un impact asupra performantei amplificatorului pe fibra optica:

-pamanturile-rare (profilul, tipul, concentratia)

-caracteristicile fibrei optice (matricea sticlei, NA, pierderile, lungimea)

-laserul de pompaj (lungimea de unda si configuratie)

-absorbtii si pierderi prin imprastiere (izolatoare, filtre).

EDFA pot sa opereze cu pompare fie in aceeasi directie, fie in directie opusa a semnalului. Daca semnalul de pompa este in aceeasi directie cu semnalul WDM acesta se numeste pompare directa. Daca semnalul este opus semnalului WDM atunci el se numeste pompare inversa.

semnal  semnal amplificat

fibra dopata

pompa Fig. 45 Pomparea directa

semnal semnal amplificat

Fig. 46 Pomparea inversa

Cand doua pompe sunt folosite in acelasi timp pe directia directa si inversa se obtine pomparea bidirectionala.

Semnal amplificat

semnal

pompa pompa

Fig. 47 Pomparea bidirectionala

EDFA in banda L

Prima generatie de amplificatoare pe fibra optica dopata cu erbium a fost destinata pentru   banda conventionala - banda C: 1530-1560 nm. Comparativ cu EDFA-urile conventionale, EDFA-urile in banda L (1570 - 1610 nm) au coeficientul de castig si eficienta de conversie a puterii mai mici.

Tehnologii de amplificare in benzile O si S

Banda O (1260 - 1360 nm) este un domeniu cu dispersie zero pentru fibra optica monomod,   facilitand transmisia semnalelor cu mare viteza fara efecte de dispersie. Folosirea benzii S (1460 - 1530 nm ) poate creste numarul de canale si capacitatea de transmisie in domeniul lungimilor de unda multiplexate (WDM). Tehnologiile de ampificare in banda O folosesc amplificatoare pe fibra optica dopata cu praseodymium (PDFA), iar tehnologiile de amplificare in banda S folosesc amplificatoare pe fibra optica dopata cu thulium (TDFA ) sau cu erbium (EDFA).

3 Amplificator CWDM

Durata pierderilor determina scala transmisiei in cazul unui sistem de transmisie CWDM. Tehnologia amplificatorului EDTFA poate acoperi amplificarea intr-un sistem cu patru canale in regiunea cu lungime de unda (1550 - 1610 nm), insa un TDFA de unul singur este insuficient pentru un sistem cu patru canale cu lungime de unda scurta, limita superioara fiind 1510 nm. Prin conectarea unui TDFA in serie cu un EDFA in banda S se obtine o amplificare TDFA-EDFA in banda S+C. Semnalele CWDM de intrare sunt divizate corespunzator celor pentru domeniul 1470 - 1530 nm cu patru canale cu lungime de unda mare. Semnalele cu lungime de unda mica sunt amplificate de catre amplificatorul hibrid TDFA - EDFA, iar cele cu lungime de unda mare de catre amplificatorul de banda larga EDTFA. Semnalele sunt apoi recombinate si redate la iesire dupa amplificare. In domeniul 1460-1540 nm se obtine un castig de 80 nm cu etajul amplificator hibrid, prin combinarea castigurilor TDFA si EDFA.

4 Amplificator RAMAN

S-au dezvoltat sistemele de transmisie WDM bazate pe EDFA. Transmisiile WDM utilizeaza intreaga banda de castig EDFA (benzile C si L). Tehnologia bazata pe EDFA a atins limitele superioare ale capacitatii de transmisie. Daca semnalul patrunde in fibra pe un nivel prea superior, acesta sufera neliniaritate din partea fibrei, iar daca patrunde pe un nivel prea scazut, acesta receptioneaza zgomot ridicat la urmatorul EDFA. Cresterea rapida a traficului de comunicatie a condus la amplificatoarele pe fibra Raman (RFA Raman fiber amplifier).

Energia este transferata de la o pompa la o unda Stokes, iar numarul de fotoni dintr-o unda de pompa si o unda Stokes ramane constant. Pragul Raman reprezinta cantitatea de putere de pompa necesara pentru a face pompa egala cu puterea unei unde Stokes. Pompa si unda Stokes trebuie sa aiba aceeasi stare de polarizare. Daca starea de polarizare nu este mentinuta pragul se multiplica cu 2. Un prag Raman pentru semnalele WDM este de 1550 nm.

Spectrul Raman

O unda Stokes de o frecventa mica se produce datorita interactiunii neliniare dintre pompa si semnalul care se propaga. Diferenta spectrala dintre pompa si unda Stokes generata poarta numele de spectru de castig Raman.

castigul

Raman

Si

(THz)

Fig. 48 Castigul Raman in functie de diferenta de frecventa intre frecventa masurata si cea nominal

lumina monocromatica imprastiere elastica si inelastica

energie

Nivele de

de energie

Fig. 49 Spectroscopia Raman la nivel micro