AMPLIFICATOARE OPTICE CU SEMICONDUCTORI

AMPLIFICATOARE OPTICE CU SEMICONDUCTORI

Descrierea SOA

SOA este un dispozitiv optoelectronic, care dupa mai multe operatii poate amplifica un semnal de intrare. In figura 22 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. 22 Diagrama schematica a unui SOA

Fig. 23 SOA

SOA realizaeaza amplificare inantea atingerii curentului de propagare.

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 protectia a dispozitivelor impotriva oscilatiilor proprii generate de efectul laser. SOAs sunt pompate electric prin curentul injectat.

Fig. 24 SOA - principiul functionarii

Presupunand ca diodele laser nu ar avea oglinzi atunci punem diodei conditia inversiei populatiei si injectam fotoni la un capat al diodei.

Fig. 25 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.

In figurile de mai jos este prezentat principiul functionarii SOA:

Fig. 26 SOA - principiul functionarii

Fig. 27 SOA - principiul functionarii

Clasificarea SOAs

SOAs pot fi clasificate in 2 mari categorii prezentate in figura 28: 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. 28 Principalele tipuri de SOA si castigul acestora

Cele mai multe aplicatii ale SOAs sunt bazate pe castigul lor optic. In tabelul 4 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.

Tabel 4. Proprietatile SOA dorite in implementarea dispozitivelor practice

In tabelul 5 sunt prezentati parametri fizici ai unui SOA:

Tabel 5. Parametri fizici ai unui SOA

Fabry-Perot SOA

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:

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. 29 Caracteristici de transmisie ale filtrului Fabry-Perot

In figura 29 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-Perot

FOTB 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 ( reprezinta legea de conservare) se poate deduce functia de transfer.

O unda cu vectorul de unda k si amplitudinea este incidenta din stanga rezonatorului.

Unda transmisa (in dreapta) va fi:

Se stie ca si .

Transmisia este 100%

Daca se poate presupune ca r = 0.5.1, atunci varfurile de transmisie sunt inguste si FWHM (Full Width at Half Maximum) este dat de:

.

Demonstratie:

;

Din cauza latimii reduse a benzilor de trecere si a transmitantei de 100%, rezonatoarele Fabry-Perot sunt larg folosite in (ca) filtre pentru WDM.

Fig. 30 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 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:

Fig. 31 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

;

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).

Fig. 32 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 () a cavitatii.

Atunci frecventele de trecere vor fi:

, unde m este un numar intreg, iar spatiul dintre doua frecvente successive ale FOTB va fi:

, unde n este indicele de refractie folosit la constructia receptorului FP.

In cazul transmisiei a N canale, banda acestora, trebuie sa fie mai mica decat :

Fig. 33 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)

= spatierea normalizata dintre canale;

D = debitul.

Banda filtrului trebuie sa fie suficienta pentru a trece toata informatia canalului selectat:

Atunci: , unde este un factpr de finite al FOTB.

Presupunand ca = 3 (pentru a mentine suprapunerea canalelor sub 10 dB), atunci:

Rezulta ca numarul maim de canale este determinat de reflectivitatea oglinzilor.

Pentru R ~ 99%, rezulta N<104 canale.

Acordul pe canal se face electronic, modificarea lungimii L trebuie facuta in limite mici si destul de repede (~ 1μs) prin utilizarea efectului piezoelectric.

Fig. 34 Filtru Fabry-Perot: ajustare prin efectul piezoelectric

De exemplu, pentru = 1000GHz, L <1mm (n=1.5), iar pentru canale spatiale la 1 nm se obtine L = 10μm.

Numarul canalelor nu poate depasi 50.100 din cauza valorii limitate (realizabile cu un singur filtru) a parametrilor F (~ 100, R = 97 %).

Daca N creste, trebuie folosite doua FOTB in tandem pentru ca F sa creasca, usual F devine ~ 1000.

In unele dintre realizari, in cavitate se introduce cristal lichid care isi modifica indicele de refractie in functie de un camp aplicat din exterior.

Se obtin F ~ 200-400 si o largime de banda de aproximativ 0.2.0.3nm.

O realizare alternative pentru FOTB este cuplajul acusto-optic selective.

Alte filtre pot avea la baza efecte ectro-optice.

Se obtin astfel largimi de banda mai mari (~ 1nm) si un domeniu mai larg de acordabilitate: ~ 100 nm pentru FOTB cu cuplaj acustico-optic si

~ 10 nm pentru cele electro-optice.

B)     Filtre care folosesc amplificatoare cu semiconductori

O dioda laser pompata electric sub prag poate fi asimilata cu un filtru trece banda ingusta. Frecventa centrala este determinate de materialul utilizat, iar daca se folosesc laseri DFB (Distributed Feed-Back) sau DBR (Distributed Bragg Reflector) este posibil si un accord.

In varianta DFB un current variaza periodicitatea reflectorului si deci a lungimii de unda, al doilea current controleaza faza amplificatorului, iar ultimul regleaza amplificarea.

TWA SOA

TWA = amplificator cu unda calatoare.

La TWA fatetele structurii sunttratate 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 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 35 este prezentata structura unui TWA:

Fig. 35 Structura unui TWA

Castigul si largimea de banda a unui SOA

Castigul (factorul de amplificare) FPA este:

= reflectivitatile fatetelor mediului activ;

= reflectivitatile fatetelor mediului activ;

= FSR (Free Spectral Range = domeniul spectral liber);

= spatierea modala longitudinala (spatierea frecventelor de rezonanta), (spatierea intre varfuri).

daca ,, 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: (banda de frecvente a amplificatorului).

frecventa de taiere.

Banda se calculeaza in jurul lui .

Banda la 3dB este dezacordul , pentru care scade la 0.707.

Se defineste ca fiind reflectivitatea suprafetei.

In figura 36 sunt reprezentate diferite valori ale lui R_geo in functie de . De exemplu pentru a obtine un castig perturbat mai mic decat 1 dB pentru un de 25 dB trebuie ca R_geo <6 x 10^-4. Castigurile maxime realizabile in dispozitivele practice sunt cuprinse in intervalul 30-35 dB. Largimea benzii amplificatoarelor ia valori in intervalul 30-60 nm.

Fig. 36 Interpretarea geometrica a suprafetei reflexive raportata la

Aplicatie: Sa se calculeze daca: = 100GHz , G=2.85.

Pentru FPA se remarca existenta unei contradictii intre amplificare si banda: cand creste amplificarea, scade banda (si invers).

Demonstratie:

amplificare mare inseamna

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.

Pentru o reflectivitate redusa (de ), FPA lucreaza ca un TWA.

Aplicatie: Sa se calculeze .

;

Daca ∆G > 3dB se considera ca este determinat de cavitate si nu de spectrul in care se obtine castig.

Aplicatie: Ce conditie trebuie indeplinita pentru ca ∆G > 3dB ?

Deci ∆G > 3dB .

Daca , atunci se considera ca FPA e de fapt un TWA.

Aplicatie: Ce conditie trebuie indeplinita pentru ca G = 30dB ?

In acest caz cavitatea lucreaza in regim de unda progresiva.

Sensibilitatea polarizarii

In general, castigul unui SOA depinde de starea de polarizare a semnalului de intrare. Aceasta dependenta se datoreaza 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. SOAs 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 (G_TE) si castigul modului TM (G_TM

In figura 37 sunt prezentate 3 configuratii folosite pentru a reduce sensibilitatea polarizarii unui SOA:

Fig. 37 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

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 purtatorii 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 SOAs sunt folosite ca amplificatoare cu mai multe canale. In figura 38 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 (P_O,sat ) care este definita ca fiind puterea semnalului de iesire a amplificatorului al carui castig este jumatate din castigul amplificatorului de semnal mic. Aceasta putere ia valori in intervalul 5-20 dBm, pentru dispozitivele practice.

Fig. 38 Castigul unui SOA in functie de puterea semnalului de iesire al unui amplificator

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:

Cea mai mica valoare posibila pentru n_sp este 1. Aceasta situatie are loc atunci cand se relizeaza o inversie completa a mediului atomic. De exemplu, pentru N rezulta F=2 (3dB). Valorile tipice pentru expresia zgomotului pentru SOAs sunt in intervalul 7-12 dB.

Efecte dinamice

SOAs sunt utilizate de obicei pentru a amplifica semnale modulate. Daca puterea semnalului este mare atunci va aparea fenomenul de saturatia al castigului. In SOAs 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 reactiona relativ 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 SOAs, la amplificatoarele dopate cu fibra, durata de viata a purtatorilor recombinati este de ordinul milisecundelor, fapt care duce la distorsiuni ale semnalului neglijabile.

Neliniaritatea

SOAs au un comportament neliniar. Neliniaritatea poate fi benefica pentru SOAs, in folosirea acestora ca dispozitive functionale acum ar fi convertoarele de lungime de unda.

CAPITOLUL 4 - PREZENTAREA    UNOR SOA

COMERCIALE

SOAs sunt folosite - ca amplificatoare de putere;

- ca preamplificatore de putere;

- ca dispozitive optice de comutare;

- ca convertoare de lungime de unda;

- pentru a preveni pierderile 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, InPhenix si Kamelian.

Fig. 39 SOA - exemplu