AMPLIFICATOARE OPTICE

AMPLIFICATOARE OPTICE

Motivele folosirii amplificatoarelor optice

Dupa cum s-a mentionat si in introducere, aparitia amplificatoarelor optice s-a realizat recent (1980), aceasta ducand la revolutionarea comunicatiilor.

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.

Intr-un sistem optic de comunicatii nu prea avem probleme cu zgomotul sau cu interferentele de semnal. Un semnal in fibra monomod care ajunge la destinatie 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 in unele medii (cum ar fi cabluri submarine).

►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 decat repetoare si ar trebui sa aibe un cost se semnificativ mai mic.

Exista 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 si amplificatoare cu fibre.

Aproape orice laser cu semiconductor se poate transforma intr-un amplificator cu cateva modificari.

Cel mai important tip de amplificator este amplificatorul cu fibra optica dopata cu erbiu (EDFA), pentru ca are un cost mic (relativ), este extrem de eficient si prezinta un zgomot mic.

Fig. 17 Amplificatoar optic cu fibra dopata cu Erbiu - functionarea

La sfarsitul anilor 1980 un grup de cercetatori de la Universitatea din Southampton din Marea Britanie, a reusit sa dezvolte un aplificator bazat de fibra optica, 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 17. Semnalul trece de-a lungul unei scurte lungimi de fibra speciala si este amplificata (pana la 1000 de ori, 30 dB), in timpul trasmiterii lui. Semnalul nu devine niciodata electric si nici nu iese niciodata din fibra.

Astazi, exista o intreaga clasa de amplificatoare optice bazate pe aceleasi 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 pamanturi rare ale tabelului periodic este utilizabil intr-un amplificator optic.

Amplificatoarele de mai sus (SOAs si REDFAs), ambele folosesc principiul laserului in modul lor de operare. Exista si alte amplificatoare care folosesc principii complet diferite de amplificare (de exeplu efectul Raman).

Castigul optic

Cele mai multe aplificatoare amplifica lumina incidenta prin emisie stimulata, acelasi mecanism folosit de catre laseri. Intr-adevar, un amplificator optic nu este altceva decat un laser fara reactie inversa (feedback). Principala sa proprietate este castigul, realizat cand aplificatorul este pompat (optic sau electric) pentru a obtine o inversie a populatiei. Castigul este, in general dependent, nu numai de frecventa (sau lungimea de unda) a semnalului incident, ci si de intensitatea fasciculului local, in orice punct din interiorul amplificatorului.

Fiind dat un amplificator definim urmatoarele marimi:

P_in = puterea de la intrarea amplificatorului;

P_out = puterea de la iesirea amplificatorului;

z = distanta parcursa de unda optica in mediul de amplificare;

L = lungimea mediului de amplificare (lungimea de amplificare);

P_p = puterea de pompaj (pompaj optic);

Avem relatiile:

P_out P_in P_p

P_out P_in P_p

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.

Se considera un model atomic omogen cu 2 nivele atomice pentru mediul de amplificare.

g(ω) = coeficientul de castig optic (castigul optic) ;

g₀ = valoarea de varf (maxima) a g( ), determinata de nivelul pompajului (castigul de varf al amplificatorului);

ω₀ = frecventa atomica de tranzitie caracteristica mediului utilizat;

P = puterea optica a semnalului care trebuie amplificat (P_in);

P_S = 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 ps.1ns);

ω = 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:

lungimea de banda a castigului;

factorul de amplificare (castigul);

puterea optica de saturatie.

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).

(saturatia castigului e neglijabila);

daca ω g(ω)=g(

daca ω0g(ω)=g(0)= ;

g(ω)=g₀ =max 1+=min=1= 0

ω= ω₀; deci g(ω₀)=g₀= g_max;

Reducerea coeficientului de castig (cand ωω₀) 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 ω₁ si ω₂ pentru care g(ω)= g₀

- daca ;

- daca .

;

Banda coeficientului de castig este o caracteristica interna a amplificatorului.

Aplicatie: Sa se calculeze banda coeficientului de castig pentru T₂=0.1ps.

Se defineste G(ω) = castigul in putere al aplificatorului optic (castigul optic).

Banda lui G(ω) = banda castigului = banda amplificatorului.

Banda lui G e mai importanta (mai utila) decat banda lui g.

;

;

- ; conditiile initiale

- . (la limita) pentru

Integrare de la 0 la L.

;

;

.

Datorita dependentei exponentiale: , G(ω) scade mai repede decat g(ω), cand ω se departeaza de ω₀ .

Aplicatie: Sa se calculeze banda lui G.

;

;

;

;

;

;

↓

Sau:

;

; ;

Fig. 18 Profilul castigului Lorentzian g si corespondentul benzii castigului G

unde:

- castigul spectrului normat (curba castigului amlificatorului nesaturat);

- castigul normat al amplificatorului optic;

- dezacordul normalizat;

; - G are banda mai ingusta decat g.

Saturatia castigului

Saturatia castigului reiese din dependenta castigului de putere. Se analizeaza cazul in care

daca P(z) creste, atunci scade

OBS:

Notam: - A;

-B.

Caz I: se vede influenta lui A;

Caz II:se vede influenta lui B;

Concluzie: in final se combina (suprapune) ambele influente.

Se considera o radiatie incidenta perfect acordata (), de putere P comparabila cu (deci regim de semnal mare).

Figura 19 ne prezinta dependenta lui fata de

Fig. 19 Dependenta lui fata de

In regim nesaturat

= puterea de saturatie la iesire, adica puterea de iesire pentru care G se reduce cu 3dB (adica de 2 ori) fata de .

Aplicatie: Sa se calculeze , daca =30dB.

Se observa ca, in general, este cu arpoximativ 30% mai mic decat .

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:

;;(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).

= puterea de zgomot cuantic;

fotocurentul mediu (valoarea medie a curentului fotodetectat);

R = responsivitatea unui fotodetector ideal;

η = eficienta cuantica (in mod ideal se considera 1);

∆f = banda fotodetectorului;

curentul de intuneric se considera nul;

al semnalului amplificat;

= densitatea spectrala de putere a zgomotului cuantic indus prin amplificare.

se considera =constant (zgomot alb);

= frecventa optica;

= factorul de inversie a populatiei - = 1 pentru inversie completa;

- > 1 pentru inversie incompleta;

pentru un sistem cu 2 nivele atomice: ;

pentru un amplificator ideal = 1;

= populatia atomica in stare normala;

= 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.

= puterea fotocurentului detectat;

Daca G>>1 domina al doilea termen.

ideal (cazul cel mai favorabil): ;

se degradeaza cu 3dB (se injumatateste);

Demonstratie:

In practica > 3dB (uzual G = 8dB).

Fiind dat un amplificator definim urmatoarele marimi:

= zgomotul propriu introdus chiar de amplificator;

= zgomotul de iesire, in ipoteza ca = 0;

N si P sunt puterice elctrice (care corespund puterilor optice);

Avem relatiile:

; ;

; ;

daca ;

daca ;

Aplicatii ale amplificatoarelor optice

Amplificatoare optice pot fi folosite in mai multe scopuri in proiectarea sistemelor de comunicatii cu fibra optica: trei aplicatii comune sunt prezentate schematic in figura 20. 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.

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 transmisa. 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. 20 3 aplicatii pentru amplificatoarele optice: (a) amplificatoare in paralel; (b) marirea puterii transmise; (c) preamplificarea puterii primite

In figura 21 este reprezentata implementarea ampificatoarelor optice intr-un sistem optic.

Fig. 21 Implementarea amplificatoarelor optice intr-un sistem optic de comunicatii