Clasificarea aplificatoarelor optice

Clasificarea aplificatoarelor optice

Tipurile de baza ale amplificatoarelor optice sunt:

amplificatoare optice semiconductoare (SOA-Semiconductor Optical Amplifiers);

amplificatoare Raman (FRA-Fiber Raman Amplifier);

amplificatoare optice cu fibra din material plastic (Plastic Fibre Amplifiers);

amplificatoare optice cu fibra dopata cu Erbiu (EDFA-Erbium Doped Fiber Amplifiers);

amplificatoare optice cu fibra dopata cu Praseodimiu (PDFA-Praseodinium Doped Fiber Amplifiers);

amplificatoare optice cu fibra dopata cu Neodimiu (NDFA-Neodimium Doped Fiber Amplifiers);

amplificatoare optice cu fibra dopata cu Tuliu (TDFA-Tulium Doped Fiber Amplifiers).

In figura 3 sunt reprezentate cateva amplificatoare optice tinanduse cont de banda corespunzatoare lungimii de unda.

Fig. 3 Amplificatoare optice clasificate, dupa lungimea de unda, in banda corespunzsatoare

3 din cele mai importante amplificatoare optice sunt prezentate in figura

Fig. 4 Exemple de amplificatoare optice

Amplificatoare Raman

Principiul de baza al amplificarii consta din utilizarea dispersiei Raman stimulate (SRS) in fibrele optice ca mecanism de interactiune a luminii cu energia de vibratie a materialului. In acest proces in timpul propagarii unui fascicul de pompaj intens, are loc transferul de energie al pompajului spre semnal decurgand emiterea de fononi optici. SRS a fost observata pentru prima data de Ippen si colaboratorii sai in 1970. In acest experiment s-a utilizat o fibra de nucleu lichid cu sectiune de soc de dispersie spontana Raman ( ) ridicata. Prima demostratie a efectului Raman stimulat in fibrele de sticla a fost realizata a Stolen si colaboratori in 1971, folosind o fibra monomod fabricata de Corning Glass Works. Comparand SRS si emisia stimulata a aparut un aspect fundamental. La emiterea stimulata, un foton incident este capabil de a genera un foton cu aceeasi energie, in ceea ce priveste dispersia Raman stimulata fotonii incidenti pot genera un foton cu energie redusa si sa emita un foton optic care este absorbit de starea de vibratie a miezului.

Pe masura ce semnalul se propaga in miez, se amplifica datorita tranzitiei electronice intre starea fundamentala si alte starile de vibratie (alte ) prin intermediul starii virtuale. Diferenta de energie intre starea virtuala si starea la care revine electronul (tranzitie), este suficienta pentru emiterea unui foton si respectiv a unui numar de fononi optici care determina frecventele Stokes. Comparand cu lichidele si cristalele, sticla inregistreaza o dispersie Raman mai mica. Astfel diminuarea ariei efective a pompajului este esentiala pentru cresterea castigului de amplificare. S-au studiat diferite materiale vizand descoperirea unei optiuni cu un castig Raman mai mare pentru producerea de fibre optice amplificatoare, printre care: sticla produsa 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 scazute fabricate plecand de la aceste sticle dopate cu oxizi de metale grele sunt nerealizabile practic in ciuda valorii ridicate a dispersiei Raman pe sectiune de fibra.

In figura 5 este prezentata imprastierea Raman.

Fig. 5 Imprastierea Raman

Din cauza naturii amorfe a sticlelor care compun fibrele optice, nivelurile de vibratiei se distribuie cvasicontinuu generand un plus omogen. In fibrele de siliciu datorita numarului mare de vibratii, la frecventa unghiulara a semnalului s poate sa difere destul de mult frecventa unghiulara de pompaj p aducand un spectru mai larg de amplificare.

Pentru aplicatii care folosesc efectul Raman in fibrele optice parametrii cei mai relevanti sunt: schimbarea frecventei si cresterea castigului 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 intre frecventa de pompaj si frecventa semnalului trebuie sa corespunda la nivelul curbei care determina amplificarea in functie de aceasta diferenta de frecventa. Pentru fibrele de siliciu, conform ilustratiei de la figura 6 diferenta trebuie sa fie de aproximativ 13 THz, care corespunde aproximativ cu 100 nm pentru lungimi de unda de 1550 nm.

Sunt utilizate fibrele compensatoare ale dispersiei (DCF-Dispersion Compensating Fibers) ridicand castigul Raman de la 5 pana 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 unda intre 300 nm si 2000 nm. Utilizand diverse tipuri de pompaje este posibila generarea unui spectru de amplificare destul de larg si cu putine variatii de amplitudine.

In aplicatiile cu banda lunga pompajul variaza intre 20 nm si 30 nm in functie de uniformitatea de castig ceruta. Profilul castigului Raman cu siliciu se concentreaza pe lungimi de unda mai mari, alte materiale avand 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 unda in nm, iar pe axa Y avem Coeficientul de castig in m/W)

Aceste amplificatoare in afara ca au o banda larga de amplificare, sunt destul de flexibile in ceea ce priveste castigul, putand inlocui deficientele de banda a celorlalte amplificatoare, fiind atractive pentru aplicatiile in comunicatiile cu fibra optica. Din contra, amplificatoarele construite din fibra dopata cu materiale rare si semiconductoare sunt putin eficiente cerand putere ridicata de pompaj si fibre mai lungi. Un aspect important care trebuie mentionat este pierderea zgomotului asociat cu transferul de energie a lungimilor de unda din banda S pentru lungimi de unda din banda L, prin intermediul procesului de dispersie Raman. Aceste amplificatoare sunt amplu utilizate pentru a suplimenta folosirea amplificatoarelor din fibre dopate, aducand un castig aditional in forme distribuite in legaturi foarte lungi. Astfel pentru banda L se folosesc scheme de amplificare hibride.

Amplificatoare optice cu fibra din material plastic

Rapoatele recente de cercetare au sugerat faptul ca, daca utilizam amplificatoare cu fibra din material plastic acestea pot oferi rezultate care nu sunt posibile utilizand amplificatoarele cu sticla (sau de dioxid de siliciu).

Fibra din material plastic are lungimea de unda de transmisie de 570 nm si 670 nm, dar amplificatoare nu sunt disponibile la aceste lungimi de unda. Unii sustin ca, in loc de a utiliza amplificatoare pe fibra din material plastic s-ar putea folosi fibra de sticla si in 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% si un castig de 24 dB. Acest lucru este interesant din cauza ca lungimea banzii de unda este foarte aproape de fereastra de transmitere pentru fibra PMMA (dar nu destul de aproape).

Fig. 7 Rodamina B

Amplificatoare optice cu fibra dopata cu Erbiu

Din 1985 cand la Univeritatea din Southampton (Anglia) s-a demonstrat o noua tehnica pentru fabricarea fibrelor optice dopate cu materiale rare care prezentau pierderi scazute, amplificatoarele optice cu structura bazata pe aceste fibre au fost imediat identificate ca dispozitive importante in aplicatiile comunicatiilor prin fibre optice in principal datorita castigului ridicat, zgomotului intrinsec scazut, dependetei scazute de polarizare, transmiterea cu eroare de bit (BER) scazuta si eficienta marita de conversie de putere (PCE-Power Coversion Efficiency).

Primul material rar folosit a fost neodimiu, cel mai bun dopant in lasere solide. Dupa aceste rezultate incurajatoare s-au utilizat si alti dopanti pentru producerea amplificatoarelor optice: tuliu, yterbiu si erbiu. S-au dezvoltat numeroase amplificatoare din fibra dopata cu diferite elemente, profitand de proprietatile fluorescente ale fiecaruia.

In prezent cele mai importante amplificatoare optice cu fibra dopata sunt cele cu erbiu care pot produce amplificare in banda C. Amplificatoarele optice cu fibra dopata cu praseodimiu si neodimiu se pot folosi pentru a obtine valori de 1300 nm. In ceea ce priveste amplificatoarele cu fibra dopata cu tuliu pot produce castig pentru toata banda S de transmisie optica (1460 nm-1530 nm).

Fig. 8 EDFA

La finele anului 1986, grupul de la Southampton a produs primul amplificator cu fibra dopata cu erbiu. In 1986, Emmanuel Desurvire a inceput sa lucreze la laboratoarele Bell si imediat a inceput sa foloseasca EDFA. E. Desurvire a realizat mijloace detaliate, a dezvolatat modelul teoretic si a realizat prima optimizare a lungimii de unda dopata

EDFA sunt amplificatoarele optice cele mai folosite si cunoscute in principal pentru ca spectrul lor de amplificare coincide exact cu minimul pierderilor in siliciu pentru 1550 nm. Pentru EDFA cu siliciu, toate posibilitatile de tranzitie intre nivelele de energie din erbiu sunt radiative datorita procesului de cadere cu emisie de fononi, cu exceptia transmisiei care cuprinde nivele care sunt 100% radiative. Aceasta tranzitie arata un spectru de emisie destul de larg, cu maximul la 1530 nm care ofera amplificare in toata banda C. Este de asemenea posibila amplificarea in banda L cu EDFA. Timpul de viata superior este de 10 ms, care este mult mai mare decat timpurile asociate transmisiei semnalului.

In figura 9 este prezentata schema bloc a unui amplificator optic dopat cu fibra cu Erbiu.

Fig. 9 Schema bloc EDFA

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 o 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 EDFAs ,datorita multiplicitatii nivelelor de energie poate sa aiba loc absorbtia unor lungimi de unda pompate incepand de la nivelul superior de amplificare diminuand eficienta pompajului. Acest proces este denumit absorbtie de stare excitata (ESA-Excited State Absorbtion). Lungimile de unda de pompaj intre 980 nm si 1480 nm sunt libere pentru absorbtia starii excitate. Acestea pot fi generate plecand de la laserele diodelor comerciale. Pompajul de 980 nm minimizeaza nivelul zgomotului si este mai adecvat cand EDFA este folosit ca un preamplificator.

Daca este pompaj suficient pentru a mentine inversiunea de populatie, ionii de erbiu absorb semnalul care se propaga amplificat, dupa principiul unui laser cu trei niveluri. Un parametru important a EDFA-urilor este puterea de transparenta definita ca putere de pompaj pentru ca semnalul sa nu sufere nici castig nici pierdere.

Fig. 10 Excitarea ionilor de Erbiu

Fig. 11 Pompajul EDFA

In figura 12 sunt prezentate nivelele de energie pentru ionii Er³⁺

Fig. 12 Diagramaenergetica a ionilor de Erbiu

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 τ = 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 generarea fotonilor 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

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

Suprimarea ASE se face prin intermediu filtrelor in multiple stagii de amplificare, facand sistemul destul de complex sau utilizand structuri de fibre speciale cu lungimi de unda de 1530 nm generand pierderi ridicate pentru ASE.

Amplificatoare optice cu fibra dopata cu Praseodimiu

EDFAs functioneaza in banda de 1550 nm. Majoritatea (aproape toate) sistemelor de transmisie existente utilizeaza banda de 1300 nm, banda in care EDFAs nu functineaza.Ca o replica la acestea au fost dezvoltate amplificatoare dopate cu Pr3+. Cu toate acestea, ele nu sunt la fel de bune ca EDFAs. Castigul valabil in PDFAs comerciale este in jur de 12 dB, iar gama lungimilor de unda amplificate nu este la fel de mare cum s-ar dori. Castigul este folosit mai mult in aplicatii decat pentru amplificarea de putere. Cu toate acestea, castigul la un semnal de nivel redus este mic.

Prasedemiul emite fluorescent in zona spectrala de 1300 nm, permitand amplificarea lungimilor de unda dorite, acest lucru facand posibil producerea unui amplificator optic cu fibra dopata cu prasedemiu. Eficienta pompajului este extrem de scazuta. In schimb pentru un EDFA cu un nivel de pompaj la 20 mW este suficient pentru a obtine un castig de 20 dB. Pentru un PDFA sunt necesare cateva sute de mW pentru a atinge aceeasi valoare.

Prasedemiul poate fi pompat la 2 lungimi de unda:

1. La 1017 nm, folosind un semiconductoare InGaAs laser. 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 aceasta lungime de unda este, de asemenea, foarte mica in eficienta. Din aceasta cauza, pompele Nd: YLFsunt singurele pompe folosite in PDFAs comerciale.

Amplificatoare optice cu fibra dopata cu Neodimiu

Neodimiul, alt material rar, emite de asemenea fluorescenta la nivelul de 1,3 m, fiind posibila producerea de amplificatoare optice si lasere cu fibre din ZBLAN dopate cu neodimiu. Cea mai mare problema in legatura cu aceste fibre il constituie tranzitul la 1,05 m care poate opri emisia dorita. Folosind tehnici de suprimare a castigului la 1,05 m, se pot obtine amplificari de pana la +10 dB a laserelor cu eficienta de pana la 15,7%. Exista de asemenea mentionari in literatura privind folosirea disprosiului pentru amplificari de 1,3 m.

Neodimiul este un alt candidat pentru rolul de element activ in amplificatoarele de fibra in banda de 1300 nm. Nd va amplifica in intervalul 1310 - 1360 nm in ZBLAN si intre 1360 si 1400 nm in dioxid de siliciu. Pomparea eficienta se produce la lungimile de unda 795 si 810 nm.

Eficienta totala este foarte scazuta. Durata de viata a purtatoarei in ZBLAN la 390 μsec este destul de scurta. Nivelul de zgomot este de asemenea adecvat, dar nu la fel de bun precum caracteristicile EDFA (amplificarea emisiei spontane este o problema).

Amplificatoare optice cu fibra dopata cu Tuliu

Din perspectiva largirii benzii de transmitere in sisteme WDM (wavelength division multiplexed), se utilizeaza de asemenea amplificarea prin fibra dopata cu tuliu (element puternic fluorescent), in banda S. Este important de subliniat ca procesul de amplificare se realizeaza ca un model de laserare pe trei nivele.