wzmacniacze edfa

Wzmacniacze optyczne
ZARYS PODSTAW 
REGENERATOR
konwertuje sygnał optyczny na elektryczny, wzmacnia sygnał
elektryczny, a następnie konwertuje wzmocniony sygnał
elektryczny z powrotem na sygnał optyczny
WZMACNIACZ OPTYCZNY
Wzmacnia sygnał optyczny bez konwersji na sygnał elektryczny
Regenerator
a)
Wzmacniacz
i regenerator
sygnału
elektrycznego
Pwe
Odbiornik
Pwy
Nadajnik
t
t
b)
Wzmacniacz
optyczny
Pwe
t
Pwy
t
WZMACNIACZE OPTYCZNE - pasma
O – Original 1260-1360 nm
E – Extended 1360-1460 nm
C – Conventional 1530-1565 nm
S – Short Wavelength 1460-1530 nm
L – Long Wavelength 1565-1625 nm
U – Ultra Long Wavelength 1625-1675 nm
WZMACNIACZE OPTYCZNE - klasyfikacja
Według zastosowania:
• wzmacniacz liniowy
• wzmacniacz mocy (power booster)
• przedwzmacniacz
• kompensator strat podziału mocy
Według konstrukcji:
• wzmacniacze półprzewodnikowe
• wzmacniacze REDFA
• wzmacniacze ramanowskie
• wzmacniacze brillouinowskie
WZMACNIACZE OPTYCZNE - parametry
wzmocnienie
g = Pout/Pin
• pasmo wzmocnienia
pasmo pracy o szerokości zdefiniowanej
jako przedział długości fal, w którym
wzmocnienie spada o 3 dB w stos. do g max.
• nasycenie wzmocnienia
moc wyjściowa, przy której następuje
dwukrotny spadek wzmocnienia wzmacniacza
• czułośd polaryzacyjna
określa max. zmianę wzmocnienia ze zmianą
polaryzacji sygnału wejściowego
• szumy
liczba szumowa - SNR na wyjściu
wzmacniacza odniesiony do SNR na wejściu
WZMACNIACZE PÓŁPRZEWODNIKOWE (SOA)
Optyczny wzmacniacz półprzewodnikowy SOA (Semiconductor
Optical Amplifier) jest półprzewodnikowym laserem pozbawionym
sprzężenia zwrotnego. Podstawowym elementem wzmacniacza
jest półprzewodnikowy obszar aktywny, pompowany - tak jak w
laserze półprzewodnikowym – prądem. Izolator optyczny
uniezależnia wzmocnienie od odbid, a rezonansowy filtr optyczny
obniża poziom szumów wywołanych emisją spontaniczną.
Warstwa
antyrefleksyjna
Prąd pompy
Ośrodek
aktywny
Izolator
Optyka
kolimująca
Filtr
optyczny
WZMACNIACZE PÓŁPRZEWODNIKOWE (SOA)
Optyczny wzmacniacz półprzewodnikowy SOA (Semiconductor
Optical Amplifier) jest półprzewodnikowym laserem pozbawionym
sprzężenia zwrotnego. Podstawowym elementem wzmacniacza
jest półprzewodnikowy obszar aktywny, pompowany - tak jak w
laserze półprzewodnikowym – prądem. Izolator optyczny
uniezależnia wzmocnienie od odbid, a rezonansowy filtr optyczny
obniża poziom szumów wywołanych emisją spontaniczną.
250-300µm
WZMACNIACZE PÓŁPRZEWODNIKOWE (SOA)
Materiały:
półprzewodniki z grupy 13-15
GaAs/AlGaAs, InP/InGaAs, InP/InGaAsP, InP/InAlGaAs
WZMACNIACZE PÓŁPRZEWODNIKOWE (SOA)
Rodzaje wzmacniaczy SOA
WZMACNIACZE PÓŁPRZEWODNIKOWE (SOA)
Przykładowa struktura wzmacniacza SOA
Ograniczenia wzmacniaczy SOA
• duże straty na połączeniach ze światłowodami (nawet 10 dB )
• wysoki poziom szumów
• duża wrażliwośd na polaryzację
• wprowadzają dodatkowe przesłuchy (mieszanie czterofalowe)
WZMACNIACZE PÓŁPRZEWODNIKOWE (SOA)
Zastosowania wzmacniacza SOA
WZMACNIACZE REDFA
REDFA (Rare-Earth Doped Fiber Amplifier)
• EDFA (Erbium Doped Fibre Amplifier) – pasmo C i L
• PDFA (Praseodymium Doped Fibre Amplifier) – pasmo O
• TDFA (Thulium Doped Fibre Amplifier) – pasmo S
• NDFA (Neodymium Doped Fibre Amplifier) - pasmo O
WZMACNIACZE EDFA
średnica płaszcza: 125μm
średnica rdzenia: ~2μm
rdzeń domieszkowany jonami Er3+ (200-800 ppm)
płaszcz
absorpcja
emisja spontaniczna
E2
E2
hν
hν
emisja wymuszona
hν
E2
hν
hν
E1
E1
E1
WZMACNIACZE EDFA
średnica płaszcza: 125μm
średnica rdzenia: ~2μm
rdzeń domieszkowany jonami Er3+ (200-800 ppm)
płaszcz
Wzmocniona emisja
spontaniczna (ASE)
Światłowód aktywny
domieszkowany erbem
Sygnał wejściowy
Pompa optyczna
Wzmocniona emisja
spontaniczna (ASE)
Wzmocniony
sygnał wyjściowy
WZMACNIACZE EDFA
Energia
[cm-1]
Er3+
4
F7/2
H11/2
S3/2
522 nm
543 nm
F9/2
656 nm
I9/2
804 nm
522 nm
488 nm
4
543 nm
15255
12432
4
4
804 nm
I11/2
1530 nm
982 nm
4
I11/2
4
1530 nm
I13/2
982 nm
6535
656 nm
4
10186
4
I13/2
Energia (liczba falowa):
1 cm-1 ≈ 3 x 1010 Hz
4
I15/2
4
I15/2
τ ≈ 10ms
1480 nm
19158
18404
0
488 nm
2
980 nm
20487
1525 – 1570 nm
WZMACNIACZE EDFA
Rozkład mocy pompy, sygnału i ASE we wzmacniaczu EDFA
Moc [mW]
40
pompa
30
sygnał
20
10
0
0
10
20
30
Długość światłowodu [m]
40
Moc [mW]
4
3
ASE
wsteczna
2
ASE
1
0
0
10
20
30
Długość światłowodu [m]
40
WZMACNIACZE EDFA
Pasożytnicza konwersja wzbudzenia
Energia
[cm-1]
4
F7/2
20487
2
19158
18404
H11/2
S3/2
522 nm
4
543 nm
15255
12432
4
F9/2
4
I9/2
10186
4
6535
4
I11/2
980 nm
I13/2
0
4
I15/2
WZMACNIACZE EDFA
Wzmocnienie: G = (Pout – PASE)/PS
Tłumienie / Wzmocnieni [dB/m]
Parametry typowego wzmacniacza EDFA
• długośd ośrodka 5-30 m (pasmo C) lub 100-250 m (pasmo L)
• pasmo pracy – C (1530-1565 nm) oraz L (1570-1610 nm)
• wzmocnienie – 30-40 dB (a nawet 50 dB)
• moc wyjściowa – 15 dBm (1-stopniowy), 23 dBm (2-stopniowy)
• nasycenie wzmocnienia, moc nasycenia (punkt pracy wzmacniacza)
• poziom szumów – 3.5 dB
• zależnośd polaryzacyjna – 0.5 dB
10
8
absorpcja
6
4
2
wzmocnienie
0
1480
1500
1520
1540
Długość fali [nm]
1560
WZMACNIACZE EDFA
Wzmocnienie i nasycenie wzmocnienia
a)
b)
bez ASE
Psat
30
40
+ ASE
20
Obszar nasycenia
wzmocnienia
0
Obszar pracy
małosygnałowej
-20
Wzmocnienie [dB]
Wzmocnienie [dB]
35
25
3 dB
Obszar nasycenia
wzmocnienia
20
15
10
5
0
10
20
30
40
Moc pompy [mW]
50
0
-60
-50
-40
-30
-20
-10
Moc sygnału wejściowego [dBm]
0
10
WZMACNIACZE EDFA
Przykładowa konstrukcja wzmacniacza EDFA
Pompa
optyczna
Światłowód aktywny
domieszkowany erbem
Sprzęgacz
Sprzęgacz
Pompa
Pompa
Wzmacniany sygnał
Pompa
optyczna
Izolator
Filtr
optyczny
WZMACNIACZE RAMANA
Wzmacniacz światłowodowy Ramana wykorzystuje zjawisko
wymuszonego rozpraszania Ramana występujące w światłowodzie
niedomieszkowanym (nie ma konieczności dołączania dodatkowego
włókna – można wykorzystad włókno transmisyjne), na znacznej
długości światłowodu (ok. 100 km). W wyniku oddziaływania światła
z cząsteczką pojawia się fala rozproszona o częstotliwości zmienionej
o częstotliwośd jej drgao własnych.
WZMACNIACZE RAMANA
a)
Światłowód wzmacniający
Sprzęgacz
Izolator
Izolator
Pompa
Wzmocniony sygnał
Pompa WDM
b)
Światłowód transmisyjny
EDFA
Sprzęgacz
Izolator
EDFA
Izolator
Pompa
Wzmocniony sygnał
Pompa WDM
Stopień 1
Stopień 2
WZMACNIACZE OPTYCZNE
porównanie parametrów
Dziękuję za uwagę