Wzmacniacze optyczne

Transkrypt

1 Wzmacniacze optyczne Wzmocnienie sygnału optycznego bez konwersji na sygnał elektryczny. Prezentacja zawiera kopie folii omawianych na wykładzie. Niniejsze opracowanie chronione jest prawem autorskim. Wykorzystanie niekomercyjne dozwolone pod warunkiem podania źródła. Sergiusz Patela 2005

2 Funkcje wzmacniaczy optycznych 1. Wzmacniacz liniowy 2. Wzmacniacz mocy 3. Przedwzmacniacz detektora Nadajnik Wzmacniacz mocy Wzmacniacz liniowy Przedwzma cniacz Odbiornik

3 Klasyfikacja wzmacniaczy optycznych 1. Wzmacniacze półprzewodnikowe (SOA, nm band) 2. Wzmacniacze Ramana 3. Wzmacniacze Brillouin a 4. Wzmacniacze światłowodowe domieszkowane Erbem, Erbium doped fiber amplifier (EDFA, pasmo nm, również planarne erbium doped waveguide amplifiers EDWA), także PDFFA(pasmo 1300 nm)

4 SOA P in R~ 0 R~ 0 P out = P in e g L L Wzmacniacz półprzewodnikowy (SOA) wytwarzany jest podobnie jak lasery półprzewodnikowe Fabry-Perota. Funkcja wzmocnienia realizowana jest poprzez wzbudzanie poziomów energetycznych (pompowanie) materiału. Konstrukcja wzmacniacza powinna eliminować pasożytnicze rezonatory, które mogą dawać efekty laserowania. Można to uzyskać poprzez zastosowanie warstw przeciwodblaskowych lub ukośnie łupanie powierzchni we/wy. SOA są pompowane elektrycznie.

5 Zalety wzmacniaczy SOA 1. Zwarta budowa 2. Możliwości integracji 3. Duża moc wyjściowa 4. Szerokie pasmo wzmocnienia ( nm) 5. Mała cena przy produkcji masowej. Disadvantages 1. High coupling loss 2. Polarization dependence 3. High noise figure (as compared with EDFA)

6 Zastosowanie wzmacniaczy SOA 1. Wzmacniacz 2. Element przełącznika optycznego 3. Konwerter długości fali

7 Example of SOA design Semiconductor Laser Chip Tapered Fiber no 1 Anti-reflection Coating Waveguide Tapered Fiber no 2

8 Światłowodowy wzmacniacz optyczny - EDFA Włókno domieszkowane erbem Sygnał wejściowy Pompa laserowa Erbium Doped Fiber Amplifier Wzmacniacz ze światłowodem domieszkowanym erbem Wzmocniony sygnał wyjściowy

9 Budowa wzmacniacza EDFA Wzmacniacz EDFA wykonany jest z krótkiego odcinka (kilka metrów) włókna optycznego domieszkowanego erbem. Pompa laserowa wzbudza jony erbu, które następnie oddają energię sygnałom optycznym przechodzącym przez włókno. Długość wzmacnianej fali: około 1550nm Długość fali pompy: 980 lub 1480.

10 Wzbudzanie i emisja jonów erbu Stan wzbudzony 1 Jon erbu pompa 1480 mn Sygnał Wzmocniony sygnał 1550nm Stan podstawowy Fale pompy nm lub 980 nm. Jony erbu pozostają w stanie wzbudzonym przez ponad 10 ms (dłużej dla fali 980 nm).

11 Wzmacniacz EDFA Wejście optyczne Sprzęgacz Włókno domieszkowane Er 3+ Wyjście optyczne Pompa laserowa 25 db Ampl. 40 nm 1.55 Długość fali [µm]

12 Szum ASE Szum wzmocnionej emisji spontanicznej Amplified Spontaneous Emission (ASE): Szum tła wszystkich wzmacniaczy typu EDFA. Jest głównym składnikiem liczby szumowej wzmacniacza pogarsza stosunek sygnał-szum światłowodowej linii transmisyjnej. Liczba szumowa (NF) = SNR wy / SNR we

13 Schemat blokowy wzmacniacza EDFA o złożonej konstrukcji Wejście optyczne 1550 nm Sprzęgacz 1 99% 1% Światłowód domieszkowany erbem Izolator 1 WDM 1 WDM 2 Izolator 3 Sprzęgacz 2 99% 1% 1% Wyjście optyczne 1550 nm Izolator 2 Detektor 1- kontrola mocy We. Detektor 2 Kontrola odbicia Detektor 3- Kontrola mocy Wy. 980 nm Pompa Laser nm Pompa Laser 2 Mikroprocesor sterowanie i kontrola

14 Two-stage EDFA with Mid-stage Access Optical Input 1550 nm Erbium Doped Fiber 1 Mid-stage access (e.g. dispersion compensation module) Erbium Doped Fiber 2 Isolator 1 WDM 1 Isolator 2 Isolator 3 WDM 2 Isolator 4 Optical Output 1550 nm 980 nm Pump Laser nm Pump Laser 2 Microcontrollerbased Control and Monitoring Circuitry

15 Parametry wzmacniaczy EDFA Szerokie pasmo - 40 nm (5000 GHz) Duże wzmocnienie - 30 do 40 db Duża moc wyjściowa - do +20dBm (100 mw) Mały szum - 4 db (liczba szumowa NF) Długość fali pompy or 1480 nm Wada Brak kompensacji dyspersji

16 Rozpraszanie Ramana Fala pompy Sygnał Wy. Sygnał We. Rozpraszanie Ramana Zasada rozpraszania Ramana: fala lasera pompy o mniejszej długości rozchodząc się we włóknie razem z sygnałem, oddziałuje z atomami włókna oddając im część energii i dalej rozchodzi się z taką samą długością fali jak wiązka sygnałowa. Rozpraszanie ma charakter wymuszony fala wymuszająca to fala sygnałowa.

17 Konstrukcja wzmacniacza Ramana Optical fibre Sygnał wejściowy Pompa laserowa (pompowanie współbieżne) Sygnał Wyjściowy Pompa laserowa (pompowanie przeciwbieżne) Wzmacnianie Ramana prowadzone może być prowadzone w standardowym włóknie światłowodowym. Określane jest zazwyczaj jako wzmacnianie o stałych rozłożonych odbywa się na całej długości propagacji, a nie lokalnie jak we wzmacniaczu EDFA.

18 Typical Raman Amplifier Configuration Transmit Signal Transmission Fiber 1 Circulator 2 Receive Signal Pump 3 Pump Raman 1535 nm

19 Raman amplification Transmitted Spectrum Received Spectrum

20 Pytania sprawdzające 1. Zdefiniować wzmacniacz optyczny i podać jego najważniejsze cechy (nie parametry). Wymienić rodzaje wzmacniaczy optycznych. 2. Wymienić rodzaje wzmacniaczy światłowodowych. Wymienić i porównać najważniejsze parametry 3. Który z wzmacniaczy optycznych może z zasady wzmacniać sygnał o dowolnej długości fali. Wyjaśnić dlaczego.