Instytut Mikroelektroniki i Optoelektroniki Politechniki Warszawskiej. Zakład Optoelektroniki

Transkrypt

1 Instytut Mikroelektroniki i Optoelektroniki Politechniki Warszawskiej Zakład Optoelektroniki Instrukcja do ćwiczenia: Badanie parametrów wzmacniacza światłowodowego EDFA Ostatnie dwie dekady to okres niezwykle dynamicznego rozwoju różnego rodzaju systemów światłowodowych poczynając od systemów dalekiego zasięgu, poprzez systemy metropolitalne, a kończąc na sieciach dostępowych i lokalnych. We wszystkich tych systemach sygnał transmitowany jest za pomocą światła, które tak samo jak sygnał elektryczny ulega tłumieniu. W linkach optycznych można wyróżnić trzy główne źródła strat sygnału optycznego: straty transmisyjne (tłumienie światłowodów), straty komponentów optycznych (przełączników, złącz, etc.) oraz straty wynikające z podziału sygnału w demultiplekserach i sprzęgaczach. Aby zniwelować te straty stosuje się wzmacniacze sygnału optycznego, które mogą pełnić następujące funkcje: zwiększenie mocy wyjściowej nadajnika - umieszczony za laserem wzmacniacz optyczny zwiększa o 2-3 db poziom mocy optycznej nadajnika, problem szumów jest mało istotny w tym miejscu, decydująca jest moc wyjściowa wzmacniacza optycznego. zwiększenie poziomu mocy sygnału osłabionego na skutek tłumienia - wzmacniacz umieszczony jest w torze optycznym, decydującym parametrem jest duże wzmocnienie wzmacniacza, na kolejnym miejscu należy umieścić niski poziom szumów, aby stosunek sygnał/szum nie uległ znacznej degradacji. zwiększenie czułość odbiornika - przedwzmacniacz umieszczony przed odbiornikiem zwiększa czułość odbiornika, najważniejszym parametrem jest niski poziom szumów, potem wzmocnienie, poziom mocy wyjściowej jest mało istotny. Wzmacniacz optyczny jest elementem aktywnym wzmacniającym sygnał optyczny bez konwersji na sygnał elektryczny (w odróżnieniu od regeneratora, który konwertuje sygnał optyczny na elektryczny, wzmacnia sygnał elektryczny, a następnie konwertuje wzmocniony sygnał elektryczny z powrotem na sygnał optyczny). Regeneratory stosowane były w latach 7-tych w linkach optycznych w celu minimalizacji szumów i zniekształceń generowanych w łączach. Wzmacniacze optyczne wzmacniają cały sygnał, wraz z szumami (Rys. 1) a) Regenerator P we Odbiornik Wzmacniacz i regenerator sygnału elektrycznego Nadajnik P wy t t b) P we Wzmacniacz optyczny P wy t Rys. 1. Porównanie ideowych schematów działania regeneratora sygnału optycznego (a) oraz wzmacniacza optycznego (b). 1 t

2 Główne zalety wzmacniaczy optycznych względem regeneratorów to: niezawodność - Regenerator jest urządzeniem bardziej złożonym, a co za tym idzie bardziej awaryjnym. elastyczność - Regenerator jest przystosowany do konkretnych prędkości i sposobów kodowania. Przy zwiększaniu prędkości łącza lub przy zmianie sposobu kodowania należy wymienić wszystkie regeneratory (koszty!). Wzmacniacze wzmacniają sygnał optyczny niezależnie od jego prędkości czy sposobu kodowania. możliwość zastosowania w WDM - Użycie regeneratorów wymaga każdorazowej demultipleksacji, osobnego wzmocnienia każdego kanału i ponownej multiplekscji (dodatkowe elementy = koszty + większa awaryjność). Wzmacniacz optyczny wzmacnia wszystkie kanały jednocześnie. niski koszt - Wzmacniacz optyczny jest urządzeniem znaczenie mniej złożonym niż regenerator, a co za tym idzie tańszym. Rodzaje wzmacniaczy optycznych omówione w niniejszej instrukcji: wzmacniacze półprzewodnikowe wzmacniacze światłowodowe REDFA (Rare Earth Doped Fiber Amplifier) wzmacniacze światłowodowe Ramana Wzmacniacze półprzewodnikowe Optyczny wzmacniacz półprzewodnikowy SOA (Semiconductor Optical Amplifier) jest półprzewodnikowym laserem pracującym poniżej progu oscylacji (Rys. 2). Podstawowym elementem wzmacniacza jest półprzewodnikowy obszar aktywny, pompowany - tak jak w laserze półprzewodnikowym prądem. optyczny zaznaczony na rysunku uniezależnia wzmocnienie od odbić, a rezonansowy filtr optyczny obniża poziom szumów wywołanych emisją spontaniczną. Warstwa antyrefleksyjna Prąd pompy Ośrodek aktywny Optyka kolimująca Filtr optyczny Rys. 2. Schemat półprzewodnikowego wzmacniacza optycznego. Wzmacniacze półprzewodnikowe charakteryzują się szeregiem ograniczeń, które praktycznie uniemożliwiają ich użycie torach światłowodowych w systemach DWDM: duże straty na połączeniach ze światłowodami (nawet 1 db) wysoki poziom szumów duża wrażliwość na polaryzację sygnału wprowadzają dodatkowe przesłuchy (mieszanie czterofalowe) Wzmacniacze SOA znajdują jednak inne zastosowania, m. in. w systemach OTDR, przy generacji solitonów oraz jako elementy optycznych bramek logicznych. Stosowane są również jako wzmacniacze mocy wyjściowej nadajnika, ze względu na technologiczną łatwość połączenia wzmacniacza z laserem półprzewodnikowym (wykonywane są w jednym procesie technologicznym). Wzmacniacze światłowodowe REDFA Obecnie na rynku dostępne są trzy rodzaje wzmacniaczy światłowodowych domieszkowanych jonami ziem rzadkich: PDFA (Praseodymium Doped Fiber Amplifier) pasmo O TDFA (Thulium Doped Fiber Amplifier) pasmo S EDFA (Erbium Doped Fiber Amplifier) pasmo C i L 2

3 W trakcie niniejszego laboratorium badane będą parametry wzmacniacza EDFA (domieszkowanego jonami erbu), dlatego zasada działania wzmacniaczy REDFA zostanie omówiona na podstawie tego wzmacniacza. Prosty schemat wzmacniacza EDFA pokazany jest na rysunku 3. Zaznaczona na rysunku wzmocniona emisja spontaniczna jest nieuniknionym skutkiem stosowania wzmacniaczy bazujących na wymuszonej emisji promieniowania i jest głównym źródłem szumu w tego typu wzmacniaczach. Wzmocniona emisja spontaniczna (ASE) Światłowód aktywny domieszkowany erbem Wzmocniona emisja spontaniczna (ASE) Sygnał wejściowy optyczna Wzmocniony sygnał wyjściowy Rys. 3. Schemat światłowodowego wzmacniacza domieszkowanego jonami erbu. Ośrodkiem aktywnym w omawianym wzmacniaczu jest włókno (zwykle kwarcowe), którego rdzeń domieszkowany jest jonami Er 3+ (Rys. 4). średnica płaszcza: 125μm płaszcz rdzeń domieszkowany jonami Er 3+ (2-8 ppm) średnica rdzenia: ~2μm Rys. 4. Schemat światłowodu aktywnego domieszkowanego jonami erbu. Domieszkowanie światłowodu erbem zmienia jego charakterystykę absorpcji. Zjawisko absorpcji promieniowania optycznego jest jednym z podstawowych mechanizmów oddziaływania pola elektromagnetycznego z materią. Jeżeli na atom znajdujący się w stanie podstawowym o energii E 1 padnie kwant promieniowania (w tym przypadku foton) o energii odpowiadającej przerwie energetycznej między poziomami, to atom może zostać wzbudzony do stanu wyższego (o energii E 2 ). Jest to proces absorpcji, zwanej też absorpcją wymuszoną (Rys. 5). absorpcja emisja spontaniczna emisja wymuszona E 2 E 2 E 2 E 1 E 1 E 1 Rys. 5. Procesy oddziaływania pola EM z materią. Jeżeli wzbudzony atom przejdzie samoistnie do niższego poziomu energetycznego, emitując przy tym foton o energii odpowiadającej różnicy poziomów energetycznych, to mamy do czynienia ze zjawiskiem emisji spontanicznej. Czas po jakim foton zostanie samoistnie wyemitowany nazywany jest czasem życia danego poziomu energetycznego. Emisja spontaniczna we wzmacniaczu EDFA jest procesem pasożytniczym (niepożądanym) i szerokopasmowym (fotony emitowane są z dowolnego podpoziomu pasma E 2 ). Jeżeli natomiast na wzbudzony atom padnie kolejny kwant promieniowania, to może on wymusić przejście do poziomu podstawowego. Zjawisko to nazywane jest emisją 3

4 wymuszoną. Procesowi temu towarzyszy wyemitowanie dodatkowego fotonu identycznego co do energii, kierunku, zwrotu i fazy z fotonem wymuszającym. Charakterystykę absorpcji szkła domieszkowanego jonami erbu przedstawiono na rysunku 6. Poszczególne piki na charakterystyce odpowiadają konkretnym przejściom optycznym (absorpcyjnym). Na podstawie położenia tych przejść można określić położenie poziomów energetycznych jonów erbu. Energia [cm -1 ] Er F 7/2 488 nm nm 522 nm 488 nm 2 H 11/2 4 S 3/2 4 F 9/2 4 I 9/2 522 nm 543 nm 656 nm 84 nm nm 656 nm 4 I 11/2 4 I 13/2 982 nm 153 nm 153 nm 982 nm 4 I 15/2 Energia (liczba falowa): 1 cm -1 3 x 1 1 Hz Rys. 6. Schemat poziomów energetycznych jonów erbu w matrycy szklanej i odpowiadająca mu charakterystyka absorpcji. Warto zaznaczyć, że położenie energetyczne tych poziomów zmienia się w zależności od matrycy osnowy jonu. Z punktu widzenia pracy wzmacniacza EDFA najbardziej interesujące są pasma w okolicy 98 nm oraz nm. Rysunek 6 pokazuje uproszczony schemat energetyczny jonów erbu wraz z najważniejszymi przejściami optycznymi. 4 I 11/2 4 I 13/2 τ 1ms 98 nm 148 nm nm 4 I 15/2 Rys. 7. Uproszczony schemat poziomów energetycznych jonu erbu. 4

5 Długi czas życia poziomu 4 I 13/2 (ok ms) w połączeniu z dużym przekrojem czynnym na absorpcję umożliwia bardzo efektywne jego pompowanie i uzyskanie stanu inwersji obsadzeń (stanu w którym populacja górnego poziomu energetycznego jest większa od populacji stanu dolnego). W stanie inwersji obsadzeń ilość aktów emisji wymuszonej jest większa niż aktów emisji spontanicznej i możliwe jest wzmacnianie sygnału o długości fali z zakresu nm. Pompowanie poziomu 4 I 13/2 realizuje się na dwa sposoby: pobudzając ośrodek promieniowaniem o długości fali 98 nm. Pompowany jest wyższy poziom 4 I 11/2, następnie atom przechodzi spontanicznie do stanu 4 I 13/2 na drodze relaksacji bezpromienistej (nie zostaje wyemitowany foton, energia tracona jest na drgania sieci, a więc na ciepło) pobudzając bezpośrednio poziom 4 I 13/2 promieniowaniem o długości fali 148 nm. Pompowany jest szczyt pasma 4 I 13/2, a emisja zachodzi z dna pasma, dlatego taki układ dalej pozostaje układem trójpoziomowym (podobnie jak poprzedni). Jak już wcześniej wspomniano emisja spontaniczna jest procesem pasożytniczym. Z jednej strony powoduje depopulację poziomu 4 I 13/2, a więc ogranicza ilość aktów emisji wymuszonej (zmniejsza wzmocnieni sygnału). Z drugiej strony emisja spontaniczna również jest wzmacniana i jako wzmocniona emisja spontaniczna (ang. ASE Amplified Spontaneous Emission) jest źródłem szumu własnego wzmacniacza EDFA. ASE propaguje się wzdłuż światłowodu w obydwu kierunkach, z tym że w kierunku wstecznym jej moc jest większa (ze względu na większą moc sygnału pompy na początku włókna Rys. 8). Moc [mw] pompa sygnał Długość światłowodu [m] 4 Moc [mw] ASE wsteczna ASE Długość światłowodu [m] Rys. 8. Rozkład mocy pompy, sygnału i ASE we wzmacniaczu EDFA. Innym procesem pasożytniczym jest zjawisko konwersji wzbudzenia (Rys. 9). Proces ten zachodzi przy pompowaniu ośrodka promieniowaniem o długości fali 98 nm. Jeśli atom jest w stanie wzbudzonym to kolejny padający foton pompy zamiast wymusić akt emisji może zostać zaabsorbowany do jeszcze wyższego poziomu energetycznego. W efekcie tego obserwowana jest emisja promieniowania o większej energii niż promieniowanie pompujące (w tym przypadku światło z zakresu zielonego). 5

6 2487 Energia [cm -1 ] 4 F 7/ nm 522 nm 2 H 11/2 4 S 3/2 4 F 9/2 4 I 9/ I 11/ I 13/2 98 nm 4 I 15/2 Rys. 9. Schemat procesu konwersji wzbudzenia jonów erbu. Parametry typowego wzmacniacza EDFA: długość ośrodka wzmacniającego 5-3 m (pasmo C) lub 1-25 m (pasmo L) pasmo pracy C ( nm) oraz L ( nm) wzmocnienie 3-4 db (a nawet 5 db) moc wyjściowa 15 dbm (jednostopniowy), 23 dbm (dwustopniowy) nasycenie wzmocnienia, moc nasycenia (punkt pracy wzmacniacza) poziom szumów 3.5 db zależność polaryzacyjna.5 db Podstawowym parametrem wzmacniacza optycznego jest wzmocnienie rozumiane jako: G = (P out P ASE )/P S, gdzie: P out moc wyjściowa P ASE moc wzmocnionej emisji spontanicznej P S moc wejściowa Charakterystyka wzmocnienia wzmacniacza EDFA w funkcji długości fali sygnału pokazana jest na rys. 1. Jak widać, charakterystyka absorpcji promieniowania i charakterystyka wzmocnienia G( ) nieco się różnią, co umożliwia zastosowanie pompy na długości fali 148 nm (sygnał pompy jest silnie absorbowany i słabo wzmacniany). Niewielkie przesunięcie charakterystyki można uzyskać domieszkując światłowód dodatkowymi składnikami (Al 2 O 3, Ge 2 O 3, P 2 O 5 ). Charakterystyka wzmocnienia nie jest płaska (wzmocnienie zmienia się wraz z długością fali), a więc jedne kanały będą wzmacniane bardziej od innych. Możliwe jest jej wypłaszczenie poprzez zastosowanie odpowiednich filtrów (np. siatek Bragga). 6

7 Tłumienie / Wzmocnieni [db/m] absorpcja wzmocnienie Długość fali [nm] Rys. 1. Charakterystyki absorpcji i wzmocnienia wzmacniacza EDFA. Wzmocnienie wzmacniacza EDFA zależy od długości aktywnego światłowodu oraz od mocy pompy optycznej. Wzmocnienie rośnie wraz z długością światłowodu aktywnego, ale od pewnej długości rosną również szumy wzmacniacza. W zależności od przeznaczenia wzmacniacza optymalizuje się moc pompy i długość światłowodu. Kolejnym istotnym parametrem jest moc nasycenia wzmacniacza P sat. Definiuje się ją jako taką moc sygnału wejściowego, dla której moc sygnały wyjściowego spada o 3 db (Rys. 11b). Dla małych mocy sygnału wejściowego większość jonów erbu pozostaje w stanie wzbudzonym (mały sygnał nie powoduje znacznej depopulacji górnego poziomu energetycznego). Dlatego dla małych mocy sygnału wejściowego wzmocnienie wzmacniacza jest duże. Natomiast dla dużych mocy sygnału wejściowego górny poziom energetyczny ulega znacznej depopulacji i nawet duża moc pompy nie jest w stanie odbudować inwersji obsadzeń. W efekcie obserwuje się nasycenie wzmocnienia wzmacniacza. a) bez ASE b) 35 Wzmocnienie [db] Obszar pracy małosygnałowej + ASE Obszar nasycenia wzmocnienia Wzmocnienie [db] db P sat Obszar nasycenia wzmocnienia Moc pompy [mw] Moc sygnału wejściowego [dbm] Rys. 11. Zależność wzmocnienia od mocy pompy (a) i mocy sygnału wejściowego (b). Przykładowa rzeczywista konstrukcja wzmacniacza EDFA przedstawiona została na rys. 12. Światłowód domieszkowany erbem (zwykle kilkanaście metrów) wprowadzony jest do toru transmisyjnego. Sygnały pomp (pompami są lasery półprzewodnikowe) doprowadzone są selektywnymi sprzęgaczami. Zwykle stosowana jest jedna pompa (w niektórych rozwiązaniach dwie). Jako pompy stosowane są diody laserowe o długościach fal 98 lub 148 nm. Sygnał pompy może być wprowadzony zgodnie z kierunkiem sygnału, ale także wstecznie. Optyczny izolator stosowany jest w celu redukcji wpływu odbić. Wyjściowy filtr optyczny usuwa szczątkowy sygnał pompy oraz zmniejsza poziom szumów ASE. 7

8 optyczna Światłowód aktywny domieszkowany erbem Sprzęgacz Sprzęgacz Filtr optyczny Wzmacniany sygnał optyczna Rys. 12. Przykładowa konstrukcja wzmacniacza EDFA. Wzmacniacze światłowodowe Ramana Wzmacniacz światłowodowy Ramana wykorzystuje zjawisko wymuszonego rozpraszania Ramana występujące w światłowodzie niedomieszkowanym (nie ma konieczności dołączania dodatkowego włókna można wykorzystać włókno transmisyjne), na znacznej długości światłowodu (ok. 1 km). W wyniku oddziaływania światła z cząsteczką pojawia się fala rozproszona o częstotliwości zmienionej o częstotliwość jej drgań własnych. Światło rozprasza się zarówno w kierunku propagacji, jak i w kierunku wstecznym. Wymuszone rozpraszanie Ramana rośnie eksponencjalnie wraz z mocą sygnału, a więc aby je wzmocnić należy dostarczyć dodatkowej mocy optycznej za pomocą pompy. W szkle kwarcowym optymalne wzmocnienie następuje przy przesunięciu sygnału pompy o 13.2 THz. Należy tak dobrać pompę optyczną aby jej częstotliwość była większa o 13.2 THz od częstotliwości sygnału wzmacnianego. Aby równie efektywnie wzmocnić sygnały o innych częstotliwościach należy użyć dodatkowych źródeł pompujących. Przykładowe konstrukcje wzmacniaczy Ramana przedstawiono na rysunku 13. Wzmacniacz, który jako ośrodek wzmacniający wykorzystuje światłowód transmisyjny (Rys. 13b) nazywany jest wzmacniaczem rozłożonym. optyczna doprowadzana jest do wzmacniacza zdalnie, a jego wzmocnienie rozłożone jest na wiele kilometrów światłowodu, co pozwala na minimalizację szumu i efektów nieliniowych. Można także wykorzystać dodatkowy światłowód wzmacniający (np. specjalnie modyfikowany celem poprawienia parametrów wzmocnienia). Taki wzmacniacz nazywany jest wzmacniaczem dyskretnym. 8

9 a) Światłowód wzmacniający Sprzęgacz Wzmocniony sygnał WDM b) Światłowód transmisyjny EDFA Sprzęgacz EDFA Wzmocniony sygnał WDM Stopień 1 Stopień 2 Rys. 13. Przykładowe konstrukcja wzmacniaczy Ramana: a) wzmacniacz dyskretny, b) wzmacniacz rozłożony. Głównymi wadami wzmacniaczy Ramana jest wymagana wysoka moc pompy (nawet 5 W) oraz w przypadku wzmacniacza dyskretnego znaczna długość światłowodu (1 km). Jednak jego niewątpliwe zalety to możliwość wzmacniania światła w zwykłym światłowodzie oraz dobre parametry szumowe we wzmacniaczach rozłożonych. Tabela 1. Porównanie parametrów wzmacniaczy EDFA i wzmacniaczy Ramana parametr EDFA wzmacniacz Ramana ośrodek wzmacniający specjalny światłowód domieszkowany jonami erbu, o długości 5-3 m (pasmo C) lub 1-25 m (pasmo L) światłowód standardowy (lub nieznacznie zmodyfikowany), o długości 5-1 km możliwe pasmo pracy C ( nm) oraz L ( nm) nm (w zależności od dostępności źródeł pompujących) pasmo wzmocnienia 5 GHz 3 GHz pojedynczego wzmacniacza wzmocnienie 3-5 db 2-45 db moc nasycenia 5-1 dbm 3 dbm sposób pompowania 1-4 pompy o mocy 2-25 mw każda do 12 pomp o mocy 1-5 mw każda zależność od polaryzacji pomijalna pomijalna 9