Wzmacniacze światłowodowe, Wykład 9 SMK J. Siuzdak, Wstęp do współczesnej telekomunikacji światłowodowej, WKŁ W-wa 1999 1. Wzmacniacze światłowodowe oparte na zjawisku emisji wymuszonej (lasery bez sprzężenia zwrotnego). Ośrodkiem wzmacniającym światło odpowiednio domieszkowany światłowód pompowany optycznie światłowód. Parametry wzmacniacza: długość fali, wzmocnienie określone przez rodzaj i sposób domieszkowania. Domieszkowanie: Pr, Nd, Ho. Najlepiej rozwinięta technologia wytwarzania wzmacniaczy domieszkowanych erbem EDFA (erbium moped fiber amplifier) Pracują w pobliżu 1.55 µm. Nad półprzewodnikowymi przeważają: dają się włączyć do linii transmisyjnej z bardzo małymi stratami na sprzężenie, dają większe wzmocnienie. Składa się z: - odcinka specjalnie domieszkowanego światłowodu (10-50 m) jednodomowego, - pompy optycznej (laser dużej mocy), - dichroicznego sprzęgacza dwukierunkowego (jego współczynnik sprzężenia zależy od długości fali), Światłowód połączony jest z pompą optyczną. Światło pompy i sygnał wzmacniany doprowadzane jest do domieszkowanego światłowodu za pomocą sprzęgacza. Współczynniki sprzężenia na długości fali pompy i wzmacnianego sygnału są dobrane tak, aby obydwa sygnały przeszły z małymi stratami do domieszkowanego światłowodu. Podczas pracy sygnał pompy i wzmacniany sygnał użyteczny nakładają się na siebie w światłowodzie. Sygnał użyteczny wzmacniany jest wskutek zjawiska emisji wymuszonej (inwersja obsadzeń uzyskiwana w wyniku pompowania optycznego). W zależności od poziomów domieszki rozróżnia się pracę trój i czteropoziomową: 1
Pracą trójpoziomową charakteryzują się wzmacniacze EDFA. Promieniowanie pompy wzbudza atomy erbu do poziomu E 3. Po czasie 1 µs atomy te przechodzą do poziomów metastabilnych o czasie życia 10 ms. Wzmocnienie sygnału jest wynikiem emisji wymuszonej wzbudzonych na poziom metastabilny jonów erbu (w paśmie ok. 1530 nm, a długość fali pompy 980 nm lub 1480 nm). Kształt i szerokość widma wzmocnienia istotnie zależy od domieszkowania rdzenia światłowodu (domieszki Al., P poszerzają to widmo). Wzmocnienie wzmacniacza EDFA zależy od: - koncentracji jonów erbu, - średnicy rdzenia, - mocy pompy, - długości wzmacniacza. Moce pompy i sygnału zmieniają się na długości domieszkowanego światłowodu z powodu absorpcji, emisji spontanicznej i emisji wymuszonej. Zależą też od tego czy promieniowanie pompy i sygnału rozchodzą się w jednakowych, czy przeciwnych kierunkach. Dla danej mocy pompy istnieje optymalna długość wzmacniacza dająca maksymalne wzmocnienie. Typowo: 25-30 db. Standardowe pasmo 35 nm przy użyciu pompy o długości fali 1480 nm i mocy z zakresu 10-100 mw. Typowe maksymalne wyjściowe moce nasycenia 15-20 mw (porównywalne z najlepszymi wzmacniaczami półprzewodnikowymi). Ze wzrostem mocy optycznej wyjściowa moc wzmacniacza rośnie (do kilkuset MW). Zachowanie się wzmacniacza w nasyceniu pokazuje następny rysunek. 2
Istnieją specjalne konstrukcje dwu- i trzystopniowych wzmacniaczy światłowodowych pozwalających uzyskać moce wyjściowe rzędu kilku watów (lasery pp pompują płaszcz światłowodu domieszkowany neodymem akcja laserowa na długości 1.06 µm światło to pompuje rdzeń światłowodu (domieszkowany erbem i iterbem) 4W. Zalety wzmacniaczy EDFA: - brak zależności wzmocnienia od polaryzacji sygnału, - redukcja przesłuchu przy wzmacnianiu wielu sygnałów na różnych długościach fal, - eliminacja odbić, - moc nasycenia znacznie większa niż we wzmacniaczach pp, - mniejszy niż u wzmacniaczy pp współczynnik szumów (3.5 db). Wzmacniacze EDFA mogą być wykorzystywane jedynie w systemach pracujących w pobliżu długości fali 1.55 µm. Jednak niektóre zastosowania wymagają pracy na długościach 1.31 mm (sieci telewizji kablowych CATV common antena TV, sieci lokalne). Aby uzyskać wzmocnienie na tej długości fali światłowody domieszkuje się neodymem lub prazeodymem. Wzmacniacze te mają jednak małe efektywności pompowania (0.2 db/mw) i wymagają większych mocy pompy (200-800 mw). We wzmacniaczach domieszkowanych Pr współczynnik szumów silnie zależy od długości fali: F<4dB dla λ<1.28 µm, F>7dB dla λ>1.32 µm. Lasery pompujące mają długości fal 1.01 µm lub 1.047 µm. Osiągane wzmocnienia 20-30dB przy mocach wyjściowych +10 +17 dbm. Dostępne komercyjnie są wzmacniacze na światłowodach fluorkowych PDDFA (praseodymium moped fluoride fiber amplifier). 2. Wzmacniacz Ramana Mechanizmem wzmocnienia jest wymuszone rozpraszanie Ramana w światłowodzie, które powoduje przenoszenie energii z pompy optycznej do sygnału użytecznego. Foton pochodzący z promieniowania pompy optycznej traci swą energię tworząc foton o mniejszej energii, pozostała część energii zostaje pochłonięta przez ośrodek w formie wibracji molekularnych (nie wymagają osiągnięcia inwersji obsadzeń). Konstrukcja wzmacniacza jest taka jak i wzmacniacza opartego na zjawisku emisji wymuszonej. Długość fali pompy musi być niższa od długości fali sygnału (wzmacniacz 1.55 µm wymaga pompy o długości 1.45 µm). Dla zwiększenia wzmocnienia trzeba zredukować obszar przekroju światłowodu, w którym zawiera się moc pompy (zwiększenie natężenia światła). Uzyskuje się to przez domieszkowanie światłowodu kwarcowego germanem (zwiększa się różnica współczynników załamania rdzenia i płaszcza). Aby osiągnąć wzmocnienie 15 db moc pompy musi wynosić 300 mw. We wzmacniaczach tych można osiągnąć moce sygnału wyjściowego ok. 200mW (o rząd wielkości więcej niż dla wzmacniaczy pp). Pasmo przepustowe 40-50 nm. 3
Wady: - długość wzmacniacza przekraczająca 1 km, - wymagana duża moc pompy optycznej. 3. Wzmacniacz Brillouina Wzmocnienie optyczne spowodowane jest zjawiskiem wymuszonego rozpraszania Brillouina. Moc sygnału użytecznego rośnie kosztem pompy (pompowanie optyczne). - wzmocnienie zachodzi jedynie w przypadku, gdy fala sygnałowa rozchodzi się w kierunku przeciwnym do fali pompy, - różnica częstotliwości pomiędzy pompą a sygnałem jest stosunkowo niewielka (10 GHz), - pasmo wzmocnienia wzmacniacza Brillouina jest bardzo wąskie (<100 MHz), co wyklucza zastosowanie go w systemach szerokopasmowych. - duże współczynniki szumów (kilkanaście db), - ze względu na wąskie pasmo wzmocnienia ich zastosowanie ograniczone jest do systemów koherentnych i systemów ze zwielokrotnieniem długości fali, gdzie służą do wyboru kanału, - mogą wzmacniać jednocześnie wiele kanałów komunikacyjnych, komunikacyjnych ile całkowite pasmo zajmowane przez te kanały zawiera się w paśmie wzmacniacza (wzmocnienia sygnału w każdym kanale powinny być jednakowe); nasycenie skrośne i mieszanie czterofalowe powodują nierównomierność wzmocnienia w kanałach (przesłuch), - nasycenie skrośne jest charakterystyczne dla wszystkich wzmacniaczy optycznych (wzmocnienie danego kanału nasyca się nie tylko przez jego własną moc, ale i przez moce sąsiednich kanałów). 4. Zastosowanie wzmacniaczy optycznych. a). Liniowe wzmacniacze optyczne mogą być wykorzystane zamiast regeneratorów: regeneratorów systemach transmisyjnych wykorzystujących lasery jednodomowe efekty dyspersji światłowodowej są małe i długość odcinków regeneracyjnych wyznaczają tylko straty światłowodu (takie systemy nie wymagają pełnej regeneracji sygnału). Zalety: - większa prostota i mniejsze wymiary w porównaniu z tradycyjnymi regeneratorami, - mniejszy pobór mocy (systemy podwodne), 4
- możliwość zmiany (zwiększania) szybkości transmisji i długości fali nośnej bez zmian w samym wzmacniaczu, - możliwość jednoczesnej transmisji w obydwu kierunkach. Wady: - mniejsze efektywne wzmocnienie niż w regeneratorach optoelektronicznych, - system jest analogowy, więc szumy i drgania zboczy impulsów (jitter) dodają się wzdłuż całego toru, ograniczając liczbę odcinków bez pełnej regeneracji sygnału, - fale odbite mogą powodować niestabilność systemu. b). wzmacniacz mocy wykorzystanie wzmacniacza optycznego do zwiększenia transmitowanej mocy przez umieszczenie go bezpośrednio za nadajnikiem (odległość transmisji rośnie nawet o 100 km), c). przedwzmacniacze zwiększenie czułości odbiorników optycznych. Przez dostarczenie wzmocnienia optycznego przed fotodiodą, sygnał i związany z nim szum wzmacniacza zostają wzmocnione powyżej szumu odbiornika. Wzmacniacze optyczne umożliwiają więc redukcję wpływu szumu termicznego odbiornika. Poprawa jest szczególnie istotna dla szybkości transmisji powyżej 1 Gbit/powyżej powyżej umożliwia wykonanie czułych odbiorników szerokopasmowych dla systemów o wysokiej przepływności, d). wzmacniacze optyczne można wykorzystać do kompensacji strat awiązanych z dystrybucją (podział sygnału między wielu użytkowników) użytkowników sieciach lokalnych LAN oraz sieciach dyfuzyjnych dyfuzyjnych dystrybucyjnych, 5
e). ważnym zastosowaniem są sieci CATV, w których kanały telewizyjne są nadawane analogowo na podnośnych sygnału optycznego, f). można je wykorzystać jako wzmacniacze bardzo krótkich impulsów (piko- i femtosekundowych) optycznych do wysokich mocy, g). wzmacniacze optyczne umożliwiają wzmocnienie impulsów solitonowych przy szybkościach transmisji kilkadziesiąt Gbit/s i większych, h). nieliniowy reżim pracy wzmacniaczy optycznych (zależność współczynnika załamania od poziomu sygnału wejściowego) można wykorzystać do zmian y kształtu impulsów impulsów całkowicie optycznych regeneratorach sygnału świetlnego, i). zjawisko mieszania czterofalowego można wykorzystać do osiągnięcia przemiany częstotliwości (systemy o wielu częstotliwościach), j). wzmacniacze półprzewodnikowe można wykorzystać jako modulatory fazy w systemach koherentnych. Zmiana prądu wstrzykiwania zmienia współczynnik załamania ośrodka i zapewnia żądaną modulację. 5. Elementy polaryzacyjne Grupa elementów, do których konstrukcji wykorzystano właściwości polaryzacyjne zarówno ich samych jak i rozchodzących się w nich fal: polaryzatory, układy sterowania polaryzacją o raz izolatory optyczne. a). polaryzatory Elementy optyczne, których transmitancja optyczna zależy od polaryzacji padającej fali (np. dla polaryzacji liniowej transmitancja jest maksymalna, dla polaryzacji ortogonalnej minimalna). Podstawowy parametr charakteryzujący polaryzator współczynnik ekstynkcji, ε: ε=10*log 10 T max /T min T max, T min transmitancja mocy dla polaryzacji dopasowanej do polaryzatora i polaryzacji ortogonalnej. Polaryzator światłowodowy uzyskuje się przez wytłumienie jednej ze składowych ortogonalnych modu podstawowego LP 01. Wykorzystuje on dwójłomny światłowód o profilu współczynniku załamania typu W: 6
Dwójłomność (wyróżnienie osi) osiągnięto przez wprowadzenie asymetrycznych naprężeń do światłowodu, w wyniku czego stałe propagacji obydwu modów różnią się od siebie. Taki światłowód ma różne długości fal odcięcia dla każdego każdego z modów polaryzacji. Tak się dobiera parametry polaryzatora, że długość fali rozchodzącego się światła jest większa od długości fali odcięcia jednego z modów, a mniejsza od długości fali odcięcia drugiego modu. Dla danej długości fali mod o jednej polaryzacji nie może się rozchodzić, drugi zaś rozchodzi się normalnie. b). kontrolery polaryzacji W rzeczywistych światłowodach występują przypadkowe zaburzenia struktury włókna spowodowane drganiami, naprężeniami mechanicznymi, zmianami temperatury itd, które powodują zmiany w czasie polaryzacji fali świetlnej wychodzącej ze światłowodu. Jeśli odbiornik systemu jest wrażliwy na polaryzację (systemy koherentne) konieczne jest dopasowanie polaryzacji fali ze światłowodu do żądanego stanu polaryzacji = kontroler kompensator polaryzacji. Są to przetworniki piezo- lub magnetoelektryczne ściskające światłowód, kryształy elektrooptyczne, obrotowe cewki światłowodowe, rotatory Faraday a, obrotowe płytki pół- i ćwierćfalowe. - w przetwornikach piezo- lub magnetooptycznych światłowód umieszczony jest między nieruchomą a ruchomą częścią przetwornika, przez co wprowadzane jest do niego naprężenie mechaniczne, kontrolowane napięciem lub prądem wewnętrznym. Wskutek zjawiska elektrooptycznego wprowadza to w światłowodzie dwójłomność; oś wolna i szybka są skierowane odpowiednio równolegle i prostopadle do działającej siły, różnica zaś między stałymi propagacji wzdłuż tych osi zależy od wielkości tej siły. Umożliwia to sterowanie różnicą przesunięć fazowych, jakiej doznają fale o różnych polaryzacjach; można zamienić polaryzację liniową na kołową. Jeden przetwornik nie jest wystarczający dla dowolnej transformacji. Osie przetworników muszą być odpowiednio ustawione, transformacja zaś polaryzacji osiągana jest przez dobór prądów (napięć) sterujących poszczególnymi elementami ściskającymi światłowód. - elektrooptyczny transformator polaryzacji składa się z dwóch elektrooptycznych przesuwników fazy i konwertera modu TE-TM. Przesuwniki fazy wprowadzają sterowane elektrycznie przesunięcie fazy między modami TE i TM (podobnie jak urządzenia ściskające światłowód). Konwerter modu wykorzystuje niezerowy element poza przekątną główną 7
zredukowanego tensora elektrooptycznego do uzyskania sprzężenia energetycznego między ortogonalnymi modami TE i TM. Ma on zatem zdolność do przekształcania fali o jednej polaryzacji w falę o polaryzacji ortogonalnej. Wielkość konwersji, jak i przesunięcie fazy w dwóch przesuwnikach sterowane jest przez napięcie zewnętrzne. Element taki może także służyć jako modulator amplitudy (za kontrolerem odpowiednio skierowany polaryzator) - cewki światłowodowe (do ręcznego sterowania polaryzacją) Zgięcie światłowodu powoduje powstanie naprężeń mechanicznych światłowód staje się dwójłomnym. Nawinięcie jednego lub dwóch zwojów światłowodu na karkas o odpowiedniej średnicy powoduje, że nawinięty światłowód zachowuje się jak klasyczna płytka ćwierć- lub półfalowa. Użycie kilku takich cewek pozwala zbudować kontroler polaryzacji. c) multipleksery i demultipleksery długości fali Są to podstawowe elementy systemów ze zwielokrotnieniem długości fali. Pozwalają połączyć wiele sygnałów o różnych długościach fal dochodzących odrębnymi wejściami, w jeden sygnał (multipleksery), bądź rozdzielić sygnał wejściowy o wielu długościach fal pomiędzy wiele wyjść tak, aby na każdym wyjściu znalazł się tylko jeden sygnał o określonej długości fali (demultipleksery). Wykorzystują one siatki dyfrakcyjne, warstwowe filtry interferencyjne, sprzęgacze kierunkowe. 8
Składa się z dyfrakcyjnej siatki odbiciowej, soczewki skupiającej i wiązki światłowodów wejściowo-wyjściowej. Czoła światłowodów położone są w płaszczyźnie ogniskowej soczewki. Wiązka światła zawierająca fale o wielu długościach wychodzi ze światłowodu wejściowego i zostaje skoligowana przez soczewk, a następnie dochodzi do odbiciowej siatki dyfrakcyjnej. Tutaj ulega dyfrakcji pod różnymi kątami zależnie od długości fali, a jednocześnie odbija się. Fale o różnych długościach zostają wprowadzone do różnych światłowodów wyjściowych. - demultipleksery interferencyjne zbudowane są z wykorzystaniem optycznych filtrów interferencyjnych (wiele cienkich warstw dielektrycznych o na przemian niskich i wysokich wartościach współczynnika załamania i grubościach równych w przybliżeniu połowie lub ćwiartce długości fali odbija fale w pewnym zakresie długości fali, a przepuszcza fale o innych długościach). Światło przychodzące ze światłowodów jest kolimowane soczewkami typu GRIN. Filtry są dobrane tak, że przepuszczają światło tylko o długości, jaka rozchodzi się w światłowodzie, 9
który leży za filtrem. Pozostałe długości są odbijane. W ten sposób fale o różnych długościach po wielokrotnym odbiciu w płytce płasko-równoległej trafiają do właściwego światłowodu wyjściowego. d). strojone filtry optyczne W systemach szerokopasmowych WDM gdzie służą do wydzielenia określonego kanału spośród wielu innych. - oparte na rezonatorze Fabry-Perot - strojone filtry elektrooptyczne i akustooptyczne 10