Tomasz P. Baraniecki *, Marcin M. Kożak *, Elżbieta M. Pawlik, Krzysztof M. Abramski Instytut Telekomunikacji i Akustyki Politechniki Wrocławskiej, Wrocław Światłowodowy wzmacniacz erbowy z płaską charakterystyką wzmocnienia W pracy przedstawiono wzmacniacz typu EDFA zbudowany w Instytucie Telekomunikacji i Akustyki Politechniki Wrocławskiej. Opisano budowę wzmacniacza oraz jego podstawowe charakterystyki. Zademonstrowano, korzystną dla transmisji wielokanałowej, płaską charakterystykę wzmocnienia wzmacniacza, w zakresie długości fali 1540-1560 nm. 1.Wstęp W ostatnich latach obserwujemy dynamiczny rozwój telekomunikacji światłowodowej. Sygnały optyczne przesyłane przez sieci światłowodowe na duże odległości wymagają regeneracji. Najlepszym rozwiązaniem jest zastosowanie urządzenia pozwalającego na regeneracje sygnałów optycznych bez konieczności zamiany ich na sygnały elektryczne, czyli zastosowanie wzmacniacza światłowodowego. Wzmacniacz typu EDFA (Erbium Doped Fiber Amplifier - wzmacniacz światłowodowy domieszkowany erbem) pracuje w pobliżu długości fali 1550nm i dlatego stosowany jest w trzecim światłowodowym oknie transmisyjnym. Wzmacniacze tego typu dają wysokie wzmocnienie, około 30 db. Zastosowanie wzmacniacza w sieciach transmisyjnych nie ogranicza przepływności toru światłowodowego, a płaska charakterystyka wzmocnienia pozwala na szybką wielokanałową transmisję WDM (Wavelenght Division Multiplexing zwielokrotnianie z podziałem długości fali) [1]. 2. Budowa wzmacniacza EDFA Rys. 1 przedstawia schematycznie budowę wzmacniacza typu EDFA. Rys.1. Układ wzmacniacza światłowodowego typu EDFA * magistranci Instytutu Telekomunikacji i Akustyki Politechniki Wrocławskiej
Podstawowym elementem każdego wzmacniacza światłowodowego jest światłowód domieszkowany pierwiastkami ziem rzadkich. W konstrukcji przedstawionego wzmacniacza zastosowano światłowód jednomodowy, domieszkowany jonami erbu o długości 15 m. Światłowód erbowy jest połączony z pompą optyczną przez sprzęgacz WDM. Pompa optyczna stanowi laser półprzewodnikowy pracujący dla długości fali 980 nm, stabilizowany temperaturowo za pomocą elementu Peltiera. Laser jest sprzężony ze światłowodem jednomodowym dla długości fali 980 nm i daje na wyjściu światłowodu 100 mw mocy. Do drugiego portu sprzęgacza WDM podłączona jest dioda sygnałowa pracująca dla długości fali 1550 nm. Zastosowano regulowany tłumik światłowodowy, który pozwala regulować poziom mocy wprowadzanej do światłowodu domieszkowanego z diody sygnałowej. Sygnał pompy i wzmacniany sygnał użyteczny propagowane są w światłowodzie erbowym. Sygnał użyteczny jest wzmacniany wskutek zjawiska emisji wymuszonej, a następnie na kolejnym wzmacniaczu WDM sygnały te są rozdzielane. Wzmocniony sygnał na wyjściu wzmacniacza jest badany za pomocą analizatora widma. W celu wyeliminowania niepożądanych odbić na złączach, wszystkie elementy światłowodowe zastosowane do budowy wzmacniacza, zakończono złączami typu FC/APC. 3. Luminescencja włókna domieszkowanego erbem Przy konstrukcji wzmacniacza światłowodowego ze światłowodem domieszkowanym pierwiastkami ziem rzadkich należy znać jego dwie podstawowe charakterystyki: absorpcyjną i emisyjną włókna [2]. Znajomość pasm absorpcyjnych włókna pozwala dobrać optymalną długość fali pompy. Pasmo luminescencji określa pasmo długości fali, dla których można oczekiwać wzmocnionej emisji spontanicznej. Badaliśmy luminescencje włókna domieszkowanego jonami erbu, pompując włókno domieszkowane erbem, przy wyłączonej diodzie sygnałowej, w układzie przedstawionym na rys. 1. Charakterystyka luminescencyjna włókna została przedstawiona na rys. 2. 1,0 0,9 0,8 Luminescencja [a.u.] 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 Pp = 19 [dbm] Pp = 18 [dbm] Pp = 17 [dbm] Pp = 16 [dbm] Pp = 15 [dbm] Pp = 14 [dbm] 0,2 0,1 0,0 1515 1520 1525 1530 1535 1540 1545 1550 1555 1560 1565 1570 Długość fali [nm]. Rys. 2. Widmo luminescencyjne światłowodu erbowego w zależności od mocy diody pompującej Na przedstawionej rodzinie krzywych widać wyraźny pik luminescencyjny na długości fali 1531 nm, a następnie obszar prawie płaskiej luminescencji, rozciągającej się od 1540 do 1560 nm. Zmiany mocy pompy istotnie wpływają na wysokość piku luminescencyjnego, natomiast w obszarze płaskiej charakterystyki zmiany luminescencji są niewielkie. Zmierzone charakterystyki
160,0m 140,0m 120,0m 100,0m 80,0m 60,0m 40,0m 20,0m 1547,0 1547,5 1548,0 1548,5 1549,0 1549,5 1550,0 0,0-28 -29-30 -31-32 -33-34 -35-36 -37-38 -39-40 -41 1520 1525 1530 1535 1540 1545 1550 1555 1560 1565 1570-42 luminescencyjne stanowiły podstawę do badań charakterystyk wzmocnienia światłowodu przedstawionych w następnym rozdziale. 4. Charakterystyka widmowa wzmocnienia Układ do pomiaru charakterystyki widmowej wzmocnienia został przedstawiony na rys. 3. Do pomiaru charakterystyki widmowej wzmocnienia użyto przestrajalnego źródła światła ANRITSU MG9638A dla zakresu długości fali 1500 nm-1580 nm oraz analizatora widma ANRITSU MS9710B RS-232C Przestrajalne źródło światła EDFA Analizator widma Rys. 3. Układ do badania charakterystyki widmowej wzmacniacza EDFA Przestrajalne źródło światła i analizator były ze sobą połączone za pomocą łącza RS i stanowiły współdziałający układ pomiarowy. Jednostką nadrzędną był analizator widma, który sterował źródłem światła, czyli wyborem długości fali dla której mierzono wzmocnienie. Początkowo przestrajalne źródło światła podłączano na wejście analizatora widma, aby odwzorować wartości mocy sygnałów wejściowych, dla różnych długości fali. Następnie do układu podłączano wzmacniacz, jak zostało to przedstawione na rys. 3. Analizator widma optycznego odczytywał moc sygnału wyjściowego dla określonej długości fali, porównywał go z sygnałem wejściowym i określał wzmocnienie. Zbiór charakterystyk widmowych wzmocnienia został przedstawiony na rys. 4. Przy takiej procedurze pomiarowej wzmocnienie mierzono dla różnych poziomów mocy Wzmocnienie [db] 50 Pp = 19 [dbm] Pp = 17 [dbm] 45 Pp = 16 [dbm] Pp = 15 [dbm] 40 Pp = 14 [dbm] Pp = 13 [dbm] 35 Pp = 12 [dbm] Pp = 11 [dbm] 30 Pwej = - 42 [dbm] 25 20 15 10 5 0 1500 1510 1520 1530 1540 1550 1560 1570 1580 Długość fali [nm] pompującej. Rys. 4. Charakterystyka widmowa wzmocnienia EDFA dla różnych mocy pompujących
Zgodnie z oczekiwaniami wynikającymi z pomiaru luminescencji, uzyskano maksymalne wzmocnienie dla długości fali 1531 nm i wynosi ono prawie 50 db. Najbardziej jednak interesującym wynikiem jest płaska charakterystyka wzmocnienia rozciągająca się od 1540 do 1560 nm. Wzmocnienie w tym obszarze jest płaskie i wynosi prawie 25 db. Z przedstawionej charakterystyki wzmocnienia wynika, iż nasz wzmacniacz może być zastosowany w systemach transmisyjnych zwielokrotniania długości fali. Na zmierzonych charakterystykach wzmocnienia widać, że przy odpowiednio duży mocach pompy wartość wzmocnienia w obszarze płaskiej charakterystyki zmienia się nieznacznie. Świadczy to o tym, iż uzyskaliśmy maksymalną wartość wzmocnienia, czyli osiągnęliśmy jego nasycenie. 5. Charakterystyki wzmacniacza Poniżej przedstawiono charakterystyki wzmocnienia wzmacniacza w funkcji mocy wejściowej i wyjściowej. Pomiaru tego dokonywano w układzie pomiarowym przedstawionym na rys. 1. Jako źródła światła wykorzystano diodę sygnałową typu ML976H67 z zasilaczem LDC 500. Moc sygnału wejściowego jednomodowej diody pracującej na długości fali 1550 nm stosując tłumik światłowodowy. Zgodnie z zaleceniami europejskiej normy, wzmocnienie określono według następującej zależności [3]. PWYJ PASE G = 10log [ db] (1) P WEJ gdzie: P WYJ moc na wyjściu wzmacniacza, P WEJ moc na wejściu wzmacniacza, P ASE moc wzmocnionej emisji spontanicznej (ASE Ampified Spontaneous Emission). -28-29 Moc -30 P WYJ -31-32 -33-34 -35-36 P ASE -37 0,7-38 0,6 0,5-39 P WEJ 0,4-40 0,3 0,2-41 0,1 0,0-42 1545,0 1545,5 1546,0 1546,5 1547,0 1547,5 1548,0 1548,5 1549,0 1549,5 1550,0 1520 1525 1530 1535 1540 1545 1550 1555 1560 1565 1570 Długość fali Rys. 5. Ilustracja procedury wyznaczenia wzmocnienia wzmacniacza Pomiary mocy wejściowej i wyjściowej wzmacniacza dokonywano za pomocą analizatora widma. Ze wzoru (1) wynika, że aby obliczyć wzmocnienie, należy moc wyjściową P WYJ dla wybranej długości fali pomniejszyć o wartość mocy wzmocnionej emisji spontanicznej P ASE. Procedura pomiarowa wyznaczenia mocy wejściowe P WEJ, wyjściowej P WYJ i mocy wzmocnionej
emisji spontanicznej P ASE została przedstawiona na rys. 5. Moc P ASE określamy dla wybranej długości fali wzmacnianego sygnału dokonując interpolacji schematycznie przedstawionej na rys. 5. Na rys. 6. przedstawiono zależność wzmocnienia wzmacniacza w funkcji mocy wejściowej sygnału 1550 nm, dla różnych wartości mocy pompującej. Możemy zaobserwować, że dla małych mocy (do około 25 dbm ), wzmocnienie jest prawie stałe, a jego wartość zależy jedynie od mocy pompującej Jest to zakres wzmocnienia małosygnałowego. Wzrost mocy pompującej powoduje wzrost wzmocnienia. Początkowo ten przyrost jest duży, jednak dla dużych mocy pompujących (17-19 dbm) przyrost wzmocnienia stabilizuje się i stosunkowo duże zmiany mocy pompującej powodują niewielki przyrost wzmocnienia. Wzmacniacz wchodzi w stan nasycenia. Przy dalszym wzroście mocy wejściowej mamy do czynienia ze spadkiem wzmocnienia. 26 24 22 20 18 Wzmocnienie [db] 16 14 12 10 8 6 4 2 Pp = 19 [dbm] Pp = 17 [dbm] Pp = 15 [dbm] Pp = 13 [dbm] 0-50 -45-40 -35-30 -25-20 -15-10 Sygnał wejściowy [dbm] Rys. 6. Zależność wzmocnienia od moc sygnału wejściowego dla wybranych wartości mocy pompujących Rys. 7. przedstawia zależność wzmocnienia od mocy wyjściowej. Na podstawie tej zależności można wyznaczyć jeden z podstawowych parametrów charakteryzujący wzmacniacz EDFA, a mianowicie moc nasycenia P SAT. Parametr ten określa wartość mocy wyjściowej, przy której wzmacniacz wchodzi w obszar nasycenia. Moc nasycenia P SAT jest definiowana jako moc wyjściowa, przy której wzmocnienie spada o 3 db w stosunku mocy w płaskiej części charakterystyki [4]. Jak pokazuje rysunek moc nasycenia wzrasta ze wzrostem mocy pompy. Wartość mocy sygnału wyjściowego informuje o możliwości zastosowania wzmacniacza w określonej konfiguracji sieciowej. Ta wartość determinuje maksymalną odległość między wzmacniaczami, a także liczbę portów wyjściowych w zastosowanym systemie dystrybucyjnym. W 26 24 22 20 18 Wzmocnienie [db] 16 14 12 10 8 6 4 2 0 Pp [dbm] Gmax [db] Psat [dbm] 19 24,9 1,5 15 21,7-0,8 13 14,8-4,6-25 -20-15 -10-5 0 5 Sygnał wyjściowy [dbm]
naszym przypadku, przy mocy pompy 19 dbm, maksymalna moc nasycenia wynosiła 1,5 dbm, zaś maksymalne wzmocnienie 25dB. Rys. 7. Zależność wzmocnieni od mocy wyjściowej dla kilku mocy pompujących 6. Wnioski W pracy przedstawiono podstawowe charakterystyki wzmacniacza typu EDFA. Na uwagę zasługuje płaska charakterystyka wzmocnienia w zakresie 1540-1560 nm. Nadaje się on zatem jako wzmacniacz światłowodowej transmisji wielokanałowej. Wzmocnienie w obszarze płaskiej charakterystyki widmowej wynosi 25 db, co jest porównywalne do wzmocnienia uzyskiwanego we wzmacniaczach komercyjnych. Szczególnie duże wzmocnienie 50 db uzyskano w centrum wąskiego pasma charakterystyki wzmocnienia dla długości fali 1531 nm. Ten obszar jednak może być stosowany praktycznie tylko do wzmacniania transmisji jednokanałowej. Podziękowania Autorzy dziękują bardzo Panu Profesorowi A. Kowalskiemu z CBR TP.S.A w Warszawie oraz pracownikom z Jego zespołu badawczego: Panu mgr inż. B.Ociesie i mgr inż. J. Puchale za merytoryczną dyskusje i wypożyczenie unikatowego oprzyrządowania przestrajalnego źródła światła i analizatora widma, które zdecydowanie ułatwiło pomiary skonstruowanego wzmacniacza. Praca magisterska wykonana została w ramach grantu KBN 8T11D01717. Literatura [1] P.C. Becker, Erbium-Doped Fiber Amplifiers Fundamentals and Technology. Acadamic Press, London, 1999. [2] A.Stankiewicz, Wielomodowy wzmacniacz światłowodowy, Praca magisterska, Instytut Telekomunikacji i Akustyki Politechniki Wrocławskiej, 1999. [3] IEC 61291-1, Optical fibre amplifiers-basic specification, 1998. [4] S. Sudo, Optical Fiber Amplifiers: Material, Devices and Applications, Artech House, London, 1997. [5] E. Malzahn, EDFA Testing, Problems and Solutions, D.D. Soares (ed.), Trends in Optical Fibre Metrology and Standards, Kluwer Academic Publishers, London 1995.