Amplificatoarele Optice-proiect

7/27/2019 Amplificatoarele Optice-proiect

1/31

Amplificatoarele Optice

Cuprins:

Capitolul 1

1.1 Studii privind amplificarea optica............................................................2

1.2. Studiu privind amplificarea prin imprstiere Raman stimulat (SRS)

si amplificatoarele Raman..............................................................................................4

1.3. Studiu privind amplificarea prin imprstiere Brillouin stimulat (SBS)...................8

Capitolu 2

2.1 Amplificatoarele optice...........................................................................................142.2Amplificatoarele optice cu semiconductori (SOA),amplificatoarele optice

liniare (LOA) si amplificatoarele laser cu semiconductori (SLA)......................17

Capitolul 3

3.1 Aplicatii de aplificatoare pe fibra optica dopata..............................................23

3.2. EDFA in banda L......................................................................................................24

4. Amplificatoare RAMAN...............................................................................................24

5.Tehnologii de amplificare in benzile O si S................................................................26

6. Amplificatoare EDFA in banda S...............................................................................27

7. Amplificatoare in banda S+C si un amplificator CWDM.............................................28

Concluzia..............................................................................................................................28

Bibliografia...........................................................................................................................29


2/31

Capitolul 1

1.1 Studii privind amplificarea optica

Introducere

Dezvoltarea amplificatoarelor optice s-a fcut dup 1990, cnd au fost revoluionate toate

comunicaiile optice. Avantajul folosirii amplificatoarelor optice este acela c au proprieti

similare amplificatoarelor electronice, excepie fcnd doar proprietile de polarizare i ale

lungimii de und. Amplificatoarele optice sunt componente eseniale ale reelelor de

telecomunicaii din prezent. Pentru multe aplicaii sunt necesare capaciti mari de transmisie

a informaiei i pe distane ct mai mari. Acest problem se poate rezolva dac sunt utilizateamplificatoarele pe fibre optice, adic dac se obine o amplificare optic direct cu un

zgomot redus i fr s necesite conversii electrooptice multiple care fac ca pierderile din

fibr s creasc. Amplificatoarele optice amplific radiaia incident prin emisie stimulat,

iar ctigul se realizeaz prin pompaj optic pentru a se obine inversia de populaie. n timpul

emisiei spontane, laserul de ieire poate s conin un spectru larg de zgomot pentru laser,

care dup detecie furnizeaz termeni de zgomot pentru fotocurent. Dezavantajul principal laamplificarea optic o constituie faptul c simultan cu ea se adaug i amplificarea

zgomotului. De aceea se ncearc reducerea zgomotului sau chiar eliminarea lui. Pentru acest

lucru se utilizeaz diagrame de zgomot similare celor de la amplificatoarele electronice. Alte

efecte care trebuie s fie sczute sau anulate sunt cele legate de dispersie i de interferena

dintre semnale, ct i alte efecte liniare i nelinare care apar n fibrele optice i care modific

parametrii de transmisie ai fibrelor optice. Performana amplificatorului optic este dat de

eficiena pompajului, care este definit de puterea pompat sau de curentul necesar pe dB al

ctigului sau pe dBm a puterii de saturare pentru ieire.Tipurile de amplificatoare optice

sunt: amplificatoare de linie, amplificatoare de putere la emisie, preamplificatoare la recepie

i pentru compensarea pierderilor de distribuie. Preamplificatoarele au rolul de a crete

sensibilitatea receptoarelor, amplificatoarele de putere cresc distana legturii pn la

aproximativ 120 km, iar amplificatoarele de linie nlocuiesc regeneratoarele electronice. Se

pot estima proprietile importante ale amplificatorului cum ar fi: lrgimea de band a

ctigului, factorul de amplificare i puterea optic de saturaie. Cel mai important parametru

2


3/31

pentru amplificatoarele optice este ctigul optic, care poate fi exprimat n funcie de

lungimea de und sau se poate determina ctigul lrgimii de band i ntinderea din zona de

ctig. Pentru valori mari ale puterii optice de intrare se poate observa c acest ctig optic se

poate satura. Acest lucru determin o saturare a puterii optice de ieire, care este cea mai

mare putere optic de ieire posibil.n referat sunt analizate aspectele importante pentru

cteva tipuri de amplificare. Sunt prezentate: amplificarea prin mprtiere Raman stimulat

(SRS), amplificarea prin mprtiere Brillouin stimulat (SBS) i amplificarea din fibrele

optice dopate cu erbium (Er3+) .mprtierea Raman i cea Brillouin sunt similare i sunt

produse de proprietile neliniare ale unui mediu optic care cupleaz un mecanism variabil

(distana interatomic dintr-o molecul, ct i densitatea omogen dintr-un solid sau lichid) la

schimbarea polarizrii printr-o und electromagnetic. Amplificarea din fibrele optice dopate

cu Er3+ este utilizat pentru amplificarea semnalelor optice de transmisie, iar amplificatorul

optic din fibrele optice dopate cu Er3+ (EDFA) este cea mai important component a unui

sistem optic de transmisie pentru distane i capaciti de transmisie mari.EDFA opereaz n

banda convenional C (1530 1565) nm, n banda scurt S (1460 1530) nm i n banda

lungimilor de und lungi L (1565 1625) nm pentru amplificare. n prezent se fac teste

pentru banda lungimilor de und ultra lungi U (1625 1675) nm pentru amplificare.

Aceste benzi pentru lungimile de und, se aleg n funcie de aplicaia dorit, de distana i de

capacitatea pentru transmisie. O clasificare a benzii pentru lungimiile de und este fcut n

Tabelul 1.

Tabel 1 Clasificarea benzii n funcie de lungimea de und.

3


4/31

BandaInterval pentru

lungimi de und [nm]O - original 1260 1360

E - extins 1360 1460S - scurt 1460 1530C - convenional 1530 1565

L - lung 1565 1625U - ultra lung 1625 1675

mprtierea Raman implic stri de vibraie interne ale moleculelor, iar mprtierea

Brillouin este asociat cu variaiile densitii mediului. Procesul Raman conine ramuri optice

adic produce radiaie laser, iar procesul Brillouin conine ramuri acustice care produc unde

acustice. mprtierea Raman genereaz noi frecvene care se schimb rapid i care sunt

compatibile cu frecvenele optice, iar mprtierea Brillouin schimb fecvenele atta timp

ct sunt generate vibraii ultrasonice ale frecvenelor care depind de direcia de mprtiere.

Pentru SRS i SBS spectrul de frecvene al unei unde electromagnetice este modificat prin

schimbarea energiei cu mediul, iar fotonii sunt emii sau absorbii.Repartiia liniilor spectrale

Raman este uor de detectat printr-un echipament spectroscopic simplu, iar pentru liniile

spectrale schimbate pentru Brillouin este necesar s se utilizeze un interferometru.

1.2. Studiu privind amplificarea prin imprstiere Raman stimulat (SRS) si

amplificatoarele Raman.

mprtierea Raman stimulat SRS, limiteaz performanele sistemelor optice de

comunicaii cu mai multe canale pentru transmisie, prin transferul de energie de la un canal

la canalele vecine i induce diafonia Raman ntre canalele de transmisie. n efectele neliniare

care apar n fibrele optice, mprtierea Raman spontan ocup n jur de 10-6 din puterea

incident a unui fascicul optic la altul, printr-o schimbare a frecvenei determinat de

modurile de vibraie ale mediului. Acest efect se numete efectul Raman i este descris de

mecanica cuantic ca fiind mprtierea unui foton incident fa de o molecul care face o

4


5/31

tranziie ntre dou poziii de vibraie la o frecven mic a fotonului. Laserul incident

acioneaz ca un pompaj pentru generarea radiaiei la schimbarea frecvenei i se numete

und Stokes. mprtierea Raman are diverse aplicaii la procesele de emisie i de absorbie,

ct i la procesul de amplificare. Amplificarea Raman se bazeaz pe mprtierea Raman,

cnd un atom absoarbe un foton i elibereaz un foton cu o energie diferit. Aceast diferen

de energie o utilizeaz la schimbarea strii de vibraie. Procesul poate s creasc sau s scad

energia de vibraie a atomilor, dar efectul este puternic dac se face conversia energiei

fotonilor de la intrare n energie de vibraie, care poart numele de fonon. Deci atomul

elibereaz un foton cu energie mai mic dect laserul de la intrare i amplificatoarele Raman

depind de schimbul Raman la lungimi de und mari i de energii mici ale fotonilor.

Tranziiile la starea de vibraie nu sunt fcute brusc i intervalul de acoperire pentru energie

depinde de material. SRS se poate produce cnd un pompaj puternic i un semnal slab la o

lungime mare de und, trec simultan prin material. Pompajul puternic excit atomii, iar

fotonii de la lungimea de und a semnalului pot s stimuleze i s emit energia lor ca un

foton suplimentar la lungimea de und a semnalului. Aceast mprtiere Raman stimulat

amplific semnalul de intrare similar cu emisia stimulat la atomii de erbium care amplific

semnalul n EDFA. Ctigul Raman se obine de la lungimea de und pentru pompaj prinschimbarea frecvenei, provenit de la excitarea de vibraie i care este caracteristic

materialului, iar la schimbarea lungimii de und pompate se schimb direct lungimea de und

amplificat. Deci, mprtierea Raman i spectrul ei depind de material.De exemplu, pentru

silice ctigul Raman este cu 13 THz mai mic dect frecvena de pompaj corespunztoare la

o lungime de und cu 100 nm mai mare dect cea de pompaj de la 1550 nm. Aceast

caracteristic a amplificrii Raman se poate folosi la amplificatoarele Raman care pot fiutilizate la lungimi de und specifice care includ benzi ale spectrului optic unde alte tipuri de

amplificatoare nu funcioneaz. Din acest punct de vedere n anumite benzi ale spectrului

optic, amplificatoarele Raman sunt preferate n locul celor de tipul EDFA sau al altor tipuri

de amplificatoare.

mprtierea Raman stimulat este un proces neliniar i seciunea sa transversal

este sczut i depinde de densitatea puterii optice. Deci pentru valori mari ale puteriipompate sunt necesare distane mari de transmisie prin fibrele optice monomod pentru a

se obine valori semnificative ale ctigului i pentru a se atinge pragul de amplificare5


6/31

Raman. Acest lucru conduce i la creterea zgomotului Raman datorat imperfeciunilor

din fibra optic. Lrgimea de band pentru ctig n domeniul lungimilor de und poate

fi controlat simplu prin fixarea lungimii de und pentru pomaj, dar amplificarea Raman

se poate obine n fiecare regiune a ferestrei de transmisie din fibra optic. Deci

amplificarea Raman depinde de puterea surselor de pompaj pentru lungimile de und la

care se lucreaz. La o lungime mic a amplificatorului coeficienii neliniari au valori

sczute n comparaie cu cel de amplificare, iar mprtierea Raman stimulat este foarte

sczut n comparaie cu emisia stimulat a ionilor de Er3+ care poate fi neglijat.

Ctigul Raman obinut n fibrele optice cu silice, se ntinde peste o band de 40 THz pentru

frecvene, cu valoarea de vrf la 13 THz. Acest lucru este evideniat i de natura necristalin

a fibrelor optice cu silice. n materialele amorfe, frecvenele de vibraie moleculare acoper

aproape ntreaga band i creaz benzi continue. Deci aceste fibre optice au un ctig Raman

extins peste o band larg i ele pot fi utilizate ca amplificatoare de band larg. Se consider

un laser cw pentru pompaj, care se propag prin fibra optic la frecvena p. Dac frecvena

semnalului este s ea poate fi amplificat deoarece ctigul Raman este mare pentru diferena

de frecvene p - s care trece prin lrgimea de band pentru spectrul ctigului Raman. Dac

se utilizeaz doar pompajul incident de la captul fibrei optice, mprtierea Raman spontan

produce un semnal slab care acioneaz ca un amplificator. mprtierea Raman spontan

genereaz fotoni n toat lrgimea de band a spectrului de ctig Raman. Deci toate

componentele frecvenelor din acest spectru sunt amplificate. n cazul fibrelor optice cu

silice pur, gR are o valoare maxim la componenta frecvenei pentru c frecvena de pompaj

scade cu 13.2 THz. Ea crete cnd puterea pompat depete valoarea de prag. Aceast

cretere este exponenial. Deci SRS genereaz undele Stokes dac frecvena este

determinat de ctigul Raman, iar frecvena aceasta se numete de deplasare Raman sau de

deplasare Stokes. Pentru EDFA cu un ctig mediu, care este repartizat de-a lungul unei

concentraii sczute a elementului dopant din fibra optic pe mai muli zeci de kilometri,

SRS devine comparabil cu ctigul EDFA i afecteaz ctigul total i spectrul

amplificatorului. Dezavantajul amplificrii Raman este acela c la obinerea unui ctig

semnificativ este necesar o putere mare de pompaj. Se pot estima pragul Raman i

coeficientul de ctig Raman. Pentru determinarea spectrului de ctig Raman se consider

6


7/31

cazul unui laser cu und continu (cw) sau cvasicontinu. Aplicaiile SRS pentru fibrele

optice sunt diverse, cum sunt cele legate de laserii i de amplificatoarele care au la baz

efectul Raman. Deci fibrele optice pot fi utilizate la amplificarea unui semnal slab dac

semnalul se propag mpreun cu un pompaj puternic, a crei lungime de und strbate

lrgimea de band a spectrului de ctig Raman. n configuraia de pompaj, naintea fibrei

optice, pompajul se propag cu semnalul n aceeai direcie ca i n propagarea comun din

cazul pompajului napoi. Pentru utilizarea unor valori standard ale parametrilor anteriori,

adic pentru: gR = 1 x 10-13 m/W, Leff = 100 m i Aeff = 10 m2, semnalul este amplificat

considerabil pentru P0 1 W. Datele experimentale sunt obinute pentru trei valori ale puterii

semnalului de intrare(in materialulprintat sunt prezentate relatii de calcul si grafice care

explica corelatia dintre partea teorertica-simulata si unele rezultate experimentale). Pentru gR

= 9.2 x 10-14 m/W, s-au obinut aceleai valori cu cele teoretice. Factorul de amplificare GA

crete exponenial n faza iniial cu P0, dar se abate de la aceast cretere pentru P0 > 1 W.

Acest lucru duce la saturarea ctigului, pentru c are loc scderea pompajului. Pentru valori

uzuale ale lui P0, adic P0 1 W, puterea saturat din amplificatoarele Raman pe fibr optic

este mult mai mare dect cea obinut n cazul amplificatoarelor ce au la baz laserii cu

semiconductori i P0 1 mW. Aplificatoarele Raman pe fibre optice pot s amplifice uor

semnalul cu un factor 1000, adic cu 30 dB pentru o putere pompat de aproximativ 1 W.

Pentru configurri se folosesc fibrele optice monomod n care se efectueaz pompajul

naintea fibrei optice sau ambele tipuri de pompaj, adic nainte i napoi n fibra optic

pentru laserii cu semiconductori. Astfel, se pot obine ctiguri nesaturate la 21 dB pentru o

putere pompat de aproximativ 1 W. Ctigul amplificatorului are aceleai tipuri de

configuraii pentru pompaj, deoarece procesul SRS are o natur izotropic. Pentru

dezvoltarea optim a amplificatoarelor Raman pe fibre optice, se utilizeaz fibrele optice cu

silice, iar diferena pentru frecvenele de la undele de pompaj i de semnal trebuie s

corespund la valoarea maxim a ctigului Raman de aproximativ 13 THz. Aplicaia cea

mai important a amplificatoarelor Raman pe fibre optice este cea cnd ele sunt utilizate ca

preamplificator, nainte ca semnalul s fie detectat i recepionat de un sistem optic de

comunicaie.

Din rezultate experimentale se demonstreaza c raportul semnal/zgomot la receptor este

7


8/31

determinat de radiaia Raman amplificat spontan care nsoete procesul de amplificare.

O parte din energia pompat este spontan convertit n radiaie Stokes peste ntreaga

lrgime de band a spectrului de ctig Raman, pentru c mprtierea Raman spontan

este amplificat simultan cu semnalul.Deci n zona de ieire la semnalul util se adaug

zgomotul de fond care are o band de frecvene n jur de 10 THz. Cu aceste ipoteze este

posibil s se obin o expresie analitic pentru amplificarea puterii spontane n

aproximarea de scdere a pompajului.Pentru practic, cantitatea de interes se numete

raport on/off i se poate defini ca fiind raportul dintre puterea semnalului i puterea de

pompaj, cnd puterea de pompaj este zero. Acest raport poate fi msurat experimental,

iar rezultatele pentru un pompaj la 1.34 m dau un raport de aproximativ 24 dB pentru

linia Stokes de ordinul nti de la 1.42 m, dar scade la aproximativ 8 dB cnd linia

Stokes de ordinul nti este folosit ca amplificator pentru semnalul de la 1.52 m.

Similar acest raport poate fi mic ca valoare pentru configuraia de pompaj napoi, n

comparaie cu cea de pompaj nainte. n general acest raport poate fi mbuntit, dac

captul fibrei optice este prevzut cu un filtru care las s treac semnalul i care reduce

lrgimea de band a zgomotului spontan amplificat. Se pot dezvolta amplificatoare

Raman dac lrgimea sa de band este extins cu 5 THz sau mai mult. El poate fi folosit

la amplificarea simultan a mai multor canale dintr-un sistem optic de comunicaii cu

mai multe canale. Extinderea lrgimii de band pentru amplificatoarele Raman pe fibre

optice face posibil i amplificarea impulsurilor optice scurte. O aplicaie este cea n

care amplificatoarele Raman sunt utilizate pentru transmiterea de impulsuri la solitoni

peste distane foarte mari, de aproximativ cteva mii de km.Acest fapt poate conduce la

nlocuirea amplificatoarelor Raman pe fibre optice cu amplificatoare pe fibre optice

dopate cu Er3+, pentru c amplificatoarele Raman necesit un pompaj cu o valoare mare

la acoperirea unor distane foarte mari i pentru c acest lucru nu este posibil la laserii

cu semiconductori care sunt compaci.

Alt aplicaie este cea n care sunt folosite EDFA mpreun cu amplificatoarele Raman pe

fibre optice pentru obinerea unor caracteristici superioare la reele existente pe fibrele

optice, ct i la dezvoltarea fibrelor optice cu dispersie deplasat i la reducerea efectului de

mprtiere Raman stimulat SRS. Un dezavantaj al SRS este acela c pentru un sistem optic,

8


9/31

canalele de lungime de und scurte pot aciona ca un pompaj pentru canalele de lungime de

und mare i pot transfera o parte din energia impulsului la canalele vecine. Acest fenomen

poart numele de diafonie ntre canalele optice i poate influena considerabil performanele

sistemului optic. De aceea, n prezent se ncearc reducerea acestor fenomene. Acest lucru

este foarte complicat pentru sistemele cu mai multe canale optice pentru c SRS afecteaz

numrul de canale i spaierea dintre ele.

I.3. Studiu privind amplificarea prin imprstiere Brillouin stimulat (SBS)

mprtierea Brillouin stimulat (SBS) este un efect neliniar care se produce n fibrele optice

pentru valori ale puterii de intrare mult mai mari dect cele pentru mprtierea Raman

stimulat. SBS se manifest prin generarea unei unde Stokes care se propag n sens invers

semnalului emis i care transport cea mai mare parte din energia de intrare cnd se atinge

pragul Brillouin. SBS se manifest prin generarea undelor Stokes joase care variaz de la

frecvena undei de pompaj incident printr-o contribuie dat de mediul neliniar.SRS n

comparaie cu SBS se poate propaga prin fibra optic n ambele direcii, iar deplasarea

Stokes ( 10 Ghz) pentru SBS este mai mic cu trei ordine de mrime n comparaie cu cea

produs pentru SRS. Pragul puterii de pompaj pentru SBS depinde de lrgimea spectral

asociat cu unda pompat i poate avea o valoare sczut, n jur de 1mW pentru laserii cu

und continu pentru pompaj sau pentru impulsuri largi de pompaj, cu lrgimea mai mare de

1 s. n contrast pentru multe cazuri, SBS se produce pentru impulsuri scurte de pompaj, cu

lrgimea mai mic de 10 ns. Diferenele dintre cele dou tipuri de efecte sunt date de faptul

c la SBS particip fononii acustici, iar la SRS particip fononii optici. Procesul SBS poate fi

descris clasic ca o interaciune parametric ntre unda pompat, unda Stokes i unda acustic.

Unda pompat generaz unde acustice prin procese electrice care au ca efect o modulaie

periodic pentru indicele de refracie. Pompajul induce o variaie a indicelui de refracie i se

mprtie prin difracie Bragg. mprtierea radiaiei este mic n domeniul frecvenelor

pentru c variaia Doppler asociat influeneaz viteza acustic A. Acest proces de

mprtiere, poate fi tratat cu ajutorul mecanicii cuantice, dac anihilarea unui foton pompat

creaz simultan un foton Stokes i un fonon acustic.

9


10/31

Dac se consider valori tipice pentru fibrele cu silice se obin valori mai mari comparativ cu

cele obinute pentru coeficientul de ctig Raman. De exemplu, dac se consider gB 5 x

10-11 m/W se obin valori mai mari cu trei ordine de mrime la p = 1.55 m, comparativ cu

cele pentru Raman.

Figura 1. Spectrul de ctig Brillouin la p = 1.525 m pentru: (a) fibr optic cu miez din

silice, (b) fibr optic cu nveli redus i (c) fibre optice cu dispersie deplasat. Scala pe

vertical este arbitrar.

n figura 1 este reprezentat spectrul de ctig pentru trei fibre optice diferite, care au structuri

i niveluri de dopare diferite pentru Germaniu n miezul fibrei optice. Msurtorile s-au

efectuat utiliznd un laser cu semiconductori, cu cavitatea extern care opereaz la 1.525 m

i folosind tehnica de detecie cu heterodin la 3 MHz rezoluie. Fibra (a) are un miez cu

silice pur, adic concentraia de Germaniu este de aproximativ 0.3 % pe mol.Schimbul

Brillouin msurat B 11.25 GHz, verific ecuaia (24 din raportul anului I) pentru aceast

fibr optic dac se utilizeaz viteza acustic valabil pentru volume cu silice. Schimbul

Brillouin se reduce pentru fibrele optice (b) i (c) cu aproximativ inversul dependenei la

concentraia pentru Germaniu. Fibra (b) are o structur cu dou vrfuri, asociat cu spectrul

Brillouin care trebuie s rezulte pentru distribuia neomogen de Germaniu din miez. Se pot

obine i trei vrfuri pentru spectrul Brillouin, iar acestea rezult de la diferenele vitezelor

acustice din miezul i din nveliul fibrelor optice.Dac lrgimea impulsului devine mult mai

mic dect timpul de via al fononului, adic T0 < 1 ns, ctigul Brillouin scade sub ctigul

10


11/31

Raman.Pentru un pompaj cu und continu (cw) sau cvasicontinu, ctigul Brillouin se

reduce dac lrgimea sa spectral p este mai mare dect B. Acest lucru se poate produce

dac avem un pompaj n fibre optice multimod sau pentru un pompaj n fibre optice

monomod a crui faz variaz rapid ntr-o perioad de timp mai scurt dect cea a timpului

de viat al fononului TB.Deasemenea, ctigul Brillouin sub condiia de pompaj pentru band

larg, depinde de mrimea relativ a lungimii coerente pentru pompaj. Lungimea de

interaciune Lint pentru SBS, este definit de distana peste care amplitudinea Stokes variaz

foarte mult.Dac Lcoh >> Lint, procesul SBS este independent de structura modului de la

laserul pompat, care furnizeaz o spaiere ntre moduri care depete B, iar ctigul

Brillouin este acelai ca cel pentru laserul monomod dup cteva lungimi de interaciune.

Ctigul Brillouin este redus dac Lcoh


12/31

saturat pentru amplificatoarele Brillouin este de 1 mW, n schimb amplificatoarele

Raman pe fibre optice au valoarea puterii saturate la 1 W.

Ctigul Brillouin al unei fibre optice poate fi utilizat la amplificarea unui semnal slab a

crui frecven se schimb de la frecvena de pompaj printr-o cantitate egal cu

schimbul Brillouin B. Din acest motiv amplificatoarele Brillouin pe fibre optice nu sunt

utilizate ca amplificatoare i produc doar civa mW pentru puterea pompat.Creterea

exponenial se produce doar dac amplificarea puterii semnalului rmne sub nivelul

puterii saturate. Amplificatoarele Brillouin pe fibr optic pot furniza un ctig de 20-40

dB la o putere pompat de civa mW. Lrgimea de band, care tipic este < 100 MHz, se

poate utiliza n diferite aplicaii pe fibr optic ce necesit o amplificare selectiv a unei

benzi nguste pentru spectrul semnalului incident. Pentru aplicaii care necesit un ctig

constant peste o band larg de frecvene, adic 100 MHz, frecvena laserului de

pompaj poate fi modulat utiliznd un modulator extern. Lrgirea benzii este deci

realizat doar prin reducerea valorii de vrf pentru ctig, iar puterea pompat care este

necesar crete pentru aceeai valoare a ctigului. De aceea, interesul pentru utilizarea

amplificatoarelor Brillouin pe fibre optice a sczut pentru c au fost introduse EDFA

pentru sistemele de comunicaii optice.SBS nu are legtur cu amplificatoarele optice

dac lungimea fibrelor optice este mai mic de 10 m, pentru c pragul Brillouin se

realizeaz foarte greu. Totui, SBS poate fi un factor major de limitare pentru

amplificatoarele pe fibre optice distribuite, n care amplificarea se produce la lungimi >

10 km ale fibrelor optice dopate. Aplicaia cea mai important este cnd SBS este folosit

la amplificatoarele care fac parte din sistemele optice de comunicaii.Dac n ecuaiile

(29) i (30) se nlocuiete parametrul pentru pierderi din fibra optic cu ctigul sau

dac este negativ, atunci undele de pompaj i undele Stokes mpreun au ctigul

destul de mare ct s acopere pierderile din fibra optic. De asemenea, pragul SBS se

reduce drastic, sub valoarea de 10 W. Dac sunt utilizate SBS n cascad sunt generate

unde Stokes de ordin superior. n practic amplificatoarele Brillouin limiteaz ctigul

pentru amplificatoarele pe fibre optice distribuite la valori foarte mici (< 1 dB/km). Alte

aplicaii sunt cele n care SBS sunt utilizate pentru laseri sau pentru senzori pe fibre

optice. Pragul Brillouin poate avea valori mici ( 1 mW) pentru sisteme de comunicaii12


13/31

optice la 1.55 m, iar pierderile din fibrele optice pot fi sczute cu ajutorul SBS, adic

0.2 dB/km. De aceea este important pentru proiectarea unui sistem de comunicaii

optice s se in seama i de SBS.Pentru amplificatoarele Brillouin utilizate n benzii

scurte se poate obine amplificarea la valori sczute ale puterii pompate. Este deci

posibil s se creasc distana de transmisie sau spaierea dintre repetoare, dac un laser

cw la o lungime de und bine definit, este pompat n direcia opus la modularea

semnalului.Alt posibilitate este de a utiliza amplificarea Brillouin este cea din cazul n

care are loc creterea sensibilitii receptoarelor. Dac un amplificator Brillouin pe fibr

optic este utilizat ca preamplificator la receptor, performanele pot fi limitate de SBS.

Factorul de zgomot al amplificatoarele Brillouin pe fibr optic este foarte mare ( 100),

pentru c o mare parte din populaia de fononi acustici [-kT/hB] este la temperatura

mediului ambiant.Lrgimea mic a liniei spectrului de la profilul ctigului Brillouin

poate fi un avantaj pentru amplificarea selectiv a unei benzi nguste de spectru a

semnalului, de aceea amplificatoarele Brullouin sunt cele mai utilizate n band ngust.

Principiul de baz este similar cu cel de la detecia homodin, cu deosebirea c

amplificarea are loc pentru semnal.

Alt aplicaie pentru band ngust, este cea ascociat cu spectrul de ctig Brillouin care

poate fi utilizat ca un filtru optic trece band ngust pentru selectarea de canalele din

sistemele optice de comunicaii multicanal. Dac spaierea dintre canale este mare, dar rata

biilor este mai mic dect lrgimea de band B, laserul pompat poate trece s amplifice

selectiv un canal paricular. Un avantaj al utilizrii amplificatoarelor Brillouin pe fibre optice

este cel legat de scderea interferenelor dintre canalele unui sistem optic de comunicaii cu

mai multe canale optice.

4. Studiu privind amplificarea in fibrele optice dopate cu Erbium

Fie un sistem laser cu trei niveluri de energie ca n figura 2. Se presupune c nivelul 1

este nivelul de baz fundamental, 2 este nivelul metastabil caracterizat de timpul de via ,

iar 3 este nivelul de pompaj. Se poate presupune i o alt configuraie dect cea de sus, de

exemplu: 3 este nivel metastabil i 2 nivelul de terminare a tranziiilor. Pentru corectitudine

se consider sistemul cu trei niveluri, al crui nivel principal este nivelul de terminare al

tranziiilor laser, care corespunde la cazul Er3+.

13


14/31

Figura 2. Diagrama nivelurilor energetice, corespunztoare la un sistem laser cu trei niveluri

de baz.

Tranziiile laser sunt produse ntre nivelurile 1 i 2. Nivelul 1 este nivelul fundamental,

iar nivelul 2 este nivelul metastabil. Simbolurile R, W i A, corespund la ratele de pompaj, de

emisie stimulat i de scdere spontan. Indicii R i NR se refer la emisia radiativ i la

emisia neradiativ.Tranziiile laser care ne intereseaz sunt ntre nivelurile 1 i 2. Rata

pomprii R13 este cea dintre nivelul 1 i 3 i rata emisiei stimulate R31 este cea dintre nivelul 3i 1, iar starea de excitare corespunde la nivelul 3 i aici sunt posibile dou scderi: radiativ

(rata A3R = A32R + A31R) i neradiativ (rata A32NR). Scderile spontane de la nivelul 3 sunt

presupuse predominante din punct de vedere neradiativ: A32NR>>A3R.Ratele de absorbie i de

emisie stimulat ntre nivelurile 1 i 2 sunt W12 i respectiv W21.Scderea spontan radiativ

i neradiativ de la starea excitat, corespunztoare nivelului 2 este A 2 = A21R + A21NR, cu A21R

= 1/, este timpul de via al fluorescenei. Se presupune c scderea A21R + A21NR, cu A21R =

1/, este timpul de via al fluorescenei. Se presupune c scderea spontan este radiativ,

adic avem: A21R >> A21NR. Scderile spontane de la nivelul 2 i 3 sunt A21 i A32. Densitatea

de ioni din laser este i N1, N2 i N3 sunt densitiile fracionale sau populaiile atomice din

strile energetice 1, 2 i respectiv 3.

Capitolu 2

2.1 Amplificatoarele optice

14

3

2

1

Energia

R13

R31

W12 W21

A32

NR

A31

R

A32R

A21

R

A21

NR


15/31

Comunicarea cu ajutorul luminii este un concept foarte vechi ( termenul lumin apare in

Biblie de 232 de ori).Sistemele de comunicaie optic sunt folosite de secole ntregi, sub

forma unor binecunoscute metode: semnale fumigene, focuri, semafoare. (Referiri scrise cu

privire la focurile de semnalizare apar nc din secolul V .e.n. n piesa Agamemnon a lui

Eschil.) Chiar i conceptele mai moderne ca sisteme optice de comunicaii pentru telefonie,

sunt departe de a fi idei noi; in 1880, Alexander Graham Bell a construit fotofonul, un

dispozitiv capabil s transmit vocea la o distan de cteva sute de metri folosind raze de

lumin. (Ca termen de comparaie, italianul Marconi a realizat prima transmisie cu ajutorul

undelor electromagnetice abia in 1895. Fotofonul a fost considerat o idee fantezist i peiorat

in benzile desenate ale vremii care prezentau lanterne uriae atrnnd de stlpii de telegraf).

Dei sistemul lui Bell poate fi considerat rudimentar privit de la nivelul cerinelor actuale, el

a constituit punctul de plecare al cercetrilor privind folosirea radiaiei luminoase pentru

transmiterea informaiei. Progresul fibrelor optice nregistrat de-a lungul timpului, se

datorete unor intense eforturi interdisiplinare, implicnd specialiti n electronic, fizic,

stiina materialelor, lista continund mai departe; aa cum se va vedea mai jos, aceast

direcie de dezvoltare a influenat puternic i tiina materialelor semiconductoare. Ca o

consecin a apariiei si perfecionarii fibrelor optice, multe din domeniile cheie aleoptoelectronicii (i nu numai) s-au dezvoltat in paralel: laserii semiconductori, fibrele optice

cu pierderi mici, microelectronica. Putem privi dezvoltarea comunicaiilor moderne prin fibre

optice ca pe rezultatul combinrii unor inovaii importante n tehnica existent cu descoperiri

extraordinare in domenii de frontier, descoperiri care au dus la tehnologii complet noi.

ntruct specialitii in comunicaii au cutat s foloseasc frecvene din ce n ce mai nalte

pentru aplicaiile specifice (care au dus n final la utilizarea microundelor), speculaiileprivind folosirea comunicaiior optice au aparut n anii de dup cel de-al doilea razboi

atunci cnd Townes i avlov au construit primul dispozitiv LASER, n 1958, fiind apoi

reutilizat de Maiman n 1960 (se spune c AT&T a fost la nceput circumspect privind

patentarea LASER-ului, nenelegnd ce legatura are acesta cu telefonia). Odat cu

producerea evenimentelor amintite mai sus, a nceput o perioad prolific pentru

comunicaiile optice, perioad ce va duce la consacrarea acestora ca mijloc modern decomunicaie. Ca urmare a afirmaiilor lui Kao ( un inginer britanic de la Standard

Telecommunications Laboratory ) conform cruia pierderile n fibrele optice pot fi reduse la15


16/31

nivele foarte joase, compania Corning Glass Works a trecut la dezvoltarea primei fibre optice

reale ( cu pierderi de 20dB / km ), n 1970. Cercetarile efectuate n anii urmtori au fcut

posibil coborrea pierderilor sub 1dB / km, simultan cu aparitia LASER-ilor semiconductori

capabili s lucreze n mod continuu la temperatura camerei. La mijlocul deceniului apte,

fibrele optice erau deja recunscute ca fiind un mediu de transmisie bun, i a nceput s se

pun serios problema utilizrii lor n infrastructura sistemelor de comunicaii. n 1940, la o

ntrunire a Societaii Americane de Matematic, George Stibitz a realizat o descriere

experimental a ceea ce avea s devin autostrada informaional. Stibitz a comandat un

calculator digital cu relee situat la Bell-Laboratories in New-York de la un post de lucru din

oraul Hanover, statul New-Hampton, folosind date transmise prin linii obinuite de telefon.

La momentul respectiv, compania de telefoane nu prea era interesat de dezvoltarea

transmisiilor de date prin liniile telefonice; calculatoarele digitale ale vremii foloseau tuburi

electronice pe post de elemente de comutaie, tuburi ale cror dimensiuni i consum de

putere le fceau foarte nepractice din punctul de vedere al circuitelor digitale. Aadar

calculatoarele erau mai mult un domeniu tolerat dect o realitate tiinific. Inventarea

tranzistorului (la sfritul deceniului patru) de ctre Shockley la Bell Laboratories a dus la

scderea puternic a dimensiunilor i consumului de putere i, ca o consecin, la nlocuireatreptat a tuburilor cu tranzistoare ncepnd cu anii 60. Aceast reducere dramatic a

dimensiunilor, combinat cu inventarea circuitului integrat de ctre Kilby de la Texas

Instruments ( i independent de ctre Noyce, la Fairchild Semiconductor ) n 1958 au dus la

dezvoltarea circuitelor miniaturale moderne ale cror dimensiuni se msoar n fraciuni de

micrometru, adic de aproape 100 milioane de ori mai mici decat btrnele tuburi. Un lucru

interesant, acest factor este ntlnit i n creterea vitezei de transmitere a datelor de la liniatelefonica normal la magistralele de fibr optic cu largimi de band de pn la 20 THz.

Predicii asemantoare pot fi fcute pornind de la observarea creterii puternice a

cererilor de band larg odat cu introducerea fibrelor optice ( nainte de folosirea pe scar

larg a fibrelor optice, creteri ale ratei de transfer au fost nregistrate doar sporadic ). Fibrele

optice au devenit o alternativa din ce n ce mai serioas la firele de cupru. La ora actual,

exist suficient de mult fibr optic instalat n lume, nct lungimea ei total s acopere de28 de ori distana Lun- Pmnt. Tehnologiile de frontier, precum laserii cu cavitti

verticale i pixelii inteligeni vor juca un rol hotrtor n lumea comunicaiilor de mine.16


17/31

Creterea ca areal al reelelor Internet i World Wide Web ( www ) este impresionant

datorit acestor noi tehnologii ( s-a estimat c numrul procesoarelor independente legate la

Internet se situeaza n jurul valorii de 20 miliarde); chiar cnd dvs. citii aceste rnduri, un

nou site este adaugat reelei www. Aceste reele de comunicaii vor conduce la ruperea

tuturor barierelor legate de considerente etnice, sociale, sau politice.

Parametrii principali care stau la baza proiectrii sistemelor optice pentru comunicaii de

mare vitez sunt: viteza de transmisie, rata redus a erorilor, distana maxim de transmisie i

distana dintre repetoare sau dintre amplificatoarele optice.

Amplificatoarele optice amplific radiaia laser incident prin emisie stimulat, iar

fibrele optice utilizeaz radiaia laser drept purttoare pentru transmisia datelor. n timpul

propagrii prin fibrele optice, semnalele optice sufer o serie de distorsiuni fa de forma

iniial pe care o au la intrare n fibrele optice. Principalele efecte sunt: atenuarea, dispersia i

efectele de polarizare. Acestea sunt efecte care reduc capacitatea i distana de transmisie. De

aceea se urmrete diminuarea acestor distorsiuni prin crearea de noi tipuri de fibre optice i

prin dezvoltarea de noi tehnologii. Pentru a se obine distane mari de transmisie, sunt

necesare regeneratoare sau amplificatoare optice. Astfel se obin distane mari ntre

emitoare i receptoare. Regeneratoarele fiind dispuse pe lungimea fibrei refac semnalul i lretransmit mai departe. Regenerarea semnalului optic este necesar pentru creterea distanei

de transmisie, dar se poate utiliza i amplificarea optic. n acest caz nu mai este necesar

conversia i amplificarea electric.

Prin amplificare optic se poate crete puterea optic de la ieirea unui sistem de transmisiuni

care are inclus un amplificator optic, cu mai muli dB, ceea ce nseamn un ctig mare. n

plus, amplificatorul optic poate fi utilizat ca repetor optic i nu mai este necesar utilizareaunui regenerator optic suplimentar. Amplificatoarele optice nlocuiesc amplificatoarele

electrice i utilizeaz fibrele optice actuale care sunt deja instalate. Astfel pentru fibrele

optice nu mai sunt necesare investiii suplimentare i deci capacitatea de transmisie poate fi

crescut cu un cost minim. Aplicaiile sistemelor de comunicaie pe fibre optice necesit una

din arhitecturile de baz care in cont de topologia utilizat i de cerinele de proiectare. La

amplificatoarele optice lungimea legturii optice este determinat de puterea pompat nfibra optic, de atenuarea i de dispersia fibrei optice, ct i de lungimile de und ale

semnalului i ale pompajului. Controlul acestor caracteristici poate determina un ctig17


18/31

maxim n amplificare. Comunicaiile care au ca suport de transmisie fibrele optice, ofer

posibilitatea implementrii unei game largi de aplicaii cu diferite capaciti de transmisie de

la Mbit/s, Gbit/s la Tbit/s. Sistemele de transmisie pentru capacitate mare sunt cele care

utilizeaz tehnologia DWDM (Dense Wavelength Division Multiplexing) i ele ofer o

lrgime de band extrem de mare, de ordinul Tbit/s.

Sistemele optice pentru comunicaii de mare vitez au fost iniial proiectate ca sisteme punct

la punct pentru cablurile submarine, pentru trunchiurile urbane i interurbane de trafic dintre

centrele de comutaie. Ulterior au fost dezvoltate i cele de tipul reea. Tipul de legtur

pentru sistemele de comunicaii prin fibre optice utilizate astzi sunt prin legturi punct la

punct, multipunct i reea.

2.2Amplificatoarele optice cu semiconductori (SOA), amplificatoarele optice liniare

(LOA) si amplificatoarele laser cu semiconductori (SLA)

Amplificatoarele optice cu semiconductori SOA si amplificatoare laser cu

semiconductori SLA sunt acelasi tip de amplificatoare dar cu diferenta ca au un numar diferit

de unde utilizate. Principala problema pentru SOA este aceea ca nu poate fi utilizat pentru

lungimi mai mari de 450 m. De aceea pentru distante mici nu se pot obtine cstiguri

suficient de mari printr-un singur proces de amplificare. O solutie este de a pastra ct mai

mult din caracteristicile radiatiei laser cu ajutorul unor oglinzi. n general SOA au

coeficientul de reflexie pentru oglinzi de aproximativ 0.3. Deci semnalul se reflecta de cteva

ori n cavitate si astfel se obtine amplificarea. Cavitatea laser Fabry-Perot (FP) este de tip

dreptunghiular cu ghidarea indicelui. Laserul FP are forma unui LED pentru emisie cu

oglinzi la capetele cavitatii si are o structura alcatuita dintr-un singur cristal semiconductor,

iar planele cristalului sunt paralele. Problema cea mai importanta de rezolvat este cea legata

de ghidarea radiatie laser n fibra optica. Pentru acest lucru s-au dezvoltat laseri de tip FP cu

indice ghidat si cu cstig ghidat.

Amplificarea este obtinuta cu ajutorul oglinzilor. Aceasta solutie face ca SOA sa opereze sub

prag, dar cu limitari date de caracteristicile amplificatorului care sunt afectate de efectele de

saturare. Suplimentar, rezonantele din cavitatea FP fac sa se apropie benzile de trecere si sa

18


19/31

furnizeze o amplificare diferita pentru canalele de la WDM. Alta solutie este cea cu

amplificatoare laser cu semiconductori SLA, care utilizeaza un numar diferit de unde n

comparatie cu SOA. Pentru SLA avem lungimea mai mare, dublata sau triplata pentru a

furniza un cstig suficient. Dispozitivul cu cavitate are lungimea de 2 mm. Stratul din spatele

si din fata amplificatorului este un strat anti reflexie si este proiectat sa lase sa treaca radiatia

laser prin el. Iesirea radiatiei laser din amplificator se face exact ca la un laser cu exceptia ca

are un strat anti reflexie. SLA poate opera peste prag, deci poate furniza un cstig mare pe

unitatea de lungime, mai mare dect cel de la SOA. Se pot astfel obtine valori ale cstigului

de aproximativ 25 dB pentru o largime a benzii de 40 nm. SOA are cteva limitari, adica nu

poate furniza o putere mai mare dect ctiva mW, dar acest lucru este suficient pentru

operare la un singur canal. Deci poate fi utilizat n sistemele WDM, unde sunt necesari ctiva

mW pe canal. SOA are un zgomot mare si este dependent de polarizare. Cuplajul cu o fibra

optica face sa scada amplificarea si amplificatorului i trebuie un cstig suplimentar pentru a

putea reduce pierderile datorate cuplajului. SOA utilizat pentru sisteme WDM duce la

aparitia diafoniei dintre canalele optice. De obicei acest lucru se poate elimina din nivelul

puterii unde amplificatorul ajunge la saturare, dar n cazul SOA puterea este foarte mica.

Deci SOA nu pot fi utilizate n sisteme WDM ca amplificatoare optice, dar pot fi folositepentru schimbarea lungimii de unda, exact ca o simpla poarta logica n retelele optice.

Suplimentar ele pot fi folosite pentru compresia impulsului la generarea solitonilor, dar si n

sistemele optice TDM cu un singur canal. Avantajul folosirii SOA consta n faptul ca pot fi

integrate cu alte componente ntr-un singur substrat planar. De exemplu un dispozitiv pentru

transmisiuni cu WDM poate fi construit mpreuna cu 10 laseri ( la diferite lungimi de unda )

cuplati n acelasi substrat. SOA pentru 1550 nm functioneaza n ambele directii si cu olargime de banda optica mare. Suplimentar el are profilul cstigului independent de

polarizare, deoarece utilizeaza o structura cu InP/InGaAsP care furnizeaza un cstig de peste

25 dB. Cstigul obtinut pentru diferite tipuri de OA40B3A are valori de 15 dB, 20 dB si 25

dB pentru saturarea puterii de iesire la - 3 dBm, 2 dBm si respectiv 7 dBm. Cstigul este mai

mic de 0.2 dB pentru cstigul fibrei la 20 dB, iar largimea de banda la 3 dB este mai mare de

40 nm. Se observa ca saturarea puterii de iesire se face la 7 dBm pentru un curent de 200mA. Amplificatorul OA40B3A este proiectat sa furnizeze un cstig constant la valori ridicate

ale puterii la fel ca la sistemele WDM. Structura OA40B3A este bazata pe materiale care19


20/31

reduc dependenta de polarizare, iar iesirea sa micsoreaza reflexiile si liniarizeaza cstigul

reducnd astfel pierderile la 2-3 dB pentru cuplajul cu fibra optica. Suplimentar SOA poate

oferi o alternativa la fibrele care opereaza n ferestrele optice de la 1310 nm si 1550 nm. Ele

pot oferi un cstig de 25 dB, si forma zgomotului are n jur de 6-7 dB peste o largime de

banda de aproximativ 50 nm. Sensibilitatea la polarizare este n jur de 0.5-1 dB. Deci aceste

caracteristici sunt comparabile cu cele obtinute pentru EDFA la 1550 nm si de aceea SOA

pot fi folosite n prelucrarea semnalelor, comutatoare optice, convertoare pentru lungimi de

unda, regeneratoare, la refacerea ceasului pentru retele, amplificatoare de linie si

preamplificatoare. SOA au o sectune centrala a cstigului cuplata la o sectiune pasiva la

capete, furniznd astfel un cuplaj eficient cu fibra optica. Lungimile de unda utilizate pot fi

n afara ferestrei optice pentru EDFA, iar acest lucru face posibila o extindere a benzii.

Variatiile cstigului se produc n functie de variatiile puterii laserului si astfel SOA au

puterile de intrare n functie de curentul de alimentare. Acest lucru face posibila utilizarea

SOA n retelele WDM, deoarece SOA amplifica semnalul direct n interiorul materialului

semiconductor. Alt avantaj este cel legat de fabricarea SOA, proces care este usor de realizat

si cu un cost redus. SOA se poate cupla direct la intrarea sau la iesirea unei fibre optice. SOA

mai pot fi folosite si ca subcomponente ale unor circuite cu unde laser planare cum suntcircuitele integrate fotonice sau ca echivalentul optic al unor tranzistoare pentru ca la baza

principiului de functionare al SOA sta un proces laser. Acest lucru se poate explica prin

faptul ca un curent electric alimenteaza dispozitivul, iar electronii excitati tind sa excite

starile din nivelul fundamental avnd loc astfel tranzitii n care sunt emisi fotoni n exterior.

Procesul este similar cu cel de la EDFA. n laserul standard trebuie sa se utilizeze o lungime

de unda data, dar pentru SOA se pot amplifica simultan mai multe lungimi de unda pentrusemnale care vin, la diferite lungimi de unda. Pentru laserul standard se doreste ca radiatia sa

fie pastrata n cavitate ntre cele doua oglinzi, iar pentru SOA semnalul optic este trimis

direct n cavitate si scos n exterior fara sa fie reflectat napoi n cavitate. Alt avantaj este

legat de faptul ca SOA are dimensiuni foarte mici, dar pentru ca au spectrul larg de operare

neliniar si c sunt limitate la diafonia dintre canale ele nu sunt fabricate pe scara larga ca

amplificatoare optice. Alta varianta pentru SOA are la baza principiul de functionare al uneidiode laser semiconductoare care opereaza perpendicular cu semnalul, ca si laserii cu

suprafata de emisie a cavitatii verticale (VCSEL). Aceasta varianta noua de amplificatoare se20


21/31

numeste amplificator optic linar (LOA). Ele au dimensiuni reduse, costuri de productie mici

si pot fi utilizate retele cu rata mare de transmisia datelor, comutatoare optice si pentru

DWDM. Avantajul consta n faptul ca pot amplifica semnalele care contin mai multe canale

de comunicatii cu DWDM fara diafonie ntre canale. LOA au la baza arhitecturii o cavitate

transversala. Ca si SOA poate fi integrat ntr-un cip. LOA are regiunea de cstig a ghidului

de unda activa, iar intrarea si iesirea unei fibre optice poate fi fcuta la acest ghid de unda.

SOA si LOA cu laser vertical integrat actioneaza asupra regiunii de cstig, iar laserul

liniarizeaz amplificarea si actioneaza ca un circuit optic ultra rapid ca raspuns la schimbarile

din retea. La operare pentru mai multe lungimi de unda ale semnalelor, LOA le amplifica

orizontal n cip direct n radiatia laser prin fotonii pompati vertical.

Figura 4 (a) Cstigul n functie de puterea de iesire pentru LOA, SOA, EDFA si EDWA. (b)

Cstigul n functie de lungimea de unda pentru LOA, SOA, EDFA si EDWA.

Pentru 4(a) se observa ca LOA are un cstig independent de puterea semnalului de intrare

peste ntreaga zona de operare si furnizeaza liniaritatea necesara pentru o legatura de calitate

ntre sistemele de comunicatii optice. EDFA, EDWA si SOA au un profil al cstigului care

scade cu puterea pompata. Pentru un amplificator optic nu trebuie sa existe variatia cstigului

cu puterea de iesire, acest fapt este un proces nedorit pentru amplificatoarele optice. Pentru

SOA profilul cstigului rezulta de la diafonia dintre canale DWDM, iar pentru EDFA profilul

cstigului rezulta de la raspunsul sau lent n timp, atunci cnd este pus sa functioneze ntr-o

retea cu DWDM. Daca exista variatii mici pentru acest profil, EDFA se comporta la fel ca n

cazul n care se adauga sau se scot anumite lungimi de unda si apar astfel variatii mici ale

21


22/31

puterii. Pentru LOA si SOA au acelasi spectru redus pentru cstig de aproximativ 30-50 nm

pentru lungimile de unda. EDFA are un profil al cstigului care nu este redus ca la SOA si

LOA. n aplicatiile pe distante mari EDFA include si un filtru pentru reducerea cstigului

care opereaza n banda de 30 nm. Pentru MAN, EDFA nu utilizeaza acest tip de filtru, dar se

limiteaza la un singur canal sau la aplicatii de banda ngusta. EDWA are un cstig redus, iar

SOA si LOA sunt proiectate sa opereze la orice lungime de unda de la 1300 nm la 1700 nm.

EDFA si EDWA au la baza tehnologia prin care Er3+ sunt limitate sa opereze n zona de la

1530 nm la 1610 nm. Variatia cstigului n functie de puterea de iesire pentru EDFA, EDWA

si SOA poate duce la proiectarea unor retele optice mai flexibile. Numarul de lungimi de

unda utilizate pentru aceste amplificatoare duce la schimbari ale cstigului si ale puterii de

iesire, deci si la variatii nedorite ale puterii. Pentru a compensa aceste variatii ale cstigului

se adauga la amplificator niste circuite electronice care pot sa schimbe puterea de intrare si

saq modifice puterea de pompaj sau sa o atenueze. Aceste dispozitive se numesc atenuatoare

optice variabile (VOA). Ele reduc dar nu elimina aceste variatii.

Performantele LOA si SOA n comparatie cu EDFA si EDWA.

Caracteristici Raman EDFA EDWA SOA LOA

Marime comparabila cu LOA 200 x 100 x 20 x 1 x 1 x

Fara diafonie la rate de date + + + - +

Fara diafonie ntre canale + + + - +

Comutator - - - - +

Spectru larg + - - + +

Integrare n cip - - - + +

Legenda: (+) are are caracteristica, iar(-) nu are caracteristica.

LOA sunt proiectate si pentru aplicatii n MAN sau pentru zona de acces. Ele au avantajul

unei dimensiuni mici si sunt construite cu materiale semiconductoare, deci pot fi integrate.

LOA furnizeaza la rate mici si la rate mari pentru date, o imunitate la diafonie si de aceea ele

pot fi folosite n retelele optice cu DWDM. Suplimentar ele opereaza oriunde n banda optica

de la 1300 nm la 1700 nm. Generatia urmatoare pentru LOA, care se testeaza n prezent,

poate furniza o putere de iesire si are o forma a zgomotului care poate fi aplicata pentruretelele pentru distante mari. Problema cea mai mare este aceea a realizarii LOA, adica a

22


23/31

integrarii VCSEL direct n inima cipului semiconductor cu InP. Rezolvarea a venit de la

firma Genoa Corporation, care a utilizat tehnica de depunere chimica n stare de vapori a

unor elemente metalice si organice (MOCVD) ntr-un reactor si astfel s-a obtinut cresterea

epitaxiala n materialul semiconductor. LOA se pot folosi la preamplificatoare pentru

receptie, la amplificatoare de linie si la partea de transmisie, dar si la compensatoarele pentru

pierderi.De exemplu, G111 poate acoperii toata banda C si poate sa opereze la rate de

transmisie cu 40 Gbit/s pentru retelele DWDM, dar si pentru aplicatii ale sistemelor

SONET/SDH, IP n MAN. SOA nu se pot utiliza pentru semnale de banda larga si la rate

mari de transmisie. Cstigul liniar pentru LOA creaza imunitatea LOA pentru cresterea sau

pentru scaderea numarului de lungimi de unda, dar si imunitatea pentru comutatie. Alte

aplicatii pentru LOA sunt cele n care sunt utilizate Cross-Connect-oare, routere de mare

viteza, multiplexoare optice Add/Drop sau transpondere. Producerea LOA printr-un proces

planar duce la crearea mai multor amplificatoare optice n acelasi dispozitiv dar si integrarea

comuna cu alte componente n acelasi dispozitiv. Ulterior s-au dezvoltat si alte tipuri de

amplificatoare SOA, cum este cel cu cstig stabil GC-SOA. Acest tip de amplificator are

cstigul stabilizat prin introducerea unor oscilatii suplimentare care fac ca densitatea de

informatie transmisa sa nu se modifice. Ele au o liniaritate mult mai buna dect SOA si au oimunitate mai ridicata pentru diafonie. GC-SOA pot fi utilizate pentru retele de transport la

viteze foarte mari si pentru aplicatii de banda larga. Dezavantajul pentru LOA este acela al

introducerii unui semnal secundar n semiconductor, iar cnd se amplifica o lungime de unda

se amplifica si semnalul secundar. Acest lucru este nedorit n amplificatoarele optice si de

aceea trebuie redus acest efect. Alt dezavantaj este cel legat de amplificarea liniara care este

o problema pentru pomaj care teoretic este nelimitat prin cresterea numarului de fotoni sicare duce la crearea unui laser n interiorul amplificatorului care perturba fotonii proveniti de

la semnal, dar pastreaza cstigul constant.

Capitolul 3

3.1 Aplicatii de aplificatoare pe fibra optica dopata

23


24/31

Amplificatoarele optice amplifica radiatia laser incidenta prin emisie stimulata, iar

fibrele optice utilizeaza radiatia laser drept purtatoare pentru transmisia datelor. In timpul

propagarii prin fibrele optice, semnalele optice sufera o serie de distorsiuni fata de forma

initiala pe care o au la intrare in fibrele optice. Principalele efecte sunt: atenuarea, dispersia si

efectele de polarizare. Acestea sunt efecte care reduc capacitatea si distanta de transmisie. De

aceea se urmareste diminuarea acestor distorsiuni prin crearea de noi tipuri de fibre optice si

prin dezvoltarea de noi tehnologii. Pentru a se obtine distante mari de transmisie, sunt

necesare regeneratoare sau amplificatoare optice. Astfel se obtin distante mari intre

emitatoare si receptoare. Regeneratoarele fiind dispuse pe lungimea fibrei refac semnalul si il

retransmit mai departe. Regenerarea semnalului optic este necesara pentru cresterea distantei

de transmisie, dar se poate utiliza si amplificarea optica. In acest caz nu mai este necesara

conversia si amplificarea electrica. Prin amplificare optica se poate creste puterea optica de la

iesirea unui sistem de transmisiuni care are inclus un amplificator optic, cu mai multi dB,

ceea ce inseamna un castig mare. In plus, amplificatorul optic poate fi utilizat ca repetor

optic si nu mai este necesara utilizarea unui regenerator optic suplimentar. Amplificatoarele

optice inlocuiesc amplificatoarele electrice si utilizeaza fibrele optice actuale care sunt deja

instalate. Astfel pentru fibrele optice nu mai sunt necesare investitii suplimentare si decicapacitatea de transmisie poate fi crescuta cu un cost minim. Aplicatiile sistemelor de

comunicatie pe fibre optice necesita una din arhitecturile de baza care tin cont de topologia

utilizata si de cerintele de proiectare. La amplificatoarele optice lungimea legaturii optice

este determinata de puterea pompata in fibra optica, de atenuarea si de dispersia fibrei optice,

cat si de lungimile de unda ale semnalului si ale pompajului. Controlul acestor caracteristici

poate determina un castig maxim in amplificare.Pe masura ce pulsurile luminoase se propagape traseul fibrei optice energia acestora se disipa datorita absorbtiei si imprastierii in

materialul sticlei.Peste o anumita distanta de transmitere numarul de fotoni din cadrul

pulsului luminos devine prea mic pentru a pute fi detectati.Minimum este intre 9 si 40 de

fotoni pe bit , acesta depinzand de metoda de detectie. La o viteza de transmisie de 10 Gb / s,

distanta maxima este de cca 100 - 200 Km. Primul cablu transatlantic are o lungime de 6700

Km si contine 95 de repetitoare electronice. Pe masura ce viteza de transmisie cresterepetitoerele devin din ce in ce mai extinse Comparativ cu acestea, amplificatoarele optice

sunt in general cu rata bit transparenta,pot amplifica simultan semnale cu diferite lungimi de24


25/31

unda si spre deosebire de regeneratoarele electronice sunt insensibile la tipul de modulatie a

semnalului. La inceputul anilor 1980, atentia a fost orientata asupra amplificatoarelor cu fibra

de tip Raman (RFA) si amplificatoare semiconductoare cu laser (SLA). RFA se bazeaza pe

efectul neliniar al imprastierii Raman stimulate-miezul fibrei de sticla ndopat reprezentand

mediul de amplificare.Coeficientul emisiei stimulate este proportional cu densitatea puterii

pompate in miez ; pentru a obtine catiguri rezonabile cu dispozitive laser de pompare

disponibile in mod curent, trebuie sa se foloseasca fie raze de miez mici, fie NA mari

(incompatibile cu fibrele de comunicatii standard).Castigul pentru SLA este dependent de

polarizare si, din cauza timpului de viata scurt al purtatoarei in semiconductoare, SLA sunt

influientate de de distorsiunile de intermodulatie mari precum si de diafonie.

3.2. EDFA in banda L.

Prima generatie de amplificatoare pe fibra optica dopata cu erbium a fost destinata

pentru asa numita banda conventionala banda C : 1530-1560 nm. Avand drept suport sticla

cu aluminiu-siliciu,spectrul cel mai larg si castig plat pentru un EDFA-in banda C se pot

obtine cand populatia la nivel meta-stabil cu lungime mediata este de aproximativ 68 % .

Ideea reconfigurarii EDFA pentru performanta optima la un nivel metastabil, mediu de

inversie de ~ 35 % si astfel sa se obtina alt castig de 40 nm in fereastra 1570 la 1610 nmdateaza din anii 1990, iar in anul 1992 a fost descrisa functionarea la zgomot mic a unui

amplificator cu fibra optic adopata cu erbium in banda cu lungime de unda mare ( banda L =

1570 - 1610 nm).

Comparativ cu EDFA-urile conventionale, EDFA-urile in banda L prezinta coeficient de

castig si eficienta de conversie a puterii mai mici. Principalul motiv pentru aceasta este

castigul ridicat din banda 1530 -1560 nm si cantitatea mare a emisiei spontane amplificate(ASE), generata in apropierea capetelor fibrei. Aceasta ASE este emisa de la fibra dopata cu

erbium (EDF) iar puterea pompata necesara pentru generarea sa este pierduta.

Metodele de imbunatatire a castigului pentru un EDFA in banda L au fost investigate si

verificate experimental, astfel :

- o metoda consta in aplicarea unui reflector de feedbakc ASE pentru a reduce pierderile

de ASE si astfel sa creasca castigul si puterea de iesire; s-a obtinut astfel un castigimbunatatit cu 6 dB la o singura lungime de unda lucrand la 1588 nm;

25


26/31

- o alta metoda foloseste puterea daunatoare a emisiei spontana amplificata in banda

1590 nm ca sursa de pompaj secundara pentru o portiune EDF nepompata;

Configuratii de castig imbunatatit bazate pe acest procedeu, in principiu, pot fi :

a) primul etaj al unui EDFA in banda L nu este pompat din exterior si propagarea spre

inapoi a ASE dezvoltata in al doilea etaj de amplificare (pompat din exterioe) este

utilizata pentru inversia de populatie a primului etaj,

sau

b) etajul al doilea nu este pompat extern si propagare spre inainte a ASE dezvoltata in

primul etaj este utilizata pentru imbunatatirea castigului; s-a obtinut astfel cresterea

eficientei conversiei de putere de la 11,7 % la 25,7 %, cu un factor de zgomot mai

mic de 1 dB.

4. Amplificatoare RAMAN.

Extiderea dramatica a Internetului a determinat dezvoltarea cu o rapiditate fara

precedent a sistemelor de transmisie WDM bazate pe EDFA. Transmisiile WDM utilizeaza

intraga banda de castig EDFA, adica benzile C si L. Tehnologia bazata pe EDFA a atins

limitele superioare ale capacitatii de transmisie.In plus, EDFA reprezinta amplificarecompusa in care exista o limita superioara si una inferioara a nivcelului de semnal din

sistemele de transmisie. Daca semnalul care patrunde in fibra pe un nivel prea superior,

acesta sufera neliniaritate din partea fibrei, in timp ce daca patrunde pe un nivel prea scazut,

acesta receptioneaza zgomot ridicat la urmatorul EDFA. Cresterea rapida a traficului de

comunicatie si dezvoltarea pompajelor cu diode laser semiconductoare compacte, cu de

putere ridicata au impins cercetarile asupra altor tipuri, si anume asupra amplificatoarelor pefibra Raman (RFA). Prin alegerea corespunzatoare a lungimilor de unda si a puterii surselor

de pompaj, RFA pot prezenta pot asigura raporturi largime de banda pe amplificare si

lungime de unda centrala adaptabila mai mari, comparativ cu EDFA.

5.Tehnologii de amplificare in benzile O si S.

Dezvoltarea amplificatoarelor pe fibra optica acoperind noi benzi in completare la C siL, analizate mai inainte, asigura extinderea capacitatii de transmisie pe fibra optica si vor

genera noi aplicatii. De exemplu, banda O (1260 1360 nm) este un domeniu cu dispersie26


27/31

zero pentru fibra optica monomod, ceea ce faciliteaza transmisia semnalelor cu mare viteza

fara efecte de dispersie. Utilizarea benzii S (1460 1530 nm ), care poate fi combinata cu

benzile C si L, poate creste semnificativ numarul de canale si capacitatea de transmisie in

domeniul lungimilor de unda multiplexate ( WDM ) in cadrul retelelor fotonice de cu trasee

medii si lungi. Tehnologiile de ampificare in banda O utilizeaza amplificatoare pe fibra

optica dopata cu praseodymium( PDFA) si tehnologii de ampificare in banda S utilizeaza

amplificatoare pe fibra optica dopata cu thulium (TDFA ) sau cu erbium (EDFA). Nivelele

energetice ale ionului de praseodymium ( Pr3+ ) utilizate pentru amplificare in banda O sunt

prezentate in figura. In aceasta, amplificarea in banda O foloseste tranzitia de emisie

stimulata 1G4 3H5 . Existenta unui alt nivel ( 3F4 ) la 3000 cm-1 sub nivelul ( 1G4 ) al

acestei tranzitii inseamna ca ionul excitat poate rezona cu vibratia franjurilor din fibra dopata

cu Pr3+, avand ca rezultat relaxarea termica fara emisie

( tranzitie non-radiativa).In acest caz, pentru a obtine eficienta in amplificarea aptica, sticla

folosita ca material pentru fibra opticatrebuie sa o faca pe aceasta astfel incat sa impiedice

aparitia tranzitiilor non-radiative. Pentru aceasta se foloseste sticla cu fluorura de indium.In

figura 7(b) este prezentata configuratia unui amplificator pe fibra optica la care miezul fibrei

cu fluorura de indium este dopat cu Pr3+.Folosind ca sursa de pompaj o dioda laser (LD) la980 nm, acest amplificator asigura o buna caracteristica de amplificare, si anume, un castig

de 20 dB sau mai mult, o iesire de 20 dB si un factor de zgomot de 5,5 dB in domeniul

lungimilor de unda 1276-1310 nm. Pentru a realiza un amplificator cu dimensiuni reduse,

trebuie redus diametrul bobinei, lucru ce duce la cresterea presiunii de indoire aplicate asupra

firului, ceeace conduce la micsorarea duratei de viata a acesteia.Fibra cu fluorura are

rezistenta mecanica mai mica decat fibra cu silica, iar diametrul bobinei nu poate fi mai micde 75 mm, pentru a garanta o durata de viata de 25 ani cu o probabilitate de defectare de 10 -

6 . Pentru a compensa aceasta crestere a presiunii de indoire asupra fibrei cu fluorura, a fost

proiectata o noua fibra cu un diametru mai mic de 80 m fata de 125 m cat au fibrele

conventionale. In acest caz, se mentine durata durata de viata de 25 ani ,cu probabilitatea de

defecatre de 10-6 , folosind o bobina cu diametrul de 31 mm, ceeace este la jumatatea

diametrului comventional. Un astfel de amplificator compactizat realizeaza o iesire de 13dBm si un castig de 15 dB sau mai mult in domeniul lungimilor de unda 1287 1318 nm. In

plus, inlocuirea amplificatoarelor conventionale cu acest tip de PDFA ,asigura ulilizarea lui27


28/31

in noi aplicatii cum ar fi ca post-amplificatoare in sisteme de emisie si in canala dev

amplificare optice add / drop ( OADM ).

6. Amplificatoare EDFA in banda S

Ionii de erbium Er3+ pot prezenta emisie simultana si in banda S, iar castig se obtine

prin formare de in versie a populatiei ridicata. Totusi, castigul din banda C esta mai mare

decat cel din banda S, iar efectul oscilatiei laser si emisia spontana amplificata ( ASE ) mare

cre apar in banda C produc o inversie de populatie scazuta. Ca urmare, in general, este dificil

sa se obtina castig mare in banda S. Pentru a se evita efectul oscilatiei laser si ASE se

utilizeaza filtre distribuite in scopul producerii de pierderi in toata gama de aplificare. Acest

fenomen conduce la obtinerea de castig ridicat in banda S. Acest amplificator are un castig

mai mare de 21 dB si un factor de zgomot mai mic de 6,7 dB in domeniul lungimilor de unda

1486 1518 nm.

7. Amplificatoare in banda S+C si un amplificator CWDM

La introducerea unui sistem de transmisie CWDM cu opt canale s-a constatat ca scala

transmisiei este determinata de catre durata pierderilor.Ca urmare,in transmisia CWDM

amplificarea optica trebuie sa actioneza pe un domeniu larg al lungimilor de unda cuprins

intre 1470 si 1610 nm. Cu toate ca tehnologia amplificatorului EDTFA poate acoperi

amplificarea in intr-un sistem cu patru canale in regiunea cu lungime de unda mare (1550

1610 nm ), un TDFA de unul singur este insuficient pentru un sistem cu patru canale culungime de unda scurta, deoarece limita superioara este 1510 nm. Pentru a acoperi aceasta

regiune a fost dezvoltata o tehnologie de amplificare in banda S+C prin conectarea unui

TDFA in serie cu un EDFA in banda S, obtinandu-se amplificare hibrida TDFA-EDFA.

Acest montaj poate asigura o amplificare semnificativa in benzile S si C. Semnalele CWDM

de intrare sunt divizate corespunzator celor pentru domeniul 1470 1530 nm cu patru canale

cu lungime de unda mare. Semnalele cu lungime de unda mica sunt amplificate de catreamplificatorul hibrid TDFA EDFA, iar cele din partea cu lungime de unda mare de catre

amplificatoril de banda larga EDTFA. Dupa amplificare, aceste semnale sunt recombinate si28


29/31

redate la iesire. Cu etajul amplificator hibrid se obtine un castig ridicat ( 80 nm ) in domeniul

extins 1460 1540 nm prin combinarea castigurilor TDFA si EDFA, iar castiggul ridicat din

regiunea 1540 1620 nm se obtine cu etajul EDTFA. Pentru etajul EDFA este necesara o

egalizare de castig mare, mult peste 39 dB. Pentru a suprima orice crestere a factorului de

zgomot produsa de aceasta egalizare, trebuie ca fibra EDTFsa fie divizata in trei sectiuni, iar

intre acestea sa se introduca GEQ. Un castig mai mare de 20 dB si un coeficient de zgomot

mai mic de 8 dB pentru un semnal de intrare de -20 dB / canal x 8 canale.

Concluzie:In aceasta lucrare de an eu am studit am studiat amplificatoarele optice de tip

Raman,Brillouin si fibra optica dopata cu Erbiu.Am vazut cum ele lucreaza si

care este difierenta dintre le,tipurile de amplificator opticecu sunt:

amplifiactoarele de linie ,amplifificaorele de putere la emisie, preamplificatoare

la recepie i pentru compensarea pierderilor de distribuie. Amplificarea Raman

se bazeaz pe mprtierea Raman, cnd un atom absoarbe un foton i elibereaz

un foton cu o energie diferit. Aceast diferen de energie o utilizeaz la

schimbarea strii de vibraie. mprtierea Brillouin stimulat (SBS) este un

efect neliniar care se produce n fibrele optice pentru valori ale puterii de intrare.Folosirea acestor trei sisteme intr-un sisitem aduce niste rezulatate foarte mari

pentru trasmitirea informatiei si pentru telecomunica

29


30/31

Bibliografie:

1.E.Desurvire, Erbium-doped fiber amplifiers: Principles and Applications, John Wiley &

Sons, New Y 1994.

2.C.R.Giles and E. Desurvire, Modelling erbium-doped fiber amplifiers, IEEE, J. Light

Technol., vol. 9, 1991.

3. P. Myslinski and J. Chrostowski, Gaussian mode radius polynomials for modelling doped

fibre amplifiers and lasers, Institute for Information Technology, Ottawa, 1996.

4. D.Marcuse, Loss analysis of single-mode fiber splices, The BellSys. Tech. J., vol. 56,

1977.

5.T.J.Whitley and R Wyatt, Alternative gaussian spot size polynomial for use with doped

fibre amplifiers, IEEE Photon. Technol. Lett., vol. 5, no. 11, 1993.

6.M. Ohashi, Design considerations for an Er-doped fiber amplifiers, J.Lightwave Technol.,

vol. 9, 1991.7.P.C.Becker, N. A. Olsson and J. R. Simpson, Erbium doped fiber amplifiers:Fundamentals

and Technology, Academic Press, 1999.

8.E.Desurvire, Analysis of distributed erbium-doped fiber amplifiers with background loss, J.

Lightwave Technol., vol. 3, 1991.

9. A. A. M. Saleh, R. M. Jopson, J. D. Evankow and J. Aspell, Modelling of gain in erbium-

doped fiber amplifiers, IEEE Photon.Technol. Lett.,vol. 2,no.10,1990.10.G. P. Agrawal, Nonlinear fiber optics, Academic Press, 1995.

Un nou portal informaional!

Dac deii informaie interesant si doreti s te impari cu noi atunci

scrie la adresa de e-mail : [email protected]
mailto:[email protected]:[email protected]


31/31

Amplificatoarele Optice-proiect

Documents

Transcript of Amplificatoarele Optice-proiect