1. Fibrele optice dopate utilizate în sistemele de comunicaţii de mare veteză. fibra dopata cu pamanturi-rare.

Ideea doparii fibrelor optice cu ioni de pamanturi-rare ( Nd3 + ) pentru realizarea de amplificatoare a fost

investigata incepand cu anul 1964. Primele amplificatoare pe fibra erau pompate cu ajutorul lampilor flash si lucrau in mod pulsat.Pe la mijlocul anilor 1980,a fost dezvoltata o tehnologie de depunere a ionilor de pamanturi-rarein fibrele de siliciu mono-mod, iar in 1987 s-a realizat primul EDFA. In 1989 s-au folosit noile diode laser InGaAsP pentru pomparea EDFA la 1480 nm. Ionii de pamanturi-rare cu care este dopat miezul fibrei pot exista in mai multe stari energetice discrete in functie de energia sistemului. Puterea de pompaj a lungimilor de unda corespunzatoare propagandu-se prin miezul fibrei dopate abate sistemul fizic dela echilibrul termic, unde titii ionii sunt lpe nivelul energetic minim. Lungimile de unda pompate trebuie sa corespunda uneia dintre tranzitiile de absorbtie. Asemenea pompaje fac ca o fractiune importanta dintre ioni sa ramana pe nivelul lor energetic ridicat, nivel „meta-stabil”. Pentru a recastiga distributia de echilibru , electronii excitati se reintirc la starea lor de baza fei spontanl, sau acestia pot fi stimulati pentru a face acest lucru cu ajutorul fotonilor incidenti care au exact energia corespunzatoare tranzitiei laser. Populatia nivelului energetic meta-stabil scade exponential cu o constanta de timp numita durata de viata de emisie spontana ( 10 ms pentru Er ). Fotonii emisi spontan au faza si polarizarea aleatoare, se propaga prin fibra in ambele directii si sunt amplificate in acelasi mod ca si fotonii de semnal. In amplificxatorul pe fibra emisia spontana amplificata constituie sursa de zgomot. Emisia stimulata produce fotoni care au aceeasi frecventa, faza, polarizare si directie de propagare ca si fotonii semnal. Datorita absorbtiei de la starea de baza – GSA (signal ground state absorption), unda semnal, pe timpul propagarii pe fibra optica , este atenuata. GSA este proportia din populatia in starea de baza ; pentru a obtine un castig net , populatia cu nivel meta-stabil de marime mediata trebuie sa fie superioara populatiei aflata in starea de baza. In mod obisnuit, un astfel de amplificator pe fibra optica este realizat din urmatoarele componente : fibra dopata cu pamanturi-rare, cuploare dichroice, laseri semiconductoare de pompaj, izolatori si egalizatori de castig. Unele dintre caracteristicile componentelor pe fibra optica care ar avea un impact asupra performantei unui amplificator pe fibra optica sunt : -pamanturile-rare ( tip, concentratie, profil ,etc.)-caracteristicile fibrei optice (matricea sticlei, NA, pierderi, lungime )-laserul de pompaj (lungime de unda si configuratie)-alte absorptii si pierderi prin imprastiere (izolatoare, filtre).Pentru a optimiza performanta unui amplificator pe fibra optica si pentru alegerea corespunzatoare a componentelor sale, devine necesaramodelare cu acuratete a amplificatorului. Pentru a asigura simularile numerice, trebuie mai intai sa se determine experimental proprietatile fundamentale ale ionilor pamanturi-rare incorporati in fibra optica.

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 nm dateaza 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 castig imbunatatit cu 6 dB la o singura lungime de unda lucrand la 1588 nm;

- 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,

saub) 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.

Tehnologii de amplificare in benzile O si S.

Dezvoltarea amplificatoarelor pe fibra optica acoperind noi benzi in completare la C si L, 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 dispersie 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 ( P r

3+ ) 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 P r

3+, 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..Folosind ca sursa de pompaj o dioda laser (LD) la 980 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 mic de 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 µm fata de 125 µm 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 13 dBm 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 lui in noi aplicatii cum ar fi ca post-amplificatoare in sisteme de emisie si in canala dev amplificare optice add / drop ( OADM ).

Amplificatoare pe fibra optica in banda S

Aplificatoarele pe fibra optica dopata cu pamanturi – rare se pot realiza in doua moduri : 1-folosind drept mediu de amplificare o fobra optic adopata cu thulium ( Tm

3+ ) –TDF;2-Folosind un TDFA in banda S , care este un TDFA conventional care are insa domeniul de amplificare extins in banda S. Diagrama nivelului energetic a ionilor de Tm

3+ este prezentata in figura 24(a). Amplificarea in banda S face uz de emisia stimulata intre nivelele 3H4 si 3F4. Pentru a face aceasta amplificare mai eficienta se va utiliza sticla cu fluorura.Aici, nivelul 3H4 superior are un timp de viata fluorescent mai mic decat stratul inferior 3F4.Ca urmare, o inversie de populatie formata in cadrul primului proces de excitatie de la starea fundamentala 3H6

catre nivelul inferior 3F4 si de catre al doilea proces de excitatie care excita ionii acumulati pe nivelul inferior 3F4 spre nivelul superior 3H4. In spectrul de castig TDF apare un varf de castig la 1460 nm intr-o stare ridicata a inversiei de populatie, dar la un nivel de 40% a starii inversiei de populatie, se obtine o amplificare de banda

cu un impuls in centrul benzii S.Pentru a forma o asemenea inversie de populatie relativ scazuta de 40%, trebuie aplicata o metoda specifica pentru doparea fibrei cu ioni Tm

3+ . Adaugarea a circa 6000 ppm de ioni Tm3+

micsoreaza distanta dintre ioni si genereaza o intersectare a acestora si, ca urmare, creste numarul de ioni excitati pe nivelul inferior 3F4. Daca se foloseste un egalizator de castig (gain egalizer-GEA ), se poate obtine un castig superior de 26 dB, o excursie in castig de 0,6 dB si un factor de zgomt de 6 dB sau mai mic in domeniul lungimilor de unda 1480- 1510 nm, prezentand caracteristici de amplificxare excelente. In cazurile prezentate, pentru ambele procese de excitatie s-au folosit diode semiconductoare laser.La utilizarea concreta in practica a unui astfel de amplificator, trebuie asigurat controlul acestuia astfel incat castigul la fiecare lungime de unda a semnalului sa fie fixat; adica orice fluctuatie in castig cauzata de canal si de fluctuatiile termice trebuie sa fie suprimate. Deoarece intr-un EDFA numai doua nivele contribuie la amplificare , un asemenea control poate fi realkizat prin monitorizarea semnalului pentru o singura lungime de unda si prin ajustarea puterii de pompaj astfel incat castigul pentru acel semnal este fixat. Spre deosebire de acesta, intr-un TDFA la obtinerea amplificarii contribuie trei nivele ceeace previne mentinerea constanta a castigului prin metode la fel de simple ca cele din cazul EDFA. Un raspuns la aceasta problema ar fi mentinerea constanta a puterii de pompaj in timp ce se controleaza puterea produsa de o singura sursa de lumina amplasata la interior(care este dedicata monitorizarii unui semnal) astfel incat sa mentina castigul acestui semnal constant. Rezultatul final este obtinerea unui sistem de vcontrol la fel de simplu ca in cazul EDFA. Folosind acest procedeu, se poate obtine o excursie de castig mai mica de 0,6 dB pentru o modificare a semnalului de intrare corespunzand modificarii de la 100 canale la 1 canal.

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.

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 cu lungime 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 catre amplificatorul 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 si 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. Amplificatoare pe ghiduri de unda optice dopate cu ERBIUM – EDWA

Un amplificator pe ghid de unda dopat cu erbium EDWA consta dintr-un ghid de unda realizat pe un substrat de sticla amorfa dopata cu erbium. Atomii de erbium asigura amplificarea in sticla in fereastra fibrei otice 1550 nm. Ghidul de unda insusi este o crestere localizata a indicelui de refractie in sticla optica. Ijn timp au fost

dezvoltate numeroase metode pentru realizarea ghidului de unda in sticla dopata cu erbium. Procesul de realizare a ghidului de unda in sticla dopata cu erbium consta in doua etape principale. Prima etapa consta in pregatirea materialului dopat. Un bloc de sticla este preparat utilizand procedee standard de topire si adaugand erbium sub forma de pudra a oxidului de erbiu. Pentru realizarea de amplificatoare pe ghiduri de unda in sticla dopata cu erbium, in mod curent se folosesc doua tipuri de oxid-sticla : silicat de aluminiu si fosfat de aluminiu. Avantajul principal al acestor sticle consta in aceea ca acestea accepta un nivel de dopare foarte ridicat ( peste 1026 atomi / m3 ), ceeace este de cel putin 100 ori mai ridicat decat pentru sticla siliconica. In timpulm prepararii acestor sticle, trebuie acordata atentie speciala pentru a elimina impuritatile de OH, care ar crea ioni de erbium pompati nerefractivi. A doua etapa consta in realizarea ghidului de unda. Folosind procedeul schimbului de ionii in masa de oxid de sticla sunt realizate canale ghid de unda.Aceste canale sunt apoi arse la cativa microni mai jos fata de suprafata sticlei. Arderea ghidurilor de unda asigura stabilitatea acestora si le optimizeaza performantele. O alta metoda promitatoarede realizare a ghidurilor de unda in fibra optica dopata cu erbium este procedeul de depunere prin pulverizare ( sputering - efect datorit bombardarii catodului cu ioni pozitivi ). In cadrul acestui proces, ionii din masa sticlei sunt scosi sub actiunea ionilor de iradiere. Masa de sticla,folosita drept tinta de pulverizare, formeaza un strat subtire de sticla dopata cu erbium pe o placheta de silice. Dupa un proces de acoperire , pelicula subtire este transformata in canale ale ghidurilor de unda. Aceste canale ghiduri de unda pot suporta moduri limitate superior cu pierderi de propagare moderate cad sunt protejate cu un strat acoperotor. Amplificatoarele EDWA sunt in mod inerent compacte. De exemplu,unul din cele mai mici blocuri de amplificare, prezentand un castig de 15 dB la 1535 nm, este realizat intr-o capsula cu dimensiunile 130 x 11 x 6 mm.Pe langa dimensiuni reduse, EDWA - urile ofera deasemeni un raport pret / performanta mai bun decat EDFA – urile pentru acces si aplicatii in retea metropolitana. Pentru trasee mari de transmisie WDM, unde este necesara performanta superioara, devin necesare mai multe puncte de amplificare EDFA. EDWA mai are avantajul ca mosteneste calitatile fundamentale ale EDFA, cum sunt factor de zgomat scazut, dependenta neglijabila de polarizare si absenta diafoniei intercanalelor. Majoritatea avantajelor intrinseci ale EDWA – urilor provin de la abilitatea acestora de a asigura castig ridicat in trasee optice foarte scurte. Acest castig ridicat in trasee optice foarte scurte se obtine prin amplificarea unor nivele ridicate de dopare a sticlei cu erbium, ceeace maximizeaza creartea de castig mare pe unitatea de lungime. Totusi aici exista si o limitare: cu cat se adauga sticlei mai multi ioni de erbium cu atat acestia devin mai apropiarti ceeace duce la cresterea ”ciorchinilor” formati. Cand sunt excitati, ionii de erbium aceste grupari incep schimbul energetic. Cand acest fenomen apare, ionii de erbium isi reduc eficienta. Punctul critic al acestui proces consta in gasirea compromisului intre nivelul ridicat de dopare cu erbium, care contribuie la realizarea castigului mare pe unitratea de lungime, si efectele parazita a nivelelor de vdopare ridicate care impiedica ionii de erbium sa asigure castig. Stabilirea compromisului este cheia realizarii unui dispozitiv integrat de amplificare optica, fiabil si eficient. Pentru ca un astfel de dispozitiv de amplificare optic asa poata fi utilizat in practica, acesta necesita si alte componente optice cum sunt ; o sursa de pompaj, un multiplexor, filtre, cuploare directionale si adaptoare de mod. Abilitatea de a integra toate aceste functii in cadrul unui singur cip asigura trei beneficii cheie. Fiabilitatea cipului creste deoarece integrarea elimina nevoia imbinarii conectarii) componentelor si, per total, exista o imbunatatire deoarece sunt necesare mai putine etape pe fluxul de fabricatie.

2. Amplificarea optică prin împrăştiere Brillouin stimulată. (SBS)

Împrãştierea Brillouin stimulatã (SBS) este un efect neliniar care se produce în fibrele optice pentru valori ale puterii de intrare mult mai mari decât cele pentru împrãştierea Raman stimulatã. SBS se manifestã prin generarea unei unde Stokes care se propagã în sens invers semnalului emis şi care transportã cea mai mare parte din energia de intrare când se atinge pragul Brillouin. SBS se manifestã prin generarea undelor Stokes joase care variazã de la frecvenţa undei de pompaj incidentã printr-o contribuţie datã de mediul neliniar.SRS în comparaţie cu SBS se poate propaga prin fibra opticã în ambele direcţii, iar deplasarea Stokes ( 10 Ghz) pentru SBS este mai micã cu trei ordine de mãrime în comparaţie cu cea produsã pentru SRS. Pragul puterii de pompaj pentru SBS depinde de lãrgimea spectralã asociatã cu unda pompatã şi poate avea o valoare scãzutã, în jur de 1mW pentru laserii cu undã continuã pentru pompaj sau pentru impulsuri largi de pompaj, cu lãrgimea mai mare de 1 s. În contrast pentru multe cazuri, SBS se produce pentru impulsuri scurte de pompaj, cu lãrgimea mai micã de 10 ns. Diferenţele dintre cele douã tipuri de efecte sunt date de faptul cã la SBS participã fononii acustici, iar la SRS participã fononii optici. Procesul SBS poate fi descris clasic ca o interacţiune parametricã între unda pompatã, unda Stokes şi unda acusticã. Unda pompatã generazã unde acustice prin

procese electrice care au ca efect o modulaţie periodicã pentru indicele de refracţie. Pompajul induce o variaţie a indicelui de refracţie şi se împrãştie prin difracţie Bragg. Împrãştierea radiaţiei este micã în domeniul frecvenţelor pentru cã variaţia Doppler asociatã influenţeazã viteza acusticã A. Acest proces de împrãştiere, poate fi tratat cu ajutorul mecanicii cuantice, dacã anihilarea unui foton pompat creazã simultan un foton Stokes şi un fonon acustic.

Dacã se considerã valori tipice pentru fibrele cu silice se obţin valori mai mari comparativ cu cele obţinute pentru coeficientul de câştig Raman. De exemplu, dacã se considerã gB 5 x 10-11 m/W se obţin valori mai mari cu trei ordine de mãrime la p = 1.55 m, comparativ cu cele pentru Raman.

Figura 1. Spectrul de câştig Brillouin la p = 1.525 m pentru: (a) fibrã opticã cu miez din silice, (b) fibrã opticã cu înveliş redus şi (c) fibre optice cu dispersie deplasatã. Scala pe verticalã este arbitrarã.

În figura 1 este reprezentat spectrul de câştig pentru trei fibre optice diferite, care au structuri şi niveluri de dopare diferite pentru Germaniu în miezul fibrei optice. Mãsurãtorile s-au efectuat utilizând un laser cu semiconductori, cu cavitatea externã care opereazã la 1.525 m şi folosind tehnica de detecţie cu heterodinã la 3 MHz rezoluţie. Fibra (a) are un miez cu silice pur, adicã concentraţia de Germaniu este de aproximativ 0.3 % pe mol.Schimbul Brillouin mãsurat B 11.25 GHz, verificã ecuaţia (24 din raportul anului I) pentru aceastã fibrã opticã dacã se utilizeazã viteza acusticã valabilã pentru volume cu silice. Schimbul Brillouin se reduce pentru fibrele optice (b) şi (c) cu aproximativ inversul dependenţei la concentraţia pentru Germaniu. Fibra (b) are o structurã cu douã vârfuri, asociatã cu spectrul Brillouin care trebuie sã rezulte pentru distribuţia neomogenã de Germaniu din miez. Se pot obţine şi trei vârfuri pentru spectrul Brillouin, iar acestea rezultã de la diferenţele vitezelor acustice din miezul şi din învelişul fibrelor optice.Dacã lãrgimea impulsului devine mult mai micã decât timpul de viaţã al fononului, adicã T0 < 1 ns, câştigul Brillouin scade sub câştigul Raman.Pentru un pompaj cu undã continuã (cw) sau cvasicontinuã, câştigul Brillouin se reduce dacã lãrgimea sa spectralã p

este mai mare decât B. Acest lucru se poate produce dacã avem un pompaj în fibre optice multimod sau pentru un pompaj în fibre optice monomod a cãrui fazã variazã rapid într-o perioadã de timp mai scurtã decât cea a timpului de viatã al fononului TB.Deasemenea, câştigul Brillouin sub condiţia de pompaj pentru bandã largã, depinde de mãrimea relativã a lungimii coerente pentru pompaj. Lungimea de interacţiune Lint pentru SBS, este definitã de distanţa peste care amplitudinea Stokes variazã foarte mult.Dacã Lcoh >> Lint, procesul SBS este independent de structura modului de la laserul pompat, care furnizeazã o spaţiere între moduri care depãşeşte B, iar câştigul Brillouin este acelaşi ca cel pentru laserul monomod dupã câteva lungimi de interacţiune. Câştigul Brillouin este redus dacã Lcoh << Lint, iar acest lucru se poate aplica la fibrele optice unde lungimea de interacţiune este comparabilã cu lungimea L a fibrei optice.

Similar ca la SRS pentru utilizarea SBS în fibrele optice sunt necesare interacţiuni între undele de pompaj şi undele Stokes. Dacã aplicãm condiţiile pentru regimul staţionar la pompajul cu undã continuã (cw) sau cvasicontinuã, atunci se obţin ecuaţii cuplate în intensitate similare cu cele din cazul SRS. Diferenţa constã în semnul lui dIs/dz, care trebuie schimbat la propagarea inversã pentru undele Stokes, dar cu pãstrarea undei de pompaj. Se fac câteva simplificãri: pentru valori relative mici ale schimbului Brillouin, rezultã p s, iar pentru pierderile din fibrele optice se considerã aceleaşi unde pentru pompaj şi pentru Stokes, rezultã p s = .

Pierderile din fibra opticã se presupune cã sunt neglijabile, adicã L = 0.1. Câştigul Brillouin la g0L = 10 corespunde la un câştig nesaturat al amplificatorului, adicã exp[10] 2.2 x 104. Deoarece are loc scãderea pompajului atunci câştigul net este mic. Între 50 % si 70 % din puterea pompatã este transferatã la puterea Stokes pentru bin = 0.001 şi respectiv 0.01. Transferul de putere are loc doar în primii 20 % din lungimea fibrei optice. În figura 7 este reprezentatã saturarea câştigului. Este reprezentat G s/GA în funcţie de GAbin pentru

diferite valori ale lui GA. Câştigul saturat se reduce cu un factor de 2 sau de 3, pentru GAbin 0.5 când GA este cuprins între 20 dB şi 30 dB.Aceastã condiţie este îndeplinitã când puterea semnalului amplificatã devine aproximativ 50 % din puterea de pompaj de la intrare. Valorile tipice pentru puterea pompatã sunt de 1 mW, iar puterea saturatã pentru amplificatoarele Brillouin este de 1 mW, în schimb amplificatoarele Raman pe fibre optice au valoarea puterii saturate la 1 W.

Câştigul Brillouin al unei fibre optice poate fi utilizat la amplificarea unui semnal slab a cãrui frecvenţã se schimbã de la frecvenţa de pompaj printr-o cantitate egalã cu schimbul Brillouin B. Pentru profilul câştigului Brillouin B 100 MHz, lãrgimea de bandã a amplificatorului este în general sub 100 MHz, iar pentru amplificatoarele Raman pe fibre optice lãrgimea de bandã este în jur de 5 THz. Din acest motiv amplificatoarele Brillouin pe fibre optice nu sunt utilizate ca amplificatoare şi produc doar câţiva mW pentru puterea pompatã.Creşterea exponenţialã se produce doar dacã amplificarea puterii semnalului rãmâne sub nivelul puterii saturate. Amplificatoarele Brillouin pe fibrã opticã pot furniza un câştig de 20-40 dB la o putere pompatã de câţiva mW. Lãrgimea de bandã, care tipic este < 100 MHz, se poate utiliza în diferite aplicaţii pe fibrã opticã ce necesitã o amplificare selectivã a unei benzi înguste pentru spectrul semnalului incident. Pentru aplicaţii care necesitã un câştig constant peste o bandã largã de frecvenţe, adicã 100 MHz, frecvenţa laserului de pompaj poate fi modulatã utilizând un modulator extern. Lãrgirea benzii este deci realizatã doar prin reducerea valorii de vârf pentru câştig, iar puterea pompatã care este necesarã creşte pentru aceeaşi valoare a câştigului. De aceea, interesul pentru utilizarea amplificatoarelor Brillouin pe fibre optice a scãzut pentru cã au fost introduse EDFA pentru sistemele de comunicaţii optice.SBS nu are legãturã cu amplificatoarele optice dacã lungimea fibrelor optice este mai micã de 10 m, pentru cã pragul Brillouin se realizeazã foarte greu. Totuşi, SBS poate fi un factor major de limitare pentru amplificatoarele pe fibre optice distribuite, în care amplificarea se produce la lungimi > 10 km ale fibrelor optice dopate. Aplicaţia cea mai importantã este când SBS este folosit la amplificatoarele care fac parte din sistemele optice de comunicaţii.Dacã în ecuaţiile (29) şi (30) se înlocuieşte parametrul pentru pierderi din fibra opticã cu câştigul sau dacã este negativ, atunci undele de pompaj şi undele Stokes împreunã au câştigul destul de mare cât sã acopere pierderile din fibra opticã. De asemenea, pragul SBS se reduce drastic, sub valoarea de 10 W. Dacã sunt utilizate SBS în cascadã sunt generate unde Stokes de ordin superior. În practicã amplificatoarele Brillouin limiteazã câştigul pentru amplificatoarele pe fibre optice distribuite la valori foarte mici (< 1 dB/km). Alte aplicaţii sunt cele în care SBS sunt utilizate pentru laseri sau pentru senzori pe fibre optice. Pragul Brillouin poate avea valori mici ( 1 mW) pentru sisteme de comunicaţii optice la 1.55 m, iar pierderile din fibrele optice pot fi scãzute cu ajutorul SBS, adicã 0.2 dB/km. De aceea este important pentru proiectarea unui sistem de comunicaţii optice sã se ţinã seama şi de SBS.Pentru amplificatoarele Brillouin utilizate în benzii scurte se poate obţine amplificarea la valori scãzute ale puterii pompate. Este deci posibil sã se creascã distanţa de transmisie sau spaţierea dintre repetoare, dacã un laser cw la o lungime de undã bine definitã, este pompat în direcţia opusã la modularea semnalului.Altã posibilitate este de a utiliza amplificarea Brillouin este cea din cazul în care are loc creşterea sensibilitãţii receptoarelor. Dacã un amplificator Brillouin pe fibrã opticã este utilizat ca preamplificator la receptor, performanţele pot fi limitate de SBS. Factorul de zgomot al amplificatoarele Brillouin pe fibrã opticã este foarte mare ( 100), pentru cã o mare parte din populaţia de fononi acustici [-kT/hB] este la temperatura mediului ambiant.Lãrgimea micã a liniei spectrului de la profilul câştigului Brillouin poate fi un avantaj pentru amplificarea selectivã a unei benzi înguste de spectru a semnalului, de aceea amplificatoarele Brullouin sunt cele mai utilizate în bandã îngustã. Principiul de bazã este similar cu cel de la detecţia homodinã, cu deosebirea cã amplificarea are loc pentru semnal.

Altã aplicaţie pentru bandã îngustã, este cea ascociatã cu spectrul de câştig Brillouin care poate fi utilizat ca un filtru optic trece bandã îngustã pentru selectarea de canalele din sistemele optice de comunicaţii multicanal. Dacã spaţierea dintre canale este mare, dar rata biţilor este mai micã decât lãrgimea de bandã B, laserul pompat poate trece sã amplifice selectiv un canal paricular. Un avantaj al utilizãrii amplificatoarelor Brillouin pe fibre optice este cel legat de scãderea interferenţelor dintre canalele unui sistem optic de comunicaţii cu mai multe canale optice.

3.4. Amplificarea optică prin împrăştiere Raman stimulatã (SRS)

Împrãştierea Raman stimulatã SRS, limiteazã performanţele sistemelor optice de comunicaţii cu mai multe

canale pentru transmisie, prin transferul de energie de la un canal la canalele vecine şi induce diafonia Raman între canalele de transmisie. În efectele neliniare care apar în fibrele optice, împrãştierea Raman spontanã ocupã în jur de 10-6 din puterea incidentã a unui fascicul optic la altul, printr-o schimbare a frecvenţei determinatã de modurile de vibraţie ale mediului. Acest efect se numeşte efectul Raman şi este descris de mecanica cuanticã ca fiind împrãştierea unui foton incident faţã de o moleculã care face o tranziţie între douã poziţii de vibraţie la o frecvenţã micã a fotonului. Laserul incident acţioneazã ca un pompaj pentru generarea radiaţiei la schimbarea frecvenţei şi se numeşte undã Stokes. Împrãştierea Raman are diverse aplicaţii la procesele de emisie şi de absorbţie, cât şi la procesul de amplificare. Amplificarea Raman se bazeazã pe împrãştierea Raman, când un atom absoarbe un foton şi elibereazã un foton cu o energie diferitã. Aceastã diferenţã de energie o utilizeazã la schimbarea stãrii de vibraţie. Procesul poate sã creascã sau sã scadã energia de vibraţie a atomilor, dar efectul este puternic dacã se face conversia energiei fotonilor de la intrare în energie de vibraţie, care poartã numele de fonon. Deci atomul elibereazã un foton cu energie mai micã decât laserul de la intrare şi amplificatoarele Raman depind de schimbul Raman la lungimi de undã mari şi de energii mici ale fotonilor. Tranziţiile la starea de vibraţie nu sunt fãcute brusc şi intervalul de acoperire pentru energie depinde de material. SRS se poate produce când un pompaj puternic şi un semnal slab la o lungime mare de undã, trec simultan prin material. Pompajul puternic excitã atomii, iar fotonii de la lungimea de undã a semnalului pot sã stimuleze şi sã emitã energia lor ca un foton suplimentar la lungimea de undã a semnalului. Aceastã împrãştiere Raman stimulatã amplificã semnalul de intrare similar cu emisia stimulatã la atomii de erbium care amplificã semnalul în EDFA. Câştigul Raman se obţine de la lungimea de undã pentru pompaj prin schimbarea frecvenţei, provenitã de la excitarea de vibraţie şi care este caracteristicã materialului, iar la schimbarea lungimii de undã pompate se schimbã direct lungimea de undã amplificatã. Deci, împrãştierea Raman şi spectrul ei depind de material.De exemplu, pentru silice câştigul Raman este cu 13 THz mai mic decât frecvenţa de pompaj corespunzãtoare la o lungime de undã cu 100 nm mai mare decât cea de pompaj de la 1550 nm. Aceastã caracteristicã a amplificãrii Raman se poate folosi la amplificatoarele Raman care pot fi utilizate la lungimi de undã specifice care includ benzi ale spectrului optic unde alte tipuri de amplificatoare nu funcţioneazã. Din acest punct de vedere în anumite benzi ale spectrului optic, amplificatoarele Raman sunt preferate în locul celor de tipul EDFA sau al altor tipuri de amplificatoare.

Împrãştierea Raman stimulatã este un proces neliniar şi secţiunea sa transversalã este scãzutã şi depinde de densitatea puterii optice. Deci pentru valori mari ale puterii pompate sunt necesare distanţe mari de transmisie prin fibrele optice monomod pentru a se obţine valori semnificative ale câştigului şi pentru a se atinge pragul de amplificare Raman. Acest lucru conduce şi la creşterea zgomotului Raman datorat imperfecţiunilor din fibra opticã. Lãrgimea de bandã pentru câştig în domeniul lungimilor de undã poate fi controlatã simplu prin fixarea lungimii de undã pentru pomaj, dar amplificarea Raman se poate obţine în fiecare regiune a ferestrei de transmisie din fibra opticã. Deci amplificarea Raman depinde de puterea surselor de pompaj pentru lungimile de undã la care se lucreazã. La o lungime micã a amplificatorului coeficienţii neliniari au valori scãzute în comparaţie cu cel de amplificare, iar împrãştierea Raman stimulatã este foarte scãzutã în comparaţie cu emisia stimulatã a ionilor de Er3+ care poate fi neglijatã.

Câştigul Raman obţinut în fibrele optice cu silice, se întinde peste o bandã de 40 THz pentru frecvenţe, cu valoarea de vârf la 13 THz. Acest lucru este evidenţiat şi de natura necristalinã a fibrelor optice cu silice. În materialele amorfe, frecvenţele de vibraţie moleculare acoperã aproape întreaga bandã şi creazã benzi continue. Deci aceste fibre optice au un câştig Raman extins peste o bandã largã şi ele pot fi utilizate ca amplificatoare de bandã largã. Se considerã un laser cw pentru pompaj, care se propagã prin fibra opticã la frecvenţa p. Dacã frecvenţa semnalului este s ea poate fi amplificatã deoarece câştigul Raman este mare pentru diferenţa de frecvenţe p - s care trece prin lãrgimea de bandã pentru spectrul câştigului Raman. Dacã se utilizeazã doar pompajul incident de la capãtul fibrei optice, împrãştierea Raman spontanã produce un semnal slab care acţioneazã ca un amplificator. Împrãştierea Raman spontanã genereazã fotoni în toatã lãrgimea de bandã a spectrului de câştig Raman. Deci toate componentele frecvenţelor din acest spectru sunt amplificate. În cazul fibrelor optice cu silice purã, gR are o valoare maximã la componenta frecvenţei pentru cã frecvenţa de pompaj scade cu 13.2 THz. Ea creşte când puterea pompatã depãşeşte valoarea de prag. Aceastã creştere este exponenţialã. Deci SRS genereazã undele Stokes dacã frecvenţa este determinatã de câştigul Raman, iar frecvenţa aceasta se numeşte de deplasare Raman sau de deplasare Stokes. Pentru EDFA cu un câştig mediu, care este repartizat de-a lungul unei concentraţii scãzute a elementului dopant din fibra opticã pe mai mulţi zeci de kilometri, SRS devine comparabil cu câştigul EDFA şi afecteazã câştigul total şi spectrul amplificatorului. Dezavantajul amplificãrii Raman este acela cã la obţinerea unui câştig semnificativ este necesarã o putere mare de pompaj. Se pot estima pragul Raman şi coeficientul de câştig Raman. Pentru determinarea spectrului de câştig Raman se considerã cazul unui laser cu undã continuã (cw) sau cvasicontinuã. Aplicaţiile SRS pentru

fibrele optice sunt diverse, cum sunt cele legate de laserii şi de amplificatoarele care au la bazã efectul Raman. Deci fibrele optice pot fi utilizate la amplificarea unui semnal slab dacã semnalul se propagã împreunã cu un pompaj puternic, a cãrei lungime de undã strãbate lãrgimea de bandã a spectrului de câştig Raman. În configuraţia de pompaj, înaintea fibrei optice, pompajul se propagã cu semnalul în aceeaşi direcţie ca şi în propagarea comunã din cazul pompajului înapoi. Pentru utilizarea unor valori standard ale parametrilor anteriori, adicã pentru: gR = 1 x 10-13 m/W, Leff = 100 m şi Aeff = 10 m2, semnalul este amplificat considerabil pentru P0 1 W. Datele experimentale sunt obţinute 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 obţinut aceleaşi valori cu cele teoretice. Factorul de amplificare GA creşte exponenţial în faza iniţialã cu P0, dar se abate de la aceastã creştere pentru P0 > 1 W. Acest lucru duce la saturarea câştigului, pentru cã are loc scãderea pompajului. Pentru valori uzuale ale lui P0, adicã P0 1 W, puterea saturatã din amplificatoarele Raman pe fibrã opticã este mult mai mare decât cea obţinutã în cazul amplificatoarelor ce au la bazã laserii cu semiconductori şi P0 1 mW. Aplificatoarele Raman pe fibre optice pot sã amplifice uşor semnalul cu un factor 1000, adicã cu 30 dB pentru o putere pompatã de aproximativ 1 W. Pentru configurãri se folosesc fibrele optice monomod în care se efectueazã pompajul înaintea fibrei optice sau ambele tipuri de pompaj, adicã înainte şi înapoi în fibra opticã pentru laserii cu semiconductori. Astfel, se pot obţine câştiguri nesaturate la 21 dB pentru o putere pompatã de aproximativ 1 W. Câştigul amplificatorului are aceleaşi tipuri de configuraţii pentru pompaj, deoarece procesul SRS are o naturã izotropicã. Pentru dezvoltarea optimã a amplificatoarelor Raman pe fibre optice, se utilizeazã fibrele optice cu silice, iar diferenţa pentru frecvenţele de la undele de pompaj şi de semnal trebuie sã corespundã la valoarea maximã a câştigului Raman de aproximativ 13 THz. Aplicaţia cea mai importantã a amplificatoarelor Raman pe fibre optice este cea când ele sunt utilizate ca preamplificator, înainte ca semnalul sã fie detectat şi recepţionat de un sistem optic de comunicaţie.

Din rezultate experimentale se demonstreaza cã raportul semnal/zgomot la receptor este determinat de radiaţia Raman amplificatã spontan care însoţeşte procesul de amplificare. O parte din energia pompatã este spontan convertitã în radiaţie Stokes peste întreaga lãrgime de bandã a spectrului de câştig Raman, pentru cã împrãştierea Raman spontanã este amplificatã simultan cu semnalul.Deci în zona de ieşire la semnalul util se adaugã zgomotul de fond care are o bandã de frecvenţe în jur de 10 THz. Cu aceste ipoteze este posibil sã se obţinã o expresie analiticã pentru amplificarea puterii spontane în aproximarea de scãdere a pompajului.Pentru practicã, cantitatea de interes se numeşte raport on/off şi se poate defini ca fiind raportul dintre puterea semnalului şi puterea de pompaj, când puterea de pompaj este zero. Acest raport poate fi mãsurat experimental, iar rezultatele pentru un pompaj la 1.34 m dau un raport de aproximativ 24 dB pentru linia Stokes de ordinul întâi de la 1.42 m, dar scade la aproximativ 8 dB când linia Stokes de ordinul întâi este folositã ca amplificator pentru semnalul de la 1.52 m. Similar acest raport poate fi mic ca valoare pentru configuraţia de pompaj înapoi, în comparaţie cu cea de pompaj înainte. În general acest raport poate fi îmbunãtãţit, dacã capãtul fibrei optice este prevãzut cu un filtru care lasã sã treacã semnalul şi care reduce lãrgimea de bandã a zgomotului spontan amplificat. Se pot dezvolta amplificatoare Raman dacã lãrgimea sa de bandã este extinsã cu 5 THz sau mai mult. El poate fi folosit la amplificarea simultanã a mai multor canale dintr-un sistem optic de comunicaţii cu mai multe canale. Extinderea lãrgimii de bandã pentru amplificatoarele Raman pe fibre optice face posibilã şi amplificarea impulsurilor optice scurte. O aplicaţie este cea în care amplificatoarele Raman sunt utilizate pentru transmiterea de impulsuri la solitoni peste distanţe foarte mari, de aproximativ câteva mii de km.Acest fapt poate conduce la înlocuirea amplificatoarelor Raman pe fibre optice cu amplificatoare pe fibre optice dopate cu Er3+, pentru cã amplificatoarele Raman necesitã un pompaj cu o valoare mare la acoperirea unor distanţe foarte mari şi pentru cã acest lucru nu este posibil la laserii cu semiconductori care sunt compacţi.

Altã aplicaţie este cea în care sunt folosite EDFA împreunã cu amplificatoarele Raman pe fibre optice pentru obţinerea unor caracteristici superioare la reţele existente pe fibrele optice, cât şi la dezvoltarea fibrelor optice cu dispersie deplasatã şi la reducerea efectului de împrãştiere Raman stimulatã SRS. Un dezavantaj al SRS este acela cã pentru un sistem optic, canalele de lungime de undã scurte pot acţiona ca un pompaj pentru canalele de lungime de undã mare şi pot transfera o parte din energia impulsului la canalele vecine. Acest fenomen poartã numele de diafonie între canalele optice şi poate influenţa considerabil performanţele sistemului optic. De aceea, în prezent se încearcã reducerea acestor fenomene. Acest lucru este foarte complicat pentru sistemele cu mai multe canale optice pentru cã SRS afecteazã numãrul de canale şi spaţierea dintre ele.