amplificatoare optice cu semiconductori

7/29/2019 Amplificatoare Optice cu Semiconductori

1/61


2/61

2


3/61

3

Cuprins

INTRODUCERE

1 Nevoia de amplificare optica.......................................................11

2 Scurt istoric al amplificatoarelor optice cu semiconductori....133 Clasificarea amplificatoarelor optice.........................................14

3.1 Amplificatoare Raman.........................................................16

3.2 Amplificatoare optice cu fibra din material plastic......18

3.3 Amplificatoare optice cu fibra dopata cu Erbiu......19

3.3.1 Amplificarea optica....21

3.3.2 Amplificarea emisiei spontane.......23

3.4 Amplificatoare optice cu fibra dopata cu Praseodimiu....25

3.5 Amplificatoare optice cu fibr dopat cu Neodimiu......25

3.6 Amplificatoare optice cu fibr dopat cu Tuliu.....26

4 Comparatie intre SOA si OFA...................................................26

CAPITOLUL 1 AMPLIFICATOARE OPTICE

1.1 Motivele folosirii amplificatoarelor optice.............................28

1.2 Castigul optic.............................................................................301.3 Castigul si largimea de banda a amplificatorului..................31

1.4 Saturatia castigului...............34

1.5 Zgomotul amplificatoarelor optice..37

1.6 Aplicatii ale amplificatoarelor optice......................................39


4/61

4

CAPITOLUL 2 AMPLIFICATOARE OPTICE CU

SEMICONDUCTORI

2.1 Descrierea SOA.........................................................................41

2.2 Principiul functionarii unui SOA............................................42

2.3 Clasificarea SOAs.....................................................................44

2.3.1 Fabry-Perot SOA..46

2.3.2 TWA SOA....54

2.4 Castigul si largimea de banda a unui SOA.............................55

2.5 Sensibilitatea polarizarii...59

2.6 Saturatia castigului a unui SOA..60

2.7 Zgomotul unui SOA..................................................................60

2.8 Efecte dinamice.........................................................................61

2.9 Neliniaritatea.

61

CAPITOLUL 3 PREZENTAREA UNOR SOA

COMERCIALE..................................................62

CONCLUZII.....................................................................................72

BIBLIOGRAFIE...............................................................................74


5/61

5

Lista de acronime

ASEAmplified Spontaneus Emission = emisie spontana amplificata

BERBit Error Rate = rata de eroare de bit

DBRDistributed Bragg Reflector = reflector Bragg distribuit

DCFDispersion Compensating Fibers = fibre compensatoare de dispersie

EDFAErbium Doped Fiber Amplifier = amplificator din fibra optica dopata cu erbiu

ESAExcited State Absorbtion = absorbtie de stare excitata

FOTBFiltru Optic Trece Banda

FP-SOAFabry-Perot Semiconductor Optical Amplifier = amplificator optic cu

semiconductori Fabry-PerotFPA - Fabry-Perot Amplifier = amplificator Fabry-Perot

FRAFiber Raman Amplifier = amplificator Raman din fibra optica

FSRFree Spectral Range = domeniu spectral liber

FWHMFull Width at Half Maximum = largimea la semiinaltime

NDFANeodimium Doped Fiber Amplifier = amplificator din fibra dopata cu neodimiu

NTWANearTravelling Wave Amplifier = aproape amplificator cu unda calatoare

OFAOptical Fiber Amplifier = amplificator din fibra opticaPCFPower Conversion Efficiency = eficienta de conversie a puterii

PDFAPraseodimium Doped Fiber Amplifier = amplificator din fibra dopata cu

praseodimiu

PICPhotonic Integrated Circuit = circuit fotonic integrat

PMMAPolyMethyl MethylAcrylate

RSZRaport Semnal-Zgomot

SOA - Semiconductor Optical Amplifier = amplificator optic cu semiconductoriSRSStimulated Raman Scatering = dispersie Raman stimulata

TDFA - Tulium Doped Fiber Amplifier = amplificator din fibra dopata cu tuliu

TETransversal Electric

TMTransversal Magnetic

TW-SOA - Travelling Wave Semiconductor Optical Amplifier = amplificator optic cu

semiconductori cu unda calatoare

TWA - Travelling Wave Amplifier

REDFARare Earth Doped Fiber Amplifier=amplificator din fibra dopata cu pamanturi rare

ZBLANZiconiu Bariu Lantan Aluminiu Natriu


6/61

6


7/61

7

INTRODUCERE

1. Nevoia de aplificare optica

Comunicaiile pot fi n linii mari, definite ca un transfer de informaii de la un punct la

altul. n comunicaiile cu fibra optica, acest transfer se realizeaz prin utilizarea luminii ca

informaie purtatoare. S-a inregistrat o cretere exponenial n tehnologia comunicatiilor cu

fibra optica n ultimii douzeci i cinci de ani. Aceast cretere a fost posibila prin

dezvoltarea de noi tehnologii optoelectronice, care pot fi utilizate pentru a exploata

potenialul enorm de latime de banda a fibrei optice. Astzi, sunt sistemeoperaionale care

funcioneaz la o rata de bit mai mare de 100 Gb / s. Astfel de sisteme de mare capacitate

exploateaza largimea benzii fibrei optice prin multiplexarea lungimii de und.

Tehnologia optic este dominanta in comunicatii la nivel global. De asemenea, este

esenial pentru realizarea de reele viitoare, care vor avea capabilitile solicitate de ctre

societate. Aceste capabiliti includ sevicii de comunicatii de aproape orice fel, cu banda

nelimitata precum i transparena total. Multe din progresele facute n domeniul reelelor

optice au fost posibile datorita de apariiei amplificatorului optic.

n general, amplificatoarele optice pot fi mprite n dou clase: amplificatoare cufibra optica i amplificatoare cu semiconductori (SOA). Datorita avansurilor facute in

domeniul tehnicilor de fabricatie a semiconductoarelor optice, mai ales n ultimii ani, exista

premisele folosirii tot mai des a amplificatoarelor optice cu semiconductori in evolotia

retelelor de comunicatii optice.

Fibr optic este limitata de 2 factori principali: atenuare i dispersie. Atenuarea duce

la pierderea de putere de semnal, care limiteaza distanta de trasmisie. Dispersia n esen,

limiteaza limea de band a fibrei. Spectrul de atenuare al fibrei optice de dioxid de siliciu,este prezentat n figura 1. Se observa un minim in regiunea lungimii de und de 1.55 m.

Atenuare are o valoare mai mare in regiunea de 1.3 m. In figura 2 este prezentat spectrul

dispersiei unei fibre optice de dioxid de siliciu. Se observa ca avem un minim in jurul valorii

de 1.3 m. Pentru c valorile minime pentru atenuare si dispersie de material sunt 1.55 mi

1.3 m acestea sunt principalele lungimi de und folosite n sistemele de comunicaii cu fibre

optice comerciale. Pentru legaturile de scurta distanta sunt folosite si sisteme de comunicatii

care au o lungime de unda de 830 nm. Acestea, de obicei, nu necesit amplificare optica.


8/61

8

Fig. 1 Spectrul atenuarii unei fibre optice de dioxid de siliciu

Fig. 2 Spectrul dispersiei unei fibre optice din dioxid de siliciu

Pentru ca atenuarea si dispersia semnalului cresc pe masura ce lungimea fibrei optice

creste, la un moment dat este necesar ca semnalul optic sa se regenereze. Regenerarea 3R

(reshaping-retiming-retransmission) implic detectarea (conversie foton-electron),

amplificarea electrica, resincronizarea, modelarea pulsului i retransmisia (conversie

electron-foton).Aceast metod are o serie de dezavantaje. n primul rnd, ea implic ruperea legturii

optice i deci nu este optic transparenta. n al doilea rnd, procesul de regenerare este

lungime de unda (m)

atenuare(dB/km)

lungime de unda (m)

dispersie(psnm-1km

-1)


9/61

9

dependent de formatul semnalului modulat i de rata de bit deci nu este transparent electric.

Aceasta, la rndul su, creeaz dificulti n cazul n care conexiunea trebuie s fie upgradata.

Ideal este ca modificarile ulterioare sa se faca numai la echipamentele terminale (emitor sau

receptor). n al treilea rnd, din cauza ca sistemele de regenerare sunt complexe i adesea,

situate in locatii greu de accesat, este dificil accesul la locaie, cum este cazul conexiunilor

submarine, astfel fiabilitatea reelei este afectat.

Amplificatoarele optice pot fi, de asemenea, utile ca amplificatore de putere, de

exemplu, pentru a compensa pierderile in reelele optice de distribuie, ct i ca un

preamplificator optic pentru a mbunti sensibilitatea receptorului. Imbunatairile realizate

cu amplificatoare optice, in retelele de comunicatii, au dus la noi oportunitati de exploatare a

largimii de banda a fibrei optice.

Exist dou tipuri de amplificator optic: cu semiconductori (SOA) si cu fibra optica

(OFA) [1-6]. n ultima vreme acesta din urm este mai des folosit. Cu toate acestea,

amplificatoarele optice cu semiconductori au atras un real interes pentru a fi utilizate ca

amplificatoare de baz, ca elemente n reelele optice de comunicaii i dispozitive de

prelucrare a semnalului optic.

Pentru ca atenuarea si dispersia semnalului cresc pe masura ce lungimea fibrei optice

creste, la un moment dat este necesar ca semnalul optic sa se regenereze. Regenerarea 3R

(reshaping-retiming-retransmission) implic detectarea (conversie foton-electron),

amplificarea electrica, resincronizarea, modelarea pulsului i retransmisia (conversie

electron-foton).

2. Scurt istoric al aplificatoarelor optice cu semiconductori

Primele studii privind amplificatoarele optice cu semiconductori s-au efectuat n jurul

anului 1960 cand au aparut semiconductoarele laser. Aceste dispozitive s-au bazat pe

homojonctiunile GaAs obtinute la temperaturi joase. Aparitia dispozitivelor cu

heterostructura dubla a dus la investigatii suplimentare pentru folosirea amplificatoarelor

optice cu semiconductori in sistemele optice de comunicatii. n 1970 Zeidler i Personick au

efectuat mai multe studii asupra aplificatoarelor optice cu semiconductori [7-8]. n anii 1980

au avut loc importante progrese in proiectarea si modelarea dispozitivelor cu amplificatoare

optice cu semiconductori. Primele studii s-au concentrat pe amplificatoarele optice cu

semiconductori cu AlGaAs care opereaza in gama 830 nm [9-10]. Pe la sfarsitul anilor 80 au


10/61

10

aparut studii cu amplificatoare optice cu semiconductori cu InP / InGaAsP proiectate sa

opereze in regiunea de 1,3 m -1,55 m [11].

nainte de 1989, structurile SOA s-au bazat pe anti-reflexie. Aceste dispozitive

acoperite cu diode laser au o structurasimetrica a ghidului de unda care s duca la un cistig

al polarizarii cat mai mare.

n 1989 SOA au nceput s fie concepute ca dispozitive de sine stttoare, cu

utilizarea a mai multor structuri simetrice ale ghidului de unda ducand la o sensibilitate la

polarizare mai redusa [13].

De atunci, proiectarea si dezvoltarea SOA a progresat in tandem cu dezvoltarea

materialelor semiconductoare, fabricarii dispozitivelor, a tehnologiei cu strat antireflexie, a

circuitelor fotonice integrate, pana la momentul in care costul dispozitivelor a ajuns unul

fiabil pentru folosirea lor in sistemele optice de comunicatii comerciale. Evolutiile in

tehnologia SOA sunt in curs de desfasurare cu un real interes in aplicatiile functionale.

Utilizarea de SOA n circuitele fotonice integrate (PIC) atrage de asemenea un interes mare

de cercatare.

3. Clasificarea aplificatoarelor optice

Tipurile de baza ale amplificatoarelor optice sunt:

- amplificatoare optice cu semiconductoare (SOA-Semiconductor OpticalAmplifiers);

- amplificatoare Raman (FRA-FiberRaman Amplifier);- amplificatoare optice cu fibra din material plastic (Plastic Fibre Amplifiers);- amplificatoare optice cu fibr dopat cu Erbiu (EDFA-Erbium Doped Fiber

Amplifiers);

- amplificatoare optice cu fibra dopata cu Praseodimiu (PDFA-PraseodimiumDoped Fiber Amplifiers);

- amplificatoare optice cu fibrdopatcu Neodimiu (NDFA-Neodimium DopedFiber Amplifiers);

- amplificatoare optice cu fibr dopat cu Tuliu (TDFA-Tulium Doped FiberAmplifiers).

In figura 3 sunt reprezentate cateva amplificatoare optice tinandu-se cont de banda

corespunzatoare lungimii de unda.


11/61

11

Fig. 3 Amplificatoare optice clasificate, dupa lungimea de unda, in banda corespunzsatoare.

3 din cele mai importante amplificatoare optice sunt prezentate in figura 4:

Fig. 4 Exemple de amplificatoare optice

lungime de unda (nm)

puteredeiesiresaturata(dBm)


12/61

12

3.1. Amplificatoare Raman

Principiul de baz al amplificrii const in utilizarea dispersiei Raman stimulate

(SRS) n fibrele optice ca mecanism de interactiune a luminii cu energia de vibratie a

materialului. n acest proces n timpul propagrii unui fascicul de pompaj intens, are loc

transferul de energie al pompajului spre semnal decurgnd emiterea de fononi optici. SRS a

fost observat pentru prima dat de Ippen si colaboratorii sai n 1970. n acest experiment s-a

utilizat o fibr de nucleu lichid cu sectiune de soc de dispersie spontan Raman () ridicat.

Prima demostratie a efectului Raman stimulat n fibrele de sticl a fost realizat a Stolen si

colaboratori n 1971, folosind o fibr monomod fabricat de Corning Glass Works.

Comparnd SRS si emisia stimulat a aprut un aspect fundamental. La emiterea stimulat,un foton incident este capabil de a genera un foton cu aceeasi energie, n ceea ce priveste

dispersia Raman stimulat fotonii incidenti pot genera un foton cu energie redus si s emit

un foton optic care este absorbit de starea de vibratie a miezului.

Pe msur ce semnalul se propagn miez, se amplific datorit tranzitiei electronice

ntre starea fundamental si alte strile de vibratie (alte ) prin intermediul strii virtuale.

Diferenta de energie ntre starea virtual si starea la care revine electronul (tranzitie), este

suficienta pentru emiterea unui foton si respectiv a unui numr de fononi optici caredetermin frecventele Stokes. Comparnd cu lichidele si cristalele, sticla inregistreaza o

dispersie Raman mai mic. Astfel diminuarea ariei efective a pompajului este esential pentru

cresterea cstigului de amplificare. S-au studiat diferite materiale viznd descoperirea unei

optiuni cu un cstig Raman mai mare pentru producerea de fibre optice amplificatoare,

printre care: sticla produs dintr-un singur material, sticle de siliciu dopate si sticle produse

din diferite componente, inclusiv sticle dopate cu oxizi de metale grele. Fibrele cu pierderi

sczute fabricate plecnd de la aceste sticle dopate cu oxizi de metale grele sunt nerealizabile

practic n ciuda valorii ridicate a dispersiei Raman pe sectiune de fibra.

In figura 5 este prezentata imprastierea Raman.


13/61

13

Fig. 5 Imprastierea Raman

Din cauza naturii amorfe a sticlelor care compun fibrele optice, nivelurile de vibratiei

se distribuie cvasicontinuu genernd un plus omogen. n fibrele de siliciu datorit numrului

mare de vibratii, la frecvent unghiular a semnalului (s) poate s difere destul de mult

frecventa unghiular de pompaj (p), aducnd un spectru mai larg de amplificare.

Pentru aplicatii care folosesc efectul Raman n fibrele optice parametrii cei mai

relevanti sunt: schimbarea frecventei si cresterea cstigului Raman, modulul ariei efective

pentru pompaj, coeficientul de atenuare pentru pompaj si semnal, limitarea de putere pe care

fibra o poate suporta si compatibilitatea cu alte elemente ale sistemului de comunicatie optic.

Pentru optimizarea performantelor, diferenta ntre frecventa de pompaj si frecventa

semnalului trebuie s corespund la nivelul curbei care determin amplificarea n functie de

aceast diferent de frecvent. Pentru fibrele de siliciu, conform ilustratiei de la figura 6

diferenta trebuie s fie de aproximativ 13 THz, care corespunde aproximativ cu 100 nm

pentru lungimi de und de 1550 nm.Sunt utilizate fibrele compensatoare ale dispersiei (DCF-Dispersion Compensating

Fibers) ridicnd cstigul Raman de la 5 pn la 10 ori pentru fibrele standard monomod cu

profilul indicelui de refractie de tip prag. Cu exceptia absorbtiilor de hidroxid de siliciu se

poate obtine amplificare Raman pentru orice lungime de und ntre 300 nm si 2000 nm.

Utiliznd diverse tipuri de pompaje este posibil generarea unui spectru de amplificare destul

de larg si cu putine variatii de amplitudine.

n aplicatiile cu band larga pompajul variaz ntre 20 nm si 30 nm n functie deuniformitatea de cstig cerut. Profilul cstigului Raman cu siliciu se concentreaz pe lungimi

Lungimea deunda de pompaj

Imprastiere

Raman

Lungimea de undaa semnalului

Imprastiere Raman

Lungimea de undaa semnalului


14/61

14

de und mai mari, alte materiale avnd spectre Raman diferite, oferind posibilitatea de

egalizare si extindere a benzii folosind fibre compuse din alte materiale.

Fig. 6 Coeficientul de amplificare pentru siliciu

(pe axa X avem diferenta de lungime de undn nm, iar pe axa Y avem coeficientul de cstig n m/W)

Aceste amplificatoare n afar c au o band larg de amplificare, sunt destul de

flexibile n ceea ce priveste cstigul, putnd nlocui deficientele de band a celorlalte

amplificatoare, fiind atractive pentru aplicatiile n comunicatiile cu fibr optic. Din contr,

amplificatoarele construite din fibr dopat cu materiale rare si semiconductoare sunt putin

eficiente cernd putere ridicat de pompaj si fibre mai lungi. Un aspect important care trebuie

mentionat este pierderea zgomotului asociat cu transferul de energie a lungimilor de und din

banda Spentru lungimi de und din banda L, prin intermediul procesului de dispersie Raman.

Aceste amplificatoare sunt amplu utilizate pentru a suplimenta folosirea amplificatoarelor din

fibre dopate, aducnd un cstig aditional n forme distribuite n legturi foarte lungi. Astfel

pentru banda L se folosesc scheme de amplificare hibride.

3.2. Amplificatoare optice cu fibra din material plastic

Rapoatele recente de cercetare au sugerat faptul c, daca utilizam amplificatoare cu

fibr din material plastic acestea pot oferi rezultate care nu sunt posibile utilizand

amplificatoarele cu sticl (sau de dioxid de siliciu).


15/61

15

Fibra din material plasticare lungimea de unda de transmisie de 570 nm i 670 nm,

dar amplificatoare nu sunt disponibile la aceste lungimi de unda. Unii sustin c, n loc de a

utiliza amplificatoare pe fibr din material plastic s-ar putea folosi fibr de sticl i n cele

mai multe cazuri amplificatoarele nu vor mai fi necesare.

A fost dezvoltat recent un amplificator din material plastic folosind fibra PMMA

(PolyMethyl MethylAcrylate) dopata cu Rodamina B. Fereastra de castig raportat a fost intre

610 nm-640 nm cu o eficienta de pompare de 33% i un ctig de 24 dB. Acest lucru este

interesant din cauza ca lungimea de und a banzii este foarte aproape de fereastra de

transmitere pentru fibr PMMA (dar nu destul de aproape).

Fig. 7 Rodamina B

3.3. Amplificatoare optice cu fibra dopata cu erbiu

Din 1985 cnd la Univeritatea din Southampton (Anglia) s-a demonstrat o nou

tehnic pentru fabricarea fibrelor optice dopate cu materiale rare care prezentau pierderi

sczute, amplificatoarele optice cu structur bazat pe aceste fibre au fost imediat identificateca dispozitive importante n aplicatiile comunicatiilor prin fibre optice n principal datorit

cstigului ridicat, zgomotului intrinsec sczut, dependetei sczute de polarizare, transmiterea

cu eroare de bit (BER) sczut si eficient mrit de conversie de putere (PCE-Power

Coversion Efficiency).

Primul material rar folosit a fost neodimiu, cel mai bun dopant n lasere solide. Dup

aceste rezultate ncurajatoare s-au utilizat si alti dopanti pentru producerea amplificatoarelor

optice: tuliu, yterbiu si erbiu. S-au dezvoltat numeroase amplificatoare din fibr dopat cu

diferite elemente, profitnd de propriettile fluorescente ale fiecruia.


16/61

16

n prezent cele mai importante amplificatoare optice cu fibr dopat sunt cele cu erbiu

care pot produce amplificare in banda C. Amplificatoarele optice cu fibr dopat cu

praseodimiu si neodimiu se pot folosi pentru a obtine valori de 1300 nm. n ceea ce priveste

amplificatoarele cu fibr dopat cu tuliu pot produce cstig pentru toat banda S de

transmisie optic (1460 nm-1530 nm).

Fig. 8 EDFA

La finele anului 1986, grupul de la Southampton a produs primul amplificator cu fibr

dopat cu erbiu. n 1986, Emmanuel Desurvire a nceput s lucreze la laboratoarele Bell si

imediat a nceput s foloseasc EDFA. E. Desurvire a realizat mijloace detaliate, a dezvolatat

modelul teoretic si a realizat prima optimizare a lungimii de und dopat.

EDFA sunt amplificatoarele optice cele mai folosite si cunoscute n principal pentru

c spectrul lor de amplificare coincide exact cu minimul pierderilor in siliciu pentru 1550 nm.

Pentru EDFA cu siliciu, toate posibilittile de tranzitie ntre nivelele de energie din erbiu sunt

radiative datorit procesului de cdere cu emisie de fononi, cu exceptia transmisiei care

cuprinde nivele care sunt 100% radiative. Aceast tranzitie arat un

spectru de emisie destul de larg, cu maximul la 1530 nm care ofer amplificare n toat bandaC. Este de asemenea posibil amplificarea in banda L cu EDFA. Timpul de viat superior

este de 10 ms, care este mult mai mare dect timpurile asociate transmisiei semnalului.

In figura 9 este prezentata schema bloc a unui amplificator optic dopat cu fibra cu

Erbiu.

Semnalintrare

Fibra optica dopata cu erbiu

Laser depompaj

Semnal deiesireamplificat

Amplificator din fibra dopata cu erbiu


17/61

17

Fig. 9 Schema bloc EDFA

3.3.1. Amplificarea optica

Amplificatoarele optice amplifica radiatia incidenta prin emisie stimulata, iar castigul

se realizeaza prin pompaj optic pentru a se obtine inversia de populatie. In timpul emisiei

spontane, laserul de iesire poate sa contina un spectru larg de zgomot pentru laser, care dupa

detectie furnizeaza termeni de zgomot pentru fotocurent.

Dezavantajul principal la amplificarea optica il constituie faptul ca simultan cu ea se

adauga si amplificarea zgomotului. De aceea se incearca reducerea zgomotului sau chiar

eliminarea lui. Pentru acest lucru se utilizeaza diagrame de zgomot similare celor de la

amplificatoarele electronice.Daca in procesul de amplificare optica sunt prezente mai multe canale pentru

lungimile de unda, se poate induce diafonia dintre aceste canale in cazul particular pentru

regimul de saturare al amplificatorului.

In cazul EDFA ,datorit multiplicittii nivelelor de energie poate s aib loc absorbtiaunor lungimi de und pompate ncepnd de la nivelul superior de amplificare diminund

eficienta pompajului. Acest proces este denumit absorbtie de stare excitat (ESA-Excited

State Absorbtion). Lungimile de und de pompaj ntre 980 nm si 1480 nm sunt libere pentru

absorbtia strii excitate. Acestea pot fi generate plecnd de la laserele diodelor comerciale.

Pompajul de 980 nm minimizeaz nivelul zgomotului si este mai adecvat cnd EDFA este

folosit ca un preamplificator.

Dac este pompaj suficient pentru a mentine inversiunea de populatie, ionii de erbiuabsorb semnalul care se propag amplificat, dupa principiul unui laser cu trei niveluri. Un

Diagrama bloc a unui amplificator EDFA


18/61

18

parametru important a EDFA-urilor este puterea de transparent definit ca putere de pompaj

pentru ca semnalul s nu sufere nici cstig nici pierdere.

Fig. 10 Excitarea ionilor de Erbiu

Fig. 11 Pompajul EDFA

In figura 12 sunt prezentate nivelele de energie pentru ionii Er3+

.

Excitarea/emisia cu erbiu

Stare de excitare 1

Stare neexcitata

Ion de erbiu

Pompaj la1480 nm

SemnalSemnalamplificat1550 nm


19/61

19

Fig. 12 Diagrama energetica a ionilor de Erbiu

3.3.2. Amplificarea emisiei spontane

Generarea zgomotului in amplificatoarele optice este un efect al dezexcitarii spontane

a ionilor laser. Pentru ioni avem timpul de viata finit pentru starea excitata, de aproximativ

= 10 ms, in cazul fibrei optice dopate cu erbium, pentru ca putinii ioni spontani se reintorc la

starea fundamentala si astfel emit cate un foton in acest fel. Acesti fotoni nu au caracteristi

coerente cu respectarea proprietatilor semnaluli laser care intra si se opune la generareafotonilor prin emisie stimulata.

Colectarea fotonilor generati spontan se poate face prin mai multe tipuri de

amplificare a fibrelor optice, dar astfel rezulta si un zgomot de fond suplimentar la semnalul

laser.

Amplificarea emisiei spontane depinde de puterea semnalului.

Fig. 13 Dependenta ASE fata de puterea semnalului

pompaj

Descompunere nereadioactiva

Energia ionului Er3+ infibra din sticla

Iesire


20/61

20

Amplificarea optica genereaza un zgomot numit zgomotul amplificarii emisiei

spontane (Amplified Spontaneous Emission ).

Fig. 14 Amplificarea optica

In figurile 15 si 16 sunt reprezentate caracteristicile spectrale pentru un semnal (fig.15), respectiv pentru un sistem WDM.

Fig. 15 Caracteristicile spectrale pentru un semnal

Fig. 16 Caracteristicile spectrale pentru un sistem WDM

Optical

Amplifier

(G)

Optical

Amplifier

(G)

Weak signal

Pin

Amplified signal

Pout

ASE ASE

Pump Source

Optical

Amplifier

(G)

Optical

Amplifier

(G)

Weak signal

Pin

Amplified signal

Pout

ASE ASE

Pump Source

Amplificator

Optic

Semnal slab Semnal amplificat

Surasa de pompaj


21/61

21

Suprimarea ASE se face prin intermediu filtrelor n multiple stagii de amplificare,

fcnd sistemul destul de complex sau utiliznd structuri de fibre speciale cu lungimi de und

de 1530 nm genernd pierderi ridicate pentru ASE.

3.4. Amplificatoare optice cu fibra dopata cu Praseodimiu

EDFA funcioneaz n banda de 1550 nm. Majoritatea (aproape toate) sistemelor de

transmisie existente utilizeaza banda de 1300 nm, banda in care EDFAs nu funcineaza.Ca o

replica la acestea au fost dezvoltate amplificatoare dopate cu Pr3+. Cu toate acestea, ele nu

sunt la fel de bune ca EDFA. Castigul valabil in PDFAs comerciale este n jur de 12 dB, iar

gama lungimilor de unda amplificate nu este la fel de mare cum s-ar dori. Castigul este folositmai mult in aplicatii decat pentru amplificarea de putere. Cu toate acestea, ctigul la un

semnal de nivel redus este mic.

Praseodimiul emite fluorescent n zona spectral de 1300 nm, permitnd amplificarea

lungimilor de und dorite, acest lucru fcnd posibil producerea unui amplificator optic cu

fibr dopat cu prasedemiu. Eficienta pompajului este extrem de sczut. n schimb pentru un

EDFA cu un nivel de pompaj la 20 mW este suficient pentru a obtine un cstig de 20 dB.

Pentru un PDFA sunt necesare cteva sute de mW pentru a atinge aceeasi valoare.Prasedemiul poate fi pompat la 2 lungimi de unda:

1. La 1017 nm, folosind un laser InGaAs. Acestea sunt similare cu laserii in regiunea

de 980 nm folositi pentru pomparea EDFAs. Cea mai mare putere valabila in aceasta clasa

este de numai 50 mW;

2. La 1047 nm, folosind un laser de cristal Nd:YLF. Acestea sunt disponibile la o

putere foarte mare, dar sunt, de asemenea, costisitoare. Pompare la aceast lungime de und

este, de asemenea, foarte mica n eficiena. Din aceasta cauza, pompele Nd: YLFsunt

singurele pompe folosite in PDFAs comerciale.

3.5. Amplificatoare optice cu fibr dopat cu Neodimiu

Neodimiul, alt material rar, emite de asemenea fluorescenta la nivelul de 1,3 m, fiind

posibil producerea de amplificatoare optice si lasere cu fibre din ZBLAN dopate cu

neodimiu. Cea mai mare problemn legtur cu aceste fibre il constituie tranzitul la 1,05 mcare poate opri emisia dorit. Folosind tehnici de suprimare a cstigului la 1,05 m, se pot


22/61

22

obtine amplificri de pn la +10 dB a laserelor cu eficient de pn la 15,7%. Exist de

asemenea mentionri n literatur privind folosirea disprosiului pentru amplificri de 1,3 m.

Neodimiul este un alt candidat pentru rolul de element activ n amplificatoarele de

fibr in banda de 1300 nm. Nd va amplifica n intervalul 1310 - 1360 nm in ZBLAN i ntre

1360 i 1400 nm n dioxid de siliciu. Pomparea eficienta se produce la lungimile de unda

795 si 810 nm.

Eficienta totala este foarte sczut. Durata de viata a purtatoarei in ZBLAN la 390

sec este destul de scurta. Nivelul de zgomot este de asemenea adecvat, dar nu la fel de bun

precum caracteristicile EDFA (amplificarea emisiei spontane este oproblem).

3.6. Amplificatoare optice cu fibr dopat cu Tuliu

Din perspectiva largirii benzii de transmitere n sisteme WDM (wavelength division

multiplexed), se utilizeaza de asemenea amplificarea prin fibra dopat cu tuliu (element

puternic fluorescent), in banda S. Este important de subliniat c procesul de amplificare se

realizeaza ca un model de laserare pe trei nivele.

4. Comparatie intre SOA si OFA

In tabelul 1 sunt prezentate cateva caracterisitici ale OFAs i SOAs

CARACTERISTICA OFA SOA

castig intern maxim (dB) 30-50 30

pierderi de insertie (dB) 0.1-2 6-10

sensibilitate la polarizare ? nu slaba (


23/61

23

In tabelul 2 este prezentata o comparatie intre EDFA si SOA.

Tehnologie Descriere Avantaj Dezavantaj Furnizori

amplificator din

fibra dopata cu

erbiu (EDFA)

standard dupa

2005

tehnologie

bine stapanita

cost mai

ridicat

Corning, JDS Uniphase,

Agere,AlcatelOptronics,

NornetHPOCS, Avanex,

Altmar,Onetta, Keopsys

amplificator

optic cu

semiconductor

(SOA)

componenta

discreta pe

baza de InP

cost scazut;

dimensiune

mica; usor de

integrat

putere de

iesire

scazuta;

zgomot

mare;

tehnologie

inca

nedezvoltata

AlcatelOptronics,Genoa,

JDS Uniphase, Nortel

HPOCS,Optical

Crossing,Kamelian,

OptoSpeed

Tabel 2 Comparatie intre OFA si SOA

In tabelul 3 este sunt prezentate performantele parametrilor EDFA si SOA.

Caracteristici de

performanta

SOA (TWA) EDFA

putere de iesire in saturatie 5 - 15 dBm 10 - 20 dBm

castig nesaturat 10 - 30 dB 40 - 50 dB

zgomot 6 - 9 dB 3 - 5 dB

dependenta de polarizare variaza niciunadimensiune/lungime 300 - 1000 m lungimea fibrei pana la 100m

pierderi de cuplaj mare mica

largime de banda > 20THz 1 - 4 THz

lungime de unda de operare benzile 1.3 m si1.55 m numai banda 1.55 m

Tabel 3 Performantele parametrilor OFA si SOA


24/61

24

CAPITOLUL 1 - AMPLIFICATOARE OPTICE

1.1. Motivele folosirii amplificatoarelor optice

Dup cum s-a menionat si n introducere, aparitia amplificatoarelor optice s-a realizat

recent (1980), aceasta ducand la revolutionarea comunicaiilor.

Un amplificator optic este un dispozitiv care amplifica semnalul optic direct, fara a-l

schimba vreodata in semnal electric. Este amplificata lumina in sine.

In lumea comunicatiilor a fost facuta trecerea in sistemele optice de la repetoare la

amplificatoare. Intr-un sistem digital se pot evita amplificatoarele pe distante mari, folosindu-

se in schimb, repetitoare.

Motivul pentru care oamenii au vrut sa utilizeze repetoare a fost acela de a elimina

zgomotul. Repetoarele primesc semnalul initial, il refac in semnal digital si apoi genereaza un

nou semnal. Astfel, zgomotul si dispersia acumulate de-a lungul caii de transmisie sunt

inlaturate complet de catre repetor. In cazul in care este utilizat un amplificator, aceste

componente sunt amplificate impreuna cu semnalul.

ntr-un sistem optic de comunicaii nu prea avem probleme cu zgomotul sau cu

interferentele de semnal. Un semnal in fibra monomod care ajunge la destinaie este mult mai

slab, dar pentru considerente practice semnalul este neschimbat. Pe langa dezavantajul creat

de zgomot exista si unele avantaje pentru a folosi amplificatoare cum ar fi:

Fiabilitatea amplificatoarelor

Cand este folosit un repetor, semnalul optic trebuie convertit intr-o forma electrica,

trecut prin repetor si apoi convertit inapoi in semnal optic. In concluzie un dispozitiv cum ar

fi amplificatorul de semnal se va comporta la fel sau poate chiar mai bine decat un repetor.

Flexibilitatea

Un repetor este specializat pentru un anumit semnal si pe caracteristicile lui (viteza,

cod etc.). Un amplificator amplifica indiferent de semnalul de intrare. Daca se doreste

cresterea vitezei de transmisie intr-o retea de comunicatie ce foloseste amplificatore tot ce

trebuie facut este sa se schimbe transmitatorul si receptorul de la capetele retelei. In schimb,

daca se folosesc repetoare, acestea ar trebui inlocuite, lucru care este destul de incomod inunele medii (cum ar fi cabluri submarine).


25/61

25

Multiplexarea prin divizarea lungimii de unda(WDM)

Un sistem WDM utilizeaza surse de lumina cu diferite lungimi de unda, fiecare

modulata de un anumit semnal. Daca s-ar folosi repetoare este nevoie de o demultiplexarea a

semnalului, in timp ce pentru amplificatoare nu este nevoie.

Costul

Amplificatoarele optice sunt mult mai simple dect repetoare i ar trebui s aibe un

cost semnificativ mai mic.

Exist mai multe tipuri de amplificatoare optice. Amplificatoarele pot fi construite cu

ajutorul tehnologiei semiconductoare (ca de exemplu lasere), a tehnologiei ghidului de unda

planar, precum i amplificatoare cu fibre.

Aproape orice laser cu semiconductor se poate transforma intr-un amplificator cu

cteva modificri.

Cel mai important tip de amplificator este amplificatorul cu fibra optica dopata cu

erbiu (EDFA), pentru c are un cost mic (relativ), este extrem de eficient si prezinta un

zgomot mic.

Fig. 1.1 Amplificatoar optic cu fibr dopat cu Erbiu - functionarea

La sfritul anilor 1980 un grup de cercetatori de la Universitatea din Southampton

din Marea Britanie, a reusit sa dezvolte un aplificator bazat de fibr optic, care este acum cel

mai folosit mijloc de regenerare a semnalului in comunicatiile pe distante mari, este vorba de

EDFA. Aceasta a devenit tipul de amplificator optic cel mai folosit si este reprezentat in

figura 1.1.Semnalul trece de-a lungul unei scurte lungimi de fibra speciala i este amplificata

(pn la 1000 de ori, 30 dB), n timpul trasmiterii lui.Semnalul nu devine niciodata electric i

nici nu iese niciodata din fibr.

semnal de intrare

cresterea puterii semnalului

Semnal de iesire

amplificat

Fibra optica

dopata cu erbiuLaser de

pompaj


26/61

26

Astzi, exist o ntreag clas de amplificatoare optice bazate pe aceleai principii .

Acestea sunt numite generic REDFAs (Rare Earth Doped Fibre Amplifiers). Singurele

dispozitive de interes comercial curent, sunt cele dopate cu erbiu sau praseodimium dar

oricare element din pmnturi rare ale tabeluluiperiodic este utilizabil ntr-un amplificator

optic.

Amplificatoarele de mai sus (SOA i REDFA), ambele folosesc principiul laserului in

modul lor de operare. Exista si alte amplificatoare care folosesc principii complet diferite de

amplificare (de exeplu efectul Raman).

1.2. Castigul optic

Cele mai multe aplificatoare amplifica lumina incidenta prin emisie stimulata, acelasi

mecanism folosit de catre laseri. ntr-adevr, un amplificator optic nu este altceva dect un

laser fr reactie inversa (feedback). Principala sa proprietate este castigul, realizat cand

aplificatorul este pompat (optic sau electric) pentru a obtine o inversie a populaiei. Castigul

este, in general dependent, nu numai de frecventa (sau lungimea de unda) a semnalului

incident, ci si de intensitatea fasciculului local, n orice punct din interiorul amplificatorului.

Fiind dat un amplificator definim urmatoarele marimi:

Pin = puterea de la intrarea amplificatorului;

Pout = puterea de la iesirea amplificatorului;

z = distanta parcursa de unda optica in mediul de amplificare;

L = lungimea mediului de amplificare (lungimea de amplificare);

Pp = puterea de pompaj (pompaj optic);

Avem relatiile:

Pout Pin + Pp

Pout = Pin + Pp

Pe masura ce se avanseaza in mediul activ, se obtine o crestere a P(z).

Castigul optic depinde de:

- lungimea de unda a radiatiei incidente;- intensitatea locala a pompajului in fiecare punct din mediul optic;- caracteristicile mediului optic utilizat.


27/61

27

Se considera un model atomic omogen cu 2 nivele atomice pentru mediul de

amplificare.

S

zPg

PT)(1

g)(

2

2

2

0

0

.

g() = coeficientul de castig optic (castigul optic) ;

g0 = valoarea de varf (maxima) a g(), determinata de nivelul pompajului (castigul de

varf al amplificatorului);

0 = frecventa atomica de tranzitie caracteristica mediului utilizat;

P = puterea optica a semnalului care trebuie amplificat (Pin);

PS = puterea optica de saturatie (puterea de intrare pentru care amplificatorul are un

castig limita) (parametru specific mediului utilizat);

T2 = timpul de relaxare dipolara (parametru specific mediului utilizat) (0.1 ps1ns);

= frecventa semnalului incident.

Amplificatorul optic se poate plasa oriunde intre sursa si receptor.

Amplificatorul de putere functioneaza la nivel ridicat de putere; el poate creste

distanta legaturii (distanta sursa - receptor) cu pana la 400 km.

Amplificatoarele de linie inlocuiesc regeneratoarele electronice.

Preamplificatoarele maresc sensibilitatea receptoarelor.Expresia lui g0 poate fi folosita pentru a estima proprietatile importante ale

amplificatorului:

- largimea de banda a castigului;- factorul de amplificare (castigul);- puterea optica de saturatie.

1.3. Castigul si largimea de banda a amplificatorului

Pentru a determina acesti parametri se considera ca amplificatorul optic functioneaza

in regiunea nesaturata (adica regim de semnal mic).

)(T)(1

g)(P1

P 22

2

0

0 ztindependengPP

S

S

(saturatia castigului e neglijabila);- daca g()=g()=0;


28/61

28

- daca 0g()=g(0)=T1

g2

2

2

0

0

;

g()=g0 =max 1+2

2

2

0 T)( =min=12

2

2

0 T)( = 0

= 0; deci g(0)=g0= gmax;Reducerea coeficientului de castig (cand 0) se face dupa o curba lorentziana

caracteristica modelului considerat.

Aplicatie: Sa se calculeze banda coeficientului de castig (banda pentru g).

FWHM = Full Width at Half Maximum (largimea la semiinatltime);

= largimea de banda (banda).

Se calculeaza 1 si 2 pentru care g()=2

1g0

1T)(1T)(2

g

T)(1

g

2

g)( 20

2

2

2

00

2

2

2

0

00

g ;

T

1

2

0 - dacaT

1

T

1

2

01

2

0 ;

- dacaT

1

T

1

2

02

2

0 .

T

2

T

1

T

1-

22

0

2

021g21 ;

T

1

T

22

T

2

2

g

2

g

2

g

vv .

Banda coeficientului de castig este o caracteristica interna a amplificatorului.

Aplicatie: Sa se calculeze banda coeficientului de castig pentru T2=0.1ps.

THzTHzHzv 2.31.0

1

101.0

1

T

1

122

g

Se defineste G() = castigul in putere al aplificatorului optic (castigul optic).

Banda lui G() = banda castigului = banda amplificatorului.

Banda lui G e mai importanta (mai utila) decat banda lui g.

zgdzg

eezG

z

0)(

in P

P(z))(

;

P

P

)(in

ou t)(

Lg

eG

;


29/61

29

)(z

dP(z))( inin zPggeP

dePzP zgzg

zgePzP in)( - in)0( PP ; conditiile initiale

- inLg

inout PGePPLP

)( . (la limita) pentruIntegrare de la 0 la L.

P

P1

P

PP

P

P

in

p

in

pin

in

out

LgeG ;

),( zdepG ;

max00 G)(G0 LgLg eeG .

Datorita dependentei exponentiale: Lge )()(G , G() scade mai repede decat g(),

cand se departeaza de 0 .

Aplicatie: Sa se calculeze banda lui G.

T)(1

Lg

)(2

22

0

0

)(G

ee Lg ;

ln2

ln2

1

2

1

)G(

)(G)(

)(

0

0

0 Lg

Lg

Lg

Lg

e

e

e

e

L

LggLgLg

2ln)(2ln)( 0

0

;

2

2

1

2

1

)G(

)(G 22T2)0(1L0g

0

0

22T2)0(1

L0g

0

Lg

ee

eLg

2lnT)(1

T)(Lg2

2

2

2

0

2

2

2

002

2T2)0(1

22T

2)0(L0g

e

222

0

2

2

2

00 T)(2ln2lnT)(Lg

2ln

2ln]T)([2ln)2ln(T)(

0

2

200

2

2

2

0Lg

Lg

2ln

2lnT)(

0

20

Lg

;

2ln

2ln1

2ln

2lnT)(

02

01

0

201

LgTLg ;

2ln

2ln1

2ln

2ln

T)(02

020

202 LgTLg ;


30/61

30

2ln

2ln2

02

21g21

LgT ;

g

Sau:

L

Lg

L

Lgg

2ln

T)(1

g2ln)( 0

2

2

2

0

00

2ln

ln2T)(

2lnT)(1

0

2

2

2

0

0

02

2

2

0

LgLg

Lg ;

GG 2 v ;

2ln

2ln2

0

gGgg

Lg

vvv ;

Fig. 1.2 Profilul castigului Lorentzian g()si corespondentul benzii castiguluiG()

unde:

0

)g(

g

- castigul spectrului normat (curba castigului amplificatorului nesaturat);

0

)G(

G

- castigul normat al amplificatorului optic;

Dezacord normalizat

Castig


31/61

31

20 )( T - dezacordul normalizat;

gG ; - G are banda mai ingusta decat g.

1.4. Saturatia castigului

Saturatia castigului reiese din dependenta castigului de putere. Se analizeaza cazul in

care 0 .

S

zPg

P1

g)( 0 daca P(z) creste, atunci )(g scade

OBS:

P

T)(1

g)(

2

2

2

0

0

S

zPg

;

Notam: 222

0 T)( - A;

S

zP

P-B.

Caz I: 0P BP S se vede influenta lui A;

Caz II: 00 A se vede influenta lui B;

Concluzie: in final se combina (suprapune) ambele influente.

Se considera o radiatie incidenta perfect acordata ( 0 ), de putere P comparabila

cu SP (deci regim de semnal mare).

S

zgzg

zP

zPgzPggeP

zdPePzP

P1

)(dz

)( 0inin

LL

SS dzzdPzPg

zP

dzzdPzPg

zP

00 00

)(P

1

)(P

1

LL L

dzzdPzPgP

zP

zPg

zP

000 0 S0

)(1d

LL L

dzzdPzPPgzP

zP

g00 0S00

)(

1d1


32/61

32

LLL zzPPg

zPg

00

S0

0

0

)(1

)(ln1

LPgPg

LPgg S00S00

P(0)-P(L)

)0(

P(L)ln

1lnP(0)-lnP(L)lnP(0)-lnP(L)

Lg

P

P

P

P

P

PLg

P

PP

P

P0

ou t

S

ou t

in

in

ou t0

S

inout

in

ou t

-1

lnln

LgP

P

G

GGLg

P

PGG 0

S

ou t0

ou t

S

1ln

11

ln

S

ou t

0

0

S

out 1lnln1

lnP

P

G

G

G

GG

P

P

G

GG

S

ou t1

0

P

P

G

G

eG

G

;

Figura 1.3 ne prezinta dependenta lui0

)(

G

G fata de

S

ou t

P

P.

Fig. 1.3 Dependenta lui

0

)(

G

G fata de

S

ou t

P

P

Putere de iesire normalizata, Pout/Ps

Castignormalizatalamplificatorului.G/G0


33/61

33

Lg

)( P(z)

1

0

)(GSP

ee Lg

.

In regim nesaturat 1)(

)(00Sout

0

G

GGeGPP

Lg ;

SPout = puterea de saturatie la iesire, adica puterea de iesire ou tP pentru care G se

reduce cu 3dB (adica de 2 ori) fata de oG .

S

ou t

0

0S

ou t

0

0

2

2

12

0

0

0 22

2

P

P

G

GP

P

G

G

S

S

eeG

G

GG

22ln22ln

0

0Sout

S

ou t

0

0

GGPP

PP

GG S

S

.

Aplicatie: Sa se calculeze SPout , daca 0G =30dB.

100010101010

lglg10 31030

100

0

00dB

dB0

dB G

GG

GGG ;

SSout0 69.02ln2 PPPGS .

Se observa ca, in general, SPou t este cu arpoximativ 30% mai mic decat SP .

SSSSout 7.0%70%30 PPPPPS .

1.5. Zgomotul amplificatoarelor optice

Toate amplificatoarele degradeaza raportul semnal-zgomot (RSZ), din cauza

emisiilor, spontane din timpul amplificarii (care produc zgomot).Factorul de zgomot al amplificarii optice este:

ou t

inn

RSZ

RSZF ; 1n F ;(depinde de detector).

RSZ se refera la puterea electrica generata prin conversie optic-electric. Detectorul

introduce, prin fotodetectie, zgomot termic si cuantic.

Se considera un detector ideal cu performante limitate (doar) prin zgomot cuantic

(detectie optica la limita cuantica).2

S = puterea de zgomot cuantic;


34/61

34

fq

PR

fPRq

PRIRSZ

2)(2

)( in

in

2

in

2

S

2

in

.

inPRI fotocurentul mediu (valoarea medie a curentului fotodetectat);

fh

P

fq

P

h

qRSZ

h

qR

22

in

2

inin ;

R = responsivitatea unui fotodetector ideal;

= eficienta cuantica (in mod ideal se considera 1);

f = banda fotodetectorului;

curentul de intuneric se considera nul;

RSZRSZ out al semnalului amplificat;

)(sp S = densitatea spectrala de putere a zgomotului cuantic indus prin amplificare.

se considera hnGS spsp )1()( =constant (zgomot alb);

= frecventa optica;

spn = factorul de inversie a populatiei - spn = 1 pentru inversie completa;

- spn > 1 pentru inversie incompleta;

pentru un sistem cu 2 nivele atomice:12

2sp

NN

Nn

;

pentru un amplificator ideal spn = 1;

1N = populatia atomica in stare normala;

2N = populatia atomica in stare excitata.

Emisia spontana adauga o fluctuatie proprie (suplimentara) puterii optice care

urmeaza a fi fotodetectata.Are loc o interactiune intre emisia spontana si semnalul optic, fenomen asemanator cu

acela din detectia heterodina, in care oscilatorul local se mixeaza coerent cu semnalul

incident pe fotodetector.

Deci se considera doar: - zgomotul cuantic;

- zgomotul de interactiune.

2 = puterea fotocurentului detectat;

fSRPGRfPGRq ))((4)(2spinin

2

;Daca G>>1 domina al doilea termen fSRPGR ))((4 spin

2 .


35/61

35

fhnG

PG

fS

PG

fSRPGR

PGRIRSZ

sp

in

sp

in

spin

2

in

2

2

ou t)1(44))((4

)(;

spsp

in

spin

ou t

inn

21

2)1(4

2

n

G

Gn

PG

fhnG

fh

P

RSZ

RSZF

;

ideal (cazul cel mai favorabil):2

21 inoutnspRSZ

RSZFn ;

outRSZ se degradeaza cu 3dB (se injumatateste);

Demonstratie:

dBRSZRSZRSZ

RSZRSZ inout 32lg10lg102

lg10lg10dBdB in

inou t ;

dBFFn 32lg10lg10 ndB ;In practica

nF > 3dB (uzual G = 8dB).

Fiind dat un amplificator definim urmatoarele marimi:

'

oN = zgomotul propriu introdus chiar de amplificator;

oN = zgomotul de iesire, in ipoteza ca'

oN = 0;

N si P sunt puterile elctrice (care corespund puterilor optice);

Avem relatiile:

io PGP ; io NGN ; o'

o NNN ;

in

inin

N

PRSZ ;

i

in

i

i

o

o

'

o

oout

1NG

N

RSZ

NNG

PG

NN

P

N

PRSZ

;

- daca inout0 RSZRSZN ;- daca inout0 RSZRSZN ;

1.6. Aplicatii ale amplificatoarelor optice

Amplificatoare optice pot fi folosite in mai multe scopuri in proiectarea sistemelor de

comunicatii cu fibra optica: trei aplicaii comune sunt prezentate schematic n figura 1.4.

Pentru sistemele situate la distante mari se prefera folosirea amplificatoarelor in locul

regeneratoarelor elctronice. Pentru sistemele WDM se folosesc amplificatoare optice,deoarece canalele sistemului pot si amplificate simultan.


36/61

36

Pentru a creste puterea de transmisie intr-un sistem de comunicatie se plaseaza un

amplificator imediat dupa transmitator. Acest amplificator este numit amplificator de putere

si principalul lui scop este acela de a mari puterea de transmisie. Un amplificator de putere

poate creste distanta de transmisie cu 100 km sau chiar mai mult, in functie de castigul

amplificatorului si de pierderile in fibra. Distanta de transmisie poate fi de asemenea marita

prin plasarea unui amplificator inaintea receptorului, pentru a mari puterea primita. Aceste

amplificatoare sunt numite preamplificatoare optice si sunt folosite pentru a imbunatatii

sensibilitatea receptorului. O alta aplicatie a amplificatoarelor optice este folosirea lor pentru

a compensa pierderile in LAN.

Fig. 1.4 -3 aplicatii pentru amplificatoarele optice: (a) amplificatoare in serie; (b) marirea puterii

transmise; (c) preamplificarea puterii primite

In figura 1.5 este reprezentata implementarea ampificatoarelor optice intr-un sistem

optic.

Fig. 1.5 Implementarea amplificatoarelor optice intr-un sistem optic de comunicatii

amplificatoare de linie

fibra optica fibra optica

fibra optica

fibra optica

amplificator de putere

preamplificator

transmitator amplificator

de putere

amplificator

de linie

preamplificator receptor


37/61

37

CAPITOLUL 2AMPLIFICATOARE OPTICE CU

SEMICONDUCTORI

2.1. Descrierea SOA

SOA este un dispozitiv optoelectronic, care dupa mai multe operatii poate amplifica

un semnal de intrare. In figura 2.1 este reprezentata o diagrama schematica a unui SOA.

Regiunea activa da o parte din castig semnalului de intrare. Un curent electric extern

genereaza sursa de energie care permite aparitia castigului. Ghidul de unda incorporat

limiteaza semnalul de unda propagat in regiunea activa. Cu toate acestea, semnalul optic care

a luat nastere este destul de slab si din aceasta cauza o parte din el va ramane in regiunile care

prezinta pierderi. Semnalul de iesire prezinta zgomot. Acest zgomot aditiv este adaugat de

procesul de amplificare in sine, deci nu se poate scapa de el in totalitate. Fetele

amplificatorului sunt reflective, cauzand perturbatii in spectrul de castig.

Fig. 2.1 Diagrama schematica a unui SOA

curent

semnal de iesire

si zgomot

fateta de iesire

fateta de intrare

regiune activa si

ghid de unda

semnal de

intrare


38/61

38

Fig. 2.2 SOA

SOA realizaeaza amplificare inantea atingerii curentului de propagare.

2.2. Principiul functionarii unui SOA

Un SOA se bazeaza pe aceeasi tehnologie ca a diodelor laser Fabry-Perot. Functia de

amplificare este realizata de pomparea externa a nivelelor de energie ale materialului. Este

necesara o protectie a dispozitivelor impotriva oscilatiilor proprii generate de efectul laser.

SOA sunt pompate electric prin curentul injectat.

Fig. 2.3 SOAprincipiul functionarii


39/61

39

Presupunand ca diodele laser nu ar avea oglinzi atunci punem diodei conditia inversiei

populatiei si injectam fotoni la un capat al diodei.

Fig. 2.4 Comparatie Laser/SOA

SOA se bazeaza pe emisia laser stimulata de purtatorii injectati in structura. Prin

aceasta emisie stimulata, semnalul incident va fi amplificat. Un foton da nastere la alt foton;

avem in total 2 fotoni. Fiecare din acesti 2 fotoni, da la randul lui nastere altui foton, avand in

total 4 fotoni, si procesul continua la fel.

dioda laser amplificator

oglindaoglinda partiala strat antireflexie


40/61

40

2.3. Clasificarea SOA

SOA pot fi clasificate in 2 mari categorii prezentate in figura 2.5: Fabry-Perot SOA

(FP-SOA), in care reflexiile de la sfarsitul fetelor sunt semnificative (semnalul are mai multe

treceri prin amplificator) si SOA cu unda calatoare (TW-SOA) unde reflexiile sunt neglijabile

(semnalul trece o singura data prin amplificator). TW-SOA nu este la fel de sensibil ca FP-

SOA la fluctuatiile in diagonala ale curentului, la temperatura si la polarizarea semnalului.

Fig. 2.5 Principalele tipuri de SOA si castigul acestora

Cele mai multe aplicatii ale SOAs sunt bazate pe castigul lor optic. In tabelul 2.1 sunt

prezentate o lista cu cateva proprietati practice ale SOA. Scopul celor mai multe cercetari in

domeniul SOA este acela de a putea implementa aceste proprietati in dispozitive practice.

SOA Fabry-Perot SOA cu unda calatoare

fatete reflectoare

intrare

iesire iesire

iesireintrare

straturi

antireflexie

rezonanta

antirezonanta

lungime de unda lungime de unda

castig(dB)

castig(dB)


41/61

41

Proprietate

Castig mare si largime de banda mare

Reflectivitati neglijabile ale fatetelor

Sensibilitate scazuta la polarizarePutere mare de iesire la saturatie

Zgomot aditiv aproape de limita teoretica

Insensibil la caracteristicile de modulatie ale semnalului de intrare

Amplificarea multicanal fara diafonie

Fara neliniaritati

Tabel 2.1 Proprietatile SOA dorite in implementarea dispozitivelor practice

In tabelul 2.2 sunt prezentati parametri fizici ai unui SOA:

Parametru Simbol Valoare/Unitate

densitatea purtatoarei la transparentao

N 324/104.1 m

lungime de unda la transparentao nm1605

densitatea initiala a purtatoarei iN 324/103 m

lungimea de unda a semnalului nm1550

pierderea interna prin imprastiere a ghiduluis m/1040

2

castig diferentialg

220/1078.2 m

constanta de castig 2a 318/104.7 m

constanta de castig3a

425/10155.3 m

coeficientul de translatie al castigului de varf 4a 432103 m

lungimea SOA L 500 m

latimea SOA W 3 m

inaltimea SOA H 80 m

factor de confinare 0.3

frecventa luminii f 193.5THz

constanta Planck h 34106.62606896

sarcina electron q C1910602.1

coeficient de recombinare datorat defectelor

de suprafata

A 81043.1

1/s


42/61

42

coeficient de recombinare radiativa B sm /101 316

coeficient de recombinare Auger C sm /103 641

factor de compresie al castigului E 0.2/W

curent de bias I 150 mATabel 2.2 Parametri fizici ai unui SOA

2.3.1. SOA Fabry-Perot

In functie de reflectivitatea fatetelor se disting doua variante de SOA: FPA si TW.

FPA = amplificator cu cavitate rezonanta Fabry-Perot.

La FPA fatetele laserului au o reflectivitate de 30-35%.Intr-un amplificator optic se defineste relatia:

inout PGP ;

FPA are o reactie importanta datorita reflexiilor multiple pe fatetele structurii. FPA

poate fi folosit sub pragul emisiei coerente.

Caracteristica amplificatorului va fi construita din mai multe benzi inguste de trecere

centrate pe lungimile de unda la care se realizeaza un castig de varf.

Fig. 2.6 Caracteristici de transmisie ale filtrului Fabry-Perot

lungime de unda

transmitan

ta

reflexie 90% domeniu spectral liber

(FSR)

reflexie 70%

reflexie 5%


43/61

43

In figura 2.6 se observa ingustarea benzii de trecere odata cu cresterea reflectivitatiii

oglinzilor.

FPA este foarte sensibil la : - variatii ale curentului de polarizare;

- variatii ale temperaturii;

- variatii de polarizare ale semnalului incident (unda

optica de la intrare).

Filtrele optice acordabile se impart in 2 categorii:

- FOTB cu cavitati de tiplul Fabry-Perot;- Filtre care folosesc amplificatoare cu semiconductori.A) FOTB cu cavitati de tipul Fabry-PerotFOTB mai este numit si filtru pieptane.

Rezonatorul Fabry-Perot care transmite mai multe lungimi de unda cu banda

ingusta si opreste altele este de fapt un filtru trece banda multiplu pe frecventele

proprii ale cavitatii.

Presupunand un rezonator optic care are coeficientii de transmisie si de

reflexie ai oglinzilor de la capetele cavitatii notati cu t si r ( 122 rt reprezinta

legea de conservare) se poate deduce functia de transfer.

O unda cu vectorul de unda k si amplitudinea 0E este incidenta din stanga

rezonatorului.

Unda transmisa (in dreapta) va fi:

2

222

0

2222

0t )(...)(on

LkjLkjLkjLkj erteEertteEE

1

122

2

0

erteE Lkj ;

2

22

2

2

0

2

t

1 Lkj

Lkj

er

et

E

E

;

Se stie ca xjxe xj sincos si 22 babja .

2

22

22

2

2

2

0

2

t

)2sin)2cos1(

)sin(cos)1(

)2sin2(cos1

)sin(cos

LkrjLkr

LkjLkr

LkjLkr

LkjLkt

E

E

2

2222

222

)2sin(2cos1

sincos)1(

LkrLkr

LkLkr


44/61

44

LkrLkrLkr

r

2sin2cos2cos21

)1(24242

22

42

22

2cos21)1(

rLkrr

.

Transmisia este 100% 42422

0

2

t2cos21211 rLkrrr

E

E

m2

22212cos f

L

cmfmL

c

fmLkLk

Daca se poate presupune ca r = 0.51, atunci varfurile de transmisie sunt inguste si

FWHM (Full Width at Half Maximum) este dat de:

rm

tf

r

r

L

cf

2

m

21

2.

Demonstratie:

2

1

2cos21

21

2

142

42

2

0

2

t

rLkr

rr

E

E

422242 )21(21242 rLkrrr

4222242

421242 rLkrrrr 222224 )2()1()2(12 LkrrLkrrr

fc

Lr

c

fLrLkrr

422212 ;

Lr

rcff

c

Lrr

4

)1(41

2

11

2

Lr

rcfff

2

)1(2

12 ;

Lr

rcff

c

Lrr

4

)1(41

2

22

2

Din cauza latimii reduse a benzilor de trecere si a transmitantei de 100%,

rezonatoarele Fabry-Perot sunt larg folosite in (ca) filtre pentru WDM.


45/61

45

Fig. 2.7 Filtrul Fabry-Perot

Daca se doreste transmisia unei singure benzi de frecventa, atunci spatiul dintre cele 2

benzi de trecere ale filtrului trebuie sa fie superior latimii spectrale incidente.

Spatiul dintre varfurile de transmisie

L

cFSR 2 este denumit domeniu spectral

liber (FSR = Free Spectral Range), iar rapoertul dintre FSR si banda de frecventa a

semnalului incident este denumit factor de finete:

R

R

fL

c

f

FSRF

12

lumina la lungimi de unda

nerezonante

lumina la lungimi de

unda rezonante

oglinda 1 oglinda 2


46/61

46

Fig. 2.8 Conectarea in cascada a unor filtre Fabry-Perot cu FSR diferit

Aplictie: Un filtru trebuie sa aiba un singur canal cu o banda f = 50GHz si FSR =banda C (50 nm centrati pe 1550 nm).

In acest caz factorul de finete al filtrului piptane FOTB va fi F = 140

THzTHzHzHzc

FSR 72.6102.610101550

15

101550

1031050

12126

2182

89

2

14050

7000

GHz

GHz

f

FSRF ;

2

c

.

Este importanta de mentinut senzitivitatea ridicata a filtrului FP la variatii ale lungimii

cavitatii.

O schimbare a lungimii cavittii cu o jumatate de lungime de unda (~ 0.5 microni)

deplaseaza substantial varful de trecere.

Pentru a contracara senzitivitatea, de multe ori lungimea cavitaii este controlata

electric cu ajutorul unor piese piezoelectrice (adica se foloseste controlul piezoelectric al

lungimii cavitatii).

lungimi de unda rezonante

grating 1

lungimi de unda rezonante

grating 2

caracteristica rezultanta

a filtrului

lungime de unda


47/61

47

Fig. 2.9 Filtru acordabil Fabry-Perot cu fibre optice

Poate fi controlat de asemenea si indicele de refractie al cavitatii folosind un cristal

electro-optic.

In cazul filtrului FP, caracteristica de transmisie este dependenta de modurile

longitudinale determinate de lungimea optica ( Ln ) a cavitatii.

Atunci frecventele de trecere vor fi:

Ln

cmf

2, unde m este un numar intreg, iar spatiul dintre doua frecvente successive

ale FOTB va fi:

Ln

c

2L , unde n este indicele de refractie folosit la constructia receptorului FP.

In cazul transmisiei a N canale, banda acestora, S trebuie sa fie mai mica decat

L :

Lsig .

fibra optica

single-mode

cristal piezoelectric

miezul fibrei

oglinzidielectrice

structura desustinere

d


48/61

48

Fig. 2.10 Caracteristicile de transmisie ale filtrelor acusto-optic si electro-optic (stanga) si respectiv a unui

lob din caracteristica unui filtru Fabry-Perot cu oglinzi cu R = 40% (dreapta)

DSNN chchsig ;

DS chch

.

chS = spatierea normalizata dintre canale;

D = debitul.

Banda filtruluiFP trebuie sa fie suficienta pentru a trece toata informatia canalului

selectat:

D FP .

Atunci:chFPch

L

S

F

SN

, unde

ch

L

F este un factor de finete al FOTB.

Presupunand ca chS = 3 (pentru a mentine suprapunerea canalelor sub 10 dB), atunci:

)1(3 R

RN

.

Rezulta ca numarul maxim de canale este determinat de reflectivitatea oglinzilor.

Pentru R ~ 99%, rezulta N


49/61

49

Fig. 2.11 Filtru Fabry-Perot: ajustare prin efectul piezoelectric

De exemplu, pentru sig = 1000GHz, L


50/61

50

DFB (Distributed Feed-Back) sau DBR (Distributed Bragg Reflector) este posibil si un

accord.

In varianta DFB un curent variaza periodicitatea reflectorului si deci a lungimii de

unda, al doilea curent controleaza faza amplificatorului, iar ultimul regleaza amplificarea.

2.3.2. TW SOA

TWA = amplificator cu unda calatoare.

La TWA fatetele structurii sunt tratate antireflex (ideal se doreste reflectivitate nula).

Astfel se formeaza un dispozitiv cu trecere unica fara rezonante. Se obtine si o crestere

substantiala a benzii de trecere.

Lumina trece fara sa se reflecte, adica fara sa se mai intoarca, si astfel creste banda de

frecventa in care se obtine amplificarea.

TWA este insensibil la variatiile la care este sensibil FPA.

Din punct de vedere al saturatiei castigului si al zgomotului, TWA este superior FPA.

In practica TWA este denumit NTWA (near TWA = aproape TWA), deoarece o

reflectivitate total nula a fatetelor este imposibil de obtinut.

TWA este un amplificator unidirectional fara reactie.

In figura 2.12 este prezentata structura unui TWA:


51/61

51

Fig. 2.12 Structura unui TWA

2.4. Castigul si largimea de banda a unui SOA

Castigul (factorul de amplificare) FPA este:

L

m2

21

2

21

21FP )(

sin4)1(

)()1()1()(

RRGRRG

GRRG ;

1R , 2R = reflectivitatile fatetelor mediului activ;

m =frecventele de rezonanta ale cavitatii;

L = FSR (Free Spectral Range = domeniul spectral liber);

regiune activa inclinata

fereastra transparenta InP

stratantireflexie


52/61

52

= spatierea modala longitudinala (spatierea frecventelor de rezonanta), (spatierea

intre varfuri).

daca1R , GGR FP2 0 , deci G corespunde unui TWA la semnal mic, adica G este

castigul pentru o singura trecere a undei prin cavitate (castigul fara reflexii multiple).Aplicatie: Sa se calculeze banda: G (banda de frecvente a amplificatorului).

Gm frecventa de taiere.

Banda se calculeaza in jurul luim .

Banda la 3dB este dezacordulm , pentru care )(FP G scade la 0.707.

2

)()21()1(

)(sin4)1(

)1(

)()21()1(2

)(

)(

1

L

m2

21

2

21

2

21

m1

FP

mFP

GRR

RRGRRG

RRG

GRR

G

G

2

)(sin

)1(

41

L

m2

2

21

21

RRG

RRG

21

2

21

L

m2

4

)1()(sin

RRG

RRG

21

21

L

m

4

1)(sin

RRG

RRG

21

21

L

m

4

1arcsin

)(

RRG

RRG

21

21Lm

4

1arcsin)(

RRG

RRG

21

21Lm1

4

1arcsin

RRG

RRG

;

21

21Lm2

4

1arcsin

RRG

RRG

;

21

21L21G

4

1arcsin

2

RRG

RRG

.

Se defineste 21geo RRR ca fiind reflectivitatea suprafetei.

In figura 2.13 sunt reprezentate diferite valori ale lui Rgeo in functie de )(G . De

exemplu pentru a obtine un castig perturbat mai mic decat 1 dB pentru un )(G de 25 dB

trebuie ca Rgeo


53/61

53

cuprinse in intervalul 30-35 dB. Largimea benzii amplificatoarelor ia valori in intervalul 30-

60 nm.

Fig. 2.13 Interpretarea geometrica a suprafetei reflexive raportata la )(G

Aplicatie: Sa se calculeze G daca: L = 100GHz, 35.021 RR , G=2.85.

GHzGHzGHz

1057.49975.1

0025.0arcsin

200

35.085.24

35.085.21arcsin

10002G

.

Pentru FPA se remarca existenta unei contradictii intre amplificare si banda: candcreste amplificarea, scade banda (si invers).

Demonstratie:

amplificare mare inseamna 1maxmax 21FP RRGGG

0G banda .

De aceea, pentru aplicatii in sisteme de comunicatii se folosesc TWA, deoarece au

banda mai larga si deci sunt mai potrivite decat FPA.

TWA poate fi obtinut din FPA prin suprimarea reactiei, adica prin inlocuirea fatetelor

reflectante cu unele antireflex.


54/61

54

Pentru o reflectivitate redusa (de 310 ), FPA lucreaza ca un TWA.

Aplicatie: Sa se calculezemin

FP

max

FP

G

GG .

2

21

1mFP0sinFP

maxFP

)1()()21()1()(

RRGGRRGGG

;

21

2

21

1

21

2

21

11sinFP

min

FP2)(1

)()21()1(

4)1(

)()21()1(

RRGRRG

GRR

RRGRRG

GRRGG

2

2

21

21

min

FP

max

FP

2

21

1

1

1

)1(

)()21()1(

RRG

RRG

G

GG

RRG

GRR .

Daca G > 3dB se considera ca G este determinat de cavitate si nu de spectrul incare se obtine castig.

Aplicatie: Ce conditie trebuie indeplinita pentru ca G > 3dB ?

10

lglg10max

maxmaxmaxdB

dB

GGGG

2101010 3.0103

10max

max

dBG

G ;

2

21

21

2

2

21

21

11

11

RRGRRGG

RRGRRGG

21211 RRGGGRRG

1

11)1( 2121

G

GRRGGGRRG ;

17.012

12

1

1)( max21

G

GRRG .

Deci G > 3dB 17.021 RRG .

Daca 17.021 RRG , atunci se considera ca FPA e de fapt un TWA.

Aplicatie: Ce conditie trebuie indeplinita pentru ca G = 30dB ?

310

30

10 101010lg10 dB

dB

G

GGG ;

43

2121 107.11017.017.0

17.0 G

RRRRG .

In acest caz cavitatea lucreaza in regim de unda progresiva.


55/61

55

2.5. Sensibilitatea polarizarii

n general, castigul unui SOA depinde de starea de polarizare a semnalului de intrare.

Aceast dependen se datoreaz mai multor factori cum ar fi : structura ghidului de unda,polarizarea, care la randul ei este dependenta de natura antireflexiva a invelisului si castigul

materialului. SOA legate in serie pun cel mai bine in evidenta aceasta dependenta a

polarizarii. Ghidul de unda al amplificatorului este caracterizat de 2 moduri fundamentale:

Transversal Electric (TE) si Transversal Magnetic (TM). Polarizarea semnalului de intrare

este de obicei undeva intre aceste 2 moduri extreme. Sensibilitatea polarizarii unui SOA este

definita ca modulul diferentei intre castigul modului TE (GTE) si castigul modului TM (GTM).

)(/TMTETE/TM dBGGG In figura 2.14 sunt prezentate 3 configuratii folosite pentru a reduce sensibilitatea

polarizarii unui SOA:

Fig. 2.14 -3 configuratii folosite pentru a reduce sensibilitatea polarizarii unui SOA: (a)

amplificatore identice legate in serie; (b) amplificatoare identice legate in paralel; (c) trecere dubla prin

acelasi amplificator

am lificatoare

spliter de

olarizare

controler de

polarizare cip deamplificare

rotitor

Faraday

intrare

iesireo linda


56/61

56

2.6. Saturatia castigului a unui SOA

Castigul unui SOA este influentat atat de puterea semnalului de intrare cat si de

zgomotul intern generat de procesul de amplificare. Daca creste puterea semnalului, numarul

purtatorilor din regiunea activa se diminueaza, acest fenomen ducand la o scadere a castigului

amplificatorului. Aceasta saturatie a castigului poate cauza distorsiuni semnificative ale

semnalului. Poate, de asemena, limita castigul unui amplificator atunci cand SOA sunt

folosite ca amplificatoare cu mai multe canale. In figura 2.15 este reprezentat castigul unui

amplificator SOA in functie de puterea semnalului de iesire a unui amplificator. Un

parametru folosit pentru cuantificarea saturatiei castigului este puterea de iesire a saturatiei

(PO,sat ) care este definita ca fiind puterea semnalului de iesire a amplificatorului al caruicastig este jumatate din castigul amplificatorului de semnal mic. Aceasta putere ia valori in

intervalul 5-20 dBm, pentru dispozitivele practice.

Fig. 2.15 Castigul unui SOA in functie de puterea semnalului de iesire al unui amplificator

2.7. Zgomotul unui SOA

In cazul in care castigul amplificatorului este mult mai mare decat 1 si la iesirea

amplificatorului se afla un filtru trece-banda atunci expresia zgomotului va fi data de relatia:

sp2 nF

puterea semnalului de iesire (dBm)

castig(dB)


57/61

57

Cea mai mic valoare posibil pentru nsp este 1. Aceasta situatie are loc atunci cand se

relizeaza o inversie completa a mediului atomic. De exemplu, pentru N1=0 rezulta F=2

(3dB). Valorile tipice pentru expresia zgomotului pentru SOA sunt in intervalul 7-12 dB.

2.8. Efecte dinamice

SOA sunt utilizate de obicei pentru a amplifica semnale modulate. Daca puterea

semnalului este mare atunci va aparea fenomenul de saturatia al castigului. In SOA dinamica

castigurilor este determinata de durata de viata a purtatorilor recombinati. Aceasta durata de

viata este de ordinul sutelor de picosecunde. Atunci, castigul amplificatorului va reactionarelativ repede la schimbarile facute asupra puterii semnalului de intrare. Acesta dinamica a

castigului poate cauza distorsiuni ale semnalului, care devin mai pronuntate atunci cand

largimea de banda a semnalului creste. In contrast cu SOA, la amplificatoarele cu fibra

dopata, durata de viata a purtatorilor recombinati este de ordinul milisecundelor, fapt care

duce la distorsiuni ale semnalului neglijabile.

2.9. Neliniaritatea

SOA au un comportament neliniar. Neliniaritatea poate fi benefica pentru SOA, in

folosirea acestora ca dispozitive functionale acum ar fi convertoarele de lungime de unda.


58/61

58

CAPITOLUL 3 - PREZENTAREA UNOR SOA

COMERCIALE

SOA sunt folosite:

- ca amplificatoare de putere;

- ca preamplificatore de putere;

- ca dispozitive optice de comutare;

- ca convertoare de lungime de unda;

- pentru a compensa pierderile de dsitributie in LAN;

- pentru a amplifica mai multe canale in acelasi timp.

In paginile ce urmeaza vor fi prezentate datasheet-urile (foile din catalog) ale unor

SOA comerciale apartinand companiilor: Superlum, InPhenixsi Kamelian.

Fig. 3.1 SOA - exemplu

SOA 1300nm SOA 1550nm preamplificator SOA CWDM

SOA neliniar SOA reflectiv SOA reflectiv cu cooler termoelectric


59/61

59

CONCLUZII

Comunicaiile pot fi definite ca un transfer de informaii de la un punct la altul. n

comunicaiile cu fibra optica, acest transfer se realizeaz prin utilizarea luminii ca informaie

purtatoare. Tehnologia optic este dominanta in comunicatii la nivel global.

Amplificatoarele opticepot fi mprite n dou clase: amplificatoare cu fibra optica i

amplificatoare cu semiconductori (SOA). Datorita avansurilor facute in domeniul tehnicilor

de fabricatie a semiconductoarelor optice, mai ales n ultimii cinci ani, exista premisele

folosirii tot mai des a amplificatoarelor optice cu semiconductori in evolotia retelelor de

comunicatii optice.

Amplificatoarele optice pot fi, de asemenea, utile ca aplificatore de putere, de

exemplu, pentru a compensa pierderile in reelele optice de distribuie, ct i ca un

preamplificator optic pentru a mbunti sensibilitatea receptorului. Imbunatairile realizate

cu amplificatoare optice, in retelele de comunicatii, au dus la noi oportunitati de exploatare a

largimii de banda a fibrei optice.

Primele studii privind amplificatoarele optice cu semiconductori s-au efectuat n jurul

anului 1960 cand au aparut semiconductoarele laser. Aceste dispozitive s-au bazat pehomojonctiunile GaAs obtinute la temperaturi joase. Aparitia dispozitivelor cu

heterostructura dubla a dus la investigatii suplimentare pentru folosirea amplificatoarelor

optice cu semiconductori in sistemele optice de comunicatii. n 1970 a Zeidler i Personick

au efectuat mai multe studii asupra aplificatoarelor optice cu semiconductoriUn amplificator optic este un dispozitiv care amplifica semnalul optic direct, fara a-l

schimba vreodata in semnal electric. Este amplificata lumina in sine.

SOA este un dispozitiv optoelectronic, care dupa mai multe operatii poate amplificaun semnal de intrare. Un SOA se bazeaza pe aceeasi tehnologie ca a diodelor laser Fabry-

Perot. Functia de amplificare este realizata de pomparea externa a nivelelor de energie ale

materialului. Este necesara o protectia a dispozitivelor impotriva oscilatiilor proprii generate

de efectul laser. SOAs sunt pompate electric prin curentul injectat.

SOAs pot fi clasificate in 2 mari: Fabry-Perot SOA (FP-SOA), in care reflexiile de la

sfarsitul fetelor sunt semnificative (semnalul are mai multe treceri prin amplificator) si SOA

cu unda calatoare (TW-SOA) unde reflexiile sunt neglijabile (semnalul trece o singura dataprin amplificator). TW-SOA nu este la fel de sensibil ca FP-SOA la fluctuatiile in diagonala

ale curentului, la temperatura si la polarizarea semnalului.72


60/61

60

In tabelul 6 sunt prezentate principalele avantaje si dezavantaje ale unui SOA:

Avantaje Dezavantaje

Compacte Pierderi de cuplaj mari

Pot fi integrate Dependenta de polarizarea semnaluluiPutere mare de iesire Factor de zgomot mare

Pot opera intr-o banda mare de lungimi de

unda (400-2000nm)

Distorsiunea semnalului

Pret scazut pentru productii mari Alinierea cu fibra prezinta dificultati

Dimensiune mica

Pot fi folosite ca dispozitive functionale

(conversia lungimii de unda)

Tabel 4. Avantaje/Dezavantaje SOA

73


61/61

BIBLIOGRAFIE

1. S. Shimada and H. Ishio, Eds., Optical Amplifiers and their Applications, John Wiley(1992).2. H. Ghafouri-Shiraz, Fundamentals of Laser Diode Amplifiers, John Wiley (1995).3. Y. Yamamoto, Ed., Coherence, Amplification and Quantum Effects in Semiconductor

Lasers, John Wiley (1991).4. E. Desurvire, Erbium-Doped Fibre Amplifiers: Principles and Applications, John Wiley,New York (1994).5. M. J. OMahony, Semiconductor optical amplifiers for use in future fibre systems,

IEEE/OSA J. Lightwave Technol., 6, 531-544 (1988).6. N. A. Olsson, Semiconductor optical amplifiers,IEEE Proc., 80, 375-382 (1992).7. G. Zeidler and D. Schicetanz, Use of laser amplifiers in glass fibre communication

systems, Siemens Forch. u. Entwickl. Ber., 2, 227-234 (1973).8. S. D. Personick, Applications for quantum amplifiers in simple digital opticalcommunication systems,Bell Syst. Tech. J., 52, 117-133 (1973).9. Y. Yamamoto, Characteristics of AlGaAs Fabry-Perot cavity type laser amplifiers,IEEE J.Quantum Electron., 16, 1047-1052 (1980).10. T. Mukai, Y. Yamamoto and T. Kimura, S/N and error rate performance in AlGaAssemiconductor laser preamplifier and linear repeater systems, IEEE Trans. MicrowaveTheory And Tech., 30, 1548-1556 (1982).11. J. C. Simon, GaInAsP semiconductor laser amplifiers for single-mode fibrecommunications,IEEE/OSA J. Lightwave Technol., 5, 1286-1295, 1987.12. N. A. Olsson, R. F. Kazarinov, W. A. Nordland, C. H. Henry, M. G. Oberg, H. G. White,

P. A. Garbinski and A. Savage, Polarisation-independent optical amplifier with buried facets,Electron. Lett., 25, 1048-1049 (1989).13. J.D. Montgomery, S. Montgomery and S. Hailu, Semiconductor optical amplifiers expandcommercial opportunities, WDM Solutions, Supplement to Laser Focus World, 27-30 August2001.14. Harry J. R. Dutton Understanding Optical Communications, September 199815. J.D. Montgomery, S. Montgomery and S. Hailu, Semiconductor optical amplifiersexpand commercial opportunities, WDM Solutions, Supplement to Laser Focus World, 27-30August 2001.16. Y. Yamamoto, Characteristics of AlGaAs Fabry-Perot cavity type laser amplifiers,IEEE

J. Quantum Electron., 16, 1047-1052 (1980).17.http://www.superlumdiodes.com18.http://www.inphenix.com19.http://www.kamelian.com
http://www.superlumdiodes.com/http://www.superlumdiodes.com/http://www.superlumdiodes.com/http://www.inphenix.com/http://www.inphenix.com/http://www.inphenix.com/http://www.kamelian.com/http://www.kamelian.com/http://www.kamelian.com/http://www.kamelian.com/http://www.inphenix.com/http://www.superlumdiodes.com/

amplificatoare optice cu semiconductori

Documents