UNIVERSITATEA POLITEHNICA BUCURESTIFacultatea de Electronica, Telecomunicatii si Tehnologia Informatiei

AMPLIFICATOR CU FIBRA DOPATA CU ERBIUM

LICA LUMINITA DIANAOPTOELECTRONICA

2014CUPRINS

INTRODUCERE3AMPLIFICATOARELE CU FIBRA OPTICA6AMPLIFICATOARELE CU FIBRE DOPATE CU ERBIU10EDFA IN BANDA S12EDFA IN BANDA L12EDFA IN SISTEMELE DE TELECOMUNICATII14LASERE DE INJECTIE19BIBLIOGRAFIE27

INTRODUCERE

Fibra opticeste ofibr de sticlsauplasticcare transportluminde-a lungul su. Fibrele optice sunt folosite pe scar larg n domeniul telecomunicaiilor, unde permit transmisii pe distane mai mari i lalrgimi de bandmai mari dect alte medii de comunicaie. Fibrele sunt utilizate n locul cablurilor de metal deoarece semnalul este transmis cupierderimai mici, i deoarece sunt imune lainterferene electromagnetice. Fibrele optice sunt utilizate i pentru iluminat i transport imagine, permind astfel vizualizarea n zone nguste. Unele fibre optice proiectate special sunt utilizate n diverse alte aplicaii, inclusivsenzorii laseri.Lumina este dirijat prin miezul fibrei optice cu ajutorulreflexiei interne totale. Aceasta face fibra s se comporte caghid de und. Fibrele care suport mai multe ci de propagare sau moduri transversale se numescfibre multimodale(MMF), iar cele ce suport un singur mod suntfibre monomodale(SMF). Fibrele multimodale au n general un diametru mai mare al miezului i sunt utilizate n comunicaii pe distane mai scurte i n aplicaii n care trebuie transferat mult putere. Fibrele monomodale se utilizeaz pentru comunicaii pe distane de peste 550m.Conectarea fibrelor optice una de alta este mai complex dect cea a cablurilor electrice. Capetele fibrei trebuie s fie atent tiate, i apoi unite fie mecanic fie prin sudare cuarc electric. Se utilizeaz conectori speciali pentru conexiuni ce pot fi nlturate.Fibra optic poate fi utilizat ca mediu de telecomunicaii ireeledeoarece este flexibil i poate fi strns n cabluri. Este deosebit de avantajoas pentru comunicaii pe distane mari, deoarece lumina se propag prin fibr cu atenuare mic n comparaie cu cablurile electrice. Aceasta permite acoperirea de distane mari cu doar cteva repetoare. n plus, semnalele luminoase propagate n fibr pe fiecare canal pot fi modulate la viteze de pn la 111gigabii pe secund. Fiecare fibr poate transmite mai multe canale independente, fiecare folosind o alt lungime de und a luminii (multiplexare cu diviziune a lungimii de und). Rata de transfer net (fr octei de overhead) este rata de transfer efectiv de date nmulit cu numrul de canale (de regul n numr de pn la 80 pentru sistemele cu multiplexare dens n lungimea de und la nivelul anului 2008). Recordul de transmisie prin fibr optic n laborator este deinut de Laboratoarele Bell Labs din Villarceaux, Frana, cu multiplexarea a 155 canale, fiecare de cte 100 Gbps pe o fibr de 7000km.Pe distane scurte, cum ar fi reeaua unei cldiri, fibra optic economisete spaiu n conductele de cablu deoarece o singur fibr poate transporta mai multe date dect un singur cablu electric. Fibra este imun i la interferenele electrice; nu existcross-talkntre semnalele de pe cabluri diferite i fibra optic nu culege zgomote electromagnetice din mediu. Cablurile de fibr optic nu conduc electricitate, aceasta fiind o bun soluie pentru protejarea echipamentelor de comunicaii aflate n medii denalt tensiunecum ar fi centralele electrice, sau structurile metalice de comunicaii vulnerabile la trsnet. Ele pot fi utilizate i n medii n care sunt prezente gaze inflamabile, fr pericol de explozie. Interceptarea comunicaiilor este mai dificil prin comparaie cu conexiunile electrice, i exist fibre cu miez dublu concentric care fac interceptarea i mai dificil.Desi fibra optic se poate face din plastic transparent, sticl, sau o combinaie de cele dou, fibrele optice utilizate n telecomunicaii pe distane mari sunt ntotdeauna din sticl, din cauza atenurii optice mai mici. Att fibrele multimodale ct i cele monomodale sunt utilizate n telecomunicaii, cea multimodal fiind folosit pentru distane mici, de pn la 550m, iar cea monomodal la legturi pe distane mari. Din cauza toleranelor mai mici necesare pentru cuplarea luminii ntre fibrele monomodale (cu diametrul miezului de aproximativ 10 micrometri), transmitoarele, receptoarele, amplificatoarele i alte componente monomodale sunt n general mai costisitoare dect cele multimodale.Fibra optic este folosit i n iluminat, caghid de luminn aplicaii medicale i nu numai, n care este nevoie de lumin puternic pe un punct ascuns. n unele cldiri, fibra optic este utilizat pentru a direciona lumina solar de pe acoperi spre alte pri ale cldirii. Iluminarea cu fibr optic este folosit i n aplicaii decorative, la indicatoare, lucrri de art i n pomi de Crciun artificial. MagazineleSwarovskiutilizeaz fibra optic pentru a ilumina cristalele expuse din mai multe unghiuri cu o singur surs de lumin.Un grup coerent de fibre se utilizeaz, uneori mpreun cu lentile, la un dispozitiv lung i subire de achiziionat imagini, numitendoscop, folosit pentru a vedea obiecte printr-o gaur mic. Endoscoapele medicale sunt utilizate pentru proceduri chirurgicale neinvazive (endoscopie). Endoscoapele industriale sunt utilizate la inspectarea unor puncte la care se ajunge greu, cum ar fi interioarele motoarelor cu reacie.nspectroscopie, cablurile de fibr optic sunt utilizate pentru a transmite lumina de la un spectrometru la o substan ce nu poate fi pus ea nsi n spectrometru, pentru a i se analiza compoziia. Un specrometru analizeaz substanele trecnd lumin prin ele i reflectnd lumin din ele. Cu fibr optic, un spectrometru poate fi folosit pentru a studia obiecte prea mari pentru a ncpea n el, gaze sau reacii ce au loc n vase sub presiune. O fibr optic dopat cu anumite elemente rare, cum ar fierbiulse pot folosi ca mediu de amplificare pentru unlasersauamplificator optic. Fibra optic dopat cu elemente rare se poate folosi i pentru a amplifica semnale prin tierea unei scurte seciuni de fibr dopat i introducerea ei ntr-o linie de fibr obinuit. Fibra dopat este pompat optic cu o a doua lungime de und cuplat la linie. Lumina de ambele lungimi de und se transmite prin fibra dopat, care transfer energie de la a doua lungime de und la unda purttoare de semnal. Procesul care determin amplificarea esteemisia stimulat.Fibrele optice dopate cu un deplasator de lungime de und folosesc la colectarea luminii de la un scintilator n experimentele defizic. Fibra optic poate oferi alimentare cu energie (aproximativ un watt) unor dispozitive electronice aflate ntr-un mediu electric dificil.O fibr optic este unghid de unddielectriccilindric ce transmite lumina de-a lungul axei sale, prin procesul dereflexie intern total. Fibra const dintr-unmieznconjurat de un strat de substan (teac). Pentru a pstra semnalul optic n miez,indicele de refracieal miezului trebuie s fie mai mare dect cel al tecii. Limita dintre miez i teac poate fi fie abrupt, n fibra cu salt de indice, fie gradat, n fibra cu indice gradat.

AMPLIFICATOARELE CU FIBRA OPTICA

Amplificatoarele cu fibra optica ofera o combinatie unica de caracteristici, care tind sa revolutioneze comunicatiile prin fibra optica. Cateva dintre aceste caracteristici sunt: zgomot redus, putere optica, castig mare, liniaritate, banda larga, permeabilitate in functie de lungimea de unda, polarizare prin impedante si compatibilitate intre diferitele fibre. Acestea au condus la numeroase aplicatii, fiecare facuta special sa indeplineasca o anumita sarcina. Proiectarea eficienta a amplificatoarelor depinde de doi parametri: proprietatile fibrei active si topologia amplificatorului. Optimizarea fibrei dopate cu erbium a fost cercetata pentru alimentarea la lungimi de unda de 980 nm si 1480nm. In mod similar au fost facute cercetari pentru EDFA care sunt inca de actualitate in realizarea unor aplicatii de o diversitate mare.Comportamentul si performantele EDFA-ului sunt date de un numar mare de parametri: castigul de semnal mic,factorul de zgomot, raport semnal-zgomot, puterea de saturatie la iesire, eficienta conversiei din optic in optic, eficienta conversiei din electric in optic, eficienta globala a conversiei, temperatura de lucru, dependenta de polarizare a castigului, banda semnalului, latimea de banda pompei si fiabilitatea.Castigul reprezinta caracteristica de baza a oricarui amplificator, pe care EDFA-ul il poate produce liniar pornind chiar de la o sursa de mica putere. O poza ilustrativa care sa compare diferite arhitecturi de amplificatoare din punctul de vedere al castigului este utila. Au fostobtinute castiguri de 11dB/W si 6.3 dB/W pentru semnale cu lungimea de unda de 1533nm, care proveneau de la surse cu 980nm si 1480nm. In general castigul se poate imbunatati marind aperture numerica a fibrei si delimitand doparea cu erbium. O aperture numerica de 0.24 yield reprezinta cel mai bun compromis intre eficienta castigului si zgomot. Avantajul unui amplificator cu castig mare este ca necesita mai putina putere de la sursa, marind asfelfiabilitatea sistemului. La o configuratie standard se pot obtine castiguri de de pana la 30dB de la o sursa cu o putere de cativa mW. Acestea pot creste si mai mult folosind fibre mai lungi. Experimental s-a demonstrat un castig de 51dB la o fibra cu un singur stagiu lunga de 22m la 1532nm cu sursa de 180mW care emite la 980nm. Acest castig este limitat de dispersia Rayleigh.O putere de iesire mare se obtine daca la intrare avem un semnal puternic care provoaca emisie stimulata care reduce castigul. Pe un grafic tipic al saturatiei Psat se refera la puterea de iesire atunci cand castigul a scazut cu 3dB. In amplificatoarele cu conversie eficienta de putere putem descrie transferul de energie de la sursa la semnal ceea ce inseamna ca putem modela amplificatorul astfel incat puterea de iesire sa fie mare.Randamente de 50-80% au fost obtinute pentru 980nm si 1480nm. Din experimente s-a aratat ca pentru o putere de saturatie mai mare de 22.7dB randamentul este de circa 70%pentru 1480nm. Cu toate acestea, randamentul este un indicator util al puterii sistemelor.Acesta descrie cat de bine puterea de la sursa si caldura sunt administrate si transformate in putere de semnal. Dependenta puterii de saturatie a sursei de lungimea de unda poate avea un rol important la proiectarea amplificatorului si performantele sale.Raportul intre puterea totala a unei EDFA cu sursa la 1480nm si o EDFA cu 980nm este de doi in favoarea EDFA-ului cu sursa de 980nm.Un alt aspect pe care trebuie sa il luam in considerare cand vorbim de Psat este temperatura de operare. Daca la o sursa cu 980nm performantele cu temperatura variaza foarte putin, la o sursa de 1480nm valorile Psat variaza semnificativ, avand in discutie aceeasi lungime de banda. Zgomotul este definit ca raportul dintre RSZ la iesire si RSZ intrare. De regula RSZ-ul scade din cauza emisiei spontane (ASE) generata de fibra. Zgomotul cel mai mic este atunci cand fibra este in regim de inversie puternic, iar valorile acestuia sunt de 3dB pentru amplificatoare cu surse de 980nm si de 4.1 dB pentru cele cu 1480nm. Zgomotul mai este influentat si de configuratia EDFA-ului, inversie puternica la intrarea in EDFA insemnand zgomot cat mai redus. Limita de jos a zgomotului pentru un amplificator cu un castigde 30dB este data de retrodifuzie Rayleigh.Un amplificator optic particular este creat pentru o aplicatie specifica impreuna cu cerinte de proiectare specifice. Aplicatiile EDFA corespund regimurilor particulare ale unui amplificator. Dintre acestea trei sunt mai importante, si anume: regimul de semnal micnumit si regimul liniar, regimul de saturatie si regimul de saturatie puternica. Fiecare regim opereaza cu anumiti parametri care pot fi optimizati prin arhitectura fibrei sau topologia amplificatoruluiIn cele ce urmeaza vom face referire la trei aplicatii de baza. Amplificatorul de putere este folosit in transmiterea de semnale puternice pe fibra pentru a creste distanta de transmisie sau ca semnalul poate fi divizat la iesire. Deoarece pierderile intre transmitator si amplificatorul de putere sunt neglijabile, amplificatorul poate opera in regimul de saturatie puternica. In mod normal castigul pentru astfel de amplificatoare este undeva intre 20 si 40 dB. In aceste conditii zgomotul ASE (emisie spontana amplificata) la iesire este foarte redus, iar RSZ este foarte mare. Prin urmare zgomotul poate sa nu fie luat in calcul ca parametru de proiectare. Pe de alta parte un parametru foarte important este puterea maxima de saturatie de la iesirea amplificatorului, deoarece aceasta va determina puterea din regimul de saturatie puternica.In practica, amplificatoarele de putere care au puterea la iesire direct proportionala cu puterea pompei mai au un parametru important si anume randamentul de transformare a puterii optice in alta putere optica sau puterii electrice in putere optica. Prin urmare, aceste amplificatoare sunt proiectate in scopul obtinerii randamentului maxim al transferului de putere de la sursa la semnal in conditiile regimului de saturare. La amplificatoarele cu un singur stagiu acest lucru se poate realiza marind lungimea stagiului astfel incat lumina de la sursa sa fie absorbita complet. Daca se foloseste un amplificator cu mai multe stagii vom folosi component intermediare cum ar fi filtrele sau izolatorii pentru a nu permite propagarea ASE. Daca in continuare vrem sa marim puterea de iesire putem apela la surse aditionale. Se vor folosi de asemenea si reflectori care sa reintoarca lumina de la sursa pentru a fi folosita inmarirea castigului, care in caz contrar ar fi pierduta. Pre-amplificatorul este folosit la sfarsitul canalului de transmisie, chiar inainte de fotodetector si regenerator. La intrarea preamplificatorului nivelul semnalului va fi scazut deoarece acesta a pierdut putere pe canal. La iesirea din pre-amplificator semnalul trebuie sa fie suficient de puternic astfel incat la fotodetector zgomotul predominant sa fie cel produs de ASE si sa nu fie zgomotul de la receptor. Asta inseamna ca preamplificatorul trebuie sa opereze la un nivel cu cel putin 10dB mai mare decat senzitivitatea nominala a fotodetectorului. In general acest lucru nu conduce la constrangeri pentru castigul pre-amplificatorului. In concluzie, pre-amplificatorul e proiectat pentru obtinerea de nivel mic a zgomotului si un castig intre 10 si 20 dB. Structura prin urmare trebuie sa prezinte pierderi mici ale semnalului de intrare, izolare puternica cu un izolator polarizat independent . De asemenea un factor important este mentinerea nivelului mediu de inversie cat mai ridicat posibil la intrare pentru semnalele mici. Acest lucru sepoate realiza la amplificatoarele cu o singura treapta prin doparea cu erbium a unui segment de fibra si prevenirea pierderilor de cuplaj de la intrare. Amplificatoarele multi-treapta de regula nu sunt folosite pentru astfel de cerinte.Acum sa consideram un amplificator pe linie. Acesta se foloseste in interiorul unui sistem de regenerare cu scopul maririi puterii semnalului si a lungimii de transmisie. Deoarece este folosit la marirea lungimii de transmisie, puterea de iesire a acestuia joaca un rol important. Cu toate acestea semnalul de la intrarea in amplificatory este slab, asa ca trebuie sa avem in vedere si zgomotul introdus de acesta. Prin urmare zgomotul devine un parametru important asa ca amplificatorul pe linie trebuie sa fie atat un bun pre-amplificator cat si un bun amplificator de putere.Pentru un amplificator pe linie parametrii de proiectare cei mai importanti sunt: castigul, puterea de iesire si zgomotul pentru o varietate mare de semnale de intrare. Este foarte dificila optimizarea acestor trei parametri in acelasi timp intr-o arhitectura cu un singurstagiu. De exemplu un castig mare se obtine folosind segmente lungi de fibra dopata cu erbium, pe cand un zgomot mic se obtine la o inversie puternica la intrare care necesita segmete scurte de fibra dopata cu erbium.Prin urmare in mod natural ne gandim sa folosim amplificatoare multi-stagiu astfel incat primul stagiu sa reprezinte un bun preamplificator, iar stagiile urmatoare sa fie folosite ca amplificatoare de putere. In aceste conditii se pot indeplini cerintele de castig mare sizgomot redus pentru fiecare stagiu in parte.Arhitecturi care indeplinesc aceste cerinte sunt amplificatoarele duble alcatuite dintr-un pre-amplificator in cascada cu un amplificator de putere. Acestea au tendinta sa devina foartecomplexe. In sectiunea urmatoare vom introduce notiuni utile in descrierea amplificatoarelor multi-stagiu.

AMPLIFICATOARELE CU FIBRE DOPATE CU ERBIU

Amplificatoarul de fibre dopat cu erbiu (EDFA) este cea mai folosit amplificator de fibre deoarece fereastra de amplificare coincide cu fereastra de transmitere a treia din fibr optic pe baz de siliciu.Dou benzi s-au dezvoltat in fereastra de transmitere a treia - convenional, sau C-band, de la aproximativ 1525 nm - 1565 nm, i lung, sau L-band, de la aproximativ 1570 nm la 1610 nm. Ambele aceste benzi pot fi amplificate de EDFAs, dar este normal s utilizeze dou amplificatoare diferite, fiecare optimizate pentru una dintre benzi.Principala diferen intre amplificatoarele de band C si L este c o lungime mai mare de fibra dopata este utilizata in amplificatoarele band L. Lungimea mai mare a fibrei permite a fi utilizat un nivel inferior de inversiune, prin aceasta oferind lungimi de und mai lungi , in timp ce inc mai ofer un catig util.EDFA au doua frecvente de pompare utilizate - 980 nm i 1480 nm. Banda de 980 nm, are o seciune mare de absorbie i este folosit in general in cazul in care este necesar performan de zgomot redusa. Banda de absorbie este relativ ingust aa ca surse stabilizate laser sunt de obicei necesare. Banda de 1480 nm, are o mai mic, dar mai larga de seciune transversal absorbie i este folosit in general pentru amplificatoare de putere mai mare. O combinaiede 980 nm i 1480 nm de pompare este in general utilizata in amplificatoare. Amplificatorul pe fibra optica a fost inventat de H.J. Shaw i Michel Digonnet de la Universitatea Stanford, California, la inceputul anilor 1980. EDFA fost pentru prima dat demonstrat mai muli ani mai tarziu de ctre un grup, inclusiv David N. Payne, Mears R., i L. Reekie, de la Universitatea din Southampton i un grup de la AT & T Bell Laboratories, E. Desurvire, P. Becker, i J. Simpson.Progresul rapid in dezvoltarea de fibre dopate cu elemente rare a condus la productia de masa a amplificatoarelor optice, acestea devenind elemente de baza in noile arhitecturi ale sistemelor de transmisie. In particular fibrele dopate cu erbium (EDFA) sunt in centrul atentiei deoarece s-a observat ca acestea prezinta o banda larga de fluorescenta (40nm) in jurul lungimii de unda de 1550nm, lungime cu pierderi mici pe fibra. Multe dintre experimentele efectuate au demonstrat potetialul si flexibilitatea amplifi-catoarelor optice intr-o transmisie analoaga sau digitala in aplicatii terestre si subacvatice. De exemplu, EDFA-urile au contribuit la transmisia datelor neamplificate si fara repetoare pe distante de mii dekilometri.Pe langa asigurarea de mijloace de combatere a atenuarii duce la sisteme care sunt transparente atat la cresterea ratei de bit, cat si a cresterii capacitatii pe lungime de unda a canalului. Aceasta caracteristica a deschis noi perspective pentru viitoarele sisteme decomunicatii optice (multi gigabit, cu mai multe lungimi de unda si sisteme bazate pe soliton). Prima varianta de alimentare a fibrei dopate cu erbium in benzile de 980nm si 1480nm a fost realizata cu laseri cu semiconductori de tipul InGaAs si InGaAsP. Mai mult decat atat, optimizarea arhitecturii fibrei a condus la noi arhitecturi de amplificatoare, marind astfel gama de aplicatii.Majoritatea arhitecturilor conventionale ale amplificatorului aveau la baza o topologie cu un singur etaj, iar alimentarea se putea face in sensul de transmisie, in sens opus sau bidirectional. Cu toate acestea, dorinta de performante cat mai bune si functii multiple au dus la dezvoltarea amplificatoarelor cu mai multe etaje . Acestea reprezinta urmatorul pas de evolutie din punctul de vedere al circuitului astfel incat atributele EDFA-ului sunt folosite la maxim.Amplificatoarele cu fibra optica dopata cu erbium sunt de departe cele mai importante amplificatoare cu fibra optica in contextual comunicatiilor cu fibra optica pe distante mari. Ele pot aplifica efficient lumina in regiunea de 1,5 m a lungimii d unda, unde fibrele detelecomunicatii au cele mai mici pierderi.

Cea mai comuna lungime de unda a pompei pt EDFA-uri este in jurul la 980 nm. Lumina la aceasta lungime de unda pompeaza ioni de erbium din spatiul 4I15/2 pana in 4I14/2 de unde exista un transfer rapid non-radiativ pana la nivelul de laser superior 4I13/2. Datorita transferului rapid nu este esential nici o destimulare via emisia stimulata si pot fi atinse astfel nivele foarte inalte de excitatii. Prin urmare, aceasta abordare face posibila atingerea celui mai inalt nivel al eficientei (de ordinul 10 dB/mW) si cel mai jos nivel al cifrei de zgomot, desi eficienta puterii nu este ideala din cauza efectului cuantic semnificativ.O eficienta mai ridicata a puterii se obtine prin pompare in banda la 1450 nm. Totusi, emisia stimulata a pompei de lumina limiteaza nivelul de excitatie realizabil, deasemnea si castigul pe unitatea de lungime, iar castigul maxim apare la lungimi de unda mai mari. Cifrade zgomot va fi, de asemenea, mai mare.Datorita unor nu foarte mari sectiuni transversale, puterea de saturatie a unui EDFA este relativ ridicata in comparatie cu cea a unui amplificator optic cu semiconductori. Drept urmare, simbolurile singulare in transmisiile de date cu o rata de biti ridicata au o prea mica energie pentru a provoca o crestere semnificativa in saturatie. Numai peste mii sau milioane de simboluri, catigul se ajusteaza singur la nivelul de semnal mediu al puterii.In amplificatoarele cu castig mare, emisia spontata amplificita(ASE) este adesea un factor de limitare a catigului realizabil. Datorita naturii pe cvasi trei nivele a ionilor de erbium, puterea ASE poate fi diferita intre directia inainte si inapoi, si maximul ASE poate sa aparala o lungime de unda diferita de cea a castigului maxim. Cifra de zgomot a unui EDFA este puin mai mare decat limita teoretic de 3 dB pentru un amplificator de mare catig; acest lucru se datoreaza in principal naturii pe cvasi trei nivele. Performante pentru un zgomot relativ redus pot fi obtinute cu un design convenabil al amplificatorului, inand in considerare in special nivelul de excitatie al erbiumului apropiat de sfarsitul semnalului de intrare,care poate fi puternic influenat de ctre, de exemplu, direcia pompei.

EDFA IN BANDA S

Ionii de erbium Er 3+ pot prezenta emisie simultana si in banda S, iar castig se obtine prin formare de inversie 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 filter 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.

EDFA IN BANDA L

Prima generatie de amplificatoare pe fibra optica dopata cu erbium a fost destinata pentru asanumita banda conventionala banda C : 1530-1560 nm. Avand drept suport sticla cualuminiu-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 % . Ideeareconfigurarii 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 anii1990, iar in anul 1992 a fost descrisa functionarea la zgomot mic a unui amplificator cu fibraoptic 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 cuerbium (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.

EDFA IN SISTEMELE DE TELECOMUNICATII

EDFA-urile pot servi diverse funcii in sistemele de comunicaii de fibra optica; aplicaiile cele mai importante sunt urmtoarele:- Puterea unui emi tor de date poate fi stimulat cu un EDFA de mare putere inainte de a intra intr-o lunga perioada de fibra sau cu un dispozitiv cu pierderi mari cum ar fi un splitter de fibra optica. Astfel de splittere sunt utilizate pe scara larga in sist de cablu TV, unde unsingur transmitator este utilizat pentru a furniza semnalul in mai multe fibre.-Un amplificator de fibra poate fi de asemenea utilizat in partea din fa a unui receptor de date, in cazul in care semnalul de sosire este slab. In pofida introducerii unei amplificarii a zgomotului , acest lucru poate imbunatati raportul semnal zgomot si astfel rata posibila detransfer a date-lor, din moment ce zgomotul amplificat ar putea fi mai mic decat zgomotul de intrare al receptorului. Este, totusi, mai comuna utilizarea fotodiodelor in avalansa, care au o amplificare interna a semnalului.-EDFA-urile in linie sunt utilizate intre lungi rastimpuri de transmitere pasiva a fibrei. Utilizarea mai multor amplificatoare intr-o link-are lunga a fibrei are avantajul ca pierderile mari de transmisiune pot fi compensate fara a lasa puterea optica sa scada la niveluri prea joase, lucru care ar afecta raportul semnal zgomot si fara a transmite puteri optice excesive la alte locatii, lucru ce ar cauza efecte nelineare distructive datorita inevitabilei neliniaritatii a fi-brei. Mare parte dintre aceste EDFa-uri sunt operate in conditii dificile, de exemplul pe fundul oceanului,unde intretinerea este aproape imposibila.-Desi transmitatoarele de date nu sunt in mod normal bazate pe dispozitive dopate cu erbium, EDFA-urile fac parte adesea din echipamentul folosit pentru testarea transmisiei hardware. Acestea sunt, de asemenea, folosite in contextul de prelucrare a semnalului optic.

Fig 2. EDFA

Aceste functii pot fi realizate in benzile S si C de telecomunicatii. Alte tipuri de amplificatoare cu fibra, de exemplu cele bazate pe praseodymium au fost luate in considerare pentru alte benzi, dar nu pot concura cu dispoziti-vele bazate pe erbium in termeni de castig si eficienta a castigului.O particularitate atractiva a EDFA-urilor este largimea de banda cu castig ridicat, care este deobicei zeci de nanometri si astfel mai mult decat sufici-ent pentru amplificarea canalelor de date cu cele mai mari rate de date, fara a introduce un efect de micsorare a castigului.Un singur EDFA poate fi folosit pentru amplificarea simultana a mai multor canale de date la diferite lungimi de unda in regiunea de castig; aceasta tehnica este cunoscuta sub numele de divizare multiplexata a lungimi de unda. Inainte ca astfel de amplificatoare de fibra sa fie disponibile, nu exista o metoda practica de amplificare a tuturor canalelor,de exemplu perioadele lungii de fibra in conexiunea de fibra optica: de unul singur trebuia sa separe toate canalele sa le detecteze si sa le amplifice electronic, sa le retrimita si sa le combine din nou optic.Introducerea amplificatoarelor cu fibra a produs astfel o reducere enorma a complexitatii, impreun cu o cretere corespunztoare a fiabilitii. Durate de viata foarte ridicate sunt posibile prin utilizarea unor diode cu pompa redundante evaluate jos. Singuri competitori ai amplificatoarele cu fibra dopate cu erbium in regiunea de 1,5 m raman amplificatoarele Raman, care profita de dezvoltarea unor lasare cu pompa de putere mai ridica. Cu toate aceastea, EDFA-urile raman foarte dominante.

Fig.2 Amplificator Raman

Amplificatoare pe baz de fibr, dopate cu erbiu EDFA ( Erbium-Doped Fiber Amplifier ) n ultimii civa ani au efectuat revoluie n industria telecomunicaiilor. Amplificatoarele EDFA asigur amplificarea nemijlocit a semnalelor optice, fr transformarea lor n semnale electrice i invers, dein un nivel de zgomot mic, iar diapazonul de lucru a lungimilor de und practic corespund cu ferestrele de transparen a fibrelor optice din cuar. Anume datorit apariiei amplificatoarelor cu aa caliti a liniilor i reelelor de comunicaii pe baza sistemelor DWDM au devenit economic avantajoase.

Fig. 3 . Dependena coeficientului de amplificare EDFA de lungimea de und

Amplificatoarele EDFA constau din o poriune de fibr dopat cu erbiu. n aa fibr semnalele anumitor lungimi de und se pot amplifica pe baza energiei radierii externe de injecie. n construciile simple EDFA, amplificarea se produce n diapazonul destul de ngust a lungimilor de und - aproximativ de la 1525 nm pn la 1605 nm. n aceti 40 de nm ncap cteva zeci de canale DWDM. Repetoarele electronice obinuite, pentru a restabili nivelul semnalului de-a lungul liniei de comunicaii, recepioneaz semnalul din fibr, l transform n impulsuri electrice, le amplific, iar pe urm transform semnalul amplificat din nou n form optic i l transmite n continuare prin linia de comunicaii. Spre deosebire de ele amplificatoarele EDFA snt complet "transparente" - nu depind de protocoalele utilizate, formate, viteza de transmisiune i lungimea de und ( n limitele indicate mai sus ) a semnalului optic. Deoarece amplificatoarele EDFA snt independente de protocolul de reea, ele se pot conecta nemijlocit ctre diferite dispozitive - comutatoare ATM sau componente a protocolului IP - fr a ncurca unul altuia. Aa flexibilitate este una din prioritile de baz de utilizare a sistemelor DWDM. Pe lng acestea, la folosirea amplificatoarelor EDFA se cere de luat n consideraie amplificarea spectral a lor neuniform i zgomotul ntrodus de ele pe baz de emisie spontan amplificat ASE (Amplified Spontaneos Emision ).Reele cu amplificatoare EDFA au prioriti multiple. Capacitatea de transmisiune poate crete odat cu creterea cerinelor (prin adugarea canalelor noi ). Utilizarea amplificatoerelor EDFA permite de a realiza reele complet optice, n care prelucrarea semnalelor de ctre componentele electronice se produce numai la etapa iniial ( unde informaia este ntrodus n reea ) i la etapa final ( unde informaia ajunge la punctul terminal ). Fiecare linie de comunicaii de nivelul OC-48 (STM-16 ) se prelucreaz n sistemul DWDM ca un canal aparte, pe o lungime de und aparte, datorit crui fapt cea mai mare parte a utilajului de reea existent se include nemijlocit n componena sistemelor DWDM. Pe baza acestui fapt costul iniial de introducere a sistemelor DWDM n exploatare este destul de mic. Amplificatoarele optice se utilizeaz cu succes n reele de televiziune prin cablu CATV, cnd un semnal comun se transmite unui numr mare de abonai. n prezent nc destul de rar se instaleaz fibre optice nemijlocit pn la consumator FTTH ( Fiber to the Home ). Semnalul CATV se transmite de obicei prin fibra optic numai pn la punctul local de distribuire n interiorul unei cldiri FTTB ( Fiber to the Building ) precum i n apropierea unei grupe de case FTTC ( Fiber to the Curb ), iar distribuia final se efectuiaz prin cablu coaxial. Pentru a asigura recepia bun a semnalelor analogice, care se utilizeaz n CATV, se cere raportul mare semnal zgomot la recepie, n comparaie cu sitemele digitale. Semnalul comun n reelele CATV trebuie s aib putere mare, deoarece energia lui se transmite ntre sute i mii de abonai. Amplificatoarele optice se pot descurca uor cu aa cerine. Pentru ca tehnologia FTTH s devin economic avantajoas este necesar de asigurat abonaii cu receptoare ieftine i respectiv cu sensibilitate mic. n aa caz cerinele reelelor CATV n amlificatoare optice snt destul de mari. Elaborarea diferitor circuite de putere a permis crearea amplificatoarelor EDFA cu diapazon de lucru extins de la 1570 nm pn la 1605 nm ( diapazonul L ). Aa amplificatoare se numesc i amplificatoare cu unde lungi LWEDFA ( Long Wavelength EDFA ).

LASERE DE INJECTIE

O component important a amplificatorului EDFA - laserul de injecie ( fig.4 ). Este surs de energie, pe baza cruia se amplific semnalul optic. Energia laserului de injecie se divizeaz n amplificatorul EDFA ntre toate canalele optice. Cu ct mai multe canale, cu atit mai mare trebuie s fie puterea de injecie. n amplificatoare EDFA, calculate la un numr mare de canale, des se utilizeaz cteva lasere de injecie.Fig. 4 Schema EDFA

Pentru injecia amplificatoarelor EDFA corespund lasere cu lumgimi de und de radiere 980 nm i 1480 nm. Radierea a ambelor lungimi de und corespunde nivelurilor energiei ionilor excitai i este bine absorbit de fibr, dopata cu erbiu. ns la alegerea unui anumit tip de laser de injecie trebuie de mers la compromis. Dintr-o parte, amplificatoarele EDFA cu lasere 980 nm au coeficientul de zgomot mai mic, n comparaie cu amplificatoarele cu lasere 1480 nm , ce e mai bun pentru sisteme multicanal i preamplificatoare a sistemelor DWDM. Din alt parte, utilizarea laserelor 1480 nm permite de a crea amplificatoare mult mai puternice i la un pre mai mic. Alegerea se complic de faptul, c tipul laserului de injecie este necesar de determinat la nceputul proiectrii reelei, cnd nc nu este cunoscut numrul total de canale i este destul de complicat de determinat, ce este mai important - puterea nalt a amplificatorului sau nivelul mic al zgomotului. n unele amplificatoare EDFA se utilizeaz injecia la dou lungimi de und, ce permite combinarea prioritilor a ambelor metode.Dac emitorul laser transmite n fibra cu atenuarea tipic 0,2dB/km n regiunea lungimilor de und 1550 nm un semnal cu puterea + 16 dBm, atunci dup 80 de km se micoreaz pn la nivelul 0dBm. Dac laserul transmite semnalul cu puterea 0dBm, atunci peste 80 de km el va scdea pn la nivelul -16 dBm. La primele etape de dezvoltare a comunicaiilor prin fibre optice laserele aveau o putere relativ mic, i semnalul era necesar de restabilit cu metode electronice la parcurgerea distanelor mai mici de 80 km. Repetorul electronic primea semnalul optic, l tranforma n electric, l amplifica i din nou l transforma n semnal optic. Cu toate c aceast tehnologie nu avea limitri de spectru i permitea cu acela succes s restabileasc semnalele att la 1310 nm, ct i la 1550 nm, ea era destul de complicat, iar creterea vitezei de transmitere a sistemei cerea schimbarea repetorului. La nceputul anilor 1980 Payne i Laming din universitatea Suthampton din Marea Britanie au propus amplificarea semnalelor optice fr transformare optoelectronic cu ajutorul fibrelor dopate cu erbiu. Aceast tehnologie avea un mare neajuns: ea permitea amplificarea semnalelor numai ntr-un diapazon de spectru ngust cu centrul pe lungimea de und 1550 nm. Snt posibile cteva circuite de injecie pe lugimile de und 1480 nm sau 980 nm (fig. 5 ).

Fig. 5 Circuite tipice de injecie EDFA ( DCD - dispozitiv de compensa re a dispersiei - dispertion compensation device )

Sensul direct de injecie (fig. 5 a ) d un nivel de zgomot mai mic. Acest lucru este posibil la putere mic a semnalului de ieire i coeficient de amplificare maxim ( regiunea A, fig. 6). n direcie invers ( regiunea fig. 5 b ) mai uor se obine regimul de saturaie. Acest lucru este posibil n acele cazuri, cnd la ieire se cere semnal de puterea maximal posibil ( regiunea C, fig. 6 ) . La utilizarea concomitent a dou lasere de injecie de diferite lungimi de und se recomand de efectuat injecia la 1480 nm in direcie invers iar injecia la 980 nm - direct. Aceasta permite de a utiliza mai bine prioritile ambelor metode. Laserul injecie 1480 nm are o eficacitate cuantic mult mai mare, dar n acela caz are i un coeficient de zgomot mult mai mare, n timp ce pentru laserul 980 nm este posibil micorarea zgomotelor pn la fluctuaii cuantice.n EDFA cu injecie cu o trept puterea maxim a semnalului de ieire ce ajunge n regim de saturaie ( regiunea C, fig.6 ), are aproximativ + 16dBm. Coeficientul lui de zgomot n regiunea semnalului de putere mic ( regiunea A, fig. 6 ) este egal cu 5-6 dB. n EDFA cu dou lasere de injecie ( 980nm i 1480nm ) se asigur o putere a semnalului mult mai mare - pn la +26 dBm. Pentru a micora nivelul zgomotelor pn la nivelul fluctuaiilor cuantice (ceea ce este necesar pentru multe preamplificatoare) se utilizeaz construcia multicascad: imediat dup prima cascad de amplificare se utilizeaz izolator optic, care nu permite rspndirea n direcia invers a emisiei spontane amplificate ASE ( Amplified Spontaneous Emision ) a cascadei a doua.

Fig.6 Dependena coeficientului de amplificare de puterea semnalului de intrare i diferite regimuri de lucru a EDFA

Amplificatoarele EDFA pot fi utilizate diferit n dependen de regiunea aleas a coeficientului de amplificare ( fig. 6 ). n regim de saturaie ( regiunea C, fig.6 ) - ca amplificator de putere deodat dup laserul emitorului. Aceasta mrete nivelul semnalului i permite de mrit maximal distana pn la primul repetor. n regim intermediar a valorilor de amlificare i zgomot ( regiunea B, fig. 6 ) - ca repetor. Repetorul amplific semnalul, ct e de posibil, ntroducnd n acela timp ct mai puin zgomot. n regim de zgomot mic ( regiunea A, fig.6 ) - ca preamplificator nainte de receptor. Preamplificatorul mrete puterea semnalului slab la sfritul liniei de comunicaii. Amplificatorul EDFA are distribuia spectral nesimetric a coeficientului de amplificare pentru semnale slabe ( fig. 7 ).

Fig. 7 Divizarea spectral a coeficientului de amplificare EDFA

n dstribuia spectral a coeficientului de amplificare EDFA este prezent un maxim larg la lungimea de und 1535 nm i o regiune relativ dreapt ntre 1540 nm i 1560 nm. Aceast regiune ngust cu limea de aproximativ 20 nm este diapazonul de lucru a apmlificatorului EDFA, n limitele cruia trebuie s fie situate lungimile de und a tuturor canalelor a sistemei DWDM. Au fost propuse multe metode, ce permiteau de a ndrepta spectrul de amplificare i de extins diapazonul de lucru a amplificatorului EDFA pn la 40 nm i mai mult. Spectrul drept de amplificare este necesar pentru ca la la trecerea prin amplificatoarele EDFA situate consecutiv pe linia de comunicaii s se produc amplificarea uniform a semnalelor cu diferite lungimi de und. n amplificatorul LWEDFA, descris mai sus, grania de sus a diapazonului atinge 1610 nm. Aceasta permite de a transmite canalele DWDM n ambele direcii n dou ferestre care nu se intersecteaz i n acela timp micoreaz nivelul cerinelor tehnice la ambalarea mai compact a canalelor DWDM. n amplificatoarele contemporane EDFA snt un ir de componente, care mresc sigurana lor . Izolatoarele suprim distribuia invers a emisiei amplificate spontane ASE i apr amplificatorul de toate semnalele reflectate i radierea de injecie de la EDFA, situate mai jos de linia de comunicaii. Dispozitivele de compensare a dispersiei ndreapt reinerile n timp aprute la propagarea semnalelor cu diferite lungimi de und n special ntre dou cascade a amlificatorului EDFA cu dou cascade (fig 5 a ). n EDFA moderne se utilizeaz fibre pe baz de cuar sau flor. Utilizarea altor materiale se afl n stadiile de cercetri. Ambele tipuri de fibre au o structur aproape identic, dar fibra pe baz de flor asigur un nivel mai nalt de dopare cu erbiu. Ambele tehnologii asigur amplificarea necesar n ferestrele 1525-1560 nm, dar distribuia spectral a coeficientului de amplificare pentru amplificatoarele EDFA pe baz de cuar este mai puin uniform, ca la amplificatoare pe baz de flor (fig. 8 ).

Fig. 8 a Distribuia spectral a Fig. 8 b Distribuia ectral a coeficientului de amplificare EDFA coeficientului de amplificare EDFA pe baz de cuar pe baz de flor

Amplificatoarele EDFA pe baz de cuar au aprut mai degrab pe pia i au primit o rspndire mai mare datorit coeficientului mic de zgomot i diapazonului larg de lucru. Amplificatoarele EDFA pe baz de flor au un diapazon de lucru mai larg i distribuia spectral mai dreapt a coeficientului de amplificare, dar au un nivel al zgomotului mai mic.

Pe lng EDFA, snt i alte tipuri de amplificatoare. Elaborrile alternative snt ndreptate la lrgirea sau deplasarea diapazonului de lucru, la simplificarea construciei i respectiv la micorarea costului amplificatoarelor optice. Una din metode este utilizarea n calitate de substan dopant nu a erbiului ci cu praseodinului. Amplificatoare pe fibr pe baz de flor, dopat cu praseodin PDFFA (Praseodynum Doped Fouride - based Fiber Amplifier ) amplific semnalele n regiunea lungimii de und 1310 nm. Amplificatoare PDFFA au dispersie mic i nivel mic a coeficientului de zgomot, dar energetic snt mai puin efective, ca amplificatoarele EDFA. Puterea semnalului de ieire a amplificatorului PDFFA n regim de saturaie este destul de nalt, dar coeficientul de amplificare nu depinde de polarizare, aa ca i la amplificatorul EDFA. Cu toate c atenuarea semnalului n fibra optic n regiunea lungimilor de und 1310 nm este puin mai nalt, ca n regiunea lungimilor de und 1550 nm dispersia n regiunea lungimii de und 1310 nm este mai joas i asigurarea unei puteri nalte a laserului este mult mai uor. Dar eficacitatea necesar pentru fibr, dopat cu praseodin, se atinge numai atunci, cnd diametrul ei este cu mult mai mic dect diametrul fibrei standard. De la diferena diametrelor fibrelor la ambele terminaii apar pierderi optice. Este destul de greu de asigurat sigurana conexiunilor. n prezent nu snt metode economice de rezolvare a acestor probleme.

Fig. 9 Distribuia spectral a coeficientului de atenuare pentru fibra monomod standard

Alt combinaie, care este cercetat n prezent - fibra i tuliu. Amplificator pe fibr pe baz de flor, dopat cu tuliu TDFFA ( Thulium Doped Flouride - based Fiber amplifier ) are dou benzi de lucru: n regiunea lungimilor de und 1460 nm i nregiunea lungimilor de und 1650 nm. La prioritile lui se refer puterea nalt a semnalului de ieire n regim de saturaie, coeficient de amplificare care nu depinde de polarizare i coeficient de zgomot mic. n amplificatoare cu putere foarte nalt a semnalului de ieire n calitate de amestec dopant se utilizeaz i iterbiu. O alt direcie de cercetare - amplificarea pe baza efectului de dispersie stimulat Raman ( cunoscut i sub numele de dispersie combinat impusa ) n fibra simpl de cuar. Aceast metod are zgomot mic i permite alegerea larg a benzii de lucru a lungimilor de und. Amplificarea Raman permite de a mri numrul de canale n liniile de comunicaii existente fr schimbarea amplificatoarelor EDFA instalate. Ele pot fi utilizate cu succes n linii subacvatice de lungime medie fr repetoare (pn la 300km), unde instalarera amplificatoarelor EDFA cere multe cheltuieli. Dar n amplificatoarele Raman la amplificare apare modulaie intercalat ntre canalele amplificate, ceea ce limiteaz utilizarea acestor amplificatoare sau n sistemele cu un canal, sau n sistemele DWDM cu numr foarte mare de canale. nafar de aceasta amplificatoarele Raman au unele neajunsuri, legate de efectele neliniare i dependena de polarizare. Luind n consideraie nivelul de transformare a semnalului n efectul de dispersie Raman n fibra de cuar, utilizarea lor este limitat de un cerc ngust a regiunilor specifice, n orice caz, la momentul actual. n prezent se elaboreaz i amplificatoare optice pe baz de semiconductor SOA ( Semiconductor Optical Amplifiers ). n ele iluminarea fotonului stimuleaz recombinarea electronilor i golurilor n semiconductor pe baz de injecie direct a curentului. Aa amplificatoare prezint un interes important, deoarece permit atingerea eficacitii nalte de amplificare i flexibilitatea lungimii de und de lucru, chiar i cu coeficient nalt de zgomot. Ca i n amplificatoare Raman, n SOA apare modulaia intercalat mare ntre canalele amplificate, ceea ce nu permite utilizarea lor n sistemele DWDM cu multe canale. Dar modulaia intercalat poate fi o prioritate la utilizarea amplificatoarelor SOA pentru comutare sau transformare a lungimilor de und. Pentru amplificatoare SOA ca i la amplificatoare PDFFA apare problema conexiunii cu fibra, deoarece grosimea stratului activ a amplificatorului pe baz de semiconductor difer cu mult fa de diametrul miezului fibrei optice standard.

BIBLIOGRAFIE

1) R. J. Mears, L. Reekie, M. Jauncey, si D. N. Payne, Low-noise erbium-doped fiber amplifier operating at 1.54 m, Electron. Lett. 26, 1026 (1987)2) E. Desurvire, J. R. Simpson, and P. C. Becker, High-gain erbium doped traveling wave fiber amplifier, Opt. Lett. 12 (11), 888 (1987)3) R. I. Laming si al., Efficient pump wavelengths of erbiumdoped optical fiber amplifier, Electron. Lett. 25, 12 (1989)4) E. Desurvire si al., Gain dynamics of erbium-doped fiber amplifiers, Proc. SPIE 1171, 103 (1989)5) A. A. M. Saleh si al., Modelling of gain in erbium-doped fiber amplifiers, IEEE Photon. Technol. Lett. 2 (10), 714 (1990)6) B. Pedersen si al., Experimental and theoretical analysis of efficient erbium-doped fiber power-amplifiers, IEEE Photon. Technol. Lett. 3, 1085 (1991)7) www.wikipedia.com