(Microsoft PowerPoint - MBTLO13_Opti\350ni oja\350evalniki [Compatibility Mode])

Transkripcija

1 Optični ojačevalniki Diskretni in porazdeljeni ojačevalniki G Mobitel d.d., izobraževanje , predavanje 11 (nm) Prof. dr. Jožko Budin 1

2 Vsebina 1. Mehanizmi ojačevanja. Diskretni in porazdeljeni ojačevalniki 3. EDFA 4. TDFA in PDFA 5. Kombinirani ojačevalniki 6. Faktor ojačenja 7. Ojačena spontana emisija 8. Šumno število 9. Regeneracija 10. Področja uporabe

3 Razvrstitev načinov optičnega ojačevanja A. Ojačevanje na osnovi stimulirane emisije: 1. Polprevodniški optični ojačevalnik (SOA). Vlakenski optični ojačevalniki (FOA) s primesjo redkih zemelj: EDFA (erbij), C in L pas TDFA (tulij), S pas PDFA (praseodimij), O pas B. Ojačevanje na osnovi nelinearnih pojavov: 1. Optični Ramanov ojačevalnik: Diskretni Ramanov ojačevalnik Porazdeljeni Ramanov ojačevalnik (DRA) C. Hibridni (diskretni in porazdeljeni) ojačevalniki. 3

4 Polprevodniški ojačevalnik (SOA) vhod vlakno p-inp aktivna plast n-inp izhod vlakno nizka cena za množično uporabo v vezjih in napravah zaradi svojih karakteristik je manj primeren za prenos. 4

5 Ojačevanje OJAČEVANJE signala SIGNALA IN in ŠUMA šuma gostota energije ρ (Jm -3 ) gostota moči S=cρ/n (Wm - ) z = 0 Val v ojačevalni (aktivni, vzbujeni) snovi: princip polprevodniškega ojačevalnika (SOA): Gaussov snop v aktivnem polprevodniku (spoju p-n z inverzijo naseljenosti). Električno vzbujanje princip ojačevalnika z obogatenim vlaknom (DFA): jedro enorodovnega vlakna, obogateno z ioni aktivnih primesi. Optično vzbujanje L ojačevalna snov z = L P(L), P šum (L) N W N µ = spektralna W W1 N N s( ν ) = ν 1 h stimulirana emisija absorpcija odvisnost snovi N 1 W 1 spontana emisija ds dz 1 = dz dn dt hν = BS Izhodni signal: Izhodni šum: (spontana emisija): n c n 1 dω s( ν ) N hν BS s( ν ) N1hν + As( ν ) N hν c 4π gl nh P( L) = GP( 0), G = e, g = B( N N1) ( ν ) λ s P šum L = µ G 1 hν polariziran ( ) ( ) ν ( L) = µ ( G ) hν ν P šum 1 nepolariziran B 1 = B 1 = B 5

6 Optični ojačevalniki - razvrstitev in pregled 1. Polprevodniški ojačevalnik (planarna tehnika, množična uporaba) polprevodniški optični ojačevalnik (Semiconductor Optical Amplifier) - SOA. Vlakenski ojačevalniki (vlakenski optični ojačevalnik) - FOA aktivne primesi v vlaknu: vlakenski ojačevalnik s primesjo Erbija (Erbium Doped Fiber Amplifier) - EDFA vlakenski ojačevalnik s primesjo Tulija (Thulium Doped Fiber Amplifier - TDFA nelinearno sipanje v vlaknu: porazdeljeni Ramanov jačevalnik (Distributed Raman Amplifier) - DRA diskretni Ramanov ojačevalnik (Lumped Raman Amplifier) - LRA ojačenje (relativno) valovna dolžina (nm) 6

7 Optični ojačevalniki - primesi in vrste Ojačevalniki na podlagi stimulirane emisije v vlaknih s primesmi redkih zemelj Er 3+, Tm 3+ in Pr 3+. Dolžina vlakna okoli 10 m (diskretni ojačevalniki). Sosmerno (prevladujoče), protismerno in kombinirano črpanje. Visok izkoristek črpalne moči. Dolga življenjska doba naselitve, dolg odzivni čas aktivno vlakno dolžine 10 m izolator izolator sosmerna ali/in protismerna črpalka EDFA: 980 nm ali/in 1480 nm Ojačevalniki na podlagi stimuliranega Ramanovega sipanja v običajnem prenosnem vlaknu s primesjo GeO. Potrebna dolžina vlakna je 1 km (diskretni) oz. najmanj 0-30 km (porazdeljeni). Protismerno (prevladujoče), sosmerno in kombinirano črpanje. Nizek izkoristek črpalne moči, kratek odzivni čas, širok ojačevalni pas SiO -Ge vlakno dolžine 0 km izolator izolator sosmerna ali/in protismerna črpalka ojačevalni pas je določen z valovno dolžino črpalk(e) 7

8 EDFA 8

9 Vhodni signal EDFA sestavni deli in lastnosti izolator Odsek vlakna s primesjo Er 3+ sklopnik sklopnik izolator Izhodni signal črpalka črpalka (protismerna) Optični vlakenski ojačevalnik (FOA, npr. EDFA): vlakenska naprava, ki jo varimo na prenosno vlakno polarizacijska neodvisnost! visoko ojačenje (0-40 db), razpoložljivost črpalnih laserjev velika moč do 00 mw, primeren za poojačevanje, linijsko ojačevanje in predojačevanje ugodna vrednost šumnega števila NF < 5 db, (teor. NF > 3 db) širok valovni pas > nm. 9

10 EDFA WDM sklopnik Črpalni laser Vlakno s primesjo Er 3+ Vlakenski vhod in izhod 10

11 Delovanje EDFA Moč vhod podatkovni signal Raman: izmenjava moči med črpalko in signalom Moč izhod podatkovni signal vhod Er 3+ vlakno izhod izolator izolator varjeni spoji črpalni laser 11

12 EDFA Energijski pasovi Energijski nivoji Er 3+ ionov v SiO vlaknu Črpalka Ojačevanje svetlobe s stimulirano emisijo med E in E 1 Črpalni signal Vhodna svetloba Sevalni prehod Izhodna svetloba 1

13 Vzbujeno stanje Črpalni foton ab bsorpcija Stimulirana emisija Neradiacijski spust Metastabilno stanje Signalni foton seva anje 13

14 Ojačen signal in ojačen šum (ASE) Vhodni signal dvig Nesevalni prehod Metastabilno stanje Ojačena spontana emisija ASE (šum) Črpalni signal Vhodni signal Črpalni signal Vzbujeno stanje dvig Spontan sevalni prehod Nesevalni prehod Signalni foton Stimuliran sevalni prehod Metastabilno stanje Ojačen izhodni signal 14

15 Vlakenski ojačevalnik s primesmi redkih zemelj Vlakenski ojačevalnik obogaten z Erbijem Er 3+ aktivno vlakno s primesjo Er 3+ Energijski nivoji in načini črpanja 980 nm spoj vlakno sklopnik sosmerna črpalka spontana emisija stimulirana emisija izolator spoj 1480 nm 1550 nm Odvisnost šumnega števila od načina in valovne dolžine črpanja Karakteristike erbijevega vlakenskega ojačevalnika ojačenje G (10-40 db) šumno število F (4-7 db) ojačevalni valovni pas λ (30-40 nm) visok izkoristek črpalne moči Črpalka λ č = 980 nm λ č = 1480 nm šumno število (db) F črpanje naprej (sosmerno s signalom) B črpanje nazaj (protismerno s signalom) 15 odstotek moči črpalke 980 nm

16 Linijski ojačevalnik Vrste ojačevalnikov Oddajnik Sprejemnik EDFA Poojačevalnik Oddajnik EDFA Sprejemnik Predojačevalnik Oddajnik EDFA Sprejemnik 16

17 17

18 Vhodni signal Signal in šum Optični ojačevalnik Izhodni signal Črpalni signal: 980 nm nizek šum Črpalni signal 1480 nm nižja inverzija nižja učinkovitost Dvosmerni ojačevalnik G G 18

19 Optično razmerje signal/šum P S OSNR = P P S ASE P s moč optičnega signala P ASE P ASE moč šuma ojačene spontane emisije v frekvenčnem pasu (0,1 19 nm, pas filtra, pas kanala)

20 Namestitev ojačevalnika in ključni parametri Ključni parameter Poojačevalnik (ni polarizacijsko neodvisen) oddajnik Linijski ojačevalnik (polarizacijsko neodvisen) Predojačevalnik (polarizacijsko neodvisen) sprejemnik 0

21 Optični in električni šumi P(t) OOK, ASK I 1 σ 1 T b T m t I 0 i s sp i T b i k i T i RIN i RF sp sp d i T i isp sp i RF σ 0 t šumi v optičnem delu zveze 1. Šumi v času trajanja impulza (bitna perioda 1) kvantni šum P k šum ojačene spontane emisije P ASE intenzitetni šum P RIN šumi v električnem delu zveze zrnati (kvantni in plazovni) šum mešalni šum signala in ASE mešalni šum spontane emisije toplotni šum relativni intenzitetni šum ojačevalni šum RF ojač.. Šumi v odsotnosti impulza (bitna perioda 0) pri idealnem ugasnem razmerju šumi v optičnem delu zveze kvantni šum (vakuumsko polje) P k šum ojačene spontane emisije P ASE šumi v električnem delu zveze šum temnega toka mešalni šum spontane emisije toplotni šum ojačevalni šum RF ojač. 1 i k i ASE sp sp i T i RIN i RF i d i sp sp i T i RF i

22 Šumni faktor optičnega ojačevalnika Šumni faktor (optični) na osnovi optičnega signala in šuma signal P kvantni šum 1/hν ν optični ojačevalnik G, µ, ν ojačen signal GP kvantni šum 1/hν ν ojačena spontana emisija µ(g-1)hν ν ( S / N ) G 1 N vh parameter F = = µ = & µ, kjer je µ = inverzne ( S / N ) G N izh N1 naseljenosti Šumni faktor (električni) na osnovi električnega signala in šuma po detekciji signal P kvantni šum intenzitetni šum optični ojačevalnik G ojačen signal GP kvantni šum ojačena spontana emisija ojačen intenzitetni šum fotodetektor PIN detektirani signal ρgp zrnati (kvantni ) šum mešalni šum s-sp mešalni šum sp-sp mešalni šum k-sp intenzitetni šum termični šum bremena optične frekvence radio frekvence radio ojačevalnik (S/N) vh razmerje na vhodu (S/N) izh razmerje na izhodu (S/N) 1 izhodno razmerje brez optičnega ojačevalnika (S/N) izhodno razmerje z optičnem ojačevalnikom ( S / N ) 1 G 1 N F = = µ = & µ, kjer je µ = ( S / N ) G N N1 Optični in električni šumni faktor imata enaki vrednosti. Najmanjša vrednost šumnega faktorja pri µ = 1 (popolna inverzija naseljenosti) znaša (3 db) G RF parameter inverzne naseljenosti

23 Ramanski ojačevalnik 3

24 Ramanski porazdeljen ojačevalnik črpalka sklopnik Vlakno SiO + Er 3+ signal izhodni signal Uporablja isto vlakno kot signal Povzroča nizek šum (5 8 db manj v primerjavi z EDFA in SOA) Porazdeljeno ojačenje zmanjšuje nelinearne pojave. Omogoča visoko moč signala Izravnava ojačenja v širokem frekvenčnem pasu z mnogočrpalnim vzbujanjem. 4

25 Ramanovo ojačevanje - lastnosti črpalnih načinov 1. Protismerno črpanje: preprečitev presluha med črpalko in signalom - neobčutljivost na šum črpalke ojačevanje oslabljenega signala na končnem delu vlakna - majhna nelinearnost ojačevanje oslabljenega signala na končnem delu vlakna - nižje razmerje signal/šum. Sosmerno črpanje: presluh med črpalko in signalom - prenos fluktuacije moči črpalke na signal ojačevanje neoslabljenega signala v začetnem delu vlakna - ugodno za razmerje signal/šum ojačevanje močnega signala v začetnem delu vlakna - neugodno za nelinearne pojave 3. Dvosmerno črpanje: doseganje kompromisnih karakteristik izravnava jakosti signala po celotni dolžini vlakenskega odseka 5

26 6

27 7

28 Ramanovo ojačevanje -črpalni načini Sosmerna in protismerna črpalka Potek ojačenega signala v vlaknu signal črpalka črpalka signal Načini črpanja vlakna 1. nečrpano vlakno. črpalka 00 mw na koncu vlakna 3. črpalka 00 mw na začetku vlakna 4. črpalki po 00 mw na vsakem koncu vlakna relativna moč signala v db razdalja v km Lastnosti črpanja vlakna 1. vlakno ničrpano; zaradi slabljenja upada signalna moč v db linearno na dolžini 100 km za približno 0 db.. vlakno ječrpano na koncu; moč signala na končnih nekaj 10 kilometrih narašča. Nelinearni pojavi so najmanjši. 3. vlakno je črpano na začetku; moč signala sprva na začetnih nekaj 10 kilometrih narašča, po izrabi črpalne moči pa začne upadati zaradi slabljenja vlakna. 4. vlakno ječrpano na začetku in koncu; moč signala na začetnih in končnih nekaj 10 kilometrih vlakna narašča. V prikazanih razmerah postane izhodna moč približno enaka vhodni. Ojačenje 8 v vlaknu pokriva izgube zaradi slabljenja. Moč signala se po vlaknu mnogo ne spreminja.

29 Stimulirano Ramanovo sipanje Neresonančni pojav zaradi velike razpršenosti stanj vibracijske energije molekul v amorfni snovi stekla. Frekvenca svetlobe se premakne navzdol (Stokes), generirajo se optični fononi. Sipanje se pojavlja pri visoki moči svetlobe v vlaknu reda 0,5 W. E 1 črpalka, vpadna svetloba hν črpalka hν signal Sklopni enačbi: dps gr ν č E hν fonon = Pč Ps αsps dz Aefč ν s ν s dpč gr νč = Pč Ps αč P dz A ν sipana svetloba Stokes sipana svetloba Stokes α koeficient slabljenja Značilnosti: sosmerno in protismerno sipanje, g R = m/w Stokesov premik do 0 THz širina spektra sipanja 6 THz šibko sipanje Posledice: g R Ramanov koeficient možnost nizkošumnega sosmernega in protismernega ojačevanja sklop (presluh) med kanali WDM efs s č 9

30 Ramanov koeficient optičnih vlaken Ramanov koe eficient (1/W/km) 13 THz Frekvenčni pomik (THz) 30

31 Ramanov koeficient vlaken 31

32 Ramanovo stimulirano sipanje Približek diferencialnih enačb Črpalni signal Ojačevani signal 3

33 Sosmerno in protismerno črpanje Ojačevani signal in črpalni signal se širita sosmerno od oddajnika proti sprejemniku Črpalni signal se širi od sprejemnika proti oddaniku v nasprotni smeri širjenja ojačevanrga signala Moč signa ala (dbm) Moč signa ala (dbm) Razdalja (km) Razdalja (km) 33

34 Hibridno ojačevanje - Raman in diskretni ojačevalniki ugodno S/N, neugodno za linearnost ugodno S/N, ugodno za linearnost neugodno S/N, ugodno za linearnost kombinacija 34

35 EDFA, EDFA + DRA, DRA 35

36 Ramanovo porazdeljeno ojačenje Slabljenje in ojačenje (db) Razdalja (m) Proti sprejemniku (sosmerno) Dvosmerno Proti oddajniku (protismerno) Slabljenje v neojačevanem vlaknu 36

37 Moč č signala (dbm) % odstotek sosmernosti 50% primer dvosmernosti Razdalja (km) 37

38 Ojačenje in šum Ojačenj je Valovna dolžina (nm) 38

39 Šumno število in optični S/N Valovna dolžina (nm) 39

40 Raman - šumno število in ojačenje Sosmerna in protismerna črpalka Šumno število (db) Ojačenje Protismerna črpalka Šumno število Ojačen nje (db) Sosmerna črpalka Vhodna moč (dbm) 40

41 Mogočrpalno ojačevanje Ramanovo ojačenje (db) Frekvenca Moč Valovna dolžina (nm) 41

42 Prednost porazdeljenega ojačevanja Razmerje signala in šuma pri ojačevanju na različnih mestih vlakenskega odseka: en ojačevalni odsek: Ps 0 10 > OSNR > ρ ν ρ ASE poojačevanje Raman predojačevanje Šum se zmanjša pri premiku mesta ojačevanja proti začetku vlakna V kombinaciji z Erbijevim vlakenskim ojačevalnikom razbremenjuje Ramanov porazdeljeni ojačevalnik potrebno ojačenje G erbijevega vlakenskega ojačevalnika in s tem zmanjšuje njegovo ojačeno spontano emisijo. Zmanjšajo se tudi nelinearnosti. Razmerje signala in šuma pri prehodu na porazdeljeno ojačevanje (več kratkih ojačevanih odsekov): S N G = e αl en odsek L Ps 0 = GhνF f < > Porazdeljeno ojačevanje (več kratkih ojačenih odsekov) ima prednost pred dolgim ojačevalnim odsekom L 10 db ASE Ps 0 ν odseka L/ N odsekov L/N P αl s0 GhνF ν < < N αl N e > > Ne = N P s0 N N G GhνF f 4

43 Rayleighovo dvokratno sipanje Vhodni signal Izhodni signal 43

44 Ojačevalni pas vlakenskih ojačevalnikov 44

45 Primerjalni podatki Dobitek Val. dolžina f (3dB) P nasičena P nasič.,max Polarizacija Šumno število Črpalka Časovna konst. Velikost Cena 45

46 Ojačevalniki in ponavljalniki 46

47 Ponavljalniki in vlakenski ojačevalniki 47

48 Optični ojačevalniki v WDM sistemih Oddajnik Optični ojačevalniki Sprejemnik Laserji Fotodiode ITU mreža f 0 =193,1THz λ 0 =155,5 nm 48

49 EDFA poojačevalnik in predojačevalnik Poojačevalnik Laser Vlakno Predojačevalnik Fotodioda Odsek vlakna s primesjo Er 3+ Ojačen Izolator 49 Črpalni laser ali

50 Optoelektronski ponavljalnik Po določenem številu ojačevalnih odsekov je potrebno sognal obnoviti in ga očistiti šuma in motenj ter učinkov disperzije in nelinearnosti in drugih vplivov: Odseki optičnega vlakna Oddajnik Regenerator Sprejemnik Optoelektronski regenerator Sinhronizacija Preoblikovanje Regeneracija Fotodioda Laser 50

51 Sklep 1.Optični vlakenski ojačevalniki so ena izmed dveh tehnologij (druga je WDM), ki sta z večanjem dosega in bitne hitrosti spodbudili izjemen razvoj optičnih komunikacij.. SOA in FOA ostaneta še naprej temeljni tehnologiji optičnega ojačevanja (SOA kot gradnik, FOA v prenosu). 51

52 Konec 5