7/27/2019 Amplificatoarele Optice-proiect
1/31
Amplificatoarele Optice
Cuprins:
Capitolul 1
1.1 Studii privind amplificarea optica............................................................2
1.2. Studiu privind amplificarea prin imprstiere Raman stimulat (SRS)
si amplificatoarele Raman..............................................................................................4
1.3. Studiu privind amplificarea prin imprstiere Brillouin stimulat (SBS)...................8
Capitolu 2
2.1 Amplificatoarele optice...........................................................................................142.2Amplificatoarele optice cu semiconductori (SOA),amplificatoarele optice
liniare (LOA) si amplificatoarele laser cu semiconductori (SLA)......................17
Capitolul 3
3.1 Aplicatii de aplificatoare pe fibra optica dopata..............................................23
3.2. EDFA in banda L......................................................................................................24
4. Amplificatoare RAMAN...............................................................................................24
5.Tehnologii de amplificare in benzile O si S................................................................26
6. Amplificatoare EDFA in banda S...............................................................................27
7. Amplificatoare in banda S+C si un amplificator CWDM.............................................28
Concluzia..............................................................................................................................28
Bibliografia...........................................................................................................................29
7/27/2019 Amplificatoarele Optice-proiect
2/31
Capitolul 1
1.1 Studii privind amplificarea optica
Introducere
Dezvoltarea amplificatoarelor optice s-a fcut dup 1990, cnd au fost revoluionate toate
comunicaiile optice. Avantajul folosirii amplificatoarelor optice este acela c au proprieti
similare amplificatoarelor electronice, excepie fcnd doar proprietile de polarizare i ale
lungimii de und. Amplificatoarele optice sunt componente eseniale ale reelelor de
telecomunicaii din prezent. Pentru multe aplicaii sunt necesare capaciti mari de transmisie
a informaiei i pe distane ct mai mari. Acest problem se poate rezolva dac sunt utilizateamplificatoarele pe fibre optice, adic dac se obine o amplificare optic direct cu un
zgomot redus i fr s necesite conversii electrooptice multiple care fac ca pierderile din
fibr s creasc. Amplificatoarele optice amplific radiaia incident prin emisie stimulat,
iar ctigul se realizeaz prin pompaj optic pentru a se obine inversia de populaie. n timpul
emisiei spontane, laserul de ieire poate s conin un spectru larg de zgomot pentru laser,
care dup detecie furnizeaz termeni de zgomot pentru fotocurent. Dezavantajul principal laamplificarea optic o constituie faptul c simultan cu ea se adaug i amplificarea
zgomotului. De aceea se ncearc reducerea zgomotului sau chiar eliminarea lui. Pentru acest
lucru se utilizeaz diagrame de zgomot similare celor de la amplificatoarele electronice. Alte
efecte care trebuie s fie sczute sau anulate sunt cele legate de dispersie i de interferena
dintre semnale, ct i alte efecte liniare i nelinare care apar n fibrele optice i care modific
parametrii de transmisie ai fibrelor optice. Performana amplificatorului optic este dat de
eficiena pompajului, care este definit de puterea pompat sau de curentul necesar pe dB al
ctigului sau pe dBm a puterii de saturare pentru ieire.Tipurile de amplificatoare optice
sunt: amplificatoare de linie, amplificatoare de putere la emisie, preamplificatoare la recepie
i pentru compensarea pierderilor de distribuie. Preamplificatoarele au rolul de a crete
sensibilitatea receptoarelor, amplificatoarele de putere cresc distana legturii pn la
aproximativ 120 km, iar amplificatoarele de linie nlocuiesc regeneratoarele electronice. Se
pot estima proprietile importante ale amplificatorului cum ar fi: lrgimea de band a
ctigului, factorul de amplificare i puterea optic de saturaie. Cel mai important parametru
2
7/27/2019 Amplificatoarele Optice-proiect
3/31
pentru amplificatoarele optice este ctigul optic, care poate fi exprimat n funcie de
lungimea de und sau se poate determina ctigul lrgimii de band i ntinderea din zona de
ctig. Pentru valori mari ale puterii optice de intrare se poate observa c acest ctig optic se
poate satura. Acest lucru determin o saturare a puterii optice de ieire, care este cea mai
mare putere optic de ieire posibil.n referat sunt analizate aspectele importante pentru
cteva tipuri de amplificare. Sunt prezentate: amplificarea prin mprtiere Raman stimulat
(SRS), amplificarea prin mprtiere Brillouin stimulat (SBS) i amplificarea din fibrele
optice dopate cu erbium (Er3+) .mprtierea Raman i cea Brillouin sunt similare i sunt
produse de proprietile neliniare ale unui mediu optic care cupleaz un mecanism variabil
(distana interatomic dintr-o molecul, ct i densitatea omogen dintr-un solid sau lichid) la
schimbarea polarizrii printr-o und electromagnetic. Amplificarea din fibrele optice dopate
cu Er3+ este utilizat pentru amplificarea semnalelor optice de transmisie, iar amplificatorul
optic din fibrele optice dopate cu Er3+ (EDFA) este cea mai important component a unui
sistem optic de transmisie pentru distane i capaciti de transmisie mari.EDFA opereaz n
banda convenional C (1530 1565) nm, n banda scurt S (1460 1530) nm i n banda
lungimilor de und lungi L (1565 1625) nm pentru amplificare. n prezent se fac teste
pentru banda lungimilor de und ultra lungi U (1625 1675) nm pentru amplificare.
Aceste benzi pentru lungimile de und, se aleg n funcie de aplicaia dorit, de distana i de
capacitatea pentru transmisie. O clasificare a benzii pentru lungimiile de und este fcut n
Tabelul 1.
Tabel 1 Clasificarea benzii n funcie de lungimea de und.
3
7/27/2019 Amplificatoarele Optice-proiect
4/31
BandaInterval pentru
lungimi de und [nm]O - original 1260 1360
E - extins 1360 1460S - scurt 1460 1530C - convenional 1530 1565
L - lung 1565 1625U - ultra lung 1625 1675
mprtierea Raman implic stri de vibraie interne ale moleculelor, iar mprtierea
Brillouin este asociat cu variaiile densitii mediului. Procesul Raman conine ramuri optice
adic produce radiaie laser, iar procesul Brillouin conine ramuri acustice care produc unde
acustice. mprtierea Raman genereaz noi frecvene care se schimb rapid i care sunt
compatibile cu frecvenele optice, iar mprtierea Brillouin schimb fecvenele atta timp
ct sunt generate vibraii ultrasonice ale frecvenelor care depind de direcia de mprtiere.
Pentru SRS i SBS spectrul de frecvene al unei unde electromagnetice este modificat prin
schimbarea energiei cu mediul, iar fotonii sunt emii sau absorbii.Repartiia liniilor spectrale
Raman este uor de detectat printr-un echipament spectroscopic simplu, iar pentru liniile
spectrale schimbate pentru Brillouin este necesar s se utilizeze un interferometru.
1.2. Studiu privind amplificarea prin imprstiere Raman stimulat (SRS) si
amplificatoarele Raman.
mprtierea Raman stimulat SRS, limiteaz performanele sistemelor optice de
comunicaii cu mai multe canale pentru transmisie, prin transferul de energie de la un canal
la canalele vecine i induce diafonia Raman ntre canalele de transmisie. n efectele neliniare
care apar n fibrele optice, mprtierea Raman spontan ocup n jur de 10-6 din puterea
incident a unui fascicul optic la altul, printr-o schimbare a frecvenei determinat de
modurile de vibraie ale mediului. Acest efect se numete efectul Raman i este descris de
mecanica cuantic ca fiind mprtierea unui foton incident fa de o molecul care face o
4
7/27/2019 Amplificatoarele Optice-proiect
5/31
tranziie ntre dou poziii de vibraie la o frecven mic a fotonului. Laserul incident
acioneaz ca un pompaj pentru generarea radiaiei la schimbarea frecvenei i se numete
und Stokes. mprtierea Raman are diverse aplicaii la procesele de emisie i de absorbie,
ct i la procesul de amplificare. Amplificarea Raman se bazeaz pe mprtierea Raman,
cnd un atom absoarbe un foton i elibereaz un foton cu o energie diferit. Aceast diferen
de energie o utilizeaz la schimbarea strii de vibraie. Procesul poate s creasc sau s scad
energia de vibraie a atomilor, dar efectul este puternic dac se face conversia energiei
fotonilor de la intrare n energie de vibraie, care poart numele de fonon. Deci atomul
elibereaz un foton cu energie mai mic dect laserul de la intrare i amplificatoarele Raman
depind de schimbul Raman la lungimi de und mari i de energii mici ale fotonilor.
Tranziiile la starea de vibraie nu sunt fcute brusc i intervalul de acoperire pentru energie
depinde de material. SRS se poate produce cnd un pompaj puternic i un semnal slab la o
lungime mare de und, trec simultan prin material. Pompajul puternic excit atomii, iar
fotonii de la lungimea de und a semnalului pot s stimuleze i s emit energia lor ca un
foton suplimentar la lungimea de und a semnalului. Aceast mprtiere Raman stimulat
amplific semnalul de intrare similar cu emisia stimulat la atomii de erbium care amplific
semnalul n EDFA. Ctigul Raman se obine de la lungimea de und pentru pompaj prinschimbarea frecvenei, provenit de la excitarea de vibraie i care este caracteristic
materialului, iar la schimbarea lungimii de und pompate se schimb direct lungimea de und
amplificat. Deci, mprtierea Raman i spectrul ei depind de material.De exemplu, pentru
silice ctigul Raman este cu 13 THz mai mic dect frecvena de pompaj corespunztoare la
o lungime de und cu 100 nm mai mare dect cea de pompaj de la 1550 nm. Aceast
caracteristic a amplificrii Raman se poate folosi la amplificatoarele Raman care pot fiutilizate la lungimi de und specifice care includ benzi ale spectrului optic unde alte tipuri de
amplificatoare nu funcioneaz. Din acest punct de vedere n anumite benzi ale spectrului
optic, amplificatoarele Raman sunt preferate n locul celor de tipul EDFA sau al altor tipuri
de amplificatoare.
mprtierea Raman stimulat este un proces neliniar i seciunea sa transversal
este sczut i depinde de densitatea puterii optice. Deci pentru valori mari ale puteriipompate sunt necesare distane mari de transmisie prin fibrele optice monomod pentru a
se obine valori semnificative ale ctigului i pentru a se atinge pragul de amplificare5
7/27/2019 Amplificatoarele Optice-proiect
6/31
Raman. Acest lucru conduce i la creterea zgomotului Raman datorat imperfeciunilor
din fibra optic. Lrgimea de band pentru ctig n domeniul lungimilor de und poate
fi controlat simplu prin fixarea lungimii de und pentru pomaj, dar amplificarea Raman
se poate obine n fiecare regiune a ferestrei de transmisie din fibra optic. Deci
amplificarea Raman depinde de puterea surselor de pompaj pentru lungimile de und la
care se lucreaz. La o lungime mic a amplificatorului coeficienii neliniari au valori
sczute n comparaie cu cel de amplificare, iar mprtierea Raman stimulat este foarte
sczut n comparaie cu emisia stimulat a ionilor de Er3+ care poate fi neglijat.
Ctigul Raman obinut n fibrele optice cu silice, se ntinde peste o band de 40 THz pentru
frecvene, cu valoarea de vrf la 13 THz. Acest lucru este evideniat i de natura necristalin
a fibrelor optice cu silice. n materialele amorfe, frecvenele de vibraie moleculare acoper
aproape ntreaga band i creaz benzi continue. Deci aceste fibre optice au un ctig Raman
extins peste o band larg i ele pot fi utilizate ca amplificatoare de band larg. Se consider
un laser cw pentru pompaj, care se propag prin fibra optic la frecvena p. Dac frecvena
semnalului este s ea poate fi amplificat deoarece ctigul Raman este mare pentru diferena
de frecvene p - s care trece prin lrgimea de band pentru spectrul ctigului Raman. Dac
se utilizeaz doar pompajul incident de la captul fibrei optice, mprtierea Raman spontan
produce un semnal slab care acioneaz ca un amplificator. mprtierea Raman spontan
genereaz fotoni n toat lrgimea de band a spectrului de ctig Raman. Deci toate
componentele frecvenelor din acest spectru sunt amplificate. n cazul fibrelor optice cu
silice pur, gR are o valoare maxim la componenta frecvenei pentru c frecvena de pompaj
scade cu 13.2 THz. Ea crete cnd puterea pompat depete valoarea de prag. Aceast
cretere este exponenial. Deci SRS genereaz undele Stokes dac frecvena este
determinat de ctigul Raman, iar frecvena aceasta se numete de deplasare Raman sau de
deplasare Stokes. Pentru EDFA cu un ctig mediu, care este repartizat de-a lungul unei
concentraii sczute a elementului dopant din fibra optic pe mai muli zeci de kilometri,
SRS devine comparabil cu ctigul EDFA i afecteaz ctigul total i spectrul
amplificatorului. Dezavantajul amplificrii Raman este acela c la obinerea unui ctig
semnificativ este necesar o putere mare de pompaj. Se pot estima pragul Raman i
coeficientul de ctig Raman. Pentru determinarea spectrului de ctig Raman se consider
6
7/27/2019 Amplificatoarele Optice-proiect
7/31
cazul unui laser cu und continu (cw) sau cvasicontinu. Aplicaiile SRS pentru fibrele
optice sunt diverse, cum sunt cele legate de laserii i de amplificatoarele care au la baz
efectul Raman. Deci fibrele optice pot fi utilizate la amplificarea unui semnal slab dac
semnalul se propag mpreun cu un pompaj puternic, a crei lungime de und strbate
lrgimea de band a spectrului de ctig Raman. n configuraia de pompaj, naintea fibrei
optice, pompajul se propag cu semnalul n aceeai direcie ca i n propagarea comun din
cazul pompajului napoi. Pentru utilizarea unor valori standard ale parametrilor anteriori,
adic pentru: gR = 1 x 10-13 m/W, Leff = 100 m i Aeff = 10 m2, semnalul este amplificat
considerabil pentru P0 1 W. Datele experimentale sunt obinute pentru trei valori ale puterii
semnalului de intrare(in materialulprintat sunt prezentate relatii de calcul si grafice care
explica corelatia dintre partea teorertica-simulata si unele rezultate experimentale). Pentru gR
= 9.2 x 10-14 m/W, s-au obinut aceleai valori cu cele teoretice. Factorul de amplificare GA
crete exponenial n faza iniial cu P0, dar se abate de la aceast cretere pentru P0 > 1 W.
Acest lucru duce la saturarea ctigului, pentru c are loc scderea pompajului. Pentru valori
uzuale ale lui P0, adic P0 1 W, puterea saturat din amplificatoarele Raman pe fibr optic
este mult mai mare dect cea obinut n cazul amplificatoarelor ce au la baz laserii cu
semiconductori i P0 1 mW. Aplificatoarele Raman pe fibre optice pot s amplifice uor
semnalul cu un factor 1000, adic cu 30 dB pentru o putere pompat de aproximativ 1 W.
Pentru configurri se folosesc fibrele optice monomod n care se efectueaz pompajul
naintea fibrei optice sau ambele tipuri de pompaj, adic nainte i napoi n fibra optic
pentru laserii cu semiconductori. Astfel, se pot obine ctiguri nesaturate la 21 dB pentru o
putere pompat de aproximativ 1 W. Ctigul amplificatorului are aceleai tipuri de
configuraii pentru pompaj, deoarece procesul SRS are o natur izotropic. Pentru
dezvoltarea optim a amplificatoarelor Raman pe fibre optice, se utilizeaz fibrele optice cu
silice, iar diferena pentru frecvenele de la undele de pompaj i de semnal trebuie s
corespund la valoarea maxim a ctigului Raman de aproximativ 13 THz. Aplicaia cea
mai important a amplificatoarelor Raman pe fibre optice este cea cnd ele sunt utilizate ca
preamplificator, nainte ca semnalul s fie detectat i recepionat de un sistem optic de
comunicaie.
Din rezultate experimentale se demonstreaza c raportul semnal/zgomot la receptor este
7
7/27/2019 Amplificatoarele Optice-proiect
8/31
determinat de radiaia Raman amplificat spontan care nsoete procesul de amplificare.
O parte din energia pompat este spontan convertit n radiaie Stokes peste ntreaga
lrgime de band a spectrului de ctig Raman, pentru c mprtierea Raman spontan
este amplificat simultan cu semnalul.Deci n zona de ieire la semnalul util se adaug
zgomotul de fond care are o band de frecvene n jur de 10 THz. Cu aceste ipoteze este
posibil s se obin o expresie analitic pentru amplificarea puterii spontane n
aproximarea de scdere a pompajului.Pentru practic, cantitatea de interes se numete
raport on/off i se poate defini ca fiind raportul dintre puterea semnalului i puterea de
pompaj, cnd puterea de pompaj este zero. Acest raport poate fi msurat experimental,
iar rezultatele pentru un pompaj la 1.34 m dau un raport de aproximativ 24 dB pentru
linia Stokes de ordinul nti de la 1.42 m, dar scade la aproximativ 8 dB cnd linia
Stokes de ordinul nti este folosit ca amplificator pentru semnalul de la 1.52 m.
Similar acest raport poate fi mic ca valoare pentru configuraia de pompaj napoi, n
comparaie cu cea de pompaj nainte. n general acest raport poate fi mbuntit, dac
captul fibrei optice este prevzut cu un filtru care las s treac semnalul i care reduce
lrgimea de band a zgomotului spontan amplificat. Se pot dezvolta amplificatoare
Raman dac lrgimea sa de band este extins cu 5 THz sau mai mult. El poate fi folosit
la amplificarea simultan a mai multor canale dintr-un sistem optic de comunicaii cu
mai multe canale. Extinderea lrgimii de band pentru amplificatoarele Raman pe fibre
optice face posibil i amplificarea impulsurilor optice scurte. O aplicaie este cea n
care amplificatoarele Raman sunt utilizate pentru transmiterea de impulsuri la solitoni
peste distane foarte mari, de aproximativ cteva mii de km.Acest fapt poate conduce la
nlocuirea amplificatoarelor Raman pe fibre optice cu amplificatoare pe fibre optice
dopate cu Er3+, pentru c amplificatoarele Raman necesit un pompaj cu o valoare mare
la acoperirea unor distane foarte mari i pentru c acest lucru nu este posibil la laserii
cu semiconductori care sunt compaci.
Alt aplicaie este cea n care sunt folosite EDFA mpreun cu amplificatoarele Raman pe
fibre optice pentru obinerea unor caracteristici superioare la reele existente pe fibrele
optice, ct i la dezvoltarea fibrelor optice cu dispersie deplasat i la reducerea efectului de
mprtiere Raman stimulat SRS. Un dezavantaj al SRS este acela c pentru un sistem optic,
8
7/27/2019 Amplificatoarele Optice-proiect
9/31
canalele de lungime de und scurte pot aciona ca un pompaj pentru canalele de lungime de
und mare i pot transfera o parte din energia impulsului la canalele vecine. Acest fenomen
poart numele de diafonie ntre canalele optice i poate influena considerabil performanele
sistemului optic. De aceea, n prezent se ncearc reducerea acestor fenomene. Acest lucru
este foarte complicat pentru sistemele cu mai multe canale optice pentru c SRS afecteaz
numrul de canale i spaierea dintre ele.
I.3. Studiu privind amplificarea prin imprstiere Brillouin stimulat (SBS)
mprtierea Brillouin stimulat (SBS) este un efect neliniar care se produce n fibrele optice
pentru valori ale puterii de intrare mult mai mari dect cele pentru mprtierea Raman
stimulat. SBS se manifest prin generarea unei unde Stokes care se propag n sens invers
semnalului emis i care transport cea mai mare parte din energia de intrare cnd se atinge
pragul Brillouin. SBS se manifest prin generarea undelor Stokes joase care variaz de la
frecvena undei de pompaj incident printr-o contribuie dat de mediul neliniar.SRS n
comparaie cu SBS se poate propaga prin fibra optic n ambele direcii, iar deplasarea
Stokes ( 10 Ghz) pentru SBS este mai mic cu trei ordine de mrime n comparaie cu cea
produs pentru SRS. Pragul puterii de pompaj pentru SBS depinde de lrgimea spectral
asociat cu unda pompat i poate avea o valoare sczut, n jur de 1mW pentru laserii cu
und continu pentru pompaj sau pentru impulsuri largi de pompaj, cu lrgimea mai mare de
1 s. n contrast pentru multe cazuri, SBS se produce pentru impulsuri scurte de pompaj, cu
lrgimea mai mic de 10 ns. Diferenele dintre cele dou tipuri de efecte sunt date de faptul
c la SBS particip fononii acustici, iar la SRS particip fononii optici. Procesul SBS poate fi
descris clasic ca o interaciune parametric ntre unda pompat, unda Stokes i unda acustic.
Unda pompat generaz unde acustice prin procese electrice care au ca efect o modulaie
periodic pentru indicele de refracie. Pompajul induce o variaie a indicelui de refracie i se
mprtie prin difracie Bragg. mprtierea radiaiei este mic n domeniul frecvenelor
pentru c variaia Doppler asociat influeneaz viteza acustic A. Acest proces de
mprtiere, poate fi tratat cu ajutorul mecanicii cuantice, dac anihilarea unui foton pompat
creaz simultan un foton Stokes i un fonon acustic.
9
7/27/2019 Amplificatoarele Optice-proiect
10/31
Dac se consider valori tipice pentru fibrele cu silice se obin valori mai mari comparativ cu
cele obinute pentru coeficientul de ctig Raman. De exemplu, dac se consider gB 5 x
10-11 m/W se obin valori mai mari cu trei ordine de mrime la p = 1.55 m, comparativ cu
cele pentru Raman.
Figura 1. Spectrul de ctig Brillouin la p = 1.525 m pentru: (a) fibr optic cu miez din
silice, (b) fibr optic cu nveli redus i (c) fibre optice cu dispersie deplasat. Scala pe
vertical este arbitrar.
n figura 1 este reprezentat spectrul de ctig pentru trei fibre optice diferite, care au structuri
i niveluri de dopare diferite pentru Germaniu n miezul fibrei optice. Msurtorile s-au
efectuat utiliznd un laser cu semiconductori, cu cavitatea extern care opereaz la 1.525 m
i folosind tehnica de detecie cu heterodin la 3 MHz rezoluie. Fibra (a) are un miez cu
silice pur, adic concentraia de Germaniu este de aproximativ 0.3 % pe mol.Schimbul
Brillouin msurat B 11.25 GHz, verific ecuaia (24 din raportul anului I) pentru aceast
fibr optic dac se utilizeaz viteza acustic valabil pentru volume cu silice. Schimbul
Brillouin se reduce pentru fibrele optice (b) i (c) cu aproximativ inversul dependenei la
concentraia pentru Germaniu. Fibra (b) are o structur cu dou vrfuri, asociat cu spectrul
Brillouin care trebuie s rezulte pentru distribuia neomogen de Germaniu din miez. Se pot
obine i trei vrfuri pentru spectrul Brillouin, iar acestea rezult de la diferenele vitezelor
acustice din miezul i din nveliul fibrelor optice.Dac lrgimea impulsului devine mult mai
mic dect timpul de via al fononului, adic T0 < 1 ns, ctigul Brillouin scade sub ctigul
10
7/27/2019 Amplificatoarele Optice-proiect
11/31
Raman.Pentru un pompaj cu und continu (cw) sau cvasicontinu, ctigul Brillouin se
reduce dac lrgimea sa spectral p este mai mare dect B. Acest lucru se poate produce
dac avem un pompaj n fibre optice multimod sau pentru un pompaj n fibre optice
monomod a crui faz variaz rapid ntr-o perioad de timp mai scurt dect cea a timpului
de viat al fononului TB.Deasemenea, ctigul Brillouin sub condiia de pompaj pentru band
larg, depinde de mrimea relativ a lungimii coerente pentru pompaj. Lungimea de
interaciune Lint pentru SBS, este definit de distana peste care amplitudinea Stokes variaz
foarte mult.Dac Lcoh >> Lint, procesul SBS este independent de structura modului de la
laserul pompat, care furnizeaz o spaiere ntre moduri care depete B, iar ctigul
Brillouin este acelai ca cel pentru laserul monomod dup cteva lungimi de interaciune.
Ctigul Brillouin este redus dac Lcoh
7/27/2019 Amplificatoarele Optice-proiect
12/31
saturat pentru amplificatoarele Brillouin este de 1 mW, n schimb amplificatoarele
Raman pe fibre optice au valoarea puterii saturate la 1 W.
Ctigul Brillouin al unei fibre optice poate fi utilizat la amplificarea unui semnal slab a
crui frecven se schimb de la frecvena de pompaj printr-o cantitate egal cu
schimbul Brillouin B. Din acest motiv amplificatoarele Brillouin pe fibre optice nu sunt
utilizate ca amplificatoare i produc doar civa mW pentru puterea pompat.Creterea
exponenial se produce doar dac amplificarea puterii semnalului rmne sub nivelul
puterii saturate. Amplificatoarele Brillouin pe fibr optic pot furniza un ctig de 20-40
dB la o putere pompat de civa mW. Lrgimea de band, care tipic este < 100 MHz, se
poate utiliza n diferite aplicaii pe fibr optic ce necesit o amplificare selectiv a unei
benzi nguste pentru spectrul semnalului incident. Pentru aplicaii care necesit un ctig
constant peste o band larg de frecvene, adic 100 MHz, frecvena laserului de
pompaj poate fi modulat utiliznd un modulator extern. Lrgirea benzii este deci
realizat doar prin reducerea valorii de vrf pentru ctig, iar puterea pompat care este
necesar crete pentru aceeai valoare a ctigului. De aceea, interesul pentru utilizarea
amplificatoarelor Brillouin pe fibre optice a sczut pentru c au fost introduse EDFA
pentru sistemele de comunicaii optice.SBS nu are legtur cu amplificatoarele optice
dac lungimea fibrelor optice este mai mic de 10 m, pentru c pragul Brillouin se
realizeaz foarte greu. Totui, SBS poate fi un factor major de limitare pentru
amplificatoarele pe fibre optice distribuite, n care amplificarea se produce la lungimi >
10 km ale fibrelor optice dopate. Aplicaia cea mai important este cnd SBS este folosit
la amplificatoarele care fac parte din sistemele optice de comunicaii.Dac n ecuaiile
(29) i (30) se nlocuiete parametrul pentru pierderi din fibra optic cu ctigul sau
dac este negativ, atunci undele de pompaj i undele Stokes mpreun au ctigul
destul de mare ct s acopere pierderile din fibra optic. De asemenea, pragul SBS se
reduce drastic, sub valoarea de 10 W. Dac sunt utilizate SBS n cascad sunt generate
unde Stokes de ordin superior. n practic amplificatoarele Brillouin limiteaz ctigul
pentru amplificatoarele pe fibre optice distribuite la valori foarte mici (< 1 dB/km). Alte
aplicaii sunt cele n care SBS sunt utilizate pentru laseri sau pentru senzori pe fibre
optice. Pragul Brillouin poate avea valori mici ( 1 mW) pentru sisteme de comunicaii12
7/27/2019 Amplificatoarele Optice-proiect
13/31
optice la 1.55 m, iar pierderile din fibrele optice pot fi sczute cu ajutorul SBS, adic
0.2 dB/km. De aceea este important pentru proiectarea unui sistem de comunicaii
optice s se in seama i de SBS.Pentru amplificatoarele Brillouin utilizate n benzii
scurte se poate obine amplificarea la valori sczute ale puterii pompate. Este deci
posibil s se creasc distana de transmisie sau spaierea dintre repetoare, dac un laser
cw la o lungime de und bine definit, este pompat n direcia opus la modularea
semnalului.Alt posibilitate este de a utiliza amplificarea Brillouin este cea din cazul n
care are loc creterea sensibilitii receptoarelor. Dac un amplificator Brillouin pe fibr
optic este utilizat ca preamplificator la receptor, performanele pot fi limitate de SBS.
Factorul de zgomot al amplificatoarele Brillouin pe fibr optic este foarte mare ( 100),
pentru c o mare parte din populaia de fononi acustici [-kT/hB] este la temperatura
mediului ambiant.Lrgimea mic a liniei spectrului de la profilul ctigului Brillouin
poate fi un avantaj pentru amplificarea selectiv a unei benzi nguste de spectru a
semnalului, de aceea amplificatoarele Brullouin sunt cele mai utilizate n band ngust.
Principiul de baz este similar cu cel de la detecia homodin, cu deosebirea c
amplificarea are loc pentru semnal.
Alt aplicaie pentru band ngust, este cea ascociat cu spectrul de ctig Brillouin care
poate fi utilizat ca un filtru optic trece band ngust pentru selectarea de canalele din
sistemele optice de comunicaii multicanal. Dac spaierea dintre canale este mare, dar rata
biilor este mai mic dect lrgimea de band B, laserul pompat poate trece s amplifice
selectiv un canal paricular. Un avantaj al utilizrii amplificatoarelor Brillouin pe fibre optice
este cel legat de scderea interferenelor dintre canalele unui sistem optic de comunicaii cu
mai multe canale optice.
4. Studiu privind amplificarea in fibrele optice dopate cu Erbium
Fie un sistem laser cu trei niveluri de energie ca n figura 2. Se presupune c nivelul 1
este nivelul de baz fundamental, 2 este nivelul metastabil caracterizat de timpul de via ,
iar 3 este nivelul de pompaj. Se poate presupune i o alt configuraie dect cea de sus, de
exemplu: 3 este nivel metastabil i 2 nivelul de terminare a tranziiilor. Pentru corectitudine
se consider sistemul cu trei niveluri, al crui nivel principal este nivelul de terminare al
tranziiilor laser, care corespunde la cazul Er3+.
13
7/27/2019 Amplificatoarele Optice-proiect
14/31
Figura 2. Diagrama nivelurilor energetice, corespunztoare la un sistem laser cu trei niveluri
de baz.
Tranziiile laser sunt produse ntre nivelurile 1 i 2. Nivelul 1 este nivelul fundamental,
iar nivelul 2 este nivelul metastabil. Simbolurile R, W i A, corespund la ratele de pompaj, de
emisie stimulat i de scdere spontan. Indicii R i NR se refer la emisia radiativ i la
emisia neradiativ.Tranziiile laser care ne intereseaz sunt ntre nivelurile 1 i 2. Rata
pomprii R13 este cea dintre nivelul 1 i 3 i rata emisiei stimulate R31 este cea dintre nivelul 3i 1, iar starea de excitare corespunde la nivelul 3 i aici sunt posibile dou scderi: radiativ
(rata A3R = A32R + A31R) i neradiativ (rata A32NR). Scderile spontane de la nivelul 3 sunt
presupuse predominante din punct de vedere neradiativ: A32NR>>A3R.Ratele de absorbie i de
emisie stimulat ntre nivelurile 1 i 2 sunt W12 i respectiv W21.Scderea spontan radiativ
i neradiativ de la starea excitat, corespunztoare nivelului 2 este A 2 = A21R + A21NR, cu A21R
= 1/, este timpul de via al fluorescenei. Se presupune c scderea A21R + A21NR, cu A21R =
1/, este timpul de via al fluorescenei. Se presupune c scderea spontan este radiativ,
adic avem: A21R >> A21NR. Scderile spontane de la nivelul 2 i 3 sunt A21 i A32. Densitatea
de ioni din laser este i N1, N2 i N3 sunt densitiile fracionale sau populaiile atomice din
strile energetice 1, 2 i respectiv 3.
Capitolu 2
2.1 Amplificatoarele optice
14
3
2
1
Energia
R13
R31
W12 W21
A32
NR
A31
R
A32R
A21
R
A21
NR
7/27/2019 Amplificatoarele Optice-proiect
15/31
Comunicarea cu ajutorul luminii este un concept foarte vechi ( termenul lumin apare in
Biblie de 232 de ori).Sistemele de comunicaie optic sunt folosite de secole ntregi, sub
forma unor binecunoscute metode: semnale fumigene, focuri, semafoare. (Referiri scrise cu
privire la focurile de semnalizare apar nc din secolul V .e.n. n piesa Agamemnon a lui
Eschil.) Chiar i conceptele mai moderne ca sisteme optice de comunicaii pentru telefonie,
sunt departe de a fi idei noi; in 1880, Alexander Graham Bell a construit fotofonul, un
dispozitiv capabil s transmit vocea la o distan de cteva sute de metri folosind raze de
lumin. (Ca termen de comparaie, italianul Marconi a realizat prima transmisie cu ajutorul
undelor electromagnetice abia in 1895. Fotofonul a fost considerat o idee fantezist i peiorat
in benzile desenate ale vremii care prezentau lanterne uriae atrnnd de stlpii de telegraf).
Dei sistemul lui Bell poate fi considerat rudimentar privit de la nivelul cerinelor actuale, el
a constituit punctul de plecare al cercetrilor privind folosirea radiaiei luminoase pentru
transmiterea informaiei. Progresul fibrelor optice nregistrat de-a lungul timpului, se
datorete unor intense eforturi interdisiplinare, implicnd specialiti n electronic, fizic,
stiina materialelor, lista continund mai departe; aa cum se va vedea mai jos, aceast
direcie de dezvoltare a influenat puternic i tiina materialelor semiconductoare. Ca o
consecin a apariiei si perfecionarii fibrelor optice, multe din domeniile cheie aleoptoelectronicii (i nu numai) s-au dezvoltat in paralel: laserii semiconductori, fibrele optice
cu pierderi mici, microelectronica. Putem privi dezvoltarea comunicaiilor moderne prin fibre
optice ca pe rezultatul combinrii unor inovaii importante n tehnica existent cu descoperiri
extraordinare in domenii de frontier, descoperiri care au dus la tehnologii complet noi.
ntruct specialitii in comunicaii au cutat s foloseasc frecvene din ce n ce mai nalte
pentru aplicaiile specifice (care au dus n final la utilizarea microundelor), speculaiileprivind folosirea comunicaiior optice au aparut n anii de dup cel de-al doilea razboi
atunci cnd Townes i avlov au construit primul dispozitiv LASER, n 1958, fiind apoi
reutilizat de Maiman n 1960 (se spune c AT&T a fost la nceput circumspect privind
patentarea LASER-ului, nenelegnd ce legatura are acesta cu telefonia). Odat cu
producerea evenimentelor amintite mai sus, a nceput o perioad prolific pentru
comunicaiile optice, perioad ce va duce la consacrarea acestora ca mijloc modern decomunicaie. Ca urmare a afirmaiilor lui Kao ( un inginer britanic de la Standard
Telecommunications Laboratory ) conform cruia pierderile n fibrele optice pot fi reduse la15
7/27/2019 Amplificatoarele Optice-proiect
16/31
nivele foarte joase, compania Corning Glass Works a trecut la dezvoltarea primei fibre optice
reale ( cu pierderi de 20dB / km ), n 1970. Cercetarile efectuate n anii urmtori au fcut
posibil coborrea pierderilor sub 1dB / km, simultan cu aparitia LASER-ilor semiconductori
capabili s lucreze n mod continuu la temperatura camerei. La mijlocul deceniului apte,
fibrele optice erau deja recunscute ca fiind un mediu de transmisie bun, i a nceput s se
pun serios problema utilizrii lor n infrastructura sistemelor de comunicaii. n 1940, la o
ntrunire a Societaii Americane de Matematic, George Stibitz a realizat o descriere
experimental a ceea ce avea s devin autostrada informaional. Stibitz a comandat un
calculator digital cu relee situat la Bell-Laboratories in New-York de la un post de lucru din
oraul Hanover, statul New-Hampton, folosind date transmise prin linii obinuite de telefon.
La momentul respectiv, compania de telefoane nu prea era interesat de dezvoltarea
transmisiilor de date prin liniile telefonice; calculatoarele digitale ale vremii foloseau tuburi
electronice pe post de elemente de comutaie, tuburi ale cror dimensiuni i consum de
putere le fceau foarte nepractice din punctul de vedere al circuitelor digitale. Aadar
calculatoarele erau mai mult un domeniu tolerat dect o realitate tiinific. Inventarea
tranzistorului (la sfritul deceniului patru) de ctre Shockley la Bell Laboratories a dus la
scderea puternic a dimensiunilor i consumului de putere i, ca o consecin, la nlocuireatreptat a tuburilor cu tranzistoare ncepnd cu anii 60. Aceast reducere dramatic a
dimensiunilor, combinat cu inventarea circuitului integrat de ctre Kilby de la Texas
Instruments ( i independent de ctre Noyce, la Fairchild Semiconductor ) n 1958 au dus la
dezvoltarea circuitelor miniaturale moderne ale cror dimensiuni se msoar n fraciuni de
micrometru, adic de aproape 100 milioane de ori mai mici decat btrnele tuburi. Un lucru
interesant, acest factor este ntlnit i n creterea vitezei de transmitere a datelor de la liniatelefonica normal la magistralele de fibr optic cu largimi de band de pn la 20 THz.
Predicii asemantoare pot fi fcute pornind de la observarea creterii puternice a
cererilor de band larg odat cu introducerea fibrelor optice ( nainte de folosirea pe scar
larg a fibrelor optice, creteri ale ratei de transfer au fost nregistrate doar sporadic ). Fibrele
optice au devenit o alternativa din ce n ce mai serioas la firele de cupru. La ora actual,
exist suficient de mult fibr optic instalat n lume, nct lungimea ei total s acopere de28 de ori distana Lun- Pmnt. Tehnologiile de frontier, precum laserii cu cavitti
verticale i pixelii inteligeni vor juca un rol hotrtor n lumea comunicaiilor de mine.16
7/27/2019 Amplificatoarele Optice-proiect
17/31
Creterea ca areal al reelelor Internet i World Wide Web ( www ) este impresionant
datorit acestor noi tehnologii ( s-a estimat c numrul procesoarelor independente legate la
Internet se situeaza n jurul valorii de 20 miliarde); chiar cnd dvs. citii aceste rnduri, un
nou site este adaugat reelei www. Aceste reele de comunicaii vor conduce la ruperea
tuturor barierelor legate de considerente etnice, sociale, sau politice.
Parametrii principali care stau la baza proiectrii sistemelor optice pentru comunicaii de
mare vitez sunt: viteza de transmisie, rata redus a erorilor, distana maxim de transmisie i
distana dintre repetoare sau dintre amplificatoarele optice.
Amplificatoarele optice amplific radiaia laser incident prin emisie stimulat, iar
fibrele optice utilizeaz radiaia laser drept purttoare pentru transmisia datelor. n timpul
propagrii prin fibrele optice, semnalele optice sufer o serie de distorsiuni fa de forma
iniial pe care o au la intrare n fibrele optice. Principalele efecte sunt: atenuarea, dispersia i
efectele de polarizare. Acestea sunt efecte care reduc capacitatea i distana de transmisie. De
aceea se urmrete diminuarea acestor distorsiuni prin crearea de noi tipuri de fibre optice i
prin dezvoltarea de noi tehnologii. Pentru a se obine distane mari de transmisie, sunt
necesare regeneratoare sau amplificatoare optice. Astfel se obin distane mari ntre
emitoare i receptoare. Regeneratoarele fiind dispuse pe lungimea fibrei refac semnalul i lretransmit mai departe. Regenerarea semnalului optic este necesar pentru creterea distanei
de transmisie, dar se poate utiliza i amplificarea optic. n acest caz nu mai este necesar
conversia i amplificarea electric.
Prin amplificare optic se poate crete puterea optic de la ieirea unui sistem de transmisiuni
care are inclus un amplificator optic, cu mai muli dB, ceea ce nseamn un ctig mare. n
plus, amplificatorul optic poate fi utilizat ca repetor optic i nu mai este necesar utilizareaunui regenerator optic suplimentar. Amplificatoarele optice nlocuiesc amplificatoarele
electrice i utilizeaz fibrele optice actuale care sunt deja instalate. Astfel pentru fibrele
optice nu mai sunt necesare investiii suplimentare i deci capacitatea de transmisie poate fi
crescut cu un cost minim. Aplicaiile sistemelor de comunicaie pe fibre optice necesit una
din arhitecturile de baz care in cont de topologia utilizat i de cerinele de proiectare. La
amplificatoarele optice lungimea legturii optice este determinat de puterea pompat nfibra optic, de atenuarea i de dispersia fibrei optice, ct i de lungimile de und ale
semnalului i ale pompajului. Controlul acestor caracteristici poate determina un ctig17
7/27/2019 Amplificatoarele Optice-proiect
18/31
maxim n amplificare. Comunicaiile care au ca suport de transmisie fibrele optice, ofer
posibilitatea implementrii unei game largi de aplicaii cu diferite capaciti de transmisie de
la Mbit/s, Gbit/s la Tbit/s. Sistemele de transmisie pentru capacitate mare sunt cele care
utilizeaz tehnologia DWDM (Dense Wavelength Division Multiplexing) i ele ofer o
lrgime de band extrem de mare, de ordinul Tbit/s.
Sistemele optice pentru comunicaii de mare vitez au fost iniial proiectate ca sisteme punct
la punct pentru cablurile submarine, pentru trunchiurile urbane i interurbane de trafic dintre
centrele de comutaie. Ulterior au fost dezvoltate i cele de tipul reea. Tipul de legtur
pentru sistemele de comunicaii prin fibre optice utilizate astzi sunt prin legturi punct la
punct, multipunct i reea.
2.2Amplificatoarele optice cu semiconductori (SOA), amplificatoarele optice liniare
(LOA) si amplificatoarele laser cu semiconductori (SLA)
Amplificatoarele optice cu semiconductori SOA si amplificatoare laser cu
semiconductori SLA sunt acelasi tip de amplificatoare dar cu diferenta ca au un numar diferit
de unde utilizate. Principala problema pentru SOA este aceea ca nu poate fi utilizat pentru
lungimi mai mari de 450 m. De aceea pentru distante mici nu se pot obtine cstiguri
suficient de mari printr-un singur proces de amplificare. O solutie este de a pastra ct mai
mult din caracteristicile radiatiei laser cu ajutorul unor oglinzi. n general SOA au
coeficientul de reflexie pentru oglinzi de aproximativ 0.3. Deci semnalul se reflecta de cteva
ori n cavitate si astfel se obtine amplificarea. Cavitatea laser Fabry-Perot (FP) este de tip
dreptunghiular cu ghidarea indicelui. Laserul FP are forma unui LED pentru emisie cu
oglinzi la capetele cavitatii si are o structura alcatuita dintr-un singur cristal semiconductor,
iar planele cristalului sunt paralele. Problema cea mai importanta de rezolvat este cea legata
de ghidarea radiatie laser n fibra optica. Pentru acest lucru s-au dezvoltat laseri de tip FP cu
indice ghidat si cu cstig ghidat.
Amplificarea este obtinuta cu ajutorul oglinzilor. Aceasta solutie face ca SOA sa opereze sub
prag, dar cu limitari date de caracteristicile amplificatorului care sunt afectate de efectele de
saturare. Suplimentar, rezonantele din cavitatea FP fac sa se apropie benzile de trecere si sa
18
7/27/2019 Amplificatoarele Optice-proiect
19/31
furnizeze o amplificare diferita pentru canalele de la WDM. Alta solutie este cea cu
amplificatoare laser cu semiconductori SLA, care utilizeaza un numar diferit de unde n
comparatie cu SOA. Pentru SLA avem lungimea mai mare, dublata sau triplata pentru a
furniza un cstig suficient. Dispozitivul cu cavitate are lungimea de 2 mm. Stratul din spatele
si din fata amplificatorului este un strat anti reflexie si este proiectat sa lase sa treaca radiatia
laser prin el. Iesirea radiatiei laser din amplificator se face exact ca la un laser cu exceptia ca
are un strat anti reflexie. SLA poate opera peste prag, deci poate furniza un cstig mare pe
unitatea de lungime, mai mare dect cel de la SOA. Se pot astfel obtine valori ale cstigului
de aproximativ 25 dB pentru o largime a benzii de 40 nm. SOA are cteva limitari, adica nu
poate furniza o putere mai mare dect ctiva mW, dar acest lucru este suficient pentru
operare la un singur canal. Deci poate fi utilizat n sistemele WDM, unde sunt necesari ctiva
mW pe canal. SOA are un zgomot mare si este dependent de polarizare. Cuplajul cu o fibra
optica face sa scada amplificarea si amplificatorului i trebuie un cstig suplimentar pentru a
putea reduce pierderile datorate cuplajului. SOA utilizat pentru sisteme WDM duce la
aparitia diafoniei dintre canalele optice. De obicei acest lucru se poate elimina din nivelul
puterii unde amplificatorul ajunge la saturare, dar n cazul SOA puterea este foarte mica.
Deci SOA nu pot fi utilizate n sisteme WDM ca amplificatoare optice, dar pot fi folositepentru schimbarea lungimii de unda, exact ca o simpla poarta logica n retelele optice.
Suplimentar ele pot fi folosite pentru compresia impulsului la generarea solitonilor, dar si n
sistemele optice TDM cu un singur canal. Avantajul folosirii SOA consta n faptul ca pot fi
integrate cu alte componente ntr-un singur substrat planar. De exemplu un dispozitiv pentru
transmisiuni cu WDM poate fi construit mpreuna cu 10 laseri ( la diferite lungimi de unda )
cuplati n acelasi substrat. SOA pentru 1550 nm functioneaza n ambele directii si cu olargime de banda optica mare. Suplimentar el are profilul cstigului independent de
polarizare, deoarece utilizeaza o structura cu InP/InGaAsP care furnizeaza un cstig de peste
25 dB. Cstigul obtinut pentru diferite tipuri de OA40B3A are valori de 15 dB, 20 dB si 25
dB pentru saturarea puterii de iesire la - 3 dBm, 2 dBm si respectiv 7 dBm. Cstigul este mai
mic de 0.2 dB pentru cstigul fibrei la 20 dB, iar largimea de banda la 3 dB este mai mare de
40 nm. Se observa ca saturarea puterii de iesire se face la 7 dBm pentru un curent de 200mA. Amplificatorul OA40B3A este proiectat sa furnizeze un cstig constant la valori ridicate
ale puterii la fel ca la sistemele WDM. Structura OA40B3A este bazata pe materiale care19
7/27/2019 Amplificatoarele Optice-proiect
20/31
reduc dependenta de polarizare, iar iesirea sa micsoreaza reflexiile si liniarizeaza cstigul
reducnd astfel pierderile la 2-3 dB pentru cuplajul cu fibra optica. Suplimentar SOA poate
oferi o alternativa la fibrele care opereaza n ferestrele optice de la 1310 nm si 1550 nm. Ele
pot oferi un cstig de 25 dB, si forma zgomotului are n jur de 6-7 dB peste o largime de
banda de aproximativ 50 nm. Sensibilitatea la polarizare este n jur de 0.5-1 dB. Deci aceste
caracteristici sunt comparabile cu cele obtinute pentru EDFA la 1550 nm si de aceea SOA
pot fi folosite n prelucrarea semnalelor, comutatoare optice, convertoare pentru lungimi de
unda, regeneratoare, la refacerea ceasului pentru retele, amplificatoare de linie si
preamplificatoare. SOA au o sectune centrala a cstigului cuplata la o sectiune pasiva la
capete, furniznd astfel un cuplaj eficient cu fibra optica. Lungimile de unda utilizate pot fi
n afara ferestrei optice pentru EDFA, iar acest lucru face posibila o extindere a benzii.
Variatiile cstigului se produc n functie de variatiile puterii laserului si astfel SOA au
puterile de intrare n functie de curentul de alimentare. Acest lucru face posibila utilizarea
SOA n retelele WDM, deoarece SOA amplifica semnalul direct n interiorul materialului
semiconductor. Alt avantaj este cel legat de fabricarea SOA, proces care este usor de realizat
si cu un cost redus. SOA se poate cupla direct la intrarea sau la iesirea unei fibre optice. SOA
mai pot fi folosite si ca subcomponente ale unor circuite cu unde laser planare cum suntcircuitele integrate fotonice sau ca echivalentul optic al unor tranzistoare pentru ca la baza
principiului de functionare al SOA sta un proces laser. Acest lucru se poate explica prin
faptul ca un curent electric alimenteaza dispozitivul, iar electronii excitati tind sa excite
starile din nivelul fundamental avnd loc astfel tranzitii n care sunt emisi fotoni n exterior.
Procesul este similar cu cel de la EDFA. n laserul standard trebuie sa se utilizeze o lungime
de unda data, dar pentru SOA se pot amplifica simultan mai multe lungimi de unda pentrusemnale care vin, la diferite lungimi de unda. Pentru laserul standard se doreste ca radiatia sa
fie pastrata n cavitate ntre cele doua oglinzi, iar pentru SOA semnalul optic este trimis
direct n cavitate si scos n exterior fara sa fie reflectat napoi n cavitate. Alt avantaj este
legat de faptul ca SOA are dimensiuni foarte mici, dar pentru ca au spectrul larg de operare
neliniar si c sunt limitate la diafonia dintre canale ele nu sunt fabricate pe scara larga ca
amplificatoare optice. Alta varianta pentru SOA are la baza principiul de functionare al uneidiode laser semiconductoare care opereaza perpendicular cu semnalul, ca si laserii cu
suprafata de emisie a cavitatii verticale (VCSEL). Aceasta varianta noua de amplificatoare se20
7/27/2019 Amplificatoarele Optice-proiect
21/31
numeste amplificator optic linar (LOA). Ele au dimensiuni reduse, costuri de productie mici
si pot fi utilizate retele cu rata mare de transmisia datelor, comutatoare optice si pentru
DWDM. Avantajul consta n faptul ca pot amplifica semnalele care contin mai multe canale
de comunicatii cu DWDM fara diafonie ntre canale. LOA au la baza arhitecturii o cavitate
transversala. Ca si SOA poate fi integrat ntr-un cip. LOA are regiunea de cstig a ghidului
de unda activa, iar intrarea si iesirea unei fibre optice poate fi fcuta la acest ghid de unda.
SOA si LOA cu laser vertical integrat actioneaza asupra regiunii de cstig, iar laserul
liniarizeaz amplificarea si actioneaza ca un circuit optic ultra rapid ca raspuns la schimbarile
din retea. La operare pentru mai multe lungimi de unda ale semnalelor, LOA le amplifica
orizontal n cip direct n radiatia laser prin fotonii pompati vertical.
Figura 4 (a) Cstigul n functie de puterea de iesire pentru LOA, SOA, EDFA si EDWA. (b)
Cstigul n functie de lungimea de unda pentru LOA, SOA, EDFA si EDWA.
Pentru 4(a) se observa ca LOA are un cstig independent de puterea semnalului de intrare
peste ntreaga zona de operare si furnizeaza liniaritatea necesara pentru o legatura de calitate
ntre sistemele de comunicatii optice. EDFA, EDWA si SOA au un profil al cstigului care
scade cu puterea pompata. Pentru un amplificator optic nu trebuie sa existe variatia cstigului
cu puterea de iesire, acest fapt este un proces nedorit pentru amplificatoarele optice. Pentru
SOA profilul cstigului rezulta de la diafonia dintre canale DWDM, iar pentru EDFA profilul
cstigului rezulta de la raspunsul sau lent n timp, atunci cnd este pus sa functioneze ntr-o
retea cu DWDM. Daca exista variatii mici pentru acest profil, EDFA se comporta la fel ca n
cazul n care se adauga sau se scot anumite lungimi de unda si apar astfel variatii mici ale
21
7/27/2019 Amplificatoarele Optice-proiect
22/31
puterii. Pentru LOA si SOA au acelasi spectru redus pentru cstig de aproximativ 30-50 nm
pentru lungimile de unda. EDFA are un profil al cstigului care nu este redus ca la SOA si
LOA. n aplicatiile pe distante mari EDFA include si un filtru pentru reducerea cstigului
care opereaza n banda de 30 nm. Pentru MAN, EDFA nu utilizeaza acest tip de filtru, dar se
limiteaza la un singur canal sau la aplicatii de banda ngusta. EDWA are un cstig redus, iar
SOA si LOA sunt proiectate sa opereze la orice lungime de unda de la 1300 nm la 1700 nm.
EDFA si EDWA au la baza tehnologia prin care Er3+ sunt limitate sa opereze n zona de la
1530 nm la 1610 nm. Variatia cstigului n functie de puterea de iesire pentru EDFA, EDWA
si SOA poate duce la proiectarea unor retele optice mai flexibile. Numarul de lungimi de
unda utilizate pentru aceste amplificatoare duce la schimbari ale cstigului si ale puterii de
iesire, deci si la variatii nedorite ale puterii. Pentru a compensa aceste variatii ale cstigului
se adauga la amplificator niste circuite electronice care pot sa schimbe puterea de intrare si
saq modifice puterea de pompaj sau sa o atenueze. Aceste dispozitive se numesc atenuatoare
optice variabile (VOA). Ele reduc dar nu elimina aceste variatii.
Performantele LOA si SOA n comparatie cu EDFA si EDWA.
Caracteristici Raman EDFA EDWA SOA LOA
Marime comparabila cu LOA 200 x 100 x 20 x 1 x 1 x
Fara diafonie la rate de date + + + - +
Fara diafonie ntre canale + + + - +
Comutator - - - - +
Spectru larg + - - + +
Integrare n cip - - - + +
Legenda: (+) are are caracteristica, iar(-) nu are caracteristica.
LOA sunt proiectate si pentru aplicatii n MAN sau pentru zona de acces. Ele au avantajul
unei dimensiuni mici si sunt construite cu materiale semiconductoare, deci pot fi integrate.
LOA furnizeaza la rate mici si la rate mari pentru date, o imunitate la diafonie si de aceea ele
pot fi folosite n retelele optice cu DWDM. Suplimentar ele opereaza oriunde n banda optica
de la 1300 nm la 1700 nm. Generatia urmatoare pentru LOA, care se testeaza n prezent,
poate furniza o putere de iesire si are o forma a zgomotului care poate fi aplicata pentruretelele pentru distante mari. Problema cea mai mare este aceea a realizarii LOA, adica a
22
7/27/2019 Amplificatoarele Optice-proiect
23/31
integrarii VCSEL direct n inima cipului semiconductor cu InP. Rezolvarea a venit de la
firma Genoa Corporation, care a utilizat tehnica de depunere chimica n stare de vapori a
unor elemente metalice si organice (MOCVD) ntr-un reactor si astfel s-a obtinut cresterea
epitaxiala n materialul semiconductor. LOA se pot folosi la preamplificatoare pentru
receptie, la amplificatoare de linie si la partea de transmisie, dar si la compensatoarele pentru
pierderi.De exemplu, G111 poate acoperii toata banda C si poate sa opereze la rate de
transmisie cu 40 Gbit/s pentru retelele DWDM, dar si pentru aplicatii ale sistemelor
SONET/SDH, IP n MAN. SOA nu se pot utiliza pentru semnale de banda larga si la rate
mari de transmisie. Cstigul liniar pentru LOA creaza imunitatea LOA pentru cresterea sau
pentru scaderea numarului de lungimi de unda, dar si imunitatea pentru comutatie. Alte
aplicatii pentru LOA sunt cele n care sunt utilizate Cross-Connect-oare, routere de mare
viteza, multiplexoare optice Add/Drop sau transpondere. Producerea LOA printr-un proces
planar duce la crearea mai multor amplificatoare optice n acelasi dispozitiv dar si integrarea
comuna cu alte componente n acelasi dispozitiv. Ulterior s-au dezvoltat si alte tipuri de
amplificatoare SOA, cum este cel cu cstig stabil GC-SOA. Acest tip de amplificator are
cstigul stabilizat prin introducerea unor oscilatii suplimentare care fac ca densitatea de
informatie transmisa sa nu se modifice. Ele au o liniaritate mult mai buna dect SOA si au oimunitate mai ridicata pentru diafonie. GC-SOA pot fi utilizate pentru retele de transport la
viteze foarte mari si pentru aplicatii de banda larga. Dezavantajul pentru LOA este acela al
introducerii unui semnal secundar n semiconductor, iar cnd se amplifica o lungime de unda
se amplifica si semnalul secundar. Acest lucru este nedorit n amplificatoarele optice si de
aceea trebuie redus acest efect. Alt dezavantaj este cel legat de amplificarea liniara care este
o problema pentru pomaj care teoretic este nelimitat prin cresterea numarului de fotoni sicare duce la crearea unui laser n interiorul amplificatorului care perturba fotonii proveniti de
la semnal, dar pastreaza cstigul constant.
Capitolul 3
3.1 Aplicatii de aplificatoare pe fibra optica dopata
23
7/27/2019 Amplificatoarele Optice-proiect
24/31
Amplificatoarele optice amplifica radiatia laser incidenta prin emisie stimulata, iar
fibrele optice utilizeaza radiatia laser drept purtatoare pentru transmisia datelor. In timpul
propagarii prin fibrele optice, semnalele optice sufera o serie de distorsiuni fata de forma
initiala pe care o au la intrare in fibrele optice. Principalele efecte sunt: atenuarea, dispersia si
efectele de polarizare. Acestea sunt efecte care reduc capacitatea si distanta de transmisie. De
aceea se urmareste diminuarea acestor distorsiuni prin crearea de noi tipuri de fibre optice si
prin dezvoltarea de noi tehnologii. Pentru a se obtine distante mari de transmisie, sunt
necesare regeneratoare sau amplificatoare optice. Astfel se obtin distante mari intre
emitatoare si receptoare. Regeneratoarele fiind dispuse pe lungimea fibrei refac semnalul si il
retransmit mai departe. Regenerarea semnalului optic este necesara pentru cresterea distantei
de transmisie, dar se poate utiliza si amplificarea optica. In acest caz nu mai este necesara
conversia si amplificarea electrica. Prin amplificare optica se poate creste puterea optica de la
iesirea unui sistem de transmisiuni care are inclus un amplificator optic, cu mai multi dB,
ceea ce inseamna un castig mare. In plus, amplificatorul optic poate fi utilizat ca repetor
optic si nu mai este necesara utilizarea unui regenerator optic suplimentar. Amplificatoarele
optice inlocuiesc amplificatoarele electrice si utilizeaza fibrele optice actuale care sunt deja
instalate. Astfel pentru fibrele optice nu mai sunt necesare investitii suplimentare si decicapacitatea de transmisie poate fi crescuta cu un cost minim. Aplicatiile sistemelor de
comunicatie pe fibre optice necesita una din arhitecturile de baza care tin cont de topologia
utilizata si de cerintele de proiectare. La amplificatoarele optice lungimea legaturii optice
este determinata de puterea pompata in fibra optica, de atenuarea si de dispersia fibrei optice,
cat si de lungimile de unda ale semnalului si ale pompajului. Controlul acestor caracteristici
poate determina un castig maxim in amplificare.Pe masura ce pulsurile luminoase se propagape traseul fibrei optice energia acestora se disipa datorita absorbtiei si imprastierii in
materialul sticlei.Peste o anumita distanta de transmitere numarul de fotoni din cadrul
pulsului luminos devine prea mic pentru a pute fi detectati.Minimum este intre 9 si 40 de
fotoni pe bit , acesta depinzand de metoda de detectie. La o viteza de transmisie de 10 Gb / s,
distanta maxima este de cca 100 - 200 Km. Primul cablu transatlantic are o lungime de 6700
Km si contine 95 de repetitoare electronice. Pe masura ce viteza de transmisie cresterepetitoerele devin din ce in ce mai extinse Comparativ cu acestea, amplificatoarele optice
sunt in general cu rata bit transparenta,pot amplifica simultan semnale cu diferite lungimi de24
7/27/2019 Amplificatoarele Optice-proiect
25/31
unda si spre deosebire de regeneratoarele electronice sunt insensibile la tipul de modulatie a
semnalului. La inceputul anilor 1980, atentia a fost orientata asupra amplificatoarelor cu fibra
de tip Raman (RFA) si amplificatoare semiconductoare cu laser (SLA). RFA se bazeaza pe
efectul neliniar al imprastierii Raman stimulate-miezul fibrei de sticla ndopat reprezentand
mediul de amplificare.Coeficientul emisiei stimulate este proportional cu densitatea puterii
pompate in miez ; pentru a obtine catiguri rezonabile cu dispozitive laser de pompare
disponibile in mod curent, trebuie sa se foloseasca fie raze de miez mici, fie NA mari
(incompatibile cu fibrele de comunicatii standard).Castigul pentru SLA este dependent de
polarizare si, din cauza timpului de viata scurt al purtatoarei in semiconductoare, SLA sunt
influientate de de distorsiunile de intermodulatie mari precum si de diafonie.
3.2. EDFA in banda L.
Prima generatie de amplificatoare pe fibra optica dopata cu erbium a fost destinata
pentru asa numita banda conventionala banda C : 1530-1560 nm. Avand drept suport sticla
cu aluminiu-siliciu,spectrul cel mai larg si castig plat pentru un EDFA-in banda C se pot
obtine cand populatia la nivel meta-stabil cu lungime mediata este de aproximativ 68 % .
Ideea reconfigurarii EDFA pentru performanta optima la un nivel metastabil, mediu de
inversie de ~ 35 % si astfel sa se obtina alt castig de 40 nm in fereastra 1570 la 1610 nmdateaza din anii 1990, iar in anul 1992 a fost descrisa functionarea la zgomot mic a unui
amplificator cu fibra optic adopata cu erbium in banda cu lungime de unda mare ( banda L =
1570 - 1610 nm).
Comparativ cu EDFA-urile conventionale, EDFA-urile in banda L prezinta coeficient de
castig si eficienta de conversie a puterii mai mici. Principalul motiv pentru aceasta este
castigul ridicat din banda 1530 -1560 nm si cantitatea mare a emisiei spontane amplificate(ASE), generata in apropierea capetelor fibrei. Aceasta ASE este emisa de la fibra dopata cu
erbium (EDF) iar puterea pompata necesara pentru generarea sa este pierduta.
Metodele de imbunatatire a castigului pentru un EDFA in banda L au fost investigate si
verificate experimental, astfel :
- o metoda consta in aplicarea unui reflector de feedbakc ASE pentru a reduce pierderile
de ASE si astfel sa creasca castigul si puterea de iesire; s-a obtinut astfel un castigimbunatatit cu 6 dB la o singura lungime de unda lucrand la 1588 nm;
25
7/27/2019 Amplificatoarele Optice-proiect
26/31
- o alta metoda foloseste puterea daunatoare a emisiei spontana amplificata in banda
1590 nm ca sursa de pompaj secundara pentru o portiune EDF nepompata;
Configuratii de castig imbunatatit bazate pe acest procedeu, in principiu, pot fi :
a) primul etaj al unui EDFA in banda L nu este pompat din exterior si propagarea spre
inapoi a ASE dezvoltata in al doilea etaj de amplificare (pompat din exterioe) este
utilizata pentru inversia de populatie a primului etaj,
sau
b) etajul al doilea nu este pompat extern si propagare spre inainte a ASE dezvoltata in
primul etaj este utilizata pentru imbunatatirea castigului; s-a obtinut astfel cresterea
eficientei conversiei de putere de la 11,7 % la 25,7 %, cu un factor de zgomot mai
mic de 1 dB.
4. Amplificatoare RAMAN.
Extiderea dramatica a Internetului a determinat dezvoltarea cu o rapiditate fara
precedent a sistemelor de transmisie WDM bazate pe EDFA. Transmisiile WDM utilizeaza
intraga banda de castig EDFA, adica benzile C si L. Tehnologia bazata pe EDFA a atins
limitele superioare ale capacitatii de transmisie.In plus, EDFA reprezinta amplificarecompusa in care exista o limita superioara si una inferioara a nivcelului de semnal din
sistemele de transmisie. Daca semnalul care patrunde in fibra pe un nivel prea superior,
acesta sufera neliniaritate din partea fibrei, in timp ce daca patrunde pe un nivel prea scazut,
acesta receptioneaza zgomot ridicat la urmatorul EDFA. Cresterea rapida a traficului de
comunicatie si dezvoltarea pompajelor cu diode laser semiconductoare compacte, cu de
putere ridicata au impins cercetarile asupra altor tipuri, si anume asupra amplificatoarelor pefibra Raman (RFA). Prin alegerea corespunzatoare a lungimilor de unda si a puterii surselor
de pompaj, RFA pot prezenta pot asigura raporturi largime de banda pe amplificare si
lungime de unda centrala adaptabila mai mari, comparativ cu EDFA.
5.Tehnologii de amplificare in benzile O si S.
Dezvoltarea amplificatoarelor pe fibra optica acoperind noi benzi in completare la C siL, analizate mai inainte, asigura extinderea capacitatii de transmisie pe fibra optica si vor
genera noi aplicatii. De exemplu, banda O (1260 1360 nm) este un domeniu cu dispersie26
7/27/2019 Amplificatoarele Optice-proiect
27/31
zero pentru fibra optica monomod, ceea ce faciliteaza transmisia semnalelor cu mare viteza
fara efecte de dispersie. Utilizarea benzii S (1460 1530 nm ), care poate fi combinata cu
benzile C si L, poate creste semnificativ numarul de canale si capacitatea de transmisie in
domeniul lungimilor de unda multiplexate ( WDM ) in cadrul retelelor fotonice de cu trasee
medii si lungi. Tehnologiile de ampificare in banda O utilizeaza amplificatoare pe fibra
optica dopata cu praseodymium( PDFA) si tehnologii de ampificare in banda S utilizeaza
amplificatoare pe fibra optica dopata cu thulium (TDFA ) sau cu erbium (EDFA). Nivelele
energetice ale ionului de praseodymium ( Pr3+ ) utilizate pentru amplificare in banda O sunt
prezentate in figura. In aceasta, amplificarea in banda O foloseste tranzitia de emisie
stimulata 1G4 3H5 . Existenta unui alt nivel ( 3F4 ) la 3000 cm-1 sub nivelul ( 1G4 ) al
acestei tranzitii inseamna ca ionul excitat poate rezona cu vibratia franjurilor din fibra dopata
cu Pr3+, avand ca rezultat relaxarea termica fara emisie
( tranzitie non-radiativa).In acest caz, pentru a obtine eficienta in amplificarea aptica, sticla
folosita ca material pentru fibra opticatrebuie sa o faca pe aceasta astfel incat sa impiedice
aparitia tranzitiilor non-radiative. Pentru aceasta se foloseste sticla cu fluorura de indium.In
figura 7(b) este prezentata configuratia unui amplificator pe fibra optica la care miezul fibrei
cu fluorura de indium este dopat cu Pr3+.Folosind ca sursa de pompaj o dioda laser (LD) la980 nm, acest amplificator asigura o buna caracteristica de amplificare, si anume, un castig
de 20 dB sau mai mult, o iesire de 20 dB si un factor de zgomot de 5,5 dB in domeniul
lungimilor de unda 1276-1310 nm. Pentru a realiza un amplificator cu dimensiuni reduse,
trebuie redus diametrul bobinei, lucru ce duce la cresterea presiunii de indoire aplicate asupra
firului, ceeace conduce la micsorarea duratei de viata a acesteia.Fibra cu fluorura are
rezistenta mecanica mai mica decat fibra cu silica, iar diametrul bobinei nu poate fi mai micde 75 mm, pentru a garanta o durata de viata de 25 ani cu o probabilitate de defectare de 10 -
6 . Pentru a compensa aceasta crestere a presiunii de indoire asupra fibrei cu fluorura, a fost
proiectata o noua fibra cu un diametru mai mic de 80 m fata de 125 m cat au fibrele
conventionale. In acest caz, se mentine durata durata de viata de 25 ani ,cu probabilitatea de
defecatre de 10-6 , folosind o bobina cu diametrul de 31 mm, ceeace este la jumatatea
diametrului comventional. Un astfel de amplificator compactizat realizeaza o iesire de 13dBm si un castig de 15 dB sau mai mult in domeniul lungimilor de unda 1287 1318 nm. In
plus, inlocuirea amplificatoarelor conventionale cu acest tip de PDFA ,asigura ulilizarea lui27
7/27/2019 Amplificatoarele Optice-proiect
28/31
in noi aplicatii cum ar fi ca post-amplificatoare in sisteme de emisie si in canala dev
amplificare optice add / drop ( OADM ).
6. Amplificatoare EDFA in banda S
Ionii de erbium Er3+ pot prezenta emisie simultana si in banda S, iar castig se obtine
prin formare de in versie a populatiei ridicata. Totusi, castigul din banda C esta mai mare
decat cel din banda S, iar efectul oscilatiei laser si emisia spontana amplificata ( ASE ) mare
cre apar in banda C produc o inversie de populatie scazuta. Ca urmare, in general, este dificil
sa se obtina castig mare in banda S. Pentru a se evita efectul oscilatiei laser si ASE se
utilizeaza filtre distribuite in scopul producerii de pierderi in toata gama de aplificare. Acest
fenomen conduce la obtinerea de castig ridicat in banda S. Acest amplificator are un castig
mai mare de 21 dB si un factor de zgomot mai mic de 6,7 dB in domeniul lungimilor de unda
1486 1518 nm.
7. Amplificatoare in banda S+C si un amplificator CWDM
La introducerea unui sistem de transmisie CWDM cu opt canale s-a constatat ca scala
transmisiei este determinata de catre durata pierderilor.Ca urmare,in transmisia CWDM
amplificarea optica trebuie sa actioneza pe un domeniu larg al lungimilor de unda cuprins
intre 1470 si 1610 nm. Cu toate ca tehnologia amplificatorului EDTFA poate acoperi
amplificarea in intr-un sistem cu patru canale in regiunea cu lungime de unda mare (1550
1610 nm ), un TDFA de unul singur este insuficient pentru un sistem cu patru canale culungime de unda scurta, deoarece limita superioara este 1510 nm. Pentru a acoperi aceasta
regiune a fost dezvoltata o tehnologie de amplificare in banda S+C prin conectarea unui
TDFA in serie cu un EDFA in banda S, obtinandu-se amplificare hibrida TDFA-EDFA.
Acest montaj poate asigura o amplificare semnificativa in benzile S si C. Semnalele CWDM
de intrare sunt divizate corespunzator celor pentru domeniul 1470 1530 nm cu patru canale
cu lungime de unda mare. Semnalele cu lungime de unda mica sunt amplificate de catreamplificatorul hibrid TDFA EDFA, iar cele din partea cu lungime de unda mare de catre
amplificatoril de banda larga EDTFA. Dupa amplificare, aceste semnale sunt recombinate si28
7/27/2019 Amplificatoarele Optice-proiect
29/31
redate la iesire. Cu etajul amplificator hibrid se obtine un castig ridicat ( 80 nm ) in domeniul
extins 1460 1540 nm prin combinarea castigurilor TDFA si EDFA, iar castiggul ridicat din
regiunea 1540 1620 nm se obtine cu etajul EDTFA. Pentru etajul EDFA este necesara o
egalizare de castig mare, mult peste 39 dB. Pentru a suprima orice crestere a factorului de
zgomot produsa de aceasta egalizare, trebuie ca fibra EDTFsa fie divizata in trei sectiuni, iar
intre acestea sa se introduca GEQ. Un castig mai mare de 20 dB si un coeficient de zgomot
mai mic de 8 dB pentru un semnal de intrare de -20 dB / canal x 8 canale.
Concluzie:In aceasta lucrare de an eu am studit am studiat amplificatoarele optice de tip
Raman,Brillouin si fibra optica dopata cu Erbiu.Am vazut cum ele lucreaza si
care este difierenta dintre le,tipurile de amplificator opticecu sunt:
amplifiactoarele de linie ,amplifificaorele de putere la emisie, preamplificatoare
la recepie i pentru compensarea pierderilor de distribuie. Amplificarea Raman
se bazeaz pe mprtierea Raman, cnd un atom absoarbe un foton i elibereaz
un foton cu o energie diferit. Aceast diferen de energie o utilizeaz la
schimbarea strii de vibraie. mprtierea Brillouin stimulat (SBS) este un
efect neliniar care se produce n fibrele optice pentru valori ale puterii de intrare.Folosirea acestor trei sisteme intr-un sisitem aduce niste rezulatate foarte mari
pentru trasmitirea informatiei si pentru telecomunica
29
7/27/2019 Amplificatoarele Optice-proiect
30/31
Bibliografie:
1.E.Desurvire, Erbium-doped fiber amplifiers: Principles and Applications, John Wiley &
Sons, New Y 1994.
2.C.R.Giles and E. Desurvire, Modelling erbium-doped fiber amplifiers, IEEE, J. Light
Technol., vol. 9, 1991.
3. P. Myslinski and J. Chrostowski, Gaussian mode radius polynomials for modelling doped
fibre amplifiers and lasers, Institute for Information Technology, Ottawa, 1996.
4. D.Marcuse, Loss analysis of single-mode fiber splices, The BellSys. Tech. J., vol. 56,
1977.
5.T.J.Whitley and R Wyatt, Alternative gaussian spot size polynomial for use with doped
fibre amplifiers, IEEE Photon. Technol. Lett., vol. 5, no. 11, 1993.
6.M. Ohashi, Design considerations for an Er-doped fiber amplifiers, J.Lightwave Technol.,
vol. 9, 1991.7.P.C.Becker, N. A. Olsson and J. R. Simpson, Erbium doped fiber amplifiers:Fundamentals
and Technology, Academic Press, 1999.
8.E.Desurvire, Analysis of distributed erbium-doped fiber amplifiers with background loss, J.
Lightwave Technol., vol. 3, 1991.
9. A. A. M. Saleh, R. M. Jopson, J. D. Evankow and J. Aspell, Modelling of gain in erbium-
doped fiber amplifiers, IEEE Photon.Technol. Lett.,vol. 2,no.10,1990.10.G. P. Agrawal, Nonlinear fiber optics, Academic Press, 1995.
Un nou portal informaional!
Dac deii informaie interesant si doreti s te impari cu noi atunci
scrie la adresa de e-mail : [email protected]
mailto:[email protected]:[email protected]7/27/2019 Amplificatoarele Optice-proiect
31/31