Comunicaciones por Fibra Óptica

Transcripción

1 Universidad Técnica Federico Santa María Departamento de Electrónica Comunicaciones por Fibra Óptica Capítulo 6: Amplificadores Ópticos Comunicaciones por Fibra Óptica (Elo-357)

2 Índice 6.1 Introducción 6.2 Conceptos Básicos Ganancia Espectral y Ancho de Banda Saturación de la Ganancia Figura de Ruido Aplicaciones de los Amplificadores Ópticos 6.3 Amplificadores Semiconductores Láser (SLAs) Sensibilidad a cambios de polarización Amplificación Multicanal Aplicaciones de los SLAs 2

3 Índice 6.4 Amplificador Raman 6.5 Amplificador Brillouin 6.6 Amplificadores a Fibra Dopada con Erbio (EDFAs) Bombeo óptico en EDFAs Espectro de ganancia de EDFAs Características de ganancia de EDFAs Ruido del EDFA Amplificación multicanal 3

4 Índice 6.7 Especificaciones Técnicas Especificaciones Técnicas: EDFA-BA Especificaciones Técnicas: EDFA-PA Especificaciones Técnicas: EDFA-TV 6.8 Algunos datos sobre EDFAs 6.9 Resumen 4

5 6.1 Introducción Día a día los sistemas todo ópticos adquieren mayor relevancia. En este contexto, surge la necesidad de aumentar la distancia de transmisión, realizando de la forma más eficiente la amplificación de la señal, de manera transparente. Los amplificadores ópticos surgen como una alternativa bastante eficaz al momento de compararlos con los regeneradores optoelectrónicos: no existe la necesidad de convertir señal óptica -> eléctrica->óptica. En la presente exposición se trata el proceso de amplificación de señales ópticas a través de distintos medios, como son : SLAs, EDFAs, Amplificadores Raman y Brillouin. 5

6 6.2 Conceptos Básicos Los amplificadores ópticos trabajan en base a la amplificación de la luz mediante emisión estimulada, al ser bombeados (óptica o eléctricamente) realizando inversión de población. Por ejemplo, si la ganancia del medio se modela como un sistema de dos niveles, el coeficiente de ganancia está dado por: g g ( ω 0 ) = 2 1 ( ) T 2 (1) + ω ω0 2 + P/ P s 6

7 6.2 Conceptos Básicos g ω ) g = 1+ ( ω ω ) 0 ( T2 + P/ P s g(ω): coeficiente de ganancia g 0 : ganancia peak ω : frecuencia óptica de la señal incidente. ω 0 : frecuencia de transición atómica. P : Potencia óptica de la señal que está siendo amplificada. P S : Potencia de Saturación : Tiempo de relajación dipolar. (<1 ps) T 2 7

8 6.2.1 Ganancia Espectral y Ancho de Banda Considerando un régimen no saturado en el cual P/P S <<1 el coeficiente de ganancia resulta: g0 g( ω ) = 1+ ( ω ω ) 0 2 La reducción de la ganancia para ω ω 0 se comporta como un perfil de Lorentz. T 2 2 (2) Máxima en ω=ω 0 El ancho de banda de ganancia se define según: Para T 2 = 1[ps], resulta de 3 [THz]. ω g 1 υ g = = 2π πt (3) 2 8

9 6.2.1 Ganancia Espectral y Ancho de Banda Se define la Ganancia del Amplificador (G) como: G Pout = G( ω ) = exp[ g( ω ) L] (4) P in Análogo al caso anterior, el BW del amplificador resulta: ln(2) υ A = υ g ln( G 0 /2) 1 2 (5) 9

10 6.2.1 Ganancia Espectral y Ancho de Banda G(ω) decrece más rápido que g(ω). Ambos poseen el mismo máximo. El ancho de banda del amplificador es menor al de ganancia. 10

11 6.2.2 Saturación de la Ganancia G(ω) y g(ω) dependen de P. A medida que P/Ps>>1, g y G decrecen rápidamente. Este fenómeno se conoce como saturación de ganancia. G = G0 exp G 1 G Un dato de importancia es el valor de, donde G=Go/2 P P out s S P out (6) P s out G G ln( 2 ) 2 0 = P (7) s 0 11

12 6.2.2 Saturación de la Ganancia Ganancia de Saturación del amplificador en función de la Potencia de Salida, para diferentes ganancias G 0 (unsaturated amplifier gain) 12

13 6.2.3 Figura de Ruido Los amplificadores ópticos degradan la SNR debido a que la emisión espontánea agrega ruido a la señal durante su amplificación. Esta degradación se cuantiza mediante la Figura de ruido F n : F n ( SNR) in (8) = 2nsp ( SNR) out donde n sp es llamado factor de emisión espontánea o factor de inversión de población. n SP = N 2 N 2 N 1 Esta ecuación muestra que el amplificador degrada en 3 db incluso a un amplificador ideal en el que n sp =1. Valores típicos: 6-8 db 13

14 6.2.4 Aplicaciones de los Amplificadores Ópticos Amplificadores de Línea Reemplazan a los regeneradores electrónicos. Es particularmente atractivo para sistemas WDM. 14

15 6.2.4 Aplicaciones de los Amplificadores Ópticos Power Amplifier Incrementa la potencia al amplificar justo a la salida del transmisor. Su principal propósito es elevar la potencia transmitida. Pueden llegar a aumentar la distancia del enlace en 100 km (Dependiendo de las pérdidas y ganancia del amplificador) 15

16 6.2.4 Aplicaciones de los Amplificadores Ópticos Preamplificador Sitúa un amplificador en el extremo receptor, de forma que mejore su sensibilidad. 16

17 6.2.4 Aplicaciones de los Amplificadores Ópticos Amplificador LAN El número de nodos está determinado por la distribución de pérdidas. Situando un amplificador óptico adecuadamente, éstas pérdidas se ven compensadas. 17

18 6.3 Amplificadores Semiconductores Láser (SLAs( SLAs) En el análisis realizado en 6.1 se trabajó con una onda viajera estrictamente hacia delante. Los SLAs experimentan reflexiones (32% en sus caras). Se ajusta el modelo antes expuesto analizando los SLAs como una cavidad de Fabry-Perot (FP). Para un interferómetro FP, el factor de amplificación está dado por: G FP ( υ) = ( R1 )( 1 R2 ) G( υ) 2 + 4G R R sin [ π υ υ υ ] ( ) 2 1 G R R ( ) (9) 1 2 m L 18

19 6.3 Amplificadores Semiconductores Láser (SLAs( SLAs) R 1 y R 2 son las reflectividades de las caras. v m representa la frecuencia de resonancia. ν L : rango espectral libre de la cavidad FP. G FP ( υ) = ( 1 R1 )( 1 R2 ) G( υ) 2 + 4G R R sin [ π υ υ υ ] ( ) 2 1 G R R ( ) m L 19

20 6.3 Amplificadores Semiconductores Láser (SLAs( SLAs) El ancho de banda está dado por: 2 ν 1 1 G R1R L 2 (10) ν A = sin 1 π 2 ( 4G R ) 1R2 El ancho espectral del amplificador es una pequeña porción del rango libre de la cavidad FP (típicamente ν L ~100 GHz ν A ~10 GHz Este pequeño ancho de banda lo hace inconveniente para la mayoría de los sistemas de comunicaciones ópticas. 20

21 6.3 Amplificadores Semiconductores Láser (SLAs( SLAs) ~70[nm] 21

22 6.3 Amplificadores Semiconductores Láser (SLAs( SLAs) Características: El ancho de banda de la ganancia (3dB) esta sobre 70 nm s P out Los valores típicos para van desde 5 mw a 10 mw F n varía en el rango de 5-7 db Sensibilidad de polarización (indeseable) G difiere entre TM y TE en un rango de 5-8 db 22

23 6.3.1 Sensibilidad a cambios de polarización 23

24 6.3.2 Amplificación Multicanal Idealmente, la señal en cada canal debería ser amplificada de la misma forma. Fenómenos no lineales producen crosstalk: Saturación cruzada y FWM. P = M j= 1 P j + M M j= 1 k j j K ( Ω + ) 2 P P cos φ jk φ (11) La población en un estado depende de la potencia. Como el índice de refracción y la ganancia dependen de N, también varían a frecuencia Ω jk. Se crea un gradiente en la ganancia y en el índice de refracción =>FWM j k 24

25 6.3.2 Amplificación Multicanal P = M j= 1 P j + M M j= 1 k j j K ( Ω + φ ) 2 P P cos φ jk j k El primer término de la derecha muestra que la potencia total de entrada al amplificador depende de la sumatoria de las potencias de cada canal. Esto produce que el amplificador se sature por múltiples canales y no sólo por el efecto de uno. La ganancia de un canal específico se satura no sólo por su propia potencia, sino por la de los vecinos. PSK y FSK evitan las fluctuaciones de potencia (dependiente del tiempo), mejorando SNR 25

26 6.3.3 Aplicaciones de los SLAs Preamplificador: Al poseer Fn de 5 a 7 db no los hace óptimos, pero de todas formas, elevan la sensibilidad del receptor. Problema: Baja potencia de saturación ( 5 mw). Amplificador de Línea: 1 Gbps sobre 313 km utilizando 4 SLAs en cascada. Problemas: Saturación cruzada y FWM sucesivos. Pérdidas de acoplamiento. Sensibilidad a los cambios de polarización. 26

27 6.3.3 Aplicaciones de los SLAs Proveen una alternativa para amplificación en 1.3 [µm], donde los amplificadores a fibra poseen características menos que satisfactorias (como se verá a continuación). Se usan como conversores de frecuencia. La frecuencia de resonancia puede ser modificada variando las dimensiones de la cavidad Fabry-Perot. 27

28 6.4 Amplificador Raman Amplificadores de fibra Raman Usan como base SRS Tienen una gran ancho espectral de ganancia (sobre 6 THz) Se pueden amplificar varios canales con la misma fuente de bombeo Amplificación en ambos sentidos Es preferible bombeo reverso respecto del directo (mejor OSNR) Esquema básico de un amplificador Raman 28

29 6.4 Amplificador Raman Frequency Shift Ω: Ω=ω p -ω s ω p : Frecuencia de bombeo ω s : Frecuencia de la señal 29

30 6.4 Amplificador Raman Potencia de bombeo La desventaja fundamental es la alta potencia de bombeo para que se produzca la amplificación (del orden de los watts) 30

31 6.4 Amplificador Raman Aplicaciones Como amplificadores de línea y preamplificadores, Para amplificación de pulsos cortos En sistemas de comunicaciones basados en solitones Son usados en la región de 1.3 µm Su uso en cascada para varias aplicaciones, incluyendo CATV Pueden ser usados como preamplificadores para receptores de alta velocidad En la región de 1.3 µm pueden se usados para elevar la capacidad de transmisión en enlaces desde 2.5 a 10 Gb/s Se usa la misma fibra como línea de transmisión y amplificador, logrando amplificación distribuida. 31

32 6.5 Amplificador Brillouin Amplificadores de fibra Brillouin. Usan como base SBS Amplificación en un sólo sentido El bombeo debe ser aplicado en sentido inverso Ancho de banda de la ganancia espectral es menor que 100 MHz. Ganancia Espectral de tres fibras de λ p =1.525µm: a) Fibra con núcleo de sílica. b) Depressed-cladding fiber. c) Fibra con dispersión desplazada. Escala vertical arbitraria. 32

33 6.5 Amplificador Brillouin Aplicaciones. Amplificación selectiva de canal en sistemas multicanal Ideal para propósitos de banda angosta 33

34 6.6 Amplificadores a Fibra Dopada con Erbio (EDFAs) Características generales La fibra es dopada con iones de tierras raras en el proceso de manufacturación. Dentro de estos materiales dopantes podemos encontrar el Erbio, Holmio, Neodimio, Samario, Tulio, entre otros. Cubren una vasta región del espectro óptico ( µm) El ancho de banda de la ganancia y la longitud de onda de operación son determinadas por las características del material dopante. La sílica actúa como un medio servidor. 34

35 6.6 Amplificadores a Fibra Dopada con Erbio (EDFAs) EDFAs Por qué el uso de EDFAs es tan difundido? Los EDFAs atraen especialmente la atención pues operan cerca de los 1.55 µm, donde la fibra presenta las mínimas pérdidas. Es ocupado en enlaces transoceánicos como amplificadores de línea. Muy usados en sistema WDM para amplificar múltiples canales, gracias a su gran ancho de banda. 35

36 6.6 Amplificadores a Fibra Dopada con Erbio (EDFAs) Componentes básicos de un EDFA. 36

37 6.6.1 Bombeo óptico en EDFAs ESTADO SUPERIOR TRANSICIÓN ESTADO METAESTABLE BOMBEO DE FOTONES 980 nm FOTÓN INCIDENTE SEÑAL AMPLIFICADA ESTADO BÁSICO ESTADO BÁSICO 37

38 6.6.1 Bombeo óptico en EDFAs El bombeo óptico. La característica de ganancia del EDFA, depende fuertemente del bombeo óptico como así también de la presencia de otros codopantes en el núcleo de la fibra, en menor cantidad, como lo son el Germanio y el Aluminio. Los EDFAs pueden ser bombeados con Lasers semiconductores operando en el rango [µm]. (Típicamente 1.48[µm]). Una ventaja importante es que requiere de baja potencia de bombeo para desarrollar grandes ganancias. 38

39 6.6.1 Bombeo óptico en EDFAs La naturaleza amorfa de la sílica cambia la estructura de niveles de energía del Er +3, lográndose la configuración que se muestra en la figura. El bombeo permite producir la inversión de población desde el nivel básico al primer estado excitado cuyas vibraciones son cercanas a los 1.55[µm]. 39

40 6.6.1 Bombeo óptico en EDFAs Diagrama de energía de un sistema de tres niveles N3 4I 11/12 ~1µs Decaimiento no-radiativo N2 980 nm 4I 13/12 Nivel meta-estable τ 10ms 1480 nm Emisión estimulada (1530 ~ 1560 nm) N1 4I 15/12 40

41 6.6.2 Espectro de ganancia de EDFAs El espectro de ganancia El espectro de ganancia es afectado considerablemente por la naturaleza anómala de la sílica y por los materiales codopantes en el núcleo Cuando se tiene iones de Erbio (Er +3 ), aislados, su perfil de ganancia presenta un ensanchamiento homogéneo en forma de un perfil Lorentziano. Al estar la sílica presente el perfil es considerablemente ensanchado. La naturaleza amorfa de la sílica hace que este espectro sea nohomogéneo 41

42 6.6.2 Espectro de ganancia de EDFAs El espectro de ganancia es completamente ensanchado (FWHM>10[nm]) y presenta un doble peak en su estructura 42

43 6.6.2 Espectro de ganancia de EDFAs Matemáticamente, el perfil de ganancia efectivo para los EDFAs puede ser estimado promediando la ganancia sobre la distribución de frecuencias de transiciones atómicas de los iones de Erbio g eff = g ω, ω0 ) f ( ω0) d 0 ( ω f(ω 0 ): función de distribución de transiciones de frecuencias atómicas. ω 0 : cada una de las transiciones de frecuencias atómicas 43

44 6.6.2 Espectro de ganancia de EDFAs El ancho de banda de la ganancia va a depender de los codopantes que se utilicen. En EDFAs codopadas con Aluminio el ancho de banda de la ganancia supera los 30[nm], mayor aún que la fibra codopada con Germanio El espectro de ganancia de un EDFA puede variar de un amplificador a otro, aún cuando sus núcleos sean iguales y se les aplique la misma potencia de bombeo,debido a que existe una dependencia con el largo del amplificador. Por lo tanto habrá un largo óptimo para el cual la ganancia será más o menos plana. 44

45 6.6.2 Espectro de ganancia de EDFAs peak de absorción gain peaking ASE 45

46 6.6.3 Características de ganancia de EDFAs Características de la ganancia. La ganancia depende de diversos parámetros: Concentración de iones de Erbio. Largo del amplificador Radio del núcleo Potencia de bombeo Presencia de materiales codopantes 46

47 6.6.3 Características de ganancia de EDFAs Ganancia v/s Potencia de bombeo en EDFAs Para un amplificador de largo L dado, la ganancia de amplificación a los 1.55 µm, inicialmente crece exponencialmente con la potencia de bombeo; pero este incremento es mucho menor cuando el bombeo excede cierto valor. Más allá de éste punto la ganancia se satura. 47

48 6.6.3 Características de ganancia de EDFAs Ganancia v/s largo del amplificador Para una potencia de bombeo, la ganancia se hace máxima para un valor óptimo de L, y decae rápidamente cuando L excede dicho valor. Esto se debe a que la última porción del amplificador se mantiene no bombeada y absorbe la señal amplificada 48

49 6.6.3 Características de ganancia de EDFAs De los dos gráficos anteriores podemos ver que es necesario elegir el largo del amplificador y la potencia de bombeo adecuadamente Por ejemplo: Se pueden desarrollar 35 [db] de ganancia con un bombeo a 1.48 [µm] de sólo 5 [mw] para un largo de 30 [m] 49

50 6.6.4 Ruido del EDFA Ruido de Amplificación El ruido del amplificación es cuantificado a través de la figura de ruido F n que da una medida de la degradación de la relación señal a ruido de entrada al pasar por el amplificador. F n =2n sp Donde n sp es el factor de emisión espontánea definido anteriormente, que para EDFAs es mayor que 1, por lo que la figura de ruido es más grande que el valor óptimo de 3[dB]. La figura de ruido también depende de la potencia de bombeo y del largo del amplificador como se muestra en el siguiente gráfico. 50

51 6.6.4 Ruido del EDFA Un valor cercano a los 3[dB] óptimo se puede lograr con p p >>p psat. (se debe sacrificar la eficiencia de la potencia de bombeo) Figura de ruido como función del largo Para distintas razones entre p p /p sat =P Es difícil lograr alta ganancia, bajo ruido y alta eficiencia de bombeo simultáneamente 51

52 6.6.5 Amplificación multicanal Amplificación multicanal. Los EDFAs pueden ser usados para amplificar conjuntamente varios canales WDM gracias a su gran ancho de banda. Presenta saturación cruzada. Esto se puede evitar trabajando con niveles bajos de potencia. Las no uniformidades del espectro de ganancia pueden provocar que distintos canales son amplificados por un factor diferente. Se puede solucionar con filtros ecualizadores que permitan aplanar la ganancia Además, las no homogeneidad del espectro de ganancia se acentúa al utilizarlos como amplificadores de línea en cascada. Puede amplificar pulsos de muy corta duración sin introducir distorsión apreciable, por lo que puede ser usado para amplificar solitones. 52

53 6.7 Especificaciones Técnicas Especificaciones Técnicas: EDFA-BA Señales ópticas pueden ser amplificadas de forma tal que incrementan la separaciones entre spans utilizando Erbium Doped Fiber Booster Amplifier (EDFA-BA) a continuación del transmisor óptico. EDFA-BA se caracteriza por su alta potencia de salida, baja figura de ruido y amplio BW. EDFA-BA ha sido ampliamente utilizado en proyectos de comunicaciones ópticas en China. Se utilizan en reemplazo de amplificadores eléctricos, en sistemas de grandes distancias, enlaces submarinos, 53

54 Parameter Min. Typ. Max. Operation Wavelength Range (nm) Input Optical Power (Pin) (dbm) Output Optical Power (dbm) Output Optical Power Stability ( T, POL) (db) 0.3 Noise Figure (Pin=0dB) (db) 5.0 Reverse ASE Optical Power (dbm) -20 Max Return Loss Tolerance at Input (db) 27 Pump Leakage to Input/Output (dbm) -30 Input/Output Return Loss (db) 50 Operating Temperature 0 50 Storage Temperature Consumption Power (W) 20 Package Dimensions (mm) 530 Á202 Á100(2U) 54

55 6.7.2 Especificaciones Técnicas: EDFA-PA Los EDFA PA (Erbium-Doped Fiber Preamplifier) son utilizados para amplificar las señales recibidas con objeto de aumentar la sensibilidad del receptor, aumentando así la distancia entre los span. EL preamplificador posee un excelente BW sintonizable. Este amplificador se utiliza en sistemas de canal único. 55

56 6.7.2 Especificaciones Técnicas: EDFA-PA Operation Wavelength (nm) Input Optical Power Range (dbm) Small Signal Gain (db) Noise Figure (db) Max Return Loss Tolerance at Output (db) Total Max Output Optical Power (db) Reverse ASE Power (dbm) Pump Leakage to Input/Output (dbm) Operating Temperature Storage Temperature Consumption Power (W) Package Dimensions (mm) to 9 20 Typ.4.0,Max «50-25 « Á202 Á100(2U) 56

57 6.7.3 Especificaciones Técnicas: EDFA-TV EDFA para sistemas de CATV 1550nm han realizado mejoras significativas en la transmisión de señales a través de diversos spans. EDFAs en cascada pueden ser utilizados para aumentar la distancia de transmisión. Se usa tanto en redes LAN como WAN. Reemplaza a los regeneradores eléctricos. 57

58 Parameters Min. Typ. Max. Operation Wavelength Range(nm) Input Optical Power(Pin)(dBm) Output Optical Power (Pin=0dB)(dBm) Output Optical Power Stability( T, POL)(dB) 0.3 Noise Figure (Pin=0dBm)(dB) 5.0 Reverse ASE Power(dBm) -20 Max Return Loss Tolerance at Input(dB) 27 Pump Leakage to Input/Output(dBm) -30 Input/Output Return Loss(dB) 50 Operating Temperature 0 50 Storage Temperature Consumption Power(W) 30 58

59 6.8 Algunos datos sobre EDFAs Al utilizar EDFAs como preamplificador incrementa la sensibilidad del receptor en db En un experimento realizado por T. L. Blair se utilizaron preamplificadores en serie, aumentando la sensibilidad en 18.8 db. Distribución de video analógico: CATV y telefonía (Fiber to the home). Mejoras en el rendimiento de una red LAN: Amplificadores a fibra permiten operar multigigabit con más de 100 nodos a más de 100 Km. 59

60 6.8 Algunos datos sobre EDFAs La ganancia puede ser modificada dopando con distintas tierras. La utilización de EDFAs en las distintas bandas puede ser acompañada de otros amplificadores. En WDM la no uniformidad del espectro de ganancia (2 máximos) hace necesario empaquetar los canales (situarlos bajo un mismo máximo. Otra alternativa es la utilización de filtros ecualizadores. 60

61 6.9 Resumen SLAs SRS SBS EDFAs F n 5-7 db 3 db >15 db >3 db Sens.. de polarización 5 - db despreciable despreciable despreciable Bombeo eléctrico óptico óptico óptico BW 10 GHz 70 nm 6 THz <100 MHz >10 nm Potencia de Bombeo baja alta baja Baja Utilización más común ~1300 nm ~1300 nm ~1300 nm ~1550 nm WDM FWM Saturación cruzada Gran BW Amplificación selectiva Empaquetamiento 61

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