1

Instytut Mikroelektroniki i Optoelektroniki

Politechniki Warszawskiej

Zakład Optoelektroniki

Instrukcja do ćwiczenia:

Badanie parametrów wzmacniacza światłowodowego EDFA

Ostatnie dwie dekady to okres niezwykle dynamicznego rozwoju różnego rodzaju systemów
światłowodowych – poczynając od systemów dalekiego zasięgu, poprzez systemy metropolitalne, a
kończąc na sieciach dostępowych i lokalnych. We wszystkich tych systemach sygnał transmitowany
jest za pomocą światła, które tak samo jak sygnał elektryczny ulega tłumieniu. W linkach optycznych
można wyróżnić trzy główne źródła strat sygnału optycznego: straty transmisyjne (tłumienie
światłowodów), straty komponentów optycznych (przełączników, złącz, etc.) oraz straty wynikające z
podziału sygnału w demultiplekserach i sprzęgaczach. Aby zniwelować te straty stosuje się
wzmacniacze sygnału optycznego, które mogą pełnić następujące funkcje:



zwiększenie mocy wyjściowej nadajnika - umieszczony za laserem wzmacniacz optyczny
zwiększa o 20-30 dB poziom mocy optycznej nadajnika, problem szumów jest mało istotny w
tym miejscu, decydująca jest moc wyjściowa wzmacniacza optycznego.



zwiększenie poziomu mocy sygnału osłabionego na skutek tłumienia - wzmacniacz

umieszczony jest w torze optycznym, decydującym parametrem jest duże wzmocnienie
wzmacniacza, na kolejnym miejscu należy umieścić niski poziom szumów, aby stosunek
sygnał/szum nie uległ znacznej degradacji.



zwiększenie czułość odbiornika - przedwzmacniacz umieszczony przed odbiornikiem

zwiększa czułość odbiornika, najważniejszym parametrem jest niski poziom szumów, potem
wzmocnienie, poziom mocy wyjściowej jest mało istotny.

Wzmacniacz optyczny

jest elementem aktywnym wzmacniającym sygnał optyczny bez konwersji na

sygnał elektryczny (w odróżnieniu od regeneratora, który konwertuje sygnał optyczny na elektryczny,
wzmacnia sygnał elektryczny, a następnie konwertuje wzmocniony sygnał elektryczny z powrotem na
sygnał optyczny). Regeneratory stosowane były w latach 70-tych w linkach optycznych w celu
minimalizacji s

zumów i zniekształceń generowanych w łączach. Wzmacniacze optyczne wzmacniają

cały sygnał, wraz z szumami (Rys. 1)

Wzmacniacz

i regenerator

sygnału

elektrycznego

Odbiornik

Nadajnik

Regenerator

Wzmacniacz

optyczny

t

t

P

we

P

wy

t

P

we

t

P

wy

a)

b)

Rys. 1. Porównanie ideowych schematów działania regeneratora sygnału optycznego (a) oraz

wzmacniacza optycznego (b).

2

Główne zalety wzmacniaczy optycznych względem regeneratorów to:



niezawodność - Regenerator jest urządzeniem bardziej złożonym, a co za tym idzie bardziej

awaryjnym.



elastyczność - Regenerator jest przystosowany do konkretnych prędkości i sposobów

ko

dowania. Przy zwiększaniu prędkości łącza lub przy zmianie sposobu kodowania należy

wymienić wszystkie regeneratory (koszty!). Wzmacniacze wzmacniają sygnał optyczny
niezależnie od jego prędkości czy sposobu kodowania.



możliwość zastosowania w WDM - Użycie regeneratorów wymaga każdorazowej

demultipleksacji, osobnego wzmocnienia każdego kanału i ponownej multiplekscji (dodatkowe
elementy = koszty + większa awaryjność). Wzmacniacz optyczny wzmacnia wszystkie kanały
jednocześnie.

 niski koszt - Wzmacniacz optyc

zny jest urządzeniem znaczenie mniej złożonym niż

regenerator, a co za tym idzie tańszym.

Rodzaje wzmacniaczy optycznych

omówione w niniejszej instrukcji:



wzmacniacze półprzewodnikowe



wzmacniacze światłowodowe REDFA (Rare Earth Doped Fiber Amplifier)

 wzm

acniacze światłowodowe Ramana

Wzmacniacze półprzewodnikowe

Optyczny wzmacniacz półprzewodnikowy SOA (Semiconductor Optical Amplifier) jest
półprzewodnikowym laserem pracującym poniżej progu oscylacji (Rys. 2). Podstawowym elementem
wzmacniacza jest półprzewodnikowy obszar aktywny, pompowany - tak jak w laserze
półprzewodnikowym – prądem. Izolator optyczny zaznaczony na rysunku uniezależnia wzmocnienie
od odbić, a rezonansowy filtr optyczny obniża poziom szumów wywołanych emisją spontaniczną.

Izolator

Warstwa

antyrefleksyjna

Ośrodek

aktywny

Prąd pompy

Optyka

kolimująca

Filtr

optyczny

Rys. 2. Schemat półprzewodnikowego wzmacniacza optycznego.

Wzmacniacze półprzewodnikowe charakteryzują się szeregiem ograniczeń, które praktycznie
uniemożliwiają ich użycie torach światłowodowych w systemach DWDM:



duże straty na połączeniach ze światłowodami (nawet 10 dB)



wysoki poziom szumów



duża wrażliwość na polaryzację sygnału



wprowadzają dodatkowe przesłuchy (mieszanie czterofalowe)

Wzmacniacze SOA znajdują jednak inne zastosowania, m. in. w systemach OTDR, przy generacji
solitonów oraz jako elementy optycznych bramek logicznych. Stosowane są również jako
wzmacniacze mocy wyjściowej nadajnika, ze względu na technologiczną łatwość połączenia
wzmacniacza z laserem półprzewodnikowym (wykonywane są w jednym procesie technologicznym).

Wzma

cniacze światłowodowe REDFA

Obecnie na rynku dostępne są trzy rodzaje wzmacniaczy światłowodowych domieszkowanych jonami
ziem rzadkich:

 PDFA (Praseodymium Doped Fiber Amplifier)

– pasmo O

 TDFA (Thulium Doped Fiber Amplifier)

– pasmo S

 EDFA (Erbium Doped Fiber Amplifier)

– pasmo C i L

3

W trakcie niniejszego laboratorium badane będą parametry wzmacniacza EDFA (domieszkowanego
jonami erbu), dlatego zasada działania wzmacniaczy REDFA zostanie omówiona na podstawie tego
wzmacniacza. Prosty schemat wzmacniacza EDFA pokazany jest na rysunku 3. Zaznaczona na
rysunku wzmocniona emisja spontaniczna jest nieuniknionym skutkiem stosowania wzmacniaczy
bazujących na wymuszonej emisji promieniowania i jest głównym źródłem szumu w tego typu
wzmacniaczach.

Światłowód aktywny

domieszkowany erbem

Pompa optyczna

Sygnał wejściowy

Wzmocniony

sygnał wyjściowy

Wzmocniona emisja

spontaniczna (ASE)

Wzmocniona emisja

spontaniczna (ASE)

Rys. 3. Schemat światłowodowego wzmacniacza domieszkowanego jonami erbu.

Ośrodkiem aktywnym w omawianym wzmacniaczu jest włókno (zwykle kwarcowe), którego rdzeń
domieszkowany jest jonami Er

3+

(Rys. 4).

rdzeń domieszkowany jonami Er

3+

(200-800 ppm)

średnica rdzenia: ~2μm

średnica płaszcza: 125μm

płaszcz

Rys. 4. Schem

at światłowodu aktywnego domieszkowanego jonami erbu.

Domieszkowanie światłowodu erbem zmienia jego charakterystykę absorpcji. Zjawisko absorpcji
promieniowania optycznego jest jednym z podstawowych mechanizmów oddziaływania pola
elektromagnetycznego z ma

terią. Jeżeli na atom znajdujący się w stanie podstawowym o energii E

1

padnie kwant promieniowania (w tym przypadku foton) o energii odpowia

dającej przerwie

energetycznej między poziomami, to atom może zostać wzbudzony do stanu wyższego (o energii E

2

).

Jest to proces absorpcji,

zwanej też absorpcją wymuszoną (Rys. 5).

E

1

E

2

h

ν

E

1

E

2

h

ν

E

1

E

2

h

ν

h

ν

h

ν

absorpcja

emisja spontaniczna

emisja wymuszona

Rys. 5.

Procesy oddziaływania pola EM z materią.

Jeżeli wzbudzony atom przejdzie samoistnie do niższego poziomu energetycznego, emitując przy tym
foton o energii

odpowiadającej różnicy poziomów energetycznych, to mamy do czynienia ze

zjawiskiem emisji spontanicznej. Czas po jakim foton zostanie samoistnie wyemitowany nazywany
jest czasem życia danego poziomu energetycznego. Emisja spontaniczna we wzmacniaczu EDFA jest
proce

sem pasożytniczym (niepożądanym) i szerokopasmowym (fotony emitowane są z dowolnego

podpoziomu pasma E

2

).

Jeżeli natomiast na wzbudzony atom padnie kolejny kwant promieniowania,

to może on wymusić przejście do poziomu podstawowego. Zjawisko to nazywane jest emisją

4

wymuszoną. Procesowi temu towarzyszy wyemitowanie dodatkowego fotonu identycznego co do
energii, kierunku, zwrotu i fazy z fotonem wymuszającym.
Charakterystykę absorpcji szkła domieszkowanego jonami erbu przedstawiono na rysunku 6.
Pos

zczególne „piki” na charakterystyce odpowiadają konkretnym przejściom optycznym

(absorpcyjnym).

Na podstawie położenia tych przejść można określić położenie poziomów

energetycznych jonów erbu.

4

I

15/2

4

I

13/2

4

I

11/2

4

I

9/2

4

F

9/2

4

S

3/2

2

H

11/2

4

F

7/2

20487

19158

Energia

[cm

-1

]

488 nm

522 nm
543 nm

656 nm

804 nm

982 nm

1530 nm

Er

3+

0

6535

10186

12432

15255

18404

0

1

5

3

0

n

m

9

8

2

n

m

8

0

4

n

m

6

5

6

n

m

5

4

3

n

m

5

2

2

n

m

4

8

8

n

m

Energia (liczba falowa):
1 cm

-1

≈ 3 x 10

10

Hz

Rys. 6. S

chemat poziomów energetycznych jonów erbu w matrycy szklanej i odpowiadająca mu

charakterystyka absorpcji.

Warto zaznaczyć, że położenie energetyczne tych poziomów zmienia się w zależności od matrycy
osnowy jonu.
Z punktu widzenia pracy wzmacniacza EDFA najbardziej interesujące są pasma w okolicy 980 nm
oraz 1480-1550 nm. Rysunek 6

pokazuje uproszczony schemat energetyczny jonów erbu wraz z

najważniejszymi przejściami optycznymi.

4

I

15/2

4

I

13/2

4

I

11/2

9

8

0

n

m

1

4

8

0

n

m

1525

– 1570 nm

τ ≈ 10ms

Rys. 7.

Uproszczony schemat poziomów energetycznych jonu erbu.

5

Długi czas życia poziomu

4

I

13/2

(ok. 10-12 ms)

w połączeniu z dużym przekrojem czynnym na

absorpcję umożliwia bardzo efektywne jego pompowanie i uzyskanie stanu inwersji obsadzeń (stanu
w którym populacja górnego poziomu energetycznego jest większa od populacji stanu dolnego). W
stanie inwersji obsadzeń ilość aktów emisji wymuszonej jest większa niż aktów emisji spontanicznej i
możliwe jest wzmacnianie sygnału o długości fali z zakresu 1525-1570 nm. Pompowanie poziomu

4

I

13/2

realizuje się na dwa sposoby:



pobudzając ośrodek promieniowaniem o długości fali 980 nm. Pompowany jest wyższy

poziom

4

I

11/2

, następnie atom przechodzi spontanicznie do stanu

4

I

13/2

na drodze relaksacji

bezpromienistej

(nie zostaje wyemitowany foton, energia tracona jest na drgania sieci, a więc

na ciepło)



pobudzając bezpośrednio poziom

4

I

13/2

promieniowaniem o długości fali 1480 nm.

Pompowany jest szczyt pasma

4

I

13/2

, a emisja zachodzi z dna pasma, dlatego

taki układ dalej

pozostaje układem trójpoziomowym (podobnie jak poprzedni).

Jak już wcześniej wspomniano emisja spontaniczna jest procesem pasożytniczym. Z jednej strony
powoduje depopulację poziomu

4

I

13/2

, a więc ogranicza ilość aktów emisji wymuszonej (zmniejsza

wzmocnieni sygnału). Z drugiej strony emisja spontaniczna również jest wzmacniana i jako
wzmocniona emisja spontaniczna (ang. ASE

– Amplified Spontaneous Emission) jest źródłem szumu

własnego wzmacniacza EDFA. ASE propaguje się wzdłuż światłowodu w obydwu kierunkach, z tym
że w kierunku wstecznym jej moc jest większa (ze względu na większą moc sygnału pompy na
początku włókna – Rys. 8).

pompa

sygnał

0

10

20

30

40

Długość światłowodu [m]

0

10

20

30

40

M

o

c

[

m

W

]

ASE

wsteczna

ASE

0

10

20

30

40

Długość światłowodu [m]

0

1

2

3

4

M

o

c

[

m

W

]

Rys. 8.

Rozkład mocy pompy, sygnału i ASE we wzmacniaczu EDFA.

Innym procesem paso

żytniczym jest zjawisko konwersji wzbudzenia (Rys. 9). Proces ten zachodzi

przy pompowaniu ośrodka promieniowaniem o długości fali 980 nm. Jeśli atom jest w stanie
wzbudzonym to kolejny padający foton pompy zamiast wymusić akt emisji może zostać
zaabsorbow

any do jeszcze wyższego poziomu energetycznego. W efekcie tego obserwowana jest

emisja promieniowania o większej energii niż promieniowanie pompujące (w tym przypadku światło z
zakresu zielonego).

6

4

I

15/2

4

I

13/2

4

I

11/2

4

I

9/2

4

F

9/2

4

S

3/2

2

H

11/2

4

F

7/2

20487

19158

Energia

[cm

-1

]

0

6535

10186

12432

15255

18404

0

9

8

0

n

m

5

4

3

n

m

5

2

2

n

m

Rys. 9. Schemat procesu kon

wersji wzbudzenia jonów erbu.

Parametry typowego wzmacniacza EDFA:



długość ośrodka wzmacniającego 5-30 m (pasmo C) lub 100-250 m (pasmo L)

 pasmo pracy

– C (1530-1565 nm) oraz L (1570-1610 nm)

 wzmocnienie

– 30-40 dB (a nawet 50 dB)



moc wyjściowa – 15 dBm (jednostopniowy), 23 dBm (dwustopniowy)

 nasycenie wzmocnienia, moc nasycenia (punkt pracy wzmacniacza)
 poziom szum

ów – 3.5 dB



zależność polaryzacyjna – 0.5 dB

Podstawowym parametrem wzmacniacza optycznego jest wzmocnienie rozumiane jako:

G = (P

out

– P

ASE

)/P

S

,

gdzie:
P

out

– moc wyjściowa

P

ASE

– moc wzmocnionej emisji spontanicznej

P

S

– moc wejściowa

Charakterystyka wzmocnienia wzmacniacza EDFA w funkcji

długości fali sygnału pokazana jest na

rys. 10

. Jak widać, charakterystyka absorpcji promieniowania i charakterystyka wzmocnienia G(



)

nieco

się różnią, co umożliwia zastosowanie „pompy” na długości fali 1480 nm (sygnał pompy jest

silnie absorbowany i słabo wzmacniany). Niewielkie przesunięcie charakterystyki można uzyskać
domieszkując światłowód dodatkowymi składnikami (Al

2

O

3

, Ge

2

O

3

, P

2

O

5

). Charakterystyka

wzmocnienia nie jest płaska (wzmocnienie zmienia się wraz z długością fali), a więc jedne kanały
będą wzmacniane bardziej od innych. Możliwe jest jej wypłaszczenie poprzez zastosowanie
odpowiednich filtrów (np. siatek Bragga).

7

Długość fali [nm]

1480

1500

1520

1540

1560

T

łu

m

ie

n

ie

/

W

z

m

o

c

n

ie

n

i

[d

B

/m

]

0

2

4

6

8

10

absorpcja

wzmocnienie

Rys. 10. Charakterystyki absorpcji i wzmocnienia wzmacniacza EDFA.

Wzmocnienie wzmacniacza EDFA

zależy od długości aktywnego światłowodu oraz od mocy pompy

optycznej. Wzmocnienie

rośnie wraz z długością światłowodu aktywnego, ale od pewnej długości

rosną również szumy wzmacniacza. W zależności od przeznaczenia wzmacniacza optymalizuje się
moc pompy i długość światłowodu.
Kolejnym istotnym parametrem jest moc nasycenia wzmacniacza P

sat

. Definiuje się ją jako taką moc

sygnału wejściowego, dla której moc sygnały wyjściowego spada o 3 dB (Rys. 11b). Dla małych mocy
sygnału wejściowego większość jonów erbu pozostaje w stanie wzbudzonym (mały sygnał nie
powoduje znacznej depopulacji górnego poziomu energetycznego). Dlatego dla małych mocy sygnału
wejściowego wzmocnienie wzmacniacza jest duże. Natomiast dla dużych mocy sygnału wejściowego
górny poziom energetyczny ulega znacznej depopulacji i nawet duża moc pompy nie jest w stanie
odbudować inwersji obsadzeń. W efekcie obserwuje się nasycenie wzmocnienia wzmacniacza.

P

sat

Obszar nasycenia

wzmocnienia

3 dB

35

30

25

20

15

10

5

0

-60

-50

-40

-30

-20

-10

0

10

Moc sygnału wejściowego [dBm]

W

z

m

o

c

n

ie

n

ie

[

d

B

]

0

20

40

-20

0

10

20

30

40

50

W

z

m

o

c

n

ie

n

ie

[

d

B

]

Moc pompy [mW]

Obszar pracy

małosygnałowej

Obszar nasycenia

wzmocnienia

+ ASE

bez ASE

a)

b)

Rys. 11

. Zależność wzmocnienia od mocy pompy (a) i mocy sygnału wejściowego (b).

Przykładowa rzeczywista konstrukcja wzmacniacza EDFA przedstawiona została na rys. 12.
Światłowód domieszkowany erbem (zwykle kilkanaście metrów) wprowadzony jest do toru
transmisyjnego. Sygnały pomp (pompami są lasery półprzewodnikowe) doprowadzone są
selektywnymi sprzęgaczami. Zwykle stosowana jest jedna pompa (w niektórych rozwiązaniach dwie).
Jako pompy stosowane są diody laserowe o długościach fal 980 lub 1480 nm. Sygnał pompy może
być wprowadzony zgodnie z kierunkiem sygnału, ale także wstecznie. Optyczny izolator stosowany
jest w celu redukcji wpływu odbić. Wyjściowy filtr optyczny usuwa szczątkowy sygnał pompy oraz
zmniejsza poziom szumów ASE.

8

Sprzęgacz

Izolator

Filtr

optyczny

Sprzęgacz

Pompa

optyczna

Pompa

optyczna

Światłowód aktywny

domieszkowany erbem

Wzmacniany sygnał

Pompa

Pompa

Rys. 12

. Przykładowa konstrukcja wzmacniacza EDFA.

Wzmacniacze światłowodowe Ramana

Wzmacniacz światłowodowy Ramana wykorzystuje zjawisko wymuszonego rozpraszania Ramana
występujące w światłowodzie niedomieszkowanym (nie ma konieczności dołączania dodatkowego
włókna – można wykorzystać włókno transmisyjne), na znacznej długości światłowodu (ok. 100 km).
W wyniku oddziaływania światła z cząsteczką pojawia się fala rozproszona o częstotliwości zmienionej
o częstotliwość jej drgań własnych. Światło rozprasza się zarówno w kierunku propagacji, jak i w
kierunku wstecznym. Wymuszone rozpraszanie Ramana rośnie eksponencjalnie wraz z mocą
sygnału, a więc aby je wzmocnić należy dostarczyć dodatkowej mocy optycznej za pomocą pompy. W
szkle kwarcowym optymalne wzmocnienie następuje przy przesunięciu sygnału pompy o 13.2 THz.
Należy tak dobrać pompę optyczną aby jej częstotliwość była większa o 13.2 THz od częstotliwości
sygnału wzmacnianego. Aby równie efektywnie wzmocnić sygnały o innych częstotliwościach należy
użyć dodatkowych źródeł pompujących. Przykładowe konstrukcje wzmacniaczy Ramana
przedstawiono na rysunku 13.

Wzmacniacz, który jako ośrodek wzmacniający wykorzystuje

światłowód transmisyjny (Rys. 13b) nazywany jest wzmacniaczem rozłożonym. Pompa optyczna
doprowadzana jest do wzmacniacza zdalnie, a jego wzmocnienie rozłożone jest na wiele kilometrów
światłowodu, co pozwala na minimalizację szumu i efektów nieliniowych. Można także wykorzystać
dodatkowy światłowód wzmacniający (np. specjalnie modyfikowany celem poprawienia parametrów
wzmocnienia). Taki wzmacniacz nazywany jest wzmacniaczem dyskretnym.

9

Pompa WDM

Wzmocniony sygnał

Pompa

Izolator

Izolator

Sprzęgacz

Światłowód wzmacniający

Pompa WDM

Wzmocniony sygnał

Pompa

Izolator

Izolator

Sprzęgacz

Światłowód transmisyjny

EDFA

EDFA

Stopień 1

Stopień 2

a)

b)

Rys. 13

. Przykładowe konstrukcja wzmacniaczy Ramana: a) wzmacniacz dyskretny, b) wzmacniacz

rozłożony.

Głównymi wadami wzmacniaczy Ramana jest wymagana wysoka moc pompy (nawet 5 W) oraz w
przypadku wzmacniacza dyskretnego znaczna długość światłowodu (100 km). Jednak jego
niewątpliwe zalety to możliwość wzmacniania światła w zwykłym światłowodzie oraz dobre parametry
szumowe we wzmacniaczach rozłożonych.

Tabela 1. Porównanie parametrów wzmacniaczy EDFA i wzmacniaczy Ramana

parametr

EDFA

wzmacniacz Ramana

ośrodek wzmacniający

specjalny światłowód
domieszkowany jonami erbu, o
długości 5-30 m (pasmo C) lub
100-250 m (pasmo L)

światłowód standardowy (lub
nieznacznie zmodyfikowany), o
długości 5-100 km

możliwe pasmo pracy

C (1530-1565 nm) oraz L (1570-
1610 nm)

1200-

1550 nm (w zależności od

dostępności źródeł pompujących)

pasmo wzmocnienia
pojedynczego
wzmacniacza

500 GHz

3 GHz

wzmocnienie

30-50 dB

20-45 dB

moc nasycenia

5-10 dBm

30 dBm

sposób pompowania

1-4 pompy o mocy 20-250 mW
każda

do 12 pomp o mocy 100-500 mW
każda

zależność od polaryzacji

pomijalna

pomijalna