Ενισχυτές µε Ίνα Προσµίξεων Ερβίου

Transcript

1 Ενισχυτές µε Ίνα Προσµίξεων Ερβίου Αρχή Λειτουργίας Μια οπτική ίνα νοθεύεται µε ιόντα Er + (µία από τις σπάνιες γαίες που έχει χάσει τρία από τα εξώτερα ηλεκτρόνια του) Τα ηλεκτρόνια διεγείρονται σε υψηλές ενεργειακές στάθµες µε την βοήθεια ακτινοβολίας laer µήκους κύµατος λ. Η διαδικασία αυτή αντιστοιχεί στην άντληση των φορέων και επιτυγχάνεται µε αυτό τον τρόπο αναστροφή πληθυσµών. Τα φωτόνια του σήµατος µήκους κύµατος λ εισερχόµενα στην ίνα αποδιεγείρουν τα ιόντα Ερβίου στη βασική τους στάθµη, εκπέµποντας έτσι φωτόνια ίδιων χαρακτηριστικών µε αυτά του σήµατος το οποίο κατά αυτόν τον τρόπο ενισχύεται. Ενεργειακές Στάθµες του τριπλά-ιονισµένου ιόντος ερβίου Er +.

2 GSA (Ground State Abortio) είναι η απορρόφηση από τη βασική κατάσταση. Πρόσπτωση φωτός σε αυτά τα µήκη κύµατος µπορεί να προκαλέσει άντληση των ηλεκτρονίων δηλαδή την ανύψωση της ενεργειακής τους κατάστασης από αυτήν της βασικής 4 Ι 15/2. ύο είναι οι πιθανοί τρόποι διέγερσης του ιόντος Ερβίου καθώς : Άντληση στα 980 nm. Το Έρβιο αντιστοιχεί σε Laer 3 επιπέδων. Η πρώτη µετάβαση από την 4 Ι 11/2 στην µετασταθή 4 Ι 13/2 είναι µη ακτινοβόλα (nonradiative), ενώ η µετάβαση από την µετασταθή στην βασική 4 Ι 15/2 είναι αυτή που δηµιουργεί την ενίσχυση. Άντληση στα 1480 nm. Το Έρβιο συµπεριφέρεται σαν Laer δύο επιπέδων. εν υπάρχουν καθόλου µετασταθείς καταστάσεις. Yλικά νόθευσης αναφέρονται τα υλικά που προστίθενται στο SiO 2 για βελτίωση των ιδιοτήτων του. Τέτοια υλικά είναι το GeO 2, Al 2 O 3, 2 O 5. Τα υλικά νόθευσης χρειάζονται γιατί: Λόγω αλληλεπίδρασης του πλέγµατος της ίνας και των ιόντων Ερβίου δηµιουργείται το φαινόµενο Stark, που οδηγεί σε εκφυλισµό των ενεργειακών καταστάσεων του Ερβίου. Κατά το φαινόµενο αυτό η λεπτότητα της ενεργειακής στάθµης καταστρέφεται λόγω της ύπαρξης άλλων γειτονικών ατόµων και η κάθε στάθµη διευρύνεται ενεργειακά.

3 Προκαλείται διεύρυνση της φασµατικής γραµµής που µπορεί να είναι οµογενής ή ανοµοιογενής. Καθορίζεται ως ένα βαθµό και το προφίλ νόθευσης, ο τρόπος δηλαδή που κατανέµεται το Έρβιο κατά πλάτος της ίνας, και το οποίο επηρεάζει τόσο το κέρδος όσο και το θόρυβο Βοηθούν την πιο πέρα διεύρυνση των ενεργειακών γραµµών, µε τη δηµιουργία µεµονωµένων γειτονικών γραµµών. Τα άτοµα πυριτίου ανθίσταται στην διείσδυση των ιόντων Ερβίου Το υλικό νόθευσης µε τα πιο ικανοποιητικά αποτελέσµατα αποδείχθηκε το Al 2 O 5 ιαγράµατα απορρόφησης και εκποµπής. Η γραµµή έχει απλωθεί λόγω διάσπασης Stark, και είναι διαφορετική για την απορρόφηση και για την εκποµπή Απορρόφηση ιεγερµένης Στάθµης, (ESA) είναι το φαινόµενο στο οποίο το ιόν απορροφά ένα φωτόνιο σήµατος και µεταβαίνει σε ανώτερη διεγερµένη στάθµη από όπου αποδιεγείρεται δίνοντας φωτόνια µικρότερου µήκους κύµατος.

4 ΟΠΤΙΚΟΣ ΕΝΙΣΧΥΤΗΣ ΜΕ ΙΝΑ ΠΡΟΣΜΙΞΕΩΝ ΕΡΒΙΟΥ Είσοδος Ίνα Έξοδος WDM Πολυπλέκτη ίοδος Άντλησης

5 Βασικά Χαρακτηριστικά Σχεδίασης Ενισχυτών EDFA Α. Επιλογή τρόπου άντλησης. (a) (b) (c) οµόρροπη, αντίρροπη και διδιάστατη Β. Επιλογή µήκους κύµατος άντλησης 1. Αποκλειστικά χρησιµοποιούνται είναι τα 980 και 1480 nm. 2. Η άντληση στα 1480 δεν απαγορεύεται από το γεγονός ότι βρίσκεται κοντά στη ζώνη χαµηλής εξασθένισης του παραθύρου 1.5 µm γιατί το φάσµα απορρόφησης είναι κάπως µετατοπισµένο σε σχέση µε το φάσµα αυθόρµητης εκποµπής 3. Η άντληση στα 1480 δεν έχει µεγάλη απόδοση γιατί το µη µηδενικό ύψος του φάσµατος εκποµπής στα 1480 nm προξενεί απώλεια µεγάλου µέρους του φωτός τόσο σε εξαναγκασµένη όσο και σε αυθόρµητη εκποµπή. Ζώνες απορρόφησης του Er + Οι ράβδοι δείχνουν τις περιοχές άντλησης και την απόδοση τους. Οι καµπύλες δίνουν τη σχετική απορρόφηση και την ικανότητα ενίσχυσης ανά µονάδα αντλούµενης ισχύος, συναρτήσει του µήκους κύµατος

6 4. Η αναστροφή είναι ατελής στα 1480 από ότι στα 980 nm 5. Ο θόρυβος στην έξοδο του ενισχυτή είναι µεγαλύτερος για άντληση. 6. Το µοναδικό πλεονέκτηµα του µήκους άντλησης 1480 είναι ότι αποτελεί το µοναδικό µήκος κύµατος που µπορεί να στέλνεται στον ενισχυτή κατά µήκος της ίδιας της ίνας από µια αποµακρυσµένη πηγή. Κατά τα άλλα η άντληση στα 980 nm έχει σαφώς µεγαλύτερη απόδοση. Γ. Επιλογή πηγή άντλησης. 1. Οι δίοδοι άντλησης που χρησιµοποιούνται πρέπει να διεγείρουν έναν µόνο εγκάρσιο ρυθµό αφού οι ίνες Ερβίου είναι µονορυθµικές. 2. Οι πηγές που χρησιµοποούνται είναι δίοδοι Fabry-erot, δίοδοι κατανεµηµένης ανάδρασης DFB ή πολλαπλών κβαντικών φρεάτων MQW. 3. Συνήθως χρησιµοποιούνται δίοδοι InGaA τύπου bulk για άντληση στα 1480 και InGaA τύπου MQW για άντληση και στα 1480 και στα 980 nm. 4. Οι ισχύς που απαιτούνται είναι 100mW για άντληση στα 980 και 200mW για άντληση στα Επιλογή βέλτιστου µήκους ίνας ερβίου 1. Η ισχύς άντλησης στις διατάξεις των ενισχυτών τροφοδοτείται στα άκρα της ίνας Ερβίου, αντί να εφαρµόζεται οµοιόµορφά, όπως το ρεύµα άντλησης στους ενισχυτές Laer. 2. Αποµακρυνόµενοι από την πηγή άντλησης η αναστροφή είναι ανοµοιόµοεφα ατελής.

7 3. Αποτέλεσµα το σήµα ενώ αρχικά ενισχύεται κατά ένα µειούµενο κέρδος G τελικά εµφανίζεται εξασθενηµένο, καθώς απορροφιέται ένα µέρος του από το ίδιο το Έρβιο. 4. Για µια δεδοµένη τιµή ισχύος άντλησης υπάρχει το βέλτιστο µήκος L της ενεργού περιοχής ενίσχυσης ανάλογα µε το κέρδος που επιθυµούµε και την ανοχή στον θόρυβο Αποδεικνύεται ότι το βέλτιστο µήκος δίνεται από σχέση: L ot 2L 1 / 2 1 a at ( λ ) a : είναι ο συντελεστής απορρόφησης της άντλησης at : η ισχύς κορεσµού του ενισχυτή σε µήκος κύµατος λ. Ισχύς εξόδου συναρτήσει του µήκους της ίνας, µαζί µε την ισχύ του σήµατος και την ισχύ του οµόρροπου (ASE + ) και αντίρροπου θορύβου (ASE - ) :

8 Συνολικά έχουµε : Μεγάλη σηµασία έχουν οι σχετικοί πληθυσµοί των ενεργειακών στοιβάδων Οι σχετικοί πληθυσµοί που καθορίζουν το κέρδος και το θόρυβο. Οι πληθυσµοί εξαρτώνται: 1) Ισχύ άντλησης, 2) Το µήκος της ίνας, 3) Σχετικές πιθανότητες απορρόφησης και εκποµπής φωτονίου (ενεργές διατοµές σ a και σ e αντίστοιχα), 4) Συντελεστές απορρόφησης και κέρδους του σήµατος και της άντλησης (α,g και α,g αντίστοιχα). 5) Ισχύ κορεσµού της ίνας που ορίζεται από τη σχέση: at ( f ) = πω [ σ ( f ) + σ ( f )] τ a hf e 2 τ : είναι ο χρόνος ζωής της 4 Ι 13/2 f : η συχνότητα του σήµατος.

9

10 (Α) Κέρδος συναρτήσει µήκους για 3 τιµές άντλησης (Β) Κέρδος συναρτήσει άντλησης για 6 µήκη

11 Η ενισχυτική διάταξη διακρίνεται σε Α) Under-umed (G<1) Απορρόφηση του σήµατος Β) Full- umed (G>1) Ενίσχυση σήµατος (πολύ ή λίγος θόρυβος που δείχνει περίσσεια ισχύος άντλησης) Ισχύς άντλησης διαφάνειας κέρδους: tran = a 1 + n 1 + n L n n 1 ex 1 + n a L at ( λ ) Μέγιστη τιµή κέρδους, : G n n m ex 1 + n a L, 1 + λ λ Το m χρειάζεται γιατί στην περίπτωση που το Έρβιο προσεγγιστεί από σύστηµα 2 επιπέδων είναι αδύνατη η πλήρης αναστροφή πληθυσµών. Αντίστοιχη µέγιστη ισχύς εξόδου είναι: out m ex ( ρσ L) e, + λ λ ρ : η συγκέντρωση των ιόντων Ερβίου

12 Κλίση καµπύλης του κέρδους G( ) στο σηµείο = tran : g * = log ( G) = tran = a a 1 + n 1 + n at 1 ( λ ) Η κλίση δείχνει πόσο γρήγορα περνάει ο ενισχυτής από το σηµείο διαφάνειας στο µέγιστο κέρδος. Κορεσµός Ενισχυτή Ο κορεσµός του ενισχυτή συµβαίνει γιατί Η αντιστροφή πληθυσµού που επιτυγχάνεται δεν είναι πλήρης λόγω της απορρόφησης της άντλησης κατά µήκος της ίνας. Κορεσµός από το σήµα όπου ο ρυθµός αποδιέγερσης λόγω εξαναγκασµένης εκποµπής ανταγωνίζεται το ρυθµό αντιστροφής λόγω άντλησης, µε τελικό αποτέλεσµα την ελάττωση του κέρδους µετά από κάποια τιµή εισόδου.

13 Μειώνοντας την ισχύ του σήµατος εισόδου, το κέρδος είναι ανεξάρτητο από την ισχύ του σήµατος και η περιοχή λειτουργίας του αυτή ονοµάζεται περιοχή µη-κορεσµού ή µικρού σήµατος. Στην περιοχή λειτουργούν οι περισσότεροι ενισχυτές. Αυτοκορεσµός από τον θόρυβο αυθόρµητης ακτινοβολίας, ASE που ενισχύεται σε τέτοιο βαθµό ώστε να ανταγωνίζεται την άντληση. Αυτό συµβαίνει κυρίως κοντά στα δύο άκρα της ίνας όπου ο θόρυβος είναι µεγάλος µε αποτέλεσµα όταν αυξάνει το κέρδος να αυξάνει και η αυθόρµητη εκποµπή Ο θόρυβος από αυθόρµητη εκποµπή ακτινοβολίας, ASE διαδίδεται και στις δύο κατευθύνσεις και ενισχύεται: ± ASE = η ± hf v(g 1) = η ± eq hf vg ± γιατί έχουµε οµόρροπη και αντίρροπη διάδοση, v είναι το εύρος της ενισχυτικής διάταξης αντίστοιχα n είναι ο παράγοντας αυθόρµητης εκποµπής αντιστοιχεί σε ενίσχυση n φωτονίων και αντιπροσωπεύει µε αυτό τον τρόπο έναν ισοδύναµο θόρυβο εισόδου. n eq είναι ο παράγοντας ισοδύναµου θορύβου εισόδου ο οποίος χρησιµεύει για τον ενιαίο χειρισµό των περιπτώσεων ενίσχυσης (G>1) και απορρόφησης (G<1).

14 Ταλαντώσεις Laer το ASE που αρχίζουν να διεγείρονται όταν το κέρδος γίνει αρκετά µεγάλο. Απαιτείται η δηµιουργία υποτυπώδους κοιλότητας που είναι ασυνέχειες του ίδιο του υλικού ή εξαρτήµατα εκτός ενισχυτή. Οι ταλαντώσεις του ASE διατηρούνται και ενισχύονται από το µεγάλο κέρδος οπότε ουσιαστικά έχουµε έναυση από το ισοδύναµο αντηχείο που σχηµατίζεται.

15 Κέρδος συναρτήσει (α) ισχύος εισόδου και (β) ισχύος εξόδου για διάφορες τιµές εισόδου.

16 Ορίζουµε out Ισχύ κορεσµού εξόδου at ως η ισχύς εξόδου για την οποία το κέρδος έχει ελαττωθεί κατά 3dB Ισχύς κορεσµού εισόδου at ως η ισχύς εισόδου για την οποία το κέρδος έχει ελαττωθεί κατά 3 db. Ισχύει at out =(G max /2) at. Οι τιµές αυτών των µεγεθών καθορίζουν την περιοχή της βέλτιστης λειτουργίας του ενισχυτή: at ή out at out Συντελεστής µετατροπής ισχύος (ower Converion Efficiency-CE): CE = out Κβαντικός συντελεστής µετατροπής (Quantum Converion Efficiency-QCE): Φ QCE = out Φ Φ = λ λ CE

17 Φ συµβολίζεται η ροή των φωτονίων, /hf. Η µέγιστη τιµή του κβαντικού συντελεστή µετατροπής είναι µονάδα και σηµαίνει ότι όλο τα φωτόνια άντλησης µετατρέπονται σε φωτόνια σήµατος. Θόρυβος στους Ενισχυτές Ερβίου Κυριότερη συνιστώσα θορύβου είναι η ενισχυµένη αυθόρµητη εκποµπή, ASE. Το διεγερµένο ιόν αποδιεγείρεται εξαναγκασµένα χωρίς τη πρόσπτωση φωτονίου σήµατος. Το ασύµφωνο φωτόνιο που παράγεται ενισχύεται κινούµενο και προς τα δύο τερµατικά άκρα Φάσµα αυθόρµητης εκποµπής ASE ιόντων Er +.

18 Θορυβικός χαρακτηρισµός ενός οπτικού ενισχυτή Σηµατοθορυβικός λόγος (SNR) : nz ( ) nz ( ) ASE T SNR( z) = << > < > = 2 σ ( z) G ( z) < n( 0) > σ 2 ( z) Συντελεστής θορύβου (Noie Figure): NF( z) = SNR( 0) SNR( z) σ(z) : Η διασπορά των φωτονίων - θόρυβος n(z) : µέσος αριθµός φωτονίων n(z) ASE : µέσος αριθµός φωτονίων ενισχυµένης αυθόρµητης εκποµπής T : µέση περίοδο Τ ενός bit δεδοµένου n(0) : φωτόνια εισόδου- σήµατος Ο SNR χρησιµοποιείται κυρίως σε συστήµατα ψηφιακής µετάδοσης. Ο ΝF δίνει την µεταβολή του σηµατοθορυβικού λόγου κατά µήκος της ίνας. Ο NF θα είναι πάντα µεγαλύτερος της µονάδας, καθώς ο ενισχυτής εισάγει πρόσθετο θόρυβο.