ΠΤΥΧΙΑΚΗ/ ΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ

Transcript

1 ΑΡ ΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΣΧΟΛΗ ΘΕΤΙΚΩΝ ΕΠΙΣΤΗΜΩΝ ΤΜΗΜΑ ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΚΗΣ ΠΤΥΧΙΑΚΗ/ ΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ ΣΧΕ ΙΑΣΜΟΣ, ΥΛΟΠΟΙΗΣΗ ΚΑΙ ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΟΣ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΜΟΣ ΟΠΤΙΚΟΥ ΕΝΙΣΧΥΤΗ ΙΝΑΣ ΕΡΒΙΟΥ ΣΠΥΡΙ ΩΝ ΚΟΝΤΑΞΗΣ (ΑΕΜ 1487) ΕΠΙΒΛΕΠΩΝ ΚΑΘΗΓΗΤΗΣ: ΠΛΕΡΟΣ ΝΙΚΟΣ, ΛΕΚΤΟΡΑΣ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗ ΣΕΠΤΕΜΒΡΙΟΣ 2013

2 ΠΕΡΙΛΗΨΗ Η παρούσα εργασία έχει ως στόχο την µελέτη και δηµιουργία ενός αµιγώς οπτικού ενισχυτή ο οποίος χρησιµοποιεί ως µέσο ενίσχυσης την ίνα ερβίου. Οι ενισχυτές οπτικών ινών εµπλουτισµένων µε έρβιο προσέλκυσαν πολύ µεγάλη προσοχή και η ανάπτυξή τους έφερε επανάσταση στην σχεδίαση των οπτικών συστηµάτων. Στο πρώτο µέρος της εργασίας γίνεται µια εισαγωγή στην οπτική τεχνολογία και στους τύπους των οπτικών ενισχυτών. Στο δεύτερο µέρος περιγράφεται ο µηχανισµός ενίσχυσης του φωτός ο οποίος είναι το θεµέλιο της λειτουργίας του ενισχυτή και αναλύονται τα µαθηµατικά µοντέλα τα οποία είναι απαραίτητα για να περιγράψουµε την λειτουργία των ενισχυτών ίνας ερβίου και να προχωρήσουµε στην προσοµοίωσή τους. Στο τρίτο µέρος αναλύεται το µοντέλο προσοµοίωσης που χρησιµοποιήθηκε στο εργαστήριο. Επίσης δίνονται οι ορισµοί των µεγεθών που χρειάζονται για τον σχεδιασµό και τέλος δίνονται τα αποτελέσµατα της προσοµοίωσης του ενισχυτή. Στο τέταρτο και τελευταίο µέρος παρουσιάζονται τα εργαλεία και οι τεχνικές που χρησιµοποιήθηκαν στο εργαστήριο για την κατασκευή του ενισχυτή. Επίσης περιγράφονται οι διατάξεις που εφαρµόστηκαν για να χαρακτηρίσουµε τον ενισχυτή και τέλος παρουσιάζονται τα αποτελέσµατα των πειραµατικών µετρήσεων. 2

3 A B S T R A C T In this thesis the aim was to study and create an all-optical amplifier which uses the erbium doped fiber as gain medium. The erbium doped fiber amplifiers have gained a lot of attention and also the invention of the EDFA resulted a breathrough in the designing of the optical networs. In the first chapter of the thesis information is presented about optical technology and the different types of optical amplifiers. In the second chapter the light amplification mechanism is presented which is the basic idea of the amplifier. Moreover the analytical models are described in order to analyze the behavior of an EDFA and continue with the simulation. In the third chapter the simulation model that we used at the laboratory is described. In addition the definitions of some factors are presented because they are important for the designing of the EDFA and also the results of the simulation are given. In the fourth and final chapter the tools and techniques that we used at the laboratory in order to create the amplifier are presented. Additionally the laboratory set up for the experiment is described and finally the results from the experiment are presented. 3

4 ΕΥΧΑΡΙΣΤΙΕΣ Η παρούσα εργασία αποτελεί τη ιπλωµατική µου εργασία στην σχολή Πληροφορικής του ΑΠΘ και πραγµατοποιήθηκε στο εργαστήριο φωτονικών συστηµάτων και δικτύων (PhosNET) της σχολής. Στο σηµείο αυτό θα ήθελα να ευχαριστήσω όλους όσους συνέβαλαν στην ολοκλήρωση αυτής της εργασίας. Αρχικά θα ήθελα να ευχαριστήσω τον επιβλέπων καθηγητή µου κ. Νίκο Πλέρο για την ευκαιρία που µου έδωσε να ασχοληθώ µε τον επιστηµονικό κλάδο του ενδιαφέροντός µου και για την βοήθειά του κατά την υλοποίηση της εργασίας. Επίσης θα ήθελα να ευχαριστήσω την Στέλλα Μάρκου για την πολύτιµη βοήθειά της στο εργαστήριο και στην επίλυση αποριών. Τέλος να ευχαριστήσω την οικογένειά µου για την υποστήριξή τους κατά την διάρκεια των σπουδών µου και τους πολύ κοντινούς µου ανθρώπους οι οποίοι συνέβαλαν στο να έχω µεγαλύτερη όρεξη να ολοκληρώσω την παρούσα εργασία. 4

5 ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 7 Εισαγωγή στους Οπτικούς Ενισχυτές Οπτικά Επικοινωνιακά Συστήµατα Οπτικοί Ενισχυτές Τύποι Οπτικών Ενισχυτών Ενισχυτές Raman Ενισχυτές SOA Χρήσεις των Οπτικών Ενισχυτών Στόχος της πτυχιακής εργασίας οµή της πτυχιακής 15 ΚΕΦΑΛΑΙΟ Οπτικοί Ενισχυτές Ινών Εµπλουτισµένες µε Έρβιο(EDFA) Εισαγωγή Ενεργειακό Μοντέλο τριών Επιπέδων Αρχιτεκτονικές EDFA Αναλυτικό µοντέλο περιγραφής του EDFA Εξισώσεις Ρυθµού Χωρικό Μοντέλο Περιγραφής του EDFA Φασµατικό Μοντέλο Περιγραφής του EDFA ΚΕΦΑΛΑΙΟ Προσοµοίωση και Σχεδιασµός του EDFA Μοντέλο Προσοµοίωσης Εικόνα Θορύβου Κέρδος Κορεσµός Κέρδους Λόγος Σήµατος προς Θόρυβο Προσοµοίωση ιαγράµµατα αποτελεσµάτων Φασµατικό Περιεχόµενο 36 5

6 ΚΕΦΑΛΑΙΟ Κατασκευή και Εργαστηριακός Χαρακτηρισµός του EDFA Laser Άντλησης Laser Diode Controller Οπτικός Μετρητής Ισχύος Splicer Συντονιζόµενη Οπτική Πηγή Χαρακτηρισµός του EDFA.44 ΚΕΦΑΛΑΙΟ Σύνοψη-Συµπεράσµατα Σύνοψη-Συµπεράσµατα.55 Βιβλιογραφία

7 ΛΙΣΤΑ ΣΧΗΜΑΤΩΝ Σχήµα Αρχή λειτουργίας των οπτικών ενισχυτών SOA και DFA 10 Σχήµα Εξαναγκασµένη εκποµπή µε δύο ενεργειακά στάδια Σχήµα Ενεργειακό Μοντέλο 3 επιπέδων.18 Σχήµα Ενεργειακό Μοντέλο 3 επιπέδων του ιόντος ερβίου.18 Σχήµα Αρχιτεκτονικές EDFA.20 Σχήµα Αρχιτεκτονική του EDFA που υλοποιήθηκε στο εργαστήριο...20 Σχήµα Απορρόφηση και εκποµπή ιόντων ερβίου.30 Σχήµα Κέρδος ως προς το µήκος της ίνας ερβίου.35 Σχήµα Mean Inversion ως προς το µήκος της ίνας ερβίου...35 Σχήµα SNR ως προς το µήκος της ίνας ερβίου..36 Σχήµα Ισχύς ως προς το µήκος κύµατος.37 Σχήµα Πηγή άντλησης LUMICS...38 Σχήµα ILX Lightwave Laser Diode Controller 39 Σχήµα Μετρητής Ισχύος HP..39 Σχήµα Ρεύµα-Ισχύς της διόδου 41 Σχήµα Ο Splicer που χρησιµοποιήθηκε στο εργαστήριο.42 Σχήµα Ο ενισχυτής που υλοποιήθηκε στο εργαστήριο 42 Σχήµα Συντονιζόµενη Οπτική πηγή.43 Σχήµα ιάταξη των µηχανηµάτων για την µέτρηση του θορύβου ASE.44 Σχήµα Φάσµα ASE του EDFA µε ισχύ στο Pump Laser 100mA 44 Σχήµα Φάσµα ASE του EDFA µε ισχύ στο Pump Laser 200mA 45 Σχήµα Φάσµα ASE του EDFA µε ισχύ στο Pump Laser 300mA 45 Σχήµα Φάσµα ASE του EDFA µε ισχύ στο Pump Laser 400mA 45 Σχήµα Φάσµα ASE του EDFA µε ισχύ στο Pump Laser 500mA 46 Σχήµα Φάσµα ASE του EDFA µε ισχύ στο Pump Laser 600mA 46 Σχήµα Φάσµα ASE του EDFA µε ισχύ στο Pump Laser 680mA 46 Σχήµα Φάσµα ASE του EDFA µε ισχύ στο pump laser 680mA µετά το ASE filter..47 Σχήµα ιάταξη χαρακτηρισµού του EDFA στα 1546,45nm..48 Σχήµα Φάσµα του EDFA για ισχύ σήµατος στην είσοδο 2µW στα 1546,45nm.49 Σχήµα Φάσµα του EDFA για ισχύ σήµατος στην είσοδο 20µW στα 1546,45nm..49 Σχήµα Φάσµα του EDFA για ισχύ σήµατος στην είσοδο 150µW στα 1546,45nm 50 Σχήµα ιάταξη χαρακτηρισµού του EDFA στα 1550nm 50 Σχήµα Φάσµα του EDFA για ισχύ σήµατος στην είσοδο 2µW στα 1550nm..51 Σχήµα Φάσµα του EDFA για ισχύ σήµατος στην είσοδο 20µW στα 1550nm...51 Σχήµα Φάσµα του EDFA για ισχύ σήµατος στην είσοδο 150µW στα 1550nm..52 Σχήµα ιάταξη χαρακτηρισµού του EDFA στα 1555nm 52 Σχήµα Φάσµα του EDFA για ισχύ σήµατος στην είσοδο 2µW στα 1555nm..53 Σχήµα Φάσµα του EDFA για ισχύ σήµατος στην είσοδο 20µW στα 1555nm...53 Σχήµα Φάσµα του EDFA για ισχύ σήµατος στην είσοδο 150µW στα 1555nm..54 7

8 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 Εισαγωγή στους Οπτικούς Ενισχυτές 1.1 Οπτικά Επικοινωνιακά Συστήµατα Τα οπτικά επικοινωνιακά συστήµατα δηµιουργήθηκαν το 1970 και από τότε έχουν φέρει επανάσταση στην βιοµηχανία των τηλεπικοινωνιών και έπαιξαν σηµαντικό ρόλο στην δηµιουργία αυτού που αποκαλούµε εποχή της πληροφορίας. Λόγω των πλεονεκτηµάτων που έχουν τα οπτικά συστήµατα ως προς την ηλεκτρική µετάδοση πληροφορίας, τα καλώδια χαλκού έχουν αντικατασταθεί µε τις οπτικές ίνες στα επικοινωνιακά συστήµατα. Χαρακτηριστικό της προόδου των οπτικών επικοινωνιών είναι πως η ταχύτατα της προόδου των ολοκληρωµένων κυκλωµάτων, είναι πιο αργεί συγκριτικά µε αυτήν της τεχνολογίας των οπτικών επικοινωνιών. Υπάρχουν πολλοί λόγοι για τους οποίους η οπτική τεχνολογία αποτελεί προτιµητέα τεχνολογική λύση για την υλοποίηση ενσύρµατων δικτύων. Οι πιο σηµαντικοί είναι το υψηλό εύρος ζώνης που προσφέρει και το σχετικά χαµηλό κόστος παραγωγής. Ο βασικός παράγοντας της ευρυζωνικότητας που παρέχει η οπτική τεχνολογία είναι το φυσικό µέσο, δηλαδή οι οπτικές ίνες, οι οποίες παρέχουν εύρος ζώνης κατά πολύ µεγαλύτερο σε σχέση µε τα υπόλοιπα µέσα µετάδοσης. Παράλληλα, οι οπτικές ίνες δεν εµφανίζουν ευαισθησία σε ηλεκτροµαγνητικές παρεµβολές, κατά συνέπεια τα οπτικά δίκτυα δεν επηρεάζονται από την παρουσία άλλων ενσύρµατων ή ασύρµατων δικτύων. Το γεγονός αυτό κάνει τα οπτικά δίκτυα προστατευµένα από υποκλοπές. Άλλα πλεονεκτήµατα είναι οι µικρές διαστάσεις, οι χαµηλές απώλειες µετάδοσης που επιτεύχθηκαν στις τελευταίες γενιές οπτικών συστηµάτων και ο υψηλός ρυθµός µετάδοσης δεδοµένων ο οποίος αυξάνεται συνεχώς δηµιουργώντας την ικανότητα υλοποίησης εφαρµογών που µπορούν να αλλάξουν τον κόσµο της τεχνολογίας. Πέραν των οπτικών ινών, στην διάδοση της οπτικής τεχνολογίας συντέλεσε η ανάπτυξη κατάλληλων δοµικών στοιχείων όπως οπτικοί ποµποί, ενισχυτές, ανιχνευτές, ζεύκτες, φίλτρα αλλά και η εδραίωση της πολυπλεξίας µήκους κύµατος. 8

9 1.2 Οπτικοί Ενισχυτές Γενικά, ένα οπτικό τηλεπικοινωνιακό σύστηµα περιορίζεται από τις απώλειες ισχύος κατά τη διάδοση στην οπτική ίνα (κανάλι επικοινωνίας) και από τη διασπορά των εκπεµπόµενων παλµών. Καταφέραµε να έχουµε χαµηλές απώλειες στην οπτική τεχνολογία όµως όταν πρόκειται να φτιάξουµε επικοινωνιακά συστήµατα µεγάλων αποστάσεων οι απώλειες είναι ένας παράγοντας που πρέπει να λάβουµε σοβαρά υπόψιν κατά τον σχεδιασµό. Απώλειες στην ποιότητα του σήµατος είγουν επίσης οι απολυπλέκτες και οι συζεύκτες. Μετά από κάποια απόσταση, η αθροιστική απώλεια της ισχύος του σήµατος το καθιστά πολύ αδύναµο για να µπορέσει να ανιχνευτεί. Αρχικά όταν δηµιουργήθηκαν τα επικοινωνιακά συστήµατα δεν υπήρχαν τρόποι ενίσχυσης ασθενών ηλεκτρικών σηµάτων. Η σχεδίαση οποιασδήποτε µορφής επικοινωνιακής ραδιοζεύξης αφορούσε τον λεπτοµερή υπολογισµό της κάθε µορφής απωλειών ισχύος που θα υποστεί το προς µετάδοση σήµα κατά την πορεία του προς τον δέκτη. Αντίθετα στα οπτικά επικοινωνιακά συστήµατα τον περιορισµό των απωλειών τον υπερβαίνουµε χρησιµοποιώντας οπτοηλεκτρονικούς αναµεταδότες, στους οποίους το οπτικό σήµα αρχικά µετατρέπεται σε ηλεκτρικό ρεύµα και κατόπιν αναµεταδίδεται χρησιµοποιώντας έναν ποµπό. Όµως οι αναµεταδότες αυτοί γίνονται αρκετά περίπλοκοι και ακριβοί στα πολυκαναλικά οπτικά συστήµατα. Την λύση στο πρόβληµα αυτό έφεραν οι αµιγώς οπτικοί ενισχυτές οι οποίοι ενισχύουν το οπτικό σήµα άµεσα, χωρίς να απαιτούν την µετατροπή του στην ηλεκτρική περιοχή. Η προοπτική αυτή λύνει τα χέρια των σχεδιαστών γιατί πλέον οι ίνες δεν µεταφέρουν µία µόνο ροή bit (bitstream) αλλά πολλές, και ο ρυθµός bit αυξάνεται, µε αποτέλεσµα να έχουµε την ανάγκη από οπτικούς ενισχυτές ευρείας ζώνης, που να ενισχύουν όλα τα µήκη κύµατος ταυτόχρονα. 1.3 Τύποι Οπτικών Ενισχυτών Γενικά οι οπτικοί ενισχυτές διαχωρίζονται σε δύο µεγάλες κατηγορίες. Η µία είναι οι οπτικοί ενισχυτές ηµιαγωγού(semiconductor Optical Amplifiers- SOA) και η δεύτερη οµάδα αποτελείται από τους ενισχυτές ντοπαρισµένης ίνας(doped-fiber Amplifiers-DFA). Ο τρόπος µε τον οποίο γίνεται η ενίσχυση και στις δύο αυτές κατηγορίες είναι ο ίδιος ο οποίος είναι η εξαναγκασµένη εκποµπή (stimulated emission). Άλλοι τύποι οπτικών ενισχυτών είναι οι ενισχυτές Raman και Brillouin οι οποίοι ενισχύουν το σήµα κάνοντας χρήση των φαινοµένων της εξαναγκασµένης σκέδασης Raman και Brillouin αντίστοιχα. Γενικά, κατά την εξαναγκασµένη εκποµπή στην οποία βασίζεται η ενίσχυση στους SOA και τους DFA ένα φωτόνιο το οποίο έχει κάποια ενέργεια αλληλεπιδρά µε ένα άτοµο το οποίο βρίσκεται στην υψηλότερη ενεργειακή κατάσταση και πέφτει στην χαµηλότερη ενεργειακή στάθµη µε την ταυτόχρονη εκποµπή ενός δεύτερου φωτονίου ίδιας ενέργειας µε το αρχικό. Έτσι αφού έχουµε δύο φωτόνια το αρχικό σήµα ενισχύεται. Στο σχήµα φαίνεται σχηµατικά η αρχή της εξαναγκασµένης εκποµπής που εφαρµόζεται στους ενισχυτές SOA και DFA. Το laser άντλησης 9

10 αναλαµβάνει να τροφοδοτεί την απαραίτητη ενέργεια στο ενεργό µέσο ενίσχυσης έτσι ώστε τα ηλεκτρόνιά του να µεταβούν σε υψηλότερες ενεργειακές καταστάσεις, να δηµιουργηθούν δηλαδή συνθήκες πληθυσµιακής αντιστροφής. Σχήµα Αρχή λειτουργίας των οπτικών ενισχυτών SOA και DFA Πιο συγκεκριµένα για την εξαναγκασµένη εκποµπή ισχύουν τα εξής: Αυτό που ισχύει σε όλους τους ενισχυτές, το οποίο είναι το κλειδί των φυσικών φαινοµένων για την ενίσχυση του σήµατος, είναι η εξαναγκασµένη εκποµπή (stimulated emission) της ακτινοβολίας από άτοµα του ηλεκτροµαγνητικού πεδίου. Αυτό το πεδίο είναι ένα οπτικό σήµα στην περίπτωση των οπτικών ενισχυτών. Η εξαναγκασµένη εκποµπή είναι η αρχή που κυριαρχεί και στη λειτουργία των λέιζερ. Σχήµα Εξαναγκασµένη Εκποµπή µε δύο ενεργειακά στάδια Σύµφωνα µε την αρχή της κβαντοµηχανικής, κάθε φυσικό σύστηµα (πχ, ένα άτοµο) βρίσκεται σε έναν αριθµό από διακριτά επίπεδα ενέργειας. Συνεπώς, εάν υποθέσουµε ένα άτοµο και δυο από τα επίπεδα ενέργειάς του E1 και E2, µε E1 > E2, το ηλεκτροµαγνητικό πεδίο µε συχνότητα fc, hfc = E2 - E1, προκαλεί µεταβάσεις ατόµων µεταξύ των δυο ενεργειακών επιπέδων, όπως φαίνεται στο Σχήµα Όπου h είναι η σταθερά Planc (6,63x

11 J). Είναι πιθανό να συµβούν και τα δυο είδη µεταβάσεων, E1 E2, που συνοδεύεται από απορρόφηση φωτονίων από το ηλεκτροµαγνητικό πεδίο, και E2 E1, που συνοδεύεται από εκποµπή φωτονίων µε ενέργεια hfc. Αυτή η διαδικασία εκποµπής ονοµάζεται εξαναγκασµένη εκποµπή. Κατά συνέπεια, εάν η διεγερµένη εκποµπή επρόκειτο να είναι µεγαλύτερη από την απορρόφηση δηλαδή, το συναφές σήµα προκαλεί περισσότερες E2 E1 µεταβάσεις από E1 E2 µεταβάσεις - θα υπήρχε µια καθαρή αύξηση στον αριθµό φωτονίων της ενέργειας hfc και ενίσχυση του σήµατος, αλλιώς το σήµα θα υφίστατο εξασθένιση. Από τη θεωρία της κβαντοµηχανικής προκύπτει ότι το ποσοστό των E1 E2 µεταβάσεων ανά άτοµο (r) είναι ίσο µε το ποσοστό των E2 E1 µεταβάσεων ανά άτοµο. Αν οι πληθυσµοί (αριθµός των ατόµων) στα επίπεδα ενέργειας E1 και E2 είναι Ν1 και Ν2, αντίστοιχα, υπάρχει καθαρή αύξηση στην ισχύ (ενέργεια ανά µονάδα χρόνου) της (Ν2 Ν1)rhfc. Για να είναι εφικτή η έννοια της ενίσχυσης πρέπει Ν2 > Ν1, όπου συντελείτε το φαινόµενο της αναστροφής πληθυσµού (population inversion). Σε κατάσταση θερµικής ισορροπίας (Ν2 < Ν1), παρατηρείται µόνο απορρόφηση του σήµατος εισόδου, οπότε για να επιτευχθεί ενίσχυση πρέπει να αναστραφεί η σχέση µεταξύ των πληθυσµών των επιπέδων ενέργειας E1 και E2. Η αναστροφή πληθυσµού µπορεί να επιτευχθεί τροφοδοτώντας µε επιπρόσθετη ενέργεια σε κατάλληλη µορφή, είτε οπτική είτε ηλεκτρονική, ώστε να αντληθούν ηλεκτρόνια σε υψηλότερης ενέργειας επίπεδα. Στο σηµείο αυτό θα παραθέσω µερικές πληροφορίες για τους υπόλοιπους τύπους οπτικών ενισχυτών Raman ενισχυτές Σε έναν ενισχυτή Raman, το σήµα αναβαθµίζεται από ενίσχυση Raman. Αντίθετα µε τους EDFA και SOA η επίδραση της ενίσχυσης επιτυγχάνεται από µια µη γραµµική αλληλεπίδραση µεταξύ του σήµατος και ενός λέιζερ αντλιών µέσα στην οπτική ίνα. Υπάρχουν δύο τύποι ενισχυτών Raman: ο κατανεµηµένος (distributed) και o συσσωρευµένος (lumped). Σε έναν κατανεµηµένο Raman ενισχυτή, η ίνα µετάδοσης χρησιµοποιείται ως µέσο κέρδους πολυπλέκοντας ένα µήκος κύµατος laser άντλησης µε το µήκος κύµατος σηµάτων, ενώ στον συσσωρευµένο Raman ενισχυτής χρησιµοποιεί µια µικρότερου µήκους ίνα για να παρέχει την ενίσχυση. Στην περίπτωση του συσσωρευµένου Raman ενισχυτή χρησιµοποιείται ιδιαίτερα µη γραµµική ίνα µε έναν µικρό πυρήνα ώστε να αυξάνεται η αλληλεπίδραση µεταξύ των µηκών κύµατος σηµάτων και αντλιών και µε αυτόν τον τρόπο να µειώνει το απαιτούµενο µήκος της ίνας. Η ισχύς της αντλίας που απαιτείται για Raman ενίσχυση είναι υψηλότερη από αυτή που απαιτείται από τους EDFA, µε παραπάνω από 500mW που απαιτούνται για την επίτευξη χρήσιµων επιπέδων κέρδους σε έναν κατανεµηµένο ενισχυτή. Οι συσσωρευµένοι ενισχυτές, όπου το φως των αντλιών µπορεί να περιληφθεί αποφεύγοντας τις επιπτώσεις ασφάλειας των υψηλών οπτικών δυνάµεων, µπορούν να χρησιµοποιήσουν πάνω από 1W της οπτικής δύναµης. 11

12 Το κύριο πλεονέκτηµα της Raman ενίσχυσης είναι η δυνατότητά της να παρέχει κατανεµηµένη ενίσχυση στην ίνα µετάδοσης, αυξάνοντας το µήκος µεταξύ των περιοχών ενίσχυσης και αναγέννησης. Το εύρος ζώνης της Raman ενίσχυσης καθορίζεται από τα µήκη κύµατος αντλιών που χρησιµοποιούνται και έτσι η ενίσχυση µπορεί να παρέχεται σε ευρύτερες, και διαφορετικές περιοχές, παρά από άλλους τύπους ενισχυτών που στηρίζονται στα υλικά πρόσµιξης και το σχέδιο των συσκευών για τον καθορισµό του παραθύρου ενίσχυσης Ενισχυτές Ηµιαγωγών(SOA) Οι οπτικοί ενισχυτές ηµιαγωγών(semiconductor Optical Amplifiers) είναι ενισχυτές που χρησιµοποιούν έναν ηµιαγωγό για να παρέχουν κέρδος. Πρόσφατοι σχεδιασµοί περιλαµβάνουν αντι-αντανακλαστικά επιστρώµατα (anti-reflective coatings), γρήγορους κυµατοδηγούς και περιοχές παραθύρων που µπορούν να µειώσουν την endface αντανάκλαση σε λιγότερο από 0.001%. εδοµένου ότι αυτό δηµιουργεί απώλεια ισχύος από την κοιλότητα (cavity) που είναι µεγαλύτερη από το κέρδος αποτρέπει τον ενισχυτή από τη λειτουργία ως λέιζερ. Οι οπτικοί ενισχυτές ηµιαγωγών γίνονται χαρακτηριστικά από την οµάδα σύνθετων ηµιαγωγών όπως GaAs/AlGaAs, InP/InGaAs, InP/InGaAsP και InP/InAlGaAs, αν και οποιοιδήποτε άµεσοι ηµιαγωγοί χάσµατος ζωνών θα µπορούσαν πιθανά να χρησιµοποιηθούν. Τέτοιοι ενισχυτές βρίσκουν χρήση συχνά στα συστήµατα τηλεπικοινωνιών υπό µορφή ίνας, λειτουργούν σε µήκη κύµατος σήµατος µεταξύ 0.85µm και 1.6µm και παράγουν κέρδη µέχρι 30 db. Ο οπτικός ενισχυτής ηµιαγωγών είναι µικρού µεγέθους και αντλείται ηλεκτρικά. Ενδεχοµένως, µπορεί να είναι λιγότερο ακριβός από έναν EDFA και µπορεί να ενσωµατωθεί σε λέιζερ ηµιαγωγών, διαµορφωτές, κ.λπ. Εντούτοις, η απόδοση δεν είναι ακόµα συγκρίσιµη µε αυτή των EDFAs. Οι SOA έχουν υψηλότερο θόρυβο, χαµηλότερο κέρδος, µέτρια εξάρτηση πόλωσης και υψηλή µη γραµµικότητα σε γρήγορα παροδικό χρόνο. Αυτό προέρχεται από το σύντοµο νανοδευτερόλεπτo, έτσι ώστε το κέρδος αντιδρά γρήγορα στις αλλαγές της ισχύος των αντλιών ή των σηµάτων και οι αλλαγές του κέρδους προκαλούν επίσης αλλαγές φάσης που µπορούν να διαστρεβλώσουν τα σήµατα. Αυτή η µη γραµµικότητα δηµιουργεί το σοβαρότερο πρόβληµα για στις εφαρµογές οπτικών επικοινωνιών. Εντούτοις παρέχει τη δυνατότητα κέρδους σε διαφορετικές περιοχές µηκών κύµατος. Η υψηλή οπτική µη γραµµικότητα καθιστά τους ενισχυτές ηµιαγωγών ελκυστικούς για όλη την επεξεργασία του οπτικού σήµατος όπως την ολική οπτική µετατροπή και τη µετατροπή µήκους κύµατος. Έχει γίνει µεγάλη έρευνα για τους οπτικούς ενισχυτές ηµιαγωγών ως στοιχεία που βοηθούν στην επεξεργασία οπτικού σήµατος, τη µετατροπή µήκους κύµατος, την αποκατάσταση ρολογιών, την αποπολύπλεξη σηµάτων, και την αναγνώριση σχεδίων. 12

13 1.4 Χρήσεις των οπτικών ενισχυτών Οι οπτικοί ενισχυτές είναι δυνατό να χρησιµοποιηθούν: α) Ενισχυτής εντός γραµµής(in-line apmlification): Ο οπτικός ενισχυτής χρησιµοποιείται ως ενδιάµεσος ενισχυτής σε µια γραµµή για την ενίσχυση του σήµατος σε τακτές αποστάσεις (συνήθως m) όπως επίσης και για την αναγέννηση του εξασθενηµένου οπτικού σήµατος λόγω απωλειών ισχύος και φαινοµένων διασποράς. Κυρίως χρησιµοποιούνται για την αντικατάσταση ηλεκτρονικών αναµεταδοτών. Βοηθάει ιδιαίτερα τα δίκτυα πολλών καναλιών (WDM) γιατί η ενίσχυση γίνεται ταυτόχρονα σε όλα τα κανάλια. β) Ενισχυτής ισχύος(power Amplifier ή booster amplifier): Ο οπτικός ενισχυτής χρησιµοποιείται ως ενισχυτής ισχύος µετά την έξοδο του πολυπλέκτη, προκειµένου να επιτευχθεί η µέγιστη δυνατή ενίσχυση του σύνθετου οπτικού σήµατος. Επίσης τέτοιου είδους ενισχυτές χρησιµοποιούνται αµέσως µετά την έξοδο του οπτικού ποµπού. Έτσι επιτυγχάνεται η αύξηση της ισχύος του εκπεµπόµενου σήµατος οδηγώντας έτσι σε µεγαλύτερο µήκος ζεύξης. γ) Προενίσχυση συστήµατος (pre-amplifier): Οι ενισχυτές αυτού του τύπου κυρίως χρησιµοποιούνται αµέσως πριν τον οπτικό δέκτη έτσι ώστε να αυξηθεί η στάθµη της λαµβανόµενης ισχύος και να βελτιωθεί η ικανότητα του δέκτη να ανιχνεύσει το σήµα. Επίσης χρησιµοποιείται ως προενισχυτής πριν την είσοδο του αποπολυπλέκτη, προκειµένου το οπτικό σήµα να αποκτήσει επαρκή ισχύ για τη διεργασία της αποπολυπλεξίας και τη λήψη των αποπολυπλεγµένων καναλιών από τους επιµέρους δέκτες. 13

14 δ) Ενισχυτής σε τοπικά δίκτυα: ο ενισχυτής χρησιµοποιείται για την αντιστάθµιση της απώλειας κατανοµής που περιορίζει τον αριθµό των κόµβων σε ένα τοπικό δίκτυο (LAN). 1.5 Στόχος της πτυχιακής εργασίας Ο στόχος της παρούσας πτυχιακής εργασίας είναι η δηµιουργία ενός αµιγώς οπτικού ενισχυτή ο οποίος χρησιµοποιεί ίνα εµπλουτισµένη µε το στοιχείο του ερβίου ως µέσο ενίσχυσης(edfa). Θα πρέπει να δηµιουργηθεί µε τέτοιο τρόπο ώστε να µπορεί να ενισχύσει πολύ µικρά σήµατα της τάξεως του 1µW εισάγοντας όσο το δυνατόν µικρότερο θόρυβο στο σήµα. Για να επιτευχθεί αυτό θα πρέπει πρώτα να γίνει η µελέτη της κβαντοµηχανικής στην οποία βασίζεται η λειτουργία του EDFA και η µελέτη των µαθηµατικών µοντέλων στα οποία βασίζεται η δηµιουργία του µοντέλου προσοµοίωσης του ενισχυτή. Το µοντέλο προσοµοίωσης του ενισχυτή είναι απαραίτητο για τον σχεδιασµό του, δηλαδή να καταλήξουµε στην κατάλληλη αρχιτεκτονική και διάταξη των εξαρτηµάτων του EDFA. Στην συνέχεια πρέπει να γίνει η κατασκευή του EDFA στο εργαστήριο µε τις κατάλληλες τεχνικές έτσι ώστε να έχουµε την καλύτερη απόδοση των εξαρτηµάτων που χρησιµοποιήθηκαν. Τέλος πρέπει να γίνει ο πειραµατικός χαρακτηρισµός έτσι ώστε να γνωρίζουµε την ακριβή απόδοση και συµπεριφορά του ενισχυτή και να δούµε αν συµβαδίζει µε τα αποτελέσµατα του µοντέλου προσοµοίωσης. 14

15 1.6 οµή της Πτυχιακής Παρακάτω στην παρούσα πτυχιακή εργασία ο αναγνώστης θα συναντήσει τα εξής: Στο κεφάλαιο 2 παρουσιάζεται το ενεργειακό µοντέλο τριών επιπέδων το οποίο είναι η βάση της λειτουργίας του EDFA και εξηγεί µε ποιον µηχανισµό καταφέρνουµε να έχουµε ενίσχυση µε το στοιχείο του ερβίου. Ακόµα παρουσιάζονται οι διάφορες αρχιτεκτονικές των EDFA και περιγράφεται σχηµατικά η αρχιτεκτονική που χρησιµοποιήσαµε εµείς στο εργαστήριο για τον δικό µας ενισχυτή. Τέλος στο κεφάλαιο αυτό παρουσιάζεται το µαθηµατικό µοντέλο για την περιγραφή της λειτουργίας του EDFA. Πιο συγκεκριµένα περιγράφεται η συµπεριφορά του ενισχυτή σε σχέση µε τον χρόνο, η συµπεριφορά του ενισχυτή ως προς τα χωρικά χαρακτηριστικά της κατανοµής του ερβίου στον πυρήνα της ίνας και τέλος, το πιο σηµαντικό, η συµπεριφορά της ίνας ερβίου χρησιµοποιώντας µόνο τους συντελεστές απορρόφησης και εκποµπής γεγονός το οποίο µας λύνει τα χέρια για την πρακτική υλοποίηση του µοντέλου προσοµοίωσης. Στο κεφάλαιο 3 παρουσιάζεται το µοντέλο προσοµοίωσης το οποίο χρησιµοποιήσαµε για τον σχεδιασµό του ενισχυτή. Επίσης δίνονται οι παράµετροι που είναι απαραίτητες για τον σχεδιασµό όπως η εικόνα θορύβου, το κέρδος, ο κορεσµός του κέρδους και ο λόγος σήµατος προς θόρυβο. Στο κεφάλαιο αυτό ακόµα παρουσιάζεται ο τρόπος µε τον οποίο κάναµε τις προσοµοιώσεις και καταλήξαµε στον τελικό σχεδιασµό όπου φυσικά δίνονται τα αποτελέσµατα των προσοµοιώσεων. Στο κεφάλαιο 4 παρουσιάζονται τα εργαλεία που χρησιµοποιήθηκαν για την κατασκευή και τον χαρακτηρισµό του ενισχυτή και οι τεχνικές µε τις οποίες κατασκευάσαµε τον ενισχυτή. Επίσης δίνονται οι διατάξεις για τον εργαστηριακό χαρακτηρισµό και τέλος περιγράφονται τα πειραµατικά αποτελέσµατα. Στο κεφάλαιο 5 εξάγονται τα γενικά συµπεράσµατα της πτυχιακής. 15

16 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 Οπτικός Ενισχυτής Ινών Εµπλουτισµένων µε έρβιο (EDFA) 2.1 Εισαγωγή Οι οπτικοί ενισχυτές ινών εµπλουτισµένων µε έρβιο που µελετούµε στην εργασία αυτή ανήκουν σε µια σηµαντική τάξη ενισχυτών οπτικών ινών που χρησιµοποιούν στοιχεία σπάνιων γαιών σαν µέσο απολαβής εµπλουτίζοντας τον πυρήνα της οπτικής ίνας κατά τη διαδικασία κατασκευής. Παρόλο που οι ενισχυτές αυτού του τύπου µελετήθηκαν ήδη από το 1964, η χρήση τους εφαρµόστηκε 25 χρόνια αργότερα. Οι λόγοι που συνέβαλαν σ αυτό είναι πως πρέπει να εφαρµοστεί σε αυτούς οπτική άντληση και επίσης ότι τόσο το διαθέσιµο εύρος ζώνης όσο και η διαθέσιµη συγκέντρωση ερβίου ήταν χαµηλά. Οι EDFA προσέλκυσαν τη µεγαλύτερη προσοχή επειδή λειτουργούν γύρω στα 1.55 µm, η περιοχή µήκους κύµατος στην οποία έχουµε ελάχιστη απώλεια οπτικών ινών. Άλλοι παράγοντες είναι πως οι ενισχυτές αυτού του τύπου έχουν πολύ µικρότερη ευαισθησία στη θερµοκρασία επειδή η διαδικασία ενίσχυσης µε ίνα προσµείξεων ελέγχεται από τις βασικές διακριτές ατοµικές γραµµές παρά από συνεχείς ευρύτατες ενεργειακές ζώνες. Επίσης, επειδή η ίνα είναι κυκλικά συµµετρική στην διατοµή της, ο ενισχυτής µε ίνα δεν επηρεάζεται καθόλου από την πολωτική κατάσταση. Στο κεφάλαιο αυτό θα περιγραφούν οι αρχές λειτουργίας των EDFA, θα αναλυθούν τα µοντέλα περιγραφής και θα δοθεί µια περιγραφή της αρχιτεκτονική που χρησιµοποιήθηκε στο εργαστήριο. 2.2 Ενεργειακό µοντέλο τριών επιπέδων Όπως έχει προαναφερθεί στην εργασία αυτή στην ενότητα 1.3, σύµφωνα µε την κβαντική θεωρία τα άτοµα ενός στοιχείου υφίστανται σε διακριτές ενεργειακές καταστάσεις ή στάθµες. Τα άτοµα αλληλεπιδρούν µε το φως, το οποίο και αυτό αποτελείται από κβαντισµένα πακέτα ενέργειας τα οποία ονοµάζουµε φωτόνια. Η απορρόφηση ή η εκποµπή φωτονίων είναι η αιτία ή το αποτέλεσµα της µετάβασης των ατόµων από µία ενεργειακή κατάσταση σε κάποια άλλη. Η συχνότητα της εκπεµπόµενης ή 16

17 απορροφούµενης ακτινοβολίας είναι ίση µε τη διαφορά ενέργειας των δύο καταστάσεων. Ο µηχανισµός ενίσχυσης των οπτικών ενισχυτών ντοπαρισµένης ίνας µπορεί να εξηγηθεί αρκετά καλά µε την περιγραφή ενός ενεργειακού µοντέλου το οποίο χρησιµοποιεί τις έννοιες των ενεργειακών σταθµών, των µεταβάσεων µεταξύ των σταθµών αυτών και τις αλληλεπιδράσεις των ατόµων µε το φώς. Εδώ θα περιγραφεί το µοντέλο για τους EDFA το οποίο είναι το µοντέλο τριών ενεργειακών επιπέδων. Αν η ίνα ήταν ντοπαρισµένη µε άλλο στοιχείο από σπάνιων γαιών τότε το µοντέλο θα ήταν διαφορετικό. Στο παρακάτω σχήµα παρουσιάζεται σχηµατικά το µοντέλο αυτό. Μπορούµε να παρατηρήσουµε τρία ενεργειακά επίπεδα τα οποία είναι τα Ε 1, Ε 2, Ε 3. Η στάθµη Ε 1 είναι η βασική του ιόντος όταν αυτό βρίσκεται σε ηρεµία και αποτελεί το επίπεδο αναφοράς. Το laser άντλησης δίνει στην εµπλουτισµένη ίνα φώς δηλαδή ενέργεια υπό την µορφή φωτονίων τα οποία µε την σειρά τους αλληλεπιδρούν µε τα ιόντα και τα διεγείρουν στο επίπεδο Ε 3. Τα ιόντα από τη στάθµη Ε 3 µεταβαίνουν σχεδόν άµεσα, χωρίς ακτινοβολία, στη στάθµη Ε 2 µετά την πάροδο πολύ µικρού µέσου χρόνου τ 3. Αντίστοιχα µετά από το πέρας ενός µέσου χρόνου τ 2 τα ιόντα αποδιεγείρονται ξανά στη βασική στάθµη µε ταυτόχρονη εκποµπή φωτονίων. Όταν λόγω της πρόσπτωσης ενέργειας άντλησης έχουµε ως αποτέλεσµα να έχουµε περισσότερα ιόντα στη στάθµη Ε 2 από την Ε 1, τότε λέµε ότι έχουµε συνθήκες πληθυσµιακής αντριστροφής. Συγκεκριµένα στο Έρβιο, τα ιόντα παρουσιάζουν πολύ µεγάλο χρόνο παραµονής στη στάθµη Ε 2 και γι αυτό το λόγο ονοµάζεται µετασταθής (metastable). Οι στάθµες Ε 1, Ε 2 αποτελούνται και αυτές από παρακείµενα υποεπίπεδα, όµως η µετάβαση από τη δεύτερη στην πρώτη γίνεται µέσω συγκεκριµένων υποεπιπέδων. Έτσι η ακτινοβολία που συνοδεύει τη µετάβαση αυτή έχει αυστηρά καθορισµένο µήκος κύµατος. Αντίθετα, το µήκος κύµατος της άντλησης µπορεί να κυµαίνεται µέσα σε µία περιοχή τιµών. Υπάρχουν τρείς βασικοί µηχανισµοί µετάβασης ανάµεσα στη βασική και τη µετασταθή στάθµη: I. Η αυθόρµητη εκποµπή (spontaneous emission), κατά την οποία ένα ιόν µεταβαίνει αυθόρµητα από την Ε 2 στην Ε 1. Αυτή η διαδικασία όµως είναι τυχαία και γι αυτό εκπέµπονται φωτόνια τα οποία έχουν διαφορετικές φάσεις και κινούνται σε τυχαίες διευθύνσεις γι αυτό και χαρακτηρίζονται ως ασύµφωνα. Αυτό το φαινόµενο ευθύνεται κυρίως για τον θόρυβο του EDFA ο οποίος είναι η ενισχυµένη αυθόρµητη εκποµπή (Amplified Spontaneous Emission-ASE). II. Η εξαναγκασµένη εκποµπή (stimulated emission), κατά την οποία ένα φωτόνιο µε την συχνότητα του σήµατος πέφτει επάνω σε ένα άτοµο και το υποχρεώνει να µεταβεί από την Ε 2 στην Ε 1 και αυτό προκαλεί την εκποµπή ενός δεύτερου φωτονίου, ίδιας φάσης και κατεύθυνσης µε το αρχικό. III. Η Εξαναγκασµένη απορρόφηση (stimulated absorption), κατά την οποία ένας µικρός αριθµός ιόντων µεταβαίνει από τη στάθµη Ε 1 στην Ε 2 και χάνεται. 17

18 Μηχανισµός Ενίσχυσης EDFA Σχήµα Ενεργειακό Μοντέλο 3 επιπέδων Ο µηχανισµός ενίσχυσης που αναλύθηκε προηγουµένως, ισχύει βεβαίως και για τον EDFA. Και στην περίπτωση αυτή, λοιπόν, υιοθετείται το µοντέλο των τριών ενεργειακών επιπέδων του παρακάτω σχήµατος Τα φωτόνια του σήµατος άντλησης διεγείρουν τα ηλεκτρόνια του ενεργού µέσου, τα οποία µεταβαίνουν από τη βασική στάθµη ( 4 I 15/2 ) στη στάθµη άντλησης ( 4 I 11/2 ), µετάβαση που αντιστοιχεί σε απορρόφηση φωτονίου µήκους κύµατος 980 nm. Σχήµα Ενεργειακό Μοντέλο 3 επιπέδων του ιόντος ερβίου 18

19 Τα ηλεκτρόνια πολύ γρήγορα µεταπίπτουν στο µετασταθές επίπεδο ( 4 I 13/2 ), όπου ο χρόνος ζωής είναι πολύ µεγάλος συγκρινόµενος µε τους χρόνους ζωής των υπολοίπων επιπέδων. Η ενεργειακή διαφορά µεταξύ των σταθµών 2 και 1 αντιστοιχεί ουσιαστικά σε φωτόνιο µήκους κύµατος (περίπου) 1550nm. Ορισµένα από τα ιόντα της µετασταθούς ζώνης επιστρέφουν στη ζώνη αναφοράς χωρίς αυτό να προκληθεί από φωτόνιο σήµατος οπότε έχουµε το φαινόµενο της αυθόρµητης εκποµπής, το οποίο αναγνωρίζεται ως θόρυβος του ενισχυτή. Η πρόσπτωση φωτονίων συχνότητας f 21 = 1550 nm θα οδηγήσει στην εξαναγκασµένη εκποµπή νέων φωτονίων ίδιας ενέργειας, µήκους κύµατος και πόλωσης µε αυτά του σήµατος εισόδου που τελικά µεταφράζονται σε ενίσχυση. Υψηλά επίπεδα εξαναγκασµένης εκποµπής είναι εφικτά ανάµεσα στα nm, ενώ πέρα από τα 1560 nm το κέρδος µειώνεται προοδευτικά µέχρι τα 0 db (G = 1) περίπου στα 1620 nm. Εναλλακτικά, σαν άντληση µπορεί να χρησιµοποιηθεί φως των 1480 nm, οδηγώντας τα ηλεκτρόνια αρχικά στην κορυφή της µετασταθούς ζώνης και στη συνέχεια στη βάση αυτής. Άλλα µήκη κύµατος (προφανώς µικρότερα από 1480 nm, όπως τα 832 ή τα 664 nm) επίσης προσφέρονται για την άντληση, όµως δεν χρησιµοποιούνται για διαφόρους λόγους. 2.3 Αρχιτεκτονικές EDFA Με τον όρο αρχιτεκτονικές των EDFA εννοούµε τις διαφορετικές διατάξεις και συναρµολογήσεις των εξαρτηµάτων(components) από τα οποία αποτελείται ένας ενισχυτής εµπλουτισµένης ίνας ερβίου. Τα εξαρτήµατα που χρησιµοποιούνται είναι α) η ίνα εµπλουτισµένη µε έρβιο(erbium doped fiber) β) ζεύκτες(couplers) γ) πηγές άντλησης(pump lasers) και δ) αποµονωτές(isolators). Οι κύριες αρχιτεκτονικές είναι 3. Υπάρχουν στην βιβλιογραφία και διάφορες άλλες αρχιτεκτονικές αλλά ουσιαστικά πρόκειται για τις ίδιες αρχιτεκτονικές µε διαφορετικές υλοποιήσεις. Οπότε έχουµε: I. Την συγκατευθυντική άντληση(co-directional pumping) διάταξη κατά την οποία το σήµα πληροφορίας που πρέπει να ενισχυθεί και η ενέργεια άντλησης(φως) διαδίδονται προς την ίδια κατεύθυνση. II. Την αντικατευθυντική άντληση(counter-directional pumping) διάταξη στην οποία το σήµα πληροφορίας και η ενέργεια άντλησης(φως) διαδίδονται προς αντίθετες κατευθύνσεις. III. Τέλος έχουµε τον συνδυασµό των δύο παραπάνω διατάξεων που δηµιουργεί την τεχνική της διπλής άντλησης (bidirectional pumping). Στην περίπτωση αυτή η ενέργεια άντλησης και προς την κατεύθυνση του σήµατος αλλά και προς την αντίθετη. Γενικά, η συγκατευθυντική(co-directional) άντληση οδηγεί σε καλύτερα χαρακτηριστικά θορύβου, ενώ η αντικατευθυντική(counter-directional) σε καλύτερο κέρδος. Πιο συγκεκριµένα στην περίπτωση που έχουµε µικρής ισχύος σήµατα προς ενίσχυση της τάξεως των 1µW έως 15µW και θέλουµε να πάρουµε όσο το δυνατόν µεγαλύτερο κέρδος τότε πρέπει να επιλέξουµε την counterdirectional περίπτωση. Αυτό συµβαίνει γιατί όταν έχουµε co-directional pump στην αρχή της ίνας ερβίου έχουµε έχουµε αρκετή ενέργεια άντλησης αλλά λίγη 19

20 ενέργεια σήµατος οπότε η ενέργεια του σήµατος δεν µπορεί να προκαλέσει αντιστροφή πληθυσµών οπότε δηµιουργείται ενίσχυση προς το τέλος της ίνας ερβίου. Στο παρακάτω σχήµα φαίνονται ενδεικτικά οι διαφορετικές αρχιτεκτονικές. Σχήµα Αρχιτεκτονικές EDFA: (α) συγκατευθυντική άντληση, (β)αντικατευθυντική άντληση, (γ) ιπλή άντληση. Στο σηµείο αυτό θα παρουσιαστεί το διάγραµµα του ενισχυτή που υλοποιήθηκε στο εργαστήριο για να υπάρχει ένα σηµείο αναφοράς. Στην δική µας περίπτωση κατασκευής του ενισχυτή εµπλουτισµένης ίνας ερβίου για τις ανάγκες της παρούσας πτυχιακής θέλαµε να ενισχύσουµε µικρής ισχύος σήµα (1µW) µε όσο το δυνατόν καλύτερα χαρακτηριστικά στον θόρυβο έτσι ώστε ο ενισχυτής να χρησιµοποιηθεί µελλοντικά σαν προενισχυτής. Σχήµα Αρχιτεκτονική του EDFA που υλοποιήθηκε στο εργαστήριο 20

21 Στο παραπάνω σχήµα µπορούµε να διακρίνουµε των συζεύκτη 80/20 έτσι ώστε να µπορέσουµε να διαχωρίσουµε την ενέργεια άντλησης ώστε να πάρουµε την ενέργεια που χρειάζεται µόνο για τον συγκεκριµένο ενισχυτή. Ο WDM coupler 1(συζεύκτης) είναι για να συνδυάσει το σήµα µε την ενέργεια άντλησης για να συνεχίσουν την πορεία τους στην εµπλουτισµένη µε έρβιο ίνα. Ο WDM coupler 2 (συζεύκτης) παίζει τον ρόλο του αποπολυπλέκτη. ηλαδή τοποθετήθηκε εκεί έτσι ώστε να διαχωρίσει την ενέργεια άντλησης που παρέµεινε (remaining pump) από το ενισχυµένο σήµα. Με τον τρόπο αυτό, αποφεύγουµε σε κάθε περίπτωση την παρουσία τυχόν ισχυρής συνιστώσας ισχύος άντλησης στην έξοδο του σήµατος, η οποία θα µπορούσε να προκαλέσει βλάβη στα όργανα µέτρησης του εργαστηρίου. Τέλος τοποθετήθηκε ένα φίλτρο το οποίο κόβει τον θόρυβο του ενισχυτή έτσι ώστε να έχουµε σήµα πιο καθαρό και απαλλαγµένο από θόρυβο. Βέβαια δεν µπορούµε να αποµακρύνουµε τον θόρυβο που βρίσκεται µέσα στο φάσµα (inband noise). Παρακάτω θα παρουσιαστεί το αναλυτικό µοντέλο για την περιγραφή της λειτουργίας ενός EDFA. 2.4 Αναλυτικό Μοντέλο περιγραφής του EDFA Προηγουµένως µελετήθηκε το ενεργειακό µοντέλο τριών επιπέδων το οποίο ισχύει και για την περίπτωση των ενισχυτών ίνας ερβίου(edfa). Για να µελετηθεί όµως ο EDFA µε αναλυτικό-µαθηµατικό τρόπο θα πρέπει για λόγους απλότητας να µελετηθεί ως µοντέλο δύο επιπέδων. Αυτό µπορεί να γίνει χωρίς λάθος στο θεωρητικό υπόβαθρο γιατί η συγκέντρωση ιόντων Ερβίου στη στάθµη άνλησης ( 4 Ι 11/2 ) είναι αµελητέα, καθώς ο χρόνος ζωής των ιόντων στη στάθµη αυτή είναι πολύ µικρότερος από το χρόνο ζωής στις άλλες δύο στάθµες του µοντέλου τριών επιπέδων όπως επίσης δεν υπάρχει και εκποµπή φωτονίου αφού η µετάβαση ( 4 Ι 11/2 ) ( 4 Ι 13/2 ) είναι µη ακτινοβολούσα. Η παραδοχή αυτή ισχύει για τιµές της ισχύος άντλησης µικρότερες του 1W, συνθήκη που ικανοποιείται σχεδόν σε όλες τις πρακτικές εφαρµογές Εξισώσεις ρυθµού Παρακάτω θα περιγραφεί η συµπεριφορά του ενισχυτή σε σχέση µε το χρόνο. Θεωρούµε ότι το φώς που διαδίδεται στην ίνα αποτελείται από έναν αριθµό κ διαφορετικών οπτικών δεσµών µε συχνότητα ν κ. Η συνολική ισχύς της κ-στης δέσµης στη θέση z προκύπτει από την εξίσωση: ( ) = (, φ, ) φ ( ) 1 r φ P z I r z r dr d όπου I (r,ϕ, z) είναι η χωρική κατανοµή της εντάσεως στο εσωτερικό της ίνας. Για κάθε οπτική δέσµη η κανονικοποιηµένη οπτική ένταση είναι i ( r, ) I ( r, φ, z) P ( z) ϕ = (2) 21

22 Ο ρυθµός µεταβολής της συγκέντρωσης ιόντων Ερβίου στη µετασταθή στάθµη δίνεται για το µοντέλο δύο καταστάσεων που εξετάζουµε από την σχέση: dn P i P i n ( r,, z) = σ n ( r, φ, z) σ n ( r, φ, z) φ dt hv hv τ (3) 2 a e Γνωρίζουµε από το ενεργειακό µοντέλο του Ερβίου πως η µεταβολή της πυκνότητας των ιόντων οφείλεται σε εξαναγκασµένη απορρόφηση από τη στάθµη (µε πληθυσµό n 1 ) 4 Ι 15/2, εξαναγκασµένη εκποµπή από την στάθµη 4 Ι 13/2 και αυθόρµητη εκποµπή από τη στάθµη 4 Ι 13/2. Στην σχέση 3 h είναι η σταθερά του Planc, τ ο µέσος χρόνος ζωής στη µετασταθή στάθµη και n ( r, φ, z), n ( r,, z) 1 2 φ οι συγκεντρώσεις ιόντων Ερβίου στη βασική και την µετασταθή στάθµη αντίστοιχα. Προφανώς, ισχύει: n ( r, φ, z) = n ( r, φ, z) + n ( r, φ, z) (4) t 1 2 όπου n ( r, φ, z) η συγκέντρωση των ιόντων Ερβίου την χρονική στιγµή t. t Επίσης οι όροι σ a και σ e, της σχέσης 3, ονοµάζονται διατοµές απορρόφησης και εκποµπής αντίστοιχα και δηλώνουν πόσο αποδοτικά απορροφάται ή εκπέµπεται ακτινοβολία από το ιόν Ερβίου στην συχνότητα της οπτικής δέσµης κ. Η δεύτερη εξίσωση ρυθµού, που είναι στην ουσία κ όµοιες εξισώσεις, εκφράζει τη µεταβολή της ισχύος κάθε δέσµης λόγω της ύπαρξης των διεγερµένων φορέων και φορέων προς διέγερση: dp dz = u σ i ( r, φ) n ( r, φ, z) r dr dφ ( P ( z) + m h v v ) e 2 r φ u σ i ( r, φ ) n ( r, φ, z) r dr dφ P ( z) (5) a 1 r φ Ο πρώτος όρος του δεξιού µέλους περιγράφει την αύξηση της ισχύος της ακτίνας κ λόγω αποδιέγερσης φορέων και την παραγωγή ακτινοβολίας σε εύρος συχνοτήτων v γύρω από την κεντρική v της δέσµης, ενώ ο δεύτερος τη µείωση της ισχύος λόγω διέγερσης φορέων. Ο δείκτης u παίρνει τις τιµές 1, -1 ανάλογα µε το αν η δέσµη κ διαδίδεται προς τα θετικά ή τα αρνητικά z, αντίστοιχα. Ο όρος που εµπλέκει την ποσότητα m h v v αντιπροσωπεύει τη συνεισφορά της αυθόρµητης εκποµπής στη µεταβολή της συγκέντρωσης ιόντων Ερβίου της µετασταθούς στάθµης στο δεδοµένο σηµείο της ίνας. Το πλήθος m των ρυθµών είναι στην περίπτωσή µας 2, εφόσον υποστηρίζονται µόνο οι δύο δυνατές πολώσεις του βασικού ρυθµού. Τέλος καθώς στην περίπτωσή µας έχουµε να κάνουµε µε CW σήµα πληροφορίας, dn2 στην εξίσωση 3 έχουµε = 0. dt 22

23 2.4.2 Χωρικό Μοντέλο Περιγραφής EDFA Το χωρικό µοντέλο περιγράφει τη συµπεριφορά της ίνας ερβίου βασιζόµενο στην εγκάρσια χωρική κατανοµή ( r, ϕ) των οπτικών πεδίων όπως επίσης και στα χωρικά χαρακτηριστικά της κατανοµής του ερβίου στον πυρήνα της ίνας. Το µοντέλο αυτό είναι χρήσιµο στην περίπτωση, που κάποιος θέλει να βελτιώσει των ενισχυτή µεταβάλλοντας τις χωρικές ιδιότητες του ενισχυτικού µέσου, δηλαδή της ντοπαρισµένης ίνας. Αυτό αφορά για παράδειγµα τους κατασκευαστές των ινών εµπλουτισµένων µε έρβιο. Όσο αναφορά τη χωρική διέγερση των φορέων από το οπτικό σήµα ορίζουµε τους συντελεστές απορρόφησης a και εκποµπής g, οι οποίοι περιγράφουν την αποδοτικότητα της απορρόφησης ή της εκποµπής της ακτινοβολίας στο συγκεκριµένο µήκος κύµατος. Οι ιδιότητες απορρόφησης και εκποµπής του ερβίου συµπεριλαµβάνονται µέσω των αντίστοιχων διατοµών σ και σ. a e a = σ a i ( r, φ) n t ( r, φ, z) r dr dφ (6) r φ g = σ e i ( r, φ) n t ( r, φ, z) r dr dφ (7) r φ Όταν η κατανοµή του ερβίου nt ( r, φ, z) είναι οµοιόµορφη, τότε µπορούµε να θεωρήσουµε ότι οι συντελεστές απορρόφησης και εκποµπής γράφονται αντιστοίχως: a g = σ Γ n (8) a t = σ Γ n (9) e t Με τον όρο Γ ορίζουµε το συντελεστή περιορισµού (confinement factor) της οπτικής ακτίνας στο έρβιο και ισούται µε το ολοκλήρωµα επικάλυψης: Γ = r φ i ( r, φ) r dr dφ Με χρήση των ορισµών του χωρικού µοντέλου που παρουσιάστηκε εδώ µπορούµε να ξαναγράψουµε τις εξισώσεις ρυθµού ως εξής: dp (,, ) a + g n2 r φ z = u P i r dr dφ u ( a + l ) P dz Γ n r ϕ t g (,, ) n2 r φ z + u m h v v i r dr dφ n Γ (10) r ϕ t 23

24 τ σ a (,, ) P i n2 r φ z h v = n τ ( σ a + σ e ) t 1+ P i h v (11) Για να καταλήξουµε σε αυτή τη µορφή της πρώτης εξίσωσης λάβαµε υπόψη τις απώλειες της ίνας και στη δεύτερη χρησιµοποιήσαµε τη µηδενική dn2 µεταβολή της συγκέντρωσης στη µετασταθή κατάσταση = 0 και την dt εξίσωση διατήρησης των ιόντων nt ( r, φ, z) = n1 ( r, φ, z) + n2 ( r, φ, z). Για να λυθεί αριθµητικά το µοντέλο των εξισώσεων 10 και 11 χρειάζεται να είναι γνωστές οι παράµετροι { a, g, l, Γ, σ a, σ e, nt } καθώς και η χωρική κατανοµή του ερβίου και των οπτικών σηµάτων Φασµατικό Μοντέλο Περιγραφής EDFA Το φασµατικό µοντέλο είναι πολύ σηµαντικό και χρήσιµο γιατί αναλύει τη συµπεριφορά της ίνας ερβίου χρησιµοποιώντας µόνο τους συντελεστές απορρόφησης και εκποµπής, χωρίς να είναι απαραίτητη η γνώση των χωρικών ιδιοτήτων του ερβίου και των οπτικών σηµάτων. Το γεγονός αυτό καθιστά το µοντέλο εύκολα επιλύσιµο. Στη συνέχεια θα θεωρήσουµε ότι η κατανοµή ιόντων ερβίου ελαττώνεται όσο αποµακρυνόµαστε από το κέντρο της ίνας ( r= 0 ). Έτσι η ισοδύναµη ενεργός ακτίνα του ερβίου ορίζεται ως: b eff 1 nt ( r) = r dr 2 (12) n (0) 0 t Η µέση συγκέντρωση φορέων στην ενεργειακή στάθµη i και στον χρόνο t θα είναι: n ( z) = i r φ n ( r, φ, z) r dr dφ i π b 2 eff Επίσης ο συντελεστής περιορισµού θα γίνει: i= 1, 2, t (13) Γ ( z) =, i r φ i ( r, φ) n ( r, φ, z) r dr dφ i n ( z) i i = 1, 2, t (14) Θεωρώντας ότι οι συντελεστές περιορισµού, i Γ είναι ίσοι, οι εξισώσεις του χωρικού µοντέλου 10 και 11 γράφονται ως εξής: 24

25 dp dz n = u a + g P z u a + l P z 2 ( ) ( ) ( ) ( ) nt n + u g m h v v (15) 2 nt n n 2 t a P ( z) h v ζ = ( a + g ) 1 + P ( z) h v ζ (16) όπου η παράµετρος που χρησιµοποιήθηκε είναι: 2 sat π beff nt P ( a + g ) ζ = = τ h v (17) sat και η παράµετρος P είναι η ισχύς κορεσµού. Είναι αξιοσηµείωτο το γεγονός πως η χωρική εξάρτηση των εξισώσεων έχει πλέον συµπεριληφθεί εξ ολοκλήρου στην παράµετρο ζ, η οποία είναι εφικτό να µετρηθεί πειραµατικά, και σε συνδυασµό µε τις υπόλοιπες πειραµατικά µετρήσιµες παραµέτρους { a, g, l } το ολικό σύστηµα είναι εύκολο να επιλυθεί. 25

26 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 Προσοµοίωση και Σχεδιασµός του EDFA 3.1 Μοντέλο Προσοµοίωσης Για να κατασκευαστεί στο εργαστήριο ο ενισχυτής ντοπαρισµένης ίνας ερβίου θα πρέπει πρώτα να προσοµοιωθεί έτσι ώστε να διαλέξουµε τα καλύτερα χαρακτηριστικά του έτσι ώστε να ικανοποιηθούν οι αρχικές απαιτήσεις που έχουµε για τον ενισχυτή οι οποίες παρουσιάζονται στην ενότητα 3.6. Το µοντέλο προσοµοίωσης που χρησιµοποιήθηκε είναι γραµµένο στην γλώσσα C και επιλύει το φασµατικό µοντέλο για τους ενισχυτές που παρουσιάστηκε στο προηγούµενο κεφάλαιο. Επίσης το πρόγραµµα είναι µε τέτοιο τρόπο δοµηµένο ώστε να βοηθά τον υπολογισµό των µεγεθών που χαρακτηρίζουν την λειτουργία ενός ενισχυτή, γι αυτό και τρέχει για διάφορα µήκη της ίνας ερβίου για σταθερή ισχύ άντλησης και σήµατος στην είσοδο της ίνας. Αρχικά το µοντέλο προσοµοίωσης ζητά από τον χρήστη: Το µήκος της ίνας σε µέτρα από το οποίο θα ξεκινήσει η προσοµοίωση του EDFA. Την ισχύ του σήµατος προς ενίσχυση σε µw(microwatts). Και τέλος τις ισχύες των pump lasers στις εισόδους τις ίνας για ενίσχυση forward και bacward. Αυτό το µοντέλο προσοµοίωσης είναι ικανό να µοντελοποιήσει ενισχυτές µε διάφορα χαρακτηριστικά γι αυτό και έχει διάφορους τρόπους παραµετροποίησης. Για παράδειγµα στο αρχείο «input.txt», το οποίο λαµβάνεται ως είσοδος στο πρόγραµµα, υπάρχουν οι Giles παράµετροι απορρόφησης και εκποµπής όλων των συνιστωσών του ASE. Οπότε διαφορετικά φτιαγµένες ίνες ερβίου θα έχουν και διαφορετικούς συντελεστές. Τα στοιχεία αυτά δίνονται από την κατασκευάστρια εταιρία. Στην περίπτωση την δική µας χρησιµοποιήθηκε η ίνα ερβίου της εταιρίας Fujiura. Άλλοι παράµετροι που θα καθορίσουν τον ενισχυτή και µπορούν να αλλαχτούν από το µοντέλο προσοµοίωσης είναι: Η παράµετρος ζ Τα µήκη κύµατος του σήµατος και του laser άντλησης 26

27 Οι απώλειες τις ίνας Η φασµατική απόσταση δλ µεταξύ των κεντρικών συχνοτήτων v του θορύβου. Επίσης υπάρχουν και βοηθητικά χαρακτηριστικά τα οποία µπορούν να παραµετροποιήσουν την προσοµοίωση. Αυτά είναι: Η παράµετρος MAX_STEP, η οποία καθορίζει τη διαµέριση L dz= MAX _ STEP Και η παράµετρος FINAL_LENGTH, η οποία µε τη σειρά της καθορίζει το τελικό µήκος ίνας κατά την προσοµοίωση. Το µοντέλο προσοµοίωσης αυτό χρησιµεύει για την σχεδίαση κάποιου ενισχυτή ίνας ερβίου για τον οποίο χρειάζεται να βρεθεί το βέλτιστο µήκος ίνας µε βάση κάποιο κριτήριο όπως το µέγιστο κέρδος, signal to noise ratio, µέση αντιστροφή πάνω από κάποιο κατώφλι κτλ. Για το λόγο αυτό παράγονται από το µοντέλο προσοµοίωσης αυτόµατα οι παρακάτω έξοδοι έτσι ώστε να αξιολογούνται τα αποτελέσµατα και να βγαίνουν τα κατάλληλα συµπεράσµατα. Οι έξοδοι είναι: 1. Ένα αρχείο στο οποίο παρουσιάζεται η ισχύς του έµπροσθεν διαδιδόµενου ASE. 2. Ένα αρχείο στο οποίο παρουσιάζεται η ισχύς του όπισθεν διαδιδόµενου ASE. 3. Ένα αρχείο στο οποίο παρουσιάζεται η ισχύς του σήµατος εξόδου. 4. Ένα αρχείο στο οποίο παρουσιάζεται η ισχύς του έµπροσθεν διαδιδόµενου laser άντλησης. 5. Ένα αρχείο στο οποίο παρουσιάζεται η ισχύς του όπισθεν διαδιδόµενου laser άντλησης. 6. Ένα αρχείο στο οποίο παρουσιάζεται η µέση αντιστροφή ιόντων ερβίου της ίνας. MAX _ STEP 2 n2 L n 2 1 n2 i 0 n dz = t = n L = n _ 1 t z 0 t MAX STEP = 7. Ένα αρχείο στο οποίο παρουσιάζεται ο συντελεστής θορύβου της διάταξης. 8. Ένα αρχείο στο οποίο παρουσιάζεται το φάσµα θορύβου για το τελικό µήκος της ίνας. Τα στοιχεία από τις παραπάνω εξόδους χρησιµοποιούνται παρακάτω. Για να προσοµοιωθεί και να σχεδιαστεί ο οπτικός ενισχυτής ντοπαρισµένης ίνας ερβίου, δηλαδή να καταλήξουµε στα συγκεκριµένα χαρακτηριστικά του θα πρέπει πρώτα να παρουσιαστούν κάποιες έννοιες οι οποίες προσδιορίζουν τον οπτικό ενισχυτή. Αυτές είναι το signal to noise ratio, n, Noise Figure, Gain. sp 27

28 3.2 Εικόνα Θορύβου (Noise Figure) Η ανάλυση του θορύβου γενικά σε ένα οπτικό σύστηµα είναι µια περίπλοκη υπόθεση και µπορεί να περιγραφεί είτε από έναν µαθηµατικό τύπο είτε από µια εκτενή και πλήρη κβαντική θεωρητική εξήγηση. Ο σκοπός αυτής της παραγράφου δεν είναι να περιγράψει µε λεπτοµέριες τον θόρυβο στα ο πτικά συστήµατα, αλλά να δώσει τους βασικούς ορισµούς, οι οποίοι ποσοτικοποιούν την δηµιουργία του οπτικού θορύβου στους EDFA. Αυτοί οι ορισµοί χρησιµοποιούνται για να συζητηθεί η επιρροή του θορύβου στην απόδοση του EDFA. Η οπτική εικόνα θορύβου (noise figure) είναι µια παράµετρος η οποία χρησιµοποιείται για την ποσοτικοποίηση της προσθήκης θορύβου στο σήµα καθώς αυτό διασχίζει τον οπτικό ενισχυτή. Πριν το φώς να µπεί µέσα στον ενισχυτή ο λόγος σήµατος προς θόρυβο είναι SNR(0) και µετά την ενίσχυση είναι SNR(z). Οπότε το οπτικό noise figure µπορεί να οριστεί ως: NF opt SNR(0) = (1) SNR( z) Αν το noise figure ενός ενισχυτή ήταν 1, τότε το αρχικό SNR θα παρέµενε ίδιο κατά την ενίσχυση. Όµως έχει φανεί πως το ποσοτικό όριο για έναν οπτικό ενισχυτή είναι 3 db, το οπίο σηµαίνει πως ο λόγος σήµατος προς θόρυβο µετά την ενίσχυση είναι στο µισό σε σχέση µε την αρχική του τιµή. Στην πράξη στους οπτικούς ενισχυτές το noise figure µπορεί να φτάσει µέχρι και 6 db. Στην περίπτωση αυτή όµως η ποιότητα του σήµατος επιδυνόνεται αρκετά και η ικανότητα του ποµπού να ξεχωρίσει το σήµα από τον θόρυβο συναντάει αρκετά προβλήµατα. Ο λόγος σήµατος προς θόρυβο µπορεί να περιγραφεί ως ο λόγος µεταξύ της µέσης εντάσεως του σήµατος και της τυπικής απόκλισης αυτών των µέσων εντάσεων. Από τον µέσο αριθµό φωτονίων < n( z) > και της διακύµανσης σ =< n( z) > < n( z) > προκύπτει ο ορισµός: n( z) SNR = 2 σ ( z) (2) Όπου z είναι η απόσταση της θέσης κατά µήκος του ενισχυτή. Επίσης ισχύει ο παρακάτω ορισµός για το noise figure ενός οπτικού ενισχυτή: 2 NF opt G ( z) 1 1 = 2 nsp + (3) G ( z) G ( Z) Όπου G ( z ) είναι το κέρδος του ενισχυτή στην δεδοµένη θέση z, στο µήκος κύµατος λ, και όπου n sp είναι ο παράγοντας αυθόρµητης (spontaneous emission factor) ο οποίος ισούται µε τον τύπο: εκποµπής 28

29 n sp = N N2 σ N a 2 1 σ e (4) Εδώ τα N 1 και N 2 είναι ο πληθυσµός των ιόντων στη βασική κατάσταση και στη διεγερµένη κατάσταση αντίστοιχα. Στην ιδανική περίπτωση της ολικής αντιστροφής πληθυσµών θα είχαµε N 1= 0 και n = 1 οπότε το noise factor θα ήταν κοντά στο 2, το οποίο είναι το ποσοτικό όριο για τον θόρυβο του ενισχυτή. Ο συντελεστής τυχαίας εκποµπής σχετίζεται µε την ολική ισχύ του θορύβου του EDFA, ο οποίο είναι ο ASE(amplified spontaneous emission), ανάµεσα στο εύρος ζώνης v, µε τον εξής τύπο: PASE 2 nsp = ( G 1) h v v sp (5) Να σηµειώσουµε πως το noise figure είναι απλά ο noise factor εκφρασµένος σε decibels. 3.3 Κέρδος (Gain) Το αρκετά µεγάλο εύρος ζώνης ενίσχυσης στους EDFA οφείλεται στο πεπερασµένο εύρος των ενεργειακών ζωνών. Το εύρος της ενεργειακής ζώνης δηµιουργείται από µια σειρά φαινοµένων, συµπεριλαµβανοµένου του Star, που διαχωρίζουν τα βασικά ενεργειακά επίπεδα σε πολλά υποεπίπεδα. Επειδή ο πληθυσµός δεν είναι οµοιόµορφα κατανεµηµένος στην Ε 2 ζώνη, το κέρδος του ενισχυτή γίνεται µια συνάρτηση που εξαρτάται από τα µήκη κύµατος και δεν είναι σταθερό. Το σχήµα του φάσµατος του κέρδους του ερβίου εξαρτάται από τις διατοµές απορρόφησης και εκποµπής οι οποίες µε την σειρά τους εξαρτώνται από το υλικό της ίνας. Επίσης στο σχήµα του φάσµατος σηµαντικό ρόλο παίζει ο µέσος βαθµός διέγερσης των ιόντων ερβίου. Στο παρακάτω σχήµα απεικονίζεται το σχήµα του κέρδους σε µια µέση περίπτωση όσο αναφορά τα υλικά της ντοπαρισµένης ίνας ερβίου. 29

30 Σχήµα Απορρόφηση και εκποµπή ιόντων ερβίου Στο σχήµα φαίνεται η απορρόφηση και η εκποµπή (ή αρνητική απορρόφηση) των ιόντων ερβίου που περιέχονται στην οπτική ίνα για επίπεδα διέγερσης από 0 έως 100%. Επίσης µπορούµε να διακρίνουµε πως το καλύτερο κέρδος το έχουµε στο µήκος κύµατος 1535nm και γενικά την καλύτερη απόδοση την έχουµε από τα 1530 έως τα 1560 nm. 3.4 Κορεσµός Κέρδους (Gain Saturation) Το κέρδος στους ενισχυτές οπτικής ίνας εµπλουτισµένης µε έρβιο επιτυγχάνεται από την αντιστροφή πληθυσµών των ιόντων προσµίξεως. Το επίπεδο αντιστροφής καθορίζεται, πρωτίστως, από την ισχύ του laser άντλησης και την ισχύ του σήµατος που πρόκειται να ενισχυθεί. Όσο η ισχύς του σήµατος αυξάνεται ή η ισχύς του laser άντλησης µειώνεται, το επίπεδο αντιστροφής θα µειώνεται και κατά συνέπεια το κέρδος του ενισχυτή θα µειωθεί. Αυτό το φαινόµενο ονοµάζεται κορεσµός κέρδους(gain saturation). Όσο το επίπεδο του σήµατος αυξάνεται, ο ενισχυτής έχει κορεσµό και δεν µπορεί να δηµιουργήσει παραπάνω ισχύ στην έξοδο και άρα το κέρδος µειώνεται. Γι αυτό το φαινόµενο του κορεσµού επίσης ονοµάζεται συµπίεση του κέρδους(gain compression). Αυτός είναι και ο λόγος για τον οποίο για να ικανοποιήσουµε διαφορετικές ανάγκες ενίσχυσης πρέπει να εφαρµόσουµε διαφορετικές υλοποιήσεις του ενισχυτή. ηλαδή να διαλέξουµε την κατάλληλη ισχύ άντλησης µε το βέλτιστο µήκος ντοπαρισµένης ίνας. Για µικρότερες του βέλτιστου τιµές του µήκους της ίνας δεν εκµεταλευόµαστε όλη την ισχύ άντλησης και έτσι δεν παίρνουµε τη µέγιστη δυνατή ενίσχυση. Αντίθετα για µεγαλύτερες τιµές η ισχύς άντλησης δεν επαρκεί για την δηµιουργία συνθηκών πληθυσµιακής αντιστροφής σε όλο το µήκος. Αυτό έχει σαν αποτέλεσµα το κοµµάτι της ίνας όπου δεν έχουν δηµιουργηθεί συνθήκες πληθυσµιακής αναστροφής να απορροφά µέρος του σήµατος συµβάλλοντας έτσι στο συνολικό κέρδος µε απώλειες και επιπλέον η ενισχυµένη αυθόρµητη εκποµπή (ASE) µεγαλώνει. Ο τύπος του κέρδους σε γραµµική κλίµακα είναι: 30

31 P out Pout = G Pin G= P in Και κατ επέκταση ο τύπος σε db θα γίνει: G P out db = 10 log 10( ). Pin 3.5 Λόγος Σήµατος προς Θόρυβο (Signal to Noise Ratio) Ο λόγος σήµατος προς θόρυβο δηλαδή το SNR είναι ένα µέτρο το οποίο χρησιµοποιείται για να µπορούµε να συγκρίνουµε το επίπεδο του σήµατος µε το επίπεδο του θορύβου. Ορίζεται ως το πηλίκο της ισχύς του σήµατος προς την ισχύ του θορύβου και συχνά εκφράζεται σε db. Λόγος µεγαλύτερος από 1 ή µεγαλύτερος από 0 db (στην λογαριθµική κλίµακα) σηµαίνει πως έχουµε µεγαλύτερο σήµα από ότι θόρυβο. Οι ορισµοί είναι οι εξής: Και σε db είναι: SNR SNR = P P signal noise P signal db = 10 log 10( ). Pnoise 3.6 Προσοµοίωση Ο ενισχυτής αυτός πρέπει να σχεδιαστεί και να κατασκευαστεί µε τέτοιο τρόπο ώστε να µπορεί να ενισχύσει πολύ µικρής ισχύς σήµατα µε όσο το δυνατόν καλύτερο κέρδος και µικρότερο θόρυβο. Για το λόγο αυτό στις προσοµοιώσεις κρατήσαµε σταθερή την ισχύ του σήµατος η οποία είναι P = 1µ W (microwatt) ή -30dBm. Με το πρόγραµµα που signal παρουσιάστηκε σε προηγούµενη παράγραφο τρέξαµε προσοµοιώσεις για σταθερή ισχύ σήµατος και ισχύ του laser άντλησης για τα διαφορετικά µέτρα της ντοπαρισµένης ίνας έτσι ώστε να δούµε την απόδοση. Επίσης κάποια ακόµα επιθυµητά χαρακτηριστικά για να λειτουργεί σωστά ο ενισχυτής και σύµφωνα µε τα οποία θα γίνει ο σχεδιασµός είναι τα εξής: Θα πρέπει να έχουµε επίπεδα αντιστροφής από 67% και άνω. Προφανώς θα θέλαµε ακόµα και 100% αλλά αυτό δεν είναι εφικτό στην πράξη. Ο παράγοντας Noise Figure να είναι γύρω στο 3 µε 4. Το κέρδος του ενισχυτή να είναι τουλάχιστον κοντά στα 30 db. Και τέλος το SNR να είναι φυσικά θετικό και όσο το δυνατόν µεγαλύτερο. 31

32 Ο συνδυασµός των παραπάνω κριτηρίων θα µας οδηγήσει στο τελικό αποτέλεσµα. Το πρόγραµµα κάνει επίλυση του φασµατικού µοντέλου που παρουσιάστηκε σε προηγούµενη παράγραφο. Όπου υπάρχει ισχύς στα παρακάτω αποτελέσµατα είναι σε Watt. Εφόσον έχουµε σταθερή ισχύ για το σήµα εισόδου και το πρόγραµµα τρέχει για διαφορετικά µήκη της ίνας τρέξαµε τις προσοµοιώσεις για διαφορετικές ισχύες του laser άντλησης. Ενδεικτικά θα παρουσιάσω µερικά από τα αποτελέσµατα του προγράµµατος πριν καταλήξουµε στα τελικά. Τα αποτελέσµατα που ακολουθούν είναι για ισχύ σήµατος στην είσοδο του ενισχυτή 1 µw ή -30 dbm, µήκος κύµατος του σήµατος πληροφορίας στα 1550 nm και η ισχύς άντλησης είναι στα 25 mw. Ενώ το πρόγραµµα τρέχει για µήκος από 1 µέχρι 20 µέτρα εδώ παρουσιάζεται µόνο το µήκος ίνας που απέδωσε τα καλύτερα χαρακτηριστικά. LENGTH(m) FORWARD ASE POWER(W) OUTPUT SIGNAL POWER(W) MEAN INVERSION 10,00 0, , ,72 LENGTH(m) NF SNR(dB) GAIN(dB) 10,00 4,36 3,08 35,67 Πίνακας Αποτελέσµατα για input 1µW, pump 25mW Το σηµαντικότερο πρόβληµα που φαίνεται στα παραπάνω αποτελέσµατα είναι πως το επίπεδο της αντιστροφής πληθυσµών είναι στο 72% το οποίο είναι χαµηλό. Στη συνέχεια είναι τα αποτελέσµατα για ισχύ σήµατος στην είσοδο του ενισχυτή 1 µw ή -30 dbm, µήκος κύµατος του σήµατος πληροφορίας στα 1550 nm και η ισχύς άντλησης είναι στα 50 mw. LENGTH(m) FORWARD ASE POWER(W) OUTPUT SIGNAL POWER(W) MEAN INVERSION 5,00 0, , ,94 LENGTH(m) NF SNR(dB) GAIN(dB) 5,00 3,20 0,93 31,66 Πίνακας Αποτελέσµατα για input 1µW, pump 50mW Ένα τελευταίο ενδεικτικό αποτέλεσµα είναι το παρακάτω µε ισχύ σήµατος στην είσοδο του ενισχυτή 1 µw ή -30 dbm, µήκος κύµατος του σήµατος πληροφορίας στα 1550 nm και η ισχύς άντλησης είναι στα 70 mw. LENGTH(m) FORWARD ASE POWER(W) OUTPUT SIGNAL POWER(W) MEAN INVERSION 5,00 0, , ,95 LENGTH(m) NF SNR(dB) GAIN(dB) 5,00 3,16 0,91 32,44 Πίνακας Αποτελέσµατα για input 1µW, pump 70mW 32

33 Τρέξαµε αρκετές προσοµοιώσεις και µε διάφορους συνδυασµούς για να σχεδιάσουµε όσο το δυνατόν καλύτερα τον ενισχυτή. Όσο αυξάναµε την ισχύ άντλησης αυξανόταν και η ισχύς του θορύβου(ase), που δηµιουργούσε ο ενισχυτής, χωρίς όµως να αυξάνεται σηµαντικά το SNR και το GAIN. Επίσης παρατηρήσαµε πως για µεγαλύτερα µήκη της ίνας ερβίου τα επίπεδα αντιστροφής πληθυσµών µειωνόντουσαν. Τέλος όσο αυξάναµε την ισχύ άντλησης ο συνδυασµός των αποτελεσµάτων δεν ήταν κατάλληλος για την δηµιουργία ενός ενισχυτή ο οποίος να ικανοποιεί αποδοτικά τις ανάγκες µας. Έχει αναφερθεί και πιο πάνω πως έπρεπε να κατασκευάσουµε έναν ενισχυτή ο οποίος να παράγει χαµηλό θόρυβο έτσι ώστε να χρησιµοποιηθεί σε στάδιο προενίσχυσης. Γίνεται σαφές από τα αποτελέσµατα πως η ισχύς άντλησης θα έπρεπε να είναι µεταξύ 50mW έως 70mW και µετά την προσεκτική παρατήρηση των αποτελεσµάτων που θα ακολουθήσουν καταλήξαµε στα 60mW για την άντληση του ενισχυτή. Στον πίνακα φαίνονται τα αποτελέσµατα που δίνει το πρόγραµµα για σήµα εισόδου 1(µW), ισχύς του laser άντλησης στα 60(mW), µήκος κύµατος του σήµατος πληροφορίας στα 1550(nm) και από 1 µέχρι 20 µέτρα ίνας ερβίου. Φαίνονται κατά στήλες το µήκος της ίνας, η ισχύς του θορύβου, η ισχύς του σήµατος στην έξοδο και το επίπεδο αντιστροφής. Στον πίνακα έχουµε την συνέχεια του πίνακα όσο αναφορά τα αποτελέσµατα. Φαίνονται κατά στήλες το µήκος της ίνας ερβίου, ο παράγοντας nsp, ο παράγοντας noise figure εκφρασµένος σε db, ο παράγοντας SNR εκφρασµένος σε db και το κέρδος του ενισχυτή επίσης εκφρασµένο σε db. 33

34 Length(m) Power ASE(W) Power Signal(W) Inversion 1,00 0, , ,98 2,00 0, , ,98 3,00 0, , ,98 4,00 0, , ,97 5,00 0, , ,95 6,00 0, , ,91 7,00 0, , ,87 8,00 0, , ,83 9,00 0, , ,79 10,00 0, , ,76 11,00 0, , ,73 12,00 0, , ,71 13,00 0, , ,69 14,00 0, , ,67 15,00 0, , ,65 16,00 0, , ,64 17,00 0, , ,63 18,00 0, , ,62 19,00 0, , ,61 20,00 0, , ,60 Πίνακας Αποτελέσµατα για input 1µW, pump 60mW Length(m) nsp NOISE FIGURE(dB) SNR(dB) GAIN(dB) 1,00 1,01 2,59-1,22 6,84 2,00 1,01 2,97-0,76 13,66 3,00 1,02 3,06 0,05 20,38 4,00 1,02 3,10 0,61 26,76 5,00 1,04 3,17 0,92 32,10 6,00 1,07 3,31 1,20 35,73 7,00 1,12 3,49 1,56 37,87 8,00 1,17 3,69 2,01 39,11 9,00 1,22 3,89 2,52 39,84 10,00 1,28 4,09 3,04 40,26 11,00 1,34 4,29 3,52 40,48 12,00 1,40 4,48 3,94 40,56 13,00 1,46 4,66 4,26 40,54 14,00 1,52 4,84 4,48 40,45 15,00 1,58 5,01 4,58 40,29 16,00 1,65 5,18 4,57 40,08 17,00 1,71 5,34 4,44 39,82 18,00 1,77 5,50 4,21 39,53 19,00 1,84 5,65 3,88 39,19 20,00 1,90 5,80 3,48 38,81 Πίνακας Αποτελέσµατα(συνέχεια) για input 1µW, pump 60mW 34

35 3.6.1 ιαγράµµατα αποτελεσµάτων Παρακάτω παρουσιάζονται 3 διαγράµµατα από τα αποτελέσµατα της προσοµοίωσης του ενισχυτή για να µας βοηθήσει να καταλάβουµε την εξέλιξη των µεγεθών καλύτερα. Στα διαγράµµατα , , µπορούµε να δούµε το κέρδος, το επίπεδο αντιστροφής και το λόγο του σήµατος προς τον θόρυβο αντίστοιχα, ως προς το µήκος της ίνας ερβίου. ιάγραµµα Κέρδος ως προς το µήκος της ίνας ερβίου Gain-Κέρδος Κέρδος σε db 4,500000E+01 4,000000E+01 3,500000E+01 3,000000E+01 2,500000E+01 2,000000E+01 1,500000E+01 1,000000E+01 5,000000E+00 0,000000E Μήκος ίνας σε µέτρα Gain ιάγραµµα Mean Inversion ως προς το µήκος της ίνας ερβίου Επίπεδο Αναστροφής Mean Inversion 1,200000E+00 1,000000E+00 8,000000E-01 6,000000E-01 4,000000E-01 2,000000E-01 inversion 0,000000E Μήκος ίνας σε µέτρα 35

36 ιάγραµµα SNR ως προς το µήκος της ίνας ερβίου Λόγος Σήµατος προς Θόρυβο SNR(dB) 5,000000E+00 4,000000E+00 3,000000E+00 2,000000E+00 1,000000E+00 0,000000E+00-1,000000E+00-2,000000E Μήκος ίνας σε µέτρα SNR Από τα παραπάνω αριθµητικά αποτελέσµατα τελικά καταλήξαµε πως θα χρησιµοποιήσουµε 5 µέτρα ίνας της εταιρίας Fujiura. Σε αυτό το µήκος ίνας έχουµε τον καλύτερο συνδυασµό χαρακτηριστικών. ηλαδή έχουµε πολύ καλό ποσοστό αντιστροφής πληθυσµών που σηµαίνει ότι εκµεταλλευόµαστε αποδοτικά ολόκληρο το µήκος της ίνας. Επίσης έχουµε 32 db κέρδος, το οποίο πολύ καλό δεδοµένου ότι έχουµε πολύ χαµηλή ισχύ σήµατος στην είσοδο. Το SNR είναι κοντά στο 1 db, το οποίο µας ικανοποιεί ως ενισχυτής για να χρησιµοποιηθεί ως προενισχυτής µελλοντικά. Τέλος στα δεδοµένα υπήρχαν και άλλες πιθανές επιλογές οι οποίες όµως δεν προτιµήθηκαν τελικά γιατί αύξαναν τα επίπεδα του θορύβου χωρίς ουσιαστικά αυτό να αντισταθµίζεται τουλάχιστον µε όφελος σε κάποιο άλλο χαρακτηριστικό του ενισχυτή Φασµατικό περιεχόµενο Υπολογίστηκαν τα φάσµατα του ενισχυτή µαζί µε το σήµα στην έξοδο της ίνας ερβίου για τα µήκη από 1 µέτρο µέχρι 5 µέτρα. Τα φάσµατα αυτά παρουσιάζονται στο διάγραµµα 4 παρακάτω. Ο θόρυβος που δηµιουργείται στο µήκος κύµατος 1530 nm είναι αρκετός όµως δεν µας ενοχλεί γιατί το σήµα µας είναι στα 1550 nm και κατ επέκταση µπορούµε µε ένα φίλτρο να αφαιρέσουµε τελείως τον θόρυβο που υπάρχει στα 1530 nm. Ο θόρυβος ο οποίος δηµιουργεί δυσκολίες είναι αυτός οποίος είναι µαζί µε το σήµα στα 1550 nm γιατί δεν µπορούµε να τον ξεχωρίσουµε και να τον αφαιρέσουµε. Αυτός ο θόρυβος λέγετε in-band θόρυβος και κατά της σχεδίαση ο στόχος ήταν να το κρατήσουµε όσο γίνεται σε χαµηλότερα επίπεδα. Στο διάγραµµα το φάσµα των 5 µέτρων έχει ικανοποιητική διαφορά στα επίπεδα του θορύβου και του σήµατος. 36

37 ιάγραµµα Ισχύς ως προς το µήκος κύµατος ASE και Ισχύς σήματος 1,000000E+00 1,510000E- 1,000000E ,530000E- 06 1,550000E- 06 1,570000E- 06 Ισχύς (W) 1,000000E-02 1,000000E-03 1,000000E-04 1,000000E-05 l=5m l=1m l=2m l=3m l=4m 1,000000E-06 1,000000E-07 Μήκος κύματος (m) 37

38 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 Κατασκευή και Εργαστηριακός χαρακτηρισµός του EDFA Στο κεφάλαιο αυτό θα παρουσιαστεί η διαδικασία µε την οποία δοµήθηκε ο ενισχυτής στο εργαστήριο όπως επίσης και ο χαρακτηρισµός που έγινε στο εργαστήριο. Ο ενισχυτής κατασκευάστηκε µε τα διαθέσιµα µέσα και χαρακτηρίστηκε µε τα εργαλεία που είχαµε στη διάθεσή µας στο εργαστήριο. 4.1 Laser Άντλησης Ως πηγή άντλησης για τον EDFA της µελέτης µας χρησιµοποιήθηκε µια laser δίοδος και συγκεκριµένα η SN της εταιρίας LUMICS. Η δίοδος αυτή εκπέµπει στα 980 nm, η θερµοκρασία στην οποία λειτουργεί είναι από 20 µέχρι 30 βαθµούς κελσίου και η µέγιστη ονοµαστική ισχύς που µπορεί να εκπέµψει είναι τα 500 mw. Η δίοδος τοποθετήθηκε επάνω σε µια ψύκτρα για να διατηρεί την κατάλληλη θερµοκρασία. ηµιουργήθηκε επίσης και το κατάλληλο καλώδιο τροφοδοσίας το οποίο συνδέθηκε σύµφωνα µε τις οδηγίες του κατασκευαστεί στα αντίστοιχα pins τις διόδου. Η δίοδος αυτή έρχεται από την εταιρία κατασκευής µε ενσωµατωµένη ίνα εξόδου. Αυτό σηµαίνει πως δεν χρειάστηκε κατάλληλη διάταξη από εµάς για να τοποθετηθεί ίνα και δεν υπάρχουν απώλειες στο σηµείο αυτό. Στο παρακάτω σχήµα φαίνεται η δίοδος και η ίνα εξόδου. Σχήµα Πηγή άντλησης LUMICS SN

39 4.2 Laser Diode Controller Για να τεθεί η δίοδος σε λειτουργία χρησιµοποιήθηκε µια συσκευή που ονοµάζεται Laser Diode Controller και είναι της εταιρίας ILX Lightwave. Αυτή η συσκευή είναι ένα µηχάνηµα το οποίο διαθέτει πολλά κανάλια για την ρύθµιση και τον έλεγχο των διόδων laser. ιαθέτει κανάλια για την παροχή ρεύµατος στις διόδους όπως επίσης και για τον έλεγχο της θερµοκρασίας για την προστασία και σωστή λειτουργία της διόδου. Η λειτουργία γίνεται ανταλλάσοντας σήµατα πληροφορίας για τις εντολές ελέγχου, τις εντολές µετρήσεων και για τις λειτουργίες προστασίας της διόδου. Η συσκευή αυτή προσφέρει χαµηλό θόρυβο και υψηλή σταθερότητα και ακρίβεια στο ρεύµα. Μπορεί να προσφέρει ρεύµα µέχρι 1,5Α. Στην περίπτωση την δική µας παραµετροποιήσαµε το µηχάνηµα έτσι ώστε να θέσουµε τα όρια για το ρεύµα και την θερµοκρασία του laser pump που είχαµε στην διάθεσή µας. Στην παρακάτω εικόνα φαίνεται ο ILX Lightwave Laser Diode Controller. 4.3 Οπτικός Μετρητής Ισχύος Σχήµα ILX Lightwave Laser Diode Controller Για να παραχθεί το διάγραµµα I-P της διόδου χρησιµοποιήσαµε τον µετρητή οπτικής ισχύς (Optical Power Meter) της Hewlett-Pacard ο οποίος είναι ακριβείας και φαίνεται στην παρακάτω εικόνα. Σχήµα Μετρητής Ισχύος HP Με την βοήθεια λοιπόν των παραπάνω εργαλείων πραγµατοποιήθηκαν οι πειραµατικές µετρήσεις για τον χαρακτηρισµό της χρησιµοποιούµενης 39

40 διόδου για την άντληση του ενισχυτή µας. Μέσω του εργαλείο Diode Controller δώσαµε στην δίοδο ρεύµα από 40 ma µέχρι 679,8 ma και οι αντίστοιχες ισχύες που έδινε η δίοδος φαίνονται στον πίνακα παρακάτω. Αυτές οι ισχύες µετρήθηκαν στην έξοδο της ίνας του pump laser. I (ma) P (mw) 40 0, , , , , , , , , , , , , , , , , , ,7 679,8 417,6 Πίνακας Ισχύες της διόδου 40

41 Το αντίστοιχο διάγραµµα I-P είναι το εξής: P (mw) I-P ,8 I (ma) Σχήµα Ρεύµα-Ισχύς της διόδου 4.4 Splicer Αφού τοποθετήθηκε το laser άντλησης και χαρακτηρίστηκε θα έπρεπε σταδιακά να προστεθούν και τα υπόλοιπα κοµµάτια (components) για να δηµιουργηθεί ο ενισχυτής. Σε κάθε ένα από αυτά τα κοµµάτια στις άκρες τους υπάρχουν οπτικές ίνες, όπως για παράδειγµα στο laser. Έτσι για να τα ενώσουµε µεταξύ τους τα κοµµάτια θα έπρεπε να ενώσουµε τις µεταξύ τους ίνες. Το εργαλείο που χρησιµοποιήθηκε γι αυτό το σκοπό είναι το FSM-60S. Το µηχάνηµα αυτό το χρησιµοποιήσαµε όπου χρειαζόταν να κάνουµε τέτοιου είδους ενώσεις ινών. Χρησιµοποιεί την σύγχρονη και πιο αποδοτική τεχνική, ένωσης των ινών µε τήξη. Τα άκρα των ινών απογυµνώνονται από το προστατευτικό πλαστικό περίβληµα (jacet) µε ένα ειδικό εργαλείο (stripper). Στη συνέχεια µε ειδικό µηχάνηµα κοπής (cleaver), το γυµνό άκρο της ίνας κόπηκε κάθετα και καθαρίστηκε µε ισοπροπυλική αλκοόλη. Η κάθετη κοπή και ο καθαρισµός του απογυµνωµένου άκρου έχουν ως σκοπό την κατάλληλη προετοιµασία των ινών για να τοποθετηθούν στον splicer έτσι ώστε να πετύχουµε όσο το δυνατόν χαµηλότερες απώλειες στην ένωση. Αφού τοποθετηθούν οι ίνες στις κατάλληλες θέσης, το µηχάνηµα αυτόµατα ευθυγραµµίζει τους πυρήνες των ινών και λιώνει τις άκρες τους έτσι ώστε να κολλήσουν. Τέλος το λογισµικό της συσκευής κάνει µια εκτίµηση για τις απώλειες που εισάγει αυτή η ένωση. Η συσκευή που περιγράφηκε φαίνεται στις παρακάτω εικόνες. 41

42 Σχήµα Ο Splicer που χρησιµοποιήθηκε στο εργαστήριο Για την ολοκλήρωση της κατασκευής του ενισχυτή έπρεπε να τοποθετηθούν ένας οπτικός αποµονωτής, 2 συνδετήρες (connectors) για το input και το output, τρείς συζεύκτες (couplers), η ίνα εµπλουτισµένη µε έρβιο (Erbium Doped Fiber) και το φίλτρο για τον θόρυβο (ASE rejection filter). Όλα αυτά τα κοµµάτια ενώθηκαν µε το µηχάνηµα και την διαδικασία που περιγράφηκε πιο πάνω. Το τελικό αποτέλεσµα είναι ο ενισχυτής ίνας ερβίου που υλοποιήθηκε στο εργαστήριο και φαίνεται παρακάτω στην εικόνα. Σχήµα Ο ενισχυτής που υλοποιήθηκε στο εργαστήριο µε τα εξής στοιχεία: (1)δίοδος, (2) Ίνα ερβίου, (3) Πολυπλέκτης 80/20, (4) Πολυπλέκτης 2x1, (6) Πολυπλέκτης 1x2, (7) Αποµονωτής, (8) Φίλτρο θορύβου 42

43 Μετά την κατασκευή του ενισχυτή στο εργαστήριο θα πρέπει να γίνουν οι πειραµατικές µετρήσεις του ενισχυτή. Για να επιτευχθεί αυτό θα πρέπει να έχουµε τις κατάλληλες διατάξεις για την πειραµατική µελέτη όπως επίσης και τον κατάλληλο εξοπλισµό ακριβείας. Για τον χειρισµό της διόδου για την άντληση χρησιµοποιήσαµε έναν controller της εταιρίας ILX Lightwave τον οποίο περιγράψαµε σε πιο πάνω κεφάλαιο. Για την µέτρηση των ισχύων πάλι χρησιµοποιήθηκε ο µετρητής ισχύος της HP ο οποίος είναι ακριβείας και περιγράφηκε πιο πάνω. Με την βοήθεια του οπτικού αναλυτή φάσµατος (OSA, Optical Spectrum Analyzer) πήραµε τα φάσµατα στα σηµεία που επιθυµούσαµε και τέλος χρησιµοποιήσαµε µια συντονιζόµενη οπτική πηγή για την τροφοδοσία της εισόδου του ενισχυτή όπως και για µετρήσεις απωλειών των φίλτρων και άλλων στοιχείων. 4.5 Συντονιζόµενη Οπτική Πηγή (Tunable Laser Source) Η συντονιζόµενη οπτική πηγή AQ4321A της εταιρίας ANDO χρησιµοποιήθηκε για το χαρακτηρισµό των διάφορων οπτικών εξαρτηµάτων αλλά και ως πηγή σηµάτων στον EDFA. Η πηγή αυτή είναι συντονιζόµενη στην περιοχή µηκών κύµατος 1480 nm-1580 nm µε µέγιστη ακρίβεια έως και ± 10 pmστο µήκος κύµατος 1520 nm. Οι µέγιστες ισχύες εξόδου είναι +7dBm στο εύρος 1520 nm-1570nm, +5dBm στο εύρος 1500 nm-1580nm, +3dBm στο εύρος 1480 nm-1580nm. Η ακτινοβολία της είναι πολύ «καθαρή», πρακτικά µονοχρωµατική, µε πολύ στενό εύρος ζώνης. Η συσκευή αυτή είναι σταθερή και έχει ακρίβεια για µία ώρα λειτουργίας η οποία είναι της τάξης ± 0.05db. Επίσης η εν λόγω πηγή έχει ως έξοδο µία υποδοχή για συνδετήρα. Έτσι για τη σύνδεση της πηγής µε τα διάφορα οπτικά εξαρτήµατα χρησιµοποιήθηκε ένα καλώδιο (patch cable). Η πηγή ANDO AQ4321A απεικονίζεται στο παρακάτω σχήµα. Σχήµα Συντονιζόµενη οπτική πηγή AQ4321A 43

44 4.6 Χαρακτηρισµός EDFA Στην διαδικασία χαρακτηρισµού του ενισχυτή ίνας ερβίου αυτό που κάναµε είναι να δίνουµε σήµατα στην είσοδο του ενισχυτή για διάφορα µήκη κύµατος κοντά στην περιοχή των 1550 nm, όπως επίσης και για διαφορετικές ισχύς. Στο σηµείο αυτό θα παραθέσω τα διαγράµµατα των φασµάτων που πήραµε µε την βοήθεια του αναλυτή φασµάτων στην έξοδο του ενισχυτή. Η µέτρηση έγινε πριν από το φίλτρο του θορύβου (ASE rejection filter) γιατί θέλαµε να πάρουµε το φάσµα του ενισχυτή EDFA. ηλαδή το φάσµα χωρίς να έχουµε σήµα στην είσοδο του ενισχυτή, το οποίο είναι ο θόρυβος ASE που παράγει ο ενισχυτής. Η διάταξη των µηχανηµάτων για τις µετρήσεις φαίνεται στο παρακάτω σχήµα. Ξεκινήσαµε δίνοντας ρεύµα στην δίοδο άντλησης 100 ma, 200 ma, 300 ma, 400 ma, 500 ma, 600 ma και 680 ma. Σχήµα ιάταξη των µηχανηµάτων για την µέτρηση του θορύβου ASE Τα διαγράµµατα των φασµάτων είναι: Σχήµα Φάσµα ASE του EDFA µε ισχύ στο Pump laser 100mA 44

45 Σχήµα Φάσµα ASE του EDFA µε ισχύ στο Pump laser 200mA Σχήµα Φάσµα ASE του EDFA µε ισχύ στο Pump laser 300mA Σχήµα Φάσµα ASE του EDFA µε ισχύ στο Pump laser 400mA 45

46 Σχήµα Φάσµα ASE του EDFA µε ισχύ στο Pump laser 500mA Σχήµα Φάσµα ASE του EDFA µε ισχύ στο Pump laser 600mA Σχήµα Φάσµα ASE του EDFA µε ισχύ στο Pump laser 680mA 46

47 Εκτός από τα φάσµατα µετρήσαµε και τις ισχύες στη έξοδο του ενισχυτή στο ίδιο σηµείο από το οποίο πήραµε τα φάσµατα. Η διάταξη των µετρήσεων είναι η ίδια µε το παραπάνω σχήµα. Να σηµειωθεί πως ο αναλυτής φασµάτων δίνει την δυνατότητα αποθήκευσης των φασµάτων που λαµβάνουµε κατά τις µετρήσεις και έτσι εύκολα αυτές οι εικόνες µπορούν να αποθηκευτούν στον υπολογιστή. Οι παραπάνω εικόνες είναι το αποτέλεσµα που δίνει ο αναλυτής φασµάτων µε τις κατάλληλες ρυθµίσεις για την ανάλυση της εικόνας. Ο αντίστοιχος πίνακας µε τις ισχύες είναι ο εξής: I (ma) P (mw) 100 0, , , , , , , , , , , , ,782 Πίνακας Ισχύες εχόδου του EDFA πριν από το ASE rejection filter Μετά την τοποθέτηση του φίλτρου για να απαλλαγούµε από όσο το δυνατόν περισσότερο θόρυβο πήραµε ξανά τα φάσµατα του ενισχυτή για να µπορέσουµε να δούµε την διαφορά. Η διάταξη των µετρήσεων είναι η ίδια µε την παραπάνω διάταξη, η µόνη διαφορά είναι πως τώρα η µέτρηση έγινε µετά το ASE rejection filter. Η µέτρηση είναι µόνο µία και είναι για 680 ma ρεύµα στο pump laser. Σχήµα Φάσµα ASE του EDFA µε ισχύ στο Pump laser 680mA µετά το ASE rej filter 47

48 Όπως φαίνεται και στο σχήµα του φάσµατος το φίλτρο έχει κόψει αρκετό από τον θόρυβο του ενισχυτή. Το φίλτρο είναι της εταιρίας JDSU και χρησιµοποιήθηκε έτσι ώστε να απαλείψουµε τον θόρυβο που δηµιουργεί ο ενισχυτής δηλαδή τον θόρυβο ASE(Amplified Spontaneous Emission). Με τον τρόπο αυτό ο ενισχυτής αυτός µπορεί να χρησιµοποιηθεί ως προενισχυτής κρατώντας τον θόρυβο χαµηλά. Το φίλτρο κόβει τις ισχύες από τα 1510nm µέχρι τα 1535nm και συγκρίνοντας τις εικόνες και βλέπουµε στα αριστερά του φάσµατος την µείωση του θορύβου. Στη συνέχεια του χαρακτηρισµού του EDFA θα συνδέσουµε την είσοδό του µε την συντονιζόµενη πηγή έτσι ώστε να τροφοδοτούµε τον ενισχυτή µε διάφορες ισχύες σηµάτων για να δούµε πως θα συµπεριφερθεί ο ενισχυτής µας. Παρακάτω φαίνονται οι πίνακες µε τα αποτελέσµατα για τα διάφορα µήκη κύµατος του σήµατος στην είσοδο του ενισχυτή. Μήκος κύµατος 1546,45 nm Power Input (µw) Psignal (mw) Poutput (mw) Psignal+losses(mW) 1 0,219 1,32 0, ,244 1,71 0, ,57 2,08 1, ,821 2,41 1, ,99 2,72 2, ,68 4,06 3, ,074 5,05 2, ,49 5,88 3, ,02 7,07 4, ,77 7,9 3, ,48 8,65 5, ,79 10,6 10, ,36 11,66 7,522 Πίνακας Αποτελέσµατα χαρακτηρισµού του EDFA στα 1546,45nm ώσαµε σήµα στον EDFA το οποίο απεικονίζεται στον πίνακα ως Power Input. Το Psignal είναι η τιµή της ισχύος που πήραµε αφού φιλτράραµε µε ένα ζωνοπερατό φίλτρο την ισχύ της εξόδου του ενισχυτή (Poutput) έτσι ώστε να λάβουµε µόνο την ισχύ στο µήκος κύµατος του σήµατός µας. Το ζωνοπερατό φίλτρο ρυθµίστηκε στο αντίστοιχο µήκος κύµατος. Όµως το φίλτρο εισάγει απώλειες και για να δούµε τι πραγµατικά αποδίδει ο ενισχυτής έπρεπε να µετρήσουµε τις απώλειες του φίλτρου και να τις προσθέσουµε στην τιµή. Η τιµή αυτή είναι η τελευταία στήλη Psignal+losses. Η διάταξη για την µέτρηση των απωλειών είναι η παρακάτω. Σχήµα ιάταξη χαρακτηρισµού του EDFA στα 1546,45nm 48

49 ηλαδή µετρήθηκε η ισχύς στην είσοδο του φίλτρου και η ισχύς στην Pout έξοδο του φίλτρου και από τον τύπο 10 log 10( ) υπολογίστηκαν οι Pin απώλειες, οι οποίες σ αυτή την περίπτωση είναι 3.5 db. Εµείς πήραµε τα φάσµατα για κάθε είσοδο του ενισχυτή όµως για οικονοµία χώρου θα παρουσιαστούν για τις τιµές 2µW, 20µW και 150µW. ιάγραµµα Φάσµα του EDFA για ισχύ σήµατος στην είσοδο 2µW στα 1546,45nm ιάγραµµα Φάσµα του EDFA για ισχύ σήµατος στην είσοδο 20µW στα 1546,45nm 49

50 ιάγραµµα Φάσµα του EDFA για ισχύ σήµατος στην είσοδο 150µW στα 1546,45nm Παρακάτω συνεχίζουµε µε τον πίνακα των µετρήσεων για το επόµενο µήκος κύµατος του χαρακτηρισµού το οποίο είναι τα 1550 nm. Μήκος κύµατος 1550 nm Power Input (µw) Psignal (mw) Poutput (mw) Psignal+losses(mW) 1 0,13 0,912 0, ,23 1,118 0, ,308 1,339 0, ,407 1,54 1, ,509 1,725 1, ,89 2,59 2, ,642 2,31 1, ,745 2,54 2, ,12 2, ,43 3,76 3, ,6 4,15 4, ,24 5,6 6, ,64 6,44 7, ,76 10,5 10, ,56 10,66 12, , , ,040 Πίνακας Αποτελέσµατα χαρακτηρισµού του EDFA στα 1550nm Η αντίστοιχη διάταξη για τον υπολογισµό των απωλειών του φίλτρου είναι: Σχήµα ιάταξη χαρακτηρισµού του EDFA στα 1550nm 50

51 Οι απώλειες υπολογίστηκαν στα 4,4dB για το φίλτρο στα 1550 nm και τα αντίστοιχα φάσµατα απεικονίζονται παρακάτω. ιάγραµµα Φάσµα του EDFA για ισχύ σήµατος στην είσοδο 2µW στα 1550nm ιάγραµµα Φάσµα του EDFA για ισχύ σήµατος στην είσοδο 20µW στα 1550nm 51

52 ιάγραµµα Φάσµα του EDFA για ισχύ σήµατος στην είσοδο 150µW στα 1550nm Τέλος παραθέτονται οι µετρήσεις για το τελευταίο µήκος κύµατος το οποίο είναι τα 1555nm. Μήκος κύµατος 1555 nm Power Input (µw) Psignal (mw) Poutput (mw) Psignal+losses(mW) 1 0,136 0,993 0, ,261 1,227 0, ,392 1,47 0, ,539 1,688 0, ,665 2,09 1, ,1 3 1, ,429 3,4 2, ,77 4,03 3, ,26 5,04 4, ,66 5,7 4, ,97 6,45 5, ,97 8,4 7, ,5 9,52 8, ,28 11,18 9, ,75 12,18 10, ,3 13,35 11, ,61 16,05 13,533 Πίνακας Αποτελέσµατα χαρακτηρισµού του EDFA στα 1555nm Η αντίστοιχη διάταξη για τον υπολογισµό των απωλειών του φίλτρου είναι: Σχήµα ιάταξη χαρακτηρισµού του EDFA στα 1555nm 52