Amplificazione ottica (1/2)

Amplificatori Ottici
Amplificazione ottica (1/2)
Per controbilanciare l’attenuazione della fibra,
sono utili gli amplificatori ottici
Eout (t ) = GEin (t ) + n(t )
Rumore ottico generato dall’amplificatore
Guadagno ottico
Amplificazione ottica (2/2)
Il segnale ottico di uscita deve idealmente essere
una copia identica a quello di ingresso, con minima
distorsione (salvo rumore additivo).
Notare che si tratta di dispositivi “tutto-ottici”,
senza conversione di segnale in elettronico
(rigenerazione 1R).
Principio di funzionamento (1/4)
Gli amplificatori ottici si basano su principi simili
a quelli visti per i sistemia semiconduttore,
cioè:
1. Emissione stimolata
Effetto principale, che permette
l’amplificazione.
Principio di funzionamento (2/4)
2. Emissione spontanea
Effetto non voluto, ma sempre presente,
causa di generazione di rumore.
3. Assorbimento
Effetto che permette il trasferimento di
potenza dalla “pompa” al segnale utile.
Principio di funzionamento (3/4)
L’amplificazione ottica è possibile grazie al
trasferimento di potenza tra un segnale ottico
non modulato (detto “segnale di pompa”) al
segnale utile.
Il trasferimento di energia è possibile grazie a:
Assorbimento della potenza di pompa
Emissione stimolata sulla potenza di segnale.
Principio di funzionamento (4/4)
Amplificatori ottici ad erbio
Ebrium Doped Filter Amplifier (EDFA) (1/2)
Gli amplificatori ottici di gran lunga più comuni
sono gli amplificatori ottici ad Erbio, detti EDFA
(Erbium Doped Fiber Amplifiers).
Sono costituiti semplicemente da un tratto (10-40 metri) di
fibra in vetro con un opportuno drogaggio di Erbio.
Ebrium Doped Filter Amplifier (EDFA) (2/2)
Il drogaggio ad Erbio è stato scelto poichè, date le sue
caratteristiche atomiche, permette di ottenere
amplificazione ottica su lunghezze d’onda attorno a 1550
nm (terza finestra, minimo di attenuazione della fibra).
EDFA e lunghezza d’onda
Per le caratteristiche dell’Erbio, il pompaggio
può avvenire ad una delle due seguenti
lunghezze d’onda
980 nm
1480 nm
EDFA – struttura e nomenclatura -
Caratteristiche EDFA
Caratteristiche EDFA
Gli EDFA sono oggi dei dispositivi disponibili
commercialmente ed estremamente affidabili.
Hanno costi elevati, che ne permettono l’uso solo
per le trasmissionia lunga distanza (>50 Km)
In questo contesto, gli EDFA hanno tuttavia
costituito una “rivoluzione tecnologica”,
avvenuta a partire dal 1990.
Potenze di uscita tipiche: fino a 20 dBm e oltre.
Guadagni tipici: fino a 30-40 dB.
Saturazione e guadagno
Per la conservazione dell’energia , la potenza di
uscita dell’EDFA (considerando pompa+segnale)
deve essere inferiore a quella di ingresso
Parte della potenza viene infatti persa lungo
la fibra.
A parità di potenza di pompa, il guadagno sulla
potenza di segnale avrà un effetto di saturazione.
Saturazione e guadagno (2/2)
Banda EDFA
La banda di guadagno è tipicamente
definita come quella zona dove il
guadagno è piatto entro 1 dB. I
valori tipici per gli EDFA standard
sono attorno ai 30 nm.
Nei sistemi ad alta capacità le
limitazioni alla massima banda
disponibile sono legate alla banda
degli EDFA. Sono state studiate varie
soluzioni tecnologiche per allargare
questa banda.
Bande EDFA - terminologia
C-Band (central)
standard EDFA band, circa 15351565.
L-Band (Large wavelength)
Circa 1570-1600 nm.
XL-Band (Xlarge wavelength)
sopra 1600 nm.
S-Band
sotto 1530 nm.
EDFA a banda larga - terminologia
Per ottenere EDFA con banda larga,
al di fuori
della classica banda C, sono utilizzati
Opportuni filtri ottici (passivi) di
equalizzazione del guadagno.
Si usano Droganti aggiuntivi oltre
all’Erbio.
EDFA e rumore ASE (1/2)
Così come gli amplificatori elettrici,
gli EDFA
generano rumore
Il rumore è dovuto al fenomeno
dell’emissione spontanea.
EDFA e rumore ASE (2/2)
In un EDFA, un fotone emesso spontaneamente viene
successivamente amplificato
Il rumore complessivo viene chiamato:
Amplified Spontaneous Emission (ASE) noise.
Amplificatori ottici a
semiconduttori
Amplificatori ottici a semiconduttore
Esistono altri tipi di amplificatori ottici
(meno diffusi degli amplificatori ottici
ad Erbio)
Semiconductor Optical Amplifiers
(SOA).
Si basano sullo stesso principio dei
laser (emissione stimolata in un
semiconduttore), senza però
feedback ottico.
Rispetto agli EDFA:
guadagno attorno a
1550 nm (ma possibili
anche altre bande, ad
esempio 1300 nm);
banda pari a 20-30 nm;
maggiore quantità di
rumore; causa effetti di
crosstalk, non possono
essere utilizzati per
amplificazione WDM.
Campi di applicazione SOA (1/2)
I SOA non hanno per ora significative
applicazioni commerciali.
Tuttavia hanno alcune caratteristiche
potenzialmente interessanti:
- dimensioni molto compatte
- minore consumo
- costo potenzialmente inferiore.
Campi di applicazione SOA (2/2)
Potrebbero dunque trovare utilizzo
per applicazioni di amplificazione
ottica a basso costo (MAN).
Inoltre sono dispositivi molto utilizzati
in ambito di ricerca avanzata per
“processing ottico”:
- switch ottici
- convertitori di lunghezza d’onda.
SOA e switch (1/2)
I SOA possono essere “accesie
spenti” molto velocemente, tramite
modulazione della corrente di
iniezione
Così come i laser in modulazione
diretta, possono essere modulati su
tempi dell’ordine dei nanosecondi.
Campi di applicazione SOA (2/2)
Conseguentemente, possono essere
utilizzati come switch ottici