Amplificatori Ottici

AMPLIFICATORI OTTICI
Amplificatori ottici
Gli amplificatori ottici permettono di amplificare un flusso luminoso
in transito, senza la necessità di conversioni ottiche - elettriche ottiche.
Conseguentemente, la funzione “consolidata” degli amplificatori
ottici è quella di consentire la trasmissione a lunga distanza,
evitando le conversioni elettro-ottiche, inevitabili nei punti di
rigenerazione.
Funzioni fondamentali degli amplificatori ottici sono la
compensazione delle attenuazioni nelle reti metropolitane e
l’equalizzazione della potenza di canale nelle reti riconfigurabili (ad
esempio, nei nodi add - drop).
Rispetto alle tecniche tradizionali, l’impiego degli amplificatori ottici
come pre-amplificatori riduce l’impatto del rumore “termico”,
prevalente nei ricevitori di intensità, a fronte di un incremento del
rumore “fotonico” .
Amplificatori ottici
Il meccanismo con cui si ottiene l’amplificazione è quello dell’emissione
stimolata in un mezzo ove sia stata realizzata una inversione di
popolazione e ove la transizione energetica sia compatibile con le energie
dei fotoni che devono essere amplificati.
Le tecniche di amplificazione ottica più importanti sono basate su:
amplificatori in fibra ottica attiva in cui, in un tratto di fibra (di una
decina o di qualche decina di metri), drogata con materiali opportuni (ad
es., erbio, EDFA, Erbium Doped Fibre Amplifier), è ottenuta l’inversione
di popolazione, mediante pompaggio ottico.
amplificatori Raman, basati sull’effetto di scattering Raman;
 amplificatori a semiconduttore (SOA, Semiconductor Optical
Amplifier), pompati elettricamente mediante iniezione di corrente,
impedendo la possibilità di oscillazione, con l’eliminazione della
riflessione alle facce della cavità ottica attiva (anti-reflection coating).
Amplificatori ottici
Riguardo agli amplificatori ottici “di linea” e ai preamplificatori ottici, la
tecnologia consolidata è quella degli amplificatori in fibra drogata
all’erbio (EDFA), in banda C (1530 – 1565 nm).
Tecnologie emergenti, sempre per impiego in linee ottiche:
 amplificatori EDFA in banda L (1565 – 1625 nm);
 amplificatori in fibra drogati con altre terre rare per nuove bande, ad
esempio, il Tulio per la banda S (1460 – 1530 nm).
Amplificatori ottici
In particolare,
- gli amplificatori Raman sono di tipo “distribuito”, ovvero utilizzano la
fibra stessa di propagazione per l’amplificazione, ovviamente mediante
una opportuna pompa ottica, hanno bassa rumorosità e sono adatti per
qualsiasi banda, C, L, S . Hanno una“bassa” efficienza e quindi le
potenze di pompa sono elevate (centinaia di mW fino a qualche W) e le
lunghezze degli amplificatori notevoli (decine di km);
- i SOA, realizzati con chip a semiconduttore, sono compatti e
potenzialmente impiegabili come amplificatori di linea a tutte le
lunghezza d’onda (II e III finestra ottica), variando la composizione del
materiale-InGaAsP, sia pure con un sensibile incremento del rumore
ottico rispetto all’EDFA;
- gli amplificatori in fibra “attiva” al Tulio ed al Praseodimio sono
adatti per bande meno convenzionali (banda S e banda O).
Amplificatori ottici EDFA
Gli amplificatori EDFA hanno rivoluzionato le comunicazioni ottiche:
 configurazioni per amplificazione di linea e preamplificazione ottica e
di amplificazione di potenza in trasmissione (booster);
 bande piuttosto ampie, 2070 nm;
 elevato guadagno di piccolo segnale, 20  40 dB, con decine di mW di
potenza di pompa;
 elevate potenza di uscita nella configurazione di booster, > 200 mW;
 elevata potenza di saturazione di uscita, 15-25 dBm.
 cifra di rumore, F, dell’ordine di 4-5 dB, con pompa a 980 nm
(amplificatore di linea o preamplificatore), dell’ordine di 6-7 dB con
pompa a 1480 nm (amplificatore di potenza);
 insensibili al bit-rate, al formato di modulazione, al livello di potenza
ed alla lunghezza d’onda di lavoro (entro la banda utile).
Amplificatori EDFA
Negli EDFA, il mezzo attivo è un tratto di fibra ottica (una decina o poche
decine di metri), drogata con ioni di Erbio (Er3+).
Tali ioni hanno una struttura energetica a livelli (anche se i livelli 4I15/2 –
ground – 4I13/2 sono ulteriormente articolati rispettivamente in 8 e 7
sottolivelli: effetto Stark), e non a bande come nei semiconduttori, che
presentano transizioni radiative utili per la III finestra.
Il pompaggio è ottico, con fotoni con l = 1480 e 980 nm.
Il pompaggio a 980 nm, relativo ad un livello energetico più distante da
quello utilizzato nella transizione radiativa, rispetto al pompaggio a 1480
nm, consente, come già visto, una inversione di popolazione più completa,
con conseguente rumorosità minore.
Il pompaggio a 980 nm consente, quindi, guadagni maggiori
(tipicamente 10 dB/mW contro 5 dB/mW) e minore cifra di rumore.
Amplificatori ottici EDFA
• La potenza della pompa (laser @ 1480 o 980 nm) è assorbita dagli ioni di
Erbio nella fibra drogata. Il segnale ottico di ingresso stimola gli atomi di
erbio ad emettere un segnale ottico “coerente” con quello di ingresso, con
guadagno: banda di guadagno 1525-1570 nm (C&L), picco @ 1532 nm.
• Effetti collaterali negativi sono dovuti all’emissione spontanea da parte
degli atomi di erbio, associata a un “fondo” di luce e rumore ottico (ASE).
• Tra i vantaggi degli EDFA, semplice ed efficiente accoppiamento alle
fibre e alta potenza di saturazione di uscita (maggiore a 1480 nm rispetto
a 980 nm: tipicamente, 5 dBm a 980 nm, 20 dBm a 1480 nm).
Fibra drogata
segnale
Accoppiatore
WDM
Laser di pompa
 100 mW
Isolatore
ottico
Amplificatori EDFA
4I
0.80 mm
9/2
4I
0.98 mm
11/2
Transizione veloce non
radiativa ( 1 ms): fononi
4 I 13/2 livello metastabile: tempi
di vita per transizione allo
stato “ground” elevati,  10 ms)
Pompa a
1.48 mm
4
Transizione ad uno stato inferiore
1.477- 1.625 mm
Pompa a
0.98 mm
Transizione radiativa
a  1.55 mm
I 15/2
Diagramma energetico degli ioni di Erbio nelle fibre in silice. Nella silice vi sono
ioni Er 3+, ovvero atomi di erbio che hanno perduto tre dei loro elettroni esterni
(xLy: x spin multiplicity, L momento angolare orbitale, y momento angolare totale).
Amplificatori ottici EDFA
0
20 dBm
15 dBm
-10
Potenza di pompa 10 dBm
-20
-30
-40
-35
-30
-25
-20
-15
-10
Potenza di uscita (dBm)
10
-40
Potenza di ingresso (dBm)
Potenza di uscita in funzione della potenza di ingresso, per diversi valori
della potenza di pompa, per un amplificatore EDFA con pompa a 980 nm)
20
40
dB
Guadagno dB
+10 dBm
a
b
-40 dBm
1525 nm
1575 nm
Lunghezza d’onda nm
Spettro ottico dell’emissione spontanea
amplificata in assenza di segnale (a) e
con un segnale ottico di ingresso e con
saturazione dell’amplificatore (b).
30
20
Banda C 30 nm
1530–1560 nm
Banda L 30 nm
1580–1610nm
15
10
5
10
0
1520 1540
1560
1580 1600
0
Figura di rumore dB
Amplificatori EDFA
Lunghezza d’onda nm
Guadagno e cifra di rumore di un
EDFA in configurazione parallela.
Da notare che amplificatori a fibra attiva drogata al Tulio possono essere
impiegati per la cosiddetta banda S, 1470 - 1510 nm .
Amplificatori EDFA
• Nella banda L, il coefficiente di guadagno è minore di quello nella
banda C: è necessaria, quindi, una maggiore lunghezza della fibra attiva
(ad esempio, 150 m).
• I benefici sono l’espansione della banda totale (ad esempio, fino a 80
nm), consentendo la trasmissione di un maggior numero di canali.
• Le criticità sono associate sia alla maggiore lunghezza della fibra attiva,
con possibili problemi di dispersione cromatica, sia alla possibilità di
passaggio di potenza da segnali presenti nella banda C a quelli in banda L
per Scattering Raman Stimolato.
• Oltre all’Erbio, si possono impiegare altri droganti, che emettono luce a
differenti lunghezze d’onda. Inoltre, tipi di matrice vetrosa diversi dalla
tradizionale silice (ad esempio, fluoruri) influenzano la posizione e
l’efficienza della bande ottiche ottenibili con i vari droganti.
Guadagno e fattore di emissione spontanea
in funzione della potenza di pompa
4
Guadagno [dB]
30
G
25
3.5
20
3
15
2.5
10
2
nsp
5
10
1.5
20
30
40
Potenza di pompa [mW]
50
1
Fattore di emissione spontanea nsp
Sia il guadagno sia il fattore di emissione spontanea dipendono
fortemente dall’entità della potenza di pompa; la figura, mostrata a titolo
di esempio, si riferisce ad una pompa a 1480 nm.
Guadagno ottico G
40
Pin = - 30 dBm
Gain (dB)
35
30
Pin = - 20 dBm
25
Pin = - 10 dBm
20
Pin = - 5 dBm
15
1530
1540
1550
1560
1570
1580
Lunghezza d’onda nm
G
SOUT
S IN
S IN : segnale ottico di ingresso
SOUT : segnale ottico di uscita senza rumore
 Il valore del guadagno dipende dalla potenza del segnale di ingresso;
 il punto di lavoro (saturazione) di un EDFA dipende fortemente dalla potenza
e dalla lunghezza d’onda del segnale di ingresso.
Guadagno ottico G
Il guadagno di un EDFA (come pure l’ASE) in funzione della lunghezza
d’onda varia con la lunghezza d’onda e la potenza del segnale di ingresso.
Riferendosi alla figura, il guadagno diminuisce all’aumentare della potenza
in ingresso: se la potenza di ingresso é -20 dBm il guadagno é circa 30 dB, a
1550 nm, e la potenza utile di uscita é 10 dBm; se la potenza di ingresso é -10
dBm, il guadagno é circa 25 dB e la potenza di uscita é 15 dBm.
Sopra ai -10 dBm in ingresso, l’amplificatore é in piena compressione: con
– 5 dBm di potenza di ingresso, il guadagno é 20 dB, quindi l’ulteriore
aumento della potenza di ingresso non ha effetto sulla potenza di uscita (ma
può consentitre di migliorare la cifra di rumore).
Si riconosce la saturazione perchè la traccia (nella figura) diventa più piatta
quando la potenza in ingresso aumenta. La saturazione è una situazione
preferita di lavoro poiché stabilizza il sistema e riduce il rumore, senza
causare effetti nonlineari nell’amplificatore ad alte velocità di modulazione.
Tipologie di amplificatori EDFA
 Amplificatori di linea
installati ogni 30  70 km lungo un collegamento ottico;
 buon valore della cifra di rumore, potenza di uscita di valore medio.
 Amplificatori booster
 fino a  30 dBm di potenza; amplifica la potenza del trasmettitore;
 impiegati anche nei sistemi TV via cavo prima di uno Star Coupler.
 Pre-amplificatori
amplificatori a bassa cifra di rumore come front end dei ricevitori.
 Pompati da remoto
 senza necessità di elettronica ulteriore, estendono i collegamenti fino
a più di 200 km (tipiche le applicazioni “sottomarine”).
Amplificatori EDFA
Banda C / Banda L
 Coefficiente di guadagno di 6.3dB/mW, efficienza di conversione
massima del 77%, con pompa a 1.48 mm, a 1550 nm (banda C);
 il coefficiente di guadagno é più piccolo a 1580 nm (banda L) a causa
della minore cross section relativa all’emissione stimolata;
 l’efficienza di conversione é maggiore a 1550 nm; questo perché
l’amplificazione a 1580 nm é dovuta all’ASE a 1550 nm, generato dalla
pompa a 1480 nm;
 maggiore potenza di pompa e maggiore lunghezza di fibra é richiesta
a 1580 nm rispetto a 1550 nm.
Amplificatori ottici Raman
• L’effetto Raman sposta la l di un segnale ottico a valori maggiori (lo
shift è di  13 THz, corrispondenti, @ 1550 nm, a  100 nm).
• Si ha amplificazione distribuita di un segnale spostato in lunghezza
d’onda del suddetto shift, che si propaga nello stesso materiale ove è
presente la pompa ottica.
• La pompa stimola una più intensa emissione (coerente), per effetto
Raman, alla stessa lunghezza d’onda del segnale utile.
• Tra le più significative proprietà dell’amplificazione Raman:
 non è richiesto drogaggio, la fibra stessa è sede di amplificazione;
 è, intrinsecamente, un effetto “debole”, che richiede elevate lunghezze
di fibra (tipicamente, maggiori di 10 km) e alte potenze di pompa
(tipicamente, dell’ordine di 20  30 dBm);
amplifica, se la lunghezza d’onda della pompa è opportuna, qualunque
lunghezza d’onda di segnale.
Distributed Raman Amplifier (DRA)
 Come già detto, l’amplificatore DRA é basato sullo scattering Raman;
 una pompa di elevata potenza é co-lanciata in fibra ad una lunghezza
d’onda più bassa di quella del segnale che deve essere amplificato
Stato
transitorio
Pompa
per esempio, a
1450 nm
dI s
 gR  I p I s
dz
I s : intensità Stoke
I p: intensità di pompa
Amplificazione
1550 nm
fonone
rilassamento
Stati
vibrazionali
Stato ground
Coefficiente di guadagno [m/W]
Tipica curva di guadagno Raman in funzione di l
7e-14
6e-14
5e-14
4e-14
3e-14
2e-14
1e-14
copolarizzato
ortogonale
20
40
60
80
100
120
140
Differenza di lunghezza d’onda [nm], a 1500 nm
160
Valore del guadagno Raman gR nelle fibre di silice fusa; la dipendenza dalla
polarizzazione obbliga ad impiegare la diversità di polarizzazione di pompa.
gR varia con la composizione del core della fibra e cambia in modo sensibile con i
droganti: dipende inversamente dal valore di l.
Amplificatori ottici Raman – vantaggi e svantaggi
Punti di forza degli amplificatori Raman:
• bassa cifra di rumore;
• tratte di amplificazione lunghe, con minori dislivelli di intensità rispetto
all’uso di EDFA;
• possono essere aggiunti agli amplificatori EDFA, in qualità di preamplificatori (amplificazione ibrida); ciò consente di realizzare tratte
molto lunghe, con una serie di amplificatori, senza necessità di costosi
rigeneratori, sino a bit-rate di 40 Gbit/s;
• poiché la curva di guadagno trasla con la lunghezza d’onda della
pompa, nuove bande ottiche possono essere sfruttate;
• le intensità delle pompe possono essere messe a punto allo scopo di
ottimizzare la risposta dell’amplificatore (guadagno costante su un
intervallo spettrale ampio).
Amplificatori ottici Raman – vantaggi e svantaggi
• Guadagno ottico per qualunque fibra ottica;
• guadagno ottico per qualunque lunghezza d’onda (pur di avere la pompa
di lunghezza d’onda opportuna);
• impiego di più pompe incrementa la banda di amplificazione;
• piccolo coefficiente di guadagno  amplificazione distribuita;
• semplice architettura di amplificazione.
Ma …
• bassa efficienza di pompa;
• alte potenze nei componenti e nelle fibre (migliorare il packaging, laser
affidabili, connettori “puliti”: i connettori possono fondere!);
• variabilità in campo del guadagno in fibra (controllo della pompa).
Amplificatori ottici Raman – guadagno
Il guadagno degli amplificatori Raman varia con la lunghezza d’onda e
la potenza di pompa; se ne mostrano le tipiche variazioni, insieme alla
variazione del guadagno di picco con la potenza di pompa (lp=1450 nm).
30
Guadagno di picco [dB]
Guadagno [dB]
30
25
PP = 950 mW
20
15
PP = 550 mW
10
PP = 350 mW
5
1520
1540
1560
Lunghezza d’onda [nm]
1580
25
20
15
10
5
0.2
0.4
0.6
0.8
1
Potenza di pompa [W]
1.2
Amplificatori ottici Raman – guadagno
Coefficiente di guadagno in 10 -14 [m/W]
Ci sono differenze tra i coefficienti di guadagno Raman per le varie
fibre; motivo principale sono le diverse dimensioni del core, che causano,
a parità di potenza di pompa, diverse concentrazione di potenza ottica.
10
Fibra a compensazione
della dispersione DCF
8
6
Fibra monomodale
standard SSMF
4
2
50
100
150
200
Differenza di lunghezza d’onda [nm], pompa a 1420 nm
Amplificatori Raman distribuiti e a fibra drogata - un confronto
Caratteristica
Amplificatore a fibra drogata
Amplificatore Raman
Banda di
amplificazione
Dipende dai droganti
Dipende dalla disponibilità di
lunghezze d’onda di pompa
Larghezza di
banda
20 nm, maggiore per fibre/droganti
multipli
48 nm, maggiore per pompe multiple
Guadagno
20 dB o più, dipendendo da:
concentrazione di ioni, lunghezza di
fibra, configurazione di pompa
411 dB, proporzionale alla intensità
della pompa e alla lunghezza
efficace della fibra
Potenza di
saturazione
Dipende dal guadagno e dalle
costanti fisiche del materiale
Circa uguale alla potenza delle
pompe
Lunghezza
d’onda di pompa
980 nm o 1480 nm per gli EDFA
100 nm minore di quella del segnale
al picco del guadagno
Amplificatori Raman distribuiti e a fibra drogata - un confronto
Efficienza nella conversione di potenza
[%]
Si mostra un confronto, in termini di efficienza di conversione di potenza
(potenza utile di uscita/potenza di pompa) in funzione della potenza di
pompa, tra amplificatori EDFA e Raman, in condizioni tipiche (la fibra é
del tipo a compensazione di dispersione).
70
60
50
40
EDFA 1480 nm
30
20
Raman
10
0.2
0.4
0.6
Potenza di pompa “lanciata”[W]
0.8
1
Potenza del segnale di uscita (mW)
Amplificatori Raman distribuiti e a fibra drogata - un confronto
600
Raman
500
EDFA a 1480 nm
400
300
EDFA a 980 nm
200
100
0.2
0.4
0.6
0.8
Potenza di pompa (W)
1
1.2