P - Università di Pavia
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Corso di COSTRUZIONI OPTOELETTRONICHE -------------------Misure su EDFA -------------------Guido Giuliani Dipartimento di Elettronica - Università di Pavia Tel. e-mail: 0382 985.224 [email protected] G. Giuliani - Costruzioni OE - EDFA 1 Sistemi TLC in fibra ottica Sistemi WDM ! WDM = Wavelength Division Multiplexing ! È un metodo di multiplazione di diversi canali trasmissivi che sfrutta portanti ottiche a frequenze diverse (cioè lunghezze d’onda diverse). È l’analogo ottico delle tecniche radio di multiplazione in frequenza TX λ1 TX λ2 TX λ3 TX λN Multiplexer ! Sistema WDM a N canali λ1 λ1 λ2 λ3 λN λ2 λ3 λN RX RX RX RX Demultiplexer Occorrono: ! ! N laser a lunghezze d’onda diverse (e precise) + N fotodiodi Un componente per combinare le diverse lunghezze d’onda su una singola fibra (multiplexer ), ed uno per separarle e indirizzarle verso gli N ricevitori (demultiplexer) G. Giuliani - Costruzioni OE - EDFA 2 EDFA - 1 ! Sarebbe molto utile potere disporre di dispositivi per amplificare direttamente i segnali a livello ottico, senza necessità di conversione nel dominio elettrico tramite i rigeneratori elettroottici. TX RX CONV. O/E ! RX TX RX CONV. E/O Svantaggi dei rigeneratori elettroottici: ! ! ! ! TX Costosi e complessi Bit-rate limitato dall’elettronica Il rigeneratore va progettato per funzionare correttamente ad un certo Bit-rate ⇒ Impossibilità di effettuare l’upgrade del sistema di trasmissione (ad esempio aumentandone il Bit-rate) senza sostituire tutti i rigeneratori Per realizzare l’amplificatore ottico occorre: ! ! Mezzo attivo a tre livelli + sistema di pompaggio Compatibilità con la fibra ottica F. O. ! A. O. F. O. Amplificazione alle lunghezze d’onda “giuste“ (2a-3a finestra di trasparenza) G. Giuliani - Costruzioni OE - EDFA 3 EDFA - 2 ! Nel 1985, da una ricerca congiunta tra l’Università di Southampton (UK) e la Pirelli (I) (e quasi contemporaneamente presso i Bell Laboratories, USA), venne individuato un atomo assai idoneo per l’applicazione in questione (ione Er3+) ! Caratteristiche: ! ! ! ! Banda di pompaggio a 980 nm o 1480 nm (lunghezze d’onda generabili tramite laser a semiconduttore in InGaAs e InGaAsP) Compatibilità con la matrice vetrosa della fibra (possibilità di fabbricare fibre ottiche di buona qualità drogate con ioni Er3+) Banda di guadagno ottico (emissione stimolata) centrata intorno a 1550 nm, cioè in esatta corrispondenza con la terza finestra di trasparenza delle fibre ottiche EDFA - Erbium Doped Fiber Amplifier pumping level non radiative 4 I11/2 decay 980 nm (GaAlAs) 4 I13/2 1480 nm (InGaAsP) 4 I15/2 amplification upper level ( τ = 1-3ms) 1550 nm ground level G. Giuliani - Costruzioni OE - EDFA 4 EDFA - 3 Componenti ! Struttura dell’EDFA (Erbium Doped Fiber Amplifier) ISOLATORE SEGNALE OTTICO OTTICO 1550 nm FIBRA DROGATA Er3+ (10-20 m) ISOLATORE OTTICO 980+1550 nm 980 nm LASER DI POMPA ! SEGNALE OTTICO AMPLIFICATO GIUNTI ACCOPPIATORE WDM (980-1550 nm) componenti contenuti in un EDFA: ! ! ! ! Fibra drogata Er3+ Accoppiatore WDM (Wavelength Division Multiplexing) Isolatore ottico (per prevenire oscillazione laser) Laser di pompaggio a semiconduttore (deve avere altissima affidabilità) G. Giuliani - Costruzioni OE - EDFA 5 EDFA - 4 Guadagno ! Guadagno: G = Pout / Pin GdB = Pout,dBm - Pin,dBm G = exp(g· Lfibra) Gain (dB) g Wavelength (nm) 10 G ain (dB) 35 40 30 25 6 20 4 2 0 -60 15 10 3 dB limit 5 -50 -40 -30 -20 Pin [dBm] -10 0 10 P Input: -30 dBm Gain [dB] Noise Figure 8 30 -20 dBm -10 dBm 20 10 1520 -5 dBm 1540 1560 1580 W avelength (nm ) G. Giuliani - Costruzioni OE - EDFA 6 EDFA - 5 ! Prestazioni dell’EDFA: ! ! ! ! ! guadagno di potenza: 30-40 dB (103-104), con Ppompa = 50-300mW potenza di uscita: +27 dBm = 500 mW larghezza della banda di amplificazione: in origine 40 nm, oggi 130 nm (da 1480 a 1610 nm) prestazioni del tutto adeguate per l’applicazione ai sistemi di telecomunicazione in fibra Schemi di utilizzo TX RX ! amplificatore di linea ! booster (post-amplificatore) ! preamplificatore ottico ! Compensazione delle perdite di diramazione TX RX N FIBRE G. Giuliani - Costruzioni OE - EDFA 7 EDFA - 6 Spettro Ottico di Uscita +10 dBm Segnale diuscita am plificato (il segnale diingresso satura l’ED FA ) Spettro diuscita senza segnale diingresso applicato (A SE A m plified Spontaneous Em ission) -40 dBm 1525 nm 1575 nm G. Giuliani - Costruzioni OE - EDFA 8 EDFA - 7 Misura del Guadagno ! Strumentazione a disposizione ! ! ! ! Sorgente laser sintonizzabile (3a finestra) Bretelle in fibra ottica / accoppiatori in fibra ottica Giuntatrice a fusione Optical Power Meter • ! Misura la potenza ottica totale (ad es., in uscita da una fibra ottica) OSA (Optical Spectrum Analyzer) • Misure di potenza ottica con risoluzione spettrale (= distribuzione della potenza ottica alle varie λ) G. Giuliani - Costruzioni OE - EDFA 9 EDFA - 8 Misura del Guadagno ! Parametri variabili dell’EDFA: ! ! Misura del guadagno in funzione di: ! ! ! λ Pin Controllo automatico del laser sintonizzabile (tramite PC + Labview + GPIB) ! ! Corrente del laser di pompa Variazione di: λlaser, Plaser Misure automatiche da Power Meter e OSA G. Giuliani - Costruzioni OE - EDFA 10 EDFA - 9 Misura del Guadagno ! EDFA: strumento da banco, con fibra di ingresso e fibra di uscita con connettori angolati (FC/APC) ! La ripetibilità delle perdite di inserzione dei connettori è scarsa → non posso scollegare la fibra di ingresso per misurare ripetutamente Pin Plaser Laser sintonizzabile Connettore Pin 1 2 3 Accoppiatore Pout OSA/ Power Meter EDFA Pacc → ! Pin = T12· Plaser ! G = Pout/Pin = Pout/(Pacc· R23) ! Attenzione: R23 = R23(λ λ) → occorre una caratterizzazione preventiva dell’accoppiatore Pacc = T13· Plaser Pin = Pacc· (T12/T13) = Pacc· R23 G. Giuliani - Costruzioni OE - EDFA 11 Compito a casa ! Definire procedure dettagliate per: ! La caratterizzazione spettrale dell’accoppiatore - R23(λ λ) La misura del guadagno dell’EDFA (vs. Pin, λ) ! Grafici di interesse: ! • • • • ! Pout vs. Pin (per diverse λ) G vs. Pin (per diverse λ) G vs. λ (per diverse Pin) ... Esempio di procedura dettagliata: ! ! ! ! collegare il connettore xy regolare la potenza emessa dal laser misurare la potenza all’uscita della fibra yz ... G. Giuliani - Costruzioni OE - EDFA 12
