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
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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)
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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)
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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
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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)
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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 )
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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
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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
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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)
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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
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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
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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
...
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