ERBIEM DOPOVANÉ VLÁKNOVÉ ZESILOVAČE

ERBIEM DOPOVANÉ VLÁKNOVÉ ZESILOVAČE LUKÁŠ VOPAŘIL ABSTRAKT: V textu je popsán princip EDFA vláknového zesilovače.dále se text zabývá parametry součástek pro stavbu takového zesilovače. Na závěr je uvedeno několik praktických využití. Cílem je seznámit čtenáře se zmíněnou problematikou a nastínit perspektivy využití EDFA zesilovačů pro vysokorychlostní spoje v telekomunikacích. KLÍČOVÁ SLOVA: Zesilovače optického signálu, EDFA, erbiem dopované zesilovače, aktivní vláknové spoje, HISTORIE: Stimulovanou emisi teoreticky předpověděl už v roce 1917 Albert Einstein, za vynálezce laseru je podle zápisu z roku 1957 považován G. Gould. Krátce na to, v roce 1960, byly navrženy vláknové lasery. Fyzik Elias Snitzer navrhl a realizoval laser, který coby aktivní prostředí používal skleněné vlákno dopované neodymem, stočené do spirály kolem výbojky. Po té se na vláknové lasery pomalu zapomnělo a bouřlivý rozvoj zaznamenalo v odvětví pevnolátkových laserů. V druhé polovině dvacátého století nastal veliký rozvoj aplikované optiky. Velká řada aplikací vznikla zejména díky objevení laseru. Ten byl sestrojen v roce 1960 Theodore Maimanem, kterému se podařilo, že rozzářil koherentním světlem krystal rubínu. Během následujících deseti let byly postupně k dispozici lasery s vlnovými délkami v celém rozsahu viditelného kmitočtového spektra - od infračervené do ultrafialové. Dostupnost vysoce výkonných zdrojů koherentního záření umožnila objev mnoha v optice dosud nepozorovaných jevů. Zejména pak v oblasti nelineární optiky, holografie, difraktivní optiky a optického zpracování informace. Významné je spojení integrované optiky s vláknovou optikou v oblast optiky vedených vln (vláknová a planární optika). Tu dnes využíváme zejména v optických komunikacích pro přenos signálů. Lukáš Vopařil, ČVUT, FD, Telekomunikační služby, rok 2009/2010 1

V polovině 80. let vědci na univerzitě v Southamptomu v čele s Davidem N. Paynem objevili, že ionty vzácné zeminy erbia umí ve vláknech vyvolat zisk na vlnové délce v pásmu 1,5µm, která se používá v komunikačních systémech. Vznikl tak EDFA(Erbium Doped Fibre Ampflier)-erbiem dopovaný vláknový zesilovač. V devadesátých letech se rozvíjí vývoj vláknových laserů pro řadu aplikací. V telekomunikacích jde o vývoj přeladitelných úzkopásmových laserů pro WDM ( Wavelength Division Multiplexing ) systémy a vývoj aktivně vidově synchronizovaných vláknových laserů generujících sled krátkých pulsů, které jsou využívány ve vysokorychlostních a solitonových komunikačních systémech. Vláknové lasery s pasivní vidovou synchronizací generující ultrakrátké pulsy řádu stovek femtosekund mohou najít využití v Ramanovské spektroskopii a Q-klíčované vysokovýkonové vláknové lasery jsou součástmi detekčních systémů LIDAR. Zvlášť výrazný je pokrok v oblasti vysokovýkonných laserů pracujících v cw (continuous wave - kontinuálním) režimu. Dopovaná vlákna s dvojitým pláštěm, kde vnitřní plášť vlákna slouží jako mnohavidový vlnovod pro šíření čerpání, umožňují využít pro čerpání pole čerpacích diod a přitom zachovat jednovidové šíření signálu. Touto technologií bylo u yterbiového vláknového laseru dosaženo výstupního výkonu 110 W na vlnové délce 1080 nm. Dva výrobci, SDL (San Jose, USA) a IRE Polus (Frjazino, Rusko) již komerčně dodávají yterbiové vláknové lasery s výstupním výkonem až 40 W. Tyto lasery se uplatňují v oblasti zpracování materiálu, jako je žíhání součástek jemné mechaniky, selektivní sváření a pájení, značkování plastových a kovových dílů a pod. V telekomunikačních aplikacích se používají vysokovýkonové cw lasery s Yb dopovaným vláknem pracující na vlnové délce 980 nm jako čerpací zdroje EDFA a nahrazují tak čerpací polovodičové diody, z nichž je možné Lukáš Vopařil, ČVUT, FD, Telekomunikační služby, rok 2009/2010 2

navázat do jednovidového vlákna výkon řádu maximálně stovek mw. PRINCIP Základní část EDFA tvoří určitá délka vlákna dopovaná ionty erbia Er3+. Pomocí směrových odbočnic je vlákno (EDF) jedním výstupem navařeno do optické trasy s WDM signálem, drůhým vstupem je do EDF navařen další kanál (čerpací) z čerpacích laserových diod. Tyto diody čerpají vlákno světlem o vlnové délce např. 948nm (energii fotonů o této vlnové délce dokáží ionty erbia dobře přijímat), čímž se dostanou do exitovaného stavu, dále tu proběhne proces tzv. vnitřní relaxace, čímž se ionty dostanou na nižší energetickou hladinu odpovídající energii fotonu o vlnové délce 1550nm. Tento stav tvoří aktivní prostředí a začíná docházet k již zmiňované spontánní emisi (naší snahou je pochopitelně tento jev eliminovat, z důvodu vzniku šumů popsaného dříve) a stimulované emisi, která zesiluje signál WDM. Z principu funkce EDFA vyplývají různé možnosti nasazení v optickém přenosovém systému. Zesilovače mohou být aplikovány v zásadě čtyřmi způsoby: Lukáš Vopařil, ČVUT, FD, Telekomunikační služby, rok 2009/2010 3

1. Booster Umisťuje se hned za optický vysílač a slouží k zesílení jeho signálu na maximální úroveň, kterou lze do vlákna navázat. Musí být schopen pojmout poměrně velký vstupní signál z optického vysílače. 2. In-line zesilovač Tento zesilovač je umístěn na trase optického vlákna, zesiluje malý vstupní signál na co největší výstupní signál. 3. Předzesilovač Slouží k zesílení velice nízkých úrovní signálu na úroveň dostatečnou pro správnou funkci optického přijímače na konci přenosové trasy. U předzesilovače je kladen požadavek na jeho minimální vnitřní šum. 4. Kompenzace ztrát v optických sítích (CATV) U optických rozvodů kabelových televizí je snížení úrovně signálu způsobeno především požadavkem rozdělení optického signálu do více vláken. Pomocí EDFA je signál zesílen ještě před jeho rozdělením tak, aby byla dosažena stejná úroveň signálu ve výstupních vláknech jako u vlákna původního. Obrázek 3: Ukázka možností zapojení EDFA. Lukáš Vopařil, ČVUT, FD, Telekomunikační služby, rok 2009/2010 4

KONFIGURACE EDFA Typické nastavení jednoduchých erbium-dopovaných vláknových zesilovačů (EDFA), je znázorněno na obrázku 4. Jádro je erbiem-dopované optické vlákno, které je obvykle v single mode režimu. V uvedeném případě je aktivní vlákno "pumpované" světlem ze dvou laserových diod(obousměré čerpání), i když jednosměrné čerpání ve směru dopředu nebo dozadu (směrový a proti-směrový) je také velmi časté. Světelná pumpa, která má nejčastěji vlnovou délku kolem 980 nm a někdy kolem 1450 nm budí erbium ionty (Er 3 + ), do 4 I 13 / 2 stavu (v případě 980-nm čerpací přes 4 I 11 / 2 ), odkud mohou zesilovat světlo v 1,5- µm vlnové délky pomocí stimulované emise zpět na zem sacím potrubí 4 I 15 / 2. Obrázek 4: Schéma zapojení s jednou čerpací laserovou diodou. Obrázek 5: Schematické nastavení jednoduchých erbium-dopovaných zesilovačů s dvěma laserovými diodami (LDS). Poskytují čerpadlu výkon pro erbiumdopované vlákna.pig-tail optické izolátory snížují citlivost zařízení zpětné odrazy Vlivem navázaného záření z laserové pumpy (o vlnové délce 980 nm nebo 1480 nm) do speciálního vlákna o délce několika metrů, dochází k excitaci atomů dopovaného prvku na vyšší energetické hladiny. Tak je v nich dočasně uložena energie získaná ze záření laserové pumpy. k jejímu uvolnění dochází vlivem přítomnosti přenášeného signálu, jehož energie způsobuje stimulovanou emisi záření o shodné vlnové délce a fázi s přenášeným signálem. Lukáš Vopařil, ČVUT, FD, Telekomunikační služby, rok 2009/2010 5

Tím dochází k zesílení přenášeného optického signálu. Optovláknové zesilovače umožňují zvýšení úrovně signálu až o 50 db (jeden kanál, C-pásmo). Vnitřním uspořádáním zesilovače lze dosáhnout velkého rozsahu zesilovaného pásma a tak zesilovat současně signál v C i L pásmu. Zobrazené nastavení obsahuje také dva "pig-taily" (vlákno-vázané) optické izolátory. Izolátor na vstupu brání světlu pocházející ze zesílené spontánní emise, aby nenarušilo jakékoli předchozí etapy, vzhledem k tomu, že na výstupu potlačí laserování (nebo možná dokonce zničení) pokud výstup světlo se odráží zpět k zesilovači. Bez izolátoru zesilovače mohou být citlivé na zpětné odrazy. ZISKOVÉ SPEKTRUM Tvar ziskového spektra erbia závisí jak na hostitelském sklu tak na budící úrovni. Obrázek 6 ukazuje data o běžném typu skla, který je varianta křemene s další příměsí, např. aby se zabránilo seskupování erbium iontů. Obrázek 6: Zisk a absorpce (negativní zisk) z erbium (Er 3 + ) iontů v fosfátového skla pro excitaci v úrovních od 0 do 100% v krocích po 20%. Maximální zisk obvykle vyskytuje v oblasti kolem vlnové délky 1530-1560 nm, v 1530nm je vrchol nejvýraznější při vysoké budicí úrovni. Lokální úroveň buzení závisí na emisích, absorpci průřezů, čerpadle a intenzitě signálu. Průměrná úroveň buzení po celé délce vláken závisí na čerpadle a signálu, ale také na délce vláken a koncentrace erbia. Tyto parametry se používají k optimalizaci EDFA pro určitou vlnovou délku, jako je C nebo L pásmo. Lukáš Vopařil, ČVUT, FD, Telekomunikační služby, rok 2009/2010 6

SPEKTRUM Elektronová konfigurace prvků vzácných zemin je [Xe] 4fn-1 5s2 5p6 6s0 a zářivé přechody těchto prvků se dějí ve slupce 4f. Jeden elektron je vzat ze slupky 4f a dva ze slupky 6s. Spektrání vlastnosti: Laserové přechody 4f -> 4f mají poměrně ostré spektrální čáry (N-1 vnitřních elektronů slupky 4f stíní vnější slupky 5s a 5p) Menší citlivost spektrálních vlastností na typ hostitelského materiálu. Iont Er3+ je N=12, takže má ve slupce N-1=11 elektronů o možných 14 energetických úrovních. Zmiňovaná nízká citlivost spektrálních vlastností na materiál, ve kterém se nachází může mít pro laser v celku zásadní význam. Ve vakuu jsou úrovně Er3+diskrétní, čárové, ve skleňěné matrici se z nich stávají pásy. Zisk vláknového zesilovače je tedy různý pro různé vlnové délky (tvoří spektrální pás), což vede k dalšímu problému (vedle šumu v důsledku spontální emise), na jehož odstranění závisí použitelnost EDFA: jestliže se mají vláknové lasery uplatnit v sítích WDM, musí fungovat i pro více kanálů tak, aby všechny kanály byly zesilovány stejně. Signál totiž během přenosu projde více zesilovači (jejich přenosová funkce se násobí), takže rozdíly ve spektrálním profilu zisku by tak mohli nabývat značných hodnot. A mohl by se tak zmenšit podíl signál/šum pro některé kanály. EDFA okno je oblast stejného výkonu zesilovače. V pásmu přenášených kmitočtů rozlišujeme pět oken viz obrázek 7. Obrázek 7: Optická okna Oblasti vlnových délek o přibližně stejném výkonu, používané v optických přenosových systémech. Lukáš Vopařil, ČVUT, FD, Telekomunikační služby, rok 2009/2010 7

Pro porovnání připojuji pracovní oblasti ostatních vláknových zesilovačů Obrázek 8: Pracovní oblasti optických vláknových zesilovačů. SATURACE ZISKU Zesílení je následkem dosažení stavu inverze populace iontů dopovaných díky optickému čerpaní laserovou pumpou (např. na vlnové délce 980nm) Pokud výkon optického signálu narůstá nebo výkon optické pumpy poklesne, stav inverze je redukován, zmenší se míra zesílení. Tento jev je znám jako saturace zisku- výkon signálu klesne pod určitou itou úroveň, zesilovač se může dostat do stavu saturace a nedává v stat větší výstupní výkon výkonový zisk je menší. V angličtině je tento jev také znám jako gain compression. Lukáš Vopařil, ČVUT, FD, Telekomunikační služby, rok 2009/2010 8

ERBIUM-DOPOVAL ZESILOVAČE v TELEKOMUNIKAČNÍCH SYSTÉMECH EDFAs mohou sloužit různých systémech pro opticky vláknovou komunikaci, nejdůležitější aplikace jsou následující: Výkon vysílače může být posílen vysoko-výkonovým EDFA před vstupem do dlouhých vláken, nebo zařízení s velkými ztrátami, jako jsou optické děličky. Tyto děliče jsou široce používány např. v kabelových-tv systémech, kde jeden vysílač je využíván k doručování signálů do mnoha vláken. Vláknové zesilovače mohou být použity také v příchozí časti přijímače, je-li přicházející signál slabý. Může to zlepšit zesilovač šumu, tím se vylepší poměr šumu, a tedy možné údaje o přenosové rychlosti, protože zesilovač šumu může být slabší, než je vstupní šum přijímače. To je běžnější než používat lavinové fotodiody, které mají vestavěné zesílení signálu. In-line EDFAs se používají mezi dlouhými rozpětími přenosu vláken. Použití více zesilovačů na dlouhém spojení má tu výhodu, že velké přenosové ztráty mohou být kompenzovány bez využívání optického výkonu, který klesa na příliš nízkou úroveň,kazí poměr šumu v signálu.mnohé z těchto in-line EDFAs jsou provozovány i za ztížených podmínek, např. o mořském dně, kde je údržba sotva možná. I když data vysílače jsou obvykle založeny na erbium-dopovaných zařízení, EDFAs jsou často součástí zařízení pro testování přenosu hardware. Používají se také v souvislosti s optickým zpracování signálu. Tyto funkce mohou být realizovány v C a L pásmu. Ostatní typy vláknových zesilovačů, např. praseodymem dopované zesilovače, byly zvažovány pro jiné typy, ale nikdo nemůže soutěžit se zařízením založeným na erbiu, pokud jde o zisk. Lukáš Vopařil, ČVUT, FD, Telekomunikační služby, rok 2009/2010 9

ZDROJE: [1] http://www.rp-photonics.com/ [2] Elcom Education, Optická vlákna a telekomunikace, překlad Stanislav Strnad, 1993 [3] Karel Novotný, Tomáš Martan Jan Šístek, Systémy pro optické komunikace, 2003 [4] Pavel Peterka: http://www.otevrena-veda.cz/imgpagec1/fyzika/23peterka.pdf [5] Miroslav Karásek: Optické vláknové zesilovače [6] http://www.safibra.cz/ Lukáš Vopařil, ČVUT, FD, Telekomunikační služby, rok 2009/2010 10