Thuis
Contacten

    Hoofdpagina


Departement Elektrotechniek Academiejaar 2003-2004

Dovnload 72.96 Kb.

Departement Elektrotechniek Academiejaar 2003-2004



Datum28.04.2017
Grootte72.96 Kb.

Dovnload 72.96 Kb.

KU Leuven

Departement Elektrotechniek

Academiejaar 2003-2004

Opdracht optische communicatie:


S-band versterkers

Rob Biesemans

Koen Martens

Inhoudsopgave


Inhoudsopgave 2

I.Inleiding 3

II.Raman-versterkers 4

III.Thulium gedopeerde vezelversterkers 10

IV.S-band Erbium gedopeerde vezelversterkers 10

V.Halfgeleider optische versterkers 10

VI.Toepassingen van S-band versterkers 13

VII.Besluit 14

Referenties 15



  1. Inleiding

Door de enorme toename aan internetverkeer ontwikkelen wereldwijde communicatienetwerken zich van spraakgeoriënteerde systemen naar datageoriënteerde systemen. Deze tendens vertaalt zich in een behoefte aan hogere capaciteit en langere afstandstransmissie dan geleverd kan worden door de gebruikelijke WDM (wavelength division multiplexing). Men zou die toename in capaciteit en afstand zonder hogere kosten willen realiseren. Men zoekt ook naar mogelijke alternatieven die systeemschade, zoals ruis en niet-lineaire effecten, verlagen. De gebruikelijke WDM hanteert de C-band en/of L-band. S-band transmissie biedt zich aan als antwoord op de vraag naar meer performantie.


In WDM transmissie worden optische signalen verzonden op meerdere golflengtedragers. Ze worden gecombineerd en gesplitst aan de zender en de ontvanger (zie figuur 1). WDM werd een aantrekkelijke techniek ten nadele van TDM (time division multiplexing) door het succes van de EDFA (erbium doped fiber amplifier). Door de komst van EDFAs kunnen verschillende golflengtes met één enkele versterker tegelijkertijd versterkt worden.




Figuur 1. Principe van WDM

Om S-band transmissie mogelijk te maken in WDM systemen is een optische versterker nodig. De S-band (golflengtes van 1460 tot 1530 nm) ligt naast de standaard erbiumvezel C-bandversterker van 1530 tot 1565 nm, zonder de buiggevoelige verliezen die typerend zijn voorbij 1625 nm aan het einde van de L-band. Enkele baanbrekende experimenten hebben S-bandversterking reeds gebruikt om extreem hoge gegevenssnelheden door enkelvoudige vezels over te brengen.


Ontwikkelaars komen enkele belangrijke technische uitdagingen tegen:

  • De S-band overbrugt 70 nm, tweemaal de 35 nm breedte van de C-band in golflengte eenheden (en meer dan dubbel in frequentie-eenheden). Het lijkt alsof twee types versterkers nodig zijn om de volledige S-band te overbruggen.

  • Het verkrijgen van een vlak versterkingsprofiel.

  • Economisch moet het ook kunnen.

  • Pompgolflengtes van de langer golflengte banden vallen soms in de S-band.



Er worden verschillende technieken onderzocht om die volgende grens voor optische versterking , de S-band, te bereiken. Tot nog toe zijn de meest gangbare benaderingen Raman-versterkers en thulium gedopeerde optische versterkers. Deze kunnen samengevoegd worden om hybride versterkers te maken om bvb vlakkere versterkingsprofielen te bekomen. Verder zijn er nog erbium doped fiber amplifier en halfgeleider optische versterkers voor de S-band.




Figuur 2: versterkingbanden en bijhorende versterkers


  1. Raman-versterkers

Raman versterking wordt gekarakteriseerd door lage ruis en het vermogen om versterking te voorzien over een breed golflengtebereik. Deze techniek is gebaseerd op het Raman-effect.


II.1. Het Raman-effect en de gestimuleerde Raman-verstrooiing

II.1.1 Het Raman-effect

Het Raman-effect is een vorm van niet-elastische verstrooiing. Dit effect werd ontdekt in 1928 door Sir C.V. Raman, die er een nobelprijs mee won.

Als het medium waarin een elektromagnetische golf zich voortbeweegt uniform is qua optische eigenschappen dan zal de golf er ongestoord door gaan. Als er echter ruimtelijke variaties zijn in de optische eigenschappen van het medium (deze variaties kunnen op de moleculaire schaal zijn) dan wordt de golf verstrooid. Dit wil zeggen dat een stuk van de energie van de golf zich in een andere richting zal gaan voortplanten dan de oorspronkelijke richting. In een fotonvoorstelling worden er van de invallende fotonen een deel in een andere richting gestuurd. Als die fotonen de energie hebben van de invallende, wordt het proces elastische verstrooiing genoemd.
Wanneer een foton interageert met een molecule, dan kan de quantumtoestand van die molecule al of niet veranderen.

Als de quantumtoestand niet veranderd wordt, dan zal het verstrooid foton dezelfde energie hebben als het invallend foton en zal het bijdragen tot een Rayleigh-lijn in het spectrum. Rayleigh-verstrooiing (elastisch) komt voor bij deeltjes die kleiner zijn dan de golflengte van het licht. Bij deeltjes die groter zijn dan het licht wordt dit Mie-verstrooiing4,5 genoemd. De intensiteit van Rayleigh-verstrooiing is afhankelijk van de vierde macht van de frequentie zoals voor het eerst berekend door lord Rayleigh in 1871. In glasvezels gebeurt die verstrooiing door microscopische variaties in dichtheden die ingevroren worden in de willekeurige moleculaire structuur, gevormd als de glasvezel afkoelt tot z'n vrij hoge solidificatietemperatuur.

Als de quantumtoestand van een molecule veranderd is na interactie met een foton, zal het verstrooide foton een grotere of een kleinere energie hebben dan het oorspronkelijke foton en draagt het bij tot een Raman-lijn in het spectrum. De totale energie van de molecule en het foton is echter bewaard gebleven. Als f0 de frequentie is van het invallend foton, f dat van het verstrooid foton, W0 de energie van de molecule voor de interactie en W de energie nadien dan zal:
hf0 + W0 = hf + W

of h(f-f0)= hf= W0-W

Als W0 > W dan is f positief en zal een anti-Stokes lijn resulteren.

Als W0 < W dan is f negatief en zal er een Stokes lijn resulteren.


Anti-Stokes-lijnen vinden hun oorsprong in interacties van een foton met een molecule dat zich al in een geëxciteerde quantumtoestand bevindt, terwijl de Stokes-lijnen hun oorsprong vinden in interacties van een foton met een molecule die zich in het begin nog niet in een geëxciteerde toestand bevindt.

Als men veronderstelt dat het verstrooiend medium in temperatuursevenwicht is, dan zal de distributie van de moleculen over de energietoestanden een Boltzman-verdeling zijn. De verhouding van het aantal moleculen N1 in een energietoestand W1 tot het aantal moleculen N2 in energietoestand W2 wordt gegeven door:

N1/N2=exp(-hf/(kT)).

Het energieverschil wordt voorgesteld door fotonenergie, die de overgang van de ene

naar de andere toestand mogelijk kan maken. Als men ook de afhankelijkheid van de intensiteit van de vierde macht van de frequentie meerekent, dan krijgt men:

Istokes/Ianti-stokes=((f+f)/(f-f))4exp(-hf/(kT)),

met I als intensiteit van een bepaald type. De anti-Stokes-lijnen zijn in het algemeen zwakker dan de Stokes-lijnen. Dit komt door het feit dat de elektronen in hogere energietoestanden (anti-Stokes) minder talrijk zijn en dus minder beschikbaar zijn voor een transitie dan die in lagere (Stokes).
Het verschil in energietoestand wordt verkregen door de moleculen in een andere vibratie- of rotatietoestand te brengen. Meestal zijn de geobserveerde scheidingen vibratiefrequenties omdat rotatiefrequenties zo klein zijn dat de corresponderende Raman-lijnen niet onderscheiden kunnen worden van de Rayleigh-lijn. Dit wil niet zeggen dat het IR spectrum gewoon op de Rayleigh-lijn wordt gesuperponeerd: er gelden andere selectieregels voor Raman-overgangen.

Om een observeerbaar Raman-effect te hebben moet er elektrische dipoolstraling zijn. Het elektrisch veld van de inkomende straling moet niet alleen een dipoolmoment induceren in de molecule maar ook moet het dipoolmoment veranderen met de beweging (rotatie of vibratie) van de molecule. Met andere woorden: de polariseerbaarheid moet veranderen met de beweging van de molecule. De observeerbaarheid van het Raman-effect hangt dus af van de aard van het medium.


Het Raman-effect of Raman-verstrooiing is dus een soort verstrooiing die zich bij sommige materialen voordoet waarbij de verstrooide fotonen een verschillende energie hebben als de invallende fotonen. In het meest voorkomende geval (de vorming van Stokes-lijnen in het spectrum) zal het foton minder energie hebben en zal de molecule vibratie-energie opnemen om aan het behoud van energie te kunnen voldoen.

II.1.2 Gestimuleerde Raman-verstrooiing of coherente Raman-verstrooiing

Als een bepaalde intensiteitsgrens, de Raman-threshold, wordt overschreden kan er zich gestimuleerde Raman-verstrooiing voordoen. Dit effect vertoont in het algemeen de eigenschappen van gestimuleerde emissie. Er treedt dan versterking op van licht. Gestimuleerde Raman-verstrooiing werkt als volgt: Pompfotonen vallen samen in met fotonen van een langere golflengte, die Stokes-fotonen worden genoemd. Tijdens het proces van gestimuleerde Raman-verstrooiing wordt het het pompfoton vervangen door een Stokes-foton, een ‘kopie’ van het invallende Stokes-foton. De overschot aan energie wordt opgenomen door de molecule die in een hogere vibratie- of rotatie-energietoestand wordt gebracht. In een glasvezel resulteert dit in een akoestische golf die zich voortplant in de vezel.

Gestimuleerde Raman-verstrooiing kan ook op een andere manier worden bekeken: Het is in feite een vorm van Raman-verstrooiing waarbij het pompfoton verstrooid wordt. Hierbij verandert het pompfoton in een Stokes-foton, zodanig dat het een ‘kopie’ is van een ander Stokes-foton dat toevallig in de buurt was tijdens de verstrooiing.
Gestimuleerde Raman-verstrooiing kan dienst doen als versterking maar het kan ook negatieve gevolgen hebben door energie over te brengen van het ene naar het andere kanaal. Dit zorgt dan voor overspraak. Men kan, door gepaste keuze van een pompfrequentie en bij een voldoende hoog vermogen, in elke signaalband versterking realiseren. Omwille van de amorfe natuur van kwarts spreidt de Raman-versterking van kwartsvezels zich uit over een brede band. Voor de S-band dient men te pompen bij 14xx nm.
Samengevat: gestimuleerde Raman-verstrooiing is een effect waarbij men fotonen kan ‘kopiëren’ of versterken in een bepaald materiaal door in het materiaal fotonen van een kortere golflengte (pompfotonen) af te sturen op de te kopiëren fotonen. Het effect kan in kwartsvezel gebruikt worden om optische versterkers te realiseren in o.a. de S-band.


II.2. Kenmerken van Raman-versterkers

Raman-versterkers werden aanvankelijk bestempeld als laag efficiënt. De hoofdrol in optische communicatie werd vanaf de jaren ’80 gegeven aan EDFA-technologie. Later werden, door de explosieve vraag naar internet, de komst van WDM, en de ontwikkeling van 14xx nm hoge vermogens laserpompdiodes, Raman-versterkers belangrijk. De versterking bij Raman-versterkers gebeurt in de bovenste virtuele toestand van een molecule. Dit houdt in dat de versterking geen noemenswaardige absorptie van signaalfotonen met zich mee brengt. Raman-versterkers wekken dus weinig ruis op bij gebrek aan pomplicht. Hierdoor gedraagt de Raman-versterker zich als een passieve, optische kwarts-vezel met weinig verlies. Raman-versterkers zijn dus bijna altijd “volledig omkerend” (inverterend) onafhankelijk van de pompsnelheid. Ze zijn ongevoelig t.a.v. temperatuur.

Bij het ontwerpen van een optisch transmissiesysteem moet men het signaalniveau optimaliseren in termen van ruis en niet-lineairiteit. Optische versterking van kleine signaalniveaus voegt veel ruis toe; grote signaalniveaus hebben meer te lijden aan niet-lineariteiten in de vezel.
Door verdeelde (distributed) Raman-versterking in te voeren, kan men extra vermogen-marges verwerven. Bij dit type van Raman-versterker staat de pomplaser typisch aan de ontvangstzijde van de vezel, zodat het vermogen kan toevoegen aan signalen die door het kanaal verzwakt worden. Deze vermogen-marges worden dus gebruikt voor verschillende systeemverbeteringen zoals de verhoging van bitsnelheid per kanaal, grotere afstanden tussen regeneratoren en de versterking van spectrale doeltreffendheden.

Raman-versterkers bestaan typisch uit een optische vezel als versterkingsmedium, een tegengesteld voortplantende lichtpompbron, een golflengtegevoelig coupler om de pomp en het signaal te combineren, en een optische isolator.


In Raman-versterking is het belangrijk ongepolariseerde pompbronnen te gebruiken om polarisatie-afhankelijke versterking te vermijden omdat opgewekte Raman-verstrooiing een polarisatiegevoelig proces is.

Gestimuleerde Raman-verstrooiing kan bij bijna elke oriëntatie van pomp en lichtsignalen voorkomen.

De duur van elektronen in geëxciteerde toestand bij Raman-versterkers ligt in de grootteorde van 10 femtoseconden. Daarom kunnen de Raman-versterkers gevoelig zijn voor pomp-overbrengende ruis; door de versterking wordt er ruis van het pomplicht gesuperponeerd op het versterkte signaal.

Om verschillende ruisproblemen op te lossen zijn Raman-versterkers gewoonlijk samengesteld als tegengesteld pompend.




II.3. Ontwerp en realisatie van WDM-pompen

Het versterkings-bandbreedteproduct is een kenmerk van optische versterkers voor WDM-signalen. Door de juiste keuze van pompgolflengtes kunnen Raman-versterkers een versterking hebben bij om het even welke golflengte binnen het optische laag-verliesvenster van de vezel.


In een WDM pompschema combineert men meerdere laserpompen met verschillende centrale golflengtes om zich in dezelfde tijd voort te planten in de optische vezel.

De WDM pomplichtgolven werken op mekaar in door gestimuleerde Raman-verstrooiing, terwijl energie overgebracht wordt van korte naar lange golflengtes.

Het pomp-golflengtebereik bepaalt de versterkingsband. Als men de versterkingscurve van een Raman-versterker bekijkt, dan ziet men een grotere helling rond de piekwaarde, aan de kant van de laagste golflengten. Een brede, vlak samengestelde versterking kan opgebouwd worden door het maken van een paar tegengestelde “versterkingshellingen”. Dichte toewijzing van pompgolflengtes kan meer gelijkmatige en vlakkere versterkingsvormen creëren. (Zie figuur 3)




Figuur 3. WDM-pompen

De hoog-vermogen laser diode pomp, die gebruikt werd in het 14xx nm bereik, werd verbeterd tot een EDFA pomp. Outputkracht nam gestadig toe. In een WDM-pompschema draagt de output van een laserpomp, gecombineerd met andere lasers die op verschillende golflengtes werkzaam zijn, bij tot de totaal samengestelde versterking. Het outputvermogen van elke pomp is relatief laag.


WDM tegengesteld pompende Raman-versterkers hebben een groot ruisgetal in de kortere golflengtereeks. De ruisspectrumvorm kan afgeslankt en afgevlakt worden door invoering van samenpompen (copumping) in het korte golflengtebereik. Het gebruik van samenpompende pompen samen met tegengesteld pompende pompen heeft enkele voordelen :

  • het reduceert het totale, beginnende pompvermogen van de tegengesteld pompende lichtbron

  • samenpompende pompen verlenen bij voorrang verder versterking met relatief weinig pompvermogen in de optische signaal tot ruisverhouding (OSNR).

  • In twee richtingen pompende pompen onderdrukken best DRBS-MPI-geluid.

Om de ongunstige effecten (verslechtering van signalen) te vermijden, moet men een vezel met zero-dispersion golflengte korter dan de pompgolflengte gebruiken.



II.4 Raman-versterkers

Een groot pluspunt voor de Raman-versterker is zijn inherente flexibiliteit. In kwartsvezels is de Raman-versterking gespreid over een frequentiereeks die een hoogtepunt bereikt bij 13 THz.

Dit maakt Raman-versterking mogelijk voor het ganse transmissiespectrum van de vezel zolang er geschikte pompbronnen beschikbaar zijn.
Pompen worden typisch elke 20 tot 30 nm gespreid, afhankelijk van de uniforme versterkingsvereisten.

Met geschikte pompbronnen kan één enkele versterker een reeks golflengtes van meer dan 100 nm overbruggen van de S-band naar de L-band.

Bij discrete Raman-versterkers wordende pomplasers gezet op één of beide einden van de afzonderlijk versterkende vezel. Discrete Raman-versterkers bevatten typisch verscheidene kilometers vezel.
Een veel gebruikte aanpak voor Raman-versterkers in de C-band en L-band, is de gedistribueerde Raman-versterking. De laserpomp bevindt zich aan de ontvangstkant van de vezel zodat ze vermogen bijgeeft aan signalen die door transmissie verzwakt zijn. (vergelijkbaar met figuur 1)

Rayleigh verstrooiing maakt verzwakking in de S-band ongeveer 6% hoger dan in de C-band, zodat meer versterking nodig is om dezelfde afstand te overbruggen. De pompgolflengtes, nodig voor Raman-versterkers in de S-band, kunnen veel hogere verzwakking ervaren daar zij binnen de uitgestrekte waterabsorptieband liggen (1383 nm). Hoe hoger de waterabsorptie, hoe meer pompkracht er nodig is om de gewenste versterking te produceren. (Figuur 4)






Figuur 4: Situering van de OH-absorptieband

Optische vezelsystemen die in de C- en L-band, alsook in de S-band werken, ervaren interband Raman-verstrooiing: signalen in de S-band kunnen immers dienen als pompen voor golflengtes in de C- en L-band. Dit brengt vermogen over van S-bandsignalen naar de langere golflengtesignalen, veelal in de L-band. Het globale effect is dat verlies zal toenemen in de S-band, terwijl verlies afneemt in de L-band. Bovendien kan dit ruis opwekken.

Het Raman-vermogensprofiel van kwarts piekt sterker bij lagere golflengtes, maar andere materialen hebben andere Raman-spectra.

  1. Thulium gedopeerde vezelversterkers

Het belangrijkste alternatief voor Raman-versterking in de S-band is de thulium gedopeerde vezelversterker. Thulium produceert gestimuleerde emissie op een overgang boven de grondtoestand. In erbium is het lagere niveau van de versterkende overgang de grondtoestand. Dit maakt thulium minder efficiënt zodat het optimaliseren van de pompbron erg belangrijk wordt. De best ontwikkelde thuliumversterkers hebben een versterkingspiek bij ongeveer 1470 nm en een versterking die groot genoeg is voor praktisch gebruik in een 30 nm bereik tussen ongeveer 1455 en 1485 nm (S+band).


Commerciële thulium gedopeerde vezels hebben een klein signaalversterking rond 25 dB en ruisgetal beneden 7 dB. De hoge dichtheid van thuliumatomen laten interacties tussen hen toe, welke de zendkansen veranderen en die het mogelijk maken om de lage inversie te produceren, nodig om de versterkingsband naar langere golflengtes te verschuiven. Versterking blijft echter beperkt.

Een andere manier om de versterking te veranderen tot langere S-bandgolflengtes en verhoogde efficiëntie is door tweevoudige golflengtes op te pompen. Dit werkt omdat thulium opgepompt kan worden tot 2 stappen boven de energieniveauladder. Het idee is pompabsorptie.


  1. S-band Erbium gedopeerde vezelversterkers

Erbium gedopeerde vezels hebben een versterking op golflengtes korter dan 1530 nm. Versterking is mogelijk daar het een groot aantal inversies vereist die sterk versterkende spontane emissie veroorzaakt.

Recente experimenten tonen versterking aan van 1480 tot ongeveer 1530 nm met piekversterking op 34 dB, door enkel gebruik te maken van een erbium vezelversterker met sterke filtering op 1530 nm om versterkende spontane emissie te blokkeren.


  1. Halfgeleider optische versterkers

Halfgeleider optische versterkers kunnen gemaakt worden voor de S-band, maar hun toepassing in WDM systemen wordt beperkt door een aantal factoren. Eerst wordt de werking van een halfgeleider optische versterker toegelicht. Op basis daarvan worden de eigenschappen van een S-band halfgeleider optische versterker bekeken.


De halfgeleider optische versterker ook wel SOA (semiconductor optical amplifier) genoemd, kan gebaseerd worden op de Fabry-Pérot diode laser technologie. De SOA bekomt men door een halfgeleider laser te gebruiken waarin binnenkomende straling gestimuleerde emissie veroorzaakt. In tegenstelling tot erbium gedopeerde optische versterkers die optisch gepompt worden, worden SOA’s gepompt door de geïnjecteerde diodestroom.

De SOA's kunnen ingedeeld worden in drie types:



  • injection-locked: Hierbij wordt een conventionele halfgeleider laser gebruikt boven de lasing-threshold en wordt zo als een versterker gebruikt.

  • Fabry-Pérot (FP): Hierbij wordt een conventionele halfgeleider laser gebruikt onder de lasing-threshold en wordt zo als een versterker gebruikt.

  • travelling-wave (TW): een Fabry-Pérot waarbij beide facetten (uiteinden van de trilholte waar de straling binnen en buiten gaat) een anti-reflectie laag krijgen.

Aanvankelijk waren de eerste twee types versterkers dominant maar recentelijk is de TW de dominante geworden dankzij zijn superieure versterkerseigenschappen en de vorderingen die gemaakt zijn op het gebied van de anti-reflectielagen. Soms is het echter moeilijk een onderscheid te maken tussen FP en TW doordat volledig afwezige reflectie moeilijk te verkrijgen is. In het algemeen worden devices met een reflectiviteit van 0.1% tot 1% beschouwd als TW versterkers.


Eigenschappen van SOA-versterkers die van belang zijn voor optische communicatie:
De versterking van SOA optische versterkers gebeurt op verschillende wijze voor een FP en een TW. De single-pass versterking in het medium wordt gegeven door:
G=exp[(-)L]
Waarbij:

: de confinement factor (de fractie van het gegenereerde licht dat in de holte blijft);

: de versterkingsfactor (verhouding van gegenereerde fotonen tot de invallende, evenredig met de populatie-inversie);

: de verliescoëfficiënt;

L: de lengte van de holte.


  • Bij een TW versterker is er een te vermijden laseroscillatie wanneer GR>=1. R is de reflectiviteit van het facet. De versterking wordt dus gelimiteerd door 1/R of minder. Daarom is het belangrijke de reflectiviteit bij een TW vesterker in de dijken. Zelfs als GR < 1 en de invloed van R dus niet te groot is zullen er nog gain ripples (lichtjes hoger versterking bij sommige frequenties) overeenstemmend met de longitudinalemodespatiëring waargenomen worden door residuele reflecties. Reflecties verminderen kan door o.a. anti-reflectie lagen aan te brengen en door het uitgangsvlak van de laser op een hoek af te snijden t.o.v de lichtpropagatieas i.p.v. loodrecht Ook een vensterconstructie kan de reflectiecoëfficienten van de wanden van de trilholte doen afnemen. Deze werkt door te laser bundel te laten uitwaaieren voordat die terug gereflecteerd wordt door de spiegel wat verder te zetten van de oorspronkelijke holte en een wat bredere ruimte te laten tussen de spiegel en die oorspronkelijke holte. Zo vermindert het uiteindelijke teruggekaatste vermogen.

  • Bij de FP versterker treden er interferentie-effecten op door de verschillende reflecties. Er ontstaan resonantiepieken in de versterkingskarakteristiek. Daardoor kan er een grote versterking gecreëerd worden met een lage G wat ook betekent dat de versterker gekenmerkt wordt door een grote gevoeligheid aan G qua versterking en resonantiegolflengtes (door de positieve feedback), en dus ook aan de temperatuur en versterkingssaturatie die een invloed hebben op G. Deze versterker heeft een lage stabiliteit en ook een lage bandbreedte (in de orde van een GHz) doordat er enkel versterking is bij de resonantiegolflengtes.

Er treed versterkingssaturatie (de waarde van G satureert bij toenemende lichtinval) op wanneer gestimuleerde emissie geïnduceerd door licht, een significante reductie veroorzaakt in de populatie-inversie. Dit gebeurt bij een FP tenminste een decade vroeger dan bij een TW omdat er bij een FP een grotere lichtintensiteit in de holte is.


Ruis bij SOA’s wordt veroorzaakt door spontane emissie door fluctuatie van het signaal. Ook draagt reflectie aan de wanden bij tot een verhoogde ruis.
Polarisatieafhankelijkheid bij een TW versterker wordt veroorzaakt doordat  afhankelijk is van het TE (transversaal elektrisch) of TM (transversaal magnetisch) karakter van de golf. Dit kan verhindert worden door:

  • de geometrie aan te passen: de dikte van de actieve laag te vergroten.

  • een hybride configuratie van versterkers, zodanig dat op het einde van de schakeling er geen verschil meer is in polarisatie.

Ook treden er patterning effecten (vervorming van de pulsvorm) op: de versterking kan afhangen van de pulsvorm omdat frequenties boven en onder de hoofdfrequentie een andere frequentierespons hebben. Er kan ook intermodulatievervorming optreden tussen signalen bij verschillende frequenties doordat de ladingsdragersconcentratie gemoduleerd wordt door alle signalen.


Als gemultiplexte signalen een nauwe frequentiespatiëring hebben dan zal er zich interkanaaloverspraak voordoen, geïnduceerd door een niet-lineair fenomeen gekend als four-wave mixing. Het kan gezien worden als volgt: Twee signalen interfereren met elkaar waardoor de totale lichtintensiteit fluctueert met de verschilfrequentie. Die fluctuatie verandert de ladingsdragersconcentratie waardoor de versterking en de brekingsindex veranderen. Zo ontstaan er zijbanden in het uitgangssignaal door een vorm van amplitude- en fasemodulatie.
Bij de voordelen van de SOA is er het potentieel om op eender welke golflengte te werken waar lasing mogelijk is. De SOA kan toegepast worden in de S-band. Verder zijn er nog z'n grote bandbreedte en de mogelijkheid tot integratie (op silicium met andere componenten) en functionele uitbreiding (als schakelaar of elektrisch controleerbare filter bijvoorbeeld). De SOA-versterker toont wel een polarisatieafhankelijkheid wat niet zo is bij erbium gedopeerde versterkers. Ook qua ruis- en versterkingssaturatie doet hij het minder goed dan de erbium gedopeerde versterker. De vezelkoppeling veroorzaakt bij halfgeleiders ook een groter verlies. Een ander probleem is patterning en overspraak tussen kanalen (four wave mixing), wat van belang is voor WDM toepassingen. Voor dit laatste zou een oplossing goed van pas komen om het gebruik van SOA's mogelijk te maken in netwerken die weinig versterkers nodig hebben zoals bijvoorbeeld metro-netwerken (ook wel MAN’s of metropolitan area networks).

  1. Toepassingen van S-band versterkers

S-band versterkers maken optische versterking mogelijk voor een bijkomende band in glasvezel. Eerst zullen toepassingen van optische versterkers op zich bekeken worden, waarna de betekenis van de toepassingen van optisch versterkers bij nieuwe frequenties zal worden behandeld.


Optische versterkers breiden de mogelijkheden uit van de klassieke componenten zoals zenders, ontvangers en de vezels zelf. Ze vormen ook fundamentele componenten in nieuwe toepassingen zoals laser ring-oscillatoren en optische schakelaars. Voor de zenders kunnen ze verbindingsverliezen compenseren, wanneer men externe modulatiecircuits gebruikt. Dit geeft de designer meer vrijheid. Voor de ontvangers kunnen ze dienen als voorversterkers. Dit laat meer bandbreedte en een hoge gevoeligheid toe. Voor de vezels kunnen ze compenseren voor splitting-verliezen zonder conversie van het optisch signaal en ook het lijnverlies kan ge-offset worden door optische versterkers.
In trunk transmission systems vinden deze versterkers hun applicatie als vermogenversterkers, voorversterkers en lineaire repeaters. Er kunnen drie configuraties beschouwd worden voor lange afstandscommunicatie:

  • twee optische versterkers: één net na de zender en één net voor de ontvanger

  • twee optische versterkers, maar dan een eindje weg van de zender en ontvanger, ze worden op een afstand gepompt.

  • optische versterkers gebruikt als repeaters

In subscriber transmission systems, die zorgen voor distributie van stem, facsimile en bandbreedte gecomprimeerde beelden tot breedband hoge kwaliteitsbeelden, kunnen de optische versterkers ook worden gebruikt. De capaciteit van optische versterkers is in deze tak goed aangetoond, vooral in de transmissie van hoge kwaliteitsbeelden. Door de toepassing van die versterkers is het mogelijk geworden om via abonneelijnen allerlei soorten multikanaal analoge data te versturen zoals HDTV (high definition television) hoge standaard beelden, satelliet beelden en conventionele AM beelden.


De optische versterker vindt ook zijn toepassingen voor onderzeese verbindingen, waardoor langere, goedkopere en hogere capaciteitslijnen mogelijk worden.
Ook in optische soliton transmissie vindt de optische versterker zijn toepassing. Solitonen zijn stabiele pulsen die zich voordoen bij een balans van dispersie en niet-lineaire effecten. Deze vinden hun toepassing in telecommunicatie, waar de capaciteitslimieten nog altijd bepaald worden door pulsverbreding geinduceerd door dispersie in glasvezel. Solitonen kennen die pulsverbreding niet. De optische versterkers kunnen gebruikt worden om de solitonen te versterken nadat ze verzwakt werden door verliezen in de lijnen. Die verliezen nemen goede eigenschappen van het soliton weg.
Optische versterkers maken verbeteringen en nieuwe concepten mogelijk in sensortoepassingen. De versterkers maken het mogelijk om de afstand tot de meetplaats te vergroten zonder afname van de S/N verhouding of gevoeligheid. Nieuwe toepassingen zoals nauwe lijnbreedte lasers, bekomen door ring resonators zijn mogelijk. (Een ring resonator is een lus in optische vezel toegevoegd aan een laserdiode om zo de lijnbreedte te verkleinen. Een optische versterker in de lus dient om de verliezen in de vezel te compenseren. Door de lengte van de resonator ruimte te vergroten vermindert de lijnbreedte)

Ook hoge output en brede lijnbreedte lasers worden mogelijk. Hiermee kunnen dan betere sensoren gemaakt worden die precisie frequenties vereisen (interferometers, glasvezel ring-laser-gyroscopen).


Het maken van deze versterkers in de S-band zal de vorige toepassingen mogelijk maken bij hogere frequenties. Bij de communicatietoepassingen zal dit een verhoogde capaciteit betekenen door uitbreiding van het spectrum tot in de S-band. Die uitbreiding zal ook meer kosten omdat voor de S-band extra versterkers nodig zijn en het niet mogelijk zal zijn met dezelfde versterkers als voor de C- en L-banden te werken. Capaciteit kan worden verhoogd door enerzijds de golflengten dichter bij mekaar te zetten. Men is zo bvb van 200GHz naar 100GHz naar 50 GHz spatiëringen overgegaan. Anderzijds wordt een capaciteitsverhoging bekomen door andere banden te gebruiken dan de klassieke C-band zoals de L-band en S-band. Beide aanpakken kosten meer. De ene omdat nauwkeurigere lasers nodig zijn; de andere vereist meer versterkers. Voor lange afstandsnetwerken is het een goede zaak om meer capaciteit uit dezelfde glasvezel te krijgen. Bij MANs (metropolitan area networks) bepaalt de keuze van de versterkers de grootte van het netwerk. Zo kan men zonder versterkers een ring realiseren van 80-100 km en met versterker één tot 400km.
S-band versterkers maken heel wat mogelijk. Vooral de toepassingen in de glasvezelcommunicatie zijn belangrijk. De capaciteit van glasvezelverbindingen bereikt zo nieuwe hoogtes (het record is 10.9 Tbit/s : 100 km, glasvezel met enkele kern, onderzoek uitgevoerd door NEC) door de verwezenlijking van versterkers voor WDM-systemen.

  1. Besluit

Door de explosie van dataverkeer is er nood aan technologische innovatie die de huidige beperkingen openbreekt. Het benutten van de S-band is een behoorlijke uitdaging. Enkele knelpunten zijn:



  • De potentiële overlapping tussen pompbronnen voor de L- en C-band en signaalgolflengtes in de S-band.

  • De effectieve versterkingsgelijkschakeling over brede banden.

  • Interacties tussen optische kanalen en ruisgolven moeten onderzocht worden.

  • Op economisch vlak: het benutten van de S-band vraagt meer apparatuur en de kostprijs daarvan mag niet opwegen tegen de gewonnen bandbreedte.

Er staan reeds verschillende technologieën voor de deur die S-band optische versterking mogelijk maakt waarvan vooral Raman-versterkers en thulium gedopeerde optische versterkers het goed doen. Halfgeleider optische versterkers kunnen voor de S-band worden gemaakt maar hun toepassing in WDM-systemen wordt o.a. begrensd door hoge overspraak tussen optische kanalen en mindere gunstige versterkings- en ruisprestaties.

S-band versterkers vinden vooral hun toepassing in de optische communicatie waar ze hogere capaciteiten kunnen realiseren.

Referenties


1 http://www.ntt.co.jp/tr/0306/files/ntr200306080.pdf

2 http://www-ee.eng.buffalo.edu/faculty/paololiu/566/16

3 http://www.public.iastate.edu/~vatsan/Presentation/23

4 http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/atmos/blusky.html

5 http://www.ess.uci.edu/~cmclinden/link/xx/node8.html

6 S. Shimada en H. Ishio ; Optical Amplifiers and their Applications. John Wiley & Sons, 1994.

7 V. Curri ; Designing Multipump Raman Amplifiers. Europhotonics, april/may 2003.

8 J. Hecht ; S-band amplification challenges developers. Laser Focus World, July 2002.

9 S. Namiki en Y. Emori ; Broadband Raman Amplifiers For WDM Transmission. Optics & Photonics News July 2002.

10 http://www2.rad.com/networks








  • II.1. Het Raman-effect en de gestimuleerde Raman-verstrooiing
  • II.1.2 Gestimuleerde Raman-verstrooiing of coherente Raman-verstrooiing
  • II.2. Kenmerken van Raman-versterkers
  • II.3. Ontwerp en realisatie van WDM-pompen
  • Thulium gedopeerde vezelversterkers
  • S-band Erbium gedopeerde vezelversterkers
  • Halfgeleider optische versterkers
  • Toepassingen van S-band versterkers

  • Dovnload 72.96 Kb.