Amplificatori Ottici

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1 Amplificatori Ottici

2 Amplificazione ottica (1/2) Per controbilanciare l attenuazione della fibra, sono utili gli amplificatori ottici E () t = GE () t + n() t out in Rumore ottico generato dall amplificatore Guadagno ottico

3 Amplificazione ottica (2/2) Il segnale ottico di uscita deve idealmente essere una copia identica a quello di ingresso, con minima distorsione (salvo rumore additivo). Notare che si tratta di dispositivi tutto-ottici, senza conversione di segnale in elettronico (rigenerazione 1R).

4 Principio di funzionamento (1/4) Gli amplificatori ottici si basano su principi simili a quelli visti per i sistemia semiconduttore, cioè: 1. Emissione stimolata Effetto principale, che permette l amplificazione.

5 Principio di funzionamento (2/4) 2. Emissione spontanea Effetto non voluto, ma sempre presente, causa di generazione di rumore. 3. Assorbimento Effetto che permette il trasferimento di potenza dalla pompa al segnale utile.

6 Principio di funzionamento (3/4) L amplificazione ottica è possibile grazie al trasferimento di potenza tra un segnale ottico non modulato (detto segnale di pompa ) al segnale utile. Il trasferimento di energia è possibile grazie a: Assorbimento della potenza di pompa Emissione stimolata sulla potenza di segnale.

7 Principio di funzionamento (4/4)

8 Amplificatori ottici ad erbio

9 Ebrium Doped Filter Amplifier (EDFA) (1/2) Gli amplificatori ottici di gran lunga più comuni sono gli amplificatori ottici ad Erbio, detti EDFA (Erbium Doped Fiber Amplifiers). Sono costituiti semplicemente da un tratto (10-40 metri) di fibra in vetro con un opportuno drogaggio di Erbio.

10 Ebrium Doped Filter Amplifier (EDFA) (2/2) Il drogaggio ad Erbio è stato scelto poichè, date le sue caratteristiche atomiche, permette di ottenere amplificazione ottica su lunghezze d onda attorno a 1550 nm (terza finestra, minimo di attenuazione della fibra).

11 EDFA e lunghezza d onda Per le caratteristiche dell Erbio, il pompaggio può avvenire ad una delle due seguenti lunghezze d onda 980 nm 1480 nm

12 EDFA struttura e nomenclatura -

13 Caratteristiche EDFA

14 Caratteristiche EDFA Gli EDFA sono oggi dei dispositivi disponibili commercialmente ed estremamente affidabili. Hanno costi elevati, che ne permettono l uso solo per le trasmissionia lunga distanza (>50 Km) In questo contesto, gli EDFA hanno tuttavia costituito una rivoluzione tecnologica, avvenuta a partire dal Potenze di uscita tipiche: fino a 20 dbm e oltre. Guadagni tipici: fino a db.

15 Saturazione e guadagno Per la conservazione dell energia, la potenza di uscita dell EDFA (considerando pompa+segnale) deve essere inferiore a quella di ingresso Parte della potenza viene infatti persa lungo la fibra. A parità di potenza di pompa, il guadagno sulla potenza di segnale avrà un effetto di saturazione.

16 Saturazione e guadagno (2/2)

17 Banda EDFA La banda di guadagno è tipicamente definita come quella zona dove il guadagno è piatto entro 1 db. I valori tipici per gli EDFA standard sono attorno ai 30 nm. Nei sistemi ad alta capacità le limitazioni alla massima banda disponibile sono legate alla banda degli EDFA. Sono state studiate varie soluzioni tecnologiche per allargare questa banda.

18 Bande EDFA - terminologia C-Band (central) standard EDFA band, circa L-Band (Large wavelength) Circa nm. XL-Band (Xlarge wavelength) sopra 1600 nm. S-Band sotto 1530 nm.

19 EDFA a banda larga - terminologia Per ottenere EDFA con banda larga, al di fuori della classica banda C, sono utilizzati Opportuni filtri ottici (passivi) di equalizzazione del guadagno. Si usano Droganti aggiuntivi oltre all Erbio.

20 EDFA e rumore ASE (1/2) Così come gli amplificatori elettrici, gli EDFA generano rumore Il rumore è dovuto al fenomeno dell emissione spontanea.

21 EDFA e rumore ASE (2/2) In un EDFA, un fotone emesso spontaneamente viene successivamente amplificato Il rumore complessivo viene chiamato: Amplified Spontaneous Emission (ASE) noise.

22 Amplificatori ottici a semiconduttori

23 Amplificatori ottici a semiconduttore Esistono altri tipi di amplificatori ottici (meno diffusi degli amplificatori ottici ad Erbio) Semiconductor Optical Amplifiers (SOA). Si basano sullo stesso principio dei laser (emissione stimolata in un semiconduttore), senza però feedback ottico. Rispetto agli EDFA: guadagno attorno a 1550 nm (ma possibili anche altre bande, ad esempio 1300 nm); banda pari a nm; maggiore quantità di rumore; causa effetti di crosstalk, non possono essere utilizzati per amplificazione WDM.

24 Campi di applicazione SOA (1/2) I SOA non hanno per ora significative applicazioni commerciali. Tuttavia hanno alcune caratteristiche potenzialmente interessanti: - dimensioni molto compatte - minore consumo - costo potenzialmente inferiore.

25 Campi di applicazione SOA (2/2) Potrebbero dunque trovare utilizzo per applicazioni di amplificazione ottica a basso costo (MAN). Inoltre sono dispositivi molto utilizzati in ambito di ricerca avanzata per processing ottico : - switch ottici - convertitori di lunghezza d onda.

26 SOA e switch (1/2) I SOA possono essere accesie spenti molto velocemente, tramite modulazione della corrente di iniezione Così come i laser in modulazione diretta, possono essere modulati su tempi dell ordine dei nanosecondi.

27 Campi di applicazione SOA (2/2) Conseguentemente, possono essere utilizzati come switch ottici