Amplificatori ottici per sistemi WDM

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1 Università degli Studi di Parma Amplificatori ottici per sistemi WDM Annamaria Cucinotta Dip. Ingegneria dell Informazione 17 Novembre 2005 Annamaria Cucinotta - CFA 1

2 Sommario Introduzione; Amplificatori ottici a larga banda; Erbium Doped Fiber Amplifiers; Componenti base di un EDFA; Architettura ; Parametri di Design; Esempio: Caratterizzazione sperimentale. 17 Novembre 2005 Annamaria Cucinotta - CFA 2

3 Amplificatori ottici: a cosa servono? Il guadagno dell OA compensa le perdite della tratta in fibra Esempio: 25 db di perdita per ogni tratta inseriti degli amplificatori ottici con 25 db di guadagno 17 Novembre 2005 Annamaria Cucinotta - CFA 3

4 Amplificatori ottici a larga banda 17 Novembre 2005 Annamaria Cucinotta - CFA 4

5 Locazione dell OA lungo la linea 17 Novembre 2005 Annamaria Cucinotta - CFA 5

6 Componenti base di un EDFA (1/2) Fibra drogata con Er 3+ (EDF); Laser di pompa: 980 oppure 1480nm. 17 Novembre 2005 Annamaria Cucinotta - CFA 6

7 Componenti base di un EDFA (2/2) Componenti passivi: WDM (wavelength division multiplexer); Isolatori ottici; Gain Flattening Filter. 17 Novembre 2005 Annamaria Cucinotta - CFA 7

8 Architettura di un EDFA a singolo stadio (1/2) input output 17 Novembre 2005 Annamaria Cucinotta - CFA 8

9 Architettura di un EDFA a singolo stadio (2/2) 17 Novembre 2005 Annamaria Cucinotta - CFA 9

10 Architettura di un EDFA a doppio stadio 17 Novembre 2005 Annamaria Cucinotta - CFA 10

11 Guadagno 17 Novembre 2005 Annamaria Cucinotta - CFA 11

12 Parametri di design Tipo di fibra drogata: Apertura numerica; Concentrazione di drogante. Lunghezza della fibra drogata; Potenzadi pompa; Filtro per equaliz. guadagno. 17 Novembre 2005 Annamaria Cucinotta - CFA 12

13 17 Novembre 2005 Annamaria Cucinotta - CFA 13

14 Esempio (1/3) 90 x 70 x 15 mm 17 Novembre 2005 Annamaria Cucinotta - CFA 14

15 Esempio (2/3) 17 Novembre 2005 Annamaria Cucinotta - CFA 15

16 Esempio (3/3) 17 Novembre 2005 Annamaria Cucinotta - CFA 16

17 Erbium Doped Fiber Raggio del core; Profilo di indice di rifrazione; Apertura numerica; Concentrazione di erbio (ioni/m 3 ); Vetro ospite (Al-Ge-Er-doped silica); caratteristiche spettrali. 17 Novembre 2005 Annamaria Cucinotta - CFA 17

18 EDF nm Single Mode For Pumping At 980 to 1480nm Core Concentricity <0.5mm Mode Field Diameter: 1550nm Core diameter 4.7mm, cladding 125mm, Jacket 250mm Cut-Off Wavelength: 910±50nm Peak Absorption: 1530nm Core Material: Er 3+ AI 2 O 3 /GeO 2 /SiO 2 NA: 0.22 PRICE PER METER: 1 TO 9m: $ TO 49m: $ TO 249m: $ TO 999m: $ Novembre 2005 Annamaria Cucinotta - CFA 18

19 EDF vs SMF28 900mm Tight Buffer Outer Jacket Core Cladding Concentricity <0.8mm Core Diameter 8.3mm Typical Zero Dispersion Wavelength 1312nm Typical Specifications: Operating Wavelength: nm Mode Field Dia. 1310nm/1550nm: 9.3mm /10.5mm Cladding ±1mm: 125mm Cut-Off Wavelength: <1260nm 1310nm: <0.40dB/km 1550nm: <0.30dB/km NA: 0.13 Price: $ m 17 Novembre 2005 Annamaria Cucinotta - CFA 19

20 EDFs 17 Novembre 2005 Annamaria Cucinotta - CFA 20

21 Quali grandezze misurare? (1/2) Sezioni d urto di assorbimento e di emissione. oppure Coefficienti di assorbimento, di guadagno e il parametro di saturazione intrinseca. 17 Novembre 2005 Annamaria Cucinotta - CFA 21

22 Quali grandezze misurare? (2/2) a = N T G(l) s a (l) g = N T G(l) s e (l) x = A eff N T / t a, g e x sono direttamente misurabili s a (l), s e (l) non sono direttamente misurabili ma possono essere ricavate. 17 Novembre 2005 Annamaria Cucinotta - CFA 22

23 Teoria di Mc-Cumber Misura dell attenuazione (loss) della fibra drogata A [db/m] Coefficiente di attenuazione a [m -1 ] = (ln10)/10 A [db/m] Si ricava la sezione d urto di assorbimento: s a (l)= a [m -1 ] / N T G(l). Dalla teoria di Mc-Cumber si ricava la sezione d urto di emissione s e (l) = s a (l) exp {(e hn)/kt} Ref: W.J. Miniscalco, Optics Lett. Vol. 16, pag , Novembre 2005 Annamaria Cucinotta - CFA 23

24 Relaz. di Landenburg- Fuchtbauer s e (l) e s a (l) sono ottenute mediante un opportuna normalizzazione dello spettro di fluorescenza e di assorbimento, rispettivamente s e (n) = l/(8pn 2 t) F(n)/ F(n)dn analogamente per s a (l) Ref: A. Bjarklev, Optical Fiber Amplifiers: Design and System Application, Artech House. 17 Novembre 2005 Annamaria Cucinotta - CFA 24

25 Caratterizzazione sperimentale della EDF Strumentazione base: Optical Spectrum Analyzer (OSA); Sorgente di luce bianca; Tunable Laser. 17 Novembre 2005 Annamaria Cucinotta - CFA 25

26 Optical Spectrum Analyzer (1/3) 17 Novembre 2005 Annamaria Cucinotta - CFA 26

27 Optical Spectrum Analyzer (2/3) 17 Novembre 2005 Annamaria Cucinotta - CFA 27

28 Optical Spectrum Analyzer (2/3) 17 Novembre 2005 Annamaria Cucinotta - CFA 28

29 Misura di assorbimento (1/2) Tecnica del cut-back: P out (L 2 ) [db] Taglio un pezzo di fibra DL=L 2 -L 1 P out (L 1 ) [db] A[dB/m]= (P out (L 1 ) - P out (L 2 ))/ DL 17 Novembre 2005 Annamaria Cucinotta - CFA 29

30 Misura di assorbimento (2/2) Coefficiente di assorbimento (db/m ) Lunghezza d'onda (nm) 17 Novembre 2005 Annamaria Cucinotta - CFA 30

31 Misura di fluorescenza Spettro di fluorescenza P otenza (dbm ) Completa inversione della popolazione Spezzone di EDF di pochi cm Lunghezza d'onda (nm) 17 Novembre 2005 Annamaria Cucinotta - CFA 31

32 Misura di guadagno g(l)=[dg(l*)/l - a (l*)]f (l)/f (l*) Coef. di guadagno (db/m) Lunghezza d'onda (nm) 17 Novembre 2005 Annamaria Cucinotta - CFA 32

33 Assorbimento e Guadagno Coef. di assorbimento Coef. di guadagno (db/m ) Lunghezza d'onda (nm) 17 Novembre 2005 Annamaria Cucinotta - CFA 33

34 Fibra per banda C 17 Novembre 2005 Annamaria Cucinotta - CFA 34

35 Conclusioni Amplificatori ottici a larga banda. Componenti base e Architettura di un EDFA. Esempi di EDFAs commerciali. Caratterizzazione sperimentale di una EDF. 17 Novembre 2005 Annamaria Cucinotta - CFA 35