In questa sezione si affronteranno i seguenti argomenti: Introduzione agli amplificatoriottici. Amplificatori ottici ad Erbio (EDFA)

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1 Reti in fibra ottica 1/64 Cosa c è nella lezione In questa sezione si affronteranno i seguenti argomenti: Introduzione agli amplificatoriottici Amplificatori ottici ad Erbio (EDFA) Caratteristiche EDFA Amplificatori ottici a semiconduttore Amplificatori Raman. 2/64

2 Reti in fibra ottica 3/64 Amplificazione ottica - 1/2 Per controbilanciare l attenuazione della fibra, sono utili gli amplificatoriottici E () in t E () t = G E () t + nt () out in Guadagno ottico Rumore ottico generato dal processo di amplificazione 4/64

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). 5/64 Principio di funzionamento 1/4 Gli amplificatori otticisi basano su principi simili a quelli visti per i sistemi a semiconduttore, cioè: 1. Emissione stimolata Effetto principale, che permette l amplificazione. 6/64

4 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. 7/64 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. 8/64

5 Principio di funzionamento 4/4 Laser di pompa Segnale ottico in ingresso λ p s, P s p in λ, P () t Sistema atomico in λ, G P () t s s 9/64 Potenza di segnale e pompa Ingresso P(l) l l p l s 10/64

6 Potenza di segnale e pompa Ingresso P(l) Trasferimento di potenza l l p l s 11/64 Potenza di segnale e pompa Ingresso P(l) Trasferimento di potenza l l p l s Uscita P(l) l l p l s 12/64

7 Reti in fibra ottica 13/64 Erbium Doped Fiber Amplifier (EDFAs) 1/2 Gli amplificatoriotticidi gran lunga più comuni sono gli amplificatori otticiad 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. 14/64

8 Erbium Doped Fiber Amplifier (EDFAs) 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). 15/64 Erbium Doped Fiber Amplifier (EDFAs) 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). Tipica curva di guadagno Erbio Gain (db) 1530 nm nm 16/64

9 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 λ 980 nm /1480nm p Laser di pompa Segnale ottico in ingresso s λ 1550nm Sistema atomico 17/64 EDFA: struttura base Optical Input 18/64

10 EDFA: struttura base Optical Input 980 or 1480 nm Pump Laser 19/64 EDFA: struttura base Optical Input Signal/ pump Mux 980 or 1480 nm Pump Laser 20/64

11 EDFA: struttura base Optical Input Signal/ pump Mux Erbium Doped Fiber (5 to 30 meter) 980 or 1480 nm Pump Laser 21/64 EDFA: struttura base Optical Input Signal/ pump Mux Erbium Doped Fiber (5 to 30 meter) Signal/ pump Demux 980 or 1480 nm Pump Laser Pump Monitor Port 22/64

12 EDFA: struttura base Optical Input Signal/ pump Mux Erbium Doped Fiber (5 to 30 meter) Signal/ pump Demux Optical Output 980 or 1480 nm Pump Laser Pump Monitor Port 23/64 Nomenclatura EDFA Booster EDFA T x R x 24/64

13 Nomenclatura EDFA Booster EDFA T x R x In-Line EDFA T x R x 25/64 Nomenclatura EDFA Booster EDFA T x R x In-Line EDFA T x R x T x Preamplifier EDFA R x 26/64

14 Reti in fibra ottica 27/64 Caratteristiche EDFA Gli EDFA sono oggi deidispositividisponibili commercialmente ed estremamente affidabili. Hanno costi elevati, che ne permettono l uso solo per le trasmissioni a 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. 28/64

15 Saturazione del guadagno 1/2 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. 29/64 Saturazione del guadagno 2/2 G= f( P in ) segnale P in 30/64

16 Saturazione del guadagno 2/2 G= f( P in ) Guadagno per piccolo segnale segnale P in 31/64 Saturazione del guadagno 2/2 ( ) G f P in = Guadagno per piccolo segnale 1 db Potenza di saturazione (-1dB) in ingresso segnale P in 32/64

17 Banda EDFA 1/2 La banda di guadagno è tipicamente definita come quella zona dove il guadagno è piatto entro 1 db. G(λ) 1 db I valori tipiciper gli EDFA standard sono attorno ai 30 nm. G 1dB λ 33/64 Banda EDFA 2/2 Nei sistemi ad alta capacità le limitazioni alla massima banda disponibile sono legate alla banda degli EDFA. G(λ) 1 db Sono state studiate varie soluzioni tecnologiche per allargare questa banda. G 1dB λ 34/64

18 Terminologia: bande degli EDFA l 35/64 Terminologia: bande degli EDFA S- Band C- Band L- Band XL- Band 1535 nm 1565 nm 1600 nm S- Band C- Band L- Band XL- Band 1535 nm 1565 nm 1600 nm C-Band (central) standard EDFA band, circa l 36/64

19 Terminologia: bande degli EDFA C-Band (central) standard EDFA band, circa l L-Band (Large wavelength) Circa nm. 37/64 Terminologia: bande degli EDFA S- Band C- Band L- Band XL- Band 1535 nm 1565 nm 1600 nm S- Band C- Band L- Band XL- Band 1535 nm 1565 nm 1600 nm C-Band (central) standard EDFA band, circa l L-Band (Large wavelength) Circa nm. XL-Band (Xlarge wavelength) sopra 1600 nm. 38/64

20 Terminologia: bande degli EDFA S- Band C- Band L- Band XL- Band 1535 nm 1565 nm 1600 nm C-Band (central) standard EDFA band, circa l L-Band (Large wavelength) Circa nm. XL-Band (Xlarge wavelength) sopra 1600 nm. S-Band sotto 1530 nm. 39/64 EDFA a banda larga: equalizzatori Per ottenere EDFA con banda larga, al di fuori della classica banda C, sono utilizzati Opportuni filtri ottici (passivi) di equalizzazione del guadagno. Gain equalization filter (e.g. FBG) Gain equalization filter (e.g. FBG) Optical Input EDFA 1 EDFA 2 Optical Output Droganti aggiuntivioltre all Erbio. 40/64

21 EDFA e rumore ASE 1/2 Così come gli amplificatori elettrici, gli EDFA generano rumore Il rumore è dovuto al fenomeno dell emissione spontanea. 41/64 EDFA e rumore ASE 2/2 In un EDFA, un fotone emesso spontaneamente viene successivamente amplificato E 2 E 1 Il rumore complessivo viene chiamato: z-direction (fiber length) Amplified Spontaneous Emission (ASE) noise. 42/64

22 EDFA e rumore ASE 2/2 In un EDFA, un fotone emesso spontaneamente viene successivamente amplificato E 2 E 1 Il rumore complessivo viene chiamato: z-direction (fiber length) Amplified Spontaneous Emission (ASE) noise. 43/64 EDFA e rumore ASE 2/2 In un EDFA, un fotone emesso spontaneamente viene successivamente amplificato E 2 Spontanous Emission E 1 Il rumore complessivo viene chiamato: z-direction (fiber length) Amplified Spontaneous Emission (ASE) noise. 44/64

23 EDFA e rumore ASE 2/2 In un EDFA, un fotone emesso spontaneamente viene successivamente amplificato E 2 Spontanous Emission E 1 Il rumore complessivo viene chiamato: z-direction (fiber length) Amplified Spontaneous Emission (ASE) noise. 45/64 EDFA e rumore ASE 2/2 In un EDFA, un fotone emesso spontaneamente viene successivamente amplificato E 2 Spontanous Emission Stimulated Emission E 1 Il rumore complessivo viene chiamato: z-direction (fiber length) Amplified Spontaneous Emission (ASE) noise. 46/64

24 EDFA e rumore ASE 2/2 In un EDFA, un fotone emesso spontaneamente viene successivamente amplificato E 2 Spontanous Emission Stimulated Emission E 1 Il rumore complessivo viene chiamato: z-direction (fiber length) Amplified Spontaneous Emission (ASE) noise. 47/64 EDFA e rumore ASE 2/2 In un EDFA, un fotone emesso spontaneamente viene successivamente amplificato E 2 Spontanous Emission Stimulated Emission E 1 Il rumore complessivo viene chiamato: z-direction (fiber length) Amplified Spontaneous Emission (ASE) noise. 48/64

25 Reti in fibra ottica 49/64 Amplificatori ottici a semiconduttore 1/2 Esistono altri tipi di amplificatori ottici(meno diffusidegli amplificatori otticiad Erbio) Semiconductor Optical Amplifiers (SOA). Si basano sullo stesso principio dei laser (emissione stimolata in un semiconduttore), senza però feedback ottico. 50/64

26 Amplificatori ottici a semiconduttore 2/2 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. 51/64 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. 52/64

27 Campi di applicazione SOA 2/2 Potrebbero dunque trovare utilizzo per applicazioni di amplificazione ottica a basso costo (MAN). Inoltre sono dispositivimolto utilizzati in ambito di ricerca avanzata per processing ottico : switch ottici convertitori di lunghezza d onda. 53/64 SOA e switch ottici 1/2 I SOA possono essere accesi e 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. 54/64

28 SOA e switch ottici 2/2 Conseguentemente, possono essere utilizzati come switch ottici 55/64 SOA e switch ottici 2/2 Conseguentemente, possono essere utilizzati come switch ottici i=0 SOA 56/64

29 SOA e switch ottici 2/2 Conseguentemente, possono essere utilizzati come switch ottici i=0 SOA 57/64 SOA e switch ottici 2/2 Conseguentemente, possono essere utilizzati come switch ottici i=0 i=i nom SOA SOA 58/64

30 SOA e switch ottici 2/2 Conseguentemente, possono essere utilizzati come switch ottici i=0 i=i nom SOA SOA 59/64 Reti in fibra ottica 60/64

31 Amplificazione Raman 1/2 Un ulteriore tipo di amplificazione ottica è basato sull effetto Raman. Si tratta di un effetto non lineare presente in tutte le comuni fibre ottiche (non drogate). 61/64 Amplificazione Raman 2/2 Da un punto di vista sistemistico agisce come segue: dato un segnale con una potenza sufficientemente elevata, l effetto Raman provoca un trasferimento di energia da questo segnale alle frequenze più basse (lunghezze d onda più elevate) guadagno. Raman Gain λ pump λ 62/64

32 Confronto con EDFA 1/2 Rispetto agli EDFA, gli amplificatori Raman: 1. non richiedono fibre speciali; 2. tuttavia per avere una amplificazione significativa, pompa e segnale devono interagire per notevoli distanze (alcuni Km); 3. le potenze di pompa devono essere solitamente molto elevate ( mw). 63/64 Confronto con EDFA 2/2 Applicazione tipica: amplificazione distribuita lungo la stessa fibra che costituisce il collegamento TX RX Pump (1470 nm) 64/64