Amplificatoare Optice

Introducere:

Se ştie că prin fibra optică fără amplificare, semnalele pot fi transmise pînă la distanţe nu mai mari de 200 km. Însă necesităţile impun transmiterea semnalelor la distanţe foarte mari, în acest sens sunt utilizate amplificatoarele optice.

Tehnologia fibrei optice a apărut în 1960 când un om de ştiinţă englez a reuşit să direcţioneze pulsuri de lumină printr-un tub de cauciuc lucios.

Dezvoltarea amplificatoarelor optice s-a fãcut dupã 1990, când au fost revoluţionate toate comunicaţiile optice. Avantajul folosirii amplificatoarelor optice este acela cã au proprietãţi similare amplificatoarelor electronice, excepţie fãcând doar proprietãţile de polarizare şi ale lungimii de undã. Amplificatoarele optice sunt componente esenţiale ale reţelelor de telecomunicaţii din prezent. Pentru multe aplicaţii sunt necesare capacitãţi mari de transmisie a informaţiei şi pe distanţe cât mai mari. Acestã problemã se poate rezolva dacã sunt utilizate amplificatoarele pe fibre optice, adicã dacã se obţine o amplificare opticã directã cu un zgomot redus şi fãrã sã necesite conversii electrooptice multiple care fac ca pierderile din fibrã sã creascã. Amplificatoarele optice amplificã radiaţia incidentã prin emisie stimulatã, iar câştigul se realizeazã prin pompaj optic pentru a se obţine inversia de populaţie. În timpul emisiei spontane, laserul de ieşire poate sã conţinã un spectru larg de zgomot pentru laser, care dupã detecţie furnizeazã termeni de zgomot pentru fotocurent. Dezavantajul principal la amplificarea opticã o constituie faptul cã simultan cu ea se adaugã şi amplificarea zgomotului. De aceea se încearcã reducerea zgomotului sau chiar eliminarea lui. Pentru acest lucru se utilizeazã diagrame de zgomot similare celor de la amplificatoarele electronice. Alte efecte care trebuie sã fie scãzute sau anulate sunt cele legate de dispersie şi de interferenţa dintre semnale, cât şi alte efecte liniare şi nelinare care apar în fibrele optice şi care modificã parametrii de transmisie ai fibrelor optice. Tipurile de amplificatoare optice sunt: amplificatoare de linie, amplificatoare de putere la emisie, preamplificatoare la recepţie şi pentru compensarea pierderilor de distribuţie. Preamplificatoarele au rolul de a creşte sensibilitatea receptoarelor, amplificatoarele de putere cresc distanţa legãturii pânã la aproximativ 120 km, iar amplificatoarele de linie înlocuiesc regeneratoarele electronice.

Se pot estima proprietãţile importante ale amplificatorului cum ar fi: lãrgimea de bandã a câştigului, factorul de amplificare şi puterea opticã de saturaţie. Cel mai important

parametru pentru amplificatoarele optice este câştigul optic, care poate fi exprimat în funcţie de lungimea de undã sau se poate determina câştigul lãrgimii de bandã şi întinderea din zona de câştig. Pentru valori mari ale puterii optice de intrare se poate observa cã acest câştig optic se poate satura. Acest lucru determinã o saturare a puterii optice de ieşire, care este cea mai mare putere opticã de ieşire posibilã.În referat sunt analizate aspectele importante pentru câteva tipuri de amplificare. Sunt prezentate: amplificarea prin împrãştiere Raman stimulatã (SRS), amplificarea prin împrãştiere Brillouin stimulatã (SBS) şi amplificarea din fibrele optice dopate cu erbium (Er3+) Împrãştierea Raman şi cea Brillouin sunt similare şi sunt produse de proprietãţile neliniare ale unui mediu optic care cupleazã un mecanism variabil (distanţa interatomicã dintr-o moleculã, cât şi densitatea omogenã dintr-un solid sau lichid) la schimbarea polarizãrii printr-o undã electromagneticã. Amplificarea din fibrele optice dopate cu Er3+ este utilizatã pentru amplificarea semnalelor optice de transmisie, iar amplificatorul optic din fibrele optice dopate cu Er3+ (EDFA) este cea mai importantã componentã a unui sistem optic de transmisie pentru distanţe şi capacitãţi de transmisie mari.EDFA opereazã în banda convenţionalã C (1530  1565) nm, în banda scurtã S (1460  1530) nm şi în banda lungimilor de undã lungi L (1565  1625) nm pentru amplificare. În prezent se fac teste pentru banda lungimilor de undã ultra lungi U (1625  1675) nm pentru amplificare.

Capitolul I : Amplificatoare bazate pe semicon-ductori sau pe bază de laser.

1.1 Amplificatoare optice bazate pe semiconductori (SOA)

Principiul de functionare al amplificatoarelor optice semiconductoare este asemenator cu cel al diodei laser, doar ca nu exista o cavitate rezonanta. Se pastreaza celelalte doua componente – pompa de energie si respectiv mediul activ, care este chiar fibra optica dopata si care permite amplificarea semnalului. Structura este polarizată direct sub pragul de laserare. Când un semnal intră în miezul generator de câstig, în prezenta fotonilor care sunt cauza emisiei stimulate, la cealaltă extremitate apare un semnal amplificat si coerent. Există două forme de operare a SOA: ca un Amplificator TWA (Trawelling wave Amplifier) sau amplificator Fabry-Perot. Conform modului de operare TWA, semnalul traversează o dată dispozitivul fiind amplificat în timpul trecerii. Acest mod de operare este interesant pentru aplicatiile de mare viteză, unde se pot amplifica impulsuri cu lungime de 1 ps. Într-o cavitate Fabry-Perot un semnal se propaga pe căi multiple din cauza reflexiei semi-propagărilor spre extremitătile dispozitivului. Pentru ca SOA să opereze ca un TWA trebuie diminuată reflexivitatea feţelor. Un prim pas pentru aceasta constă în adunarea straturilor anti-reflexive ale celor două interfete. În plus se poate înclina zona de ghidare a undelor la interfaţa obisnuită sau să se insereze o zonă transparentă între zona activă si interfată. În acest caz raza optică este defocalizată înainte de a ajunge la interfata semiconductorului. Lumina reflectată nu mai este divergentă si reuseste să se cupleze satisfăcător la zona activă a cărui densitate este destul de slabă. O caracteristică nedorită a amplificatorului este sensibilitatea la modul de polarizare a semnalului sau cu alte cuvinte câstigul de amplificare este diferit pentru modurile de traversare electrică (TE) si pentru modurile de traversare magnetică (TM). Această discrepanţă între moduri poate ajunge la valori între 5 dB si 8 dB, din cauza diferenţei între factorii de siguranţă si câstigurile diferite între polarităţi. S-au dezvoltat insa unele scheme pentru reducerea sensibilitătii la polaritate.