DUMLUPINAR ÜNİVERSİTESİ ELEKTRİK-ELEKTRONİK MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ 11. BÖLÜM OPTİK AMPLİFİKATÖRLER

DUMLUPINAR ÜNİVERSİTESİ ELEKTRİK-ELEKTRONİK MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ 11. BÖLÜM OPTİK AMPLİFİKATÖRLER n n n n n n n n n n n n n n n n n n n n 11.1 OPTİK...
6 downloads 0 Views 1MB Size
DUMLUPINAR ÜNİVERSİTESİ ELEKTRİK-ELEKTRONİK MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ

11. BÖLÜM OPTİK AMPLİFİKATÖRLER

n n n n n n n n n n n n n n n n n n n n

11.1 OPTİK AMPLİFİKATÖRLERİN TEMEL UYGULAMALARI VE ÇEŞİTLERİ 11.1.1 Genel Uygulamalar 11.1.2 Amplifikatör Çeşitleri 11.2 YARIİLETKEN OPTİK AMPLİFİKATÖRLER 11.2.1 Dış Pompalama 11.2.2 Amplifikatör Kazancı 11.3 ERBİUM-DOPLED FİBER AMPLİFİKATÖRLER 11.3.1 Yükseltme Mekanizması 11.3.2 EDFA’nın Mimarisi 11.3.3 EDFA Güç Çevrimi Verimi ve Kazancı 11.4 AMPLİFİKATÖR GÜRÜLTÜSÜ 11-5 SİSTEM UYGULAMALARI 11.5.1 Güç Amplifikatörleri 11.5.2 Hat Boyu Amplifikatörler 11.5.3 Ön Yükselticiler 11.5.4 Çok Kanllı Yönetim 11.5.5 Hat boyu amplifikatör kazanç kontrolü 11.6 DALGABOYU DÖNÜŞTÜRÜCÜLERİ 11.6.1 Optik Giriş Çıkışlı Dalgaboyu Dönüştürücüleri 11.6.2 Dalga karıştırıcı dalgaboyu dönüştürücüleri

n

Geleneksel olarak, bir optik bağlantı kurulurken, bir güç bütçesi formüle edilir ve yol kaybı uygun güç sınırını aştığı zaman tekrarlayıcılar eklenir. Bir optik sinyali uygun bir tekrarlayıcıyla yükseltmek için, foton-elektron çevrimi, elektrikli genişletme, yeniden zamanlama, darbe şekillendirmesi ve sonra elektron-foton çevrimi meydana getirilmelidir. Bu sürecin sınırlı hız tek dalgaboyu işlemlerinde iyi çalışmasına rağmen yüksek hız çoklu dalgaboyu sistemlerinde oldukça karmaşık ve pahalı olabilir. Bu nedenle tüm optik amplifikatörlerin geliştirilmesi için büyük bir çaba harcanmaktadır.

11.1 OPTİK AMLİFİKATÖRLERİN TEMEL UYGULAMALARI VE ÇEŞİTLERİ

n

Optik amplifikatörler yalnız uzun mesafe noktadan noktaya optik fiber bağlantısında değil aynı zamanda ani sinyal kesilmesi kayıpların karşılanması için çoklu ulaşım ağlarında geniş kullanım bulurlar. Optik amplifikatörlerin özellikleri, her birinin farklı tasarım niteliği olan çok çeşitli uygulamalara yol açarlar.

11.1.1 Genel Uygulamalar n

Şekil 11-1 Optik amplifikatörler için 4 olası uygulama (a) geçiş uzunluğunu arttırana kadar hat boyu amplikikatörler (b) alıcı duyarlılığını geliştirene kadar ön yükselteç (c) iletilen gücün desteklenmesi (d) bölgesel alan ağının içinde sinyal düzeyinin desteklenmesi

11.1.2 Amplifikatör Çeşitleri n

İki ana optik aplifikatör çeşidi yarı iletken optik amplifikatör (SOA) ve aktif-fiber veya doped-fiber amplifikatörler (DFAs) olarak sınıflandırılabilir. Bütün optik amplifikatörler uyarılan yayma işlemi boyunca bağlı ışığın gücünü arttırırlar. Uyarılan yaymanın meydana gelebilmesi için gerekli olan ters çevirme nüfusunun yaratılma mekanizması lazer diyotlarda kullanılanla aynıdır. Bir optik amplifikatörün yapısı bir lazerinkine benzemesine rağmen lasingin meydana gelebilmesi için gerekli olan optik besleme mekanizmasına sahip değildir. Bu yüzden, bir optik amplifikatör gelen sinyal seviyesini arttırabilir fakat kendi kendine tutarlı bir optik çıkış üretemez. Basit işlem şekil 11.2’de gösteriliyor.

n

Şekil 11.2 Genel optik amplifikatörlerin basit uygulaması

11.2 YARIİLETKEN OPTİK AMPLİFİKATÖRLER n

SOA’ların iki ana çeşidi yankılayan, Fabry-Perot amplifikatör (FPA) ve yankılamayan yayılan dalga amplifikatördür.(TWA). FPA’da, yarıiletken kristalinin iki yarılmış parlak yüzey kısmi olarak Fabry-Perot oyuğunu oluşturan yansıtan son aynalar gibi davranır. Yayılan-dalga amplifikatörün yapısı, son parlak yüzeylerin ya yansıtmaz kaplamalı yada belli bir açıyla yarılmış böylelikle iç yansımanın olmaması dışında FPA’nınkiyle aynıdır. Bu yüzden, giriş ışığı yalnızca birkez TWA’dan tek başına geçerken yükseltilir.

11.2.1 Dış Pompalama n

n

Dış akım enjeksiyonu SOA’larda mekanizma kazanmak için gerekli olan ters çevirme nüfusunu yaratmak için kullanılan metottur. Enjeksiyon toplamı, uyarılan yayılma ve spontane-yeniden birleşme oranları, uyarılmış durumdaki taşıma yoğunluğuna hükmeden denge denklemini verir.

¶n(t ) n(t ) = R p (t ) - Rst (t ) ¶t tr

n

Burada Rp(t) enjeksiyon akım yoğunluğundan d kalınlığın aktif katmanına dış pompalama oranıdır. tr istemsiz yayılmadan ve taşıyıcı-yeniden birleştirme mekanizmasından gelen birleştirilmiş zaman sabitidir.

J (t ) R p (t ) = qd

n

(11 - 1)

Rst (t ) = G av g ( n - nth ) N ph º gv g N ph

Rst(t) ise uyarılmış yayılma oranıdır. Burada υg bağlı ışığın grup hızıdır, G optik hapsedilme faktörü, a sabit kazanç (optik frekansa υ bağlı olan) nth başlangıç taşıyan yoğunluğu, Nph foton yoğunluğu ve g birim uzunluktaki ortalama kazançtır.

n

Verilen bir optik amplifikatörün genişliği w ve a kalınlığı d sonra enerjinin fotonlarıyla hu ve grup hızıyla υg, gücün Ps optik sinyali için foton yoğunluğu

Ps N ph = vg (hv)(wd ) n

N ph

(11 - 4)

Örnek 11-1. w=5 μm ve d=0,5μm olan bir InGaAsP SOA düşünün υg =2x108 m/s verilerek, eğer bir 1,0 μm optik sinyal 1550 nm de cihaza girerse, denklem (11-4)’den fotonun yoğunluğu;

1 ´ 10 -6 W 16 3 1 . 56 10 / = = ´ foton m (6.626 ´ 10 -34 J .s )(3 ´ 108 m / s) 8 (2 ´ 10 m / s ) (5mm)(0.5mm) -6 1.55 ´ 10 m

n

n

n

g ‘den sonra kırılan birim uzunlukta durgun durum kazacı için çözüm J nth g0 qd t r (11 - 6) g= = vg N ph + 1 Gat r 1 + N ph N ph; sat N ph; sat =

1 Gavgt r

Burada Saturasyon foton yoğunluğu doyurma olarak tanımlanmıştır.

Birim uzunlukta küçük sinyal kazancı olarak adlandırılan sinyal girişinin yokluğundaki birim uzunluktaki ortalama kazanç. æ J nth ö ÷÷ g 0 = Gat r çç è qd t r ø

(11 - 8)

n

Örnek 11-2. 1300nm InGaAsP SAO için aşağıdaki parametreleri göz önünde bulunduralım.

(a) Eğer 100 mA eğilim akımı cihaza uygulanır, sonra denklem (11-2)’den dolayı pompalama oranı

n

Rp = n

J J 0.1A 33 3 = 1 . 39 ´ 10 ( elektron / m )/ s = = -19 qd qdwL (1.6 ´ 10 C )(0.3mm)(3mm)(500 mm)

(b) Denklem (11-8)’den dolayı sıfır sinyal kazancı

g 0 = 0.3(2.0 ´ 10

- 20

æ 1.0 ´ 10 24 m -3 ö -3 -1 33 ÷÷ m )(1ns)çç1.39 ´ 10 m s 1 . 0 ns è ø 2

= 2340 m -1 = 2.34cm -1

11.2.2 Amplifikatör Kazancı Bir optik amplifikatörün en önemli parametrelerinden biri; G olarak tanımlanan sinyal kazancı veya amplifikatör kazancıdır.

n

G= n

Ps ,out Ps ,in

(11 - 9)

SOA’nın aktif ortamındaki tek geçiş kazancı

G = exp[(G g m - a ) L ] º exp[g ( z ) L ] n

(11 - 10)

Burada Γ oyuktaki optik hapsedilme faktörü, gm materyal kazanma katsayısı, α optik yoldaki materyalin etkili emme katsayısı, L amplifikatör uzunluğu, g(z) birim uzunluktaki ortalama kazançtır.

n

Giriş gücünün bir fonksiyonu olarak kazanç G için ifade denklem (11-10)’daki kazanç parametresinin g(z) incelenmesiyle elde edilebilir. g0 g ( z) = Ps ( z ) 1+ Pamp ,sat n

(11 - 11)

Burada; go sinyal girişinin yokluğundaki birim uzunluktaki doymamış ortam kazancı, Ps(z) z noktasındaki dahili sinyal gücü ve Pamp,sat ; birim uzunluktaki kazancın yarılandığı dahili güç seviyesi olarak tanımlanan amplifikatör doyma gücüdür.

n

Işığın yokluğunda tek geçiş kazancının tanımı olacaktır ve denklem (11-9)’un kullanılmasıyla G = 1+

n

Pamp , sat Ps ,in

æ G0 ö ln ç ÷ G ø è

Go = exp( g o L)

(11 - 15)

Şekil 11-3 kazancın giriş gücüne bağımlılığını gösterir. Burada, sıfır sinyal kazancı (veya küçük sinyal kazancı) 1000’in kazanç faktörü olan Go = 30 dB’dir. Eğri, giriş sinyal gücünün yükseltilmesi ile kazanç ilk önce küçük sinyal seviyesine yakın kalır ve sonra azalmaya başladığını gösterir. Kazanç doyma bölgesindeki lineer azalmadan sonra, yüksek giriş güçleri için 0 dB asimptotik değerine yaklaşır. Ayrıca kazancın 3 dB ile azaltıldığı noktadaki çıkış doyma gücünüde gösterir.

n

Şeki 11-3 Go=30 dB (1000’in kazancı)’in küçük sinyal kazancı için optik giriş gücü üzerinde sinyal geçiş kazancının tipik bir bağımlılığı

11.3 ERBİUM-KATKILI FİBER AMPLİFİKATÖRLER n

Bir optik fiber amplifikatördeki aktif ortam, erbium (Er), ytterbium (Yb), neodymium (Nd) veya praseodymium (Pr) gibi nadir toprak elementleri azda katkılı olan (örnek olarak milyon ağırlıkta 1000 parça) sözde 10 m’den 30 m uzaklıkta optik fiberden oluşur. Ana fiber materyali standart silica, florid tabanlı cam veya çok parçalı cam olabilir.

11.3.1 Yükseltme Mekanizması n

Yarıiletken optik amplifikatörlerin harici akım enjeksiyonu kullanmalarına karşın, elektronları daha yüksek enerji seviyelerine uyarmak için, optik fiber amplifikatörler optik pompalama kullanırlar. Bu işlemde, kişi elektronları uyarılmış durumlara doğrudan yükseltmek için fotonları kullanır. Optik pompalama işlemi üç enerji sviyesinin kullanılmasına ihtiyaç duyar. Şekil 11-4 basitleştirilmiş enerji seviyesi diyagramını ve silika camındaki bu iyonlarının çeşitli enerji seviyesi geçiş işlemlerini gösterir. Telekominikasyon uygulamaları için iki ana seviye yarı kararlı seviyesi ve pompa seviyesi diye adlandırılır. Yarı karaklı teriminin manası, bu durumdan zemin durumuna geçişlerin hayat süreleri , bu seviyeye neden olan durumların hayat süreleri ile karşılaştırıldığında çok uzundur.

n

Şekil 11-4 Basitleştirilmiş enerji seviyesi diyagramı ve silika camındaki Er iyonlarının çeşitli enerji seviyesi geçiş işlemleri

11.3.2 EDFA’nın Mimarisi n

Bir optik fiber amplifikatör şekil 11-5’de gösterildiği gibi bir veya daha fazla pompa lazeri, bir pasif dalgaboyu çiftleyici optik izolatörleri ve musluk çiftleyicilerden oluşur. Optik izolatörler, yükseltilmiş sinyali amplifikatörün gürültüsüne arttırıp etkinliğini azaltabileceği cihazın içine yansımasını engeller. Pompa ışığı genellikle sinyal akışıyla aynı yönde enjekte edilir. Bu yönlendirici pompalama olarak bilinir. Ayrıca pompa gücünü karşıt yönlü pompalama olarak bilinen sinyal akışının karşı yönünde enjekte etmekle mümkündür. Şekil 115’de gösterildiği gibi, kişi sonuç kazanımlarının sırasıyla tipik olarak +17 dB ve +35 dB arttığı ya tek pompa kaynağını yada çift pompa kaynağı tasarıları kullanabilir. Karşıt yön pompalama daha fazla kazanca izin verir ama yönlendirici pompalama daha iyi gürültü performası verir. Ayrıca 980 nm’de pompalama tercih edilir, çünkü 1480 nm’deki pompalamaya göre daha az gürültü üretir ve daha geniş ters çevrim nüfusu elde edilir

n

Şekil 11-5 EDFA’nın üç olası kanfigürasyonu(a) yönlendirici pompalama, (b) karşıt yön pompalama, (c) çift pompalama

11.3.3 EDFA Güç Çevrimi Verimi ve Kazancı n

n

EDFA’nın giriş ve çıkış güçleri enerji koruma prensibiyle ifade edilir. lp Ps ,out £ Ps ,in + + Pp ,in (11 - 16) ls Burada, Ppin giriş pompa gücü ve λp ve λs sırasıyla pompa ve sinyal dalgaboylarıdır. Buradaki temel fiziksel prensib, EDFA’dan alınabilecek sinyal enerjisinin miktarı cihazda depolanan pompa enerjisini aşamaz.

Yukarıdaki denklemden maksimum çıkış sinyal gücü λp/λs oranına dayandığını görüyoruz. Pompalama tasarısının çalışması için, λp/λs olmasına ihtiyacımız var ve uygun kazanç elde etmek için Ps ,in £ Pp,in olmalı. Böylece, güç dönüşüm yeterliliği (PCE) birleşiminden az gibi belirtilmektedir. Ps ,out - Ps ,in Ps,out l p (11 - 17 ) PCE = » £ £1 Pp,in Pp,in ls

n

n

Mutlak referans amaçları için dalgaboyunun bağımsız olduğu quantum çevrimini (QCE) kullanmak fayfdalı olacaktır.

QCE = n

ls PCE lp

(11 - 18)

Ayrıca, amplifikatör kazancı G’nin terimleriyle tekrar yazabiliriz. İstemsiz yayılmanın olmadığını varsayarsak;

G=

Ps , out Ps ,in

l p Pp ,in £ 1+ l s Ps ,in

(11 - 19)

Örnek 11-3 980 nm’de 30 nW pompa gücüyle pompalanan EDFA düşünün. 1550 nm’de kazanç 20 dB ise, sonra eşitlik 1120’den maksimum giriş gücü

n

Ps ,in n

(980 1550)(30mW ) £ = 190 mW 100 - 1

Maksimum çıkış gücü

Ps ,out (max) = Ps ,in (max) +

lp ls

Pp ,in = 190mW + 0.63(30mW )

= 19.1mW = 12.8dBm

n

Pompa gücüne ek olarak, kazanç ayrıca fiber uzunluğuna dayanır. Öyle bir EDFA’nın L uzunluğunda üç orta seviyeli lazerin maksimum kazancı aşağıda verilmiştir.

G (max) = exp( ps e L) n

Burada çapraz bölmeli sinyal yayılımı ve nadir yeryüzü konsantrasyonudur. Maksimum olası EDFA kazancı iki kazanç ifadesinin küçüğü ile verilmiştir.

l p Pp ,in üï ì G £ min íexp( ps e L ),1 + ý l P s s ,in ï î þ n

(11 - 21)

(11 - 22)

G = Psout / Psin = exp( rs e L) olduğu için iki ifadenin küçüğü ile verilen

maksimum olası EDFA çıkış gücüne benzer. Şekilde takip edilecektir.

Ps ,out

lp ü £ min{Ps ,in exp( ps e L), Ps ,in + Pp ,in ý ls þ

(11 - 23)

n

Şekil 11-6 Şekilde pompalama gücü artarken çeşitli doped-fiber uzunlukları için doyma kazanma başlangıçları gösterilmektedir. Fiber uzunluğu üzerinde EDFA kazancının bağımlılığının hesaplanması ve1480 nm pompalama ve 1550 nm sinyal için pompalama gücü

n

EDFA’daki yarı kararlı seviyesi göreceli olarak uzun yaşam zamanı olduğu için çok yüksek doymuş çıkış gücü sağlayabilir. Doyma çıkış gücü (doyma kazancının olmadığı yerlerdeki güç) küçük sinyal kazancın 3 dB sılkıştırma noktası olarak tanımlanır. Büyük sinyal işleme için, şekil 11-7’den çıkarılabileceği gibi doymuş kazanç pompa gücüyle doğrusal olarak artar. Bu şekil giriş gücünün verilen pompa seviyesi için arttığını, amplifikatör kazancı doyma meydana gelinceye kadar sabit kaldığını gösterir.

n

Şekil 11-7 Çeşitli pompalama seviyeleri için çıkış sinyal gücünün EDFA’nın fonksiyonu gibi kazanç davranışı

11.4 AMPLİFİKATÖR GÜRÜLTÜSÜ n

Optik amplifikatörde üretilen baskın gürültü yükseltilmiş spontane emisyondur (ASE). Bunun kaynağı elektronların ve holelerin amplifikatör ortamında istemsiz yeniden birleşimleridir. Bu yeniden birleşme optik sinyal boyunca yükseltilmiş fotonların yaygın spektral arka planını arttırır. Bu etki sinyal 1540 nm’de EDFA yükseltme için şekil 11-8 de gösterilmiştir. n

Şekil 11-8 Tipik 1480 nm pompalama spektrum ve 1540 nm’de yükseltilmiş doğal yayılma (ASE) gürütü ile birleşmiş tipik çıkış sinyali

n

Doğal gürültü yükseltilen ortam boyunca dağıtılan karışık devamlı kısa ritim akış olarak modellenebilir. Bu şekildeki rastgele bir işlem frekans ile doğru orantılı bir gürültü güç spektrumu ile karakterize edilir. ASE gürültüsünün güç spektral yoğunluğu aşağıdaki gibidir.

S ASE ( f ) = hvn sp [G ( f ) - 1] = PASE / D v opt n

Burada PASE optik bant genişliğindeki ASE gürültü gücünü gösterir. Dvort ve n sp doğal yayılma veya populasyon dönüştürme faktörüde aşağıdaki gibi açıklanır.

n2 nsp = n2 - n1 n

(11 - 24)

(11 - 25)

Bu eşitlikte de n1 ve n2 1 ve 2 durumlarında olduğu gibi sürtünme yoğunluğu veya elektron sayısını gösterir. Bu nedenle n sp iki enerji seviyesi arasındaki populasyon değişiminin ne kadar kusursuz olduğunu gösterir.

n

Şekil 11-9 Çeşitli EDFA uzunluklarını arttırmak için deneysel ve teorik ASE gürültü güçlerine karşı giriş pompa gücünden (a) yönlendirici (ileri) pompalama ve (b) karştı yönlü (geri) pompalama. (Peredrsen tarafından IEEE izniyle yeniden üretilmiştir.24 © 1990,IEEE.)

n

Eğer bir optik filitre fotodedektörden üstünse Dvort ’un gözle görülür bir biçimde azalacağını göz önünde bulundurunuz. P0 için bu durum denklem (6-6) için yer değiştirmesi daha sonra toplam aritmatik kare vuruş gürültü oranı elde etmemizi sağlar.

2 2 2 2 s ishot = s shot = s shot + -S shot - ASE = 2qÂGPs ,in B + 2qÂGS ASE Dvopt B n n

Burada B alıcı elektrik bantgenişliğinin yöneticisidir. Diğer iki gürültü ışık sinyalinin ve ASE’nin içinde bulunan farklı optik frekansların karışımı ile ortaya çıkar ki bu durum iki dizi ritim frekansı üretir. Sinyal ve ASE farklı optik frekanslara sahip olduğundan dolayı ASE’nin ritim gürültüsü aşağıdaki gibidir.

s s2- ASE = 4(ÂGPs ,in )(ÂS ASE B )

(11 - 27)

n

Ek olarak ASE geniş optik frekans mesafeleri oluşturduğu için gürültü akımına sebep olan kendine karşı bir ritim oluşturur.

s n

2 ASE - ASE

=Â S 2

2

ASE

(2Dvopt - B ) B

(11 - 28)

Toplam alıcı gürültü akımının aritmatik ortalamasının karesi

2 2 2 2 2 2 2 itotal = s total = s T2 + s shot + s + s + s + s -s shot - ASE s - ASE s - ASE ASE - ASE

n

İlk başta, amplifikatör kazancı yeterince büyük olduğunda temel gürültü çoğunlukla göz ardı edilebilir. Daha da fazlası yükseltilmiş sinyal gücü olan GPs ,in ASE gürültü gücü S ASE Dv ort çok daha büyük olduğundan ASE-ASE ritim gürültüsü gözle görülür bir biçimde sinyalASE ritim gürültüsünde gözle görülür ölçüde büyüktür. Bu gözlem denklem (11-26)’yı aşağıdaki şekilde indirger. 2 s shot » 2qÂGPs ,in B

(11 - 30)

n

Denklem (11-24)’de SASE için verilen belirtiyle beraber bu sonuçları kullanmak fotodedektör çıkışındaki S/N sinyal gürültü oranını tam olarak verir.

æSö ç ÷ è N ø out n n

2 s ph  2G 2 Ps2,in ÂPs ,in G = 2 = » 2 s total s total 2qB 1 + 2hnsp (G - 1)

(11 - 31)

Burada η fotodedektörün quantum yeterliliğidir Girişteki S/N ile amplifikatör çıkışındaki S/N arasındaki oran olan gürültü biçiminin standart açıklamasını kullandığımızda,

(S N )in F= (S N )out

=

1 + 2hnsp (G - 1) G

(11 - 34)

n

Örnek 11-5 Şekil 11-10 EDFA’nın hem yardımcı yön hemde karşı yönlü pompalama olayındaki kazanç saturasyonu altında gürültü biçiminin ölçülen değerlerini gösterir25. Amplifikatöre -60 dBm güç girişi ile pompa dalgaboyu 1480 nm ve sinyal dalgaboyuda 1558 nm’dir. Düşük sinyal durumlarında eş yönlü pompalama gürültüsü 5.5 dB’dir ve bu 1.5 dB’lik giriş eşleşme kaybını ortaya çıkarır kusursuz popülasyon dönüşümünün teorik minimum 3dB’lik değerinde karşılaştırıldığında optik amplifikatörün gürültü biçimi 4 dB’lik bir değer gösterir. Karşı yönlü pompalama olayındaki gürültü biçimi yaklaşıka 1 dB daha yüksektir.

n

Şekil 11-10 EDFA’nın hem yardımcı yön hemde karşı yönlü pompalama olayındaki kazanç saturasyonu altında 1480 nm’de gürültü biçiminin ölçülen değerleri. Kazanç her ikisini pompalama yönleri için benzerdi.

11-5 SİSTEM UYGULAMALARI n

Optik amplifikatörler gerektiren bir optik fiber bağlantısı dizayn ederkene şekil 11-1’de gösterildiği gibi amplifikatörleri yerleştirebileceğimiz üç mümkün yer vardır. Her üç konfigürasyonda da fiziksel amplifikasyon işlemi aynı olamsına rağmen farklı kullanımlar farklı giriş gücü aralıkları kullanan cihazların işleme sokulmasını gerektirir. Bu faklı amplifikatör kazançlarının devreye sokulması gerektiğini bize belirtir. Sinyal gürültü oranı detaylı foton statistiği gibi de alınan faktörler ve farklı amplifikatör konfigürasyonları gibi kusursuz analizler ayrıca işin içine katılır. Daha fazla detaya ihtiyaç duyan okuyucular için Desurvire16 oldukça geniş bilgiler sunar. Burada optik bağlantılardaki üç mümkün EDFA mevkilerin mevcut jenerik, operasyonel değerleri ve ona konseptüel analizlerini göreceğiz.

11.5.1 Güç Amplifikatörleri n

n

Güç amplifikatörlerinde cihaz direkt olarak optik bir iletkeni izlediği için giriş gücü yüksektir. Yüksek pompa gücü aslında bu tür kullanum için gerklidir. Amplifikatör girişi genellikle -8 dBm yada daha yüksek ve güç amplifikatör kazancı 5 dB’den daha yüksek olmalıdır ki alıcıda ön yükselteç kullanıldığından daha avantajlı olsun. Örnek 11-6 10 dB kazançlı güç yükseltici olarak kullanılan bir EDFA’yı ele alalım lazer diyodu ileticiden çıkan amplifikatör girişinin 0-dBm olduğunu düşünün. Eğer pompa dalgaboyu 980 nm olursa eşitlik (11-16) ‘dan 1540 nm’deki 10-dBm’lik bir çıkış için pompa gücünün en az aşağıdaki gibi olması gerekir.

Pp ,in

ls 1540 ³ ( Ps ,out - Ps ,in ) = (10mW - 1mW ) = 14mW lp 980

11.5.2 Hat Amplifikatörlerü

n

Uzun bir geçiş sisteminde optik amplifikatörlerin fiberdeki zayıflamadan dolayı azalttığı güç seviyesini periyodik olarak geri yükleme yapması gerekmektedir. Normal olarak bu amplifikatör zincirindeki her bir EDFA’nın kazancı, L uzunluğundaki önceki fiber bölgede ortaya çıkan sinyal kaybını telafi etmek için kullanılır ve G = exp( -aL ) . Akümüle edilen ASE gürültüsü bu denli kaskad amplifikatör zincirlerinde dominant seviye azaltıcı faktör rolü oynar.

n

Örnek 11-7. Şekil 11-1’i ele alalım. Bu şekil her bir kanal başına düşen sinyal gücü değerlerini, herbir kanaldaki ASE gürültüsünü ve WDM bağlantısındaki yedi amplifikatör zincirindeki SNR’yi göstermektedir. Giriş sinyal seviyesi 6 dB’de başlar ve bağlantı boyunca aldığı yol nedeniyle ortaya çıkan fiber zayıflamasına bağlı olarak azalır. Güç seviyesi -24 dBm’ye geri yükseltilir. Bağlantı üzerinde iletilen bir kanalda SNR yüksek bir seviyede devreye girer ve daha sonra ASE gürültsü bağlantı boyunca akümüle olduğunda herbir amplifikatörde seviyesi düşer. Örneğin; aşağıdaki bir numaralı amplifikatörde SNR 28 dB’dir. 6 dBm için.

n

Şekil 1111-11 ASE gü gürültü ltüsü üzerinde SNR dü düşmesi bir dizi amplifikatö amplifikatör sayesinde yü yükseltilir. Kurveler sinyal seviyelerini gö gösterir. ASE gü gürültü ltüsü düzeyi kesikli çizgilerle, SNR’ SNR’de noktalarla gö gösterilir. WDM linkinde amplifikatö amplifikatör dö dörtten sonra 6 dB’ dB’lik yükseltilmiş kseltilmiş bir sinyal seviyesi iç için SNR 22 dB’ dB’dir ve -16 dB’ dB’lik ASE gü gürültü ltüsü seviyesi vardı vardır. Amplifikatö Amplifikatördeki kazanç kazanç ne kadar yü yüksek olursa ASE gürültü ltüsü o kadar hı hızlı zlı ortaya çıkar. Ancak SNR ilk birkaç birkaç yükseltmelerde hı hızlı zlı bir biç biçimde düşmesine rağ rağmen baş başka bir EDFA’ EDFA’nın eklenmesinin arttı arttırıcı etkisi yü yüksek sayı sayıdaki amplifikatö amplifikatörler ile hı hızlı zlı bir biç biçimde azaltı azaltılır. Sonuç Sonuç olarak EDFA’ EDFA’lar birden ikiye yü yükseldiğ kseldiğinde SNR yaklaşı k 3 dB düşmesine rağ nda da aynı yaklaşık rağmen aynı aynı zamanda amplifikatö amplifikatör ikiden dö dörde çıkarı karıldığı ldığında aynı düşüş görülür ve sekize yü yükseltilen amplifikatö amplifikatör sayı sayısında da 3 dB’ dB’lik düşüş görülür.

n

Akümüle edilmiş bir ASE gürültüsünü telafi edebilmek için sinyal gücü sabit bir sinyal gürültü oranını elde edebilmek için en az bağlantının uzunluğu oranında çoğaltılmalıdır. Eğer toplam sistem uzunluğu Ltot = NL ise ve sistem her biri G = exp( - dL ) kazancına sahip N optik amplifikatörleri içeriyorsa denklem (11-24)’ü kullandığımızda bir dizi optik amplifikatör boyunca ortaya çıkan mesafe gücü L

PASE

n

path

NPASE = exp( - dz ) dz = aLtot hvn sp Fpath (G ) Dvopt ò L 0

a fiber zayıflamayı gösterir ve

(11 - 35)

F path (G ) hata faktörüde aşagıdaki gibi

açıklanır.

1 æ G -1 ö Fpath (G ) = ç ÷ G è ln G ø

2

(11 - 36)

n

Örnek 11-8 Her biri 30 dB kazanca sahip N kaskad optik amplifikatörler içiren optik geçiş yolu ele alalım. Eğer fiber 0.2 dB/km’lik bir kayba sahipse optik amplifikatörler arasındaki mesafe başka bir sistem eşleşmezliği olmazsa 150 km değerindedir. Örnek verirsek 900 km’lik bir bağlantı için beş adet amplifikatöre ihtiyaç duyarız. Denklem (11-36) için toplam mesafe üzerindeki gürültü ceza faktörü dB cinsinden aşağıdaki gibidir. é 1 æ 1000 - 1 ö 2 ù 10 log F path (G ) = 10 log ê ç ÷ ú = 10 log 20.9 = 13.2bB êë1000 è ln 1000 ø úû

n

Eğer kazancı 20 dB’ye düşürürsek eşleşmezlikten yoksun geçiş mesafesi 100 km’dir ve bunun içinde sekiz amplifikatöre ihtiyaç duyarız. Bu durumda günlük hata faktörü aşağıdaki gibidir. é 1 æ 100 - 1 ö 2 ù 10 log F path (G ) = 10 log ê ç ÷ ú = 10 log 4.62 = 6.6bB êë100 è ln 100 ø úû

11.5.3 Ön Yükselticiler n

n

Bir optik amplifikatör termal gürültü ile sınırlanmış direkt olarak tespit eden alıcıların hassasiyetini geliştirmek için ön yükseltici olarak kullanılabilirler. İlk olarak alıcı gürültüsünün N elektrik gücü seviyesi ile gösterildiğini farz edelim. Smin’in alıcının spesifik kabul edilebilir bit hata oranı Smin / N olur. Eğer G ile belirtilmiş kazançlı optik ön yükselteci kullanırsak elektriksel alanın sinyal gücü G2.Sı olur ve sinyal gürültü oranı da G 2S¢ æSö (11 - 37) = ç ÷ è N ø preamp N + N ¢ Burada Nı gürültü değeri optik ön yükseltecideki spontane emisyondur ve alıcıdaki fotodiyot sayesinde ek bir arka plan gürültüsüne dönüştürülür. Eğer Smin aynı değerlerdeki sinyal sinyal gürültü oranını elde edebilmek için ihtiyaç duyulan yeni minimum elektrik sinyal seviyesi olursa şuna ihtiyaç duyarız;

¢ G 2 S min S min = N + N¢ N

(11 - 38)

n

¢ < S min‘i Optik yükselteçte alınan sinyal seviyesini çoğaltabilmek için S min elde etmeliyiz. Bu nedenle

S min N 2 =G >1 ¢ S min N + N¢ n

(11 - 39)

¢ ‘e olan bu oranı tespit edilen sinyalin gelişimini yada tespit S min ’in S min

edenin hassasiyetini bize gösterir.

11.5.4 Çok Kanallı Yönetim n

n

EDFA’ların ve yarıiletken optik amplifikatörlerin her ikisinin birden avantajları çoklu optik kanalları yükseltebilmeleri ve sağlanan çok kanallı sinyal bantgenişliklerinin amplifikatör bantgenişliğinden daha küçük olmasıdır. Hem SOA’larda hem de EDFA’larda bu bantgenişliği 1 ila 5 GHz arasında farklılık gösterir. SOA’ların bir dezavantajı bitişikteki optik kanallarının ritmine bağlı olarak taşıyıcı yoğunluk modülasyonundan ortaya çıkan kanallar arası çapraz konuşmaya olan hassasiyetleridir. SOA’larda bu ritim kanal dizimi 10 GHz’den az olduğu her seferinde ortaya çıkar. Kanal dizimi 10 GHz’den yukarı doğru olduğu sürecede, EDFA’larda bu çapraz konuşma görülmez. Bu nedenle EDFA’lardaki çoklu kanal operasyonlarda N kanalları için sinyal gücü şununla verilir. N

Ps = å Ps ,i

(11 - 40)

i =1

n

Ps,i kanalındaki sinyal gücüdür, bu nedenlede optik taşıyıcı frekansıda Vi ‘dir.

n

Şekil 11-12 (a) yaklaşık 1528 – 1563 nm spektral bant arasında düz yapılan ticari amaçlı EDFA’nın kazancı (b) yaklaşık 1568 – 1603 nm spektral bant arasında düz yapılan ticari amaçlı EDFA’nın kazancı

11.5.5 Hat Amplifikatörü Kazanç Kontrolü n

Optik amplifikatör kullanan uzun boylu fiber geçiş sisteminde, giriş güç seviyesindeki dalgalanma söz konusu iken hat üzerindeki amplifikatörün çıkış gücünü sabit tutabilmek amaçlanır. Çıkış gücünü sabit tutabilmenin pratik bir yolu, şekil 11-13’ de gösterildiği gibi saturasyon bölgesindeki optik amplifikatörü kullanmaktır. Bu sinyal kontrollü otomatik kazanç kontrolü metodunda amplifikatöre giren güç düştüğünde, daha yüksek bir çıkış gücü elde edebilmek için gereken kazanç daha yüksek olabilir. Buna zıt olarak eğer giriş gücü yükselirse kazanç bu farklılığı telafi edebilmek için düşecektir. Bu telafinin kesin miktarı giriş gücü ile kazanç arasındaki ilişkiye bağlıdır. Optik amplifikatörün bir kaskad zincirinde başka bir yeri arttırılır ve bu yollada optik amplifikatöre giren gücü azaltılırsa, sinyal gücü çoğunlukla aşağıdaki bazı amplifikatörlerde depolanır. Bu optik bir biçimde yükseltilen haberleşme sistemlerinde kendiliğinden iyileşme etkisi olarak bilinir.

n

Şekil 11-13 Saturasyon bölgesinde nominal giriş Psnom ile ,in amplifikatör işletmek ki o pasif sinyal kontrol kazanç kontrol metodu. Giriş gücünü azaltmak G2 kazanç yönünde yükseltebilirken giriş gücünü arttırmak G3 kazanç yönünde düşürmeli.

11.6 DALGABOYU DÖNÜŞTÜRÜCÜLERİ n

Bir optik dalgaboyu dönüştürücüsü gelen dalgaboyunun içerdiği bilgiyi elektriksel zamana girmeden yeni bir dalgaboyuna derekt olarak dönüştüren bir araçtır. Bütün optik ağlarda çok büyük önem arz eden bir bileşendir, çünkü; içeri giren sinyalin dalgaboyu çıkışta bulunacağı ön görülen yolda bulunan diğer bir enformasyon kanalında kullanımda olabilir. Giren sinyalin yeni bir dalgaboyuna dönüştürülmesi her iki enformasyon kanalınında aynı fiberden eş zamanlı olarak geçmesine izin verir.

11.6.1 Optik Giriş Çıkışlı Dalgaboyu Dönüştürücüleri n

Dalgaboyu dönüşümünü geliştirme amacıyla yarıiletken optik amplifikatörler, yarıiletken lazerler veya doğrusal olamayan optik kıvrımlı aynalar gibi araçlar kullanan oldukça geniş optik giriş çıkış teknikleri araştırılmıştır. Çapraz faz modülasyonu (XPM) modunda SOA’nın kullanılması tekli dalgaboyu dönüşümünü gerçekleştirilmesini en başarılı tekniklerden biri haline getirmiştir. Bu yöntemi tamamlamak için gerekli konfigürasyonlar şekil 11-14’ de gösterilen Mach-Zehner veya Michelson girişim ölçer ayarlarını içerir.

n

Şekil 11-14 Çapraz faz modülasyonu dalgaboyu dönüşümünü düzenlemek için SOA’nın (a)Mach-Zehner interferometre ve (b) Michelson interferometre düzeni kullanılır.

11.6.2 Dalga Karıştırıcı Dalgaboyu Dönüştürücüleri n

Doğrusal olmayan optik dalga olayına bağlı olan dalga boyunun dönüştürülmesi, diğer metodlarla karşılaştırıldığında oldukça önemli avantajlar sunar. Bunların içinde çoklu dalgaboyu dönüştürme olanağı ve modülasyon formatı üzerinde saydamlık bulunur. Bu karıştırma doğrusal olmayan bir maddenin içinden geçen optik dalgalar içinde doğrusal olmayan etkileşiminden ortaya çıkan diğer bir dalgadır ve etkileşim içindeki dalgaların yoğunluğunun ortaya çıkardıkları ile orantılıdır. Üretilen dalganın frekansı ve fazı etkileşim içindeki dalgaların doğrusal kombinasyonudur. Bu nedenle dalga karıştırması hem genliğe hemde faz bilgisini korur ve sonuç olarakda bu modülasyon üzerinde oldukça güçlü saydamlık oluşturan dalga boyu değişimi katagorisine girer.

n

Dalga klavuzlarındaki frekans farkının üretilmesi iki giriş dalgasının karıştırılmasına bağlıdır. Bu noktada materyalin doğrusal olmayan etkileşimi bir pompa ve sinyal dalga yardımıyla olur. Yukarıda Şekil 11-15, 1546 nm ile 1560 nm arasında değişen boyutlardaki sekiz adet giriş dalgaboyu ile 1524 nm ile 1538 nm arasında değişik değerler gösteren bir dizi çıkış dalgaboyunun spontane dönüşüm örneğini gösterir.

Suggest Documents