L-Bandı Erbiyum Katkılı Fiber Amplifikatörde (L-EDFA)

L-Bandı Erbiyum Katkılı Fiber Amplifikatörde

(L-EDFA)

Pompa Dalgaboyu ve Fiber Uzunluğunun Optimizasyonu

Ahmet ALTUNCU Arif BAŞGÜMÜŞ

Dumlupınar Üniversitesi, Mühendislik FakültesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Bölümü, Kütahya

[email protected] [email protected] http://eem.dumlupinar.edu.tr/~altuncu

Bilgilendirme : Bu proje Devlet Planlama Teşkilatı tarafından desteklenmektedir. (Proje No : 2003K120380 )

Tek Modlu (SMF) Fiberde İletim Bandları

Ahmet Altuncu, Arif Başgümüş - Dumlupınar Üniversitesi

700 13001100900 1700 nm1500

Görülebilir Infrared

“E” Bandı ~ 1370 - 1440 nm

“S” Bandı ~ 1470 - 1500 nm

“C” Bandı ~ 1530 - 1565 nm

“L” Bandı ~ 1570 - 1610 nm

“O” Bandı ~ 1270-1350 nm

SMF zayıflama eğrisi

Şekil.1. Işık spektrumu

Erbiyum Enerji Seviye Diyagramı


Şekil.2. Erbiyum İyonunun (Er 3+ ) Silika için Enerji Seviye Diyagramı.

EDFA Modelleri En hızlıdan (en az hassastan) en yavaşa (en fazla hassas olana) doğru

Giles Modeli : Tam spektral çözüm sağlar. Absorplama ve kazanç (absorplama ve emisyon kesit alanları) parametrelerine dayanır. Birbirine bağlantılı oran ve yayınım denklemlerinin fiber boyunca integrasyon ile çözümüne dayanır.

Saleh Modeli : 2 seviyeli model. Fiber ucundaki pompa ve sinyal güçlerini tahmin edebilir. Arkaplan kaybı, ASE ve ESA ihmal ediliyor. Elektrik alan ve katkılama dağılımları fiber pozisyon ve güç seviyelerinden bağımsız.

Jopson Modeli : Fiber boyunca pompa, sinyal ve ASE güçleri ile ters birikim değişimleri hesaplanabilir.

Eşdeğer ASE girişli Saleh Modeli : Saleh modeline ek olarak fiber ucundaki eşdeğer ASE’yi de hesaplayabilir. Eşdeğer ASE girişi ile Saleh modelinin doğruluğu artırılır.


L Bandında Amplifikasyonun Özellikleri


• L Bandında düşük popülasyon ters birikimi : ~ % 40 C Bandında : > % 70

• Daha uzun erbiyum katkılı fiber gereksinimi : 50 ~ 100 mC Bandında : 5 ~ 10 m

• Yüksek pompa gücü gereksinimi : 100 ~ 200 mWC Bandında : 50 ~ 100 mW

• Güç transfer verimini artırmak için extra özel teknikler kullanılması gerekebilir :

• C bandında prob sinyali uygulama• C Bandındaki geri yönlü ASE’yi L-EDFA’ya yeniden uygulama• Sinyal ve/veya pompa ışını için iki veya üç geçişli konfigürasyon

L Bandında Simülasyonun Özellikleri

• 1600 nm’nin üzerindeki sinyal dalgaboyları için ESA etkisi (Excited State Absorption) dikkate alınmalı :

•Pompa ESA ve Sinyal ESA

•ESA_Giles veya ESA-Kesit alan parametreleri

• Oran ve yayınım denklemlerini çözmek için kullanılan nümerik algoritmaların yakınsaması C bandı EDFA’ya göre daha yavaş ve daha az kararlı

• Optik elemanların geri dönüş kayıpları ( özellikle erbiyum katkılı fiber girişindeki) ve spektral kesit alan değerlerindeki belirsizlikler simülasyonla deneysel performans arasında farka neden olabilir.


Optiwave Optiamplifier 4.0

Ahmet Altuncu, Arif Başgümüş - Dumlupınar ÜniversitesiŞekil.3. Optiamplifier 4.0 menüsü

L-Bandı EDFA Simülasyon Devre Şeması


Şekil.4. Simülasyonu yapılan L-EDFA Devre Şeması

Simülasyon Parametreleri


Tablo.1.Metro-12 erbiyum katkılı fiber parametreleri.

NA 0.21

Kesim dalgaboyu 960 nm

İyon konsantrasyonu 1.6e25 iyon/m3

Öz yarıçapı 1.75 µm

Arkaplan kaybı 8 dB/km @ 1310 nm

Absorblama

10.46 dB/m @ 980 nm7.28 dB/m @ 1480 nm17.70 dB/m @ 1530 nm

Emisyon2.01 dB/m @ 1480 nm16.59 dB/m @ 1530 nm

Şekil 5. Metro-12 EDF için absorblama ve emisyon spektrumları a) 980 nm pompa bandında absorblama spektrumu b) 1480 nm pompa ve 1550 nm sinyal bandı için absorplama ve emisyon spektrumu.

(a)

(b)

Simülasyon Sonuçları-1


Şekil.6. 980 nm ve 1480 nm’de ileri yönde pompalanan 50 m ve 75 m uzunlukta L bandı EDFA’nın a) Kazanç spektrumu b) Gürültü faktörü spektrumu

(Pp = 150 mW, Psig = -30 dBm, 1540-1640 nm arası 100 WDM kanal)

(a) (b)



Şekil.7. 980 nm ve 1480 nm’de geri yönde pompalanan 50 m ve 75 m uzunlukta L bandı EDFA’nın a) Kazanç spektrumu b) Gürültü faktörü spektrumu

(Pp = 150 mW, Psig = -30 dBm, 1540-1640 nm arası 100 WDM kanal)

(a) (b)



Şekil.8. 980 nm ve 1480 nm’de çift yönlü pompalanan 50 m ve 75 m uzunlukta L bandı EDFA’nın a) Kazanç spektrumu b) Gürültü faktörü spektrumu

(Pp = 2x75 mW, Psig = -30 dBm, 1540-1640 nm arası 100 WDM kanal)

(a) (b)

Simülasyon Sonuçları-4 (1,2,3 özeti)


Tablo 2. İleri, geri ve çift yönlü olarak 980 nm veya 1480 nm’de pompalanan 50 m ve 75 m uzunlukta L bandı EDFA için 20 dB kazanç bandgenişliği ve kullanılabilir bandgenişliği (NF < 5dB)

Pompalama Konfigürasyonu

EDF Uzunluğu

(m)

20 dB Kazanç Aralığı (nm)

20 dB Kazanç Bandgenişliği (nm)

Kullanılabilir Bandgenişliği (nm)

İleri 980 nm

Geri 980 nm

Çift Yönlü 980 nm

50

1559-1616

0

1556-1618

57

0

62

49

0

60

İleri 1480 nm

Geri 1480 nm


50

1557-1618

1571-1612

1555-1619

61

41

64

46

0

55

İleri 980 nm

Geri 980 nm


75

1592-1625

0

1577-1629

33

0

52

33

0

43

İleri 1480 nm

Geri 1480 nm


75

1576-1630

0

1561-1633

54

0

72

52

0

52



Şekil.9. İleri ve geri pompa lazeri için 980 nm ve 1480 nm’nin değişik konfigürasyonlarının kullanıldığı a) Kazanç spektrumu ve b) Gürültü faktörü spektrumu

(Pp = 2x75 mW, Psig = -30 dBm, EDF uzunluğu 50 m, 1540-1640 nm arası 100 WDM kanal)

(a) (b)

Simülasyon Sonuçları-6 (5 özeti)


Tablo 3. Çift yönlü hibrit pompalanan 50 m uzunlukta L bandı EDFA için 20 dB kazanç bandgenişliği ve kullanılabilir bandgenişliği (NF < 5dB)

Pompalama Konfigürasyonu

EDF Uzunluğu

(m)

20 dB Kazanç Aralığı (nm)

20 dB Kazanç Bandgenişliği (nm)

Kullanılabilir Bandgenişliği (nm)

Çift Yönlü

980-980 nm

50 1556-1618 62 60

Çift Yönlü

1480-1480 nm

50 1555-1619 64 55

Çift Yönlü

980-1480 nm

50 1555-1619 64 61

Çift Yönlü

1480-980 nm

50 1556-1619 63 52



Şekil.10. 980 nm’de çift yönlü pompalama için a) Kazanç spektrumu ve b) Gürültü faktörü spektrumu (Pp = 2x75 mW, Psig = -30 dBm, 1540-1640 nm arası 100 WDM kanal)

(a) (b)



Şekil.11. 980 nm’de çift yönlü pompalama için 20 dB kazanç bandgenişliğinin a) İleri/toplam pompalama oranı Pp.top = 150 mW, b) Erbiyum katkılı fiber uzunluğu ile değişimi (Pp = 2x75 mW).

(Her iki şekil için Psig = -30 dBm, 1540-1640 nm arası 100 WDM kanal.)

(a) (b)

Sonuçlar


* L Bandı EDFA’da pompa dalgaboyu ve EDF uzunluğunun kazanç ve gürültü faktörü

spektrumlarına etkisi incelenmiştir.

* 1480 nm’deki daha yüksek kazanç bandgenişliğine rağmen, gürültü faktörünün 5 dB’den

düşük olduğu kullanılabilir bandgenişliği 980 nm’de daha yüksektir.

* L Bandı EDFA, maksimum kazanç-gürültü performansı için çift yönlü olarak

980-980 nm veya 980-1480 nm’de pompalanabilir.

* Kullanılan Metro-12 EDF parametreleri için optimum ileri/toplam pompa gücü oranı

0.4~0.6, optimum EDF uzunluğu 45~55 m’dir.

Bu denklem güce bağımlı olan Aeff ve parametrelerini içermektedir.

i. seviyenin çakışma integrali veya erbiyum iyonlarını fiber özünde yoğunlaştıma faktörü.

Giles modelinde propagasyon denklemlerini, absorblama ve emisyon katsayıları cinsinden yazabiliriz. ve , dalgaboyundaki absorblama ve emisyon katsayılarıdır.

Fiber boyunca ortalama popülasyon ters birikimi. ASE dahil tüm ileri ve geri yönlü sinyallerin toplamından oluşur.

İç saturasyon gücü..

Katkılama iyonlarının efektif alanı. Katkılama yarıçapı b olan düzgün katkılanmış bir fiberde ‘dir.


Ek : Giles Modeli

L-Bandı Erbiyum Katkılı Fiber Amplifikatörde (L-EDFA)

Documents

Transcript of L-Bandı Erbiyum Katkılı Fiber Amplifikatörde (L-EDFA)