Optische Verstarker
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Kapitel 5 – Optische Verstärker 5. Optische Verstärker Er3+ dotierte Faser Pumpe 5.1 Einführung Pumpe Signal in 5.2 Optische Halbleiter Verstärker WDM Signal • Beschreibende Gleichung • Nachteile • Einsatzgebiete 5.3 Faserverstärker • Prinzipieller Aufbau • Verstärkung im dotierten Lichtwellenleiter • Beispiel: Ultra Broadband Optical Amplifier • Mathematische Beschreibung • EDFA Ausgangsspektren 5.4 Rauschen und Rauschakkumulation in optischen Verstärkern • Beiträge zur Rauschleistung • Rauschen in Strecken mit mehreren Verstärkern • Rauschbeitrag der spontanen Emission • Rauschzahl NF • Näherung für das OSNR nach mehreren Verstärkern 5.5 S-Band Faserverstärker 5. Optische Verstärker - 1 Lehrstuhl für Hochfrequenztechnik – Universität Erlangen-Nürnberg 5.1 Einführung Faserverstärker • Faserdämpfung verringert empfangene Leistung Æ für lange Strecken: wiederholte Verstärkung des Signals nötig Kompensation der Dämpfung durch Verstärker Verstärker mit rein optische Verstärker optisch-elektrischer Wandlung am Eingang, elektrische Verstärkung elektrisch-optische Wandlung am Ausgang Halbleiterverstärker (Pumpe: Injektionsstrom) Faserverstärker (Pumpe: Optisch) • Erwünschte Wirkung: Verstärkung des Signals • Unerwünschte Wirkung: Rauschen / Rauschverstärkung 5. Optische Verstärker - 2 Lehrstuhl für Hochfrequenztechnik – Universität Erlangen-Nürnberg 5.2 Optische Halbleiter Verstärker (1) Optische Halbleiter Verstärker (SOA) – Mathematische Beschreibung semiconductor optical amplifier 2 Typen Fabry-PerotLaserverstärker (wenig gebräuchlich) Prinzip: Laserdiode, unter der Schwelle betrieben Problem: Resonanzen im Verstärkungsverlauf A(τ ) : komplexe Feldamplitude α H : Henry-Faktor (Chirpparameter) G(τ ) : Verstärkung h(τ ) : Leistungsgewinn Wanderwellenverstärker Prinzip: Laserdiode ohne Resonator (Entspiegelung) Übertragungsverhalten: 1 + jα H ⎫ ⎧ Aout (τ ) = Ain (τ ) exp ⎨h(τ ) ⎬ 2 ⎭ ⎩ Leistungsverstärkung: Pout (τ ) = Pin (τ ) ⋅ G (τ ) Chirp-Verhalten: Δf = α H ∂h(τ ) 4π ∂τ 5. Optische Verstärker - 3 Lehrstuhl für Hochfrequenztechnik – Universität Erlangen-Nürnberg 5.2 Optische Halbleiter Verstärker (2) SOA – Nachteile • Gewinnsättigung (Abnehmender Gewinn mit zunehmender Photonendichte) Pin(t) Pout(t) Æ t t Æzeitlich nicht konstante Verstärkung (vgl. Dynamik bei Laserdiode) ÆNebensprechen zwischen verschiedenen Wellenlängenkanälen (Cross-Gain Modulation) 5. Optische Verstärker - 4 Lehrstuhl für Hochfrequenztechnik – Universität Erlangen-Nürnberg 5.2 Optische Halbleiter Verstärker (3) SOA – Weitere Nachteile • Polarisationsabhängigkeit • Chirp des SOA (zusätzlich zu Laserchirp und SPM) • kurze Fluoreszenzzeit (≈100ps) vgl.: 10Gbit/s Æ 100ps Bitdauer Æ dynamische Effekte • Verluste bei Faser-Chip-Kopplung • Nichtlineare Effekte im SOA Æ Leistungsabhängige Trägerdichte Æ Leistungsabhängiger Brechungsindex (NL) (Å Kerr-Effekt) Æ Leistungsabhängige Phase Æ Kreuzphasenmodulation und Vierwellenmischung verschiedener Wellenlängenkanäle 5. Optische Verstärker - 5 Lehrstuhl für Hochfrequenztechnik – Universität Erlangen-Nürnberg 5.2 Optische Halbleiter Verstärker (4) SOA – Einsatzgebiete des SOA • Nicht als Streckenverstärker • Schaltanwendungen (z.B. cross-gain-modulation) • Wellenlängenkonverter • Vorverstärker (Preamplifier) • Basiselement für optische Signalverarbeitung (Hauptanwendungsgebiet) (Schalter, Regeneration…) 5. Optische Verstärker - 6 Lehrstuhl für Hochfrequenztechnik – Universität Erlangen-Nürnberg 5.3 Faserverstärker (1) Arbeitsbereiche von Faserverstärkern Optisch aktives Medium: Glasfaser mit Zusatz von Metallionen der Seltenen Erden 5. Optische Verstärker - 7 Lehrstuhl für Hochfrequenztechnik – Universität Erlangen-Nürnberg 5.3 Faserverstärker (2) Prinzip Optisch aktives Medium: Glasfaser mit Zusatz von Metallionen der Seltenen Erden (hauptsächlich Erbium) Æ EDFA: Erbium Doped Fiber Amplifier Pumpquelle: Halbleiterlaser Prinzipieller Aufbau: Er3+ - Faser Pumplaser Signal in Pumplaser: WDM: Er-Faser: Filter: Filter WDM Signal out Anregung von Er3+-Ionen Zusammenführung von Signal und Pumpleistung in die Er-Faser (Wavelength Division Multiplexer) aktives Medium Unterdrückung von Rauschanteilen außerhalb des Spektralbereichs des Signals und Glätten des Verstärkungsverlaufs 5. Optische Verstärker - 8 Lehrstuhl für Hochfrequenztechnik – Universität Erlangen-Nürnberg 5.3 Faserverstärker (3) Varianten der Pumpanordnung vorwärts gepumpter EDFA • Leistungsverstärker • Vorteil: hohe Sättigung am Eingang • Nachteil: S/N verschlechtert sich durch WDM-Dämpfung Er3+-dotierte Faser Pumplaser Signal in Pump WDM Signal Er3+-dotierte Faser rückwärts gepumpter EDFA doppelt gepumpter EDFA Signal in WDM Pump Signal Er3+-dotierte Faser Pumplaser Signal in • rauschoptimiert • Vorteil: optimales S/N • Nachteil: reduzierte Sättigung Signal out eingangsseitig bei zu geringer Pumpleistung, evtl. Nettodämpfung am Eingang Pumplaser Pump Pumplaser Pump WDM WDM Signal out … Mehrstufige EDFAs 5. Optische Verstärker - 9 Lehrstuhl für Hochfrequenztechnik – Universität Erlangen-Nürnberg 5.3 Faserverstärker (4) Hauptvorteile von Faserverstärkern • hohe Verstärkung (30dB…40dB) • Breitbandigkeit (Standard C-Band EDFA: 1530nm – 1560nm) • hohe Sättigungs-Ausgangsleistung (bis zu 20dBm – 30dBm) • geringe Polarisationsabhängigkeit • bitratentransparent (keine dynamischen Effekte im Bereich der Bitdauer) • geringes Nebensprechen • geringes Rauschen • geringe Koppelverluste 5. Optische Verstärker - 10 Lehrstuhl für Hochfrequenztechnik – Universität Erlangen-Nürnberg 5.3 Faserverstärker (5) Verstärkung im dotierten Lichtwellenleiter Relaxation ins obere Laserniveau (schnell, strahlungslos) oberes Laserniveau τspont. ≈ 10ms Konkurrierender Prozess: spontane Emission Æ Rauschen Energie Energie 800nm 980nm Pumpniveaus 1480nm stimulierte Emission λpump λSignal unteres Laserniveau (Grundniveau) Relaxation λpump spontane Emission λsp Pumpen 1480nm oder 980nm Pumpen 5. Optische Verstärker - 11 Lehrstuhl für Hochfrequenztechnik – Universität Erlangen-Nürnberg 5.3 Faserverstärker (6) Prozesse in der Verstärkungsfaser Pumpen: Anheben von Er3+-Ionen aus dem Grundzustand in ein Pumpniveau (Verwendete Pump-Wellenlängen: 980nm, 1480nm) Relaxation: Schneller, strahlungsloser Übergang vom Pumpniveau in das obere Laserniveau Inversion: Er3+-Ionen bleiben (relativ) lange im angeregten Zustand Æ metastabiler Zustand, τspont ≈ 10ms Stimulierte Emission: Verstärkung des propagierenden Signals (und des Rauschens) durch Rückkehr in den Grundzustand Spontane Emission: Erzeugung eines Rausch-Photons durch spontane Rückkehr in den Grundzustand ASE: Amplified Spontaneous Emission: Verstärkung von Rausch-Photonen ESA: Excited State Absorption: Absorption von 980nm Pumpleistung durch angeregte Ionen Æ Übergang in noch höheren Zustand Nutzband: 1535nm – 1565nm (C-Band): Bereich der niedrigsten Dämpfung 1570nm – 1610nm (L-Band): Erweiterung der Verstärkungsbandbreite 5. Optische Verstärker - 12 Lehrstuhl für Hochfrequenztechnik – Universität Erlangen-Nürnberg 5.3 Faserverstärker (7) Beispiel: Ultra Broadband Optical Amplifier 30 L-Band C-Band G a in ( d B ) 40.8 nm 43.5 nm 20 Total 3dB Bandwidth = 84.3 nm 10 Noise ≤ 6.5 dB Output Power ≅ 24.5 dBm 0 1525 1550 1575 1600 W a v el e n gt h ( n m ) 5. Optische Verstärker - 13 Lehrstuhl für Hochfrequenztechnik – Universität Erlangen-Nürnberg 5.3 Faserverstärker (8) Mathematische Beschreibung PP , PS , PASE : wellenlängenabhängige Leistung von Pump- und Signalwelle und ASE Vereinfachende Annahmen: • Eingeschwungener Zustand • Zwei-Niveau-Beschreibung • Rechteckförmiges Dotierungsprofil Δλ i : Wellenlängen-Intervall n2 Pumpe: dPp ( z ) = ⎡α n2 ( z ) − α ⎛⎜1 − n2 ( z ) ⎞⎟ − α ⎤ P ( z ) ⎢ e ⎥ P a⎜ ⎟ dz Signal: ASE: (amplified spontaneous emission) ⎣ N dot ⎝ N dot ⎠ : Dichte der angeregten Zustände α e , α a : Emissions- / Absorptionskoeffizient σ e , σ a : Emissions- / Absorptions-Querschnitt ⎦ Γ : Überlappungsintegral N dot : Dotierungsdichte der Er3+-Ionen α m : Faserdämpfung : Modenzahl ⎤ ⎛ n ( z) ⎞ dPS ( z ) ⎡ n2 ( z ) = ⎢α e − α a ⎜⎜1 − 2 ⎟⎟ − α ⎥ PS ( z ) dz N dot ⎠ ⎝ ⎦ ⎣ N dot ⎡ n ( z) ⎤ ⎛ n ( z) ⎞ hc 2 n ( z) dPASE ( z ) = m 3 αe 2 Δλ + ⎢α e 2 − α a ⎜⎜1 − 2 ⎟⎟ − α ⎥ PASE ( z ) λ ASE N dot N dot N dot ⎠ dz ⎝ ⎣ 14442444 3 1444444 424444⎦444 3 α e = σ 21 ΓN dot spont. Emission Verstärkung des Rauschens α a = (σ 12 + σ 13 )ΓN dot 5. Optische Verstärker - 14 Lehrstuhl für Hochfrequenztechnik – Universität Erlangen-Nürnberg 5.3 Faserverstärker (9) EDFA Ausgangsspektren nach 1,2,3 bzw. 4 (nicht optimierten) Verstärkern 10 0 Output power (dBm) -10 -20 -30 -40 Æ ASE - Optimierung von EDFAs -20 -30 10 -40 1530 1540 1550 Wavelength (nm) 1560 1570 1530 10 10 0 0 Output power (dBm) Output power (dBm) 0 -10 -10 -20 -30 -40 1540 1550 Wavelength (nm) 1560 1570 1540 1550 Wavelength (nm) 1560 1570 0 -10 -20 -30 -10 -40 1530 -20 -30 1540 1550 Wavelength (nm) 1560 Spektrum nach 9 EDFAs mit ASE-Unterdrückung -40 1530 Output power (dBm) Output power (dBm) 10 1530 1540 1550 Wavelength (nm) 1560 1570 5. Optische Verstärker - 15 Lehrstuhl für Hochfrequenztechnik – Universität Erlangen-Nürnberg 5.3 Faserverstärker (10) EDFA – Spektrum Wichtige Kenngrößen im EDFA – Spektrum • Flatness: Flachheit der Kanalleistungen • Tilt: Verkippung des Verlaufs der Kanalleistungen • ASE: Eigenrauschen u. verstärktes Rauschen • OSNR: Optical Signal to Noise Ratio (abh. von Bandbreiteauflösung des Rauschens; in der Regel 0.1nm) verschiedene Übertragungskanäle 5. Optische Verstärker - 16 Lehrstuhl für Hochfrequenztechnik – Universität Erlangen-Nürnberg 1570 5.4 Rauschen und Rauschakkumulation in optischen Verstärkern (1) Rauschen in Verstärkern – Beiträge zur Rauschleistung Rauschen Verstärkung von Rauschen aus vorherigen Verstärkerabschnitten (ASE) spontane Emission 5. Optische Verstärker - 17 Lehrstuhl für Hochfrequenztechnik – Universität Erlangen-Nürnberg 5.4 Rauschen und Rauschakkumulation in optischen Verstärkern (2) Rauschen in Strecken mit mehreren Verstärkern a2 a1 Tx aN + PS G1 + N1 PS Vereinfachende Annahmen: G2 + N2 PS GN NN PS Rauschbeitrag der spontanen Emission ASE-Leistung: • Verstärker gleichen Streckendämpfung genau aus: aiGi = 1 • im Detektor ist nur Schrotrauschen von Bedeutung • idealer Quantenwirkungsgrad η=1 • Dominierender Rauschbeitrag am Streckenende: signal-spontaneous beat noise (genügend hohe Signalleistung, opt. Filterung) PASE ,i = (Gi − 1)h f Fn ,i Δf PASE ,i : detektierte ASE-Leistung Gi : Gewinn des Verstärkers h : Plancksches Wirkungsquant f : optische Frequenz Fn , i : Verstärker-Rauschfaktor Δf : Detektionsbandbreite (optisch) 5. Optische Verstärker - 18 Lehrstuhl für Hochfrequenztechnik – Universität Erlangen-Nürnberg 5.4 Rauschen und Rauschakkumulation in optischen Verstärkern (3) Rauschzahl NF Definition: NF = SNRin SNRout SNRin : elektr. Signal-Rausch-Verhältnis am Eingang SNRout : elektr. Signal-Rausch-Verhältnis am Ausgang Berechnung von SNRin: Signal: (RPs / G )2 R= mit Rauschen: 2qRPsδf / G (Schrotrauschen) q A : Responsivity des Detektors [R ] = hf W PS : Signalleistung am Verstärkerausgang q : Elementarladung δf : Detektions-Bandbreite (elektrisch) SNRin = PS 2 h f δfG 5. Optische Verstärker - 19 Lehrstuhl für Hochfrequenztechnik – Universität Erlangen-Nürnberg 5.4 Rauschen und Rauschakkumulation in optischen Verstärkern (4) Rauschzahl NF: einzelner Verstärker Berechnung von SNRout des einzelnen Verstärkers: Signal: (RPs ) 2 SNR out = NF = Rauschen: 2(RPS )(RS ASE )δf + 2qRPS δf (Signal-Spontaneous-Beat-Noise + Schrotrauschen) PS 2 S ASE δf + 2h f δf S ASE + h f Ghf S ASE = hf ( NF ⋅ G − 1) Anmerkung: im Standard-Betriebsbereich gilt: NF ≈ Fn 5. Optische Verstärker - 20 Lehrstuhl für Hochfrequenztechnik – Universität Erlangen-Nürnberg 5.4 Rauschen und Rauschakkumulation in optischen Verstärkern (5) Rauschzahl NF: Verstärkerkette Berechnung von SNRout der Verstärkerkette: Signal: (RPs ) 2 ⎛ SNR out = Gesamt-Rauschzahl: ⎞ Rauschen: 2(RPS )⎜ hνδf ∑ ( NF ⋅ G − 1)R ⎟ + 2qRPS δf (Signal-Spontaneousi ⎝ ⎠ Beat-Noise + Schrotrauschen) PS ⎛ ⎞ 2hνδf ⎜1 + ∑ ( NF ⋅ G − 1) ⎟ i ⎝ ⎠ ⎛ ⎞ ⎜1 + ∑ ( NF ⋅ G − 1)⎟ i ⎝ ⎠ NFn = G alternativ (Gesamtrauschfaktor): ⎛ ⎞ Fn , ges = ⎜1 + ∑ Fn ,i (Gi − 1) ⎟ i ⎠ ⎝ 5. Optische Verstärker - 21 Lehrstuhl für Hochfrequenztechnik – Universität Erlangen-Nürnberg 5.4 Rauschen und Rauschakkumulation in optischen Verstärkern (6) Näherung für das OSNR nach mehreren Verstärkern Abschätzung für das OSNR nach mehreren Verstärkern: ⎛ h f Δf ⎞ OSNR dB = 10 log10 ⎜ ⎟ + Pch dBm − Fn dB − G dB − 10 log10 ( N + 1) ⎝ mW ⎠ typisch: 58dBm f = 192.8 THz Δf = 12.5 GHz Bei Berücksichtigung von Schwankungen der Kanalleistung: z.B.: OSNRworst = 58dBm + Pch − NF − G − 10 log10 ( N + 1) − Δ PD − Δ Raman OSNR : optischer Signal-Rausch-Abstand Pch : Kanalleistung (dBm) : Verstärker - Rauschzahl (dB) NF : Verstärkung (dB) = Span-Dämpfung (dB) G : Anzahl der Spans N Δ PD : Power Divergence (z.B. wellenlängenabhängige Verstärkung / Dämpfung) Δ Raman : Power Divergence durch Raman - Effekt 5. Optische Verstärker - 22 Lehrstuhl für Hochfrequenztechnik – Universität Erlangen-Nürnberg 5.4 Rauschen und Rauschakkumulation in optischen Verstärkern (7) Näherung für das OSNR nach mehreren Verstärkern: Herleitung der Näherungsformel a2 a1 aN + G0 PS OSNR = G1 Pch = PASE N1 G2 N2 + PS GN NN PS Pch N ∑P i =0 OSNR = + PS ASE ,i Pch N hf Δf ∑ Fn ,i (Gi − 1) i =0 OSNR = Pch 1000 ⋅ hf ΔfFn G ( N + 1) 1000 OSNR dB = 10 log10 (h fΔf 1000) + Pch dBm − Fn dB − G dB − 10 log10 ( N + 1) 5. Optische Verstärker - 23 Lehrstuhl für Hochfrequenztechnik – Universität Erlangen-Nürnberg 5.5 S-Band Faserverstärker S-Band Faserverstärker • Er-basierte Verstärker sehr erfolgreich für C- und L-Band • neue Verstärkertechnologie nötig für Übertragungssysteme außerhalb C-/L-Band Æ Einsatz von Thulium-basierten Verstärkern im Labormaßstab für kürzere Wellenlängen Experiment mit Übertragung im S-Band 5. Optische Verstärker - 24 Lehrstuhl für Hochfrequenztechnik – Universität Erlangen-Nürnberg
