Verstärkung - Yokogawa Optische Spektrumanalysatoren AQ6370
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Optische Verstärker und Beurteilung von EDFA mit optischen Spektrumanalysatoren Optische Spektralanalyse Jörg Latzel Mai 2009 Wir beschäftigen uns im folgenden mit… Wozu Verstärker Inhalt Verstärkerverfahren Anforderung Messtechnik Demonstration Inhalt Wozu optische Verstärker Das Leben vor und nach der Erfindung des optischen Verstärkers Optischen Verstärkerverfahren EDFA (Erbium Dotierter Faserverstärker) Halbleiterverstärker Raman Verstärker Anforderungen an die Messtechnik Grundanforderungen Messvarianten Praktische Demonstration EDFA Messung per OSA Yokogawa 2009 2 „TDM“ mit opto-elektronischen Regeneratoren Inhalt Wozu Verstärker Verstärkerverfahren 1310 nm TX TX Anforderung Messtechnik TX TX 1550 nm TX TX Inhalt 1310 nm REGENERATOR RX RX Demonstration RX RX 1550 nm RX RX TX TX RX RX Signalverstärkungen wurden in den Anfängen der Lichtwellenleitertechnik immer über OE/EO Regeneratoren realisiert eine Datenü Datenübertragung auf unterschiedlichen Wellenlä Wellenlängen fand auf einer Faser in der Regel nicht statt Yokogawa 2009 3 „Klassische“ WDM Verbindung mit opt.-elektronischen Regeneratoren Inhalt Wozu Verstärker Verstärkerverfahren 1310 nm REGENERATOR TX TX RX RX 1550 nm TX TX Anforderung Messtechnik W W D D M M Demonstration 1310 nm TX TX RX RX 1550 nm RX RX Inhalt W W D D M M TX TX RX RX die ersten WDM Systeme wurden in verschiedenen optischen Fenstern betrieben da vor jedem Signalgregenerator die Signale durch optische Filter zu trennen waren, um mit eigenen Verstä Verstärken elektrisch aufbereitet und mit einer LASER Quelle auf richtiger Wellenlänge weitergegeben werden muß mu ßten, war dieses System wenig lukrativ und selten angewendet Yokogawa 2009 4 Einführung optischer Verstärker Inhalt Wozu Verstärker Verstärkerverfahren Anforderung Messtechnik Demonstration Inhalt Die Jahre 1992/93 erst haben die Glasfaser durch die erste Realisierung Realisierung und Kommerzialisierung des EDFA auf die Überholspur gebracht. WDM Koppler 1480 / 1550nm Erbiumdotierte Faser 1010 -20 m Opt. Filter Pump-- LASER 1480 nm Pump durch oben gezeigten Aufbau lassen sich die optischen Signale heute um etwa 30 dB verstä verstärken; Faserdä Faserdämpfungen von über 100km kö können so ausgeglichen werden Yokogawa 2009 5 10Gbit/sec Wavelength Division Multiplexing Inhalt Wozu Verstärker Verstärkerverfahren Anforderung Messtechnik Demonstration Inhalt 10Gbit/sec Electrical Signal TX1 TX 1 40Gbit/sec MOD LD1 TX2 TX 2 ＰＤ MOD RX1 RX 1 Optical Modulated & Multiplexed Signal MOD ＰＤ MOD RX2 RX 2 LD2 TX3 TX 3 EDFA MOD ＰＤ MOD RX3 RX 3 LD3 Opt MUX TX4 TX 4 MOD Opt DEMUX ＰＤ MOD RX4 RX 4 LD4 erst durch die Einführung optischer Verstärker wurde ermöglicht, auf den kostenintensiven Aufbau von WDM Systemen mit optoopto- elektrischen Regeneratoren zu verzichten Yokogawa 2009 6 10Gbit/sec Wavelength Division Multiplexing Inhalt Wozu Verstärker Verstärkerverfahren Anforderung Messtechnik Demonstration Inhalt Effizient multiplexen!? Yokogawa 2009 7 EDFA – Erbium Doped Fibre Amplifier Inhalt Wozu Verstärker Verstärkerverfahren Anforderung Messtechnik Demonstration Inhalt •Eine Erbium dotierte Glasfaser absorbiert bei Einkoppelung von Licht aus einer Breitbandquelle (z.B. Halogenlicht) den Wellenlängenbereich um 800nm, 980nm und einen Bereich von 1420 bis 1580nm. •Die je absorbierte Energie wird genutzt um Elektronen auf jeweils höhere Energieniveaus zu bringen. Absorptionsniveau 800 1000 1200 1400 1600 Wellenlänge (nm) Faserverstärker Yokogawa 2009 8 EDFA – Erbium Doped Fibre Amplifier Wozu Verstärker Inhalt Verstärkerverfahren Anforderung Messtechnik Demonstration Inhalt •Ein Pumplaser mit = 980 oder 1480 nm hebt Elektronen aus dem Grundzustand auf ein höheres Energieniveau. •Die Elektronen fallen nach etwa 1µs auf ein niedrigeres Niveau und erzeugen dabei m.e. spontanes Breitbandlicht und verursachen ein Anheben von Signallicht (sofern vorhanden) durch stimulierte Emission im selben Wellenlängenbereich. •Die Verstärkung ist dabei Wellenlängenabhängig bis zu 30dB Demo: Spektrum mit Pumpe ohne Signal B3 Energieniveau λ= 980nm Nicht strahlender Übergang B2 λ= 1480nm B1 Strahlender Übergang Energieerklärung Erbium Dotierter Faser Yokogawa 2009 9 EDFA – Erbium Doped Fibre Amplifier Inhalt Wozu Verstärker Verstärkerverfahren Anforderung Messtechnik Demonstration Inhalt •Arbeitsbereich der EDFAs ist je nach Dotierung im S-, Cund L-Band (1480 – 1640nm) Typ. ASE Spektren (Quelle:Fibotec) www.fibotec.com Yokogawa 2009 10 SOA Semiconductor Optical Amplifier Inhalt Wozu Verstärker Verstärkerverfahren Anforderung Messtechnik Demonstration Inhalt •Die Verstärkung in einem Halbleiter erfolgt durch stimulierte Emission (Stimulierung durch Signallicht) •Der Aufbau ähnelt einem Halbleiter (FP) Laser •Die Längsseiten des Resonators sind aber nicht ver- sonder entspiegelt um nicht als Resonator zu wirken, sondern Signale stimuliert passieren zu lassen + + Antireflexschicht Antireflexschicht P P-Schic ht N N -Schich t FP LASER - SOA Vorteil •Hohe Verstärkung(30dB), Kompaktes und günstiges Bauelement •Eröffnet viele Möglichkeiten der optischen Signalverarbeitung (FTTH) Nachteil •Variierende Verstärkung und Variation der Bit-Raten im GB/s Bereich (sehr schmalbandig) •Max. für 10GBit/s geeignet •Hohe Einfügeverluste •Polarisationsempfindlich Yokogawa 2009 11 Raman Verstärker Inhalt Wozu Verstärker Verstärkerverfahren Anforderung Messtechnik Demonstration Inhalt Rayleigh Rückstreuung Durch Inhomogenitäten im Glas kommt bei Einstrahlung von Licht in die Glasfaser an jeder Stelle in der Faser zu Streuungen. Diese Streuung fällt teils als Rückstreuung aus und wird somit zum Sender (OTDR/BOTDR) zurück gestreut. Dieses Licht verwendet z.B. ein OTDR um eine Aussage zur Dämpfung zu machen. Kern LD- Quelle ankommendes Licht Yokogawa 2009 gestreutes Licht (teils rückgestreut) 12 Raman Verstärker Wozu Verstärker Inhalt Verstärkerverfahren Anforderung Messtechnik Demonstration Inhalt “Rück”-Streuungs Frequenzen (Frequenz[Hz]) Raman Stoke (kann auch stimuliert erfolgen!) Erinnerung an Demo Pump Laser! Raman Anti-Stoke Quelle (0 ) Intensität ～ ～ Rayleigh Streuung (0 ) Brillouin Frequenz (B ) sehr schmalbandig, 10GHz Abstand vom Träger Raman Frequenz (0 ) Raman Frequenz (0+) Wellenlänge (Frequenz) Die Raman Stokes Mittenwellenlängen haben im Glas ca. 13Thz Abstand (ca. 100nm bei 1550nm absolut) Und 10THz Bandbreite (ca. 80nm @ 1550nm) Yokogawa 2009 13 Raman Verstärker Inhalt Wozu Verstärker Verstärkerverfahren Anforderung Messtechnik Demonstration Inhalt •Die Raman Stokes entstehen durch Wechselwirkung von starken LASERN (ca. 1Watt) mit dem Molekülgefüge des Mediums •Die Bandbreite beträgt ca. 70nm und eine effektive Verstärkung mit einer Signalpumpe ist über 40nm realisierbar Isolator 300 km SMF Koppler Pumplaser (im Beispiel 1480nm) Filter DWDM Signale 1560-1620nm Vorteil •Die normale Faser kann als Verstärkungsmedium verwendet werden •Keine spezielle Dotierung nötig •SSM Fasern sind bestens geeignet Nachteil •Durch die Ausnutzung eines sehr breitbandigen Bereiches mit hoher Pumpenenergie kann es zu unerwünschten nicht linearen Effekten kommen. •Verstärkung liegt im Bereich von 10dB (EDFA 25-30dB, SOA 30dB) Yokogawa 2009 14 Raman Verstärker Inhalt Wozu Verstärker Verstärkerverfahren Anforderung Messtechnik Demonstration Inhalt •Bei Verwendung nur einer Pumpe ist der Verstärker Polarisationsabhängig; Verwendung von 2 Pumpen kompensiert den Nachteil (siehe Bild) •Mehrere Pumpwellenlängen erlauben den effektiven Bandbreitenbereich bis auf 160nm zu erweitern •Speziell dotierte Fasern würden eine höhere Verstärkung liefern, machen dann aber gegenüber einem EDFA keinen großen Sinn mehr Isolator 300 km SMF Koppler Filter DWDM Signale 1560-1620nm Pumplaser Mit entweder / und Unterschiedlichen WellenLängen bzw. Polarisationen Yokogawa 2009 15 Verstärkertopologie Inhalt Wozu Verstärker Verstärkerverfahren Anforderung Messtechnik Demonstration Inhalt Darstellung eines Ultrabreitbandü Ultrabreitbandübertragungssystems Ultrabreitbandverstärker (300nm) Quelle: Alcatel 2000 Yokogawa 2009 Ausgangsspektrum 16 Anforderungen an DFB Quellen… Inhalt Wozu Verstärker Verstärkerverfahren Anforderung Messtechnik Demonstration Inhalt Optimale Seitenmodenunterdrückung Keine Beeinflussung von Nachbarkanälen Sehr geringes Eigenrauschen (SSE) um das Resultat so wenig wie möglich zu beeinflussen Unabhängige Abstimmung von Wellenlänge und Level um die Testträger abzugleichen Yokogawa 2009 17 OSA Messung Inhalt Wozu Verstärker Verstärkerverfahren Anforderung Messtechnik Demonstration Inhalt Beispiel eines WDM Signales auf einem EDFA – „Rauschteppich“ Rauschteppich“ Yokogawa 2009 18 EDFA Analyse mit dem OSA… Inhalt Wozu Verstärker Verstärkerverfahren Anforderung Messtechnik Demonstration Inhalt Messung des “Original”-Signales auf Trace A Messung des verstärkten Signales auf Trace B Yokogawa 2009 19 EDFA Analyse mit dem OSA… Inhalt Wozu Verstärker Verstärkerverfahren Anforderung Messtechnik Demonstration Inhalt Auswahl von Detektion und Interpolationsverfahren per Menü! Yokogawa 2009 20 EDFA Analyse mit dem OSA… Inhalt Wozu Verstärker Verstärkerverfahren Anforderung Messtechnik Demonstration Inhalt Ausführung der EDFA Analyse durch Auswahl der Funktionstaste 3 im Menü Yokogawa 2009 21 Gain Tilt Anzeige… Inhalt Wozu Verstärker Verstärkerverfahren Anforderung Messtechnik Demonstration Inhalt Gain Tilt (Abweichungsanzeige) Yokogawa 2009 22 Das Pulsverfahren mit Lichtquelle, AOM und OSA Inhalt Wozu Verstärker Verstärkerverfahren Anforderung Messtechnik Demonstration Inhalt AOM (Akusto Optischer Modulator) 1 schaltet mit 1MHz Modulation das Signallicht an/aus; 1 MHz ist ausreichend schnelle genug, um den ASE Level nach dem Ausschalten des Signales nicht ansteigen zu lassen! Yokogawa 2009 Demo: Spektrum mit Pumpe ohne Signal-dann mit; vergleiche ASE! 23 Schnelles Zu und Wegschalten der Träger Wozu Verstärker Inhalt Verstärkerverfahren Anforderung Messtechnik Demonstration Inhalt Das schnelle “Zu/Wegschalten” des Trägers ermöglicht das “gegatete” hochgenaue Beurteilen Die Trägheit der ASE (Faserverstärker) führt im Millisekundenbereich nicht zu einer Veränderung des ASE Levels. Der ASE Level kann somit akkurat am Signalpunkt gemessen werden; diese Methode eignet sich nicht zum Monitoren, nur für Systemprüfungen von Systemen die “nicht on line” sind und für Verstärkertests Yokogawa 2009 24 Inhalt Wozu Verstärker Verstärkerverfahren Anforderung Messtechnik Demonstration Inhalt Praxis EDFA Messung Yokogawa 2008 25 EDFA Beurteilung Setup Inhalt Wozu Verstärker Verstärkerverfahren Anforderung Messtechnik Demonstration Inhalt •Die Lichtquellen werden zunächst direkt mit dem OSA verbunden und beurteilt. Das Ergebnis wird in TRACE A gespeichert •Die Lichtquellen werden über den EDFA geleitet und der Ausgang mit dem OSA verbunden •Das Signal wird gemessen und Auf Trace B gespeichert •Zum Schluss findet die Berechnung durch Druck auf “Analyse” statt Yokogawa 2009 26 OSNR Messung an moduliertem Signal mit Yokogawa OSA Wozu Verstärker Inhalt Verstärkerverfahren Anforderung Messtechnik Demonstration Inhalt •Die Verstärkung des Signals ergibt sich aus dem Verhältnis des Signallevels ohne und mit Verstärkung •Die Rauschzahl (NF) ergibt sich wie folgt: PASE 1 NF (dB) 10 log10 h B G G o The necessary quantities are as follows: -PASE is the ASE power measured in the bandwidth Bo -h = 6.626 x 10 –34 [Js] (Planck’s constant) -v is the optical frequency (Hz) -G is the gain of optical amplifier (linear units) c = 6.2 x 10^10 Hz for DELTA -Bo is the optical bandwidth in Hz Lambda = 0.5 nm at 1555 nm •Die Formel gilt jedoch nur solange, wie die PASE verglichen mit der spontanen Emission der Quelle (PSSE ) gross ist und eine wirkliche Verstärkung vorhanden ist. Ist PASE wie in einem Test ohne Verstärker sogar gleich PSSE , so wird es notwendig, die Formel wie folgt zu erweitern: NF ( dB ) 10 log Yokogawa 2009 10 P ASE 1 P SSE h B G G h B o o 27 Wir haben uns befasst mit… Wozu Verstärker Inhalt Verstärkerverfahren Anforderung Messtechnik Demonstration Inhalt Wozu optische Verstärker Das Leben vor und nach der Erfindung des optischen Verstärkers Optischen Verstärkerverfahren EDFA (Erbium Dotierter Faserverstärker) Halbleiterverstärker Raman Verstärker Anforderungen an die Messtechnik Grundanforderungen Messvarianten Praktische Demonstration EDFA Messung per OSA Yokogawa 2009 28 Vielen Dank für die Aufmerksamkeit AQ6370B & AQ6375 OPTICAL SPECTRUM ANALYZER
