Amplificatori Ottici

Amplificazione ottica (1/2)

Per controbilanciare l’attenuazione della fibra,sono utili gli amplificatori ottici

( ) ( ) ( )out inE t GE t n t= +

Guadagno ottico

Rumore ottico generato dall’amplificatore

Amplificazione ottica (2/2)

Il segnale ottico di uscita deve idealmente essereuna copia identica a quello di ingresso, con minimadistorsione (salvo rumore additivo).Notare che si tratta di dispositivi “tutto-ottici”,senza conversione di segnale in elettronico(rigenerazione 1R).

Principio di funzionamento (1/4)

Gli amplificatori ottici si basano su principi similia quelli visti per i sistemia semiconduttore,cioè:1. Emissione stimolataEffetto principale, che permettel’amplificazione.

Principio di funzionamento (2/4)

2. Emissione spontaneaEffetto non voluto, ma sempre presente,causa di generazione di rumore.3. AssorbimentoEffetto che permette il trasferimento dipotenza dalla “pompa” al segnale utile.

Principio di funzionamento (3/4)

L’amplificazione ottica è possibile grazie altrasferimento di potenza tra un segnale otticonon modulato (detto “segnale di pompa”) alsegnale utile.Il trasferimento di energia è possibile grazie a:Assorbimento della potenza di pompaEmissione stimolata sulla potenza di segnale.

Principio di funzionamento (4/4)

Amplificatori ottici ad erbio

Ebrium Doped Filter Amplifier (EDFA) (1/2)

Gli amplificatori ottici di gran lunga più comunisono gli amplificatori ottici ad Erbio, detti EDFA(Erbium Doped Fiber Amplifiers).Sono costituiti semplicemente da un tratto (10-40 metri) di fibra in vetro con un opportuno drogaggio di Erbio.

Ebrium Doped Filter Amplifier (EDFA) (2/2)

Il drogaggio ad Erbio è stato scelto poichè, date le sue caratteristiche atomiche, permette di ottenere amplificazione ottica su lunghezze d’onda attorno a 1550 nm (terza finestra, minimo di attenuazione della fibra).

EDFA e lunghezza d’onda

Per le caratteristiche dell’Erbio, il pompaggiopuò avvenire ad una delle due seguentilunghezze d’onda980 nm1480 nm

EDFA – struttura e nomenclatura -

Caratteristiche EDFA

Caratteristiche EDFA

Gli EDFA sono oggi dei dispositivi disponibilicommercialmente ed estremamente affidabili.Hanno costi elevati, che ne permettono l’uso soloper le trasmissionia lunga distanza (>50 Km)

In questo contesto, gli EDFA hanno tuttaviacostituito una “rivoluzione tecnologica”,avvenuta a partire dal 1990.

Potenze di uscita tipiche: fino a 20 dBm e oltre.Guadagni tipici: fino a 30-40 dB.

Saturazione e guadagno

Per la conservazione dell’energia , la potenza diuscita dell’EDFA (considerando pompa+segnale)deve essere inferiore a quella di ingressoParte della potenza viene infatti persa lungola fibra.A parità di potenza di pompa, il guadagno sullapotenza di segnale avrà un effetto di saturazione.

Saturazione e guadagno (2/2)

Banda EDFA

La banda di guadagno è tipicamente definita come quella zona dove il guadagno è piatto entro 1 dB. I valori tipici per gli EDFA standard sono attorno ai 30 nm.

Nei sistemi ad alta capacità le limitazioni alla massima banda disponibile sono legate alla bandadegli EDFA. Sono state studiate varie soluzioni tecnologiche per allargare questa banda.

Bande EDFA - terminologia

C-Band (central)standard EDFA band, circa 1535-1565.L-Band (Large wavelength)Circa 1570-1600 nm.XL-Band (Xlarge wavelength)sopra 1600 nm.S-Bandsotto 1530 nm.

EDFA a banda larga - terminologia

Per ottenere EDFA con banda larga, al di fuoridella classica banda C, sono utilizzatiOpportuni filtri ottici (passivi) diequalizzazione del guadagno.Si usano Droganti aggiuntivi oltre all’Erbio.

EDFA e rumore ASE (1/2)

Così come gli amplificatori elettrici, gli EDFAgenerano rumoreIl rumore è dovuto al fenomenodell’emissione spontanea.

EDFA e rumore ASE (2/2)

In un EDFA, un fotone emesso spontaneamente viene successivamente amplificatoIl rumore complessivo viene chiamato:Amplified Spontaneous Emission (ASE) noise.

Amplificatori ottici a semiconduttori

Amplificatori ottici a semiconduttore

Esistono altri tipi di amplificatori ottici (meno diffusi degli amplificatori ottici ad Erbio)

Semiconductor Optical Amplifiers(SOA).

Si basano sullo stesso principio dei laser (emissione stimolata in un semiconduttore), senza però feedback ottico.

Rispetto agli EDFA:

guadagno attorno a 1550 nm (ma possibili anche altre bande, ad esempio 1300 nm);

banda pari a 20-30 nm;maggiore quantità di rumore; causa effetti di crosstalk, non possono essere utilizzati per amplificazione WDM.

Campi di applicazione SOA (1/2)

I SOA non hanno per ora significativeapplicazioni commerciali.Tuttavia hanno alcune caratteristichepotenzialmente interessanti:

- dimensioni molto compatte- minore consumo- costo potenzialmente inferiore.

Campi di applicazione SOA (2/2)

Potrebbero dunque trovare utilizzo per applicazioni di amplificazione ottica a basso costo (MAN).

Inoltre sono dispositivi molto utilizzati in ambito di ricerca avanzata per “processing ottico”:

- switch ottici

- convertitori di lunghezza d’onda.

SOA e switch (1/2)

I SOA possono essere “accesiespenti” molto velocemente, tramite modulazione della corrente di iniezione

Così come i laser in modulazione diretta, possono essere modulati su tempi dell’ordine dei nanosecondi.

Campi di applicazione SOA (2/2)

Conseguentemente, possono essere utilizzati come switch ottici