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
Â 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.

Download Report