DUMLUPINAR ÜNİVERSİTESİ ELEKTRİK-ELEKTRONİK MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ 11. BÖLÜM OPTİK AMPLİFİKATÖRLER

Transkript

1 DUMLUPINAR ÜNİVERSİTESİ ELEKTRİK-ELEKTRONİK MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ 11. BÖLÜM OPTİK AMPLİFİKATÖRLER

2 11.1 OPTİK K AMPLİFİKAT KATÖRLERİN N TEMEL UYGULAMALARI VE ÇEŞİTLERİ Genel Uygulamalar Amplifikatör Çeşitleri 11.2 YARIİLETKEN OPTİK K AMPLİFİKAT KATÖRLER DışD Pompalama Amplifikatör r Kazancı 11.3 ERBİUM UM-DOPLED FİBER F AMPLİFİKAT KATÖRLER Yükseltme Y Mekanizması EDFA nın Mimarisi EDFA GüçG Çevrimi Verimi ve Kazancı 11.4 AMPLİFİKAT KATÖR R GÜRÜLTG LTÜSÜ SİSTEM S STEM UYGULAMALARI GüçG Amplifikatörleri Hat Boyu Amplifikatörler Ön n YükselticilerY Çok Kanllı Yönetim Hat boyu amplifikatör r kazanç kontrolü 11.6 DALGABOYU DÖNÜŞTÜRÜCÜLERD LERİ Optik Giriş Çıkışlı Dalgaboyu DönüştürücüleriD Dalga karış ıştırıcı dalgaboyu dönüştürücülerid

3 Geleneksel olarak, bir optik bağlant lantı kurulurken, bir güçg bütçesi formüle edilir ve yol kaybı uygun güç sınırını aştığı zaman tekrarlayıcılar lar eklenir. Bir optik sinyali uygun bir tekrarlayıcıyla yla yükseltmek için, i in, foton-elektron çevrimi, elektrikli genişletme, yeniden zamanlama, darbe şekillendirmesi ve sonra elektron-foton çevrimi meydana getirilmelidir. Bu sürecin s sınırls rlı hız z tek dalgaboyu işlemlerinde i iyi çalışmasına rağmen yüksek hızh çoklu dalgaboyu sistemlerinde oldukça a karmaşı şık k ve pahalı olabilir. Bu nedenle tüm m optik amplifikatörlerin geliştirilmesi içini in büyük k bir çaba harcanmaktadır. r.

4 11.1 OPTİK K AMLİFİKAT KATÖRLERİN TEMEL UYGULAMALARI VE ÇEŞİTLERİ Optik amplifikatörler yalnız z uzun mesafe noktadan noktaya optik fiber bağlant lantısında nda değil aynı zamanda ani sinyal kesilmesi kayıplar pların karşı şılanması içinin çoklu ulaşı şım m ağlara larında geniş kullanım m bulurlar. Optik amplifikatörlerin özellikleri, her birinin farklı tasarım m niteliği i olan çok çeşitli uygulamalara yol açarlar. a arlar.

5 Genel Uygulamalar Şekil 11-1 Optik amplifikatörler için in 4 olası uygulama (a) geçiş uzunluğunu unu arttırana rana kadar hat boyu amplikikatörler (b) alıcı duyarlılığı ığını geliştirene kadar ön yükselteç (c) iletilen gücün n desteklenmesi (d) bölgesel b alan ağının n içinde i inde sinyal düzeyinin desteklenmesi

6 Amplifikatör Çeşitleri İki ana optik aplifikatör çeşidi yarı iletken optik amplifikatör r (SOA) ve aktif-fiber fiber veya doped-fiber amplifikatörler (DFAs( DFAs) ) olarak sınıflands flandırılabilir. labilir. BütünB optik amplifikatörler uyarılan yayma işlemi i boyunca bağlı ışığın n gücünüg arttırırlar. rlar. Uyarılan yaymanın n meydana gelebilmesi için i in gerekli olan ters çevirme nüfusununn yaratılma mekanizması lazer diyotlarda kullanılanla lanla aynıdır. Bir optik amplifikatörün n yapısı bir lazerinkine benzemesine rağmen lasingin meydana gelebilmesi içini in gerekli olan optik besleme mekanizmasına na sahip değildir. Bu yüzden, y bir optik amplifikatör r gelen sinyal seviyesini arttırabilir rabilir fakat kendi kendine tutarlı bir optik çıkışış üretemez. Basit işlemi şekil 11.2 de gösteriliyor. g

7 Şekil 11.2 Genel optik amplifikatörlerin basit uygulaması

8 11.2 YARIİLETKEN OPTİK AMPLİFİKAT KATÖRLER SOA lar ların iki ana çeşidi yankılayan, Fabry-Perot amplifikatör r (FPA) ve yankılamayan yayılan dalga amplifikatörd rdür.(twa). r.(twa). FPA da da,, yarıiletken kristalinin iki yarılm lmış parlak yüzey y kısmi k olarak Fabry-Perot oyuğunu unu oluşturan yansıtan son aynalar gibi davranır. r. Yayılan lan-dalga amplifikatörün n yapısı,, son parlak yüzeylerin y ya yansıtmaz kaplamalı yada belli bir açıyla a yarılm lmış böylelikle içi yansıman manın n olmaması dışında FPA nınkiyle nkiyle aynıdır. Bu yüzden, y giriş ışığı yalnızca birkez TWA dan tek başı şına geçerken erken yükseltilir.

9 DışD Pompalama Dış akım m enjeksiyonu SOA larda mekanizma kazanmak için i in gerekli olan ters çevirme nüfusunu n yaratmak için i in kullanılan lan metottur. Enjeksiyon toplamı,, uyarılan yayılma ve spontane-yeniden birleşme oranları,, uyarılm lmış durumdaki taşı şıma yoğunlu unluğuna una hükmeden h denge denklemini verir. J ( t) R p ( t) = qd n( t) t = R p ( t) - R st ( t) - n( t) t Burada Rp(t) enjeksiyon akım m yoğunlu unluğundan undan d kalınl nlığın n aktif katmanına na dışd pompalama oranıdır. r. tr r istemsiz yayılmadan ve taşı şıyıcı-yeniden yeniden birleştirme mekanizmasından ndan gelen birleştirilmi tirilmiş zaman sabitidir. R ( t) = Gav ( n - n ) N º st Rst(t) ise uyarılm lmış yayılma oranıdır. r. Burada υg g bağlı ışığın n grup hızıdır, G optik hapsedilme faktörü,, a sabit kazanç (optik frekansa υ bağlı olan) nth başlang langıç taşı şıyan yoğunlu unluğu, u, Nph foton yoğunlu unluğu ve g birim uzunluktaki ortalama kazançtır. g r th ph ( 11-1) gv g N ph

10 Verilen bir optik amplifikatörün n genişli liği i w ve a kalınl nlığı d sonra enerjinin fotonlarıyla huh ve grup hızıylah υg,, gücüng Ps optik sinyali içini in foton yoğunlu unluğu N ph = v g Ps ( hv)( wd) ( 11-4) Örnek w=5 μm m ve d=0,5μm m olan bir InGaAsP SOA düşününd υg g =2x108 m/s verilerek, eğer e er bir 1,0 μm m optik sinyal 1550 nm de cihaza girerse, denklem (11-4) 4) den fotonun yoğunlu unluğu; u; W N ph = = ( J. s)(3 10 m / s) (2 10 m / s) (5mm)(0.5mm) m 16 foton / m 3

11 g den sonra kırılank birim uzunlukta durgun durum kazacı içinin çözüm g N = v g = N J qd ph 1 nth - t r = + 1 Gat 1+ r N ph g 0 N ph; sat Burada ph; sat Gav Saturasyon foton yoğunluğu gt r doyurma olarak tanımlanmıştır. Birim uzunlukta küçük sinyal kazancı olarak adlandırılan sinyal girişinin yokluğundaki birim uzunluktaki ortalama kazanç. g 0 æ = Gat ç r è J qd - n t th r ö ø ( 11-8) ( 11-6)

12 Örnek nm InGaAsP SAO için i in aşağıa ğıdaki parametreleri göz önünde nde bulunduralım. (a) Eğer E 100 ma eğilim e akımı cihaza uygulanır, sonra denklem (11-2) 2) den dolayı pompalama oranı R p J J 0.1A 33 3 = = = = ( elektron / m ) / s -19 qd qdwl ( C)(0.3mm)(3mm)(500mm) (b) Denklem (11-8) 8) den dolayı sıfır r sinyal kazancı g 0 = 0.3( m 2 24 æ m )(1ns) ç m s - è 1.0ns -3 ö ø -1-1 = 2340m = 2.34cm

13 Amplifikatör r Kazancı Bir optik amplifikatörün n en önemli parametrelerinden biri; G olarak tanımlanan sinyal kazancı veya amplifikatör r kazancıdır. G = P s, out P s, in SOA nın n aktif ortamındaki tek geçiş kazancı ( 11- [( Gg - a) L] exp[ g( z L] G = exp m º ) Burada Γ oyuktaki optik hapsedilme faktörü,, gm materyal kazanma katsayısı, α optik yoldaki materyalin etkili emme katsayısı,, L amplifikatör r uzunluğu, u, g(z) birim uzunluktaki ortalama kazançtır. 9) ( 11-10)

14 Giriş gücünün n bir fonksiyonu olarak kazanç G içini in ifade denklem (11-10) 10) daki kazanç parametresinin g(z) incelenmesiyle elde edilebilir. g( z) = 1+ g0 Ps ( z) P amp, sat ( 11-11) Burada; go sinyal girişinin inin yokluğundaki undaki birim uzunluktaki doymamış ortam kazancı,, Ps(z) z noktasındaki ndaki dahili sinyal gücüg ve Pamp,sat ; birim uzunluktaki kazancın n yarıland landığı dahili güçg seviyesi olarak tanımlanan amplifikatör r doyma gücüdür.

15 Işığın n yokluğunda unda tek geçiş kazancının n tanımı olacaktır r ve denklem (11-9) 9) un kullanılmas lmasıyla G o = exp( g L) o G = 1 + P P s, in æ G lnç è G amp, sat 0 ö ø ( 11-15) Şekil kazancın n giriş gücüne bağı ğımlılığını gösterir. Burada, sıfır s r sinyal kazancı (veya küçük üçük k sinyal kazancı) 1000 in kazanç faktörü olan Go = 30 db dir. dir. Eğri, E giriş sinyal gücünün g n yükseltilmesi y ile kazanç ilk önce küçük üçük sinyal seviyesine yakın n kalır r ve sonra azalmaya başlad ladığını gösterir. Kazanç doyma bölgesindeki b lineer azalmadan sonra, yüksek y giriş güçleri için i in 0 db asimptotik değerine erine yaklaşı şır. Ayrıca kazancın n 3 db ile azaltıld ldığı noktadaki çıkışış doyma gücünüde g gösterir. g

16 Şeki 11-3 Go=30 db (1000 in kazancı) in küçük üçük k sinyal kazancı için in optik giriş gücü üzerinde sinyal geçiş kazancının n tipik bir bağı ğımlılığıığı

17 11.3 ERBİUM UM-KATKILI FİBERF AMPLİFİKAT KATÖRLER 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 ağıa ğırlıkta 1000 parça) a) sözdes 10 m den 30 m uzaklıkta kta optik fiberden oluşur. ur. Ana fiber materyali standart silica, florid tabanlı cam veya çok parçal alı cam olabilir.

18 Yükseltme Y Mekanizması Yarıiletken optik amplifikatörlerin harici akım m enjeksiyonu kullanmalarına na karşı şın, elektronları daha yüksek y enerji seviyelerine uyarmak için, i in, optik fiber amplifikatörler optik pompalama kullanırlar. Bu işlemde, i kişi i elektronları uyarılm lmış durumlara doğrudan yükseltmek y için i in fotonları kullanır. Optik pompalama işlemii üç enerji sviyesinin kullanılmas lmasına ihtiyaç duyar. Şekil basitleştirilmi tirilmiş enerji seviyesi diyagramını ve silika camındaki bu iyonlarının çeşitli enerji seviyesi geçiş işlemlerini gösterir. g Telekominikasyon uygulamaları için in iki ana seviye yarı kararlı seviyesi ve pompa seviyesi diye adlandırılır. r. Yarı karaklı teriminin manası,, bu durumdan zemin durumuna geçişlerin hayat süreleri s, bu seviyeye neden olan durumların n hayat süreleri s ile karşı şılaştırıldığında çok uzundur.

19 Şekil 11-4 Basitleştirilmi tirilmiş enerji seviyesi diyagramı ve silika camındaki Er iyonlarının çeşitli enerji seviyesi geçiş işlemleri

20 EDFA nın Mimarisi Bir optik fiber amplifikatör şekil 11-5 de gösterildig sterildiği i gibi bir veya daha fazla pompa lazeri, bir pasif dalgaboyu çiftleyici optik izolatörleri ve musluk çiftleyicilerden oluşur. ur. Optik izolatörler, yükseltilmiy kseltilmiş sinyali amplifikatörün n gürültg ltüsüne arttırıp p etkinliğini ini azaltabileceği i cihazın n içine i ine yansımas masını engeller. Pompa ışığı genellikle sinyal akışı ışıyla aynı yönde enjekte edilir. Bu yönlendirici pompalama olarak bilinir. Ayrıca pompa gücünüg karşı şıt t yönly nlü pompalama olarak bilinen sinyal akışı ışının n karşı yönünde nde enjekte etmekle mümkm mkündür. Şekil 11-5 de gösterildig sterildiği i gibi, kişi i sonuç kazanımlar mlarının n sırass rasıyla tipik olarak +17 db ve +35 db arttığı ya tek pompa kaynağı ğını yada çift pompa kaynağı tasarılar ları kullanabilir. Karşı şıt t yöny pompalama daha fazla kazanca izin verir ama yönlendirici pompalama daha iyi gürültg ltü performası verir. Ayrıca 980 nm de pompalama tercih edilir, çünk nkü 1480 nm deki pompalamaya göre g daha az gürültg ltü üretir ve daha geniş ters çevrim nüfusu n elde edilir

21 Şekil 11-5 EDFA nın üç olası kanfigürasyonu rasyonu(a) yönlendirici y pompalama, (b) karşı şıt yön n pompalama, (c) çift pompalama

22 EDFA GüçG Çevrimi Verimi ve Kazancı EDFA nın giriş ve çıkışış güçleri enerji koruma prensibiyle ifade edilir. lp P s, out Ps, in + + Pp, in ( 11-16) l Burada, Ppin giriş pompa gücüg ve λp ve λs sırasıyla pompa ve sinyal dalgaboylarıdır. r. Buradaki temel fiziksel prensib, EDFA dan alınabilecek sinyal enerjisinin miktarı cihazda depolanan pompa enerjisini aşamaz. a amaz. s

23 Yukarıdaki denklemden maksimum çıkışış sinyal gücüg λp/λs oranına na dayandığı ığını görüyoruz. Pompalama tasarısının çalışması için, in, λp/λs olmasına ihtiyacımız z var ve uygun kazanç elde etmek için i in P s, in Pp, in olmalı.. Böylece, B güç dönüşüm m yeterliliği (PCE) birleşiminden iminden az gibi belirtilmektedir. Ps, out - Ps, in Ps, out lp PCE =» 1 ( 11-17) P P l p, in Mutlak referans amaçlar ları için in dalgaboyunun bağı ğımsız z olduğu quantum çevrimini (QCE) kullanmak fayfdalı olacaktır. QCE = ls l p PCE Ayrıca, amplifikatör r kazancı G nin terimleriyle tekrar yazabiliriz. İstemsiz yayılman lmanın n olmadığı ığını varsayarsak; G = P s, out P s, in l p 1+ l p, in s P P p, in s, in s ( 11-18) ( 11-19)

24 Örnek nm de 30 nw pompa gücüyle pompalanan EDFA düşünün nm de kazanç 20 db ise, sonra eşitlik den maksimum giriş gücü ( )(30mW ) P s, in = Maksimum çıkış gücü mW l p Ps, out (max) = Ps, in (max) + Pp, in = 190mW (30mW ) l = 19.1mW = 12. 8dBm s

25 Pompa gücüne g ek olarak, kazanç ayrıca fiber uzunluğuna una dayanır. Öyle bir EDFA nın L uzunluğunda unda üç orta seviyeli lazerin maksimum kazancı aşağıda verilmiştir. G(max) = exp( ps L) e ( 11-21) Burada çapraz bölmeli b sinyal yayılımı ve nadir yeryüzü konsantrasyonudur. Maksimum olası EDFA kazancı iki kazanç ifadesinin küçük üçüğü ile verilmiştir. ì l p G miníexp( ps el),1 + î ls P P p, in s, in ïü ý ïþ ( 11-22) G = Psout / Psin = exp( rs el) olduğu u için i in iki ifadenin küçük üçüğü ile verilen maksimum olası EDFA çıkışış gücüne benzer. Şekilde takip edilecektir. l { p, out min Ps, in exp( ps el), Ps, in + Pp in l P s, s ü ý þ ( 11-23)

26 Şekil 11-6 Şekilde pompalama gücüg artarken çeşitli doped-fiber uzunlukları içinin doyma kazanma başlang langıçları gösterilmektedir. Fiber uzunluğu üzerinde EDFA kazancının n bağı ğımlılığının n hesaplanması ve1480 nm pompalama ve 1550 nm sinyal için i in pompalama gücüg

27 EDFA daki yarı kararlı seviyesi göreceli g olarak uzun yaşam am zamanı olduğu u içini in çok yüksek y doymuş çıkışış gücü sağlayabilir. Doyma çıkışış gücü (doyma kazancının n olmadığı yerlerdeki güçg üç) ) küçük üçük k sinyal kazancın 3 db sılkıştırma noktası olarak tanımlan mlanır. Büyük B k sinyal işleme i için, i in, şekil 11-7 den çıkarılabileceği i gibi doymuş kazanç pompa gücüyleg doğrusal olarak artar. Bu şekil giriş gücünün n verilen pompa seviyesi için in arttığı ığını,, amplifikatör r kazancı doyma meydana gelinceye kadar sabit kaldığı ığını gösterir. Şekil 11-7 Çeşitli pompalama seviyeleri içini in çıkışış sinyal gücünün n EDFA nın fonksiyonu gibi kazanç davranışı

28 11.4 AMPLİFİKAT KATÖR R GÜRÜLTG LTÜSÜ Optik amplifikatörde üretilen baskın n gürültg ltü yükseltilmiş spontane emisyondur (ASE). Bunun kaynağı elektronların ve holelerin amplifikatör r ortamında istemsiz yeniden birleşimleridir. imleridir. Bu yeniden birleşme optik sinyal boyunca yükseltilmiş fotonların n yaygın n spektral arka planını arttırır. r. Bu etki sinyal 1540 nm de EDFA yükseltme y içini in şekil de gösterilmig sterilmiştir. tir. Şekil 11-8 Tipik 1480 nm pompalama spektrum ve 1540 nm de yükseltilmiş doğal yayılma (ASE) gürütüg ile birleşmi miş tipik çıkışış sinyali

29 Doğal gürültg ltü yükseltilen ortam boyunca dağı ğıtılan karışı ışık devamlı kısa ritim akış olarak modellenebilir. Bu şekildeki rastgele bir işlem i frekans ile doğru orantılı bir gürültg ltü güç spektrumu ile karakterize edilir. ASE gürültg ltüsünün n güçg spektral yoğunlu unluğu u aşağıa ğıdaki gibidir. S ASE ( f ) sp [ G ( f ) -1] = PASE Dvopt = hvn / Burada P ASE optik bant genişli liğindeki indeki ASE gürültg ltü gücünü gösterir. Dv ort ve n sp doğal yayılma veya populasyon dönüştürme faktörüde aşağıdaki gibi açıklana klanır. n2 n sp = n - n Bu eşitlikte e de n1 ve n2 1 ve 2 durumlarında olduğu u gibi sürtünme yoğunlu unluğu u veya elektron sayısını gösterir. Bu nedenle n sp iki enerji seviyesi arasındaki populasyon değişiminin iminin ne kadar kusursuz olduğunu unu gösterir. g 2 1 ( 11 - ( 11-25) 24)

30 Şekil 11-9 Çeşitli EDFA uzunluklarını arttırmak rmak için i in deneysel ve teorik ASE gürültg ltü güçlerine karşı giriş pompa gücünden g (a) yönlendirici y (ileri) pompalama ve (b) karştı yönlü (geri) pompalama. (Peredrsen( tarafından IEEE izniyle yeniden üretilmiştir.24tir ,IEEE.)

31 Dv ort Eğer bir optik filitre fotodedektörden üstünse un gözle g görülürg bir biçimde imde azalacağı ğını göz önünde nde bulundurunuz. P0 için i in bu durum denklem (6-6) 6) için i in yer değiştirmesi daha sonra toplam aritmatik kare vuruş gürültü oranı elde etmemizi sağlar. i 2 shot s s 2 2 = shot = shot - 2 -S + s shot ASE = 2 qâgps, inb + 2qÂGS ASE Dv opt B Burada B alıcı elektrik bantgenişli liğinininin yöneticisidir. Diğer iki gürültg ltü ışık k sinyalinin ve ASE nin içinde inde bulunan farklı optik frekansların n karışı ışımı ile ortaya çıkar ki bu durum iki dizi ritim frekansı üretir. Sinyal ve ASE farklı optik frekanslara sahip olduğundan undan dolayı ASE nin ritim gürültg ltüsü aşağıdaki gibidir. s 2 s- ASE = 4 ( ÂGPs, in )( ÂS ASE B) ( 11-27)

32 Ek olarak ASE geniş optik frekans mesafeleri oluşturdu turduğu için in gürültg ltü akımına sebep olan kendine karşı bir ritim oluşturur s ASE - ASE = Â S ASE (2Dvopt - B) B Toplam alıcı gürültü akımının aritmatik ortalamasının karesi ( 11-28) 2 i total = s = s + s s 2 total 2 T shot - s + s shot - ASE + s s- ASE + s s- ASE + 2 ASE - ASE İlk başta, amplifikatör r kazancı yeterince büyükb olduğunda unda temel gürültg ltü çoğunlukla göz g z ardı edilebilir. Daha da fazlası yükseltilmiş sinyal gücüg olan GP s, in ASE gürültü gücü S ASEDv ort çok daha büyük b k olduğundan undan ASE-ASE ritim gürültg ltüsü gözle görülür g r bir biçimde imde sinyal- ASE ritim gürültg ltüsünde gözle g görülürg ölçüde büyüktb ktür. Bu gözlem g denklem (11-26) 26) yı aşağıdaki şekilde indirger. s» 2qÂGP 2 shot s, in B ( 11-30)

33 Denklem (11-24) 24) de SASE için i in verilen belirtiyle beraber bu sonuçlar ları kullanmak fotodedektör çıkışındaki S/N sinyal gürültg ltü oranını tam olarak verir. æ ç è S N ö ø out = s s 2 ph 2 total = Â 2 G s P 2 2 s, in 2 total» ÂP s, in 2qB 1+ G 2h n ( G sp -1) ( 11-31) Burada η fotodedektörün quantum yeterliliğidir idir Girişteki S/N ile amplifikatör çıkışındaki S/N arasındaki oran olan gürültü biçiminin iminin standart açıklamasa klamasını kullandığı ığımızda, F = 1+ 2hn ( G -1) in ( S N ) sp = ( S N ) G out ( 11-34)

34 Örnek 11-5 Şekil EDFA nın hem yardımc mcı yön hemde karşı yönlü pompalama olayındaki kazanç saturasyonu altında gürültg ltü biçiminin iminin ölçülen değerlerini erlerini gösterir25. g Amplifikatöre -60 dbm güç girişi i ile pompa dalgaboyu 1480 nm ve sinyal dalgaboyuda 1558 nm dir dir.. Düşük D k sinyal durumlarında eşe yönlü pompalama gürültg ltüsü 5.5 db dir dir ve bu 1.5 db lik giriş eşleşme kaybını ortaya çıkarır kusursuz popülasyon dönüşümünün d n teorik minimum 3dB lik değerinde erinde karşı şılaştırıldığında optik amplifikatörün n gürültg ltü biçimi imi 4 db lik bir değer er gösterir. g Karşı yönlü pompalama olayındaki gürültg ltü biçimi imi yaklaşı şıka 1 db daha yüksektir. y Şekil EDFA nın n hem yardımc mcı yön n hemde karşı yönlü pompalama olayındaki kazanç saturasyonu altında 1480 nm de gürültü biçiminin iminin ölçülen değerleri. erleri. Kazanç her ikisini pompalama yönleriy için in benzerdi.

35 SİSTEM S STEM UYGULAMALARI Optik amplifikatörler gerektiren bir optik fiber bağlant lantısı dizayn ederkene şekil 11-1 de gösterildig sterildiği i gibi amplifikatörleri yerleştirebilece tirebileceğimizimiz üç mümkün n yer vardır. r. Her üç konfigürasyonda da fiziksel amplifikasyon işlemi aynı olamsına rağmen farklı kullanımlar farklı giriş gücü aralıklar kları kullanan cihazların n işleme i sokulmasını gerektirir. Bu faklı amplifikatör r kazançlar larının n devreye sokulması gerektiğini ini bize belirtir. Sinyal gürültg ltü oranı detaylı foton statistiği gibi de alınan faktörler ve farklı amplifikatör konfigürasyonlar rasyonları gibi kusursuz analizler ayrıca işin i in içinei ine katılır. Daha fazla detaya ihtiyaç duyan okuyucular içini in Desurvire16 oldukça a geniş bilgiler sunar. Burada optik bağlant lantılardakilardaki üç mümkün n EDFA mevkilerin mevcut jenerik, operasyonel değerleri erleri ve ona konseptüel el analizlerini göreceğiz.

36 GüçG Amplifikatörleri Güç amplifikatörlerinde cihaz direkt olarak optik bir iletkeni izlediği için in giriş gücü yüksektir. Yüksek Y pompa gücüg aslında bu türt kullanum içinin gerklidir.. Amplifikatör r girişi i genellikle -8 dbm yada daha yüksek y ve güçg amplifikatör r kazancı 5 db den den daha yükseky olmalıdır r ki alıcıda ön n yükseltey kselteç kullanıld ldığından daha avantajlı olsun. Örnek db kazançlı güç yükseltici olarak kullanılan lan bir EDFA yı ele alalım m lazer diyodu ileticiden çıkan amplifikatör r girişinin inin 0-dBm olduğunu unu düşünün. d n. Eğer E pompa dalgaboyu 980 nm olursa eşitlik (11-16) 16) dan 1540 nm deki 10-dBm dbm lik bir çıkışış için in pompa gücünün n en az aşağıa ğıdaki gibi olması gerekir. ls 1540 Pp, in ³ ( Ps, out - Ps, in ) = (10mW -1mW ) = 14mW l 980 p

37 Hat Amplifikatörler rlerü Uzun bir geçiş sisteminde optik amplifikatörlerin fiberdeki zayıflamadan dolayı azalttığı güç seviyesini periyodik olarak geri yükleme y yapması gerekmektedir. Normal olarak bu amplifikatör r zincirindeki her bir EDFA nın kazancı,, L uzunluğundaki undaki önceki fiber bölgede b ortaya çıkan sinyal kaybını telafi etmek için i in kullanılır r ve G = exp( -al). Akümüle edilen ASE gürültg ltüsü bu denli kaskad amplifikatör zincirlerinde dominant seviye azaltıcı faktör r rolü oynar.

38 Örnek Şekil 11-1 i i ele alalım. Bu şekil her bir kanal başı şına düşen d sinyal gücüg değerlerini, erlerini, herbir kanaldaki ASE gürültüsünü ve WDM bağlant lantısındaki ndaki yedi amplifikatör zincirindeki SNR yi göstermektedir. Giriş sinyal seviyesi 6 db de de başlar ve bağlant lantı boyunca aldığı yol nedeniyle ortaya çıkan fiber zayıflamas flamasına bağlı olarak azalır. GüçG seviyesi -24 dbm ye geri yükseltilir. y Bağlant lantı üzerinde iletilen bir kanalda SNR yüksek y bir seviyede devreye girer ve daha sonra ASE gürültsü bağlant lantı boyunca akümüle olduğunda unda herbir amplifikatörde seviyesi düşer. d Örneğin; aşağıdaki bir numaralı amplifikatörde SNR 28 db dir dir.. 6 dbm için. in.

39 Şekil ASE gürültg ltüsü üzerinde SNR düşmesi d bir dizi amplifikatör r sayesinde yükseltilir. y Kurveler sinyal seviyelerini gösterir. g ASE gürültg ltüsü düzeyi kesikli çizgilerle, SNR de noktalarla gösterilir. g WDM linkinde amplifikatör r dörtten d sonra 6 db lik yükseltilmiş bir sinyal seviyesi için i in SNR 22 db dir dir ve -16 db lik ASE gürültg ltüsü seviyesi vardır. r. Amplifikatördeki kazanç ne kadar yüksek y olursa ASE gürültüsü o kadar hızlh zlı ortaya çıkar. Ancak SNR ilk birkaç yükseltmelerde hızlh zlı bir biçimde imde düşmesine rağmen başka bir EDFA nın eklenmesinin arttırıcı etkisi yüksek y sayıdaki amplifikatörler ile hızlh zlı bir biçimde imde azaltılır. Sonuç olarak EDFA lar birden ikiye yükseldiy kseldiğinde inde SNR yaklaşı şık k 3 db düşmesine rağmen aynı zamanda amplifikatör r ikiden dörded çıkarıldığında da aynı düşüş görülür r ve sekize yükseltilen y amplifikatör r sayısında da 3 db lik düşüş görülür. r.

40 Akümüle edilmiş bir ASE gürültg ltüsünü telafi edebilmek için i in sinyal gücü sabit bir sinyal gürültg ltü oranını elde edebilmek için i in en az bağlant lantının n uzunluğu u oranında nda çoğaltılmalıdır. Eğer E toplam sistem uzunluğu u L tot = NL ise ve sistem her biri G = exp( -dl) kazanc ncınana sahip N optik amplifikatörleri içeriyorsa i denklem (11-24) 24) ü kullandığı ığımızda bir dizi optik amplifikatör r boyunca ortaya çıkan mesafe gücüg P ASE path = NP L ASE L ò 0 exp( -dz) dz = a L hvn F ( G) Dv 11 35) tot sp path opt ( - a fiber zayıflamay flamayı gösterir ve F path (G) hata faktörüde aşagıdaki gibi açıklanır. F path 1 æ G -1ö ( G) = ç G è ln G ø 2 ( 11-36)

41 Örnek 11-8 Her biri 30 db kazanca sahip N kaskad optik amplifikatörler içiren i iren optik geçiş yolu ele alalım. Eğer E fiber 0.2 db/km km lik bir kayba sahipse optik amplifikatörler arasındaki mesafe başka bir sistem eşlee leşmezliği i olmazsa 150 km değerindedir. erindedir. Örnek verirsek 900 km lik bir bağlant lantı için in beş adet amplifikatöre ihtiyaç duyarız. Denklem (11-36) için i in toplam mesafe üzerindeki gürültg ltü ceza faktörü db cinsinden aşağıa ğıdaki gibidir. 2 é 1 æ1000-1ö ù 10log F path ( G) = 10logê ç ú = 10log 20.9 = 13. 2bB êë 1000 è ln1000 ø úû Eğer kazancı 20 db ye düşürürsek rsek eşlee leşmezlikten yoksun geçiş mesafesi 100 km dir ve bunun içinde i inde sekiz amplifikatöre ihtiyaç duyarız. Bu durumda günlg nlük k hata faktörü aşağıdaki gibidir. 2 é 1 æ100-1ö ù 10log F path ( G) = 10logê ç ú = 10log 4.62 = 6. 6bB êë 100 è ln100 ø úû

42 Ön n YükselticilerY Bir optik amplifikatör r termal gürültg ltü ile sınırlanms rlanmış direkt olarak tespit eden alıcılar ların n hassasiyetini geliştirmek içini in ön n yükseltici y olarak kullanılabilirler. labilirler. İlk olarak alıcı gürültüsünün n N elektrik gücüg seviyesi ile gösterildig sterildiğini ini farz edelim. Smin in alıcının n spesifik kabul edilebilir bit hata oranı Smin / N olur. Eğer E G ile belirtilmiş kazançlı optik ön yükselteci kullanırsak elektriksel alanın n sinyal gücüg G2.Sı olur ve sinyal gürültg ltü oranı da 2 æ S ö G S ç = ( 11-37) è N ø N + N preamp Burada NıN gürültü değeri eri optik ön n yükseltecideki y spontane emisyondur ve alıcıdaki fotodiyot sayesinde ek bir arka plan gürültüsüne dönüştürülür. d r. Eğer E Smin aynı değerlerdeki erlerdeki sinyal sinyal gürültü oranını elde edebilmek için i in ihtiyaç duyulan yeni minimum elektrik sinyal seviyesi olursa şuna ihtiyaç duyarız; G N S min + N 2 = S N min ( 11-38)

43 Optik yükseltey kselteçte alınan sinyal seviyesini çoğaltabilmek içini in S min < S min i elde etmeliyiz. Bu nedenle S N G S N + N min 2 = > min 1 ( 11-39) Smin in S min e e olan bu oranı tespit edilen sinyalin gelişimini imini yada tespit edenin hassasiyetini bize gösterir. g

44 Çok Kanallı Yönetim EDFA lar ların ve yarıiletken optik amplifikatörlerin her ikisinin birden avantajları çoklu optik kanalları yükseltebilmeleri ve sağlanan çok kanallı sinyal bantgenişliklerinin amplifikatör bantgenişli liğindeninden daha küçük k olmasıdır. Hem SOA larda hem de EDFA larda bu bantgenişli liği 1 ila 5 GHz arasında farklılık k gösterir. g SOA lar ların bir dezavantajı bitişikteki ikteki optik kanallarının n ritmine bağlı olarak taşı şıyıcı yoğunluk modülasyonundan ortaya çıkan kanallar arası çapraz konuşmaya olan hassasiyetleridir. SOA larda bu ritim kanal dizimi 10 GHz den az olduğu u her seferinde ortaya çıkar. Kanal dizimi 10 GHz den yukarı doğru olduğu sürecede, EDFA larda bu çapraz konuşma görülmez. g Bu nedenle EDFA lardaki çoklu kanal operasyonlarda N kanalları için in sinyal gücüg şununla verilir. å P s = P s i= 1 Ps,i kanalındaki ndaki sinyal gücüdür, g bu nedenlede optik taşı şıyıcı frekansıda Vi dir. N, i 11 40) ( -

45 Şekil (a) yaklaşı şık k nm spektral bant arasında düzd yapılan ticari amaçlı EDFA nın kazancı (b) yaklaşı şık k nm spektral bant arasında düz d z yapılan ticari amaçlı EDFA nın kazancı

46 Hat Amplifikatörü Kazanç Kontrolü Optik amplifikatör r kullanan uzun boylu fiber geçiş sisteminde, giriş güç seviyesindeki dalgalanma söz s z konusu iken hat üzerindeki amplifikatörün çıkışış gücünü sabit tutabilmek amaçlan lanır. Çıkışış gücünü sabit tutabilmenin pratik bir yolu, şekil de gösterildig sterildiği i gibi saturasyon bölgesindeki optik amplifikatörü kullanmaktır. Bu sinyal kontrollü otomatik kazanç kontrolü metodunda amplifikatöre giren güçg düştüğünde, daha yüksek bir çıkışış gücü elde edebilmek için i in gereken kazanç daha yüksek olabilir. Buna zıt z t olarak eğer e er giriş gücü yükselirse kazanç bu farklılığı ığı telafi edebilmek için i in düşecektir. d Bu telafinin kesin miktarı giriş gücü ile kazanç arasındaki ilişkiye bağlıdır. Optik amplifikatörün n bir kaskad zincirinde başka bir yeri arttırılır r ve bu yollada optik amplifikatöre giren gücüg azaltılırsa, sinyal gücüg çoğunlukla aşağıa ğıdaki bazı amplifikatörlerde depolanır. Bu optik bir biçimde imde yükseltilen y haberleşme sistemlerinde kendiliğinden inden iyileşme etkisi olarak bilinir.

47 Şekil Saturasyon bölgesinde nominal nom giriş P s, in ile amplifikatör işletmek ki o pasif sinyal kontrol kazanç kontrol metodu. Giriş gücünü azaltmak G2 kazanç yönündende yükseltebilirken giriş gücünü arttırmak rmak G3 kazanç yönündende düşürmeli.

48 11.6 DALGABOYU DÖNÜŞTÜRÜCÜLERD LERİ Bir optik dalgaboyu dönüştürücüsüd gelen dalgaboyunun içerdiği i bilgiyi elektriksel zamana girmeden yeni bir dalgaboyuna derekt olarak dönüştüren d bir araçtır. r. BütünB optik ağlardaa çok büyükb önem arz eden bir bileşendir, endir, çünk nkü; ; içeri i giren sinyalin dalgaboyu çıkışta bulunacağı ön n görülen g yolda bulunan diğer bir enformasyon kanalında nda kullanımda olabilir. Giren sinyalin yeni bir dalgaboyuna dönüştürülmesi d her iki enformasyon kanalınında nda aynı fiberden eşe zamanlı olarak geçmesine izin verir.

49 Optik Giriş Çıkışlı Dalgaboyu Dönüştürücüleri Dalgaboyu dönüşümünüd geliştirme amacıyla yarıiletken optik amplifikatörler, yarıiletken lazerler veya doğrusal olamayan optik kıvrk vrımlı aynalar gibi araçlar kullanan oldukça a geniş optik giriş çıkışış teknikleri araştırılm lmıştır. Çapraz faz modülasyonu (XPM) modunda SOA nın kullanılmas lması tekli dalgaboyu dönüşümünüd gerçekle ekleştirilmesini en başar arılı tekniklerden biri haline getirmiştir. tir. Bu yöntemi y tamamlamak için i in gerekli konfigürasyonlar şekil de gösterileng Mach-Zehner veya Michelson girişim im ölçer ayarlarını içerir.

50 Şekil Çapraz faz modülasyonu dalgaboyu dönüşümünüd düzenlemek içini in SOA nın (a)mach Mach-Zehner interferometre ve (b) Michelson interferometre düzeni d kullanılır.

51 Dalga Karış ıştırıcı Dalgaboyu Dönüştürücüleri Doğrusal olmayan optik dalga olayına bağlı olan dalga boyunun dönüştürülmesi, diğer metodlarla karşı şılaştırıldığında oldukça önemli avantajlar sunar. Bunların n içindei inde çoklu dalgaboyu dönüştürmed olanağı ve modülasyon formatı üzerinde saydamlık k bulunur. Bu karış ıştırma doğrusal olmayan bir maddenin içinden i inden geçen en optik dalgalar içinde i inde doğrusal olmayan etkileşiminden iminden ortaya çıkan diğer bir dalgadır r ve etkileşim im içindeki i indeki dalgaların n yoğunlu unluğunun unun ortaya çıkardıkları ile orantılıdır. r. Üretilen dalganın n frekansı ve fazı etkileşim im içindeki indeki dalgaların n doğrusal kombinasyonudur. Bu nedenle dalga karış ıştırması hem genliğe hemde faz bilgisini korur ve sonuç olarakda bu modülasyon üzerinde oldukça a güçg üçlü saydamlık k oluşturan dalga boyu değişimi imi katagorisine girer.

52 Dalga klavuzlarındaki frekans farkının üretilmesi iki giriş dalgasının karış ıştırılmasına bağlıdır. Bu noktada materyalin doğrusal olmayan etkileşimi imi bir pompa ve sinyal dalga yardımıyla yla olur. Yukarıda Şekil 11-15, 15, 1546 nm ile 1560 nm arasında değişen en boyutlardaki sekiz adet giriş dalgaboyu ile 1524 nm ile 1538 nm arasında değişik ik değerler erler gösteren g bir dizi çıkışış dalgaboyunun spontane dönüşümd örneğini gösterir. g