4.1 Optovláknové linkové zesilovače – EDFA
Problém útlumu optických tras lze řešit použitím optických zesilovačů. Pro dosažení větších vzdáleností než ty, které jsou předepsané pro Pasivní Optické Sítě, je obnova optického signálu nevyhnutelná. Obnova signálu zahrnuje obnovu amplitudy, tvaru a časování pulzů a je známá pod pojmem 3R regenerace (Reamplification, Re-timing, Re-shaping).
Mezi nejrozšířenější optické zesilovače, které obnovují signál přímo v optické rovině lze zařadit:
Vláknový erbiem dopovaný zesilovač EDFA (Erbium Doped Fiber Amplifier)
Polovodičový zesilovač SOA (Semiconductor Optical Amplifier)
Raman zesilovač
EDFA zesilovač pracuje na principu vláknového laserů. Základem EDFA zesilovače je Erbiem dopované optické vlákno. Ionty Erbia pohlcují energií, kterou do vlákna dodává zdroj optického záření na vlnové délce 980 nm, a jsou excitovány na vyšší energetickou hladinu. Stav, ve kterém většina iontů je v excitovaném stavu je známý jako stav inverze populace. Tento stav je metastabilní a ionty setrvávají v něm velmi krátkou dobu, po které následuje nezářivý přechod na nižší energetickou hladinu. Z této hladiny ionty Erbia se vrací na základní energetickou hladinu. Tento přechod doprovází vyzáření nových fotonů v telekomunikačním C pásmu kolem vlnové délky 1550 nm. Tato energie je přičtená k energii signálu, který vyžadoval obnovu zesilovačem.
Excitace atomů Erbia v důsledku čerpání a emise záření na vlnové délce 1550 nm.
Výhodou zesilovače je zisk 30 až 50 dB, práce v C a L pásmu, nezávislost na teplotě a polarizaci. EDFA zesilovače umožňují zvýšení úrovně signálu až o 50 dB v C+ L pásmu. Ostatní dotované zesilovače obsahující jiné ionty dotace dosahují podobných hodnot zisku, ale v jiném pracovním spektru, většinou směrem k O nebo E pásmu.
Nevýhodou je chybějící selektivita toho, co je třeba zesilovat, šum a nemožnost použití jako předzesilovač velmi slabých signálů těsně před obvody detekce.
Princip obnovy optických signálu EDFA zesilovačem.
Zisk zesilovače v C a L pásmu.
4.2 Polovodičové předzesilovače – SOA
Zisk polovodičového zesilovač je generován ve struktuře polovodiče. Čerpání také není optické, je třeba dodat energií v podobě budícího elektrického pole (v praxi v podobě elektrické energie). Polovodičové materiály vhodné pro konstrukcí optického zesilovače jsou například:
GaAs
AlGaAs
InGaAs
InGaAsP
InAlGaAs
InP
Tyto materiály se vyznačují dobrou kvantovou účinnosti, která zaručuje maximální počet generovaných fotonů vztažen k počtu excitovaných nosičů náboje.
Princip fungování je velice podobný práci stimulované emise fotonů, která je velice podobná principu fungování polovodičových laserů. Proces stimulované emise zahrnuje několik kroku:
stimulovaná absorpce
excitace media
dosažení inverze populace
stimulace dalších fotonů
vznik zisku v mediu polovodiče
opuštění hrany čipu
Emise záření u polovodičů – heteropřechod s přiloženým napětím.
Polovodičové zesilovače jsou vyráběny jako čip umístěný do standardního pouzdra, které umožňuje regulaci teploty, jenž zaručuje stabilitu (nebo naopak ladění) pracovní vlnové délky a možnost dosažení maximálního zisku. Kolem aktivní vrstvy se nachází plášťová vrstva. Tento region funguje jako vlnovod pro nově vytvořené fotony.
Příčný řez strukturou SOA s heterogenními přechody.
Struktura SOA zesilovače je podobná Fabry-Pérot laseru, s tím rozdílem, že laser je vybaven reflexní plochou rezonátoru, která slouží pro selekci vidů.
SOA zesilovač je vybaven antireflexními vrstvy, které zabraňují vzniku rezonance a fluktuacím výkonu ve vyzařovaném spektru. Polovodič se pak chová jako zesilovač nikoliv jako laser, ve kterém záření rezonuje v rezonátoru pro vytvoření svazku o určitém uspořádání vidů.
Antireflexní vrstvy SOA zesilovače. Porovnání s mechanizmem rezonance e selekce vidů u Fabry-Perot laserů.
4.3 Polovodičové předzesilovače – SOA
SOA zesilovače pracují ve spektru 0,85 μm až 1.6 μm a generují maximální zisk při optimální teplotě polovodiče (většinou kolem 18 až 30°C) až 30 dB.
Snadná integrace s lasery a polovodičovými součástkami
Malá spotřeba
Nevyžaduje optickou pumpu
K saturaci zisku dochází při silném vstupním optickém signálu kvůli vyčerpání volných nosičů náboje v aktivní oblasti. Zisk pak s rostoucí hodnotou výkonu klesá. Definice lineárního a nelineárního režimu je rovněž znázorněna na následujícím obrázku.
Závislost zisku na hodnotě výstupní výkonové úrovně s vyznačením bodu saturace, lineární a nelineární oblastí zisku SOA zesilovače.
Většina komerčně dostupných SOA zesilovačů má zisk kolem 15-20 dB, ale dosahované zesílení signálu je ve skutečnosti ještě nižší (o několik decibel) kvůli značnému vložnému útlumu zesilovače, který je roven přibližně 5 dB.
SOA zesilovač má velký vložný útlum, který navíc narůstá u zesilovače odpojeného od napájení. Vypnutý SOA zesilovač se chová jako útlumový článek
Citlivost na polarizaci vstupního světla – dáno rozměry polovodiče
Vedle stimulované emise záření existuje proces spontánní emise
Závislost pracovní vlnové délky na teplotě čipu, nutnost obvodů pro kontrolu teploty
4.4 Výkonové Ramanovské zesilovače
Podstatou Ramanova jevu je vzájemná interakce fotonů šířících se v daném prostředí s tímto prostředím, kterého důsledkem je posuv pracovní vlnové délky.
Ramanův zesilovač vytváří stimulovaný Ramanův rozptyl SRS (Stimulated Raman Scattering) v materiálu optického vlákna. Za pomoci optického čerpání na určité vlnové délce lze dosáhnout interakce mezi fotony a fonony látky, při nichž dochází k přičtení energie molekul látky k energii fotonů. Následkem je vznik vidu optického záření, který je u křemíkových vláken posunut o 100 nm (pro pásmo 1550 nm) směrem k delším vlnovým délkám. (nižším frekvencím).
Zdrojem energie pro Ramanův zesilovač je optické záření. Záření pumpy se vyznačuje kratší vlnovou délkou než zesilovaný optický signál. Vlnová délka generovaného optického záření je posunuta oproti původní vlnové délce až 30 THz. Maximální zisk (30 dB) lze pozorovat při posunu přibližně o 13 THz. Pro zesilovač pracující na vlnové délce 1550 nm je třeba použit čerpací zdroj pracující na vlnové délce 1450 nm.
Výkon zesilovače závisí na výkonu a vlnové délce pumpy, spektrální účinností, délky vlákna a velikosti vidové plochy. Jako nejvýhodnější médium pro generování optického zisku jsou vlákna s malou efektivní vidovou plochou jádra vlákna, s průřezem jádra kolem 20 μm2. V praxi se používá kombinace jednovidového vlákna SMF (Single Mode Fiber) a vlákna kompenzující disperzi DCF (Dispersion Compensating Fiber) nebo vlákna s posunutou disperzi DSF (Dispersion Shifted Fiber). Protisměrné čerpání je výhodnější z hlediska nižšího šumu a omezení zvlnění zisku – celá trasa tlumí vzniklý ASE šum (Amplified Spontaneous Emission).
Příkladový profil zisku Ramanova zesilovače v C-pásmu.
Příkladový profil zisku Ramanova zesilovače v C-pásmu.
Velký zisk a velký saturační výkon
Může pracovat na libovolné vlnové délce z telekomunikačního pásma
Nižší šum než u SOA a EDFA (zpravidla 5-7 dB)
Funkce konverze nebo ladění vlnové délky
Existence Ramanova jevu v každém typu vlákna
Průběžná kompenzace výkonových ztrát u varianty s protisměrnou pumpou
Nevýhody:
Použití výkonných pump (vyšší než 30 dBm)
Nižší účinnost na dané vlnové délce při dané úrovní optického čerpání než u EDFA
Ohrožení nelineárními jevy, které jsou spjaté s vysokými výkony