. : New eShop! - Mobilní verze - Pandatron.cz - Pandatron.sk - Diskuzní fórum - Zakázkový vývoj : .
 
Ramanovské zesilovače pro telekomunikace
20. července 2010 - 9:15 | J. Burčík | Ramanovské zesilovače pro telekomunikace | Komentářů: 0  

Ramanovské zesilovače pro telekomunikace

Optické zesilovače mají zásadní význam pro rozvoj vysokorychlostních optických systémů s vlnovým dělením DWDM. Princip Ramanovského zesilovače spočívá ve vytvoření stimulovaného Ramanova rozptylu.

Jev, nazývaný dnes Ramanův rozptyl, byl poprvé publikován v roce 1928 C. V. Ramanem, který za něho později dostal Nobelovu cenu. Tento objev Raman učinil při hledání optické analogie Comtonova jevu. Podstatou tohoto objevu je vzájemná interakce světla šířícího se v určitém prostředí s tímto prostředím, jejímž důsledkem je frekvenční posuv. Jak se později zjistilo, tento jev byl předpovězen již o 5 let dříve, v roce 1928, A. Smekelem.

Na praktické využití Ramanova jevu v telekomunikačních systémech však bylo třeba počkat až do poloviny 80. let, kdy výzkum stimulovaného Ramanova jevu prokázal jeho praktické nasazení jako zesilujícího prvku, v prostředí jednovidových vláken na bázi SiO2.

Princip Ramanovského zesilovače
Princip funkce Ramanovského zesilovače spočívá ve vytvoření stimulovaného Ramanova rozptylu SRS (Stimulated Raman Scattering) v materiálu optického vlákna. Za pomoci vhodného budiče (pumpy) na určité vlnové délce je možno dosáhnout interakce mezi fotony a fonony prostředí, při níž dochází k přičtení vibrační či rotační energie molekul prostředí k energii fotonu. Důsledkem tohoto stavu je generace postranního vidu, který je v prostředí křemenných vláken posunut asi o 100 nm (pro pásmo 1550 nm) směrem k vyšším vlnovým délkám. Dochází tedy k přenosu energie a frekvenčnímu posunu směrem k nižším frekvencím. Míra přenosu energie a velikost vlnového posunu závisí na profilu koeficientu zisku daného prostředí. Profil koeficientu Ramanova zisku pro běžné křemenné vlákno je znázorněn na obr. 1.


Obr. 1: Profil koeficientu zisku pro 1550 nm

Z obrázku je vidět, že frekvenční posuv může nabývat hodnot až 30 THz pro různé velikosti zisku, přičemž dominantní zisk nastává při posunu kolem 13,2 THz. Pro praktické využití v pásmu 1550 nm, posun 13,2 THz vyjadřuje přibližně 100 nm. To v praxi znamená, že pokud chceme zesilovat signál na vlnové délce 1550 nm, je třeba zdroje pracujícího na vlnové délce 1450 nm.

Vztah mezi výkonem pumpy a výsledným výkonem signálu je možné odvodit z rovnice 1, kdy za předpokladu souhlasné polarizace obou signálů platí:

(1)

kde zeff=(1-eαpz)/αp je efektivní délka vlákna,
CR/Aeff vyjadřuje účinnost Ramanova zisku
(CR je koeficient přenosu mezi lSIG a lPUMP,Aeff je efektivní průřez jádra),
PP(Z) je výkon pumpy,
PS(0) je výkon signálu.

Z výše uvedené rovnice vyplývá, že jako nejvýhodnější médium pro dosažení optického zisku se jeví vlákna s co nejmenším efektivním průřezem jádra Aeff. Pokud se podíváme do tab. 1, která zobrazuje typické efektivní průřezy Aeff pro v současnosti nejpoužívanější typy vláken, je patrné, že jako nejvýhodnější z hlediska maximalizace koeficientu Ramanova zisku se jeví vlákno se záporným profilem průběhu disperze DCF.

Typ vlákna Efektivní průřez [µm2]
konvenční SMF 72 až 80
NZDF 55 až 72
DSF 45 až 50
DCF 20 až 35
Tab. 1: Efektivní průřez jádra různých typů vláken

 

V praxi se tedy většinou s výhodou používá kombinace jednovidového vlákna (SMF) společně s vláknem DCF, kdy vhodnou kombinací dosáhneme nejen potřebného zesílení signálu, ale zároveň i vykompenzování disperze optické trasy.

Pracovní oblasti Ramanovských zesilovačů
Mezi velké výhody Ramanovských zesilovačů, které vyvolaly vlnu zájmu o jejich nasazení, patří zejména fakt existence Ramanova jevu v každém typu vlákna, dále pak jeho „širokopásmovost“ a v neposlední řadě i snadná implementace „na míru“ pro zesílení požadované vlnové délky. Představu, co znamená pojem širokopásmovost v pojetí Ramanovského zesilovače, si můžeme udělat z obr. 2.


Obr. 2: Porovnání pracovních délek vláknových a Ramanovských zesilovačů

V závislosti na konfiguraci systému optického zesilovače rozeznáváme dva režimy práce Ramanovských zesilovačů: režim DRA (Distributed Raman Amplifiers) neboli, řešení s rozprostřeným zesilovačem a režim diskrétní LRA (Lumped Raman Amplifiers).

V prvém případě se na zesilovacím efektu podílí celá trasa přenosového traktu, zesilovač je buzen z opačného konce (counterpropagate) přenosové cesty a pomáhá s vyrovnáním výkonové ztráty signálu v poslední části šíření. Nevýhodou tohoto řešení je omezení maximálního počtu přenášených vlnových délek s ohledem na odstup pumpovacích kmitočtů zesilovače, popřípadě více zesilovačů zajišťujících vyhlazení profilu zisku v přenášeném pásmu. Zesilovače pracující v tomto režimu vykazují lepší hodnoty šumového čísla (NF) a menší hodnoty nelineárního zkreslení.

Naproti tomu se diskrétní LRA zesilovač využívá především k zvětšení kapacity optického vlákna tím, že umožňuje zesilovat na vlnových délkách, které jsou pro zesilovače založené na dopantech vzácných zemin nerealizovatelné. Příkladem budiž možnost práce v oblasti pásma S, které takto umožňuje zvětšení přenosové kapacity až 2x oproti zesilovačům založeným na EDFA, pracujícím v pásmu C. Zesilovač LRA je řešen jako diskrétní blok, umístěný v jednom místě přenosové cesty, konstruovaný s ohledem na požadovanou šířku pásma a profil zisku daného vedení.

Hybridní konfigurace optického zesilovače
V poslední době se velmi často setkáváme s implementací Ramanovských zesilovačů v podobě hybridní konfigurace. To znamená použití Ramanovského zesilovače společně se zesilovačem EDFA. Mezi nejčastější kombinace se pak řadí využití diskrétního EDFA společně s distribuovaným Ramanovským zesilovačem DRA.

Při použití této kombinace velmi záleží na pumpovacím schématu celého systému. Vhodné kombinaci dopředného a zpětného pumpování odpovídají různé velikosti nežádoucích vlivů ASE (Amplified Spontaneous Emission - zesílená spontánní emise) a DRB (Double Raman Backscattering - mnohonásobný rozptyl). Je tedy na tomto místě vhodné ukázat některé důležité vztahy a závislosti, které později použiji při vyšetření a optimalizaci systému. Řadu zde uvedených vztahů lze najít i s detailním odvozením např. v [1]. Na obr. 3 je znázorněno vlákno využité jako DRA s obousměrným pumpovacím schématem. Dále je zde naznačen vývoj útlumu pro běžné vlákno a vlákno v režimu DRA.


Obr. 3: Schéma obousměrného pumpování Ramanovského zesilovače

Vstupní výkon PREF a jeho vývoj v trase je vlivem nelinearit, způsobených především XPM (Cross Phase Modulation) a SPM (Self Phase Modulation), snížen koeficientem nelinearity RBNL. Koeficient nelinearity je závislý na zisku G DRA zesilovače a ten závisí na pumpovacím schématu. Koeficient RBNLB můžeme vyjádřit:

(2)

kde αs vyjadřuje útlum vlákna [dB/km], L označuje délku úseku a pro G platí:

(3)

Rovnice (3) vyjadřuje rozložení zisku DRA mezi body x1 a x2. TF vyjadřuje průběh útlumu úseku mezi body x1 a x2. Pro TF platí:

(4)

GR je definováno vztahem:

(5)

kde CR je koeficient přenosu mezi lSIG a lPUMP [(W.km)-1],
PP je vstupní výkon v bodě x1 (viz. obr. 3),
PK je vstupní výkon v bodě x2,
αP označuje koeficient útlumu na pumpovací l

Celkový vývoj úrovně signálu na úseku 100 km je znázorněn na obr. 4. Průběhy jsou vypočítány pro G = 3 dB, αS = 0.21 dB/km, CR = 0.68 (W.km)-1, αP = 0.26 dB/km a Aeff = 55 µm2.


Obr. 4: Vývoj úrovně signálu v úseku 100 km pro zisk G = 3 dB

Procentuální míra 0 % dopředného pumpování značí existenci pumpy pouze ve zpětném směru. A naopak 100 % dopředného pumpování značí existenci pumpy pouze v dopředném směru. Celkový pumpovaný výkon do vlákna tedy zůstává stejný. Mění se pouze poměr jeho velikosti, který je navázaný z obou konců.

Nežádoucí jevy
Jak již bylo napsáno výše, jedním z nežádoucích vlivů v případě nasazení DRA, je existence zesílené spontánní emise (ASE). Spektrální výkonová hustota ASE závisí na zisku DRA, a dále na typu pumpovacího schématu. Je dána vztahem:

(6)

kde hf označuje energii fotonu na počítané l

Na základě vztahu rovnice (6) lze ukázat, že úroveň ASE je pro dopředné schéma pumpování menší než v protisměrném případě. Je to dáno množstvím generace ASE v místě největšího výkonu. To znamená při dopředném schématu, že na útlumu ASE se podílí celá délka úseku. Naopak v protisměrném případě je ASE generována na konci úseku a nepříznivě ovlivňuje detekci signálu.

Dalším faktorem nepříznivě ovlivňujícím poměry na přenosové trase je existence mnohonásobného rozptylu (DRB), na který je v případě DRA nutno brát zvláštní ohled, protože jeho velikost je v přímé souvislosti se ziskem zesilovače. Pro celkovou úroveň výkonu DRB v případě DRA lze definovat vztah:

(7)

kde αRS označuje koeficient Rayleighova zpětného rozptylu [km-1]

Pro znázornění dopadu schématu pumpování mezi výkonem DRB a vstupním výkonem můžeme tyto dva výkony vynést ve vzájemném poměru. Zavedením koeficient RC mezi výkonem DRB PDRB a vstupním výkonem PIN poté můžeme spočítat vliv schématu pumpování Ramanovského zesilovače na velikost DRB.

(8)

Na základě tohoto parametru jsou vykresleny na obr. 5 závislosti RC na zvoleném schématu pumpování. Tyto charakteristiky jsou počítány pro případ, kdy nedochází k vyprázdnění horních energetických hladin zesilovače (tzv. vypalování spektrálních zářezů). Jak je uváděno v odborné literatuře, můžeme tento fakt zanedbat, protože v opačném případě je dopad na RC minimální.


Obr. 5: Závislost RC na poměru dopředného a zpětného pumpování

Závěr
Jak je vidět z obr. 5, koeficient RC se rapidně zvyšuje se zvětšováním zisku G Ramanovského zesilovače, a to ve značné míře pro všechny konfigurace mimo symetrického pumpování z obou konců (pamatujme, že celkový pumpovací výkon je stále stejný, symetricky se mění pouze poměr jeho distribuce z obou konců). Tento způsob pumpovacího schématu je tedy značně výhodný z hlediska minimalizace DRB.

Tento článek vznikl za podpory grantu GA ČR „Optimalizace přenosu dat rychlostí 10 Gbit/s po vláknech G.652 bez použití EDFA s ohledem na dosažení max. přenosové vzdálenosti“ GA102/04/0773.

Literatura:
[1] Mohammed N. Islam: Raman amplifiers for Telecommunications - Physical Principles, Springer-Verlag 2003, ISBN 0-387-00751-2
[2] Mohammed N. Islam: Raman amplifiers for Telecommunications - Sub-Systems and Systems, Springer-Verlag 2003, ISBN 0-387-40656-5

Autor:
J. Burčík
České vysoké učení technické v Praze, FEL
burcik@feld.cvut.cz







GooglePlus1 FaceBook Twitter del.icio.us DiGG Google StumbleUpon Google Buzz Email RSS PDF Tisk

Komentáře:
Název příspěvku: Vaše jméno: host
                 
  Zakázat formátování [Zakáže kódování a nahrazování smajlíky.]
Připojit soubory
reklama:
PSDR - SDR přijímač, modul
Modul digitálního (SDR) přijímače pro krátkovlnná pásma s výměnným krystalem. Dodáván s krystalem pro pásmo 80m (3,5 MHz)
Skladem od 529 Kč

Informace uvedené v článcích jsou platné v době jejich vydání a samotné články jsou určeny pouze jako zdroj informací. Autor článku ani správce webu nenesou žádnou zodpovědnost za případné újmy na majetku a zdraví. Názvy společností a výrobků, loga a další multimediální materiál mohou být ochrannými známkami příslušných společností.
RSS kanály: | |
+420 723 846 377
info@pandatron.cz
Všechna práva vyhrazena | mobilní verze | © Copyright 2000 - 2016 ISSN 1803-6007