Cap3.Amplificarea optica

8/2/2019 Cap3.Amplificarea optica

1/14

CAPITOLUL 3Amplificatoarele optice. Mediul de amplificare

Pe msur ce impulsurile de lumin se propag de-a lungul fibrei optice, energia lor

se disip ca rezultat al absorbiei i mprtierii n mediul de transmisie. Dincolo de o

anumit distan de propagare, numrul fotonilor coninut n impuls devine prea mic pentru

a fi detectat. Valoarea minim necesar pentru o detecie corect este ntre 9 i 40 de

fotoni/bit, n funcie de tehnica de detecie folosit. La o rat de transmisie de 10Gbit/s,

distana maxim este de aproximativ 100-200 km.

Amplificatoarele optice permit compensarea pierderilor i verificarea periodic a

puterii semnalului optic. De asemenea este posibil amplificarea simultan a mai multor

lungimi de und, fr a fi distorsionat semnalul util. Se evit deci o conversie opto-

electronic i amplificarea electronic a fiecrui canal pe rnd. Amplificatoarele optice n

general nu depind de rata de bii i spre deosebire de generatoarele electronice nu depind

nici de tipul de modulaie al semnalului.

Amplificatoarele optice cele mai utilizate sunt : amplificatoarele optice

semiconductoare ( diode laser), amplificatoare cu fibr optic dopat i amplificatoarele

Raman.


2/14

3.1 Generaliti privind amplificarea optic cu fibr dopat

Ideea de a dopa fibrele optice cu ioni ai pmnturilor rare pentru a realiyaamplificatoare optice a aprut pentru prima dat n anul 1964. la mijlocul anilor 1980,

grupul condus de D.N. Pazne de la Universitatea Southampton, a dezvoltat o tehnologie de

dopare cu ioni ai pmnturilor rare a fibrelor de silic monomod, iar n 1987 primul

amplificator dopat cu Er a fost raportat.

Amplificatoarele optice folosesc ca mediu de amplificare fibra optic. n cele mai

multe cazuri, mediul de amplificare este fibra optic dopat cu ioni ai pmnturilor rare,

cum ar fi: erbium, neodim, ytterbium, praseodim sau thulium.

Amplificarea optic se bazeaz pe fenomenul de emisie stimulat. Semnalul este

amplificat datorit unui aport de energie din exterior, numit pompaj, care va crea o

inversiune de populaie. Semnalul ce urmeaz s fie amplificat i semnalul provenit de la

pomp sunt multiplexate n fibra dopat i prin interaciune cu ionii dopai se amplific.

Recombinarea electron-gol, poate fi provocat de un foton incident , care d natere unui

alt foton de aceeasi frecven, faz i direcie. Ferestra de amplificare este definit de ionii

dopani folosii, de structura sticlei din fibra optic i de pompa laser.

Zgomotul n fibra optic dopat

Principala surs de zgomot n DFA este Emisia Spontan Amplificat (ESA) , care

are spectrul aproximativ la fel cu spectrul castigului amplificatorului.

La fel ca si trecerea la un nivel inferior prin emisie stimulata, electronii de pe nivele

superioare de energie pot de asemenea trece pe nivele inferioare prin emisie spontana, care

apare aleator, in functie de structura sticlei si a nivelului de inversiune. Sunt emisi fotoni in

mod spontan in toate directiile, dar o parte vor fi emisi intr-o directie care intra in apertura

numerica a fibrei si deci sunt captati si ghidati prin fibra. Acesti fotoni captati pot

interactiona cu alti ioni dopati si sunt asadar amplificati prin emisie stimulata. Emisia

spontana initiala este deci amplificata in aceeasi maniera in care ca si semnalele, de aici

termenul Emisie Spontana Amplificata. ESA este emisa de amplificator in ambele directii,


3/14

dar numai in directia inainte reprezinta o problema in ceeea ce priveste performantele

sistemului din moment ce zgomotul se propaga odata cu semnalul util. Propagarea in sens

invers poate duce totusi la degradarea performantelor amplificatorului, din moment ce

poate goli nivelul de inversiune si prin urmare duce la scaderea castigului amplificatorului.

Cel mai des se utilizez amplificatoare dopate cu Er. Lungimile de und cel mai

bine adaptate pentru amplificatoarele pe baz de Er sunt 980 i 1480 nm. Ctigul maxim

se obine la lungimile de und cuprinse ntre 1530- 1560 nm, dar aceasta depinde de

anumii parametri cum ar fi concentraia ionilor dopani i de puterea semnalului util i a

semnalului de pomp. Un ctig mai mare poate fi obinut dac se folosesc fibre dopate att

cu Er ct i cu Yb (ytterbium). n experienele de laborator s-au folosit microsfere din sticl

dopat cu Er, dar i sticl dopat cu Er-Yb.

3.2 Avantajele amplificatoarelor cu fibra optic dopat

cu pmnturi rare

n comparaie cu alte tehnologii, amplificatoarele optice prezint urmtoarele

avantaje:

Transparen la rata de bii i formatul transmisiei

Amplificarea simultan a unui numr mare de canale de lungimi de und

Ctigul n amplificatoarele cu fibr optic dopat cu pmnuri rare nu

depinde de polarizare, dipolii activi sunt orientai aleator in matricea de

sticl. Ctigul este stabil peste o temperatur de 100oC datorit lrgirii omogene a

liniilor


4/14

Datorit unui timp de via relativ mare al nivelului metastabil( 10ms pentru

Er3+, 110s pentru Pr3+), ctigul este aproape imun la interferena dintre

canale

Se poate realiza un zgomot apropiat de limita teoretic de 3dB

Amplificatoarele cu fibr optic cu pmnturi rare sunt compatibile cu

fibrele de transmisie i cu alte componente ale fibrei.

n tabelul urmtor sunt prezentate valorile tipice ale parametrilior i perfomanele

unui amplificator dopat Erbium:

Parametrul Valoarea

Concentraia 100-1000ppmPompajul 50-100mCtigul 20-40dB

n 0,3-1%Psat 10-20dB 100%

Coeficient de ctig 6-11dBLrgimea benzii de ctig de 3dB 10-30nm

Matricea gazd Silica, alumino-silica, sticl fluorat

3.3 Mediul amplificator


5/14

Pentru a realiza microamplificatoarele sferice, am utilizat sfere din sticla fluorat

dopat cu Erbium. Pot fi utilizate i alte sticle ca matrice, cum ar fi sticla silicat. De

asemenea pot fi ncorporai i ioni ai altor pmnturi rare. Este deci important, nainte de a

studia efectul de microamplificare, s cunoatem cteva proprieti ale mediului

amplificator (ionii pmnturilor rare) i ale matricii. n continuare vom studia nivelurile de

energie ale ionilor de Erbium n sticla fluorat i tranziiile radiative, respectiv n jurul

lungimii de und de 1.05m ( 4F3/2 4I11/2 ) i 1.56 m ( 4I 13/2 4I15/2 ).

3.3.1 Ionii pmnturilor rare

Ionii pmnturilor rare sunt utilizai ca mediu activ n multe matrice solide (cristal,

sticla), datorit numeroaselor tranziii radiative n domeniul vizibil i infrarou.

Pmnturile rare cuprind elemente avnd numrul atomic de la N=57 ( Lantanide) pn la

N=103 ( Lawrenciu). Cele mai utilizate pmnturi rare sunt Neodyme, Erbium, Thulium,

Praseodim i Ytterbium. Odat ce ionii au fost ncorporai n sticl, obinem o structur ce

poate fi reprezentat prin modelul Zachariasen (figura 1). [PUJ-97]

Fig. 1 Structura unei sticle fluorate dopat cu ioni ai pmnturilor rare

Structura este constituit din ionii formatori ( ZrF4 n cazul sticlei ZBLALiP) legai

ntre ei prin atomii de fluor , care formeaza o reea dispersat continuu, i prin ioni

dopani (ai pmturilor rare) care deformeaz reeaua, plasndu-se n interstiiu n mod

aleator. Structura global este o matrice dezordonat, ordinea existnd doar la nivel local.


6/14

Energia total a ionului este egal cu energia ionului izolat la care se nsumeaza

termenii de interaciune care sunt tratai ca nite perturbaii. [MIN-93]

E = Eion izolat + Vion-matrice static +Vion-matrice dinamic +VEM dinamic +Vion-ion dinamic

Sructura electronic

Primii doi termenii Eion izolat + Vion-matrice static dau structura electronic a ionului ntr-un

mediu donor.

Eion izolat corespunde micrii electronului din nivelul electronic 4f ntr-un potenial

central creat de toate celelalte sarcini. Obinem astfel o prim configuraie a

structurii nivelelor de energie.

Al doilea termen conine dou perturbaii: interaciunea Coulombian ntre

electroni i interaciunea spin-orbit, ridic parial gradul de degenerare a primei

configuraii. Introducerea ionilor n aceast matrice va perturba nivelurile i le va

descompune n subniveluri Stark aflate la distane cuprinse ntre 10 si 100 cm-1

, nfuncie de mediu. De exemplu, nivelurile 4I 13/2 i 4I15/2 a ionului de Erbium se

descompun in 7, respectiv 8 subniveluri Stark. Banda de fluorescen la lungimea

de und 1,56 m este deci constituit din 56 de tranziii.

Tranziiile radiative

Termenii dai de interaciunea dinamic vor determina tranziiile ntre nivelurile

stabilite de interaciunea static.

Vion-matrice dinamic reprezint schimburile de energie ntre ion i matrice

ntre dou familii de subniveluri Stark ,tranziiile de absorbie i de emisie trebuie

s prezinte o structura centrat pe o lungime de und. n caz contrar, obinem


7/14

spectre largi, puin centrate sau necentrate, din cauza procesului de mrire omogen

i neomogen a numrului de tranziii.

Mrirea omogen( H)

Tranziiile non-radiative rapide ( sub 1 picosecund) apar ntre subnivelurile

Stark a aceluiai multiplet, prin emisie de fononi, distribuia energiei fiind

determinat de temperatur. Dac lum n considerare toi ionii, obinem o

distribuie statistic Maxwell-Boltzmann pentru energia fononilor. Interaciunea lor

cu electronii conduce la o mrire omogen a numrului de tranziii. n general, cu

ct temperatura este mai mic, cu att acest fenomen este mai slab. Energia

fononilor depinde, de asemenea, de sticla folosit (500cm-1pentru sticla fluorat i 1100cm-1 pentru silic), mrirea omogen va fi deci diferit n silic fa de sticla

fluorat.

Mrirea neomogen a numrului tranziiilor

Energia subnivelelor Stark variaz de la un ion la altul, ntruct fiecare ion

ocup un loc unic i vede un cmp cristalin diferit. Lund n considerare toi ionii,frecvena central a unei tranziii Stark poate fi deci considerat ca o variabil

aleatoare specific, caracterizat de o lege de distribuie la care limea benzii la

jumtatea nlimii maxime este neomogen. Mrirea este mai ales sensibil n

cazul laserelor solide, de putere mare. Acest tip de mrire depinde mai puin de ion

i de matrice dect n cazul mririi omogene.

Datorit acestor fenomene, spectrele de absorbie i de emisie vor prezenta

o structur spectral slab centrat. Timpul de via al nivelelor, seciunile eficiente

de transmisie, vor fi influenate n mod egal de aceste mriri al numrului de

tranziii.


8/14

VEM dinamic ine cont de interaciunea cu cmpul electromagnetic, care apare la emisia

i absorbia de fotoni. De asemenea ine cont de interaciunea ntre sarcinile

electronilor si cmpul electric si de interaciunile ntre spinul electronilor si cmpul

magnetic.

Ultimul termen Vion-ion dinamic include interaciunile dintre ioni. Aceste interaciuni

sunt cu att mai importante cu ct crete concentraia ionilor.

3.3.2 Matricea

Structura electronic a ionilor pmnturilor rare i tranziiile de absorbie i emisie

sunt puternic influenate de alegerea matricei n care sunt ncorporai, deci este important s

le cunoatem diferitele proprieti. Dou matrice sunt n mod special utilizate pentru fibrele

optice: silica si sticla fluorat.

Transparena

Domeniul de transparen a sticlei fluorate este mult mai larg dect cel al silici.

Acesta este cuprins ntre 0,2 m i 7 m, cu o posibil atenuare minim de 0,02dB/km la

2,55 m, n funcie de tipul de sticl.

Tranziiile radiative

Pentru un nivel de energie dat, probabilitatea de dezexcitare neradiativ este mai

puin important n sticlele fluorate. Astfel, fa de silic se obin:

Tranziii radiative mai intense

Tranziii imposibile cu silica, cum ar fi tranziia la 2,7 m obinut cu ionii de

Erbium


9/14

Concentraia de ioni dopani

n silic, concentraii foarte mari de ioni dopani ( 1018 cm-3 ioni de Er ) conduc la

formarea de agregate, care favorizeaz relaxrile ncruciate ntre diferite niveluri,

depinznd de tranziiile radiative. Sticlele fluorate pot fi dopate mai puternic( procente de

dopaj mai mari), fr a duce la formarea agregatelor.

Indicele de refracie al materialului

Indicele de refracie al unui material depinde de compoziia sa i de lungimea de

und i se calculez dup relaia lui Sellmeier [GUI-97]:

+=f f

An

22

22

*

*1)(

n(): indicele de refractie a sticlei n funcie de lungimea de und

f : lungimea de und a benzii de absorbie

Af : constant proporional cu numrul de oscilatoare din material

Pentru silic indicele de material este aproximativ 1,45, iar pentru sticlele fluoratevaloarea sa este aproximativ 1,5. Matricea trebuie aleas innd cont de aplicaia la care va

fi utilizat.

Exist diferite familii de sticle fluorate, cele mai utilizate fiind: sticlele

fluorozirconate, fluoroindate i fluoroaluminicate. Familia cea mai studiat este aceea a

sticlelor fluorozirconate, pe baza tetrafluorurii de zirconiu (ZrF4). Sticla fluorozirconat

utilizat de noi este ZBLALiP , cu urmtoarea compoziie chimic: ZrF4 (51% concentaie

molar), BaF2 (16%), LaF3 (5%), AlF3 (3%), LiF (20%), PbF2 (5%).

3.3.3 Ionii de Erbium n sticla fluorat


10/14

Numeroase studii au fost efectuate asupra ionilor de Erbium, deoarece posed o

important band de emisie n jurul lungimii de und de 1,55 m, situat ntr-o fereastr de

pierderi minime n fibrele optice si n silic. Acesta este motivul pentru care am ales s

utilizm n studiile noastre ioni de Erbium. Studiul amplificatoarelor din sticl dopat cu

Erbium si-au gasit foarte repede aplicaii n comunicaiile optice.[EDA-93]

In cazul Erbiumului nu exist o band preferat de pompaj, pentru a obine efect

laser n jurul lungimii de und de 1,55 m. S-au obinut efecte laser pentru diferite lungimi

de und de pompaj: 514nm, 805nm, 980nm si 1480nm.[MIN-93] La alegerea lungimii de

und utilizat trebuie s se in cont de performanele sistemului, de sursa de pompaj si de

funcionalitatea sistemului realizat.

Figura urmtoare reprezint diagrama de energie a ionilor ntr-o sticl fluorat iprincipalele tranziii care apar, la o lungime de und a pompei de 1480nm.

Fig. 2 Nivelurile de energie ale ionului de Erbium si principalele tranziii implicate

pentru obtinerea unui efect laser la 1.56m

Alegerea pompei

H11/2

4S3/2

4F9/2

4I9/2 4I

11/2

4I13/2

4I15/2 1.56m

980nm

850nm

650nm

544nm


11/14

Dup cum vom vedea n cele ce urmeaz, laserul de pomp cel mai bine adaptat

pentru a pompa lumin n microsfere este dioda laser semiconductoare, deoarece este

ajustabil. Exist mai multe diode laser ce pot fi utilizate: 1480nm, 980nm sau 805 nm. n

montajul nostru experimental am folosit o pomp care emite pe lungimea de und 1480nm.

Timpi de via

Timpul de via al unei stari excitate este determinat de probabilitatea de

tranziie pe nivelele mai joase prin procese radiative i neradiative:

RNR

111+=

Timpii de via radiativi ai ionilor pmnturilor raresunt destul de mari din momentce tranziiile de dipol pe strile excitate mai joase sunt interzise ntr+o prim aproximaie.

Procesele de tranziie neradiative apar datorit emisiei simulate a fotonilor. Cu ct este mai

mai mare numrul fotonilor implicai n ztranziia pe urmtorul nivel, cu att va fi mai mare

timpul de via neradiativ.

Spectru de frecven

Dup schema anterioar, sistemul poate fi considerat a fi un laser cu 2 niveluri.

Dac detaliem nivelurile 4I13/2 si 4I15/2, innd cont i de subnivelurile Stark i de tranziiile

de absorbie si emisie asociate acestora, obinem urmtoarea schem:


12/14

Fig. 2 Descompunerea nivelurilor 4I13/2 i4I15/2 n subniveluri Stark, prezentnd

tranziiile de absorbie i emisie

Nivelurile cele mai joase ale benzilor sunt cele mai populate, conform statisticii

Boltzmann, deoarece relaxarea neradiativ ntre subnivelurile Stark a aceluiai multiplet

este foarte rapid (10-9 s) n comparaie cu durata de via a nivelurilor (10-2 ms). Dac

simplificm la maxim reprezentarea, vom observa c tranziiile vor avea loc plecnd de la

aceste niveluri. Sistemul poate fi, deci, reprezentat printr-un sistem cu 3 niveluri. Emisia

intervine la lungimi de und mai mari dect absorbia.

Zonele cele mai eficiente pentru absorbie i emisie ntre nivelurile 4I13/2 si 4I15/2 sunt

prezentate n figura urmtoare. [MIN-93] Seciunea de emisie este superioar celei de

absorbie, pentru lungimi de und mai mari de 1530nm. Experienele au artat c

fluorescena are o intensitate maxim n jurul valorii de 1560nm.

4I13/2

4I15/2

Absorbie1,48m

Emisie1,56 m

Absorbie

Emisieradiativ

neradiativ

SubniveleStark


13/14

Fig. 4 Seciunea eficient de absorbie i emisie pentru tranziia ntre 4I13/2 si4I15/2

Eficacitatea laser

Laserul la 1560nm poate fi considerat un laser pe 3 niveluri, funcionnd ntre

nivelurile 4I13/2 si 4I15/2 . Nivelul de jos al tranziiilor nu este gol n momentul excitrii.

Pentru a produce o inversiune de populaieeste necesar s se excite cel puin jumtate din

ioni. Pot aprea procese de emisie-absorbie, altele dect cele la 1480nm i 1560nm, care s

diminueze eficacitatea laser, cum ar fi:

- reabsorbia semnalului laser, plecnd de la nivelul fundamental

- precese de absorbie i emisie, altele dect cele considerate

- procese de schimb de energie ntre ioni

Schema nivelurilor arat c pompa poate fi absorbit n cascad, plecnd de la

nivelul fundamental, genernd emisii la lungimi de und mai mici de 1560nm. Acestfenomen a fost confirmat print-o spectroscopie a sticlelor folosite. Absorbia plecnd de la

nivelul 4I13/2 va depopula nivelul nalt al tranziiei la 1560nm, astfel nct emisia spre 4I15/2

va mri populaia nivelului de jos.


14/14

Bibliografie

[EDA-93] N. Edagawa, Applications for fiber amplifiers to Telecommunication

systems, Rare Earth Doped Fiber Lasers and Amplifiers, M.J.F Digonnet, (1993), 563-631

[GUI-97] L. Guinvarch, Preparation et caracterisation de guides dondes en

verres fluores, controle de lindice de refraction, These de lUniversite de Rennes I,

(1997)

[MIN-93] W.J. Miniscalo, Optical and electronic properties of rare earth ions in

glases, Rare Earth Doped Fiber Lasers and Amplifiers, M.J.F Digonnet, (1993), 19-120

[PUJ-97] L. Pujol, Etude de lasers a fibre en verre fluore dopee Praseodyme,

These de lUniversite de Rennes I (1997)

Documents

Cap3.Amplificarea optica