Optické komunikace III Inovace přednášek a laboratoří

Optické komunikace III Inovace přednášek a laboratoří

Kolektiv autorů Ostrava 2013

Informatika v telemedicíně CZ.1.07/2.2.00/28.0322 Tento projekt je spolufinancován z Evropského sociálního fondu a státního rozpočtu České republiky.

OPTICKÉ KOMUNIKACE III Měření č. 1 Měření spektrální charakteristiky a posunu maxima vlnové délky LED a LD s budícím proudem

1. Tematická oblast Cílem tohoto měření je studium vlivu okolní teploty na vlastnosti zdrojů optického záření používaných v optickém přenosovém řetězci. V rámci tohoto cvičení se bude posuzovat vliv okolní teploty na P/I charakteristiky, spektrální charakteristiky a posunu maxima vlnové délky LED a laserových diod.

2. Spektrometrie Studium spektrálních charakteristik zdrojů optického záření spadá do fyzikálního oboru zvaného spektroskopie. Spektroskopie je obor fyziky zaměřený na studium spektra, které vzniká v procesu interakce mezi látkou a elektromagnetickým vlněním. Její význam spočívá v tom, že spektrum každé látky je složeno ze souboru charakteristických spektrálních čar, který studovanou látku jednoznačně určuje. Spektroskopii lze dělit podle různých hledisek, nicméně v oblasti optoelektroniky se zabýváme optickou spektroskopií (pokrývá oblast optických vlnových délek a lze ji dále členit na infračervenou spektroskopii, spektroskopii viditelného záření a ultrafialovou spektroskopii – viz obr. 1).

Obr. 1: Spektrální charakteristiky zdrojů optického záření Pro studium spektrálních charakteristik se využívá přístroje zvaného spektrometr. Zásadním parametrem každého spektrometru je optické rozlišení, tedy nejmenší změřitelná šířka spektra měřená (nejčastěji) na polovině maxima (Full Width Half Maximum - FWHM). Optické rozlišení závisí na mřížkové periodě, respektive hustotě čar/mm, ale také na vstupní pupile systému (v našem případě optické vlákno nebo štěrbina). Velikost použité štěrbiny ovlivňuje rozlišení spektrometru. Při použití malé štěrbiny je dobře definována plocha, ze které vstupuje záření do spektrometru a jednotlivé spektrální čáry lze dobře rozlišit. Zároveň je ale potřeba vysoká intenzita dopadajícího záření. Pokud potřebujeme detekovat slabý signál, je nutné použít štěrbinu o větším průměru a tedy snížit rozlišení spektrometru. Jako spektrometr bude použit OceanOptics Red Tide USB 650 – viz obr. 2.

Projekt: Číslo projektu:

Informatika v telemedicíně CZ.1.07/2.2.00/28.0322

Tento projekt je spolufinancován z Evropského sociálního fondu a státního rozpočtu České republiky.

Obr. 2: OceanOptics Red Tide USB650 Parametry spektrometru Red Tide USB650 jsou uvedeny v následující tabulce. Tab. 1: Specifikace spektrometru OceanOptics Red Tide USB650

Vlastní měření, zejména u emitujících zdrojů, probíhá pomocí optického kabelu (např. s vláknem tloušťky 600μm). Naměřené spektrum je dáno nejen spektrálními vlastnostmi zdroje záření, ale je také ovlivněno přenosovými vlastnostmi použitého optického vlákna. Tuto přenosovou charakterisktiku je nutné zohlednit, pro získání správných vyzařovacích spekter zdrojů záření. Přenosové charakteristiky vlákna použitého při měření jsou uvedeny na obr. 3. Při měření č. 1 v cvičení předmětu Optoelektronika III tuto závislost nezohledňujte.

Obr. 3: Přenosová charakteristika použitého optického vlákna Projekt: Číslo projektu:



3. Zadání úlohy Cvičení je prováděno na přípravku, který umožňuje nastavení proudu protékajícího zdrojem optického záření za předem definované okolní teploty, kterou lze pomocí přípravku regulovat (obr. 4).

Obr. 4: Přípravek pro měření vlivu teploty na optické zdroje záření Předmětem měření budou 4 nespecifikované LED a 2 specifikované laserové diody dle katalogových hodnot, které jsou uvedené v příloze č. 1 a příloze č. 2. Nejprve proveďte měření nespecifikovaných LED:          

umístěte zvolenou LED do přípravku a nastavte takový proud, aby LED začala vyzařovat optické záření, pomocí spektrometru určete vlnovou délku, na které dosahuje spektrální charakteristika svého maxima, určenou vlnovou délku nastavte na optickém power-metru, nastavte teplotu na přípravku 25 °C nebo teplotu okolí (prakticky rozmezí 25 °C až 28 °C), nastavte proud protékající LED na max, tj. 30 mA, zvolte vhodnou vzdálenost optického vlákna spektrometru tak, aby výstup nebyl v saturaci (při dalším měření konkrétní LED již neměníme) – viz obr. 5, zvolte vhodnou vzdálenost čidla optického power-metru (aby co nejméně měření ovlivňovalo parazitní okolní světlo), proměřte P/I charakteristiku LED pro protékající proudy v rozsahu 0 až 30 mA při kroku 2 mA, pro zvolenou trojici proudů, např. 10, 20 a 30 mA, změřte spektrální charakteristiku LED, měření opakujte pro teploty 30 °C, 40 °C a 50 °C.

Pokračujte v měření specifikovaných laserový diod:  před samotným měřením prostudujte katalogové parametry laserových diod uvedených v příloze č. 1 a příloze č. 2,  zvláště se zaměřte na parametry typu vlnová délka a maximální proud laserovou diodou,  postup měření je stejný jako u LED, ovšem odpovídající katalogovým hodnotám LD. Hodnotu kroku měření zvolte tak, aby odpovídala maximálnímu proudu (např. I fmax = 8 mA, krok = 1 mA).




Obr. 4: Situační schéma měření V protokolu nezapomeňte graficky vyhodnotit změnu optických spekter a P/I charakteristik zdrojů záření v závislosti na teplotě. Pro teplotu rovnou okolní teplotě v laboratoři také sestavte závislost optického spektra zdroje optického záření na proudu. Dále pro všechny typy LED do jednoho grafu zaznamenejte závislost vlnové délky, na které dosahuje optické spektrum svého maxima, na teplotě (včetně tabulky). To samé proveďte pro parametr FWHM (včetně tabulky). V případě laserových diod určete prahový proud I th. Dále určete diferenciální externí kvantovou účinnost D (nezapomeňte brát v potaz pouze lineární část P/I charakteristiky LD). Do grafu P/I charakteristiky LD doplňte miniatury spektrálních charakteristik pro vybrané 3 proudy na lineární části. Upozornění: Pro přesné měření snižte parazitní okolní světlo na co nejmenší úroveň.




Příloha č. 1 VCSEL laserová dioda PM67-D1P0U

Příloha č. 2 Projekt: Číslo projektu:



VCSEL laserová dioda PH85-F1P1S2




OPTICKÉ KOMUNIKACE III Měření č. 2 Studium vlastností Mach-Zehnderova interferometru

1. Tematická oblast Cílem tohoto měření je seznámit se s funkcí Mach-Zehnderova interferometru a změřit tepelnou dilataci optického vlákna SMF-28.

2. Zadání Předpokládejme, že dvě monochromatické vlny E1 a E2 jsou definovány vztahy: E1  E01 exp iwt  ,

(1)

E2  E02 expi wt    ,

(2)

kde  reprezentuje rozdíl fází mezi vlnami E1 a E2. Všechny body v prostoru reprezentují elektrické pole E *

popsané jako E  E1  E2 a odpovídající intenzitě I definované vztahem I  E E . Intenzita je v našem případě definována vztahem: *

*

*

I  E1 E1  E 2 E 2  E1 E 2  E 2 E1 I  I 1  I 2  2 I 1  I 2 cos 

*

,

(3)

kde  se mění úměrně vzdáleností optické cesty  šířících se dvou vln:



2



.

(4)

Celková intenzita je dána superpozicí dvou monochromatických vln popsaných vztahem:

I  2 I 0 1  cos  .

(5)

Fázový posun může být způsoben několika důvody. V našem případě vlivem změny teploty dojde ke změně indexu lomu n a změně délky optické cesty L. Výsledkem je fázový posun, který se projeví na interferometru posunem interferenčního proužku. Tudíž, otázkou je znalost posunu dm interferenčních proužků, které změní svoji polohu v důsledku vláknové dilatace vlivem teploty.

Katedra Projekt: Informatika v telemedicíně Číslo projektu: CZ.1.07/2.2.00/28.0322 Tento projekt je spolufinancován z Evropského sociálního fondu a státního rozpočtu České republiky.

Koeficient tepelné dilatace je dán vztahem:

1 dL 1   dm dn     , L dT n  L dT dT 

(6)

kde L je délka vlákna, kde dochází ke změně teploty (6 m),  je vlnová délka DFB laserové diody (1550 nm), n je efektivní index lomu vlákna SMF-28 (n = 1,4682), dn/dT je teplotní koeficient indexu lomu (10.10 -6 °C-1). Schéma zapojení je na obr. 1.

Obr. 1: Schéma zapojení Na výstupu laserové diody je použit izolátor, který slouží k oddělení parazitních odrazů, které by mohli vést k rušení monochromatičnosti laserové diody. Před vazebním členem je zařazen útlumový článek, který má za úkol zabránit saturaci detektoru D. Čítač indikuje počet posunutých interferenčních proužků. Interferenční proužky jsou pozorovány na osciloskopu. Vláknový modul slouží k řízení teploty vlákna č. 1 pomocí Peltierova článku, jehož proud je regulován pomocí jednotky PID (Proportional Integral Derivative). Vnitřní teplota modulu je indikována na obrazovce (teplota je uváděna ve stupních Kelvina). Teplota je nastaveno od 319 K do 289 K. Lineární změna teploty je v rozsahu od 293 K do 313 K. Vlákno 1, které je uvedeno na obr. 1 odpovídá vláknovému modulu vně jednotky a je tvořeno 6 m vlákna SMF-28 (průměr pláště vlákna 250 μm), které je teplotně regulováno a dvěma vlákny (SMF-28) dlouhými 1 m (průměr pláště 2.8 mm – žlutý plášť ). Spojte vlákny 1,2 dva vazební členy a také propojte konektor “Sig. Out” pomocí elektrického kabelu s osciloskopem. Řízení teploty je na konektoru označeném "TEMPERATURE". Vlákno 2, které je zobrazeno na obr. 1 je 8 m dlouhá propojovací šňůra. 3. Postup měření 1. Realizujte zapojení uvedené na obrázku 1. Přepněte DFB laserovou diodu na pozici CW. 2. Optimalizujte kontrast interferenčních proužků. Kontrast nastavte velikostí proudu procházející laserovou diodou, vložením vhodného útlumového článku ( - 5 dB, - 10 dB nebo - 15 dB). Ujistěte se, že signál je vždy nastaven přibližně na hodnotu 1V nastavením citlivosti detektoru. 3. Na jednotce "TEMPERATURE" nastavte hodnotu 293 K a počkejte dokud se teplota nestabilizuje na hodnotu kolem 289 K, pak přepněte na hodnotu 313 K. Jakmile teplota dosáhne hodnotu 293 K, na


jednotce "COUNTER" přepněte do pozice ON. Jakmile teplota dosáhne hodnotu 313 K přepněte do pozice OFF. Spočtěte počet napočítaných interferenčních proužku dm. 4. Vynulujte počítadlo na 0, zapněte červené tlačítko, které je nad počítadlem. Počkejte na stabilizaci teploty (přibližně na hodnotu 319 K). Potom opět přepněte na hodnotu 293 K. Jakmile teplota dosáhne hodnoty 313 K, zapněte počítadlo. Jakmile teplota dosáhne hodnotu 293 K, vypněte počítadlo a zaznamenejte počet dm. 5. 10 krát zopakujte kroky 3 a 4. 6. Vypočítejte tepelnou dilataci použitím vzorce č. 6. Uveďte příklad praktické aplikace. 4. Upozornění Interferometry jsou extrémně citlivé na vibrace a chvění. Aby měření probíhalo správně ujistěte se, že během měření se vlákna nedotýkají žádného předmětu a ani nedochází k otřesům v okolí měřící soupravy. Naměřená data zaznamenejte do tabulky (viz tab. 1). Tabulka obsahuje počet interferenčních proužků dm, které jsou dány rozdílem při měření při teplotě 20°C a 40°C a při 40°C a 20°C. Z těchto naměřených dat lze potom určit koeficient tepelné dilatace. Pro křemenné vlákno SMF-28 je koeficient teplené dilatace určen vztahem: 1 dL  0,5.10 6 C 1 L dT


(7)

OPTICKÉ KOMUNIKACE III Měření č. 3 Měření dělícího poměru útlumu a vložného útlumu vláknově optických vazebních členů

1. Tematická oblast Optické vazební členy lze realizovat planární technologií, ale také pomocí optických vláken. Při realizaci se musí vlnovody dostatečně přiblížit, aby se překrývala příčná pole obou vidů. Čím bude překryv větší, tím bude větší koeficient vzájemné vazby . Překryv je také závislý na vlnové délce. Délka vazby L definuje poměr výstupního výkonu. Pole opouštějící vlnovod jsou vzájemně fázové posunuta. Vzorce uvedené na obr. 1 jsou platné pouze pro symetrický jednovidový vazební článek, přičemž oba vlnovody jsou stejné.

Obr. 1: Symetrický jednovidový optický vazební článek Přenos výkonu u vazebního článku

Obr. 2: Přenosová funkce mezi vstupem a výstupem optického vazebního členu Obr. 2 zobrazuje vztah přenosové funkce mezi vstupem a výstupem optického vazebního členu, kde: Projekt: Číslo projektu:



T11 je přenosová funkce mezi vstupem č. 1 a výstupem č. 1, T12 je přenosová funkce mezi vstupem č. 1 a výstupem č. 2. Pokud bude platit, že lc = (2m+1)/4 a m je celé nezáporné číslo, bude vstupní výkon P 1in rozdělen rovnoměrně do obou portů, tj. P 1out = P2out = P1in/2. Mezi výstupy 2out a 1out je fázové zpoždění /2. Princip fungování optického vazebního členu je možno pozorovat rovnou z naměřených hodnot. Absolutní hodnoty charakterizují dostatečně objektivně optický vazební člen pouze tehdy, když máte k dispozici hodnoty všech veličin (P1, P2, P3, P4). Je také potřeba brát v úvahu přesnost měření a proto je vhodné disponovat celou řadou takových naměřených hodnot. Z tohoto důvodu se pro popis vlastností těchto optických prvků používá několik standardizovaných fyzikálních veličin, které hovoří o podílech primárních veličin a jsou konstantní pro daný typ optického vazebního členu.

Obr. 3: Přehledové schéma optického vazebního členu s podélně svařenými optickými vlákny Tab. 1: Měřené parametry optických vazebních členů

2. Zadání




Změřte parametry následujících optických vazebních členů dle tabulky č. 1: -

Optický vazební člen SFT-S35 Singlemode 01  02 od firmy Optokon (obr. 4), Optický vazební člen SFT-S35 Singlemode 01  04 od firmy Optokon (obr. 5).

Obr. 4: Optický vazební člen SFT-S35 01  02

Obr. 5: Optický vazební člen SFT-S35 01  04 3. Postup měření Postup měření se shrnut do následujících bodů: 1) Nejprve očistěte konektory (ferule) předřadného vlákna. Po očištění předřadného vlákna změřte na jeho konci optický výkon (hodnota P1) pomocí sady Noeys. Výkon měříme v jednotkách W. Celé měření provádíme pro vlnové délky 1310 a 1550 nm. 2) Pomocí vhodné optické spojky vložte mezi předřadné vlákno a detektor Noyes optický vazební člen tak, že k vhodné optické spojce připojujeme vstup (1) optického vazebního členu. 3) Na výstupy optického vazebního členu postupně připojujeme detektor Noyes a měříme optický výkon P3, P4 až Px (dle počtu výstupů). Výkon měříme v jednotkách W. Celé měření provádíme pro vlnové délky 1310 a 1550 nm. Projekt: Číslo projektu:



4) Dle tabulky č. 1 určíme parametry pro daný optický vazební člen. Je zřejmé, že připojením předřadného vlákna na vstup daného optického vazebního členu není možné určit útlum přeslechu. Měření podélné symetrie optického vazebního členu 1) 2) 3) 4) 5) 6)

Předřadné optické vlákno připojíme na výstup č. 3 optického vazebního členu. Detektor Noyes připojíme na vstup č. 1 optického vazebního členu. Provedeme měření dle tab. 1. V tomto případě nás zajímá pouze vložný útlum. Připojíme detektor Noyes na výstup č. 4 až x a změříme útlum přeslechu. Výkon měříme v jednotkách W. Celé měření provádíme pro vlnové délky 1310 a 1550 nm. Opakujte měření od bodu č. 1 až 5 pro výstup č. 4 až x.

4. Závěr Všechny naměřené hodnoty pro jednotlivé optické vazební členy dejte do přehledných tabulek. Naměřené hodnoty slovně popište. V závěru také porovnejte hodnoty udávané výrobcem s vámi naměřenými hodnotami. Do protokolu uveďte metody výroby optických vazebních členů a jejich aplikaci v pasivních optických sítích.

Poznámka Před každým měřením je nutné pomocí optického mikroskopu zkontrolovat konektory jak předřadného optického vlákna, tak i samotného optického vazebního členu.




OPTICKÉ KOMUNIKACE III Měření č. 4 Měření vložného útlumu vláknově optického izolátoru, měření útlumu SM optických vláken OTDR metrem

1. Tematická oblast Vláknově optický izolátor Vláknově optické izolátory jsou takové komponenty, které propouští optické záření pouze jedním směrem. Uvnitř takových komponentů se nachází dvojice polarizátorů a jeden polarizační rotátor (obr. 1). Polarizační rotátor stáčí rovinu lineárně polarizovaného světla o daný úhel, přičemž zachovává stav polarizace. Pokud je polarizační rotátor umístěn mezi dvěma vzájemně pootočenými polarizátory, pak polarizačním rotátorem můžeme měnit intenzitu prošlého světla. Polarizační rotátory mohou být založeny na Faradayově jevu. Faradayúv jev je výsledkem působením magnetického na elektrony v obalech atomů. Dojde k rozdělení vstupující vlny na dvě, které se šíří různou rychlostí. Na konci se rotátoru se vlny složí, a to má za následek pootočení polarizační roviny lineárně polarizované vlny o úhel α. Faradayův jev je jevem nereciprokým.

  V  Bd .

(1)

V() je tzv. Verdetova konstanta úměrnosti daného materiálu (závisí na frekvenci vlny), B magnetická indukce vyvolaná v daném prostředí a d je optická vzdálenost, kterou vlna v látce urazí.

Obr. 1: Vláknově optický izolátor




Optický reflektometr (OTDR, Optical Time-Domain Reflectometer) Metoda zpětného rozptylu, neboli optická reflektometrie, je metoda založená na měření optického výkonu, který je rozptýlen (Rayleigho rozptylu) v různých bodech vlákna zpět k vstupnímu čelu vlákna. Z toho plyne, že pomocí této metody lze měřit útlum vlákna, analyzovat útlum jak v celé délce, tak i v jednotlivých úsecích, zjišťovat podélnou homogenitu vlákna, útlum svárů a konektorů, délku vlákna a zároveň lokalizovat poruchy. OTDR se používá rovněž ke zjišťování optické kontinuity trasy. Případné Fressnelovy odrazy na bodové poruše nebo na koncích vlákna jsou z hlediska měření nežádoucím jevem, ale jsou vhodné pro měření délky a lokalizaci poruch. Fressnelův odraz nastává při dopadu optického záření na rozhraní dvou prostředí s různým indexem lomu. Pokud tedy je vyslán do optického vlákna obdélníkový impuls s výkonem P0 a šířkou Δt, tak se část toho výkonu rozptýlí v místech fluktuace indexu lomu optického vlákna důsledkem Rayleighova rozptylu a vrátí zpět k čelu. Poté lze ze vzdálenosti od čela optického vlákna spočítat výkon P(z), který lze popsat následujícím vztahem: P z  

1 P0 tS R g e 2z , 2

(2)

kde g je skupinová rychlost šíření signálu, S je koeficient zpětného rozptylu, R – příspěvek Rayleighova rozptylu k celkovému útlumu;  – střední hodnota koeficientu útlumu vlákna na délce (z) v dopředném a zpětném směru. Modul EXFO FTB-7200D Reflektometr EXFO řady D ve variantě s 2 výstupními porty kombinuje v jednom modulu přístroj pro měření jednovidových i vícevidových tras. Díky tomu je ideálním řešením pro potřeby měření v kombinovaných přístupových a metropolitních sítích, kde jsou zastoupeny oba dva typy optických tras SM i MM. Jedno-slotové modulární provedení umožňuje využití v univerzálních měřicích platformách EXFO FTB-200, FTB-400 nebo EXFO FTB-500. Základní specifikace: -

vlnové délky v konfiguraci 850/1300 nm MM a 1310/1550nm SM, dynamický rozsah až 27 dB (MM)/ 36 dB (SM), počet vzorkovacích bodů až 128 000, identifikační mrtvá zóna 1 m, útlumová mrtvá zóna 3 m (MM) / 4,5 m (SM).

Podrobnosti naleznete v příloze č. 1. Měření bude prováděno výše uvedeným modulem umístněným v platformě EXFO FTB-400. 2. Zadání Měření vláknově optického izolátoru Proměřte vložný útlum a izolační útlum vláknově optického izolátoru č. 1 a č. 2: -

vláknově optický izolátor IO-H-1310FC (obr. 2), vláknově optický izolátor IO-H-1550FC (obr. 3).




Obr. 2: Vláknově optický izolátor kalibrovaný pro vlnovou délku 1310 nm

Obr. 3: Vláknově optický izolátor kalibrovaný pro vlnovou délku 1550 nm Měření pomocí OTDR Proměřte určené neznámé optické trasy pomocí optického reflektometru FTB-7200D (obr. 4) umístněného v platformě FTB-400 (obr. 5) a tyto trasy následně analyzujte.

Obr. 4: Modul EXFO FTB-7200D




Obr. 5: Měřici platforma FTB-400 3. Postup měření Měření vláknově optického izolátoru 1) Nejprve očistěte konektory (ferule) předřadného vlákna. Po očištění předřadného vlákna změřte na jeho konci optický výkon pomocí sady Noeys. Výkon měříme v jednotkách W. Celé měření provádíme pro vlnové délky 1310 a 1550 nm. Po provedení měření proveďte nastavení reference na detektoru Noyes. 2) Pomocí vhodné optické spojky vložte mezi předřadné (referenční) optické vlákno a detektor vláknově optický izolátor č. 1 (obr. 2). 3) Na detektoru Noyes změřte optický výkon za vláknově optickým izolátorem. Výkon měříme v jednotkách W. Současně na detektoru odečtěte útlum. Měření provádíme pro vlnové délky 1310 a 1550 nm. 4) Otočte vláknově optický izolátor a proveďte měření dle bodu č. 3. 5) Opakujte měření dle bodu č. 1 až 4 pro vláknově optický izolátor č. 2 (obr. 3) Do protokolu pro jednotlivé vláknově optické izolátory uveďte naměřené a vypočítané hodnoty útlumů (vzájemně porovnejte) pro jednotlivé vlnové délky. Určete velikost vložného útlumu a izolačního útlumu pro jednotlivé vlnové délky. V protokolu nezapomeňte porovnat naměřené hodnoty s hodnotami uváděnými výrobcem. Měření určených neznámých tras reflektometrickou metodou 1) Nejprve očistěte konektory (ferule) předřadného vlákna. Předřadné vlákno je v tomto případě simulováno špulkou jednovidového optického vlákna zakončeného pigtaily s konektorem SC (PC) – viz obr. 6. 2) Připojte pomocí předřadného vlákna optický reflektometr do určené neznámé optické trasy. 3) Pomocí optického reflektometru analyzujte tuto trasu pro vlnové délky 1310 a 1550 nm. 4) Měření optickým reflektometrem proveďte z obou stran optické trasy. 5) Celkem analyzujte 3 optické trasy určené vyučujícím. Analyzované optické trasy jsou umístněny v racku. Tyto trasy jsou zakončeny v průchodce typu SC (PC) – viz obr. 7.




Obr. 6: Předřadné vlákno

Obr. 7: Rack s optickými trasami

Poznámka: Při reflektometrické metodě pečlivě dbejte na čistotu optických konektorů (ferulí). Dávejte také pozor, jaký typ konektoru je použit u optického reflektoru.




OPTICKÉ KOMUNIKACE III Měření č. 5 Měření prvků vláknově optických zesilovačů

1. Tematická oblast Optické vláknové zesilovače s dotací Médium, ve kterém dochází k zesílení je optické vlákno. Pro zesilovací efekt je nutné materiál jádra vlákna dotovat jedním z prvků vzácných zemin: -

Erbium (Er), Praseodymium (Pr), Ytterbium (Yb), Neodymium (Nd), Thulium (Tm).

Volba dotovacího prvku silně ovlivňuje spektrální závislost zisku zesilovače. Ovšem je nutné dodržet optimální koncentraci prvku. Přílišná koncentrace vede k zhoršení účinnosti. Vhodnou příměsí modifikátorů (Ca, Na, K, Li…) se uvolní SiO2 struktura vlákna, do níž se vloží ionty dopantů vzácné zeminy. Pro SiO2 je vhodná koncentrace kolem 100 ppm až 900 ppm. Situace energetických hladin erbia EDFA zesilovačů je názorně ukázána na obr. 1 (doc. Boháč).

Obr. 1: Energetické hladiny erbia u EDFA – doc. Boháč




Konfigurace EDFA zesilovače s jedním čerpacím zdrojem a jedním stupněm je ukázána na obr. 2.

Obr. 2: Příklad konfigurace EDFA zesilovače Proces zesílení je v EDFA procesem distribuovaným podél celého úseku EDF vlákna. Zda bude v dané úseku L EDF vlákna optický signál zesílen, závisí na stupni populační inverze (N2 a N1) iontů Er v daném úseku. Proces je zobrazen na obr. 3.

Obr. 3: Proces zesílení EDFA zesilovače Šum u EDFA zesilovačů – ASE je definován jako: out PASE  2nsp h G  1B ,

kde nsp = N2/(N2-N1) je činitel spontánní emise (souvisí s velikostí populační inverze), h je Planckova konstanta,  je kmitočet optické nosné, G je EDFA zesílení a B je šířka optického pásma ve kterém měříme šum. ASE šum je jedním z faktorů, který významně ovlivňuje maximální překlenutelnou délku optického systému.

2. Zadání Projekt: Číslo projektu:



(1)

Proměřte charakteristiky EDFA zesilovače na edukativní sadě I. D. I. L. – viz obr. 4.

Obr. 4: Edukativní sada I. D. I. L. pro měření vlastností EDFA zesilovačů 3. Postup měření Vytvoření vlnového multiplexu (1550 a 980 nm) 1) Jednovidové vlákno zapojte na výstup Optical output v modulu DFB 1,55 W. 2) Tento optický signál přiveďte na vláknově optická izolátor a dalším jednovidovým vláknem ho přiveďte na jeden z dvou bloků MUX a zapojte jej na vstup označený jako 1550 nm. 3) Obdobným způsobem přiveďte optický signál o vlnové délce 980 nm ze zdroje PUMP MODULE do stejného bloku MUX (bez izolátoru). Zesílení signálu 1550 nm 1) Z výstupu bloku MUX doveďte multiplexovaný optický signál na vstup bloku optického zesilovače Er+++ FIBER. 2) Výstupní zesílený signál z modulu Er+++ FIBER přiveďte na druhý blok MUX, který bude sloužit jako demultiplexor. 3) Signál 1550 nm na výstupu demultiplexoru zapojte na útlumový článek s hodnotou 5 dB. 4) Signál z útlumového článku přiveďte k spektrálnímu analyzátoru. Charakteristika zdroje DFB 1) 2) 3) 4)

Vypracujte výkonovo-proudovou charakteristiku laseru DFB 1550 nm. PDFB1550 = f(IDFB1550) při IPUMPY980 = 0. Měňte pouze proud zdroje 1550 nm (displej v mA). Hodnoty měřte dle tabulky č. 1.

Tab. 1: Měření charakteristiky DFB zdroje Projekt: Číslo projektu:



Charakteristika zesilovače EDFA 1) Porovnejte signál 1550 nm před a po provedení zesílení na optické úrovni. 2) Vypracujte spektrální charakteristiku obvodu zesílení P = f(), kdy IPUMPY980 > 0, IDFB1550 = 0, kde P [dBm] je úroveň výkonu na výstupu obvodu zesílení,  je vlnová délka pozorovaná v rozsahu přibližně 1400 až 1650 nm (upřesněte v menu controls). 3) Zesilujte pouze šum. 4) Proud pumpy je v rozsahu 70 až 150 mA. 5) Hodnoty měřte dle tabulky č. 2. Tab. 2: Charakteristika zesilovače EDFA

Spektrální charakteristika před a po zesílení 1) Nastavte IDFB1550 = 17 mA. 2) Porovnávejte spektrum pro různé míry výkonu EDFA (I PUMPY980 = 0 až 150 mA) 3) Hodnoty měřte dle tabulky č. 3. Tab. 3: Spektrální charakteristika před a po zesílení

Charakteristika signálu obnoveného zesilovačem EDFA 1) Vypracujte výkonovo-proudovou charakteristiku zesilovaného signálu. 2) P = f(IPUMPY980) při IDFB1550 = 17 mA, kde IPUMPY980 je v rozsahu 0 až 120 mA. 3) Stanovte saturační proud IPUMPY (popřekročení hodnoty saturačního proudu IPUMPY 980 nm se signál na vlnové délce 1550 nm ustálí, další navyšování proudu pumpy vede ke snížení odstupu signálu od šumu – nadále je zesilován šum okolí a maximum špičky na 1550 nm navíc mírně poklesne) 4) Hodnoty měřte dle tabulky č. 4. Tab. 4: Charakteristika signálu obnoveného zesilovačem EDFA Projekt: Číslo projektu:



Zisk EDFA zesilovače 1) Vyneste graf zisku G = f (IPUMPY ). 2) Zisk G spočítáte jako rozdíl hodnoty úrovně signálu na vlnové délce 1550 nm před (dBm) a po zapnutí pumpy [dBm]. V praxi jde o odečtení výkonovo-proudové charakteristiky zesilovaného signálu a naměřené referenční hodnoty zaznamenané před aktivací pumpy. Zisk je roven rozdílu naměřené hodnoty výkonu (dBm) ku referenční hodnotě (dBm) - dostaneme zisk v dB. 3) Hodnoty měřte dle tabulky č. 5. Tab. 5: Zisk EDFA zesilovače

Do protokolu uveďte: -

Výkonovo-proudovou charakteristiku laseru DFB, Spektrální charakteristiku EDFA, Výkonovo-proudovou charakteristiku zesilovaného signálu 1550 nm, Hodnotu saturačního proudu pumpy 980 nm a bod saturace, Graf zisku (pod a nad bodem saturace), Závěr o výhodách a nevýhodách vlákna EDFA.




OPTICKÉ KOMUNIKACE III Simulace č. 1 Porovnání modulační odezvy LED a laserové diody

1.

Tematická oblast

Zaměření simulačního cvičení č. 1 je do oblasti optických vysílačů. Optické vysílače mají v rámci optického přenosového řetězce následující role:  přeměnu elektrického signálu do optické formy,  vysílání výsledného optického signálu do optického vlákna. Optický vysílač se v simulačním prostředí Optiwave OptiSystem skládá z následujících částí:  optický zdroj (LED, laserová dioda),  generátor pulzů (simuluje elektrické pulzy určené pro přeměnu do optické formy),  optický modulátor (např. Mach-Zehnder). 2.

Zadání

Porovnejte pomocí virtuálních přístrojů (Eye Diagram Analyzer, Oscilloscope Visualizer a Optical Time Domain Visualizer) modulační odezvy LED a laserové diody, obecně dvou typických zdrojů optického záření. 1) LED Frekvenční odezva LED je určená dynamikou nosičů náboje (doba života nosičů náboje) a parazitní kapacitní reaktancí (popisová jako RC konstanta RC). LED optická šířka pásma je definována jako modulační frekvence v LED výkonové přenosové funkci zmenšená o 3 dB: f 3dB 

3 1 . 2  n   RC 

Implicitní (defaultní) hodnota doby života nosičů náboje n a RC konstanta RC jsou 1 ns a 1 ns. Proto je optická šířka pásma u LED f3dB přibližně 140 MHz. Je zřejmé, pokud modulační rychlost výrazným způsobem překročí optickou šířku pásma LED diody, dojde v optickém přenosovém řetězci k výraznému zhoršení přenosových parametrů (BER, viz Eye Diagram Analyzer). Úkolem této části cvičení bude tedy simulace vzájemné souvislosti mezi modulační rychlostí, optickou šířkou pásma, doby života nosičů náboje n a RC konstantou RC na straně zdroje optického záření (LED) a parametrem BER na straně optického přijímače. Sestavte v prostředí Optiwave OptiSystem zapojení dle obr. 1.




(1)

Obr. 1: Schéma zapojení Určete BER a oko-diagram daného optického přenosového řetězce pro následující parametry na straně optického vysílače: Modulační rychlost od 100 do 500 Mbps s krokem 100 Mbps při době života nosičů náboje n a RC konstantou RC LED 1 ns, 0.5 ns a 0.25 ns. LED bude vysílat na vlnové délce 1300 nm při šířce svazku 50 nm. 2) Laserová dioda V případě využití přímo modulované laserové diody pro vysokorychlostní přenosové systémy, nemůže být modulační frekvence větší než frekvence relaxačních oscilací. Relaxační frekvence závisí na době života nosičů náboje a také době života fotonu. Aproximovaný (přibližný) výraz této závislosti vypadá následovně: f res 

1 2

1

 sp ph

 I    1  I th 

(2)

Relaxační frekvence se zvyšuje s laserovým vstupním klidovým proudem Ith. Implicitní (defaultní) hodnoty jsou Ith = 33.45 mA, sp = 1 ns, ph = 3 ps a předpokládaný modulační špičkový proud I = 40 mA. Odpovídající relaxační frekvence bude kolem hodnoty 1,3 GHz. Úkolem této části cvičení bude tedy simulace vzájemné souvislosti mezi modulační rychlostí, vstupním klidovým proudem Ith a parametrem BER na straně optického přijímače. Sestavte v prostředí Optiwave OptiSystem zapojení dle obr. 2.




Obr. 2: Schéma zapojení Určete BER a oko-diagram daného optického přenosového řetězce pro následující parametry na straně optického vysílače: Modulační rychlost od 500 do 4000 Mbps s krokem 500 Mbps při vstupním klidovým proudem I th = 30 mA až 40 mA s krokem 2 mA. Laserová dioda bude vysílat na vlnové délce 1552,52 nm. V závěru nezapomeňte také na vzájemné porovnání obou zdrojů optického záření. Délku vlákna si studenti volí sami, typ a další parametry optického vlákna jsou ponechána jako defaultní.

Poznámka: Nezapomeňte správně nastavit všechny globální parametry. Je nutné definovat simulační časové okno, počet vzorků a vzorkovací frekvenci (příklad): Časové okno = délka sekvence * 1/ přenosová (modulační) rychlost = 256 * 1/10e9 = 25,6 ns Počet vzorků = délka sekvence * počet vzorků za 1 bit = 32768 vzorků Vzorkovací frekvence = počet vzorků / časové okno = 1,28 THz (odpovídá šířce pásma)




OPTICKÉ KOMUNIKACE III Simulace č. 2 Porovnání RZ a NRZ modulačních formátů pro páteřní přenosové systémy

1.

Tematická oblast

Zaměření simulačního cvičení č. 2 je do oblasti modulačních formátů. V optickém vysílači může docházet k modulaci optického signálu dvěma způsoby:  přímá modulace,  nepřímá (externí) modulace. Základní modulační formát je NRZ, popřípadě náročnější RZ. Složitější modulační formáty se v optickém přenosovém řetězci používají kvůli přechodu na vyšší přenosové rychlosti, které sebou přináší vyšší nároky na kvalitativní parametry přenosové trasy (z hlediska disperzí). Zvláště je tomu patrné u moderních DWDM systémů s přenosovou rychlostí vyšší než 10 Gbps.

2.

Zadání

Porovnejte pomocí virtuálních přístrojů (Eye Diagram Analyzer, Oscilloscope Visualizer a Optical Time Domain Visualizer) modulační formáty NRZ a RZ. Zdrojem optického záření bude laserová dioda, která bude vysílat kontinuální světlo do Mach-Zehnderova modulátoru. V tomto případě se bude jednat o nepřímou modulaci optického záření. Příklad zapojení na straně optického vysílače je na obr. 1a a obr. 1b.

Obr. 1a: NRZ optický vysílač Projekt: Číslo projektu:

Obr. 1b: RZ optický vysílač



Přenosové médium bude v tomto případě optické vlákno ITU G. 652 D. Příkladem může být optické vlákno od společnosti Draka, pro které jsou typické parametry:

Tab. 1: Optické vlákno ITU G. 652 D od společnosti Draka




Přenosovou trasu mezi optickým vysílačem a přijímačem bude tvořit pouze optické vlákno bez zesilovačů a kompenzátorů chromatické disperze. V případě optického přijímače se bude jednat o klasické zapojení s PIN fotodiodou, viz obr. 2.

Obr. 2: Zapojení optického přijímače Vaším úkolem bude pro přenosové rychlosti 2,5 Gbps, 10 Gbps a 40 Gbps najít: maximální překlenutelnou vzdálenost mezi optickým vysílačem a přijímačem (délka optického vlákna), kdy laserová dioda vysílá na vlnové délce 1550 nm výkonem 0 dBm, aby parametr BER byl > 10 -12, b) výkon laserové diody, aby na vzdálenosti 10 km byl parametr BER > 10-12. a)

U jednotlivých výsledků nezapomeňte zaznamenat oko-diagram. Na závěr také vzájemně porovnejte výše uvedené modulační formáty.

Poznámka: Nezapomeňte správně nastavit všechny globální parametry. Je nutné definovat simulační časové okno, počet vzorků a vzorkovací frekvenci (příklad): Časové okno = délka sekvence * 1/ přenosová (modulační) rychlost = 256 * 1/10e9 = 25,6 ns Počet vzorků = délka sekvence * počet vzorků za 1 bit = 32768 vzorků Vzorkovací frekvence = počet vzorků / časové okno = 1,28 THz (odpovídá šířce pásma)




OPTICKÉ KOMUNIKACE III Simulace č. 3 Studium vlastností fotodetektorů

1. Tematická oblast Zaměření simulačního cvičení č. 3 je do oblasti fotodetektorů. V optickém přenosovém řetězci se můžeme setkat s dvěma typy fotodetektorů:  PIN (fotodioda bez vnitřního zisku, do jejíž struktury je přidána speciální vrstva vlastního polovodiče zvětšující její citlivost a účinnost),  APD (Avalanche Photo Diode, je fotodioda, ve které dochází vlivem silného elektrického pole k lavinovému vzniku volných elektronů, čímž se zvětšuje citlivost v porovnání s diodou PIN). V rámci tohoto cvičení bude prováděna studie základních vlastností výše uvedených typů fotodetektorů a jejich vzájemné porovnávání. 2. Základní optoelektronické parametry fotodiod udávané výrobci Sensor material

Materiál fotodiody

Effective active area size

Rozměry efektivní aktivní oblasti

(mm)

Effective active area

Efektivní aktivní oblast

(mm2)

Spectral response range 

Spektrální oblast citlivosti 

(nm)

Responsivity 

Citlivost 

(A/W)

Bandwidth (RL, 1 V)

Šířka pásma (RL = 50 , 1 V)

(Hz)

NEP (2300 nm)

Šumový ekvivalentní výkon (2300 nm)

(W/Hz½)

Dark Current, MAX (1 V)

Temný proud, MAX (1 V)

(A)

Excess noise figure 

Šumové číslo  (aproximace faktoru Fn)

(-)

Gain M 

Vnitřní multiplikační zisk (APD) 

(-)

RL

Zátěžový odpor, standardně 50 

()

(Wavelenght range)




3. Základní optoelektronické parametry fotodiod v softwaru OptiSystem  PIN Responsivity

Citlivost

(A/W)

Dark current

Temný proud

(nA)

Thermal noise

Termální šum

(A/Hz½)

ASE

Zesílená spontánní emise

(-)

Gain

Vnitřní multiplikační zisk

(-)

Responsivity

Citlivost

(A/W)

Ionization ratio

Ionizační koeficient (kEFF)

(-)

Dark current

Temný proud

(nA)

Thermal noise

Termální šum

(A/Hz½)

ASE

Zesílená spontánní emise

(-)

 APD

4. Důležité matematické vztahy pro simulaci v softwaru OptiSystem Šumový faktor Fn (Excess noise factor) fotodiody typu APD je definovaný vztahem: 1   Fn  k EFF M   2  1  k EFF  , M 

(1)

kde kEFF je ionizační koeficient (Ionization ratio) a M je vnitřní multiplikační zisk APD. Tento matematický vztah se často aproximuje do podoby: Fn  M x ,

(2)

kde M je vnitřní multiplikační zisk APD a x je šumové číslo (Excess noise figure). Pro fotodiody typu APD Si je šumové číslo v rozmezí 0,3  x  0,5 a pro Ge 0,7  x  1,0. Termální šum ve fotodiodě je definován jako:

ith ( rms) 

4kTB A RL

,

(3)

kde k je Boltzmanova konstanta, T je teplota v Kelvinech, B je šířka pásma a RL je zátěžový odpor. Často se tento vztah převádí na tzv. normalizovaný termální šum:

i ( rms) ithN ( rms)  th  B




4kT A/Hz 1/2 RL

 .



(4)

5. Zadání Proveďte v grafickém uživatelském rozhraní programu OptiSystem zapojení dle obr. 1.

Obr. 1: Schéma zapojení a) Studium vlivu šumu fotodiod na přenosové vlastnosti optického transportního systému Nejprve nastavte globální podmínky:   

Přenosová rychlost (Bit rate) = 0.155e+009 Bits/s (0,155 Gbps) Délka sekvence (Sequence length) = 128 Bits Počet vzorků za bit (Semples per bit) = 128

Laserová dioda vysílá na vlnové délce 1550 nm při výstupním výkonu 10 dBm, optický atenuátor je nastaven na 30 dB. Okolní teplota je 20 °C. Nastavte parametry fotodiod dle příloh č. 1 a č. 2. V případě fotodiody typu APD počítejte s minimálním vnitřním multiplikačním ziskem. Z katalogových hodnot vybírejte typické hodnoty parametrů. První simulaci proveďte bez šumu. Dále postupně přidávejte další šumy tak, aby termální šum byl přidán až jako poslední. Ve všech případech se bude jednat o numerickou kalkulaci šumu ve fotodiodě. Změřte a zaznamenejte všechny dostupné informace o optickém transportním řetězci pro přenosové rychlosti 155 Mbps, 1 Gbps a 2,5 Gbps. Výsledky porovnejte (PIN versus APD). Z naměřených hodnot také určete velikost fotoproudu fotodiod I p , velikost výstřelového šumu Ish, SNR, detektivitu fotodiody D a kvantovou efektivitu. Pro výše uvedené přenosové rychlosti proveďte ještě speciální simulaci na fotodiodě APD, přičemž vnitřní multiplikační zisk bude v tomto případě dosahovat maxima. Zvládne fotodioda zaznamenat v dostatečné míře parametru BER přenosové rychlosti 10 Gbps, popřípadě 40 Gbps? Tvrzení dokažte. b) Studium vlivu citlivosti R fotodiody na přenosové vlastnosti Projekt: Číslo projektu:



Nastavte parametry dle bodu 5a). Vnitřní multiplikační zisk fotodiody APD bude nastaven na své minimum dle katalogu. Přenosová rychlost bude rovna 1 Gbps. Proměřte vlastnosti optického přenosového řetězce pro případ, kdy se bude výkon laserové diody měnit v rozsahu 0 až 12 dBm s krokem 2 dBm. Pro oba typy fotodiod vytvořte graf závislosti výstupního výkonu laserové diody (výkonu dopadajícího na fotodiodu) vzhledem k parametru BER. Uvažujte o všech možnostech vlivu šumu na optický přenosový řetězec.




Příloha č. 1 Fotodioda č. 1







Příloha č. 2 Fotodioda č. 2













OPTICKÉ KOMUNIKACE III Simulace č. 4 Kompenzace disperzí na optické přenosové trase

1. Tematická oblast Zaměření simulačního cvičení č. 4 je do oblasti kompenzací disperzí na optické přenosové trase. Na současných optických komunikačních trasách je problematickou oblastí kompenzace chromatické disperze. Vidová disperze z důvodů použití jednovidových vláken v dnešní době již nehraje roli. Polarizačně-vidová disperze hraje významnou roli na optických přenosových trasách s rychlostmi vyššími než 40 Gbps, nicméně simulační cvičení č. 4 je zaměřeno na nejčastější problematiku v oblastech kompenzací disperzí a to je prámě chromatická disperze. Chromatická disperze vychází z faktu, že se v jednovidovém vlákně šíří jinou skupinovou rychlostí různé vlnové délky záření. Pro vzájemné porovnání optických jednovidových vláken se používá jednotka nazývána jako koeficient chromatické disperze Dch, která je nezávislá na délce vlákna:

Dch 

1  g L 

ps.nm

-1



.km 1 .

(1)

Pro kompenzátory chromatické disperze musí platit:     

minimální vložný útlum, schopnost kompenzovat disperzi v širokém vlnovém pásmu, schopnost korekce disperzního sklonu vlákna, žádné nebo minimální zvlnění průběhu disperze, polarizačně nezávislé.

Chromatická disperze se nejčastěji kompenzuje pomocí DCF vláken nebo FBG vláknových mřížek. Simulační cvičení č. 4 verze A je zaměřeno na využití disperzi kompenzujících vláken DCF. DCF jsou vlákna, které využívají pro kompenzaci disperze klasických vláken podle normy G. 652 při vlnových délkách větších než 1300 nm (C, L pásmo), kde toto vlákno vykazuje velkou hodnotu koeficientu D ch. Tyto DCF vlákna vykazují hodnoty Dch = - (70 až 100) ps.nm-1.km-1, dodávají se v kazetách, kde je stočeno cca 10 až 15 m DCF vlákna umožňující kompenzovat chromatickou disperzi na jednovidovém vlákně o délce kolem 80 km. DCF vlákna musí mít většinou pro získání velké záporné disperze malou hodnotu efektivní plochy jádra od 20 až 30 μm2, což znemožňuje navázat do vlákna velký výkon bez vzniku nelineárních efektů jako je FWM, atd. Pro aplikování na komunikačních optických trasách, kde je využita DWDM technologie, je nutné použít DCF vlákna se speciálním profilem indexu lomu. Tyto vlákna vykazují negativní sklon disperze a hodí se pro tudíž pro DWDM technologie. 2. Zadání Projekt: Číslo projektu:



Post-kompenzace chromatické disperze Proveďte v grafickém uživatelském rozhraní programu OptiSystem zapojení dle obr. 1.

Obr. 1: Schéma zapojení Laserová dioda (CW laser) bude vysílat na vlnové délce 1550 nm o výkonu 10 dBm. Parametry DCF kompenzačního vlákna nastavte podle datasheetu z přílohy č. 1, kde je uveden DCM modul pro danou vzdálenost komunikační trasy. To znamená, že např. modul DCM020 je určen pro kompenzaci 20 km trasy s vláknem G.652. Platí, že na 5 km optického vlákna G. 652 s parametrem Dch = 16-18 ps.nm-1km-1 je cca potřeba 1 km kompenzačního vlákna. Jednovidové vlákno nastavte podle datasheetu č. 2. Simulaci provádějte dle následujících kroků: 1) 2) 3) 4) 5) 6) 7)

Nastavte přenosovou rychlost na hodnotu 2,5 Gbps. Nastavte délku DCF kompenzačního vlákna na hodnotu 10 km. Nastavte délku jednovidového vlákna na hodnotu 80 km. Proveďte simulaci, zaznamenejte do tabulky hodnotu BER, které získáte z BER analyzátoru. Bod 4 opakujte pro délku jednovidového vlákna 100 a 120 km. Body 3 až 4 opakujte pro délku kompenzačního vlákna 20 a 30 km. Body 2 až 4 opakujte pro přenosové rychlosti 10 a 40 Gbps

Ostatní hodnoty nastavte dle obr. 1. Do technické zprávy uveďte spektrální charakteristiku z výstupu Loop jednotky a dále oko diagram z výstupu fotodiody pro parametry délka jednovidového vlákna je rovna 120 km a délka kompenzačního vlákna je rovna 20 km pro jednotlivé přenosové rychlosti. V závěru se popište nasimulované závislosti délky kompenzačního vlákna na délce kompenzovaného vlákna. Dále pro přenosové rychlosti 2. 5 a 10 Gbps stanovte závislost Q faktoru na výkonu laserové diody (od -15 dBm do 15 dBm s krokem 5 dBm) pro délku jednovidového vlákna 120 km a délku kompenzačního vlákna rovno 20 km.




Příloha č. 1




Příloha č. 2 Projekt: Číslo projektu:









OPTICKÉ KOMUNIKACE III Simulace č. 5 Optické vláknové zesilovače

1. Tematická oblast Zaměření simulačního cvičení č. 5 je do oblasti optických vláknových zesilovačů. Princip optických vláknových zesilovačů je založen na existenci stimulované emise záření v materiálu. Tyto zesilovače patří do skupiny optických zesilovačů (polovodičové a vláknové) a odpovídají principu 1R. K zesilování ve vlákně je nutné dodat energii čerpacím zdrojem. Pro optické zesilovače platí:  vnáší do tras přídavný šum nazývaný ASE (Amplified Spontanous Emission),  jsou omezeny svým maximálním výkonem na výstupu P SAT, kterému se říká saturační výkon,  velikost zisku je typicky funkcí vlnové délky a vstupní signálové úrovně. Proces zesílení optického signálu může vyjádřit pomocí matematického vztahu:

Eout t   GEin t   nt  ,

(1)

kde G označuje zisk [dB] nebo zesílení [-] zesilovače a n označuje přídavný šum označovaný jako ASE. Vztah č. 1 je platný pro všechny vláknové a polovodičové zesilovače. Pro činnost EDFA zesilovačů je nutné v erbiem dotovaných vláknech dosáhnout inverze populace. Důvodem je situace, kdy při inverzi populace N2 > N1 bude převládat stimulovaná emise nad absorpcí a spontánní emisí. Pro vznik inverze populace je nutné do vlákna dodat patřičnou energii, což v tomto případě realizujeme pomocí tzv. čerpacího zdroje. V dnešní době se nejvíce setkáme s čerpacími zdroji na vlnové délce 980 nm z důvodů menšího šumu. V rámci tohoto cvičení bude prováděna studie základních vlastností erbiem dotovaných optických vláknových zesilovačů EDFA. 2. Základní parametry erbiem dotovaných vláken v softwaru OptiSystem Lenght

Délka

(m)

Er metastase lifetime

Metastabilní čas

(ms)

Core radius

Poloměr jádra vlákna

(μm)

Er doping radius

Poloměr dopované oblasti

(μm)

Numerical aperture

Numerická apertura

(-)

Loss at 1310 nm

Útlum na 1310 nm

(dB/km)

3. Zadání Projekt: Číslo projektu:



Proveďte v grafickém uživatelském rozhraní programu OptiSystem zapojení dle obr. 1.

Obr. 1: Schéma zapojení a) Celkový zisk jako funkce délky Sestavte zapojení v grafickém uživatelském prostředí programu Optiwave OptiSystem dle obr. 1. Jak je z obr. 1 zřejmé, v zapojení se vyskytují celkem tři zdroje optického záření:   

CW laser – vlnová délka 1540 nm (simulující kanál např. DWDM systému), CW laser 1 – vlnové délka 1550 nm (simulující kanál např. DWDM systému), Pump laser – čerpací zdroj s vlnovou délkou 980 nm (zdroj pro EDFA zesilovač).

Oba dva kanály DWDM systému nastavte na 8 dBm. Erbiem dotované vlákno nastavte podle datasheetu výrobce, které je uvedeno v příloze č. 1. Simulaci provádějte dle následujících kroků: 1) Nastavte délku erbiem dotovaného vlákna na hodnotu 0 m. 2) Nastavte výkon čerpacího zdroje na 5 dBm. 3) Proveďte simulaci, zaznamenejte do tabulky hodnotu zisku pro jednotlivé kanály, které získáte ve WDM analyzátoru. 4) Bod 3 opakujte pro výkony čerpacího zdroje 10, 20, 30 a 50 dBm. 5) Body 2 až 3 opakujte pro délku erbiem dotovaného vlákna 1, 2 až 12 m. Do technické zprávy uveďte závislost zisku na délce optického vlákna pro jednotlivé výkony čerpacího zdroje. Oddělte do dvou grafů situace pro kanál 1540 nm a kanál 1550 nm. Dále do technické zprávy uveďte spektrální charakteristiku z výstupu ideálního multiplexoru sejmutou ze začátku simulace a spektrální charakteristiku na vstupu a výstupu erbiem dotovaného vlákna pro výkon čerpacího zdroje 30 dBm pro délky optického vlákna 0, 1, 2 až 12 m. Výsledky vyhodnoťte v závěru. b) Celkový zisk jako funkce výkonu Zapojení odpovídá zadání a). Oba dva kanály DWDM systému nastavte na 8 dBm. Erbiem dotované vlákno nastavte podle datasheetu výrobce, které je uvedeno v příloze č. 1. Délku erbiem dotovaného vlákna nastavte na 6 m. Simulaci provádějte dle následujících kroků: 1) Nastavte vlnovou délku čerpacího zdroje na 980 nm. 2) Nastavte výkon čerpacího zdroje na 0 dBm.




3) Proveďte simulaci, zaznamenejte do tabulky hodnotu zisku pro jednotlivé kanály, které získáte ve WDM analyzátoru. 4) Bod 3 opakujte pro výkony čerpacího zdroje 4, 8 až 40 dBm. 5) Bod 2 až 4 opakujte pro vlnovou délku čerpacího zdroje 1480 nm. Do technické zprávy uveďte závislost zisku na výkonu čerpacího zdroje pro jednotlivé kanály a vlnovém délky čerpacího zdroje. Všechny závislosti uveďte v jednom grafu. Výsledky vyhodnoťte v závěru.




Příloha č. 1







Optické komunikace III Inovace přednášek a laboratoří

Recommend Documents