Optické zesilovače Michal Lucki
Autor: Michal Lucki Název díla: Optické zesilovače Zpracoval(a): České vysoké učení technické v Praze Fakulta elektrotechnická Kontaktní adresa: Technická 2, Praha 6
Inovace předmětů a studijních materiálů pro e-learningovou výuku v prezenční a kombinované formě studia
Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti
VYSVĚTLIVKY
Definice
Zajímavost
Poznámka
Příklad
Shrnutí
Výhody
Nevýhody
ANOTACE Cílem modulu je prezentovat přehled optických zesilovačů, jejich parametry, režimy práce. Mezi nejrozšířenější zesilovače v telekomunikační technice lze zařadit vláknové dopované zesilovače s příměsi vzácných zemin, např. EDFA zesilovač, polovodičové zesilovače, nebo zesilovače využívající Ramanova jevů. Všechny tyto typy zesilovačů budou postupně popsány, porovnány a zhodnoceny s ohledem na potenciální aplikace u optických přenosových systémů.
CÍLE Po prostudování modulu student by mel znát metody obnovy optického signálu zesilovačem, měl by být schopen určit umístění zesilovače na trase, nastavit jeho režim práce a parametry, určit zisk a pracovní spektrum vlnových délek. Cílem je naučit studenta předpoklady pro volbu zesilovače a fyzikální podstatu této problematiky.
LITERATURA [1]
L. Boháč, M. Lucki, Optické komunikační systémy, skripta ČVUT, 2010, ISBN 97880-01-04484-1.
[2]
G. Agrawal, Fiber Optic Communication Systems, Wiley series in microwave and optical engineering, 2010, ISBN 978-0-470-50511-3.
[3]
I. Kaminov, T. Li, A. Willner, Optical Fiber Telecommunications VB, Systems and Networks, Elsevier, 2008, ISBN 978-0-12-374172-1.
[4]
M.Škop, M. Petrásek, J. Petrásek a P. Boček, Synchronní digitální hierarchie SDH a WDM, skripta ČVUT, Praha: ČVUT v Praze, 2001. ISBN 80-01-02284-6.
[5]
M. Yasin, S. Harun, H. Arof, Recent Progress in Optical Fiber Research, Intech, Rijeka, 2012, ISBN 978-953-307-823-6
Obsah 1 Úvod ....................................................................................................................................... 7 1.1
Vznik optických zesilovačů........................................................................................ 7
1.2
Princip 3R obnovy optického signálů optickým zesilovačem.................................... 8
1.3
Třídění optických zesilovačů...................................................................................... 9
1.4
Požadavky na optické zesilovače ............................................................................. 10
1.5
Umístění zesilovače na trase .................................................................................... 11
2 Vláknové zesilovače s dotací .............................................................................................. 12 2.1
Typy vláknových zesilovačů s dotací ....................................................................... 12
2.2
Výhody a nevýhody vláknových zesilovačů ............................................................ 13
3 EDFA zesilovač – nejrozšířenější optický zesilovač pro WDM systémy ....................... 14 3.1
Použití EDFA zesilovače v praxi ............................................................................. 14
3.2
Zapojení EDFA zesilovače pro obnovu signálu ....................................................... 15
3.3
Princip fungování EDFA zesilovače ........................................................................ 16
3.4
Čerpací zdroje pro EDFA ......................................................................................... 17
3.5
Zisk optických zesilovačů ........................................................................................ 18
3.6
Zisk EDFA zesilovače a pracovní spektrum vlnových délek................................... 19
3.7
Saturace zisku EDFA zesilovače .............................................................................. 20
3.8
Příkladové katalogové parametry EDFA zesilovače ................................................ 21
3.9
Výhody a nevýhody EDFA zesilovače .................................................................... 23
3.10
Laboratorní úloha zaměřená na měření na EDFA zesilovači ................................... 24
4 Polovodičové zesilovače (SOA).......................................................................................... 25 4.1
Princip generování záření u polovodičů ................................................................... 25
4.2
Stimulovaná emise záření u SOA zesilovačů ........................................................... 26
4.3
Struktura polovodičového zesilovače ....................................................................... 27
4.4
Antireflexní vrstvy SOA zesilovače ......................................................................... 28
4.5
Rekombinace u různých typů přechodů u polovodiče ............................................. 29
4.6
Pokročilejší polovodičové struktury zesilovačů ....................................................... 30
4.7
Zisk a pracovní spektrum vlnových délek polovodičového zesilovače ................... 31
4.8
Saturace zisku polovodičového zesilovače a další parametry .................................. 32
4.9
Příkladové katalogové parametry polovodičového zesilovače................................. 33
4.10
Zhodnocení polovodičového zesilovače a příkladové aplikace ............................... 35
4.11
Laboratorní úloha zaměřená na měření na polovodičovém zesilovači .................... 36
5 Ramanův zesilovač ............................................................................................................. 37 5.1
Princip fungování Ramanova zesilovače ................................................................. 37
5.2
Zisk Ramanova zesilovače ....................................................................................... 38
5.3
Pracovní spektrum vlnových délek Ramanova zesilovače....................................... 39
5.4
Čerpací zdroje pro Ramanův zesilovač .................................................................... 40
5.5
Distributed Raman Amplifiers ................................................................................. 41
5.6
Lumped Raman Amplifiers ...................................................................................... 42
5.7
Zhodnocení Ramanova zesilovače ........................................................................... 43
5.8 Trendy v optoelektronice a fotonice – první zmínky o mikrostrukturních zesilovačích ......................................................................................................................... 44 6 Závěr.................................................................................................................................... 45 6.1
Závěr ......................................................................................................................... 45
6.2
Příkladové hybridní konfigurace zesilovačů ............................................................ 46
7 Test znalosti ........................................................................................................................ 47
1 Úvod 1.1 Vznik optických zesilovačů Optické zesilovače byly vynalezeny na počátku 80. let. Zesilovače mají schopnost překlenout optickou trasu na vzdálenost asi 200 km. Na každé optické trase dochází ke ztrátám výkonu při přenosu, které vyžadují obnovu signálu po určité vzdálenosti. Signál je nutné zesílit, obnovit jeho tvar a původní polohu signálu v čase. Jednou Použitím optického zesilovače lze obnovit hlavně amplitudu optických symbolů. Optický zesilovač je zařízení, které zesiluje přímo optický signál v optické doméně a nepotřebuje ho převádět na elektrický signál pro potřeby obnovy a zpět na optický. Princip zesilovače je založen na existenci stimulované emise záření v materiálu a vyžaduje optické čerpání energie. EOE (Elektro-opticko-elektrická) konverze u tradičních neoptických zesilovačů je pomalá a vyžaduje složitou elektroniku. Optický signál bylo nutno převádět na elektrický a zesílený signál zpět na optický. Takové řešení bylo nevhodné pro vysokorychlostní přenosové signály z důvodu pomalé odezvy elektroniky, která nestačí zpracovat rychlý optický signál. Proto bylo nutno hledat řešení v podobě optických zesilovačů, které konverzi zcela opomíjejí.
1.2 Princip 3R obnovy optického signálů optickým zesilovačem U optického signálu se regeneruje nejen úroveň (amplituda), provádí se také např. kompenzace chromatické disperze (kompenzace roztažení pulsu v časové doméně způsobena skutečnosti, že každá frekvenční komponenta pulsu se šíří s jinou rychlosti). Princip 3R obnovy optického signálu (Re-amplification, Re-timing, Re-shaping) spočívá v obnově amplitudy, obnově umístění náběžné hrany a tvaru optických pulzů:
Degradovaný optický signál
Obnovená amplituda optického signálu
Zajištění správného umístění náběžné hrany v čase taktovacím signálem
Kompletní obnovení tvaru optických pulsů
8
1.3 Třídění optických zesilovačů K tomu, aby zesilovač fungoval, je nutné dodat energii, např. v podobě optického čerpání. Z toho plyne rozdělení optických zesilovačů: •
energie je dodána ve formě elektrického proudu (elektrickým polem) polovodičové zesilovače SOA (Semiconductor Optical Amplifier)
•
energie je dodána ve formě záření z pumpy s konkrétní vlnovou délkou vláknové zesilovače s dotací xDFA (x Doped Fiber Amplifier), kde x je přípustný chemický prvek, např. Erbium, Thulium a další
•
energie je generována jako postranní vid záření v úzkém pásmu kolem jiné vlnové délky vlivem Ramanova rozptylu – RA (Raman Amplifier)
Z principu funkce zesilovače vyplývají různé možnosti nasazení v optickém přenosovém systému, jelikož různé způsoby optického čerpání vedou k odlišným vlastnostem zesilovačů.
9
1.4 Požadavky na optické zesilovače Požadavky na zesilovač, který se umisťuje na počátku trasy, jsou zcela odlišně od požadavků na průběžné zesilovače a předzesilovače na konci optické trasy. Rozhodujícími faktory jsou: •
Zisk G – poměr výstupního k vstupnímu výkonu, který se většinou udává v logaritmickém měřítku – rozhoduje o překlenovací vzdálenosti optické trasy
•
Křivka zisku – v ideálním případě zesilovač by se měl vyznačovat vyrovnanou (plochou) charakteristikou zesílení pro obnovu všech vlnových délek se stejnou účinnosti
•
Vstupní saturační výkon – schopnost přijmout velký vstupní výkon optického záření – rozhoduje o možnosti umístění zesilovače hned za vysilačem
•
Saturace zisku – vypovídá o energetické účinnosti zesilovače
•
Vložný útlum a útlum zesilovače odpojeného od zdroje energie – v ideálním případě zesilovač odpojený od zdroje čerpání energie by měl být průchozí pro světlo
•
Šířka pásma zesilovače – rozsah vlnových délek, ve kterém je možné vstupní signál zesílit – rozhoduje o možnosti nasazení zesilovače u systémů s vlnovým dělením
•
Šumové číslo – poměr odstupu signálu od šumu SNR (Signal to Noise Ratio) na výstupu zesilovače vůči SNR na vstupu zesilovače v logaritmické míře – důležité pro detekci slabých signálů a umístění před přijímačem
•
Teplotní stabilita centrální vlnové délky – může ovlivnit chod systému s hustým vlnovým dělením
10
1.5 Umístění zesilovače na trase Zesilovače lze nasadit buď za vysilačem, před přijímačem nebo průběžně na trase. Každý ze tří přístupů vyžaduje jiné parametry zesilovače.Tyto tři typy zesilovačů nesou pojmenování: •
Booster
•
In-line zesilovač (linkový zesilovač)
•
Předzesilovač
Booster. Umisťuje se hned za optický vysílač a slouží k zesílení jeho signálu na maximální úroveň, kterou lze do vlákna navázat. Musí být schopen pojmout velký vstupní signál z optického vysílače. Důležitý je maximální výstupní výkon, plochá charakteristika zisku v celém pracovním pásmu vlnových délek. SNR není podstatné, jelikož zesilovač pracuje se signály, které se vyznačují poměrně velkým odstupem signálu od šumu.
In-line zesilovač známý také jako linkový zesilovač. Tento zesilovač se umísťuje na trase optického vlákna, typicky ve vzdálenosti 30-50 km od počátku trasy. Zesiluje signál o nízké úrovni výkonu na co největší úroveň, která umožní maximální překlenovací vzdálenost. Plochá charakteristika zesílení má význam pro stejné zesílení všech kanálů a nízký šum pro bezchybný přenos.
Předzesilovač. Slouží k zesílení velice nízkých úrovní signálu na úroveň dostatečnou pro správnou interpretaci přijímaných optických pulzů. Umisťuje se před optickým přijímačem na konci přenosové trasy. Umísťuje se před přijímačem. U předzesilovače je kladen požadavek na jeho minimální vnitřní šum. Parametry, jakými jsou velký zisk nebo saturace nejsou zde klíčové.
11
2 Vláknové zesilovače s dotací 2.1 Typy vláknových zesilovačů s dotací Dopované zesilovače jsou optické zesilovače, které pro zesílení používají dopované optické vlákno. Signál, který má být zesílen a signál z laserové pumpy je multiplexován do vlákna s příměsi a je zesilován s dopovanými ionty. Spektrální závislost zisku zesilovače je silně závislá na dopovacím prvku. Pro zesilovací efekt se používá jeden z prvků vzácných zemin: •
Erbium (Er)
•
Praseodymium (Pr) – pro vlnovou délku 1300 nm
•
Ytterbium (Yt)
•
Neodymium (Nd)
•
Thulium (Tm) – pro pásmo 1450-1490 nm
Koncentrace příměsí se pohybuje v řádu od jednotek do stovek atomů dopantu na 1 milion molekul základního materiálu vlákna. Pro efektivní čerpání je nutno koncentrovat dotací do jádra vlákna. Koncentrace příměsí musí být optimální, přesycení jádra dopanty vede ke zhoršení zesilovacího účinku a snižuje zisk zesilovače. Jako dotace optického vlákna se nejčastěji používají ionty prvku Erbium.
12
2.2 Výhody a nevýhody vláknových zesilovačů Výhodou tohoto řešení je jednoduchost. Z pohledu uživatele zesilovač je speciálním optickým vláknem stočeným v kazetě, které se připojuje k budícímu laseru. Další výhodou je zisk a pracovní pásmo vlnových délek.
Nevýhodou vláknových zesilovačů s dotací je, vysoká úroveň generovaného šumu, který značně zhoršuje SNR. Proto použití dopovaných zesilovačů jako předzesilovačů pro obnovu velmi slabých signálů je problematické – generovaný šum by v kritickém případě měl úroveň srovnatelnou s úrovní signálu.
Pracovní oblasti optovláknových optických zesilovačů
13
3 EDFA zesilovač – nejrozšířenější optický zesilovač pro WDM systémy 3.1 Použití EDFA zesilovače v praxi Požadavky na EDFA zesilovač: •
dostatečný zisk
•
nízké šumové číslo
•
teplotní stabilita
•
spolehlivost
•
nízká cena
•
Pro aplikace WDM je nutné, aby zisk zesilovače byl přibližně konstantní na celém spektru signálu WDM
V současnosti je z pohledu finančních nákladů, pracovního spektra vlnových délek a generovaného zisku nejvhodnějším optickým zesilovačem pro WDM (Wavelength Division Multiplexing) systémy vláknový zesilovač EDFA (Erbium Doped Doped Fiber Amplifier), který je tvořen vláken dotovaným ionty Er3+. Tyto ionty mají schopnost pohlcovat záření na vlnové délce 980 nm a generovat záření ve spektru kolem vlnové délky 1550 nm (konkrétně v pásmu C+L). Zesilovač vyžaduje čerpání na vlnové délce 980 nm, tedy připojení na vstup laser pracující na této vlnové délce. Technologie zesilovačů na bázi erbiem dopovaného vlákna jsou využívána pro WDM, úkolem EDFA je zesílit všechny optické kanály WDM najednou a bez převodu optického signálu na elektrický a zpět. S ohledem na velký zisk kolem 30 až 50 dB, spolehlivost a jednoduchou konstrukcí v podobě dopovaného vlákna, EDFA zesilovač se používá jako linkový zesilovač, méně jako booster (rychlá saturace) nebo jako předzesilovač (kvůli velkému šumu) v roli předzesilovače jej lze použit pouze ve spojení se speciálními filtry, které řeší problém SNR. Pro stejné zesílení všech WDM kanálů je zapotřebí vyhladit charakteristiku zisku. Tohoto účelu lze dosáhnout pomocí speciálních mřížek s dlouhou periodou. Sdružení CESNET používá EDFA zesilovače ve svých sítích, první byl nasazen v roce 2002 na trase mezi Prahou a Pardubicemi.
14
3.2 Zapojení EDFA zesilovače pro obnovu signálu Optické zesilovače pracují na principu stimulované emise záření pro zesílení vstupního optického signálu. Princip fungování je velice podobný způsobu práce laserů. Pro účely generování nových fotonů, k zesilovači je potřeba připojit optické čerpání. Tato energie je dodána elektrickým polem u polovodičového zesilovače nebo pomocí záření pumpy u vláknových zesilovačů. Při zesilování dochází také k zesílení šumu následkem spontánní emise (přirozený přechod elektronu na nižší hladinu) ASE (Amplified Sponaneous Emission). EDFA je tvořen laserovým zdrojem záření, tzv. laserovou pumpou a speciálním optickým vláknem, které je dopované Erbiem. Vlivem navázaného záření z laserové pumpy je generovaný zisk v C telekomunikačním pásmu. Generované záření je přičteno k signálu, který v tomto pásmu přenáší data.
Schéma zapojeni EDFA zesilovače
Pro navýšení zisku se používá kaskádové zapojení několika zesilovačů do série.
Kaskádové zapojeni EDFA zesilovačů
15
3.3 Princip fungování EDFA zesilovače Princip fungování EDFA zesilovače, který je v obecné rovině shodný s principem práce všech 3-hladinových laserů, lze shrnout následujícím způsobem: Vlivem navázaného záření z laserové pumpy (o vlnové délce 980 nm nebo 1480 nm) do speciálního vlákna o délce několika metrů (asi 10 metrů), dochází k excitaci atomů dopovaného prvku, v tomto případě iontů Erbia Er3+. Pohlcená energie umožňuje přechod na vyšší energetickou hladinu E3. V tomto takzvaném metastabilním stavu ionty setrvávají velmi krátkou dobu (několik milisekund). Potom následuje nezářivý přechod na hladinu E2 ve vodivostním pásu. Po dosažení stavu inverzí populace, kdy většina iontu Erbia se nachází v excitovaném stavu, dochází k uvolnění energie vlivem přítomnosti přenášeného signálu. Následuje návrat excitovaných iontů na základní energetickou hladinu E1 ve valenčním pásu, doprovázenou stimulovanou emisi záření o shodné vlnové délce a fázi s přenášeným signálem. Tak je v nich dočasně uložena energie získaná ze záření laserové pumpy. Dochází k zesílení přenášeného optického signálu na vlnové délce 1550 nm. Při zesilování dochází i k zesílení šumu v zesilovaném pásmu a zesílení procesů spontánní emise (přirozený přechod elektronu na nižší hladinu).
Excitace atomů Erbia v důsledku čerpání a emise záření na vlnové délce 1550 nm
16
3.4 Čerpací zdroje pro EDFA Používají se zdroje s čerpacím laserem na vlnové délce: •
980 nm
•
1480 nm
Pro účely zesilování se dříve používala pumpa na vlnové délce 1480 nm, nicméně dnes se téměř výhradně používají pumpy na 980 nm, neboť ty jsou schopny dosáhnout vyššího stupně populační inverze a tím i zisku zesilovače. Pásmo 1480 nm se používá z historických důvodů proto, že tyto lasery vykazovaly vysokou spolehlivost, byly cenově dostupné a dosahovaly velkých výkonů od 200 mW do 400 mW. EDFA podporuje obousměrné uspořádání pumpy – zapojené v dopředním a zpětném směru. Čerpací zdroje vyžadují použití optického izolátoru, pro zamezení zpětného šíření se záření, aby nedošlo k poškození laserů.
Pro stejný výkon je v případě laserové pumpy v pásmu 980 nm k dispozici o 50% méně fotonů než v případě 1480 nm pumpy. Laserové pumpy v pásmu 980 nm dosahují dobré spolehlivosti. Díky nízkému šumovému číslu jsou vhodné právě pro aplikace v místech, kde je vyžadován nízký šum. S rostoucím stupněm populační inverze rovněž klesá šum zesilovače.
Z hlediska přenosových vlastností mají zesilovače buzené těmito lasery horší šumové parametry, ale naopak lépe předvádějí výkon; mají větší účinnost přeměny čerpacího výkonu na zesílený signál.
17
3.5 Zisk optických zesilovačů Zisk G je poměr výstupního k vstupnímu výkonu, může být vyjádřen v logaritmickém měřítku. 1) Zisk je tedy roven podílu naměřené hodnoty výkonu (mW) ku referenční hodnotě (mW) – tudíž je to bezrozměrná veličina. 2) Zisk je roven rozdílu naměřené hodnoty úrovně výkonu (dBm) ku referenční hodnotě (dBm) – dostaneme zisk v dB. Když na výstupu je vyšší úroveň signálu než na vstupu, je to kladná hodnota
Vztah mezi jednotami dBm a mW Výkon vyjádřen v dBm udává o kolik dB je tento výkon větší než 1mW. 10 mW odpovídá 10 dBm 1 mW odpovídá 0 dBm 0.1 mW odpovídá -10 dBm Příklad 100mW v přepočtu na dBm: 100mw 10 * log10 ( ) = 10 * log10 100 = 10 * 2 = 20dBm 1mw
Pro vypočtení hodnot výkonu P v [mW] se používá vztah: P[dBm]=10log (P[mW] / 1mW) P[mW]=10P[dBm] / 10 kde P [dBm] je naměřená úroveň Když původní signál byl na příklad 0,00001 mW a po regeneraci byl 0,01 mW, zesílení je 1000 –tudíž 30 dB -30 dBm by mohla být pouze přijata hodnota výkonu (může být i záporná hodnota v dBm).
18
3.6 Zisk EDFA zesilovače a pracovní spektrum vlnových délek Zesilovače EDFA jsou vyvinuty pro dvě pásma. Konvenční pásmo C (1530 1565) a dlouhé pásmo L (1570 nm - 1610 nm). 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. Šířka spektra, ve kterém zesilovače pracují, je kolem 30 nm (pro křemíková jádra).
Základní rozdíl mezi L a C pásmem je, že v případě L pásma je použito delší dopované vlákno.
Zisk 30 až 50 dB a široké pracovní pásmo C+L se považuje za největší výhody EDFA zesilovače.
Zisk zesilovače v C a L pásmu Typicky je EDFA ještě doplněn filtrem (není na schématu), který zajišťuje zploštění křivky zisku v C pásmu, která má maximum na 1530 nm. Jako filtr může sloužit tak zvaná mřížka s dlouhou periodou. Pro zesílení záření na jedné vlnové délce tento filtr není potřebný.
19
3.7 Saturace zisku EDFA zesilovače Obecně platí, že čím je větší počet iontu na vyšší energetické hladině, tím je četnější vznik stimulované emise záření. Tento jev zvyšuje zisk G optického zesilovače. Zesílení je následkem dosažení stavu inverze populace iontů dopovaných díky optickému čerpaní laserovou pumpou (např. na vlnové délce 980nm). Pokud výkon optického signálu narůstá nebo výkon optické pumpy poklesne, stav inverze je redukován a tím je snížen i zisk. Tento jev je znám jako saturace zisku. Jakmile úroveň signálu znovu vzroste, zesilovač je saturován a nemůže produkovat vyšší výstupní výkon, a proto snižuje zisk. Pro zajištění optimálních šumových vlastností jsou EDFA zesilovače provozovány těsně pod hranicí úrovně nasycení. Tím se omezí spontánní emise v dopovaném vlákně a díky tomu se omezí i ASE šum (Amplified Spontaneous Emission). V angličtině je tento jev také znám jako „gain compression“.
20
3.8 Příkladové katalogové parametry EDFA zesilovače V popisu konkrétního výrobku lze najit specifikací optických a konstrukčních parametrů: •
Rozsah pracovního spektra vlnových délek
•
Maximální vstupní výkon
•
Zisk
•
Šumové číslo
•
Polarizačně závislý zisk
•
Polarizačně vidová disperze
•
Zpětné ztráty při odpojené pumpě
•
Pracovní rozsah teploty
•
Typ dopovaného vlákna
•
Rozměry
•
Napájecí napětí
•
Spotřeba energie
•
Uspořádání kontaktů
•
Sériový port RS-232
•
Bezpečnost práce
21
Příkladový katalogový list EDFA zesilovače
22
3.9 Výhody a nevýhody EDFA zesilovače Výhody EDFA •
Široký rozsah vlnových délek cca 30 nm, použitelný v C a L (plošší křivka zisku než v C) pásmu
•
Vysoký zisk (30-50 dB)
•
Nízké šumové číslo (4-6 dB)
•
Není nutné převádět signál optický na elektrický a zpět na optický
•
Nižší výkon čerpacího zdroje
•
Necitlivost na polarizaci vstupního světla
•
Výstupní signál má stejnou fázi a frekvenci
•
Dobrý převod výkonu pumpy na zesílení
•
Pasivní prvek – EDFA odpojené od čerpání je transparentní pro optický svazek pouze s malým vložným útlumem, který pramení u útlumu materiálu vlákna (nerozpojuje optickou síť)
Nevýhody EDFA •
Zesiluje se nejen signál, ale i šum v této oblasti, což může dělat problémy při pozdějším zpracování signálu
•
Spektrální charakteristika zisku není plochá, nutnost použití filtrů
•
Zesilovač je spíše vhodný k zesílení diskrétních signálů
•
Problematická miniaturizace zesilovače
•
Výhody platí především pro C a L pásmo, v dalších pásmech je nutné používat fluoridová vlákna nebo ramanovské zesilovače
•
Nutnost použití pumpy
•
Při přebuzení dojde k zesílení šumu v okolí signálu a SNR je malé
•
Nemožnost integrace do planárních optických vlnovodů, nutnost použití pumpy
23
3.10 Laboratorní úloha zaměřená na měření na EDFA zesilovači Zadání laboratorního měření: Cílem tohoto měření je seznámit se s principem fungování vláknového zesilovače na bázi erbium dopovaného vlákna (EDFA), proměřit charakteristiky zesilovače EDFA a porovnat možnost obnovení signálu jedním zesilovačem s možností obnovy signálu provedené pomoci kaskády zesilovačů.
Postup měření: •
Příprava signálů pro měření (vykonání cca 15 min.) – zapojení obvodu a kalibrace spektrálního analyzátoru
•
Příprava spektrálního analyzátoru
Pokud je obvod již zapojený, proměřte následující charakteristiky: •
Charakteristika DFB zdroje (vykonání cca 15 min.)
•
Spektrální charakteristika zesilovače EDFA (vykonání cca 10 min.) o Porovnejte signál 1550nm před a po provedení jeho zesílení na optické úrovni: vypracujte spektrální charakteristiku obvodu zesílení P = f (λ), IPUMPY980 > 0, IDFB1550 = 0, kde P[dBm] je úroveň výkonu na výstupu obvodu zesílení, λ je vlnová délka pozorovaná v rozsahu přibližně 1400 – 1650 nm
•
Charakteristika signálu obnoveného zesilovačem EDFA (cca 30 min.) o
Vypracujte výkonově-proudovou charakteristiku zesilovaného signálu. Stanovte saturační proud pumpy zesilovače, po překročení hodnoty saturačního proudu pumpy 980 nm se signál na vlnové délce 1550 nm ustálí, další navyšování proudu pumpy vede ke snížení odstupu signálu od šumu
o
Vyneste graf zisku (anglicky Gain) G [dB] = f (IPUMPY), který spočítáte jako rozdíl hodnoty úrovně signálu na vlnové délce 1550 nm před [dBm] a po zapnutí pumpy [dBm]. V praxi jde o odečtení výkonověproudové charakteristiky zesilovaného signálu a naměřené referenční hodnoty zaznamenané před aktivací pumpy.
24
4 Polovodičové zesilovače (SOA) 4.1 Princip generování záření u polovodičů Zisk polovodičového zesilovač je generován ve struktuře polovodiče nikoliv v materiálu optického vlákna jako v případě EDFA zesilovače nebo Ramanova zesilovače. 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
25
4.2 Stimulovaná emise záření u SOA zesilovačů Excitace media Excitace polovodičového media p-n přechodu je následkem čerpání energie a je svázaná se stimulovanou absorpci, kdy pohlcená energie je předána elektronu ve valenčním pásmu polovodiče k tomu, aby mohl být excitován na vyšší energetickou hladinu ve vodivostním pásmu. Energie dopadajícího fotonu musí být dostatečná na překonání zakázaného pásu polovodiče.
Inverze populace V propustně polarizovaném p-n přechodu lze dosáhnout stavu populační inverze excitací molekul na vyšší energetickou hladinu. V praxi, stav populační inverze znamená, že počet elektronů ve vodivostním pásu je vyšší než počet elektronů ve valenčním pásmu.
Generování zisku Vzniklé fotony jsou následně uvolněny. Rezonátor je na rozdíl od polovodičových laserů redukován. Nově generovaný foton stimuluje rekombinaci elektronů a děr. Výsledkem rekombinace je vznik koherentních fotonů o stejné vlnové délce, polarizaci a fázi jakou měl dopadající foton. Pozn.: stimulovaná emise, na rozdíl od spontánní emise, závisí na intenzitě dopadajícího záření.
26
4.3 Struktura polovodičového zesilovače 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. Velká koncentrace nosičů náboje v aktivní oblasti vede ke zvýšení indexu lomu v této oblasti, který je větší než v plášti. Tento region funguje jako vlnovod pro nově vytvořené fotony. Kontrola teploty je v rozmezí přibližně 18-35 °C.
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 násobení výkonu a spolu s mřížkou k selekci vidů. SOA zesilovač je naopak vybaven antireflexní plochou, která zabraňuje vzniku rezonance.
27
4.4 Antireflexní vrstvy SOA zesilovače SOA zesilovač je vybaven antireflexními vrstvy, které zabraňují vzniku rezonance generovaného záření a zvlnění výkonu v pracovním pásmu vlnových délek. Odrazy vedou ke zvlnění výkonu v generovaném spektru následkem rezonance (v případě mnohonásobných odrazů u laseru tento mechanismus vede k selekci vidů). Polovodič se pak chová jako zesilovač nikoliv jako laser, ve kterém záření rezonuje v rezonátoru pro vytvoření svazku o určitém uspořádání vidů. Antireflexní vrstvou je v praxi dielektrický materiál na čele čipu. Antireflexní vrstva má odrazy nižší než 0.001%, proto záření vystupuje ze SOA bez odrazů a jeho míra je srovnatelná se ziskem media, ve kterém je generováno. Čelní plocha s antireflexní je šikmá, což dodatečně zabraňuje zpětnému odrazu. Tento typ SOA zesilovače je znám jako TWSOA (Travelling Wave SOA).
Antireflexní vrstvy SOA zesilovače zabraňující vzniku rezonance a fluktuacím výkonu ve vyzařovaném spektru. Porovnání s mechanizmem rezonance e selekce vidů u Fabry-Perot laserů
28
4.5 Rekombinace u různých typů přechodů u polovodiče Na kvalitu zesilovače má vliv cela řada konstrukčních otázek, typy přechodů u rekombinačních procesů (hetero nebo homopřechody).
Emise záření u polovodičů – homopřechod
Emise záření u polovodičů – homopřechod s přiloženým napětím
Emise záření u polovodičů – heteropřechod s přiloženým napětím
29
4.6 Pokročilejší polovodičové struktury zesilovačů Na kvalitu zesilovače a jeho zisk mají vliv takzvané kvantové jamy MQW (Multiple Quantum Wells) nebo střídající se index lomu v aktivní vrstvě. Volba konstrukčního uspořádání je otázkou kompromisu mezi složitějším výrobním procesem a lepšími parametry, jakými je zisk a saturace.
Příčný řez strukturou SOA s kvantovými jamami
Vertical-cavity SOA Poměrně novým typem SOA zesilovačů je strukturou zvaná VCSOA (Vertical Cavity Semiconductor Optical Amplifier). Struktura VCSOA je podobná laserům typu VCSEL (Vertical Cavity Surface Emitting Laser). Podstatný rozdíl struktur typu VCSOA/VCSEL od ostatních polovodičů je emise záření ve směru kolmému k čelnímu povrchu místo emise z hrany čipu. Použití vertikálního redukovaného rezonátoru vede k úzkému pásmu, ve kterém je generován zisk, VCSOA struktury lze tedy považovat jako jednokanálový zesilovač (rezonátor je krátký a ziskové medium je má malou tloušťku). Tloušťka a index lomu určují vlnovou délku.
30
4.7 Zisk a pracovní spektrum vlnových délek polovodičového zesilovače 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. Některé katalogy zohledňují u SOA zesilovače ztráty na standardním zakončení zesilovače (konektor) nebo vložný útlum zesilovače, který v praxi snižuje celkový zisk. Hodnota se udává pro zesilovač, který není v saturaci.
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. Tento útlum navíc narůstá při odpojení zesilovače z elektrické sítě.
Další parametry SOA zesilovače •
Polarizační citlivost o zisk SOA závislý na polaritě vstupního světla, poněvadž vlnovod, ve kterém vzniká záření není symetrický.
•
Šumové číslo o je poměr SNR na vstupu vůči poměru SNR na výstupu, zdrojem je spontánní emise záření.
•
Dynamika zisku o Schopnost rychlé reakce na změny vstupního výkonu, parametr důležitý pro vysokorychlostní systémy.
31
4.8 Saturace zisku polovodičového zesilovače a další parametry K saturaci zisku dochází při silném vstupním optickém signálu kvůli vyčerpání volných nosičů náboje v aktivní oblasti. Zisk pak s rostoucí hodnotou výkonu klesá. Hodnota saturačního výkonu je dána poklesem zisku o 3 dB od maximální hodnoty zisku. 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
32
4.9 Příkladové katalogové parametry polovodičového zesilovače V popisu konkrétního výrobku lze najit specifikací optických a konstrukčních parametrů: •
Rozsah pracovního spektra vlnových délek; centrální vlnová délka
•
Maximální vstupní výkon; saturační výkon
•
Zisk; zisk pro slabé signály
•
Šumové číslo
•
Polarizačně závislý zisk; polarizačně vidová disperze
•
Útlum při odpojené pumpě
•
Pracovní rozsah teploty; rozlišení ladění teploty
•
Rozlišení přesností ladění zisku
•
Rozměry a hmotnost
•
Napájecí napětí; spotřeba energie
•
Komunikační port USB
•
Vybavení displejem
•
Způsob bezpečného uvedení do provozu; režim interlock
•
Specifikace pro režim práce jako BOA (Booster Optical Amplifier)
33
Příkladový katalogový list SOA zesilovače
34
4.10 Zhodnocení polovodičového zesilovače a příkladové aplikace Výhody: •
Malé rozměry
•
Snadná integrace s lasery a polovodičovými součástkami
•
Malá spotřeba
•
Nevyžaduje optickou pumpu
•
Lepší dynamika zisku než u vláknových zesilovačů s dotací
•
Cena
Nevýhody: •
Menší zisk (15 až 35 dB) než EDFA (30 až 50 dB)
•
SOA zesilovač má velký vložný útlum, který navíc narůstá u zesilovače odpojeného od napájení. Vypnutý SOA zesilovač se chová jako útlumový článek. (EDFA odpojené od čerpání je transparentní pro optický svazek pouze s malým vložným útlumem, který pramení u útlumu materiálu vlákna)
•
Vyšší šumové číslo (7 až 12 dB) než u EDFA a u Ramanova zesilovače
•
Citlivost na polarizaci vstupního světla – dáno rozměry polovodiče
•
Vedle stimulované emise záření existuje proces stimulované absorpce a spontánní emise
•
Závislost pracovní vlnové délky na teplotě čipu, nutnost obvodů pro kontrolu teploty, které zvyšují cenu výrobku
35
4.11 Laboratorní úloha zaměřená na měření na polovodičovém zesilovači Zadání laboratorního měření: Pomocí spektrálního analyzátoru změřte na polovodičovém optickém zesilovači SOA: •
Měření spektrální charakteristiky SOA. Zesilovačem protéká konstantní proud, nulový vstup, konstantní teplota
•
Zisk SOA v lineární oblasti jako funkce teploty. Zesilovačem protéká maximální proud, konstantní nenulový vstup
•
Zisk SOA v závislosti na výstupní výkonové úrovni, lineární režim zesilovače. Zesilovače protéká nenulový proud, teplota je konstantní
•
Zisk SOA v závislosti na výstupní výkonové úrovni, nelineární režim zesilovače. Zesilovačem protéká maximální proud, buzení vstupu SOA pomocí erbium dopovaného vláknového zesilovače EDFA (dostatečně přebuzený výstup), konstantní teplota
36
5 Ramanův zesilovač 5.1 Princip fungování Ramanova zesilovače Podstatou Ramanova jevu je vzájemná interakce fotonů šířících se v daném prostředí s tímto prostředím, kterého důsledkem je posuv pracovní vlnové délky. Ramanův jev našel uplatnění v telekomunikacích, kdy bylo prokázáno, že jej lze pozorovat u optických vláken vyrobených z oxidu křemičitého.
Ramanův zesilovač vytváří stimulovaný Ramanův rozptyl SRS (Stimulated Raman Scattering) v optickém 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). Sir C. Raman za tento objev za tento objev získal Nobelovou cenu za fyziku v roce 1930.
37
5.2 Zisk Ramanova zesilovače 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. V praxi to znamená, že pro zesilovač pracující na vlnové délce 1550 nm je třeba použit čerpací zdroj pracující na vlnové délce 1450 nm. Posun o 13 THz odpovídá přibližně hodnotě 100 nm v doméně vlnových délek. V některých studiích místo maximálního dosažitelného zisku v dB se uvádí výkon vztažen k délce vlákna, ve kterém je generováno zesílení, koeficient se tedy udává v jednotkách 1/(m*W).
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. Jako optimální se jeví nelineární vlákna a vlákna pro potlačování disperzi, u kterých lze dosáhnout efektivního průřez jádra kolem 20 μm2. V praxi se používá kombinace jednovidového vlákna se skokovou změnou indexu lomu SMF (Single Mode Fiber) a vlákna kompenzující disperzi DCF (Dispersion Compensating Fiber) nebo vlákna s posunutou disperzi DSF (Dispersion Shifted Fiber).
Příkladový profil zisku Ramanova zesilovače v C-pásmu
38
5.3 Pracovní spektrum vlnových délek Ramanova zesilovače Ramanův zesilovač může pracovat na libovolné vlnové délce z telekomunikačního pásma, pro které je optický materiál transparentní – zisk závisí na vlnové délce pumpy. Na vlnové délce optické pumpy závisí pracovní spektrum vlnových délek zesilovače. Pracovní spektrum, ve kterém je generován zisk, lze libovolně (v telekomunikačním pásmu) měnit vlnovou délkou pumpy, (není striktně dáno jako je tomu např. u EDFA zesilovače).
Pracovní oblasti ramanovských zesilovačů
39
5.4 Čerpací zdroje pro Ramanův zesilovač Zdrojem energie pro Ramanův zesilovač je optické záření. Záření pumpy se vyznačuje kratší vlnovou délkou než zesilovaný optický signál. Protisměrné čerpání je výhodnější z hlediska nižšího šumu a omezení zvlnění zisku – celá trasa tlumí vzniklý ASE šum (Amplified Spontaneous Emission). Lze také použít větší množství čerpacích zdrojů, např. na počátku a konci trasy, zejména pro maximální zisk zesilovače pracujícího jako booster.
Schéma zapojení Ramanova zesilovače s protisměrným čerpáním.
Z umístění pumpy na trase se odvíjí režimy práce zesilovačů. Existují dva režimy práce Ramanova zesilovačů: •
režim DRA (Distributed Raman Amplifier), s rozprostřeným zesilovačem
•
režim LRA (Lumped Raman Amplifier), režim diskrétní
40
5.5 Distributed Raman Amplifiers Tento režim práce vyžaduje protisměrnou pumpu. Pokud optické čerpání je umístěno na opačném konci trasy, k zisku přispívá celá optická trasa. Tímto jsou průběžně kompenzovány ztráty výkonu signálu. Zesilovače typu DRA se vyznačují nižším šumem, větším ziskem a menším nelineárním zkreslením.
Nevýhodou DRA zesilovače je omezení maximálního počtu pracovních vlnových délek s ohledem na odstup kmitočtů čerpání zesilovače. V praxi je potřeba více zesilovačů pro vyrovnání zisku v přenášeném pásmu. Nevýhodou je také to, že infrastruktura zesilovače je rozložená po celé trase.
41
5.6 Lumped Raman Amplifiers LRA zesilovač tvoří jeden blok, který se umísťuje na daném místě trasy. Diskrétní LRA zesilovač umožňuje generovat zisk na určitých vlnových délkách, zpravidla takových, které nejsou dostupné u zesilovačů používajících dopování příměsi vzácných zemin. LRA zesilovač může například pracovat v S telekomunikačním pásmu, kde umožňuje dosáhnout dvakrát větší přenosovou kapacitu, než dosahuje EDFA v pásmu C.
Výhodou je umístění všech prvků zesilovače na jednom místě a snadný přístup.
42
5.7 Zhodnocení Ramanova zesilovače Výhody: •
Velký zisk a velký saturační výkon
•
Může pracovat na libovolné vlnové délce z telekomunikačního pásma, pro které je optický materiál transparentní – zisk závisí na vlnové délce pumpy
•
Nižší šum než u SOA a EDFA (zpravidla 5-7 dB)
•
Funkce konverze nebo ladění vlnové délky
•
Další fotonické aplikace využívající Ramanova jevu
•
Existence Ramanova jevu v každém typu vlákna
•
Velká přenosová kapacita u trasy s ramanovským zesilovačem a průběžná kompenzace výkonových ztrát u varianty s protisměrnou pumpou
Ramanův zesilovač může dosahovat takových výkonu, které umožňují řezání pevných látek. Pro nezkušené uživatele, kteří nejsou seznámení s bezpečnostními třídami laserů, práce s takovým optickým svazkem může být nebezpečná.
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, které lze pozorovat u čerpacích zdrojů Ramanova zesilovačů
43
5.8 Trendy v optoelektronice a fotonice – první zmínky o mikrostrukturních zesilovačích V literatuře se objevují první zmínky o velmi pokročilých fotonických strukturách, které lze použit pro stavbu optického zesilovače. Mezi takové struktury lze zařadit mikrostrukturní optické zesilovače. Mikrostrukturní zesilovače se zatím běžně nevyrábí a dostupné zdroje hovoří pouze o návrzích v podobě simulačních výsledků. Jsou vytvořeny na bázi fotonického krystalu a jsou kompatibilní s mikrostrukturními vlákny: Základní podmínky pro fungování jsou založeny na následujících principech: •
Zesílení je možné díky zpomalení světla
•
Podmínkou jsou extrémní hodnoty skupinového indexu lomu
•
Zpomalené světlo má větší intenzitu fotonu na určité vlnové délce
•
Struktura je vyrobená metodou epitaxe z Si3N4
•
Tloušťka mikroregionu je 200 nm, velikost mikrostruktury je 200 nm
•
Pod mikrostrukturou je 330 nm široká membrána pro uvolnění záření
44
6 Závěr 6.1 Závěr Znalost parametrů optických zesilovačů prakticky slouží pro správnou volbu výrobku vhodného pro konkrétní použití. Požadavky na booster ohledně velkého saturačního výkonu a velkého zisku vedou k závěru, že pro tuto funkcí je nejvhodnější EDFA zesilovač. Naopak, pro práci předzesilovače, kde není nutné zesílení signálu na vysokou úroveň výkonu, ale kritickým parametrem je šumové číslo, jako optimální se jeví SOA zesilovač. Zvláštní kapitolou jsou ramanovské zesilovače, které nabízí mnohé výhody plynoucí z využití Ramanova jevu, jenž se využívá u velkého množství fotonických aplikací, nicméně tento druh zesilovačů není v průmyslu a obecně v České republice příliš rozšířený a je spíše předmětem zajmu vědců a výzkumníků. •
Booster – SOA (často pod názvem BOA), EDFA, Ramanův zesilovač
•
Linkový zesilovač – zejména EDFA, také Ramanův zesilovač
•
Předzesilovač – SOA, EDFA pouze se speciálním šumovým filtrem
45
6.2 Příkladové hybridní konfigurace zesilovačů Optické zesilovače lze kombinovat a zapojovat do kaskády, pro optimalizaci útlumových, šumových a polarizačních vlastnosti sítě. Ramanovské zesilovače našly uplatnění zejména u dlouhých optických tras v kombinaci s EDFA zesilovači. Ramanův zesilovač lze použit společně se zesilovačem EDFA. Mezi nejčastější kombinace se pak řadí využití diskrétního EDFA společně s distribuovaným ramanovským zesilovačem DRA.
Distribuovaná hybridní linka s EDFA, SOA a s ramanovským zesilovačem – blokové schéma Klíčovou rolí hraje uspořádání optického čerpání, které ovlivňuje přidaný šum. Nedílnou součástí návrhu uspořádání trasy je šumová a útlumová bilance pro dopředný a protisměrný směr pumpování.
46
7 Test znalosti Po zopakování látky doporučujeme ověření znalostí pomocí krátkého testu. 1. Typická hodnota zisku EDFA je a) 5 až 10 dB b) 30 až 50 dBm c) 30 až 50 dB d) 10 až 15 dB správné řešení: c
2. Booster je optický zesilovač a) který se umísťuje na počátku optické trasy hned za vysílačem b) který se umísťuje na konci optické trasy před přijímačem c) který se umísťuje průběžně na trase jako linkový zesilovač d) který je pracuje jako předzesilovač správné řešení: a
3. Koncentrace příměsí u dopovaných zesilovačů se pohybuje v řadu a) stovek tisíc atomů příměsí na milion molekul základního materiálu vlákna b) jednotek až stovek atomů příměsí na milion molekul základního materiálu vlákna c) 0,9 d) 0,6 správné řešení: b
4. Princip fungování EDFA zesilovače využívá hlavně a) Ramanová jevu b) spontánní emise záření c) stimulované emise záření d) mechanizmu Rayleigh rozptylu správné řešení: c
47
5. Antireflexní vrstvy u SOA zesilovače mají za úkol a) vytvořit rezonancí vytvořeného optického záření pro zesílení svazku b) potlačit nežádoucí vidy, zesílit základní vid c) omezit teplotní reflexy, které vedou ke změnám pracovní vlnové délky d) zabránit vzniku rezonance a omezit zvlnění výkonu na vyzařovací charakteristice správné řešení: d
6. Zkratku VCSOA lze rozvést jako a) Vertical Cavity Surface Operating Amplifier b) Virtual Coherent Semiconductor Optical Amplifier c) Vertical Cavity Semiconductor Optical Amplifier d) Virtual Cavity Semiconductor Optical Amplifier správné řešení: c
7. Ramanovský zesilovač generuje záření na vlnové délce a) která je shodná s vlnovou délkou optického čerpání b) která je odvozená od délky vlákna, ve kterém je generován zisk c) která je posunutá o 100 nm směrem k delším vlnovým délkám d) která je posunutá o 100 nm směrem ke kratším vlnovým délkám správné řešení: c
8. Maximální zisk u ramanovského zesilovače lze pozorovat při posunu o: a) 13 THz vůči pumpě b) 100 THz vůči pumpě c) 30 dB vůči pumpě d) 570 nm vůči pumpě správné řešení: a
48
9. Ramanovský zesilovač může pracovat v režimu a) RLA b) RDA c) LRA d) DRA správné řešení: c
10. V roli předzesilovače nejlépe pracuje a) SOA b) EDFA c) Raman zesilovač d) TDFA správné řešení: a
11. V roli linkového zesilovače u DWDM systémů optimálním řešením je a) EDFA b) ramanovský zesilovač c) BOA d) mikrostrukturní optický zesilovač správné řešení: a
12. Erbiem dopovaný zesilovač pracuje v pásmu a) C b) L c) O d) S správné řešení: a, b
49
13. 3R regenerace optického signálu vyžaduje a) obnovu amplitudy b) obnovu kódování signálu c) obnovu tvaru optických pulzů d) obnovu časování správné řešení: a, c, d
14. Mezi vláknové zesilovače s dotací lze zařadit a) Erbiem dopovaný zesilovač b) Ytterbiem dopovaný zesilovač c) Praseodymiem dopovaný zesilovač d) Thuliem dopovaný zesilovač správné řešení: a, b, c, d
15. Nevýhodou vláknových zesilovačů je a) malý zisk v řadu jednotek dB b) úzké spektrum pracovních vlnových délek c) velká úroveň generovaného šumu d) zhoršení parametru SNR správné řešení: c, d
16. Čerpací zdroj EDFA pracuje na vlnové délce a) 630 nm b) 980 nm c) 1480 nm d) 1550 nm správné řešení: b, c
50
17. Zisk optického zesilovače určuje a) poměr výstupního k vstupnímu výkonu, který lze vyjádřit v logaritmickém měřítku b) podílu naměřené hodnoty výkonu (mW) ku referenční hodnotě (mW) c) výkon vyjádřen v dBm d) poměr výstupního k vstupnímu výkonu, který lze vyjádřit v dB správné řešení: a, b, d
18. Polovodičové materiály vhodné pro výrobu optických zesilovačů jsou například a) GaAs b) AlGaAs c) InGaAs d) InAlGaAs správné řešení: a, b, c, d
19. Nevýhodou SOA zesilovače je a) značný vložný útlum b) netransparentnost pro optické signály, pokud je zesilovač odpojen od napájení c) menší zisk než u EDFA d) závislost pracovní vlnové délky na teplotě čipu správné řešení: a, b, c, d
20. Zisk ramanovského zesilovače závisí na a) výkonu pumpy b) délce pumpy (délce vlákna ve kterém je generován zisk) c) průřezu vlákna (velikosti vidové plochy jádra) d) typu rekombinačního procesu a počtu kvantových jam správné řešení: a, b, c
51
21. Výhodou ramanovského zesilovače je a) nižší šum než u EDFA b) možnost volby pracovní vlnové délky v širokém rozsahu c) kompatibilita s různými druhy optických vláken d) velký zisk kolem 30 dB správné řešení: a, b, c, d
22. V roli výkonového zesilovače (booster) nejlépe pracuje a) ramanovský zesilovač s protisměrnou pumpou b) SOA (BOA) c) EDFA d) TDFA správné řešení: a, b
52
