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Modellizzazione di amplificatori Raman con fibre ottiche a cristallo fotonico Bertolino Giuseppe.

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Presentazione sul tema: "Modellizzazione di amplificatori Raman con fibre ottiche a cristallo fotonico Bertolino Giuseppe."— Transcript della presentazione:

1 Modellizzazione di amplificatori Raman con fibre ottiche a cristallo fotonico Bertolino Giuseppe

2 Leffetto Raman è un effetto non lineare che permette il trasferimento di energia da una lunghezza donda inferiore ad una superiore tramite il Stimulated Raman Scattering (SRS). Per ottenere elevata amplificazione si utilizzano fibre ottiche speciali come le fibre a cristallo fotonico e le fibre step-index realizzate con materiali diversi dalla silice,come la tellurite.

3 Bertolino Giuseppe Le PCF hanno una sezione trasversa costituita da un pattern regolare di fori daria che corrono lungo tutta la lunghezza della fibra. La luce viene guidata attraverso la riflessione interna modificata o il Photonic Band Gap. Modificando i parametri geometrici che caratterizzano una PCF, come il diametro dei fori d e la distanza tra un foro e laltro, detta pitch, Λ, si ha la possibilità di progettare fibre con particolari caratteristiche, ad esempio, enfatizzando gli effetti non lineari, tra cui vi è proprio leffetto Raman.

4 Bertolino Giuseppe Per calcolare le prestazioni di un amplificatore Raman che utilizzi delle PCF si combinano assieme: Modello dellamplificazione Raman γ R (Δν) spettro del coefficiente di guadagno Raman risoluzione delle equazioni di propagazione. si utilizza un solutore modale vettoriale basato sul metodo degli elementi finiti (FEM) che permette di valutare il campo guidato sulla sezione della PCF alla lunghezza donda dinteresse. Descrive levoluzione della potenza dei segnali. Si utilizzano i metodi di Runge-Kutta e di Adams, che producono i medesimi risultati.

5 Bertolino Giuseppe Modello dellamplificazione Raman Il modello include: SRS Stimulated Raman Scattering; lemissione Raman spontanea che dipende dalla temperatura; il Rayleigh backscattering; lattenuazione della fibra in esame e le arbitrarie interazioni tra pompe; segnali e rumore in entrambe le direzioni di propagazione.

6 Bertolino Giuseppe Spettro dei coefficienti di guadagno Raman i s, i p sono le intensità normalizzate di segnale e pompa; S è la sezione trasversa della fibra; m(x, y) la concentrazione di germanio; C SiSi (Δν) e C GeSi (Δν) sono gli spettri Raman, relativi ai legami Si-O-Si e Ge-O-Si presenti nella struttura della fibra, per una lunghezza donda di pompa di λ ref = 1455 nm; C SiSi, peack = 3.34 · m/W; C GeSi,peack = 1.18 · m/W; Nullo il contributo al coefficiente di guadagno Raman dovuto alla porzione di campo che si propaga allinterno dei fori della fibra.

7 Bertolino Giuseppe Contributi di Rumore Per poter determinare limpatto negativo che il Double Rayleigh Backscattering ha sulle prestazioni degli amplificatori Raman, nelle equazioni di propagazione si calcolano distintamente i contributi di rumore dovuti al SRB. Questo si traduce in copie ritardate dei segnali trasmessi. Si è adattato un modello per calcolare il coefficiente di Rayleigh backscatteing r(λ) per r le PCF: Le perdite per scattering sono proporzionali al coefficiente di scattering di Rayleigh, C R, secondo la relazione α s (λ)= C R /λ 4. C R si assume pari a 1 dB/km/μm 4 per una PCF in silice con bassa attenuazione. B(λ) è la frazione di ricattura.

8 Bertolino Giuseppe Risultati Le simulazioni sono state svolte per un sistema WDM con 40 canali nel range tra nm e nm, spaziati in frequenza di circa 100 GHz, con una potenza di ingresso nel tratto di fibra a cristallo fotonico utilizzata per lamplificatore Raman di 20 dBm/ch. Il laser di pompa utilizzato nella simulazione è alla lunghezza donda di 1450 nm con una potenza di 1W. 1° ch 1540,4nm 40° ch 1571,6nm 100 GHz

9 Bertolino Giuseppe Simulazioni Si sono considerate 3 fibre PCF con disposizione dei fori con reticolo triangolare, a bassa attenuazione: fibra A d/Λ = e Λ= 4 μm; fibra B d/Λ = 0.6 e Λ= 4 μm; fibra C d/Λ = 0.6 e Λ= 4 μm; Fibra AFibra BFibra C Valori di picco γ R (Δν) 2,06 (WKm) -1 1,97 (WKm) -1 Attenuazione0,37 dB/Km a 1550 nm Più elevata delle altre 3 dB/Km (*) Coeff.scattering Rayleigh C R 1,0 dB/Km/μm 4 2,3 dB/Km/μm 4 1,9 dB/Km/μm 4 (*) dovuto allassorbimento determinato dagli ioni OH, ottenuto con un processo di disidratazione in fase di filatura

10 Bertolino Giuseppe Spettro del coefficiente di Rayleigh γ R (Δν) Spettro di guadagno Raman Fibra A:gudagno di circa 12 dB a 1550 nm, con 9 km di fibra ed uno spettro di guadagno piatto a meno di 0.5 dB su un range di circa 16 nm. Le migliori proprietà di amplificazione della fibra A producono, per contro, valori peggiori di DBR, pari a circa 42 dB, in confronto ai 67 dB della fibra B. Fibra B:presenta lattenuazione più elevata ed ha un guadagno massimo di appena 1 dB per la lunghezza della fibra di 0.8 km; perché le perdite influiscono in maniera predominante sul fenomeno di amplificazione. Aumentando ulteriormente la lunghezza, le perdite sono così elevate rispetto al coefficiente di guadagno Raman, che non si ha ulteriore guadagno. Double Rayleigh Backscattering

11 Bertolino Giuseppe Fibra Ottimizzata Combinando le basse perdite della fibra A, con la riduzione del picco OH della fibra C e mantenendo fissa la lunghezza della fibra a 9 km, si ottiene un massimo di guadagno di circa 16 dB come mostrato in figura: CONCLUSIONI: Si è sviluppato un modello accurato per descrivere le proprietà Raman delle PCF con arbitrario indice di rifrazione, cioè con qualsiasi dimensione e posizione dei fori daria. Si può progettare accuratamente il design di una PCF da utilizzarsi come mezzo in cui far avvenire lamplificazione Raman, e calcolare le caratteristiche di questo amplificatore per segnali CW (Continuous Wave).


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