AMPLIFICATORI OTTICI

Amplificatori ottici Gli amplificatori ottici permettono di amplificare un flusso luminoso in transito, senza la necessità di conversioni ottiche - elettriche - ottiche. Conseguentemente, la funzione “consolidata” degli amplificatori ottici è quella di consentire la trasmissione a lunga distanza, evitando le conversioni elettro-ottiche, inevitabili nei punti di rigenerazione. Funzioni fondamentali degli amplificatori ottici sono la compensazione delle attenuazioni nelle reti metropolitane e l’equalizzazione della potenza di canale nelle reti riconfigurabili (ad esempio, nei nodi add - drop). Rispetto alle tecniche tradizionali, l’impiego degli amplificatori ottici come pre-amplificatori riduce l’impatto del rumore “termico”, prevalente nei ricevitori di intensità, a fronte di un incremento del rumore “fotonico”.

Amplificatori ottici Il meccanismo con cui si ottiene l’amplificazione è quello dell’emissione stimolata in un mezzo ove sia stata realizzata una inversione di popolazione e ove la transizione energetica sia compatibile con le energie dei fotoni che devono essere amplificati. Le tecniche di amplificazione ottica più importanti sono basate su:  amplificatori in fibra ottica attiva in cui, in un tratto di fibra (di una decina o di qualche decina di metri), drogata con materiali opportuni (ad es., erbio, EDFA, Erbium Doped Fibre Amplifier), è ottenuta l’inversione di popolazione, mediante pompaggio ottico.  amplificatori Raman, basati sull’effetto di scattering Raman;  amplificatori a semiconduttore (SOA, Semiconductor Optical Amplifier), pompati elettricamente mediante iniezione di corrente, impedendo la possibilità di oscillazione, con l’eliminazione della riflessione alle facce della cavità ottica attiva (anti-reflection coating).

Riguardo agli amplificatori ottici “di linea” e ai preamplificatori ottici, la tecnologia consolidata è quella degli amplificatori in fibra drogata all’erbio (EDFA), in banda C (1530 – 1565 nm). Tecnologie emergenti, sempre per impiego in linee ottiche:  amplificatori EDFA in banda L (1565 – 1625 nm);  amplificatori in fibra drogati con altre terre rare per nuove bande, ad esempio, il Tulio per la banda S (1460 – 1530 nm). Amplificatori ottici

In particolare, - gli amplificatori Raman sono di tipo “distribuito”, ovvero utilizzano la fibra stessa di propagazione per l’amplificazione, ovviamente mediante una opportuna pompa ottica, hanno bassa rumorosità e sono adatti per qualsiasi banda, C, L, S. Hanno una“bassa” efficienza e quindi le potenze di pompa sono elevate (centinaia di mW fino a qualche W) e le lunghezze degli amplificatori notevoli (decine di km); - i SOA, realizzati con chip a semiconduttore, sono compatti e potenzialmente impiegabili come amplificatori di linea a tutte le lunghezza d’onda (II e III finestra ottica), variando la composizione del materiale-InGaAsP, sia pure con un sensibile incremento del rumore ottico rispetto all’EDFA; - gli amplificatori in fibra “attiva” al Tulio ed al Praseodimio sono adatti per bande meno convenzionali (banda S e banda O).

Gli amplificatori EDFA hanno rivoluzionato le comunicazioni ottiche:  configurazioni per amplificazione di linea e preamplificazione ottica e di amplificazione di potenza in trasmissione (booster);  bande piuttosto ampie, 20  70 nm;  elevato guadagno di piccolo segnale, 20  40 dB, con decine di mW di potenza di pompa;  elevate potenza di uscita nella configurazione di booster, > 200 mW;  elevata potenza di saturazione di uscita, dBm.  cifra di rumore, F, dell’ordine di 4-5 dB, con pompa a 980 nm (amplificatore di linea o preamplificatore), dell’ordine di 6-7 dB con pompa a 1480 nm (amplificatore di potenza);  insensibili al bit-rate, al formato di modulazione, al livello di potenza ed alla lunghezza d’onda di lavoro (entro la banda utile). Amplificatori ottici EDFA

Negli EDFA, il mezzo attivo è un tratto di fibra ottica (una decina o poche decine di metri), drogata con ioni di Erbio (Er 3+ ). Tali ioni hanno una struttura energetica a livelli (anche se i livelli 4 I 15/2 – ground – 4 I 13/2 sono ulteriormente articolati rispettivamente in 8 e 7 sottolivelli: effetto Stark), e non a bande come nei semiconduttori, che presentano transizioni radiative utili per la III finestra. Il pompaggio è ottico, con fotoni con  = 1480 e 980 nm. Il pompaggio a 980 nm, relativo ad un livello energetico più distante da quello utilizzato nella transizione radiativa, rispetto al pompaggio a 1480 nm, consente, come già visto, una inversione di popolazione più completa, con conseguente rumorosità minore. Il pompaggio a 980 nm consente, quindi, guadagni maggiori (tipicamente 10 dB/mW contro 5 dB/mW) e minore cifra di rumore. Amplificatori EDFA

Amplificatori ottici EDFA La potenza della pompa 1480 o 980 nm) è assorbita dagli ioni di Erbio nella fibra drogata. Il segnale ottico di ingresso stimola gli atomi di erbio ad emettere un segnale ottico “coerente” con quello di ingresso, con guadagno: banda di guadagno nm (C&L), 1532 nm. Effetti collaterali negativi sono dovuti all’emissione spontanea da parte degli atomi di erbio, associata a un “fondo” di luce e rumore ottico (ASE). Tra i vantaggi degli EDFA, semplice ed efficiente accoppiamento alle fibre e alta potenza di saturazione di uscita (maggiore a 1480 nm rispetto a 980 nm: tipicamente, 5 dBm a 980 nm, 20 dBm a 1480 nm). Laser di pompa  100 mW segnale Fibra drogata Isolatore ottico Accoppiatore WDM

Amplificatori EDFA Diagramma energetico degli ioni di Erbio nelle fibre in silice. Nella silice vi sono ioni Er 3+, ovvero atomi di erbio che hanno perduto tre dei loro elettroni esterni ( x L y : x spin multiplicity, L momento angolare orbitale, y momento angolare totale). 4 I 15/2 4 I 13/2 livello metastabile: tempi di vita per transizione allo stato “ground” elevati,  10 ms)  m 0.98  m 0.80  m Pompa a 1.48  m Pompa a 0.98  m Transizione radiativa a  1.55  m Transizione veloce non radiativa (  1  s): fononi Transizione ad uno stato inferiore 4 I 11/2 4 I 9/2

Potenza di uscita in funzione della potenza di ingresso, per diversi valori della potenza di pompa, per un amplificatore EDFA con pompa a 980 nm) Potenza di ingresso (dBm) Potenza di uscita (dBm) Potenza di pompa 10 dBm 15 dBm 20 dBm Amplificatori ottici EDFA

Spettro ottico dell’emissione spontanea amplificata in assenza di segnale (a) e con un segnale ottico di ingresso e con saturazione dell’amplificatore (b). Guadagno e cifra di rumore di un EDFA in configurazione parallela. Banda C 30 nm 1530–1560 nm Banda L 30 nm 1580–1610nm Guadagno dB Lunghezza d’onda nm Figura di rumore dB 15 Da notare che amplificatori a fibra attiva drogata al Tulio possono essere impiegati per la cosiddetta banda S, nm. Amplificatori EDFA Lunghezza d’onda nm dB 1575 nm -40 dBm +10 dBm a b 1525 nm

Amplificatori EDFA Nella banda L, il coefficiente di guadagno è minore di quello nella banda C: è necessaria, quindi, una maggiore lunghezza della fibra attiva (ad esempio, 150 m). I benefici sono l’espansione della banda totale (ad esempio, fino a 80 nm), consentendo la trasmissione di un maggior numero di canali. Le criticità sono associate sia alla maggiore lunghezza della fibra attiva, con possibili problemi di dispersione cromatica, sia alla possibilità di passaggio di potenza da segnali presenti nella banda C a quelli in banda L per Scattering Raman Stimolato. Oltre all’Erbio, si possono impiegare altri droganti, che emettono luce a differenti lunghezze d’onda. Inoltre, tipi di matrice vetrosa diversi dalla tradizionale silice (ad esempio, fluoruri) influenzano la posizione e l’efficienza della bande ottiche ottenibili con i vari droganti.

Guadagno e fattore di emissione spontanea in funzione della potenza di pompa G n sp Potenza di pompa [mW] Fattore di emissione spontanea n sp Guadagno [dB] Sia il guadagno sia il fattore di emissione spontanea dipendono fortemente dall’entità della potenza di pompa; la figura, mostrata a titolo di esempio, si riferisce ad una pompa a 1480 nm.

Guadagno ottico G  Il valore del guadagno dipende dalla potenza del segnale di ingresso;  il punto di lavoro (saturazione) di un EDFA dipende fortemente dalla potenza e dalla lunghezza d’onda del segnale di ingresso Lunghezza d’onda nm Gain (dB) P in = - 30 dBm P in = - 20 dBm P in = - 10 dBm P in = - 5 dBm

Il guadagno di un EDFA (come pure l’ASE) in funzione della lunghezza d’onda varia con la lunghezza d’onda e la potenza del segnale di ingresso. Riferendosi alla figura, il guadagno diminuisce all’aumentare della potenza in ingresso: se la potenza di ingresso é -20 dBm il guadagno é circa 30 dB, a 1550 nm, e la potenza utile di uscita é 10 dBm; se la potenza di ingresso é -10 dBm, il guadagno é circa 25 dB e la potenza di uscita é 15 dBm. Sopra ai -10 dBm in ingresso, l’amplificatore é in piena compressione: con – 5 dBm di potenza di ingresso, il guadagno é 20 dB, quindi l’ulteriore aumento della potenza di ingresso non ha effetto sulla potenza di uscita (ma può consentitre di migliorare la cifra di rumore). Si riconosce la saturazione perchè la traccia (nella figura) diventa più piatta quando la potenza in ingresso aumenta. La saturazione è una situazione preferita di lavoro poiché stabilizza il sistema e riduce il rumore, senza causare effetti nonlineari nell’amplificatore ad alte velocità di modulazione. Guadagno ottico G

Tipologie di amplificatori EDFA  Amplificatori di linea  installati ogni 30  70 km lungo un collegamento ottico;  buon valore della cifra di rumore, potenza di uscita di valore medio.  Amplificatori booster  fino a  30 dBm di potenza; amplifica la potenza del trasmettitore;  impiegati anche nei sistemi TV via cavo prima di uno Star Coupler.  Pre-amplificatori  amplificatori a bassa cifra di rumore come front end dei ricevitori.  Pompati da remoto  senza necessità di elettronica ulteriore, estendono i collegamenti fino a più di 200 km (tipiche le applicazioni “sottomarine”).

Amplificatori EDFA

Banda C / Banda L  Coefficiente di guadagno di 6.3dB/mW, efficienza di conversione massima del 77%, con pompa a 1.48  m, a 1550 nm (banda C);  il coefficiente di guadagno é più piccolo a 1580 nm (banda L) a causa della minore cross section relativa all’emissione stimolata;  l’efficienza di conversione é maggiore a 1550 nm; questo perché l’amplificazione a 1580 nm é dovuta all’ASE a 1550 nm, generato dalla pompa a 1480 nm;  maggiore potenza di pompa e maggiore lunghezza di fibra é richiesta a 1580 nm rispetto a 1550 nm.

Amplificatori ottici Raman L’effetto Raman sposta la di un segnale ottico a valori maggiori (lo shift è di  13 THz, 1550 nm, a  100 nm). Si ha amplificazione distribuita di un segnale spostato in lunghezza d’onda del suddetto shift, che si propaga nello stesso materiale ove è presente la pompa ottica. La pompa stimola una più intensa emissione (coerente), per effetto Raman, alla stessa lunghezza d’onda del segnale utile. Tra le più significative proprietà dell’amplificazione Raman:  non è richiesto drogaggio, la fibra stessa è sede di amplificazione;  è, intrinsecamente, un effetto “debole”, che richiede elevate lunghezze di fibra (tipicamente, maggiori di 10 km) e alte potenze di pompa (tipicamente, dell’ordine di 20  30 dBm);  amplifica, se la lunghezza d’onda della pompa è opportuna, qualunque lunghezza d’onda di segnale.

Distributed Raman Amplifier (DRA)  Come già detto, l’amplificatore DRA é basato sullo scattering Raman;  una pompa di elevata potenza é co-lanciata in fibra ad una lunghezza d’onda più bassa di quella del segnale che deve essere amplificato Stato ground Stati vibrazionali Stato transitorio Pompa per esempio, a 1450 nm Amplificazione 1550 nm fonone rilassamento

Tipica curva di guadagno Raman in funzione di Differenza di lunghezza d’onda [nm], a 1500 nm Coefficiente di guadagno [m/W] e-14 2e-14 3e-14 4e-14 5e-14 6e-14 7e-14 copolarizzato ortogonale Valore del guadagno Raman g R nelle fibre di silice fusa; la dipendenza dalla polarizzazione obbliga ad impiegare la diversità di polarizzazione di pompa. g R varia con la composizione del core della fibra e cambia in modo sensibile con i droganti: dipende inversamente dal valore di.

Punti di forza degli amplificatori Raman: bassa cifra di rumore; tratte di amplificazione lunghe, con minori dislivelli di intensità rispetto all’uso di EDFA; possono essere aggiunti agli amplificatori EDFA, in qualità di pre- amplificatori (amplificazione ibrida); ciò consente di realizzare tratte molto lunghe, con una serie di amplificatori, senza necessità di costosi rigeneratori, sino a bit-rate di 40 Gbit/s; poiché la curva di guadagno trasla con la lunghezza d’onda della pompa, nuove bande ottiche possono essere sfruttate; le intensità delle pompe possono essere messe a punto allo scopo di ottimizzare la risposta dell’amplificatore (guadagno costante su un intervallo spettrale ampio). Amplificatori ottici Raman – vantaggi e svantaggi

Guadagno ottico per qualunque fibra ottica; guadagno ottico per qualunque lunghezza d’onda (pur di avere la pompa di lunghezza d’onda opportuna); impiego di più pompe incrementa la banda di amplificazione; piccolo coefficiente di guadagno  amplificazione distribuita; semplice architettura di amplificazione. Ma … bassa efficienza di pompa; alte potenze nei componenti e nelle fibre (migliorare il packaging, laser affidabili, connettori “puliti”: i connettori possono fondere!); variabilità in campo del guadagno in fibra (controllo della pompa).

Amplificatori ottici Raman – guadagno Il guadagno degli amplificatori Raman varia con la lunghezza d’onda e la potenza di pompa; se ne mostrano le tipiche variazioni, insieme alla variazione del guadagno di picco con la potenza di pompa ( p =1450 nm) Guadagno di picco [dB] Potenza di pompa [W] Lunghezza d’onda [nm] Guadagno [dB] P P = 350 mW P P = 550 mW P P = 950 mW

Differenza di lunghezza d’onda [nm], pompa a 1420 nm Fibra a compensazione della dispersione DCF Fibra monomodale standard SSMF Coefficiente di guadagno in [m/W] Amplificatori ottici Raman – guadagno Ci sono differenze tra i coefficienti di guadagno Raman per le varie fibre; motivo principale sono le diverse dimensioni del core, che causano, a parità di potenza di pompa, diverse concentrazione di potenza ottica.

CaratteristicaAmplificatore a fibra drogataAmplificatore Raman Banda di amplificazione Dipende dai drogantiDipende dalla disponibilità di lunghezze d’onda di pompa Larghezza di banda 20 nm, maggiore per fibre/droganti multipli 48 nm, maggiore per pompe multiple Guadagno20 dB o più, dipendendo da: concentrazione di ioni, lunghezza di fibra, configurazione di pompa 4  11 dB, proporzionale alla intensità della pompa e alla lunghezza efficace della fibra Potenza di saturazione Dipende dal guadagno e dalle costanti fisiche del materiale Circa uguale alla potenza delle pompe Lunghezza d’onda di pompa 980 nm o 1480 nm per gli EDFA100 nm minore di quella del segnale al picco del guadagno Amplificatori Raman distribuiti e a fibra drogata - un confronto

EDFA 1480 nm Raman Potenza di pompa “lanciata”[W] Efficienza nella conversione di potenza [%] Si mostra un confronto, in termini di efficienza di conversione di potenza (potenza utile di uscita/potenza di pompa) in funzione della potenza di pompa, tra amplificatori EDFA e Raman, in condizioni tipiche (la fibra é del tipo a compensazione di dispersione). Amplificatori Raman distribuiti e a fibra drogata - un confronto

Potenza di pompa (W) Potenza del segnale di uscita (mW) Raman EDFA a 1480 nm EDFA a 980 nm