(L-EDFA) Pompa Dalgaboyu ve Fiber Uzunluğunun Optimizasyonu L-Bandı Erbiyum Katkılı Fiber Amplifikatörde (L-EDFA) Pompa Dalgaboyu ve Fiber Uzunluğunun Optimizasyonu Ahmet ALTUNCU Arif BAŞGÜMÜŞ Dumlupınar Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi Elektrik-Elektronik Mühendisliği Bölümü, Kütahya altuncu@dumlupinar.edu.tr arifbasgumus@dumlupinar.edu.tr http://eem.dumlupinar.edu.tr/~altuncu Bilgilendirme : Bu proje Devlet Planlama Teşkilatı tarafından desteklenmektedir. (Proje No : 2003K120380 )

Tek Modlu (SMF) Fiberde İletim Bandları SMF zayıflama eğrisi 700 1300 1100 900 1700 nm 1500 Görülebilir Infrared “L” Bandı ~ 1570 - 1610 nm “O” Bandı ~ 1270-1350 nm “S” Bandı ~ 1470 - 1500 nm “C” Bandı ~ 1530 - 1565 nm “E” Bandı ~ 1370 - 1440 nm Şekil.1. Işık spektrumu Ahmet Altuncu, Arif Başgümüş - Dumlupınar Üniversitesi

Erbiyum Enerji Seviye Diyagramı Şekil.2. Erbiyum İyonunun (Er 3+ ) Silika için Enerji Seviye Diyagramı. Ahmet Altuncu, Arif Başgümüş - Dumlupınar Üniversitesi

EDFA Modelleri En hızlıdan (en az hassastan) en yavaşa (en fazla hassas olana) doğru Saleh Modeli : 2 seviyeli model. Fiber ucundaki pompa ve sinyal güçlerini tahmin edebilir. Arkaplan kaybı, ASE ve ESA ihmal ediliyor. Elektrik alan ve katkılama dağılımları fiber pozisyon ve güç seviyelerinden bağımsız. Eşdeğer ASE girişli Saleh Modeli : Saleh modeline ek olarak fiber ucundaki eşdeğer ASE’yi de hesaplayabilir. Eşdeğer ASE girişi ile Saleh modelinin doğruluğu artırılır. Jopson Modeli : Fiber boyunca pompa, sinyal ve ASE güçleri ile ters birikim değişimleri hesaplanabilir. Giles Modeli : Tam spektral çözüm sağlar. Absorplama ve kazanç (absorplama ve emisyon kesit alanları) parametrelerine dayanır. Birbirine bağlantılı oran ve yayınım denklemlerinin fiber boyunca integrasyon ile çözümüne dayanır. Ahmet Altuncu, Arif Başgümüş - Dumlupınar Üniversitesi

L Bandında Amplifikasyonun Özellikleri L Bandında düşük popülasyon ters birikimi : ~ % 40 C Bandında : > % 70 Daha uzun erbiyum katkılı fiber gereksinimi : 50 ~ 100 m C Bandında : 5 ~ 10 m Yüksek pompa gücü gereksinimi : 100 ~ 200 mW C Bandında : 50 ~ 100 mW Güç transfer verimini artırmak için extra özel teknikler kullanılması gerekebilir : C bandında prob sinyali uygulama C Bandındaki geri yönlü ASE’yi L-EDFA’ya yeniden uygulama Sinyal ve/veya pompa ışını için iki veya üç geçişli konfigürasyon Ahmet Altuncu, Arif Başgümüş - Dumlupınar Üniversitesi

L Bandında Simülasyonun Özellikleri 1600 nm’nin üzerindeki sinyal dalgaboyları için ESA etkisi (Excited State Absorption) dikkate alınmalı : Pompa ESA ve Sinyal ESA ESA_Giles veya ESA-Kesit alan parametreleri Oran ve yayınım denklemlerini çözmek için kullanılan nümerik algoritmaların yakınsaması C bandı EDFA’ya göre daha yavaş ve daha az kararlı Optik elemanların geri dönüş kayıpları ( özellikle erbiyum katkılı fiber girişindeki) ve spektral kesit alan değerlerindeki belirsizlikler simülasyonla deneysel performans arasında farka neden olabilir. Ahmet Altuncu, Arif Başgümüş - Dumlupınar Üniversitesi

Optiwave Optiamplifier 4.0 Şekil.3. Optiamplifier 4.0 menüsü Ahmet Altuncu, Arif Başgümüş - Dumlupınar Üniversitesi

L-Bandı EDFA Simülasyon Devre Şeması Şekil.4. Simülasyonu yapılan L-EDFA Devre Şeması Ahmet Altuncu, Arif Başgümüş - Dumlupınar Üniversitesi

Simülasyon Parametreleri Tablo.1.Metro-12 erbiyum katkılı fiber parametreleri. NA 0.21 Kesim dalgaboyu 960 nm İyon konsantrasyonu 1.6e25 iyon/m3 Öz yarıçapı 1.75 µm Arkaplan kaybı 8 dB/km @ 1310 nm Absorblama 10.46 dB/m @ 980 nm 7.28 dB/m @ 1480 nm 17.70 dB/m @ 1530 nm Emisyon 2.01 dB/m @ 1480 nm 16.59 dB/m @ 1530 nm (b) Şekil 5. Metro-12 EDF için absorblama ve emisyon spektrumları a) 980 nm pompa bandında absorblama spektrumu b) 1480 nm pompa ve 1550 nm sinyal bandı için absorplama ve emisyon spektrumu. Ahmet Altuncu, Arif Başgümüş - Dumlupınar Üniversitesi

Simülasyon Sonuçları-1 (b) Şekil.6. 980 nm ve 1480 nm’de ileri yönde pompalanan 50 m ve 75 m uzunlukta L bandı EDFA’nın Kazanç spektrumu b) Gürültü faktörü spektrumu (Pp = 150 mW, Psig = -30 dBm, 1540-1640 nm arası 100 WDM kanal) Ahmet Altuncu, Arif Başgümüş - Dumlupınar Üniversitesi

Simülasyon Sonuçları-2 (b) Şekil.7. 980 nm ve 1480 nm’de geri yönde pompalanan 50 m ve 75 m uzunlukta L bandı EDFA’nın Kazanç spektrumu b) Gürültü faktörü spektrumu (Pp = 150 mW, Psig = -30 dBm, 1540-1640 nm arası 100 WDM kanal) Ahmet Altuncu, Arif Başgümüş - Dumlupınar Üniversitesi

Simülasyon Sonuçları-3 (b) Şekil.8. 980 nm ve 1480 nm’de çift yönlü pompalanan 50 m ve 75 m uzunlukta L bandı EDFA’nın Kazanç spektrumu b) Gürültü faktörü spektrumu (Pp = 2x75 mW, Psig = -30 dBm, 1540-1640 nm arası 100 WDM kanal) Ahmet Altuncu, Arif Başgümüş - Dumlupınar Üniversitesi

Simülasyon Sonuçları-4 (1,2,3 özeti) Pompalama Konfigürasyonu EDF Uzunluğu (m) 20 dB Kazanç Aralığı (nm) 20 dB Kazanç Bandgenişliği (nm) Kullanılabilir Bandgenişliği (nm) İleri 980 nm Geri 980 nm Çift Yönlü 980 nm 50 1559-1616 1556-1618 57 62 49 60 İleri 1480 nm Geri 1480 nm Çift Yönlü 1480 nm 1557-1618 1571-1612 1555-1619 61 41 64 46 55 75 1592-1625 1577-1629 33 52 43 1576-1630 1561-1633 54 72 Tablo 2. İleri, geri ve çift yönlü olarak 980 nm veya 1480 nm’de pompalanan 50 m ve 75 m uzunlukta L bandı EDFA için 20 dB kazanç bandgenişliği ve kullanılabilir bandgenişliği (NF < 5dB) Ahmet Altuncu, Arif Başgümüş - Dumlupınar Üniversitesi

Simülasyon Sonuçları-5 (b) Şekil.9. İleri ve geri pompa lazeri için 980 nm ve 1480 nm’nin değişik konfigürasyonlarının kullanıldığı Kazanç spektrumu ve b) Gürültü faktörü spektrumu (Pp = 2x75 mW, Psig = -30 dBm, EDF uzunluğu 50 m, 1540-1640 nm arası 100 WDM kanal) Ahmet Altuncu, Arif Başgümüş - Dumlupınar Üniversitesi

Simülasyon Sonuçları-6 (5 özeti) Pompalama Konfigürasyonu EDF Uzunluğu (m) 20 dB Kazanç Aralığı (nm) 20 dB Kazanç Bandgenişliği (nm) Kullanılabilir Bandgenişliği (nm) Çift Yönlü 980-980 nm 50 1556-1618 62 60 1480-1480 nm 1555-1619 64 55 980-1480 nm 61 1480-980 nm 1556-1619 63 52 Tablo 3. Çift yönlü hibrit pompalanan 50 m uzunlukta L bandı EDFA için 20 dB kazanç bandgenişliği ve kullanılabilir bandgenişliği (NF < 5dB) Ahmet Altuncu, Arif Başgümüş - Dumlupınar Üniversitesi

Simülasyon Sonuçları-7 (b) Şekil.10. 980 nm’de çift yönlü pompalama için a) Kazanç spektrumu ve b) Gürültü faktörü spektrumu (Pp = 2x75 mW, Psig = -30 dBm, 1540-1640 nm arası 100 WDM kanal) Ahmet Altuncu, Arif Başgümüş - Dumlupınar Üniversitesi

Simülasyon Sonuçları-8 (b) (a) Şekil.11. 980 nm’de çift yönlü pompalama için 20 dB kazanç bandgenişliğinin İleri/toplam pompalama oranı Pp.top = 150 mW, Erbiyum katkılı fiber uzunluğu ile değişimi (Pp = 2x75 mW). (Her iki şekil için Psig = -30 dBm, 1540-1640 nm arası 100 WDM kanal.) Ahmet Altuncu, Arif Başgümüş - Dumlupınar Üniversitesi

Sonuçlar * L Bandı EDFA’da pompa dalgaboyu ve EDF uzunluğunun kazanç ve gürültü faktörü spektrumlarına etkisi incelenmiştir. * 1480 nm’deki daha yüksek kazanç bandgenişliğine rağmen, gürültü faktörünün 5 dB’den düşük olduğu kullanılabilir bandgenişliği 980 nm’de daha yüksektir. * L Bandı EDFA, maksimum kazanç-gürültü performansı için çift yönlü olarak 980-980 nm veya 980-1480 nm’de pompalanabilir. * Kullanılan Metro-12 EDF parametreleri için optimum ileri/toplam pompa gücü oranı 0.4~0.6, optimum EDF uzunluğu 45~55 m’dir. Ahmet Altuncu, Arif Başgümüş - Dumlupınar Üniversitesi

Bu denklem güce bağımlı olan Aeff ve parametrelerini içermektedir. Ek : Giles Modeli Bu denklem güce bağımlı olan Aeff ve parametrelerini içermektedir. i. seviyenin çakışma integrali veya erbiyum iyonlarını fiber özünde yoğunlaştıma faktörü. Katkılama iyonlarının efektif alanı. Katkılama yarıçapı b olan düzgün katkılanmış bir fiberde ‘dir. Giles modelinde propagasyon denklemlerini, absorblama ve emisyon katsayıları cinsinden yazabiliriz. ve , dalgaboyundaki absorblama ve emisyon katsayılarıdır. İç saturasyon gücü.. Fiber boyunca ortalama popülasyon ters birikimi. ASE dahil tüm ileri ve geri yönlü sinyallerin toplamından oluşur. Ahmet Altuncu, Arif Başgümüş - Dumlupınar Üniversitesi