optische verstärker und beurteilung von edfa mit … 2009 3 „tdm“ mit opto-elektronischen...

Optische Verstärker und Beurteilungvon EDFA mit optischenSpektrumanalysatoren

Optische SpektralanalyseJörg LatzelMai 2009

Yokogawa 2009 2

Wir beschäftigen uns im folgenden mit…

Wozu optische Verstärker Das Leben vor und nach der Erfindung des optischen Verstärkers

Optischen Verstärkerverfahren

EDFA (Erbium Dotierter Faserverstärker) Halbleiterverstärker Raman Verstärker

Anforderungen an die Messtechnik Grundanforderungen Messvarianten Praktische Demonstration EDFA Messung per OSA

Inhalt Wozu Verstärker Verstärkerverfahren Anforderung Messtechnik Demonstration Inhalt

Yokogawa 2009 3

„TDM“ mit opto-elektronischen Regeneratoren

TXTX RXRX

TXTX RXRX

1310 nm1310 nm

1550 nm1550 nm

REGENERATORREGENERATOR

TXTX RXRX

TXTX RXRX

1310 nm1310 nm

1550 nm1550 nm

SignalverstSignalverstäärkungen wurden in den Anfrkungen wurden in den Anfäängen derngen der

Lichtwellenleitertechnik immerLichtwellenleitertechnik immer üüber OE/EO Regeneratoren realisiertber OE/EO Regeneratoren realisiert

eine Dateneine Datenüübertragung auf unterschiedlichen Wellenlbertragung auf unterschiedlichen Wellenläängen fand auf einerngen fand auf einer

Faser in der Regel nicht stattFaser in der Regel nicht statt


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„Klassische“ WDM Verbindung mit opt.-elektronischen Regeneratoren

TXTX

TXTX

1310 nm1310 nm

1550 nm1550 nm

WW

DD

MM

WW

DD

MM

RXRX

RXRX

TXTX

TXTX

REGENERATORREGENERATOR 1310 nm1310 nm

1550 nm1550 nm

WW

DD

MM

WW

DD

MM

RXRX

RXRX

die ersten WDM Systeme wurden in verschiedenen optischen Fenstedie ersten WDM Systeme wurden in verschiedenen optischen Fensternrn

betriebenbetrieben

da vor jedemda vor jedem SignalgregeneratorSignalgregenerator die Signale durch optische Filter zudie Signale durch optische Filter zu

trennen waren, um mit eigenen Versttrennen waren, um mit eigenen Verstäärken elektrisch aufbereitet und mitrken elektrisch aufbereitet und mit

einer LASER Quelle auf richtiger Wellenleiner LASER Quelle auf richtiger Wellenläänge weitergegeben werdennge weitergegeben werden

mumußßten,ten, war dieses System wenig lukrativ und selten angewendetwar dieses System wenig lukrativ und selten angewendet


Yokogawa 2009 5

Einführung optischer Verstärker

WDM KopplerWDM Koppler

1480 / 1550nm1480 / 1550nm

PumpPump--LASER 1480 nmLASER 1480 nm

Erbiumdotierte Faser 10Erbiumdotierte Faser 10--20 m20 m Opt. FilterOpt. Filter

durch oben gezeigten Aufbau lassen sich die optischen Signale hedurch oben gezeigten Aufbau lassen sich die optischen Signale heuteute

um etwa 30 dB verstum etwa 30 dB verstäärken; Faserdrken; Faserdäämpfungen vonmpfungen von üüber 100km kber 100km köönnen sonnen so

ausgeglichen werdenausgeglichen werden


Die Jahre 1992/93 erst haben die Glasfaser durch die erste RealiDie Jahre 1992/93 erst haben die Glasfaser durch die erste Realisierungsierung

und Kommerzialisierung des EDFA auf dieund Kommerzialisierung des EDFA auf die ÜÜberholspur gebracht.berholspur gebracht.

Yokogawa 2009 6

Opt DEMUXOpt MUX

LD2MOD MODＰＤMOD

TXTX22 RXRX22

LD3MOD MODＰＤMOD

TXTX33 RXRX33

LD4MOD MODＰＤMOD

TXTX44 RXRX44

LD1MOD MODＰＤMOD

TXTX11 RXRX11

EDFA

10Gbit/sec Electrical Signal

40Gbit/sec

Optical Modulated &Multiplexed Signal

10Gbit/sec Wavelength Division MultiplexingInhalt Wozu Verstärker Verstärkerverfahren Anforderung Messtechnik Demonstration Inhalt

erst durch die Einferst durch die Einfüührung optischer Versthrung optischer Verstäärker wurde ermrker wurde ermööglicht, auf denglicht, auf den

kostenintensiven Aufbau von WDM Systemen mitkostenintensiven Aufbau von WDM Systemen mit optoopto--elektrischenelektrischen

Regeneratoren zu verzichtenRegeneratoren zu verzichten

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10Gbit/sec Wavelength Division MultiplexingInhalt Wozu Verstärker Verstärkerverfahren Anforderung Messtechnik Demonstration Inhalt

Effizient multiplexen!?

Yokogawa 2009 8

EDFA – Erbium Doped Fibre AmplifierInhalt Wozu Verstärker Verstärkerverfahren Anforderung Messtechnik Demonstration Inhalt

•Eine Erbium dotierte Glasfaser absorbiert bei Einkoppelungvon Licht aus einer Breitbandquelle (z.B. Halogenlicht) denWellenlängenbereich um 800nm, 980nm und einen Bereichvon 1420 bis 1580nm.•Die je absorbierte Energie wird genutzt um Elektronen aufjeweils höhere Energieniveaus zu bringen.

Faserverstärker

Absorptionsniveau

Wellenlänge (nm)

800 1000 1400 16001200

Yokogawa 2009 9


•Ein Pumplaser mit = 980 oder 1480 nm hebt Elektronen ausdem Grundzustand auf ein höheres Energieniveau.•Die Elektronen fallen nach etwa 1µs auf ein niedrigeres Niveauund erzeugen dabei m.e. spontanes Breitbandlicht undverursachen ein Anheben von Signallicht (sofern vorhanden)durch stimulierte Emission im selben Wellenlängenbereich.•Die Verstärkung ist dabei Wellenlängenabhängig bis zu 30dB

Energieniveau

λ= 1480nmB1

B2

B3

λ= 980nm Nicht strahlenderNicht strahlender ÜÜbergangbergang

StrahlenderStrahlender ÜÜbergangbergang

Energieerklärung Erbium Dotierter Faser

Demo: Spektrum mit Pumpe ohne Signal

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•Arbeitsbereich der EDFAs ist je nach Dotierung im S-, C-und L-Band (1480 – 1640nm)

Typ. ASE Spektren (Quelle:Fibotec)www.fibotec.com

Yokogawa 2009 11

SOA Semiconductor Optical AmplifierInhalt Wozu Verstärker Verstärkerverfahren Anforderung Messtechnik Demonstration Inhalt

•Die Verstärkung in einem Halbleiter erfolgt durchstimulierte Emission (Stimulierung durch Signallicht)•Der Aufbau ähnelt einem Halbleiter (FP) Laser•Die Längsseiten des Resonators sind aber nicht ver- sonder entspiegelt umnicht als Resonator zu wirken, sondern Signale stimuliert passieren zu lassen

Vorteil•Hohe Verstärkung(30dB), Kompaktes und günstiges Bauelement•Eröffnet viele Möglichkeiten der optischen Signalverarbeitung (FTTH)Nachteil•Variierende Verstärkung und Variation der Bit-Raten im GB/s Bereich (sehrschmalbandig)•Max. für 10GBit/s geeignet•Hohe Einfügeverluste•Polarisationsempfindlich

P

N

-

+

AntireflexschichtAntireflexschicht

N-Schicht

P-Schicht

-

+

SOAFP LASER

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Raman VerstärkerInhalt Wozu Verstärker Verstärkerverfahren Anforderung Messtechnik Demonstration Inhalt

Kern

LD- Quelle

ankommendes Lichtgestreutes Licht (teils rückgestreut)

Rayleigh Rückstreuung Durch Inhomogenitäten im Glas kommt bei Einstrahlung von

Licht in die Glasfaser an jeder Stelle in der Faser zu Streuungen.Diese Streuung fällt teils als Rückstreuung aus und wird somitzum Sender (OTDR/BOTDR) zurück gestreut. Dieses Lichtverwendet z.B. ein OTDR um eine Aussage zur Dämpfung zumachen.

Yokogawa 2009 13


“Rück”-Streuungs Frequenzen (Frequenz[Hz])

Rayleigh Streuung (0)

Brillouin Frequenz (B) sehr schmalbandig, 10GHzAbstand vom Träger

Wellenlänge (Frequenz)

Inte

nsitä

t

RamanFrequenz (0-)

Quelle (0)

～～

RamanFrequenz(0+)

Raman Stoke (kann auch stimuliert erfolgen!) Raman Anti-Stoke

Die Raman Stokes Mittenwellenlängen haben im Glas ca. 13Thz Abstand (ca. 100nm bei 1550nm absolut)Und 10THz Bandbreite (ca. 80nm @ 1550nm)

Erinnerung an Demo Pump Laser!

Yokogawa 2009 14


•Die Raman Stokes entstehen durch Wechselwirkung von starken LASERN (ca.1Watt) mit dem Molekülgefüge des Mediums•Die Bandbreite beträgt ca. 70nm und eine effektive Verstärkung mit einerSignalpumpe ist über 40nm realisierbar

Vorteil•Die normale Faser kann als Verstärkungsmedium verwendet werden

•Keine spezielle Dotierung nötig•SSM Fasern sind bestens geeignet

Nachteil•Durch die Ausnutzung eines sehr breitbandigen Bereiches mit hoherPumpenenergie kann es zu unerwünschten nicht linearen Effekten kommen.•Verstärkung liegt im Bereich von 10dB (EDFA 25-30dB, SOA 30dB)

DWDM Signale1560-1620nm

300 km SMF Koppler Pumplaser(im Beispiel 1480nm)

Isolator

Filter

Yokogawa 2009 15


•Bei Verwendung nur einer Pumpe ist der Verstärker Polarisationsabhängig;Verwendung von 2 Pumpen kompensiert den Nachteil (siehe Bild)•Mehrere Pumpwellenlängen erlauben den effektiven Bandbreitenbereich bisauf 160nm zu erweitern•Speziell dotierte Fasern würden eine höhere Verstärkung liefern, machen dannaber gegenüber einem EDFA keinen großen Sinn mehr

DWDM Signale1560-1620nm

300 km SMF Koppler

PumplaserMit entweder / undUnterschiedlichen Wellen-Längen bzw. Polarisationen

Isolator

Filter

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VerstärkertopologieInhalt Wozu Verstärker Verstärkerverfahren Anforderung Messtechnik Demonstration Inhalt

Ultrabreitbandverstärker (300nm)

AusgangsspektrumQuelle: Alcatel 2000

Darstellung eines UltrabreitbandDarstellung eines Ultrabreitbandüübertragungssystemsbertragungssystems

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Anforderungen an DFB Quellen…

Optimale Seitenmodenunterdrückung Keine Beeinflussung von Nachbarkanälen

Sehr geringes Eigenrauschen (SSE) um das Resultat so wenig wie möglich zubeeinflussen

Unabhängige Abstimmung von Wellenlänge und Level um die Testträger abzugleichen


Yokogawa 2009 18

Beispiel eines WDMBeispiel eines WDM SignalesSignales auf einem EDFAauf einem EDFA –– „„RauschteppichRauschteppich““


OSA Messung

Yokogawa 2009 19

EDFA Analyse mit dem OSA…

Messung des “Original”-Signales auf Trace AMessung des verstärkten Signales auf Trace B


Yokogawa 2009 20


Auswahl von Detektion und Interpolationsverfahrenper Menü!


Yokogawa 2009 21


Ausführung der EDFA Analyse durch Auswahl derFunktionstaste 3 im Menü


Yokogawa 2009 22

Gain Tilt Anzeige…

Gain Tilt (Abweichungsanzeige)


Yokogawa 2009 23

Das Pulsverfahren mit Lichtquelle, AOM und OSA

AOM (Akusto Optischer Modulator) 1 schaltet mit 1MHz Modulation das Signallicht an/aus;1 MHz ist ausreichend schnelle genug, um den ASE Level nach dem Ausschalten des

Signales nicht ansteigen zu lassen!


Demo: Spektrum mit Pumpe ohne Signal-dann mit; vergleiche ASE!

Yokogawa 2009 24

Schnelles Zu und Wegschalten der Träger

Das schnelle “Zu/Wegschalten” des Trägersermöglicht das “gegatete” hochgenaue Beurteilen

Die Trägheit der ASE (Faserverstärker) führt imMillisekundenbereich nicht zu einer Veränderung des ASELevels.

Der ASE Level kann somit akkurat am Signalpunkt gemessenwerden; diese Methode eignet sich nicht zum Monitoren, nurfür Systemprüfungen von Systemen die “nicht on line” sindund für Verstärkertests


Yokogawa 2008 25

Praxis

EDFA Messung


Yokogawa 2009 26

EDFA Beurteilung Setup

•Die Lichtquellen werden zunächst direkt mit dem OSA verbunden undbeurteilt. Das Ergebnis wird in TRACE A gespeichert•Die Lichtquellen werden über den EDFA geleitet und der Ausgang mit demOSA verbunden•Das Signal wird gemessen undAuf Trace B gespeichert•Zum Schluss findet dieBerechnung durch Druck auf“Analyse” statt


Yokogawa 2009 27

OSNR Messung an moduliertem Signal mit Yokogawa OSA

•Die Verstärkung des Signals ergibt sich aus dem Verhältnis des Signallevelsohne und mit Verstärkung•Die Rauschzahl (NF) ergibt sich wie folgt:

GGBhP

dBNFo

ASE 1log10)( 10

The necessary quantities are as follows:-PASE is the ASE power measured in the bandwidth Bo-h = 6.626 x 10 –34 [Js] (Planck’s constant)-v is the optical frequency (Hz)-G is the gain of optical amplifier (linear units)-Bo is the optical bandwidth in Hz = 6.2 x 10^10 Hz for DELTALambda = 0.5 nm at 1555 nm

c

•Die Formel gilt jedoch nur solange, wie die PASE verglichen mit derspontanen Emission der Quelle (PSSE ) gross ist und eine wirklicheVerstärkung vorhanden ist. Ist PASE wie in einem Test ohne Verstärkersogar gleich PSSE , so wird es notwendig, die Formel wie folgt zu erweitern:

o

SSE

o

ASE

BhP

GGBhP

dBNF

1log10)( 10


Yokogawa 2009 28

Wir haben uns befasst mit…

Wozu optische Verstärker Das Leben vor und nach der Erfindung des optischen

Verstärkers

Optischen Verstärkerverfahren

EDFA (Erbium Dotierter Faserverstärker) Halbleiterverstärker Raman Verstärker

Anforderungen an die Messtechnik Grundanforderungen Messvarianten Praktische Demonstration EDFA Messung per OSA


Vielen Dank für die Aufmerksamkeit

AQ6370B & AQ6375OPTICAL SPECTRUM ANALYZER

optische verstärker und beurteilung von edfa mit … 2009 3 „tdm“ mit opto-elektronischen...

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