Skúmanie vplyvu dĺžky aktívnej oblasti polovodičového optického …diplom.utc.sk/wan/686.pdf · 2006. 9. 11. · Skúmanie vplyvu dĺžky aktívnej oblasti polovodičového

Skúmanie vplyvu dĺžky aktívnej oblasti polovodičového optického zosilňovača (SOA) pri optickom spracovaní signálu

DIPLOMOVÁ PRÁCA

DOMINIK KRIŠTOF

ŽILINSKÁ UNIVERZITA V ŽILINE Elektrotechnická fakulta Katedra telekomunikácií

Študijný odbor: TELEKOMUNIKÁCIE

Vedúci diplomovej práce: Ing. Radoslav Odrobiňák, PhD.

Stupeň kvalifikácie: inžinier (Ing.) Dátum odovzdania diplomovej práce: 19.5.2006

ŽILINA 2006

Abstrakt

Diplomová práca sa zaoberá vývojom plne optických sietí s využitím SOA v týchto

sieťach. Ďalej popisuje základné vlastnosti SOA, princíp jeho činnosti a možnosť použitia

v rôznych aplikáciach v lineárnom a najmä nelineárnom režime. V tejto práci sa vyšetruje

ako vplýva dĺžka aktívnej oblasti SOA pri plne optickom spracovaní signálu v niektorých

aplikáciách, ktorými sú: demultiplexor OTDM, konvertor vlnovej dĺžky a optický spínač.

Tento výskum je realizovaný v simulačnom programe VPIphotonics™, ktorý pracuje na

báze numerickej analýzy.

Žilinská univerzita v Žiline, Elektrotechnická fakulta Katedra telekomunikácií

ANOTAČNÝ ZÁZNAM – DIPLOMOVÁ PRÁCA

Priezvisko, meno: KRIŠTOF DOMINIK Školský rok: 2005/2006

Názov práce:

SKÚMANIE VPYVU DĹŽKY AKTÍVNEJ OBLASTI POLOVODIČOVÉHO

OPTICKÉHO ZOSILŇOVAČA (SOA) PRI OPTICKOM SPRACOVANÍ SIGNÁLU

Počet strán: 47 Počet obrázkov: 17 Počet tabuliek: 2

Počet grafov: 15 Počet príloh: 15 Použitá literatúra: 13

Anotácia (slov. resp. český jazyk):

Diplomová práca sa zaoberá vývojom plne optických sietí s využitím SOA. Popisuje

základné vlastnosti SOA, princíp činnosti a jeho použitie v rôznych aplikáciach. Jadrom

práce je zistiť ako vplýva dĺžka aktívnej oblasti SOA pri plne optickom spracovaní

signálu vo vybraných aplikáciach. Tento výskum je realizovaný v simulačnom programe

VPIphotonics™.

Anotácia v cudzom jazyku (anglický resp. nemecký):

The diploma work deal with evolution of full-optic networks with utilization SOA. It

describes with the basic facilities SOA, its function process and usage in various

application. Mainly part this work is find out how influence length of active area SOA by

full optic signal processing in chosen application. This investigation is realized in

simulation program VPIphotonics™.

Kľúčové slová:

Plne optická sieť, SOA, demultiplexor, konverzia vlnových dĺžok, optické spínanie,

VPIphotonics.

Vedúci diplomovej práce: Ing. Radoslav Odrobiňák, PhD. Recenzent práce: Ing. Drahomír Grendár Dátum odovzdania práce: 19.5.2006

Obsah

Zoznam obrázkov................................................................................................................. I

Zoznam tabuliek.................................................................................................................. II

Zoznam použitých skratiek ................................................................................................III

ÚVOD..................................................................................................................................1

1 PRECHOD K PLNE OPTICKÝM SIEŤAM ..............................................................2

1.1 Komunikácia po optickom vlákne .......................................................................2

1.2 Súčasnosť a budúcnosť optických sietí................................................................3

1.3 Úloha polovodičových zosilňovačov v optických komunikáciách......................6

2 POLOVODIČOVÝ OPTICKÝ ZOSILŇOVAČ .........................................................8

2.1 Historický vývoj SOA..........................................................................................8

2.2 Základy SOA .......................................................................................................9

2.3 Štruktúry a materiály SOA.................................................................................12

2.3.1 Štruktúry SOA: ..........................................................................................12

2.3.2 Druhy SOA: ...............................................................................................13

2.3.3 Typy SOA: .................................................................................................14

2.3.4 Materiály: ...................................................................................................15

2.4 Nelinearity SOA.................................................................................................15

2.4.1 Krížová modulácia zisku............................................................................16

2.4.2 Krížová modulácia fázy .............................................................................17

2.4.3 Štvorvlnové zmiešavanie ...........................................................................17

3 MOŽNOSTI VYUŽITIA SOA..................................................................................19

3.1 Lineárny režim ...................................................................................................19

3.1.1 Pomocný zosilňovač ..................................................................................20

3.1.2 Predzosilňovač ...........................................................................................21

3.1.3 In-line zosilňovač (sériový) .......................................................................22

3.2 Nelineárny režim................................................................................................22

3.2.1 Konvertory vlnovej dĺžky ..........................................................................22

3.2.2 Optické logické obvody .............................................................................25

3.2.3 Optické spínače..........................................................................................25

3.2.4 Multiplexory ..............................................................................................28

3.2.5 Optické cross-connect-y.............................................................................30

3.2.6 Generátor optických impulzov...................................................................31

3.2.7 Optická obnova taktu .................................................................................32

4 SKÚMANIE VPLYVU DĹŽKY SOA V SIMULAČNOM PROGRAME ..............34

4.1 Konvertor vlnovej dĺžky ....................................................................................35

4.2 Optický spínač ...................................................................................................40

4.3 Demultiplexor OTDM .......................................................................................43

ZÁVER ..............................................................................................................................47

Zoznam použitej literatúry.................................................................................................48

I

Zoznam obrázkov

Obr. 1.1 Zvyšovanie kapacity optických vlákien...............................................................4

Obr. 1.2 Prechod k plne optickým sieťam .........................................................................5

Obr. 2.1 Principiálny nákres SOA .....................................................................................8

Obr. 2.2 Prechody v dvojhladinovom modeli ....................................................................9

Obr. 2.3 Závislosť zisku SOA od výstupného výkonu ....................................................11

Obr. 2.4 Názorný pohľad na SOA so šikmým pásom vlnovodu......................................14

Obr. 2.5 Konvertor vlnovej dĺžky na princípe XGM v SOA ..........................................16

Obr. 2.6 Štvorvlnové zmiešavanie v SOA .....................................................................18

Obr. 3.1 Použitie SOA v lineárnom režime ....................................................................20

Obr. 3.2 Použitie pomocného zosilňovača v optických distribučných sieťach................21

Obr. 3.3 Optický prijímač s predzosilňovačom ...............................................................21

Obr. 3.4 Michelsonov interferometrický (MI) konvertor vlnovej dĺžky..........................22

Obr. 3.5 Mach-Zehnder-ov interferometrický (MZI) ......................................................23

Obr. 3.6 Konvertor vlnovej dĺžky s výberom polarizácie................................................24

Obr. 3.7 SOA logické obvody: (a) XOR, (b) OR, (c) NOR.............................................25

Obr. 3.8 SOA ako jednoduchý optický spínač.................................................................26

Obr. 3.9 Spínací hybridný modul SOA 2×2.....................................................................26

Obr. 3.10 Optický spínač s využitím SLALOM-u ..........................................................27

Obr. 3.11 Princíp funkcie TOAD-u ................................................................................28

Obr. 3.12 Demultiplexor OTDM s využitím GS-MZI štruktúry ....................................28

Obr. 3.13 MZI Add/Drop multiplexor .............................................................................29

Obr. 3.14 Preladiteľný SOA filter ADM ........................................................................30

Obr. 3.15 Jednoduchý 4 × 4 optický cross-connect ........................................................30

Obr. 3.16 Optická regenerácia impulzov ........................................................................31

Obr. 3.17 Optická obnova taktu ......................................................................................32

Graf 4.1 Časový priebeh pôvodného signálu a diagram oka ............................................36

Graf 4.2 Časový priebeh signálu a diagram oka pre SOA s L = 300μm, I = 200mA.......36

Graf 4.3 Časový priebeh signálu a diagram oka pre SOA s L = 1000μm, I = 750mA.....37

Graf 4.4 Frekvenčné spektrum signálov ...........................................................................38

Graf 4.5 Závislosť OSNR od dĺžky SOA ( 2,5 Gb/s ) ......................................................38

II

Graf 4.6 Závislosť zisku od dĺžky SOA ( konvertor ).......................................................39

Graf 4.7 Závislosť OSNR od dĺžky SOA ( 10 Gb/s ) .......................................................40

Graf 4.8 Časový priebeh signálu spínača..........................................................................41

Graf 4.9 Diagram oka ( spínač )........................................................................................42

Graf 4.10 Závislosť zisku od dĺžky SOA ( spínač ) ..........................................................42

Graf 4.11 Závislosť OSNR od dĺžky SOA ( spínač )........................................................43

Graf 4.12 Vstupný signál demultiplexora .........................................................................44

Graf 4.13 Nastavenie riadiacich impulzov........................................................................44

Graf 4.14 Výstupné priebehy z demultiplexora ................................................................45

Graf 4.15 Diagram oka demultiplexora ............................................................................45

Zoznam tabuliek

Tab. 2.1 Rozdiely medzi OFA a SOA..............................................................................12

Tab. 3.1 Požiadavky na optické zosilňovače....................................................................19

III

Zoznam použitých skratiek

Skratky Anglický význam Slovenský význam

ADM Add drop multiplexer Add drop multiplexor ARC Anti reflection coating Anti reflexný povrch ASE Amplified spontaneous emission Zosilnená spontánna emisia BER Bit error rate Bitová chybovosť CW Continuous wave Nepretržitá vlna DC SOA Directionally coupled SOA Smerovo delený SOA DCS Digital cross-connect Digitálny „cross-connect“ DFA Doped fiber amplifier Dopovaný vláknový zosilňovač DWDM Dense WDM Husté WDM EDFA Erbium-doped fiber amplifier Erbiom dopovaný vláknový zosilňovač ER Extension ratio FPA Fabry-Perot amplifier Fabry-Perotov zosilňovač FWHM Full width in half maximum Šírka v polovici maxima FWM Four wave mixing Štvorvlnové zmiešavanie GC SOA Gain clamped SOA SOA s uzavretým ziskom GMPLS Generalized multiprotocol label Zovšeobecnené multiprotokolové switching spínanie návestí GS-SOA Gain shifted SOA SOA s posunutým pásmom LAN Local area network Lokálna sieť LDA Laser diode amplifier Laserový diódový zosilňovač MAN Metropolitan area network Metropolitná sieť MI Michelson interferometer MMI Multimode interference Multimódová interferencia MQW Multi-quantum well

IV

MSPP Multi-service provisioning Platforma na riadenie viacerých platform služieb MZI Mach-Zehnder interferometer NGON Next generation optical network Optická sieť ďalšej generácie NOLM Nonlinear optical loop mirror Nelineárne slučkové zrkadlo NRZ Non return to zero (Kód) bez návratu k nule OBPF Optical band pass filter Optický pásmový filter OEO Optic-electro-optic Opticko-elektricko-optické OFA Optical fiber amplifier Optický vláknový zosilňovač OSDM Optical space division multiplex Optický priestorovo delený multiplex OSNR Optical signal to noise ratio Optický odstup signál / šum OTDDM Optical time division Optický multiplexor s časovým demultiplexer delením OTDM Optical time domain multiplexing Optický časovo delený multiplex PBS Polarization beamsplitter Polarizačný delič svetla PIC Photonic integrated circuit Fotonické integrované obvody PRBS Pseudorandom binary sequence Pseudonáhodná binárna postupnosť PXC, OXC Photonic, optical cross-connect Optický „cross-connect“ RZ Return to zero (Kód) s návratom k nule SC Switching contrast Spínací kontrast SDH Synchronous digital hierarchy Digitálna synchrónna hierarchia SLA Semiconductor laser amplifier Polovodičový laserový zosilňovač SLALOM Semiconductor laser amplifier Polovodičový laserový zosilňovač in a loop mirror v slučkovom zrkadle SOA Semiconductor optical amplifier Polovodičový optický zosilňovač SONET Synchronous optical network Synchrónna optická sieť SPM Self phase modulation Vlastná modulácia fázy

V

TE Transverse electric Transverzne elektrický TLLM Transmission line laser model TMLL Tuneable mode locked laser Preladiteľný módovo blokovaný laser TOAD Terahertz optical asymmetric Terahertzový optický asymetrický demultiplexer demultiplexor TM Transverse magnetic Transverzne magnetický TWA Travelling wave amplifier “Travelling wave” zosilňovač ULH Ultra long haul Ultra dlhé trasy VC SOA Vertical cavity SOA SOA s vertikálnou dutinou VCO Voltage controlled oscillator Napätím riadený oscilátor VOA Variable optical attenuator Variabilný optický útlmový článok WDM Wavelength division multiplexing Vlnovo delený multiplex XGM Cross gain modulation Krížová modulácia zisku XPM Cross phase modulation Krížová modulácia fázy

Žilinská univerzita v Žiline Diplomová práca

1

ÚVOD

Komunikácia po optických vláknach narastá s veľmi veľkou rýchlosťou. Dnes sa

čoraz viac dát, ktoré pochádzajú z rozličných zdrojov akými sú audio, video a počítače,

prenáša v optickej forme.

Avšak veľká šírka pásma, ktorú majú optické vlákna, ešte nebola plne využitá.

Jedeným dôvodom je obmedzenie elektronikou, ktorá sa používa na spracovanie signálu

pred a po prenose. Cesta ako prekonať toto obmedzenie je použitie tzv. plne-optického

spracovania signálu. Základnými vlastnosťami, akými sú zosilnenie signálu,

demultiplexovanie, spínanie alebo smerovanie sa dosiahne v optickej oblasti oveľa

vyšších rýchlostí ako v elektronickej oblasti. Aj v súčasnosti sa v nových komerčných

systémoch používa iba málo funkcií v optickej oblasti, ktorými sú zosilnenie signálu

a demultiplexovanie vlnových dĺžok. Veľa signálov sa stále spracováva elektronicky.

Kým sa budú zvyšovať prenosové rýchlosti napriek limitujúcej elektronike, a keď sa

optické komponenty budú dostatočne rozvíjať, aby boli ekonomicky porovnateľné,

predpokladá sa, že čoraz viacej sieťových funkcií sa bude vykonávať v optickej oblasti.

Siete v ktorých je len optické spracovanie signálu sa nazývajú „plne optickými sieťami“.

Pre tento druh siete sa vyžaduje rýchlosť, jednoduchosť, flexibilita, spoľahlivosť

a cenová prístupnosť optických komponentov. Hlavným komponentom je polovodičový

optický zosilňovač (SOA).

Táto práca sa zaoberá vývojom optických sietí, využitím SOA v rôznych aplikáciach,

ktoré sa používajú v plne optických sieťach a skúmaním vplyvu dĺžky aktívnej oblasti

SOA pri optickom spracovaní signálu. A to v týchto aplikáciach: demultiplexor OTDM,

konvertor vlnovej dĺžky a optický spínač.


2

1 PRECHOD K PLNE OPTICKÝM SIEŤAM

1.1 Komunikácia po optickom vlákne

Niekedy sa používa výraz informačná spoločnosť k pomenovaniu ľudskej spoločnosti

v priemyselných krajinách. V súčasnosti máme prístup k informáciám tak rýchlo ako je

možné, a všade, kde to potrebujeme, kde sa nachádzame a v požadovanom tvare.

V dôsledku toho zaznamenávame explozívne zvyšovanie požiadaviek na prenosovú

kapacitu potrebnú pre prenos rýchlo narastajúcej prevádzky.

Prvý laser bol demonštrovaný v roku 1960 a len o dva roky neskôr bol oznámený

aj prvý polovodičový laser. V r.1966 bolo použité optické vlákno ako transportné médium

a v roku 1970 bolo demonštrované vlákno s malými stratami. Použiteľnosť optických

vlákien a zdrojov koherentného svetla motivovalo veľa vedcov k vývoju optických

komunikačných systémov. V súčasnosti sú optické vlákna účinnou cestou ako preniesť

veľké množstvo dát na veľké vzdialenosti. Napríklad podmorské systémy prenášajú viac

ako 1 Tb/s na vzdialenosti väčšie ako 10 000 km. To je možné vďaka vynikajúcim

vlastnostiam optických vlákien v porovnaní s inými prenosovými médiami akými sú

medené káble alebo vzduch. Optické vlákna majú tieto výhody:

- obrovská šírka pásma (25 THz pri vlnovej dĺžke v okolí 1550nm)

- malé prenosové straty (0.2 dB/km okolo 1550nm)

- malé rušenie signálu

- malé rozmery a malý optický výkon

- dobré mechanické vlastnosti: ľahké a robustné

- lacný materiál (kremeň)

- virtuálna imunita voči elektromagnetickej interferencii a presluchom

- elektricky izolované

- vylepšovateľné (v základe nie je potrebné meniť vlákno pre vylepšenie systému

na prenos viac dát)

Následkom toho vlákna začali v niektorých oblastiach veľmi rýchlo nahradzovať iné

prenosové systémy: napríklad v 1988 len 2% celosvetového zaoceánskeho toku správ

a dát bolo prenesených pomocou podmorských káblov (vtedy boli dominantným nosičom


3

informácií satelity). V r.2000 sa tento počet zvýšil na 80% hlavne kvôli zavedeniu

káblových optických vlákien [1].

V prvých prenosových systémoch sa používalo optické priestorové delenie

multiplexu (OSDM): cez každé vlákno išla iba jedna vlnová dĺžka. OSDM je

neefektívnou cestou ako využiť veľkú šírku pásma, ktorú ponúka optické vlákno. Preto

ľudia začali používať iné multiplexné techniky na prenos väčšieho množstva dát

v jednom vlákne: metódy vlnovo deleného multiplexu (WDM) a opticky časovo deleného

multiplexu (OTDM). Vo WDM systéme každý kanál nesie informáciu v rozdielnych

vlnových dĺžkach v tom istom vlákne. Typicky je prenosová rýchlosť je nízka a môže byť

spracovávaná priamo v elektrickej oblasti (napr. 2,5 a 10 Gb/s). V prípade OTDM

rozdielne kanály sú bitovo prekladané, vytvárajú vysoko rýchle bitové sekvencie, ktoré sú

prenášané na rovnakej vlnovej dĺžke.

1.2 Súčasnosť a budúcnosť optických sietí

V súčasnosti je WDM široko používaný systém v nových komerčných systémoch,

pretože má potenciál využiť šírku pásma vlákna v spojení s inými systémami a pretože sú

široko dostupné základné optické komponenty, akými sú erbiom dopované vláknové

zosilňovače (EDFA), ktoré dokážu spracovať všetky vlnové dĺžky naraz. Avšak OTDM

má niekoľko výhod voči WDM, napríklad OTDM potrebuje menej zariadení

a kompenzácia disperzie alebo regenerácia sa môže vykonávať naraz pre všetky kanály.

Predpokladá sa, že OTDM sa bude požívať v komerčných systémoch ďalšej generácie

s veľmi vysokými prenosovými systémami (40 Gb/s a viac), pravdepodobne v kombinácii

s WDM.

V prípade OTDM je prenosová rýchlosť kanála pravdepodobne za možnosťami

elektroniky, dnes je limitovaná do 40 Gb/s. Preto jedinou možnosťou ako spracovať

OTDM dátový tok je optika, t.j. optické spracovanie signálu. To má výhodu nielen kvôli

rýchlosti, ale aj kvôli zníženiu nákladov, nižšej výkonovej spotrebe, menšej veľkosti

a menšiemu oneskoreniu v sieti.

V dnešnej dobe je technický pokrok na takej úrovni, že je možné dosiahnuť

štandartne prenosovú rýchlosť 10 Gbit/s na jednu vlnovú dĺžku. Taktiež je dostupný a

„lacný“ 10 Gbit/s Ethernet. Boli úspešné odskúšané aj ULH – ultra dlhé prenosové trasy

na 5000 km.


4

Postupne sa plánuje komerčne zavádzať rýchlosti 40 Gbit/s na jednu vlnovú dĺžku

a takisto aj dosiahnuť prenosovú kapacitu 2 Tbit/s v DWDM systémoch. Na Obr. 1.1 je

zobrazený graf, ktorý zobrazuje vývoj v oblasti zvyšovania kapacity optických vlákien

pomocou WDM a OTDM multiplexu do súčasnosti [2].

Obr. 1.1 Zvyšovanie kapacity optických vlákien [2]

Optické transportné siete sa vyvíjali enormným tempom, ktoré bolo poháňané

prudkými technologickými pokrokmi, najmä v oblasti ultra dlhých prenosových trás

(ULH). Ale stále výstavba a manažment takýchto sietí zostáva extréme nákladný.

Problémom sú chýbajúce svižné, rýchlo rekonfigurovateľné siete, ktoré by poskytli za

kratší čas rýchlejšie získanie výnosu, zavedením nových a moderných služieb. Optické

prenosové káble sú schopné úspešne prenášať vyše 10 Tbit/s cez jedno vlákno. Teraz je

„bottleneck“ v prepojovacej ústredni, kde sa rýchlosť prepínacieho zariadenia

nezvyšovala tak rýchlo ako vývoj optických vlákien a ani sa dostatočne neznižovali

rozmery týchto zariadení. Následkom čoho sa vysoko rýchle optické toky často zbytočne

delia do stoviek paralelných tokov s malými rýchlosťami. Tento problém sa pravidelne

opakuje, je nezanedbateľný a zvyšuje náklady na prevádzku a výstavbu sietí. V roku 1999

prenos dát prekonal prenos hlasu a v súčasnosti je minimálne 20 krát vyšší ako prenos


5

hlasu. Prenos dát sa zvyšuje s rýchlosťou okolo 100% za rok. Celkový príjem za prenos

dát sa ale veľmi významne nezvyšuje a cena za jeden bit sa znižuje o 50% za rok.

Súčasné optické siete sú vyrobené z elektricky založených spínačov (Obr. 1.2 a), čo

vyžaduje OEO konverziu v každom spínacom uzle. Táto konverzia odpadá pri použití

plne optických sietí (Obr. 1.2 b). Plne optické spínanie eliminuje počet medzistupňových

OEO konverzií a spojení. Vlastne OEO konverzia sa uskutoční iba pri zdroji, resp

prijímači.

Obr. 1.2 Prechod k plne optickým sieťam

a) súčasné optické siete, b) plne optické siete [2]

Siete založené na optickom spracovaní signálu sa nazývajú plne optickými sieťami.

Keď chceme realizovať takýto druh siete, sú potrebné rozličné funkcie, akými sú časové

a frekvenčné demultiplexovanie, prepínanie, konverzia vlnovej dĺžky (na redukovanie

blokovania a zvýšenie využitia optického vlákna), obnova taktu a regenerácia signálu.

Realizácia týchto požiadaviek vyžaduje flexibilnosť, spoľahlivosť a cenovú výhodnosť

optických komponentov. V budúcnosti sa plánuje do plne optických sietí zavedenie

ďalších potrebných zariadení, akými sú preladiteľné vysielače, vyrovnávače dynamického


6

zisku, kompenzátory dynamickej disperzie, premenlivé optické útlmové články (VOA),

sledovače optického výkonu a iné.

Aktuálna sieťová architektúra bola navrhnutá pre prenos hlasu. Jej hierarchiou je

umiestenie do SONET kruhov, ktoré sú pospájané digitálnymi cross-conect-ami (DCS).

Hlavnou nevýhodou tejto štruktúry je pomalé a obtiažne riadenie. Ďalšia generácia

optických sietí NGON (niekde sa uvádza aj ako Next Generation SDH) je založená na

flexibilnej topológii, v ktorej sa používajú uzly pospájané do hviezdy, čím je vytvorená

viaccestná sieť [2]. Zoskupenie služieb je presunuté na okraj siete. Viacero protokolov

a služieb môže byť podporované na rozdielnych vlnových dĺžkach. Používajú sa plne-

optické spínacie uzly. V NGON sa používa platforma na riadenie viacerých služieb

(MSPP – Multi-Service Provisioning Platform) a OEO cross-connecty, čím sa zvýši

účinnosť prístupových, zberných a medziústredňových segmentov a rozsah

poskytovaných TDM a ethernetových služieb. MSPP zahŕňa SDH multiplexovanie

(niekedy aj add/drop), nejaké ethernetové porty, a môže obsahovať prvky na paketové

spínanie a multiplexovanie, prípadne aj WDM. Ďalším prvkom je fotonický (optický)

spínač PXC, ktorý je nezávislý na rýchlosti a formáte. Je schopný pracovať s vyššími

prenosovými rýchlosťami. Tým vytvára prispôsobiteľnú a flexibilnú platformu, na ktorej

možno spravovať sieť vo veľkých granularitách (2.5, 10, 40 Gbit/s na jednu vlnovú

dĺžku). Umožňuje spínať jednotlivé vlnové dĺžky, skupiny vlnových dĺžok alebo aj celý

DWDM tok a prispôsobuje veľké počty portov do neblokujúceho režimu. Šírka pásma sa

môže spravovať na úrovni lambda pomocou PXC. Na zoskupenie do rýchlych kanálov sa

používajú OXC a MSPP. V súčasnosti sa riadenie optických sietí vykonáva manuálne a

v budúcnosti sa plánuje nasadenie inteligentných optických signalizácií s použitím

GMPLS pre automatické riadenie typu koniec-koniec, s rekonfigurovateľnosťou

v reálnom čase a automatickou inventarizáciou prostriedkov a vybavenia.

1.3 Úloha polovodičových zosilňovačov v optických komunikáciách

Veľkou výhodou v optických sieťach bola možnosť optického zosilnenia. Vývoj

smeroval k dominantným konvenčným systémovým aplikáciám akým je priame

zosilnenie na zníženie strát vo vlákne. Avšak dosiahnuté pokroky v technike výroby

a návrhu optických polovodičov spôsobili, že SOA majú veľký predpoklad pre použitie

v ďalšom vývoji optických komunikačných sieťach. Môžu byť použité ako hlavné súčasti


7

pri zosilňovačoch, ale majú aj využitie v mnohých aplikáciách, vrátane optického

spínania a konverzie vlnovej dĺžky. V transparentných optických sieťach sa vyžaduje, aby

nebola nutná konverzia optického signálu na elektrický. Takým komponentom v

optických komunikáciách je polovodičový optický zosilňovač (SOA). Dôvod kvôli

ktorému sa SOA používa, je jeho schopnosť zosilniť a spracovať optický signál vo

veľkom rozpätí prenosových rýchlostí pri neveľkých výkonových nárokoch a malé

rozmery.

SOA sa môžu použiť tak ako v lineárnom aj nelineárnom režime. V súčasnosti môžu

vykonávať plne-optické spracovanie signálu kvôli svojim silným nelinearitám a rýchlej

dynamike. Základné vlastnosti a princíp činnosti SOA je popísaný v ďalšej kapitole.


8

2 POLOVODIČOVÝ OPTICKÝ ZOSILŇOVAČ

2.1 Historický vývoj SOA

Historický vývoj SOA je priamo spojený s polovodičovými lasermi [1]. SOA boli

v skorých stupňoch iba ako normálne podprahovo riadené laserové diódy: prvé ukážky

SOA sa datujú od roku 1964, o dva roky neskôr bol navrhnutý anti reflexný povrch čela

(ARC). Podobne ako lasery, SOA získavali ďalšie vylepšenia, najmä po uvedení dvojitej

heteroštruktúry v r.1969. V druhej polovici 80-tych rokov bol prezentovaný prenosový

systém založený na SOA, avšak v r.1987 bol vynájdený erbiom dopovaný vláknový

zosilňovač (EDFA) a odštartoval súboj so SOA v in-line zosilňovaní. V r.1989 boli

demonštrované prvé polarizačné nezávislé zariadenia. Do polovice 90-tych rokov sa

muselo čakať na SOA s malou polarizačnou závislosťou, vysokým ziskom a vysokým

výstupným saturačným výkonom. Od druhej polovice 90-tych rokov SOA neboli

vyrábané len vo výskumných ústavoch, ale boli aj komerčne dostupné od niektorých

firiem.

Dve základné technologické otázky boli smerované na SOA predtým ako mohli

byť výkonovo prijateľné pre praktické aplikácie: ako vytvoriť polarizačne nezávislý

jednopásmový zosilňovač a ako redukovať optickú spätnú väzbu.

Obr. 2.1 Principiálny nákres SOA [5]


9

2.2 Základy SOA

Optické zosilňovače delíme na dva hlavné druhy: optické polovodičové zosilňovače

(SOA) a aktívne vláknové, či dopované vláknové zosilňovače (OFA). Principiálny nákres

SOA je zobrazený na Obr. 2.1. Zariadenie je ovládané elektrickým prúdom. Dĺžka

aktívnej oblasti SOA býva od 0,2 do 2 mm. Ale boli už aj pokusy s dĺžkami 2,5 a 3 mm.

Prierez aktívnej oblasti je menší ako 1 μm2.

Plne optické zosilňovače zvyšujú výkonovú úroveň vstupného svetla pomocou

stimulovanej emisie (Obr. 2.2). Pri stimulovanej emisii v SOA je potrebné vytvoriť

v aktívnej oblasti mechanizmus stimulovanej emisie podobne ako v laserových diódach,

avšak s tým rozdielom, že SOA neobsahuje obvody spätnej väzby.

Obr. 2.2 Prechody v dvojhladinovom modeli [5]

SOA dodávame energiu z externého zdroja, ktorý sa nazýva čerpací. Externé prúdové

injektovanie je čerpacia metóda, ktorá je potrebná na činnosť SOA. Funguje to podobne

ako princíp laserových diód. Rovnica, ktorá zahŕňa účinky napájania, rýchlosti

stimulovanej emisie, rýchlosti spontánnej rekombinácie, nazývame tzv. rýchlostnou

rovnicou, z ktorej dostaneme hustotu nosičov n(t) v excitovanom stave [3]:


10

rstp

tntRtRttn

τ)()()()(

−−=∂

∂,

kde

qdtJtRp)()( =

je externé napájanie, J(t) je hustota napájacieho prúdu v aktívnej oblasti o hrúbke d, τr je

časová konštanta spontánnej emisie a mechanizmu rekombinácie nosičov, a

phgphthgst NgvNnnavtR ≡−Γ= )()(

je čistá rýchlosť stimulovanej emisie, pričom vg je skupinová rýchlosť vstupného

svetla, Г je faktor obmedzenia, a je koeficient zisku (ktorý závisí na optickej frekvencii

v), nth je prahová hustota nosičov, Nph je hustota fotónov a g je celkový zisk na jednotku

dĺžky.

Čerpaním dodávame energiu elektrónom v aktívnej oblasti, ktoré prejdú na vyššiu

energetickú hladinu. Vstupujúci optický signál zostreľuje tieto excitované elektróny,

ktoré procesom stimulovanej emisie prejdú z vyššej hladiny na nižšiu. Pritom sa uvoľňuje

energia, ktorá zosilní prechádzajúci optický signál. Výstupný signál je sprevádzaný so

šumom. Tento aditívny šum, ktorý je zosilnený spontánnou emisiou (ASE), je vytvorený

zosilňovacím procesom.

Zisk SOA je jedným z najdôležitejších parametrov optického zosilňovača alebo

zosilnenie signálu G, ktorý je definovaný ako:

in

out

s

s

PP

G = ,

kde Ps-out je výstupný signál a Ps-in je vstupný signál. Intenzita žiarenia fotónov

s energiou hv sa exponenciálne mení so vzdialenosťou v zosilňovacej dutine. Zosilnenie

jedného prechodu aktívnym médiom v SOA je potom [3]

LzgLg eeG m )()( == −Γ α,

kde Г je optický faktor obmedzenia v dutine, gm je koeficient materiálového zisku, α

je efektívny absorbčný koeficient materiálu, ktorým signál prechádza, L je dĺžka

zosilňovača a g(z) je celkový zisk na jednotku dĺžky, ktorý určíme podľa vzťahu:

(2.1)

(2.2)

(2.3)

(2.4)

(2.5)


11

sat

s

PzP

gzg

)(1

)( 0

+=

,

kde g0 je nesaturovaný zisk média na jednotku dĺžky bez prítomnosti vstupného

signálu, Ps(z) je vstupný výkon signálu v bode z a Psat je saturačný výkon zosilňovača,

ktorý je definovaný ako hladina vstupného výkonu, v ktorej zisk na jednotku dĺžky klesne

na polovicu.

Rovnica (2.5) ukazuje, že zisk sa zvyšuje s dĺžkou zosilňovača. Napriek tomu, je

vnútorný zisk limitovaný saturáciou zisku. To vzniká z toho dôvodu, že hustota nosičov

v aktívnej oblasti zosilňovača závisí na vstupnej optickej intenzite. Ak rastie úroveň

vstupného signálu, excitované nosiče (páry elektrón-diera) sa z aktívnej oblasti

vyčerpávajú. Ak je úroveň optického vstupného výkonu príliš veľká, potom už zmena

intenzity výstupného signálu neodpovedá ďalšiemu zvyšovaniu vstupného signálu,

pretože už nie je dostatok nosičov na zabezpečenie požadovanej úrovne stimulovanej

emisie. Ako závisí zvyšovanie výkonu vstupného signálu na klesajúci zisk je zobrazené

na Obr. 2.3.

Obr. 2.3 Závislosť zisku SOA od výstupného výkonu [5]

Táto saturácia zisku môže zapríčiniť podstatné skreslenie signálu. Môže byť tiež

limitujúca pre dosiahnutý zisk, keď sa SOA použijú ako viackanálové zosilňovače vo

vlnovo delených (WDM) multiplexovaných systémoch.

Výhodou SOA je to, že pracuje v oboch prenosových oknách: 1 300 aj 1 550 nm, a je

ľahko integrovateľný do substrátu. V porovnaní s OFA majú nižší napájací výkon,

(2.6)


12

obsahujú menej komponentov a sú kompaktnejšie. Ďalej majú SOA podstatne rýchlejšiu

odozvu zosilnenia, rádovo 1 ps až 0,1 ns. Porovnanie niektorých vlastností medzi

dopovanými vláknovými zosilňovačmi OFA a polovodičovými zosilňovačmi SOA je

zobrazené v Tab. 2.1.

Vlastnosť OFA SOA

Typický max. vnútorný zisk [dB] 30 - 50 30

Typické vložné straty [dB] 0,1 - 2 6 -10

Polarizačná citlivosť Nie Áno

Čerpací zdroj optický elektrický

Šírka pásma [nm] 30 30 - 50

Nelineárne efekty Zanedbateľné Áno

Saturácia výstupného výkonu [dBm] 10 – 15 5 – 20

Typický vnútorný šum [dB] 3 – 5 7 – 12

Možnosť ovládať zariadenie Nie Áno

Zlučiteľnosť s IO Nie Áno

Tab. 2.1 Rozdiely medzi OFA a SOA

SOA sú polarizačne závislé. To je spôsobené viacerými faktormi v štruktúre

vlnovodu a vyrobeného materiálu. Polarizačná citlivosť môže byť zvýšená pomocou

použitia priečnej štvorcovej oblasti vlnovodu a vložením kvantovo-vlnového materiálu.

2.3 Štruktúry a materiály SOA

2.3.1 Štruktúry SOA:

Polarizačne nezávislý jednoprechodový zisk je viazaný, pretože sa v optických

komunikačných systémoch stav polarizácie svetla mení náhodne v čase. Polarizačná

závislosť zisku môže zapríčiňovať fluktuácie výstupného výkonu SOA. Za účelom

realizácie polarizačne nezávislých SOA sa požívajú dodnes rôzne koncepty SOA [4].

Prvé použitie symetrického vlnovodu: bulk štvorcového tvaru s aktívnou oblasťou

zaliatou do štruktúry, ktorá má ten istý ohraničený faktor pre obe TE a TM polarizácie


13

kvôli rotácii symetrického vlnovodu. Tento spôsob má v zásade dve nevýhody. Prvá je, že

dosiahnuté jedno módové zariadenie malo rozmery vlnovodu menšie ako 0,5 μm, ktorý je

obtiažne vyrobiť. Druhou nevýhodou, že spojovacie straty vlákien sú príliš veľké, kvôli

veľmi malému prierezu vlnovodu. Na integrovanie zužujúcich sa štruktúr alebo oblastí sa

pri tvorbe zariadení používajú komplikované viacstupňové procedúry.

Na rozdiel od bulk materiálu, materiálový zisk v Multi-Quantum-Well (MQW) aktívnej

oblasti je polarizačné závislý. Pnutie medzi vrstvami aktívnej oblasti tiež ovplyvňuje

polarizačnú závislosť zisku. Nastavením správneho pnutia je možné kompenzovať

súčasne TE – TM materiálový zisk a nerovnomernosť faktoru obmedzenia, z čoho

vyplýva polarizačná necitlivosť zisku [1].

Pnutie medzi rozdielnymi vrstvami tiež ovplyvňuje polarizačnú závislosť zisku v aktívnej

oblasti bulk SOA. Nastavením správneho pnutia je možné kompenzovať závislosť danú

vlnovodom. To umožňuje použitie širších vlnovodov, ktoré je možno vyrobiť v prípustnej

odchýlke.

Posledný princíp využíva hranolové vlnovody, ktoré majú výhodu v najjednoduchšej

realizácii, pretože to nevyžaduje nejaký epitaxný rast a ani riadenie vlnovodu.

2.3.2 Druhy SOA:

Termíny ako optický polovodičový zosilňovač (SOA), laserový diódový zosilňovač

(LDA), polovodičový laserový zosilňovač (SLA), Travelling-wave zosilňovač (TWA)

a Fabry-Perot zosilňovač (FPA) sú rozdielne názvy, ktoré sa používajú v literatúre pod

tým istým druhom zariadenia. Rozdiel medzi TWA a FPA je, že FPA je rezonančný, t.j.

v FPA sú umiestnené dve polopriepustné zrkadlá z polovodičových kryštálov na oboch

stranách Fabry-Perotovej dutiny. Odrazivosť týchto zrkadiel je približne 32%. Optický

signál vstupujúci do FPA sa zosilňuje odrazmi od zrkadiel a emituje s vyššou intenzitou.

FPA sa veľmi jednoducho vyrába, ale jeho optický zisk je veľmi citlivý na zmenu teploty

a na vstupnú optickú frekvenciu. Teda vyžaduje komplikované obvody teplotnej

stabilizácie a stabilizácie napájacieho prúdu. Štruktúra TWA je veľmi podobná FPA

s tým rozdielom, že zrkadlá na koncoch dutiny buď úplne odrážajú alebo sú plne

transparentné a teda nedochádza k vnútorným odrazom. V tomto prípade sa optický

signál zosilní len jedným prechodom cez zosilňovač. Tieto komponenty sa používajú

oveľa častejšie ako FPA, pretože majú podstatne širšiu spektrálnu šírku, väčší saturačný

výkon a sú veľmi málo polarizačne citlivé. V sieťových aplikáciách sa preto používa

výlučne TWA [3].


14

2.3.3 Typy SOA:

Najjednoduchšou štruktúrou SOA je zariadenie, ktoré pozostáva z jedno-módového

aktívneho vlnovodu, ktorý môže byť buď zaliaty alebo vnorený. Navyše za účelom

zvýšenia väzby medzi vláknom a čipom a na redukovanie odrazivosti čiel (hrán) sa

používajú šikmé vlnovody (Obr. 2.4) s alebo bez zúženia a s alebo bez otvoru. Avšak

existuje viacero vypracovaných štruktúr.

Obr. 2.4 Názorný pohľad na SOA so šikmým pásom vlnovodu [1]

SOA s uzavretým ziskom – Gain-Clamped (GC-SOA) bol vyvinutý pre lineárne

aplikácie: hustota nosičov má fixnú hodnotu počas oscilácií lasera [4]. Toto zvyšuje

dynamický rozsah v lineárnych operáciách. Uzavretý zväzok lúčov môže oscilovať buď v

smere vlnovodu alebo v ortogonálnom smere. Novší názov je lineárny optický zosilňovač

(LOA). Aktívne MMI-SOA boli vyvinuté k zvýšeniu výstupného saturačného výkonu

zväčšením aktívnej vlnovej oblasti, kým sa udržuje jedno-módová prevádzka. S MMI-

SOA je možné vykonávať 2R regeneráciu. Aktívne obojsmerné štruktúry (DC-SOA) sa

používajú na konverziu vlnových dĺžok. Až doposiaľ všetky menované štruktúry sú

šikmo emitujúce zariadenia. Boli vynájdené aj SOA s vertikálnou dutinou (VCSOA) [6].

Avšak sa musia používať v rezonančnom móde, aby mali dostatočný zisk, pretože majú


15

veľmi malú dĺžku aktívnej oblasti. Inými slovami sú to šikmé SOA s optickou šírkou

pásma menšou ako 1 nm. Kladnou stránkou je ich skutočná polarizačná nezávislosť, majú

veľkú väzobnú účinnosť, nízky šum a sú lacné.

2.3.4 Materiály:

V polovodičových laseroch pre optické komunikácie sa používajú prvky z III-V skupiny.

S AlGaAs a InGaAsP je možné pokryť vlnové dĺžky v rozsahu 700 až 1600nm. Boli tiež

skonštruované SOA na báze AlInGaAs/InP na 1500nm.

Obidva druhy bulk a MQW polovodičových materiálov je možné nájsť

v štruktúrach SOA. Výhodou zariadení založených na MQW je vyšší materiálový zisk,

väčšia šírka pásma, vyšší saturačný výkon a nižší šum ako má bulk. Na druhej strane bulk

SOA má väčšie obmedzovacie faktory, čo je výhodou pri aplikáciách využívajúcich

nelinearity SOA. A navyše bulk SOA vykazujú vyššie fázovo-amplitúdové väzobné

faktory, ktoré sú výhodné pre aplikácie založené na vlastnej a krížovej modulácii fázy.

Nedá sa teda jednoznačne povedať, že MQW materiály sú lepšie ako bulk [1].

2.4 Nelinearity SOA

SOA sa normálne používajú k zosilneniu modulovaných svetelných signálov. Ak

je výkon signálu veľký, potom dochádza k saturácii zisku. To však nie je veľký problém,

ak rýchlosť zisku zosilňovača bude pomalým procesom. Avšak v SOA je rýchlosť zisku

závislá od dĺžky rekombinácie nosičov (pár stoviek pikosekúnd). To znamená, že zisk

zosilňovača bude pôsobiť relatívne rýchlo na zmeny výkonu vstupného signálu. Tento

dynamický zisk môže zapríčiniť skreslenie signálu, ktoré je tým horšie,

čím modulovanému signálu zvyšujeme šírku pásma. Tieto javy sú jedným

z najdôležitejších vo viackanálových systémoch, kde rýchlosť zisku vedie k presluchom

medzi kanálmi. V tomto sú odlišné vláknové optické zosilňovače, ktoré majú dobu

rekombinácie rádovo v milisekundách, ktorá vedie k zanedbateľnému skresleniu signálu.

SOA majú dobré vlastnosti z hľadiska nelinearity. Tieto nelinearity môžu

zapríčiniť problémy, akými sú frekvenčné zvlnenie (chirp) a generácia krížovo

modulačných javov. Avšak nelinearity môžu byť použitím SOA využité ako funkčné

zariadenia akými sú napr. konvertory vlnovej dĺžky. Použitie SOA v rôznych aplikáciách

je bližšie popísané v nasledovnej kapitole.


16

SOA môžu byť tiež použité na realizáciu funkcií, ktoré sú užitočné v optických

prenosových sieťach. Tieto plne optické zariadenia dokážu pomôcť prekonať tzv.

„elektronický bottleneck“. Toto je hlavným limitujúcim faktorom rozvoja vysoko

rýchlostných optických komunikačných sietí. Väčšina týchto praktických aplikácií [5] je

založená na nelinearitách SOA. Vývoj fotonických integrovaných obvodov (PIC) urobil

prijateľným aj vývoj komplexných SOA subsystémov. Nelinearity v SOA sú založené na

princípe zmeny hustoty nosičov vyvolané vstupným signálom zosilňovača. Štyri hlavné

typy nelinearít sú: krížová modulácia zisku (XGM), krížová modulácia fázy (XPM),

vlastná fázová modulácia (SPM) a štvorvlnové zmiešavanie (FWM).

2.4.1 Krížová modulácia zisku

Podstatné spektrum zisku SOA je homogénne široké. To znamená, že zmena

hustoty nosičov v zosilňovači je závislá na vstupných signáloch, preto je možné, že veľký

signál s jednou vlnovou dĺžkou má vplyv na zisk slabého signálu na inej vlnovej dĺžke.

Táto nelineárna vlastnosť sa nazýva XGM. Základný princíp XGM je zobrazený na Obr.

2.5, kde slabý signál CW sondy a silný čerpací signál, s malou harmonickou moduláciou

s frekvenciou ω, sú injektované do SOA. XGM moduluje v zosilňovači čerpací signál.

CW signál na požadovanej vlnovej dĺžke je modulovaný zmenou zisku a z toho dôvodu

nesie na výstupe SOA rovnakú informáciu ako vstupný signál. To znamená, že zosilňovač

pracuje ako konvertor vlnovej dĺžky [5].

Obr. 2.5 Konvertor vlnovej dĺžky na princípe XGM v SOA [5]

Najviac výhodná vlastnosť zapojenia je účinnosť konverzie, definovaná ako pomer

medzi indexom modulácie výstupného signálu a indexom modulácie vstupného

čerpacieho signálu. Typická účinnosť šírky pásma je rádovo 10 GHz.


17

Rýchlosť stimulovanej emisie v SOA závisí od výkonu vstupného signálu. Pri

vysokom výkone vstupného signálu je hustota nosičov v aktívnej oblasti ochudobňovaná

stimulovanou emisiou, pričom sa zisk SOA znižuje. Tento efekt je známy ako saturácia

zisku a obyčajne nastáva pri výkone vstupného signálu v okolí 100 μW a viac.

Dva optické signály vstupujú do jedného SOA. Jedným je amplitúdovo modulovaný

signál nesúci dáta a druhým je signál s konštantným výkonom (CW). Ak špička optického

výkonu modulovaného signálu je v blízkosti saturačného výkonu, v SOA dochádza

k modulácii zisku, ktorá je závislá na zmenách výkonu. Ak vstupuje signál s vysokým

výkonom (binárna jednotka), zisk je redukovaný a naopak. Táto modulácia vplýva aj na

nemodulovaný vstupný signál. To má za následok, že na výstupnej vlnovej dĺžke (vlnová

dĺžka CW signálu) dostávame invertovanú repliku vstupného signálu.

2.4.2 Krížová modulácia fázy

Index lomu aktívnej oblasti SOA nie je konštantný, ale je závislý na hustote

nosičov ako aj na zisku. Toto naznačuje, že fáza a zisk optickej vlny, ktorá sa šíri

zosilňovačom je závislá na saturácii zisku. Ak je injektovaný do SOA viac ako jeden

signál, dochádza ku krížovej modulácii fázy (XPM) medzi signálmi. XPM môže byť

použitá na vytvorenie konvertorov vlnovej dĺžky a iných funkčných zariadení. Ale

pretože XPM spôsobuje len zmenu fázy , SOA musí byť umiestnené do interferometrickej

štruktúry na prevod zmeny fázy signálov na zmenu intenzity použitím konštruktívnej

alebo deštruktívnej interferencie.

2.4.3 Štvorvlnové zmiešavanie

Štvorvlnové zmiešavanie (v niektorých literatúrach uvádzané aj ako troj či štvor

fotónové) je koherentný nelineárny proces, ktorý môže nastať v SOA medzi dvoma

optickými poliami, silným čerpacím signálom s vlnovou dĺžkou ω0 a slabším signálom na

vlnovej dĺžke ω0 - Ω, ktoré majú rovnakú polarizáciu. Injektované polia zapríčiňujú zisk

zosilňovača modulovaným na taktovacej frekvencii Ω. Táto modulácia zisku striedavo

zvyšuje nové oblasť na frekvencii ω0 + Ω, ako je ukázané na Obr. 2.6. FWM vytvorené

v SOA môže byť použité vo viacerých aplikáciách vrátane konvertorov vlnovej dĺžky,

kompenzátorov disperzie a optických demultiplexorov.


18

Obr. 2.6 Štvorvlnové zmiešavanie v SOA [5]


19

3 MOŽNOSTI VYUŽITIA SOA

3.1 Lineárny režim

V optických komunikačných systémoch môže byť SOA v lineárnom režime [3, 5]

zaradený do týchto troch skupín ako:

• dodatočný zosilňovač alebo pomocný zosilňovač k zvýšeniu výkonu lasera ako

vysielača

• in-line zosilňovač ku kompenzácii prenosových strát v stredných a diaľkových

trasách

• predzosilňovač k zväčšeniu citlivosti prijímača (Obr. 3.1).

Začlenenie optických zosilňovačov do optických komunikačných liniek môže zvýšiť

výkon systému a znížiť náklady. Hlavné požiadavky pre optické zosilňovače pre niektoré

aplikácie sú uvedené v Tab. 3.1

Pomocný

zosilňovač

In-line

zosilňovač Predzosilňovač

Vysoký zisk Áno Áno Áno

Vysoký výstupný výkon Áno Áno Nerozhoduje

Nízky šum Nerozhoduje Áno Áno

Nízka polarizačná citlivosť Nerozhoduje Áno Áno

Malé vložné straty Nerozhoduje Áno Áno

Optický filter Nevyžaduje Nerozhoduje Áno

Optický izolátor Áno Nerozhoduje Nerozhoduje

Tab. 3.1 Požiadavky na optické zosilňovače


20

3.1.1 Pomocný zosilňovač

Funkciou pomocného zosilňovača je prispôsobiť vstupný signál s veľkým

výkonom pre prenos. Základná úloha pomocných zosilňovačov je nasledovná:

- zvýšiť dosah stredne rozsiahlych optických trás

- zvýšiť vzdialenosť medzi zosilňovačmi u diaľkových trasách

- kompenzovať rýchle a trvalé straty v optických distribučných sieťach

- súčasné zosilniť viacero WDM signálov

Výkon zosilňovacieho lasera v optickom vysielači umožňuje stavbu stredných liniek

s zväčšeným dosahom prenosu. Také linky sa jednoducho zakladajú na optickom vlákne

medzi vysielačom a prijímačom. Vzhľadom k tomu, že sa nevyžadujú aktívne

komponenty prenosovej cesty, spoľahlivosť a výkonnosť je zaručená.

Obr. 3.1 Použitie SOA v lineárnom režime [5]

V diaľkových cestách použitie pomocných zosilňovačov môže zvýšiť dosah spoja

a tým sa redukuje počet požadovaných sériových zosilňovačov alebo regenerátorov.

Pomocné zosilňovače sú tiež použiteľné v distribučných sieťach (Obr. 3.2), kde sú značne

rozdielne straty alebo veľký počet vetiev. Pomocné zosilňovače sú tiež potrebné, ak je

požadované súčasné zosilnenie niekoľkých vstupných signálov s rozdielnymi vlnovými

dĺžkami, ako je to v prípade WDM prenosu.


21

Obr. 3.2 Použitie pomocného zosilňovača v optických distribučných sieťach [5]

3.1.2 Predzosilňovač

Funkciou optického predzosilňovača je zvýšiť úroveň výkonu dátového optického

signálu pred detekciou a demoduláciou. Zvýšenie úrovne výkonu dokáže zvýšiť citlivosť

prijímača. To umožňuje konštruovať dlhšie linky bez opakovačov. Schematický nákres

predzosilňovača optického prijímača je zobrazený na Obr. 3.3. Prijímač pozostáva

z optického predzosilňovača, úzkopásmového optického filtra a fotodiódy, za ktorou

nasleduje dodatočný obvod detekcie a rozhodovací obvod.

Obr. 3.3 Optický prijímač s predzosilňovačom [5]


22

3.1.3 In-line zosilňovač (sériový)

V stratovo obmedzených optických komunikačných systémoch sa môžu použiť na

kompenzáciu strát vo vlákne a tak sa prekoná potreba optickej regenerácie. Hlavnými

výhodami sériových polovodičových zosilňovačov sú: transparentnosť k dátovej rýchlosti

a modulačnému formátu (nesaturovaná činnosť a vysoké prenosové rýchlosti),

obojsmernosť, možnosť WDM, jednoduchý spôsob činnosti, nízka spotreba energie

a kompaktnosť. Posledné dve výhody sú dôležité pre vzdialené optické komponenty.

3.2 Nelineárny režim

3.2.1 Konvertory vlnovej dĺžky

Je veľa techník ako môže byť uskutočnená konverzia vlnovej dĺžky, ako napríklad

pomocou optického polovodičového zosilňovača [7], polovodičovým laserom, alebo

nelineárnym slučkovým zrkadlom. Optické konvertory vlnovej dĺžky dokážu priamo

preložiť informácie obsiahnuté vo vstupnej vlnovej dĺžke do novej vlnovej dĺžky bez

nutnosti elektrickej konverzie. Toto je dôležitou súčasťou v plne-optických sieťach. Teda

budú hrať dôležitú úlohu v širokopásmových optických sieťach. Ich hlavnou úlohou bude

zabrániť blokovaniu vlnových dĺžok v optických OXC vo WDM sieťach. Konverzia

vstupného signálu do novej vlnovej dĺžky umožňuje obom informačným kanálom

prechádzať naraz tým istým vláknom. Konvertory vlnovej dĺžky zvyšujú flexibilitu

a možnosť využiť sieť s pevne nastavenými vlnovými dĺžkami. Konverzia vlnových

dĺžok môže byť použitá k centralizovanému manažmentu siete. V sieťach s paketovým

spínaním, preladiteľných konvertoroch vlnovej dĺžky môžu byť použité k analýze paketu

a môžu redukovať požiadavky na optické vyrovnávacie pamäte. Už bolo ukázané

(kapitola 2.4.1) ako môže byť XGM v SOA využitá na konverziu vlnovej dĺžky.

Obr. 3.4 Michelsonov interferometrický (MI) konvertor vlnovej dĺžky


23

Taktiež XPM v SOA môže byť použitá na konverziu vlnovej dĺžky, keď umiestnime

SOA do Michelsonovej štruktúry, ktorá je na Obr. 3.4, alebo do Mach-Zehnderovej

štruktúry [8, 9] ako je na Obr. 3.5. Tieto konvertory vlnovej dĺžky majú veľkú výkonovú

účinnosť, porovnateľnú so zariadeniami založenými na XGM.

Obr. 3.5 Mach-Zehnderov interferometrický (MZI)

SOA konvertor vlnovej dĺžky [5]

V asymetrickom MZI konvertore vlnovej dĺžky vstupný signál CW na λ2 je

asymetricky rozdelený do každého ramena MZI pomocou deliča. Intenzitne modulovaný

signál na λ1 saturuje každý SOA asymetricky navedenou zmenou fázového posunu.

Výstupný delič rekombinuje rozdelené CW signály, kde dochádza k deštruktívnej

a konštruktívnej interferencii. Aktuálny stav interferencie závisí na vzájomnom rozdiele

fáz medzi oboma ramenami interferometra, v ktorých sa nachádzajú oba SOA a na

výkone vstupného signálu. Limitom XPM architektúr je to, že dokážu konvertovať naraz

len jednu vlnovú dĺžku. Okrem toho majú obmedzenú transparentnosť voči dátovému

formátu. Informácie, ktoré sú obsiahnuté vo fáze, frekvencii alebo analógovej amplitúde

budú stratené počas procesu konverzie vlnovej dĺžky. Z toho vyplýva, že tento princíp

konverzie je vhodný len pre digitálne dátové signály.


24

FWM v SOA sa tiež môže použiť na stavbu konvertora vlnovej dĺžky. Základný

princíp je na Obr. 2.6, kde čerpací CW signál a modulovaný vstupný signál sú

injektované do SOA, ktorý generuje nový modulovaný signál. Avšak účinnosť konverzie

je relatívne nízka pre malé hodnoty frekvenčného rozdielu medzi čerpacím signálom

a signálu sondy. Aby mohlo nastať výkonné FWM v SOA je potrebné aby čerpací

a vstupný signál boli rovnako polarizované.

Obr. 3.6 Konvertor vlnovej dĺžky s výberom polarizácie [5]

Príklad FWM konvertora vlnovej dĺžky s väčšou účinnosťou je na Obr. 3.6. V tejto

schéme je vstupný čerpací signál polarizovaný na 45° k osi polarizácie deliču svetla

PBS1. To znamená, že polovica výkonu čerpacieho signálu je dodaná do každého SOA

spolu s polarizovanou zložkou signálu. Toto zmiešanie v každom SOA vytvára

konjugovaný signál s rovnakou polarizáciou. Ortogonálne polarizované konjugované

signály zo SOA rekombinujú na výstupe v polarizačnom deliči svetla PBS2. Keď budú

mať SOA rovnaký zisk a účinnosť konverzie, zapojenie bude polarizačne nezávislé.


25

3.2.2 Optické logické obvody

Optické logické obvody môžu byť užitočné pri spracovaní plne optických signálov

v aplikáciách vo vysoko rýchlostných sieťach. Tri SOA konfigurácie, ktoré sa môžu

využiť na realizáciu logických obvodov sú znázornené na Obr. 3.7.

Obr. 3.7 SOA logické obvody: (a) XOR, (b) OR, (c) NOR [5]

3.2.3 Optické spínače

Budúce vysoko rýchlostné WDM a TDM optické komunikačné siete vyžadujú

vysoko rýchlostné optické spínače (alebo brány), ktoré budú buď opticky alebo elektricky

riadené. Práve také optické spínače môžu byť vytvorené pomocou SOA. Najjednoduchšia

metóda riadenia SOA brány je ovládanie prúdom (Obr. 3.8).


26

Obr. 3.8 SOA ako jednoduchý optický spínač [10]

Princíp tohto spínača je veľmi jednoduchý. Keď je napájací prúd zavedený do SOA, tak

je spínač zopnutý. To je spôsobené tým, že elektrický prúd dodáva nosiče, ktoré sú

potrebné pre činnosť zosilňovača. Preto vstupujúce svetlo z lasera prejde cez SOA. Svetlo

nielen, že prejde, ale je aj zosilnené. Keď SOA nedodáme napájací prúd, spínač je

vypnutý a svetlo z lasera nemôže prejsť cez zariadenie. Vo vypnutom stave nie sú

injektované nosiče, preto zariadenie nevykazuje žiadny zisk a správa sa ako stratové

médium. To je spôsobené tým, že vstupný signál je absorbovaný materiálom a tlmí

vstupný signál. Tento útlm je okolo 30 dB pre 200 μm dlhý SOA [10].

Obrovskou výhodou SOA brán je to, že sa môžu integrovať do štruktúr. V module

spínača 2 × 2 , ktorý je na Obr. 3.9 vstupný dátový paket môže byť smerovaný

k hociktorému výstupnému portu, ktorý spína zodpovedajúci SOA.

Obr. 3.9 Spínací hybridný modul SOA 2×2 [5]


27

Čas zopnutia riadeného spínacieho SOA je rádovo 100-ky ps. Oveľa rýchlejšie

spínacie časy môžu byť dosiahnuté umiestnením SOA do nelineárneho slučkového

zrkadla (NOLM) a vznikne tým zapojenie, známe ako polovodičový laserový zosilňovač

v slučkovom zrkadle (SLALOM), ktorý je na Obr. 3.10. Spínanie je dosiahnuté

vychýlením SOA zo stredu slučky optického vlákna a vložením dát do slučky pomocou

deliča 50:50. Dva dátové impulzy, ktoré sa šíria protismerne, dorazia do SOA nesúhlasne.

Spínací impulz je načasovaný po príchode jedného dátového impulzu, ale pred jeho

kópiou (replikou). Výkon spínacieho impulzu je nastavený tak, aby bola zmena fázy o π

za replikovaným. Dátový impulz je prepnutý vtedy, ak dva protismerne šíriace sa zložky

interferujú pri návrate do deliča.

Obr. 3.10 Optický spínač s využitím SLALOM [5]

Toto zariadenie je tiež známe ako TOAD (terahertzový optický asymetrický

demultiplexor) [11], pretože sa môže použiť ako aj demultiplexor vysoko rýchlostných

OTDM tokov. Princíp je zrejmý z Obr. 3.11, kde PC je polarizačný kontrolér a OD je

optické oneskorovacie vedenie (vlákno).


28

Obr. 3.11 Princíp funkcie TOAD [11]

Ako demultiplexor sa môže použiť aj MZI štruktúra, s ktorou možno dosiahnuť

demultiplexovanie 160Gbit/s toku pri veľkom spínacom kontraste a vysokej stabilite.

Navyše je možná integrácia do monolitických štruktúr [12]. Na Obr. 3.12 je

demultiplexor s využitím GS-SOA (SOA s posunutým pásmom), čím sa zvyšuje

dynamika spínania a je taktiež kompatibilný s inými optickými prvkami.

Obr. 3.12 Demultiplexor OTDM s využitím GS-MZI štruktúry [12]

Taktiež je možné vytvoriť demultiplexor z nesymetrickej MZI štruktúry, ktorý je známy

pod názvom MZ-TOAD [13], ktorý je riadený jedným impulzom, podobne ako TOAD

v Sagnacovej slučke.

3.2.4 Multiplexory

Optické časovo delené demultiplexory (OTDDM) a add/drop multiplexory (ADM) sú

kľúčovými komponentmi, ktoré sú potrebné v sieťových uzloch pri opticky časovo


29

delenom multiplexe (OTDM). V ADM je jeden kanál bez rušenia ostatných kanálov

vybraný z prichádzajúceho TDM dátového toku. Nový kanál s dátovými impulzmi môže

byť vložený do tohto voľného časového slotu.

MZI spínače so SOA môžu byť tiež použité ako ADM. Je možné použiť viacero

zapojení, jedno z nich je na Obr. 3.13. V tomto zapojení vstupný dátový signál

s rýchlosťou 40 Gb/s je rozdelený do dvoch riadiacich signálov. Jeden z týchto riadiacich

signálov je oneskorený o polovičnú dĺžku bitu. Interferometer je nakonfigurovaný tak aby

okamžitý signálový impulz bol súčasne v hornom ramene interferometra so vstupným

impulzom s frekvenciou 10 GHz, ktorý je smerovaný na výstupný port. A súčasne 3×10

GHz tok je smerovaný na priebežný port. Keď impulz oneskoreného signálu je

v spodnom ramene interferometra, dáta smerujú von z výstupného portu. Amplitúdy

impulzov výstupného a priebežného portu sú upravované saturáciou zisku SOA, ktorá je

vyvolaná vstupnými dátovými impulzmi, môže nastať zosilnenie ich amplitúdy

a obnovenie tvaru, t.j. zariadenie funguje ako 2R regenerátor. Ak je skombinované

s optickou obnovou taktu a synchronizáciou bude mať funkciu 3R regenerátora. Dáta

môžu byť vložené do voľného časového slotu, výstupné dáta môžu byť jednoducho

posielané dátovými impulzmi z prídavného kanálu do vstupného portu [5].

Obr. 3.13 MZI Add/Drop multiplexor [5]

Schopnosť vkladať a vyberať jednotlivé vlnové dĺžky je vo WDM sieťach potrebná

pre smerovanie vlnových dĺžok. Podstatou ADM je oddeliť jednotlivé kanály vlnových

dĺžok bez rušenia ostatných kanálov. To môže byť dosiahnuté demultiplexovaním


30

vlnových dĺžok alebo požitím SOA s integrovaným preladiteľným filtrom ako je na Obr.

3.14. Filter môže byť laditeľný zmenou prúdu. Vybraný kanál s vlnovou dĺžkou je

odrazený filtrom, druhý krát zosilnený MQW segmentom a vybratý na výstupný port

pomocou cirkulátora. Zostávajúce kanály prejdú cez časť filtra, ktorá jednoducho vkladá

kanál s novou vlnovou dĺžkou.

Obr. 3.14 Preladiteľný SOA filter ADM [5]

3.2.5 Optické cross-connect-y

Veľký počet trás, využitie kanálov a flexibilita vo vkladaní a vyberaní kanálov na

užívateľskej strane môžu byť požité pri vytváraní architektúr optických cross-connectov

vo fyzickej vrstve v optickej sieti.

Obr. 3.15 Jednoduchý 4 × 4 optický cross-connect [3]


31

Tieto optické cross-connect-y (OXC) pracujú priamo v optickej oblasti a dokážu

smerovať veľmi husté WDM dátové toky cez sieť pospájaných optických trás. OXC

pracujú s priestorovým spínacím poľom s alebo bez konverzie vlnovej dĺžky. Spínacie

pole môže byť vytvorené kaskádou elektronicky riadených optických smerových deličov

alebo optickým polovodičovým zosilňovačom, ktorý funguje ako brána (hradlo) [3].

Príklad OXC s využitím jednej konverzie vlnových dĺžok je na Obr. 3.15.

3.2.6 Generátor optických impulzov

Vo vysoko rýchlostných OTDM WDM komunikačných sú požadované

preladiteľné impulzy s vysokou obnovovacou frekvenciu. Pri vysokých frekvenciách je

obtiažne a nákladné generovať takéto impulzy elektronickým zdrojom. Jednou

z optických techník je použitie módovo blokovaného (mode-locked) vláknového

zosilňovača spolupracujúceho so SOA [5] ako je na Obr. 3.16.

Obr. 3.16 Optická regenerácia impulzov [5]

Fabry-Perot laser je výkonovo spínaný sínusovou moduláciou s frekvenciou 10

GHz. Po prenose cez 150 m dlhého optického vlákna s veľkou disperziou má každý

spektrálny mód vo výkonovo spínaných impulzoch oneskorenie 25 ps s ohľadom na

najbližší mód. Tak každý rozšírený impulz vytvára radu impulzov s rozdielnymi

vlnovými dĺžkami s delením 25 ps, s efektívnou obnovovacou rýchlosťou 40 GHz.

Impulzy môžu byť konvertované na impulzy s rovnakou (preladiteľnou) vlnovou dĺžkou

použitím kruhového vláknového lasera a SOA (ako aktívneho elementu). 40GHz tok


32

optických impulzov je vložený do kruhu pomocou cirkulátora, pôsobiaci zisk zo SOA

môže byť opticky modulovaný. Tento mód je však blokovaný laserom. Zvolením vhodnej

modulačnej frekvencie lasera, 10,188 GHz, je možné blokovať mód lasera na frekvencii

40,752 GHz. Výstupná vlnová dĺžka vláknového lasera je oddelená pomocou vláknového

Fabry-Perot filtra. Výstupný výkon je viazaný s kruhovým vláknom pomocou vláknového

väzobného člena.

3.2.7 Optická obnova taktu

V OTDM systémoch je potrebná obnova taktu v optických prijímačoch a 3R

regenerátoroch. Pri vysokých rýchlostiach obnovy taktu je najlepším riešením použitie

optiky. V SOA sa využíva technika (Obr. 3.17) fázovo blokovanú slučku na základe SOA

interferometrického spínača, kde PD je fotodióda, TMLL je preladiteľný módovo

blokovaný laser, OBPF je optický pásmový filter, PC je polarizačný kontrolér, VCO je

napätím riadený oscilátor.

Obr. 3.17 Optická obnova taktu [5]

V tomto zapojení OTDM dátový signál je naviazaný do SOA slučkového zrkadla, ktoré

je riadené radom optických riadiacich impulzov, ktorý je generovaný preladiteľným

módovo blokovaným laserom (TMLL), ktorého opakovacia frekvencia je závislá od

napätím riadeného oscilátora (VCO). Výstupný signál zo slučkového zrkadla je

detekovaný pomalou fotodiódou. Časť vstupného signálu je prepnutá zo slučkového


33

zrkadla s obnovovacou rýchlosťou riadiacich impulzov. Keď je frekvencia VCO rovná

základnej frekvencii vstupného signálu, spínajúce časti vstupného signálu majú

konštantnú fázu počas časového slotu. V tomto prípade výstupný signál z fotodiódy

dostáva jednosmerný signál, ktorého amplitúda je úmerná fázovému rozdielu medzi

vstupnými impulzmi a sledom riadiacich impulzov, t.j. optický spínač pracuje ako fázový

komparátor. Avšak tento chybový signál má len jednu polaritu, takže tu nie je rozdiel

medzi zápornou a kladnou zmenou fázy. Tento problém môžeme zdolať detekovaním

signálu pomocou druhej pomalej fotodiódy. Výstupný signál z tejto fotodiódy je odrátaný

z chybového signálu. Výsledný signál je poslaný do VCO pomocou úzko pásmového

filtra. Ten uzatvára slučku a blokuje frekvenciu VCO na základnú frekvenciu vstupného

dátového signálu. Optické hodinové impulzy môžu byť vyňaté z výstupu TMLL použitím

väzobného člena.


34

4 SKÚMANIE VPLYVU DĹŽKY SOA V SIMULAČNOM

PROGRAME

Táto kapitola sa zaoberá skúmaním vplyvu dĺžky optického polovodičového

zosilňovača v rôznych aplikáciách. Konkrétne bolo mojou úlohou skúmať SOA

v zapojeniach: OTDM demultiplexor, optický spínač a konvertor vlnovej dĺžky. Pre tieto

zariadenia som zhotovil funkčnú schému a potom odsimuloval. Simulácie boli

realizované pomocou programu VPI Professional Tool™. Najzaujímavejšie výsledky sú

uvedené v tejto kapitole pre daný typ zariadenia a ostatné výsledky simulácií ako aj

funkčné schémy sú uvedené v prílohovej časti.

Techniky plne optického spracovania signálu na báze SOA majú množstvo výhod, zvlášť

Mach-Zehnderova interferometrická konfigurácia pracujúca na báze krížovej fázovej

modulácie (MZI-XPM), a iné interferometrické štruktúry napr. SLALOM, MI a pod.

Simulačný program poskytuje veľa možností a charakteristík. Pomocou neho som

zisťoval ako vplýva dĺžka aktívnej dutiny SOA na výstupný výkon, frekvenčné spektrum,

odstup signál/šum a diagram oka. Z diagramu oka sa dajú zistiť aj iné charakeristiky.

Šírka otvorenia oka definuje časový interval, v ktorom prijímaný signál môže byť

vzorkovaný bez chyby s ohľadom na intersymbolovú interferenciu. Najlepšie pre prijímač

je, ak je výška otvorenia oka čo najväčšia. Výška je redukovaná amplitúdovým

skreslením dátového signálu. Čím sa viacej oko uzatvára, tým je ťažšie rozlíšiť rozdiel

medzi jednotkami a nulami signálu. Ak je rýchlosť, s ktorou sa oko zatvára rozdielna,

musí byť rozdielna citlivosť detektora, čo môže viesť k chybám v časovaní. Hocijaká

nelinearita z prenosovej charakteristiky kanála vytvára asymetriu diagramu oka. Ak

náhodné dáta budú prechádzať lineárnym systémom, otvorenie oka bude rovnaké

a symetrické.

Výstupný výkon v „mW“ som zmeral pomocou vizualizéra a následne z toho vypočítal

hodnotu zisku podľa vzťahu:

[ ]mWmWdBPP

avst

výstvýst ,;log10 ⋅=

kde avýst je hodnota zisku na výstupe v dB, Pvýst je výstupný výkon v mW, Pvst je vstupný

výkon v mW.

Meral som to v závislosti od napájacieho prúdu a dĺžky SOA. Pre SOA je maximálna

prúdová hustota 25 kA/cm2 (krátkodobo). Pri vyšších hodnotách dochádza k jeho

(4.1)


35

deštrukcii vplyvom teploty . Z toho vyplývajú aj maximálne prípustné hodnoty prúdu. Pre

rozmery SOA, ktorý bol použitý v simulácii (šírka aktívnej oblasti: 3 μm, hrúbka: 80 nm)

sú hodnoty nasledovné: pre dĺžku aktívnej oblasti 300 μm je to 225 mA, pre dĺžku 500

μm je to 375 mA, 750 μm: 562 mA, 1000 μm: 750 mA, atď.

Podobne som zmeral a vypočítal hodnotu optického SNR podľa vzťahu:

[ ]mWmWdBPP

OSNRvýstš

výsts ,;log10 ⋅=

kde OSNR je optický odstup signál/šum v dB, Pvýsts je výstupný výkon signálu v mW

a Pvýstš je výstupný výkon šumu v mW. Podobne ako OSNR je definovaný ER (extension

ratio), čo je pomer medzi úrovňou signálov v log 1 a log 0, ktorý sa uvádza pri

konvertoroch.

4.1 Konvertor vlnovej dĺžky

Na konverziu vlnových dĺžok sa využívajú 3 typy nelinearít: krížová modulácia zisku

(XGM), krížová modulácia fázy (XPM) a štvorvlnové zmiešavanie (FWM). Základný

princíp nelinearít je bližšie popísaný v predchádzajúcej kapitole. Na základe viacerých

výhod som sa rozhodol pre konvertor založený na XPM, ktorý však musí byť umiestnený

do interferometrickej štruktúry, konkrétne som si vybral Mach-Zehnderovu štruktúru.

Interferometrické konvertory sú veľmi výhodné, pretože majú veľmi strmú prenosovú

funkciu, ktorá umožňuje regeneráciu medzisymbolového odstupu spracovávaného

signálu. Na vytvorenie fázového rozdielu medzi ramenami interferometra o veľkosti π, je

postačujúca malá úroveň vstupného signálu a preto môžeme dosiahnuť veľmi účinnú

konverziu a to prakticky nezávisle na vlnovej dĺžke. Keďže pri tomto fázovom posuve

pracujeme s malou moduláciou, tak aj frekvenčný chirp výstupného signálu je

v porovnaní s XGM malý. Okrem toho že zosilňujú signál, výstupný signál

z interferometra má vysoký optický SNR. Princíp konvertorov vlnovej dĺžky je

podrobnejšie popísaný v kapitole 3.2.1

Schéma zapojenia konvertora je v prílohe 1. Ako zdroj dátového signálu som použil

externe modulovaný laser, (ktorého zapojenie je tiež v prílohe 1) s výkonom 0,5 mW

s frekvenciou 193,1 THz, čo je približne 1552,52 nm, ktorý generoval NRZ impulzy

s pseudonáhodnou postupnosťou PRBS. Zdroj CW signálu bol tiež s výkonom 0,5 mW

a frekvenciou 193,2 THz resp. 1551,72 nm. Rozdiel medzi konvertovanými vlnovými

(4.2)


36

dĺžkami bol 100 GHz, tj. 0,4 nm. Na výstupe je použitý filter na odfiltrovanie pôvodnej

vlnovej dĺžky. Postupne som menil jednotlivé dĺžky SOA, a to konkrétne 300, 500, 750

a 1000 μm. V oboch ramenách som mal nastavenú vždy rovnakú dĺžku SOA. Ďalej som

postupne nastavoval hodnoty napájacieho prúdu od 150 mA až do hraničnej hodnoty pre

konkrétnu dĺžku SOA, pri zachovaní maximálnej prúdovej hustoty, ktorá je (ako bolo

uvedené v úvode kapitoly) približne 25 kA/cm2. Skúmal som aký to bude mať vplyv na

veľkosť výstupného zisku, odstup signál/šum SNR a diagram oka, najprv pri rýchlosti 2,5

Gb/s a potom pri 10 Gb/s.

Graf 4.1 Časový priebeh pôvodného signálu (vľavo) a diagram oka (vpravo)

Graf 4.2 Časový priebeh signálu (vľavo) a diagram oka (vpravo)

pre SOA: L=300μm, I=200mA


37

Z množstva výsledkov, ktoré som získal, som vyhodnotil, že pri rýchlosti 2,5 Gb/s

SOA s dĺžkou 300 μm a napájacím prúdom 200 mA má najlepší OSNR, konkrétne 28,25

dB, pritom konvertor vykazoval zisk 15,17 dB. V grafe 4.2 uvádzam jeho časový priebeh,

spektrum a diagram oka. Pre porovnanie je v grafe 4.1 zobrazený pôvodný signál a jeho

diagram oka.

Avšak z hľadiska kvality tvaru signálu a diagramu oka sa javí najlepší SOA s dĺžkou

1000 μm s prúdom 750 mA (graf 4.3), čo je na hranici prúdovej hustoty. Pričom hodnota

zisku bola 27,95 dB a OSNR bol 23,36 dB.

Graf. 4.3 Časový priebeh signálu (vľavo) a diagram oka (vpravo)

pre SOA: L=1000μm, I=750mA

Z uvedených priebehov nám vyplýva, že dlhší SOA má lepšie vlastnosti z hľadiska

kvality oka, čo nám umožňuje lepšie a jednoduchšie nastaviť prijímač, príp. využiť pri

ďalšom spracovaní. Rýchlosť obnovy tvaru je spôsobená veľkosťou napájacieho prúdu,

čím sa zvyšuje počet voľných nosičov v dutine SOA. V grafe 4.4 sú zobrazené spektrálne

charakteristiky predchádzajúcich dvoch nastavení (vľavo pre L = 300μm, I = 200mA

a vpravo L = 1000μm, I = 750mA). Porovnaním charakteristík (aj týchto dvoch), som

zistil, že so zvyšujúcou sa dĺžkou zosilňovača a teda aj prúdu sa spektrum

konvertovaného signálu rozširuje (príloha 4).V tomto prípade je šírka približne 55 GHz

(pri úrovni -60 dBm), tj 0,2 nm, čo nie je až taká veľká hodnota. Pre lepšie porovnanie

vlastností SOA s rôznymi dĺžkami som konvertor odsimuloval s konštantnou prúdovou


38

hustotou a to 18 a 25 kA/cm2. Zistil som, že šum sa zvyšuje s dĺžkou. To je preto, lebo

dlhší SOA má nižší stupeň inverzie, s ktorým súvisí aj vyššia hodnota šumu a výstupný

výkon ASE rastie rýchlejšie než zisk zariadenia, čo má vplyv na OSNR (graf 4.5).

L = 300 μm, I = 200 mA L = 1000 μm, I = 750 mA

Graf 4.4 Frekvenčné spektrum signálov

21

24

27

30

200 400 600 800 1000 1200

dĺžka SOA [μm]

OSN

R [d

B]

18 kA/cm2

25 kA/cm2

Graf 4.5 Závislosť OSNR od dĺžky SOA ( 2,5 Gb/s )


39

Keď som zvyšoval dĺžku SOA, stúpal aj zisk približne do hodnoty 28 dB (graf 4.6). Ak

by sa dĺžka SOA naďalej zvyšovala (program mi to neumožnil pri danom type SOA),

hodnota zisku by sa ustálila na určitej hodnote, blízko tej nameranej (saturácia SOA).

Takže ďalšie zvyšovanie dĺžky a prúdu by bolo zbytočné.

10

15

20

25

30

200 400 600 800 1000 1200

dĺžka SOA [μm]

zisk

[dB

]

18 kA/cm225 kA/cm2

Graf 4.6 Závislosť zisku od dĺžky SOA ( konvertor )

Všetky hore uvedené grafy boli odsimulované pri prenosovej rýchlosti 2,5 Gb/s. Toto

zapojenie konvertora som odsimuloval aj pre rýchlosť 10 Gb/s. Rozdiely vo výsledkoch

pri týchto dvoch rýchlostiach teraz popíšem. Z hľadiska OSNR bol teraz najlepší SOA

s dĺžkou L = 750 μm a prúdom I = 562 mA, ktorého hodnota bola 28,82 dB, dôvod bude

popísaný nižšie. Z časových priebehov a diagramu oka vyšiel najlepší opäť SOA s L =

1000 μm a I = 750 mA, pričom vykazoval zisk takmer 28 dB pri OSNR = 23,75 dB.

Diagram oka je však „čistejší“ pri rýchlosti 2,5 Gb/s. Najväčší rozdiel bol však vo

frekvenčnom spektre, kde sa šírka spektra zvýšila aj u pôvodného signálu (mohlo to byť

kvôli ostrejším hranám vstupných impulzov), teda so zvyšujúcou sa rýchlosťou narastá

šírka spektra signálu. To by mohlo spôsobiť presluchy pri veľmi hustých DWDM

systémoch. V tomto prípade je šírka pásma konvertovaného signálu približne 80GHz, čo

je 3,5 nm (pri úrovni -60 dBm). Výsledky sú uvedené v prílohe 3 a 7. Pre porovnanie


40

vlastností SOA s rôznymi dĺžkami som konvertor odsimuloval s konštantnou prúdovou

hustotou a to 18 a 25 kA/cm2, teda s rovnakým napájaním ako pri rýchlosti 2,5 Gbit/s.

Dospel som k záveru, že prenosová rýchlosť nemá veľký vplyv na veľkosť zisku (graf bol

takmer identický ako je zobrazené na grafe 4.6), avšak OSNR závislosť sa zmenila (graf

4.7). Pri kratších SOA < 750 μm dochádza ku zmenšeniu OSNR, pretože SOA

nedokázalo tak rýchlo reagovať na zmeny úrovne signálu (log 1 a log 0). To možno

vidieť aj na diagrame oka (príloha 6), a teda pre vyššie prenosové rýchlosti sú vhodnejšie

dlhšie SOA, ktoré je možno napájať vyšším prúdom.

0

5

10

15

20

25

30

200 400 600 800 1000 1200

dĺžka SOA [μm]

OSN

R [d

B]

18 kA/cm225 kA/cm2

Graf 4.7 Závislosť OSNR od dĺžky SOA ( 10 Gb/s )

Treba ešte pripomenúť, že uvedené charakteristiky a výsledky sú merané pri výkone 0,5

mW externe modulovaného lasera ako aj CW lasera. Pri iných hodnotách vstupných

výkonov sa môže javiť lepší SOA s inou dĺžkou, aká je uvedená v tejto práci. Preto by

bolo vhodné konvertor optimalizovať z hľadiska vstupných výkonov. Tomu som sa však

nevenoval.

4.2 Optický spínač

Vysoko rýchlostné WDM a TDM optické komunikačné siete vyžadujú vysoko

rýchlostné optické spínače, ktoré budú buď opticky alebo elektricky riadené. Takéto


41

optické spínače môžu byť vytvorené pomocou SOA. Podrobnejšie sú popísané v kapitole

3.2.3.

Ako spínač som sa rozhodol použiť ako Sagnacovu slučku, ktorá umožňuje spínať

rýchlejšie oproti spínačom s elektrickým riadením. Je to spôsobené tým, že pri

elektrickom riadení SOA ovládame systémom on-off, tj. tečie alebo netečie prúd do SOA,

na rozdiel od spínača s využitím Sagnacovej slučky, kde SOA ovládame optickými

impulzmi, tj. SOA je stále napájaný prúdom. Princíp spínania je jednoduchý: ak nedáme

riadiace impulzy do slučky, spínač bude vypnutý, teda bráni prechodu vstupného CW

signálu na výstup. Privedením riadiaceho impulzu do slučky spínač zopne a signál potom

prejde na výstup. Schéma zapojenia spínača je v prílohe 8. Ako zdroj riadiacich impulzov

je použitý externe modulovaný laser s vlnovou dĺžkou 1552,12 nm s výkonom 10 mW,

ktorý generoval RZ impulzy s pseudonáhodnou postupnosťou PRBS so šírkou impulzu

FWHM = 10 ns a vstupný signál je použitý CW laser s výkonom 2 mW a vlnovou dĺžkou

1552,52 nm. V tejto schéme bol na rozdiel od konvertora a demultiplexora použitý TLLM

Bulk SOA (parametre v prílohe 14), ktorý mal možnosť pracovať v dvoch smeroch, čo

bolo potrebné pre tento typ spínača (SLALOM) a umožňoval nastaviť dĺžku aktívnej

oblasti do 2000 μm. Simuloval som to pre rýchlosť 10 Gb/s. Podobne ako u konvertora

som menil rôzne dĺžky SOA v rozmedzí od 300 do 2000 μm a tiež aj napájacie prúdy,

podľa prúdovej hustoty. V tomto prípade som meral OSNR a zisk spínača pri konštantnej

prúdovej hustote 8,33 a 16,67 kA/cm2. V grafe 4.8 je znázornený časový priebeh signálu

na výstupe spínača pre rýchlosť 10 Gb/s pri prúdovej hustote 8,33 kA/cm2, vľavo pre

SOA s dĺžkou L = 300 μm a vpravo L = 2000 μm.

L = 300 μm L = 2000 μm

Graf 4.8 Časový priebeh signálu spínača

Z porovnania časových priebehov vyplýva, že dlhší SOA má rovnomernejšie výkonové

pomery. Ale navyše sa degraduje diagram oka (graf 4.9). Takže dĺžka SOA a veľkosť

napájacieho prúdu vplýva sa zmenu fázy, čo má vplyv na funkčnosť tohto typu spínača.


42

To má samozrejme vplyv aj na OSNR. Ostatné časové priebehy a diagramy oka, ako aj

namerané výsledky pri prúdovej hustote 16,67 kA/cm2, sú uvedené v prílohe 9 - 12.

L = 300 μm L = 2000 μm

Graf 4.9 Diagram oka ( spínač )

Zo zvyšujúcou sa dĺžkou SOA pri rovnakej prúdovej hustote sa zvyšuje aj hodnota zisku

(graf 4.10), ktorá však ustáli na určitej hodnote a ďalšie zväčšovanie dĺžky je teda

zbytočné a navyše narastá hodnota šumu, čím sa znižuje OSNR (graf 4.11). V prípade

spínačov sa uvádza hodnota spínacieho kontrastu SC. Avšak priamo súvisí s hodnotou

OSNR. V tomto prípade budem teda uvažovať iba OSNR.

10

15

20

25

0 500 1000 1500 2000 2500

dĺžka SOA [μm]

zisk

[dB

]

16,67 kA/cm28,33 kA/cm2

Graf 4.10 Závislosť zisku od dĺžky SOA ( spínač )


43

Z priebehu grafu 4.10 ešte vyplýva, že pri väčšej prúdovej hustote hodnota zisku je

vyššia, čo je dôsledkom toho, že zvyšovaním vyššom napájacom prúde vzrastá počet.

5

10

15

20

25

30

35

0 500 1000 1500 2000 2500

dĺžka SOA [μm]

OSN

R [d

B]

8,33 kA/cm216,67 kA/cm2

Graf 4.11 Závislosť OSNR od dĺžky SOA ( spínač )

Z porovnania grafov 4.6 a 4.10 ako aj z hľadiska vstupných výkonov (0,5 mW

konvertor oproti 2 mW spínač) je zrejmé, že pri vyššom vstupnom výkone SOA dosahuje

menší zisk. Je to preto, lebo hustota rozloženia voľných nosičov je závislá aj od množstva

fotónov optického lúča, ktorý je injektovaný do SOA. So zvyšujúcim sa výkonom sa

odčerpávajú voľné nosiče s aktívnej oblasti SOA.

Spínač dokázal pracovať aj úzkymi impulzmi < 10 ps a teda by dokázal spínať a veľmi

rýchle toky.

4.3 Demultiplexor OTDM

Optické demultiplexory sú hlavným komponentom v OTDM systémoch. Sú to

vlastne optické spínače s funkciou demultiplexovania, ktorá slúži na extrakciu dátového

toku so základnou bitovou rýchlosťou. Poznáme dva druhy optických demultiplexorov:

elektro-optický a plne-optický. Elektro-optický je ovládaný pomocou elektrických

impulzov. Takéto demultiplexory sú v súčasnosti komerčne dostupné. Plne-optický sa

ovláda pomocou optických impulzov. Využíva sa tu princíp Kerrovych nelineárnych

efektov v SOA, ktorý je umiestnený do interferometrickej štruktúry. Na


44

demultiplexovanie sa používajú tieto štruktúry: Sagnacova, MZI a UNI. Rozhodol som sa

pre symetrickú MZI štruktúru, s ktorou je možné demultiplexovanie 160 Gb/s toku. Jeho

veľkou výhodou je jeho integrovateľnosť a veľký spínací kontrast. Navrhol som schému

(príloha 13) pre demultiplexor 40:10 Gb/s a odsimuloval. V schéme je ako zdroj dátových

impulzov použitý externe modulovaný laser s vlnovou dĺžkou 1560 nm a výkonom 1 mW

na každý kanál. Oneskorovacie vedenia som nastavil tak, aby boli dátové impulzy

rovnomerne rozložené. Ako zdroj riadiacich impulzov som použil rovnako externe

modulovaný laser ale s vlnovou dĺžkou 1535 nm výkonom 20 mW. Na výstupe

demultiplexora som použil „band pass“ filter, ktorý mi prepustil len dátové impulzy.

Priebeh vstupného signálu je zobrazený v grafe 4.12.

Graf 4.12 Vstupný signál demultiplexora

Postupne som nastavoval oneskorenie riadiacich impulzov. Pri vzájomnom posune

o 5,4 ps som dosiahol najlepšie výsledky. Tým sa vlastne vytvorilo spínacie okno

o rovnakej veľkosti. Ako boli nastavené riadiace impulzy je vidno na grafe 4.13.

Graf 4.13 Nastavenie riadiacich impulzov


45

Ďalej som menil dĺžku SOA a veľkosť napájacieho prúdu. Z veľkého počtu simulácií,

(ktoré mi zabrali veľa času) s rôznymi nastaveniami napájacích prúdov a dĺžok SOA, som

dospel k záveru, že pre daný typ demultiplexora, aby bol plne funkčný, t.j. aby na jednom

výstupe bol len demultiplexovaný signál a na druhom výstupe celý dátový tok okrem

demultiplexovaného, sa najviac hodí SOA s dĺžkou 500 μm s napájacím prúdom 250 mA.

Výstupné priebehy z demultiplexora sú uvedené v grafe 4.14, vľavo je demultiplexovaný

signál s rýchlosťou 10 Gb/s a vpravo je prenesený signál s vybraným 10 Gb/s kanálom.

Graf 4.14 Výstupné priebehy z demultiplexora

Pri tomto nastavení demultiplexor vykazoval najvyšší spínací kontrast, konkrétne 24,88

dB na výstupnom porte (demultiplexovaný signál) a 13,29 dB na prenesenom porte.

Pritom vykazoval zisk 16,67 dB, resp. 15,94 dB. Tvar preneseného signálu zodpovedá

krivke obnovy zisku SOA, ktorá je charakteristická pre tento typ demultiplexora. O tom,

že demultiplexor má veľký spínací kontrast je možné sa presvedčiť z diagramu oka (graf

4.15), kde vľavo je demultiplexovaný signál a vpravo je prenesený signál.

Graf 4.15 Diagram oka demultiplexora


46

V tomto type zariadenia mali dĺžka SOA a veľkosť napájacieho prúdu veľký vplyv na

funkčnosť celého zariadenia, preto som uviedol iba jeden, ale za to najlepší výsledok, aký

sa mi podarilo dosiahnuť v simulačnom programe.

Ku každej aplikácii by bolo dobré porovnať chybovosť tj. BER pre rôzne dĺžky SOA,

ale napriek veľkej snahe sa mi to nepodarilo v danom simulačnom programe zmerať.

Preto som pri porovnávaní vychádzal z diagramu oka. Na záver by som pripomenul, že

program pracoval s ideálnym prenosovým prostredím, neuvažoval so stratami na

konektoroch, nebral do úvahy vplyv polarizácie a teplotné zmeny.


47

ZÁVER

Technológia SOA je možným riešením viacerých plne optických funkcií, ktoré sú

potrebné vo vývoji optických sietí. Keďže sa zdokonaľujú technológie

optoelektronických integrovaných obvodov a ich výrobné náklady klesajú, použitie SOA

ako základných zosilňovačov v lineárnom režime, najmä v oblasti prístupových sietí, sietí

LAN a MAN kvôli nízkej cene, malým rozmerom a hlavne malým napájacím výkonom

pri relatívne veľkom zosilnení, ako aj v nelineárnom režime pri plne optickom spracovaní

signálu napr. ako konvertory vlnovej dĺžky, add/drop muliplexory, demultiplexory, cross-

connecty, na plne optickú 2R, 3R regeneráciu, obnovu taktu a pod. Obrovskou výhodou

SOA je jeho integrovateľnosť s ďalšími komponentmi a predovšetkým jeho veľmi rýchlej

odozvy. Teda použitie týchto komponentov bude vo funkčných podsystémoch narastať.

Ak sa vylepšia vlastnosti dlhších SOA a znížia sa náklady na výrobu, vývoj sa môže

uberať týmto smerom. Optimalizácia SOA pre nelineárne aplikácie vyžaduje dobré

modely SOA a detailne pochopiť jeho dynamické vlastnosti. Interferometrické štruktúry

vytvárajú možnosti ako dosiahnuť veľmi rýchle spínanie. SOA sú schopnou technológiou

pre budúci vývoj a rozširovanie optických sietí. Ich nevýhodou je malá schopnosť

naviazať svetlo do optického vlákna.

V záverečnej časti tejto práce som sa venoval numerickej analýze SOA. Mojou úlohou

bolo zistenie vplyvu dĺžky SOA pri optickom spracovaní signálu. Pomocou simulačného

programu som zistil, že s rastúcou dĺžkou aktívnej oblasti SOA a aj napájacím prúdom

vzrastá aj jeho zisk, avšak na druhej strane narastá aj hodnota šumu, čím sa vlastne

znižuje OSNR. Záleží však od konkrétnej aplikácie a najmä od vstupných výkonov, ktorá

dĺžka SOA bude najvýhodnejšia, ale podľa zistených výsledkov sú vhodnejšie kratšie

SOA s dĺžkou < 1 mm, kvôli šumovým vlastnostiam a je možné ich ľahšie teplotne

stabilizovať a aj vyrobiť. Preto sa používajú aj v praxi.


48

Zoznam použitej literatúry

[1] Lorenzo Occhi, Semidonductor optical amplifiers made of ridge waveguide bulk

InGaAsP/InP: Experimental characterisation and numerical modelling of gain,

phase and noise, PhD Thesis, Eidgenössische Technische Hochschule Zürich,

2002

[2] John Bowers, All optical networks, Dept. Of ECE, UCSB, 2004

[3] G. Keiser, Optical Fiber Communications, 3rd edition, McGraw-Hill international

editions, 2002

[4] Ch. Holtmann, Polarization Insensitive Semiconductor Optical Amplifiers in

InGaAsP/InP for 1.3 μm Wavelengths Exploiting Bulk Ridge-Waveguide

Structure, vol. 2 of Series in Quantum Electronics (ETH Diss. 12195), Hartung-

Gorre, 1997

[5] Michael J. Connelly, Semiconductor Optical Amplifiers, Kluwer Academic Press,

2002

[6] E. Staffan Björlin, Patrick Abraham, Donato Pasquariello, Joachim Piprek, Yi-Jen

Chiu, and John E. Bowers, High Gain, High Efficiency Vertical-Cavity

Semiconductor Optical Amplifiers, 14th International Conference on Indium

Phosphide and Related Materials, May 2002, Stockholm, Sweden

[7] Yasuhiro Suzuki, and Hiromu Toba, Recent Research and Development of All-

Optical Wavelength Conversion Devices, NTT Technical Review, Vol. 1 No. 1

Apr. 2003

[8] Milan L. Mašanović, Widely Tunable Monolithically Integrated All-Optical

Wavelength Converters in InP, Journal Of Lightwave technology, vol. 23, no. 3,

march 2005

[9] Ronald Gijsbertus Broeke, A Wavelength Converter Integrated with a Discretely

Tunable Laser for Wavelength Division Multiplexing Networks, PhD Thesis, Delft

University of Technology, Eindhoven, the Netherlands, 2003

[10] John O’Carroll and Michael J. Connelly, Signalling Information Detection using

a Semiconductor Optical Amplifier, Optical Communications Research Group

Department of Electronic & Computer Engineering, University of Limerick,

Ireland, 2002


49

[11] S. Diez, E. Hiliger, M. Kroh, C. Schmidt, C. Shubert, H.G. Weber, L. Occhi, L.

Schares, G. Guekos, L.K. Oxenloewe, Optimization of SOA-based Sagnac-

interferometer switches for demultiplexing to 10 and 40 Gb/s, Optics

communications 189, 2001

[12] T.Tekin, M.Schlak, W.Brinker, J.Berger, C.Schubert, B.Maul, R.Molt, Ultrafast

all-optical demultiplexing performance of monolithically integrated band gap

shipted Mach-Zehnder interferometer, 20th ECOC, 2001

[13] P. V. Studenkov, M. R. Gokhale, J. Wei, W. Lin, I. Glesk, P. R. Prucnal and S. R.

Forrest, Monolithic Integration of an All-Optical Mach–Zehnder Demultiplexer

Using an Asymmetric Twin-Waveguide Structure, IEEE photonics technology

letters, vol. 13, no. 6, june 2001

ČESTNÉ VYHLÁSENIE

Vyhlasujem, že som zadanú diplomovú prácu vypracoval samostatne, pod odborným

vedením vedúceho diplomovej práce Ing. Radoslava Odrobiňáka PhD. a používal som len

literatúru uvedenú v práci.

Súhlasím so zapožičaním diplomovej práce.

V Žiline 19.5.2006

..................................................

POĎAKOVANIE

Touto cestou sa chcem poďakovať vedúcemu diplomovej práce Ing. Radoslavovi

Odrobiňákovi PhD. za odborné vedenie tejto práce a Ing. Miroslavovi Bystrianskemu za

cenné rady a pripomienky pri vypracovaní diplomovej práce.

Taktiež sa chcem poďakovať mojim rodičom za trpezlivosť a podporu počas celého

štúdia.

Žilinská univerzita v Žiline Elektrotechnická fakulta Katedra telekomunikácií

Skúmanie vplyvu dĺžky aktívnej oblasti polovodičového optického zosilňovača (SOA)

pri optickom spracovaní signálu

Dominik Krištof

2006

Zoznam príloh

Príloha 1 – Schéma konvertora XPM

Príloha 2 – konvertor XPM 2,5 Gb/s (1)



Príloha 5 – konvertor XPM 10 Gb/s (1)



Príloha 8 – Schéma optického spínača

Príloha 9 – Optický spínač (1)




Príloha 13 – Schéma MZI demultiplexora

Príloha 14 – Nastavenie parametrov SOA

Príloha 15 – CD s výsledkami zo simulačného programu

Príloha 1 – Schéma konvertora XPM

Externe modulovaný laser Tx


Časové priebehy ( J = 18 kA/cm2 )

L = 300 μm L = 500 μm

L = 750 μm L = 1000 μm


Diagramy oka ( J = 18 kA/cm2 )

L = 300 μm L = 500 μm

L = 750 μm L = 1000 μm


Frekvenčné spektrum ( J = 18 kA/cm2 )

L = 300 μm L = 500 μm

L = 750 μm L = 1000 μm


Časové priebehy ( J = 18 kA/cm2 )

L = 300 μm L = 500 μm

L = 750 μm L = 1000 μm


Diagramy oka ( J = 18 kA/cm2 )

L = 300 μm L = 500 μm

L = 750 μm L = 1000 μm


Frekvenčné spektrum ( J = 18 kA/cm2 )

L = 300 μm L = 500 μm

L = 750 μm L = 1000 μm

Príloha 8 – Schéma optického spínača


Časové priebehy ( J = 8,33 kA/cm2 )

L = 300 μm; I = 75 mA L = 500 μm; I = 125 mA

L = 1000 μm; I = 250 mA L = 1500 μm; I = 375 mA

L = 2000 μm; I = 500 mA


Diagramy oka ( J = 8,33 kA/cm2 )

L = 300 μm; I = 75 mA L = 500 μm; I = 125 mA

L = 1000 μm; I = 250 mA L = 1500 μm; I = 375 mA

L = 2000 μm;

I = 500 mA


Časové priebehy ( J = 16,67 kA/cm2 )

L = 300 μm; I = 150 mA L = 500 μm; I = 250 mA

L = 1000 μm; I = 500 mA L = 1500 μm; I = 750 mA

L = 2000 μm; I = 1000 mA


Diagramy oka ( J = 16,67 kA/cm2 )

L = 300 μm; I = 150 mA L = 500 μm; I = 250 mA

L = 1000 μm; I = 500 mA L = 1500 μm; I = 750 mA

L = 2000 μm;

I = 1000 mA

Príloha 13 – Schéma MZI demultiplexora

Príloha 14 – Nastavenie parametrov SOA

TLLM Bulk SOA

TW SOA

Documents

Skúmanie vplyvu dĺžky aktívnej oblasti polovodičového optického …diplom.utc.sk/wan/686.pdf · 2006. 9. 11. · Skúmanie vplyvu dĺžky aktívnej oblasti polovodičového