بخشی از مقاله
چکیده –
در این مقاله تأثیر محیط میزبان بر میزان تقویت سیگنال، در تقویتکنندههاي تار نوري آلاییده به یون اربیوم بطور تئوري بررسی شده است. با تغییر محیط میزبان سطح مقطعهاي جذب و گسیل یون اربیوم و در نتیجه بهره تغییر میکند. محاسبات بهره براي دو محیط میزبان سیلیکاي خالص و سیلیکا با ترکیبات الومینیوم و فسفر انجام و نتایج با یکدیگر مقایسه شده است. طول موج دمش 980 نانومتر بوده و مدلسازي بر اساس حل عددي معادلات انتشار موج دمش و سیگنال و با درنظرگرفتن پدیده مهم جذب حالت برانگیخته که اثرات آن بصورت یک جمله اضافی در معادلات مذکور وارد میشود انجام شده است.
-1 مقدمه
عملکرد تقویتکنندههاي فیبر نوري به واکنشهاي بین محیط میزبان و عناصر مهمان تزریقشده به آن بستگی دارد. برخی پارامترهاي تقویتکننده مانند طول عمر تراز بالایی یون، سطح مقطعهاي جذب و گسیل، شکل و پهناي باند طیف بهره که در حالت کلی وابسته به جنس مغزي فیبر و عناصر تزریق شده به آن هستند، از محیط میزبان تأثیر میپذیرند. همچنین نوع پهنشدگی همگن یا ناهمگن، شکافتگی ترازهاي یونهاي مهمان به ترازهاي استارك، متأثر از محیط میزبان میباشند و ترکیبات محیط میزبان، طیف خروجی را تغییر میدهد
لذا انتخاب محیط میزبان مناسب در تقویتکنندههاي فیبر نوري از اهمیت بالایی برخوردار است. در مورد تقویتکننده تار نوري آلاییده به یون اربیوم،EDFA 1، به دلیل گسیل آن در محدوده -1700 1200 نانومتر یا همان پنجرههاي مخابراتی، میتوان با تغییر محیطهاي فعال، تقویتکنندههاي تار نوري را در بازههاي مختلف دستگاههاي مخابراتی بکار گرفت.
در این مقاله تاثیر محیط میزبان روي عملکرد و بهره EDFA بطور تئوري بررسی شده است. یافتههاي تجربی نشان میدهد که با تغییر محیط میزبان تغییراتی در مشخصات ترازهاي یون اربیوم ایجاد شده و در این شرایط پدیده جذب حالت برانگیختهESA 2 که از نتایج تغییر محیط میزبان است اهمیت پیدا میکند
در بخش دوم مقاله به دنبال توضیح مختصري در مورد تاثیر ترکیبات محیط میزبان روي طیف گسیل تقویتکننده، پدیده ESA شرح داده شده است. معادلات شدت موج نوري مربوط به EDFA با درنظرگرفتن جمله مربوط به پدیده مذکور نیز در بخش دوم ارائه شده است. بخش سوم به تحلیل نتایج حاصل از مدلسازي اختصاص داده شده و در آخر نیز نتیجهگیري کوتاهی ارائه شده است.
-2 تأثیر ترکیبات محیط میزبان بر طیف گسیل
تقویت کننده تار نوري
اثر مهم نوع ترکیبات محیط میزبان، تغییر اختلاف انرژي دو تراز بالا و پایین تقویت در یون اربیوم و یا انتقال قله طول موج سیگنال تقویتشده است. با تغییر محیط میزبان این گاف انرژي میتواند 6 cm -1 تا 25 نانومتر تغییر کند.
اثر دیگر تغییر ترکیبات محیط میزبان افزایش یا کاهش پهناي باند تقویتکننده میباشد. به عنوان مثال با افزودن عنصر آلومینیوم به محیط میزبان سیلیکا، شکل طیف سطحمقطع جذب و گسیل هموارتر خواهد شد. این هموار شدن بین طولموجهاي 1/53 و 1/55 میکرون، براي کاربرد در تقویتکنندههاي چندکاناله سودمند است. در محیطهاي میزبان عناصر فلزات سنگین این پهنشدگی و هموار شدن طیف سطحمقطع جذب و گسیل در اثر افزودن آلومینیوم، به میزان چشمگیري از محیطهاي سیلیکا-آلومینیوم بیشتر میباشد .[2] در مقابل، افزودن ژرمانیوم، پهنا را در طیف بهره تقویتکننده کاهش میدهد .[
تغییر سطح مقطع جذب و گسیل یون اربیوم موجب تغییر نرخ جذب و گسیل فوتونهاي موج دمش و سیگنال شده و تأثیر مستقیم بر بازده تقویتکننده دارد. به منظور بررسی تئوري معادلات، پدیده ناشی از این تغییرات توضیح داده میشود.
-1-2 پدیده جذب حالت برانگیخته
با تغییر ترکیبات محیط میزبان، ترازهاي اربیوم میتوانند به گونهاي تغییر کنند که در برخی از طولموجهاي دمش، گاف انرژي مربوط به طولموج دمش با گاف انرژي تراز بالاي تقویتکننده و تراز بالاتري مانند تراز 4، شکل 1، یکسان شود. به این ترتیب احتمال جذب فوتونهاي موج دمش از تراز 2 به تراز 4 زیاد میشود. به این پدیده جذب در تراز برانگیخته میگویند. شکل 1 ترازهاي یون اربیوم و جذب فوتونهاي دمش نمایش میدهد.
شکل -1 دیاگرام ترازهاي یون اربیوم در طولموج دمش 800 نانومتر.
جذب حالت برانگیخته از تراز 2 به 4 با سطح مقطع 24 نمایش داده شده است.
در مورد برخی از محیطهاي میزبان مانند شیشههاي فلوراید، یونهاي واقع در ترازهاي بالاتر از میتوانند مستقیماً به تراز پایین تقویت کننده گذار تابشی داشته باشند. به این ترتیب دمش تبدیل رو به بالا3 رخ داده است.
در این حالت دو یا چند فوتون با طولموج بلند استفاده میشوند تا یک یون برانگیخته ایجاد شود .[3] در مورد محیط میزبان سیلیکا، پدیده ESA یک پدیده مخرب محسوب میشود. تراز 4 یون اربیوم تزریق شده در این محیط، طولعمر کوتاهی داشته و الکترون در طی چند مرحله تابش فونون به تراز 2 بازمیگردد. اگر چه انتقال این یونها به تراز I13/2 تقریباً بطور آنی صورت میگیرد، ولی در طی این فرایند، یک فوتون موج دمش با گسیل فونون که موجب گرم شدن فیبر میشود از دست میرود.
پدپده ESA باعث افت توان دمش شده ولی تأثیر مستقیمی بر کاهش جمعیت تراز بالاي تقویتکننده ندارد. جمله اصلاحی مربوط به این پدیده به صورت زیر در معادلات تغییرات شدت موج دمش و سیگنال وارد میشود :[
در این روابط a، p و e به ترتیب سطح مقطع مؤثر جذب حالت پایه موج سیگنال، موج دمش و سطح مقطع مؤثر گسیل بوده و پارامتر p به صورت نسبت سطح مقطع مؤثر ESA به سطح مقطع مؤثر جذب موج دمش تعریف میشود و معیاري از احتمال رخداد این پدیده است. Is - z - و Ip - z - به ترتیب شدت موج سیگنال و موج دمش می- باشند. N1 و N2 نیز جمعیت تراز پایین و بالاي تقویتکننده هستند. از حل معادلات نرخ در حالت پایا و جاگذاري N1 و
N2 در روابط - 1 - و - 2 - تغییرات شدت موج دمش و سیگنال در تقویتکننده بدست میآید.
شانزدهمین کنفرانس انجمن اپتیک و فوتونیک ایران
همانطور که مشاهده میشود با افزایش p ، بهره تقویتکننده به شدت کاهش مییابد. بنابراین نرخ افت بهره براي تقویتکنندههایی با طول محیط فعال بلندتر با افزایش اثر ESA بیشتر است بطوریکه اگر سطح مقطع مؤثر جذب از تراز برانگیخته تنها نصف سطح مقطع مؤثر جذب موج دمش باشد بهره به نصف مقدار قبل میرسد.
شکل -2 تغییرات بهره EDFA بر حسب پارامتر p
در حقیقت شکل 2 شمایی کلی از تغییرات بهره را بر حسب پارامتر p بدست میدهد و تنها براي نشان دادن میزان تاثیر پدیده ESA روي کاهش بهره آورده شده است. پارامتر p در هر تقویت کننده، بسته به طول موج دمش و ترکیبات محیط میزبان مقدار ثابتی دارد. در شکل -3الف و-3ب تغییرات توان نرمالیزه موج دمش را در طول تقویتکننده EDFA بترتیب در دو محیط میزبان سیلیکاي خالص و سیلیکا با ترکیبات آلومینیوم و فسفر نشان داده شده است. این نمودارها براي چهار مقدار مختلف توان دمش و طول محیط فعال 14 متر رسم شده است. پارامتر pبراي محیط میزبان سیلیکاي خالص صفر و براي محیط میزبان سیلیکاي ترکیبی غیرصفر و برابر با 1 میباشد .
-3 نتایج مدل سازي
شکل 2 تغییرات بهره را برحسب پارامتر p ، براي تقویت- کننده هاي تار نوري آلاییده به اربیوم با طولهاي مختلف نشان میدهد. در این نمودار توان موج دمش 10 میلی وات درنظر گرفته شده است.
