6. DALGABOYU AYARLANABİLİR GENİŞBAND EDFRL TASARIMLARININ
6.3. Halka Tipi EDFRL ile WDM Sistemlerde Doğrusal Olmayan Etkilerin
Bilindiği üzere, fiber optik haberleşme sistemlerinde artan trafik yoğunluğuna bağlı olarak DWDM ve UDWDM lazer kaynakların kullanılması gerekmektedir. Ayrıca uzak mesafelerde gerektiğinde yükselteç kullanmadan iletim yapabilmek adına yüksek giriş güçlerine sahip optik kanal sinyalleri kullanılabilmektedir. Ancak optik fiberde yüksek güçlerde iletim yapıldığında ve DWDM’deki gibi kanallar arası boşluklar daraltıldığında (≤0.8 nm) dört dalga karışımı (FWM) gibi doğrusal olmayan etkiler ortaya çıkar (Y. Liu vd., 1999).
FWM, kısaca farklı dalgaboylarındaki iki veya üç dalganın etkileşmesi sonucunda Stokes ve Anti-Stokes dalgaboyunda istenmeyen sinyal bileşenlerinin oluşması şekilde açıklanabilir. Ayrıca yeni üretilen bu bileşenlerin güç seviyeleri yeterli olması durumunda hem kanallardaki işaretlerle hem de kendileriyle tekrar etkileşerek yüksek mertebeden FWM bileşenleri ortaya çıkarabilir. N adet kanaldan oluşan bir WDM sistemde ortaya çıkan FWM bileşenlerinin sayısı (6.2)’deki gibi bulunabilir (Hicdurmaz, 2013).
(
3 2)
1 2
M = N −N (6.2)
Şekil 6.9. Üç DWDM kanalının etkileşimi ile oluşan FWM işaretleri.
Şekil 6.9’da frekansları sırası ile f1, f2 ve f3 olan üç DWDM kanalının etkileşimi ile oluşan FWM bileşenleri görülmektedir. FWM bileşenlerinin frekansları üç ana kanalın frekansından elde edilebilir (Karlik, 2016).
ijk i j k
f
= + −f
f
f
(6.3)Frekansı fijk olan bir FWM bileşeninin gücü DWDM kanallarındaki optik güçten (Pi, Pj,
Pk) yola çıkılarak elde edilebilir.
2
exp(
)
3
ijk eff ijk i j kd
L
P
=
PP P
− L
(6.4)Denklem (6.4)’te
d
ijkdejenerasyon faktörüdür. Dejenerasyon faktörünün değeri3(
)
ijk
d
=
i= j
k
ya dad
ijk=6(i j
k)
olmaktadır. Ayrıca
fiber zayıflama katsayısı, L fiber uzunluğu,
doğrusalsızlık (nonlineerlik) katsayısı,L
eff efektif iletim mesafesi,
ise FWM etkinliğidir (Karlik, 2016). 2 effn
cA
=
(6.5)(1 exp(
) /)
effL
= −
−L
(6.6)(
)
2 2 2 2 24 exp(
)
1
sin
2
1 exp(
)
ijk ijkL
L
L
−
=
+
+
−
−
(6.7)Denklem (6.5) ve (6.7)’da
açısal frekansı,n
2öz kırılma indisini, c uzak boşluğundaki ışık hızını,A
eff ise fiber etkin alanını göstermektedir. Ayrıca
ijkise kanallar arası faz uyumsuzluğunu ifade eder.(
)
(
)
2 2 2 2 k k ijk i k j k i k j k dD f f f f D f f f f c c d
= − − + − + − (6.8)Denklem (6.8)’de D dispersiyon katsayısını ve
dD d/
ise dispersiyon eğimini göstermektedir (Ergüney vd., 2011).Çok kanallı DWDM sistemlerde FWM etkisi, yüksek mertebeden bileşenler de göz önünde bulundurulduğunda karmaşıklaşmaktadır. Bu sebeple basit bir model elde etmek için iki kanallı DWDM sistemi örnek alınabilir. Sadece iki kanal olduğu durumda birinci mertebeden FWM bileşeninin gücü ve iki DWDM kanal güçlerinden, FWM etkinliği elde edilebilmektedir (Y. Liu vd., 1999).
2 1
[dB]
P
FWM2P
P
=
−
−
(6.9)Bir WDM sistemindeki FWM etkilerini gözlemlemek, oluşan FWM bileşenlerinin güç ve dalgaboyu parametrelerini deneysel olarak ölçerek FWM olayını karakterize etmek mümkündür. Böylece DWM sistemindeki kanal boşlukları, fiber boyu gibi kimi parametreler optimize edilerek iletim performansı artırılabilir. WDM sistemlerde FWM olayının karakterizasyonu için dalgaboyu ayarlanabilir bir lazer kaynağa ihtiyaç vardır. Dalgaboyu ayarlanabilir lazer kaynağın merkez dalgaboyu, bir diğer lazer kaynağın merkez dalgaboyuna göre konumlandırılarak, kanallar arası boşluğa göre FWM olayı karakterize edilebilecektir. Bu tez çalışmasında tasarlanan ve deneysel olarak karakterize edilen dalgaboyu ayarlanabilir EDFRL’ler FWM olayının gözlemlenmesinde ve analiz edilmesinde kullanılmıştır.
Şekil 6.10. FWM olayının ölçümü için kullanılan deneysel düzeneğin şematik gösterimi.
Şekil 6.10’da DWM sistemlerde FWM olayının gözlemlenmesi için kurulan deneysel düzeneğin şematik gösterimi verilmiştir. Deney düzeneğinde dalgaboyu sabit lazer kaynak olarak Optilab DFB-4B-10-S dört kanallı WDM lazer kaynağı kullanılmıştır. 4 kanallı lazer kaynağın 1554 nm dalgaboyundaki kanalı deney düzeneğinde kullanılmıştır. Dalgaboyu ayarlanabilir lazer kaynak olarak, bu tez çalışmasında tasarlanan klasik halka tipi EDFL kullanılmıştır. Optik kanalların güç seviyelerinin eşit olmasını sağlamak adına, sabit dalgaboyuna sahip lazer kaynak çıkışına optik zayıflatıcı eklenmiştir. Lazer kaynaklardan elde edilen sürekli dalga optik sinyaller 3-dB kuplör aracılığıyla birleştirilmiş, doğrusal olmayan olayları gözlemleyebilmek adına C band EDFA’da kuvvetlendirilmiştir. FWM etkilerini test için farklı uzunluklarda ve farklı standartlara sahip optik fiberler sırası ile deney düzeneğinde kullanılmıştır. Çıkışta elde edilen optik sinyaller OSA’da gözlemlenmiş ve kaydedilmiştir.
Şekil 6.11. Deney düzeneğinde kullanılan dalgaboyu sabit DFB lazer ve dalgaboyu ayarlanabilir EDFRL lazerlerin çıkış spektrumları.
Şekil 6.11’de DWM kanallar için optik kaynak olarak kullanılan dalgaboyu sabit (DFB- 4B-10-S) ve dalgaboyu ayarlanabilir (klasik halka tipi EDFL) lazerlerin çıkış spektrumları verilmiştir. Optik zayıflatıcı kullanılarak tepe güçleri 2.46 dBm değerinde sabitlenmiştir.
Deney düzeneğinde Fujikura marka, farklı uzunluklarda, G.652.D standardına uygun standart tek modlu fiber (SMF) ve G.655.D standardına uygun sıfır olmayan dispersiyonu kaydırılmış fiber (NZ-DSF) kullanılmıştır. Üreticiden temin edilen, optik fiberlere ait parametre değerleri Çizelge 6.1’de verilmiştir.
Çizelge 6.1. Kullanılan optik fiberlerin parametre değerleri.
Optik Fiber Tipi S-SMF NZ-DSF
Mod alan çapı (1550 nm) 10.4±0.5 μm 9.6± 0.4 μm
Kılıf Çapı 125.0± 0.7 μm 125.0± 0.7 μm Zayıflama Katsayısı 1550 nm 1625 nm 0.192 dB/km 0.22 dB/km 0.22 dB/km 0.24 dB/km
Kromatik Dispersiyon Katsayısı 1550 nm 1625 nm <17 ps/(nm.km) <22 ps/(nm.km) 2.80<D<6.20 ps/(nm.km) 5.77<D<11.26 ps/(nm.km) Dispersiyon eğimi <0.089 ps/(nm2.km) <0.092 ps/(nm2.km) Polarizasyon Mod Dispersiyon katsayısı <0.15 ps/√km <0.1 ps/√km
Uzunluk 10 km 10 km, 20 km, 30 km
Deneylerde öncelikle 10 km’lik standart SMF kullanılmıştır. WDM kanalları arasındaki dalgaboyu aralığı 0.1 nm – 4.0 nm arasında değiştirilmiştir. OSA aracılığıyla kanalların ve birinci mertebeden FWM bileşeninin gücü ve dalgaboyu gözlemlenmiştir.
Şekil 6.12. 10 km'lik G.652.D optik fiber çıkışındaki optik güç spektrumunun, farklı kanal aralıkları için değişimi.
Şekil 6.12’de kanallar arası boşluğun 0.1 – 0.5 nm arasında değiştiği durumlarda, 10 km’lik standart SMF fiberin çıkışındaki spektrumun değişimi görülmektedir. Kanallar arası
boşluk 0.1 nm’den 0.5 nm’ye artarken birinci mertebeden FWM bileşeninin gücü -20.85 dBm’den -31.84 dBm’e düşmektedir. Şekil 6.13’de birinci mertebeden FWM bileşeninin ortalama gücünün (Stokes ve Anti-Stokes bileşenlerinin ortalaması) ve FWM etkinliğinin artan kanallar arası boşlukla değişimi görülmektedir. Şekilden de anlaşılacağı üzere FWM bileşeninin gücü, kanallar arası boşluk arttıkça düşmekte, dolayısıyla FWM etkinliği de düşmektedir.
Şekil 6.13. FWM bileşeni gücünün ve FWM etkinliğinin, kanallar arası boşluğun farklı değerleri için değişimi (İletim fiberi: G.652.D).
DWM sistemlerde doğrusal olmayan FWM olayının gözlemlenmesi ve analiz edilmesi adına yapılan deneylerde, bir sonraki adımda iletim fiberi olarak G.655.D standarda uygun NZ- DSF kullanılmıştır. 10, 20 ve 30 km optik fiber uzunlukları için tekrar edilen deneylerde, WDM kanallarının ve FWM bileşenlerinin güçleri ve dalgaboyları OSA aracılığıyla gözlemlenmiştir. 0.1 – 0.5 nm aralığında farklı kanal boşlukları için elde edilen optik güç spektrumları Şekil 6.14’te görülmektedir. G.652.D standarda sahip SMF fiber ile elde edilen sonuçlara benzer şekilde kanallar arası boşluk arttıkça FWM bileşenlerinin güçlerinin de düştüğü gözlemlenmiştir.
Şekil 6.14. 10, 20 ve 30 km’lik G.655.D optik fiber çıkışındaki optik güç spektrumunun, farklı kanal aralıkları için değişimi.
Ayrıca Şekil 6.14’teki spektrumlarda ikinci ve üçüncü mertebeden FWM bileşenleri görülmektedir. İletim fiberi olarak 10 km’lik NZ-DSF kullanıldığı ve iki kanal arası dalgaboyu
boşluğunun 0.1 nm olduğu durumda, ikinci mertebeden FWM bileşeninin gücü -27.61 dBm ve üçüncü dereceden FWM bileşeninin gücü ise -39.38 dBm olarak ölçülmüştür. Ancak kanallar arasındaki boşluk artırıldığında FWM etkileşimi azaldığı için ikinci ve üçüncü mertebeden FWM bileşenleri gözlenmemektedir.
Şekil 6.15. FWM bileşeni gücünün, farklı optik fiber uzunluklarına bağlı olarak, kanallar arası boşluğa göre değişimi (İletim fiberi: G.655.D).
Şekil 6.15’te farklı G.655.D NZ-DSF uzunlukları için, birinci mertebeden FWM bileşeninin gücünün kanallar arası boşluğa göre değişimi verilmiştir. Şekilden görüleceği üzere kanallar arası boşluk arttıkça, kanallar arası etkileşim azalacağı için FWM bileşeninin gücü azalmaktadır. Ayrıca iletim fiberinin uzunluğu artırıldıkça optik fiberin zayıflama ve dispersiyon katsayısına bağlı olarak FWM bileşeni güçleri ortalama 4 dB düşmektedir.
Şekil 6.16. FWM etkinliğinin, farklı optik fiber uzunluklarına bağlı olarak, kanallar arası boşluğa göre değişimi (İletim fiberi: G.655.D).
Şekil 6.16’da G.655.D NZ-DSF FWM etkinliğinin kanallar arası boşluğa göre değişimi görülmektedir. Şekilden anlaşılmaktadır ki, kanallar arası boşluk 0.5 nm’den küçük olduğu durumlarda FWM etkinliği yüksektir. Ancak kanallar arası boşluk arttıkça FWM etkinliği de azalmaktadır.
Yapılan deneylerde elde edilen sonuçlar göstermektedir ki, tasarlanan halka tipi EDFL’ler WDM sistemlerdeki doğrusal olmayan olaylardan biri olan FWM etkisini gözlemleyebilmek ve analiz edebilmek adına kullanılabilmektedir. Dalgaboyu ayarlanabilir halka tipi EDFL ile WDM kanalları arasındaki boşluk deneysel olarak optimize edilerek FWM etkisi minimize edilebilir.
Tez çalışmasının bu bölümünde, tasarlanan dalgaboyu ayarlanabilir EDFRL kaynakların kritik uygulamalardaki performansları analiz edilmiştir. Öncelikle tasarlanan EDFRL’lerin ITU- T tarafından belirlenen WDM kanallarındaki ışıma performansları incelenmiştir. WDM kanal ızgarasından rastgele seçilen 50 GHz aralıklı 5 frekansta EDFRL’lerin çıkış spektrumları gözlemlenmiştir. 193.00, 193.05, 193.10, 193.15 ve 193.20 THz merkez frekansına sahip kanallarda, EDFRL ile yüksek OSNR (>54 dB) ve yeterli güçte (>-3 dBm) çıkış elde edilmiştir. Ayrıca tasarlanan EDFRL’lerin karakterizasyon çalışmalarında elde edilen kararlılık sonuçları da, EDFRL’lerin WDM sistemlerde lazer kaynak olarak kullanıma uygunluğunu göstermektedir.
Bir diğer uygulamada, tasarlanan EDFL’ler ile FBG tabanlı sıcaklık sensörünün sorgulanması deneyleri gerçekleştirilmiştir. Sıcaklığı ve nemi kontrol edilebilir bir kabinin içerisine yerleştirilen FBG tabanlı sıcaklık sensörünün yansıma spektrumu, dalgaboyu ayarlanabilir EDFL ile taranarak FBG’nin yansıma spektrumu elde edilmiştir. Kabin içerisindeki sıcaklık değeri 0ºC’den 40ºC’ye artırılarak FBG’nin yansıma spektrumundaki değişim incelenmiştir. Elde edilen sonuçlardan FBG’nin 11 pm/ ºC hassasiyet ile sıcaklığa tepki verdiği sonucuna varılmıştır.
Bu bölümde, WDM sistemlerde doğrusal olmayan olaylardan biri olan FWM etkisinin analizi gerçekleştirilmiş ve bu deneysel çalışmalarda dalgaboyu ayarlanabilir lazer kaynak olarak, tasarlanan EDFRL kullanılmıştır. Deneylerde WDM kanallarından birini temsil etmesi için dalgaboyu sabit lazer kaynak kullanılmış, diğer WDM kanalı için tasarlanan dalgaboyu
ayarlanabilir EDFL kullanılmıştır. İki kanalın merkez dalgaboyları arasındaki boşluk 0.1 – 4.0 nm aralığında değiştirilerek FWM etkisinin kanallar arasındaki boşluğa bağımlılığı
incelenmiştir. Ayrıca iki farklı deneyde, iletim fiberi olarak sırasıyla G.562.D standardına sahip SMF ve G.655.D standardına sahip NZ-DSF kullanılmış ve iletim fiberi çeşidinin FWM olayına etkileri de gözlemlenmiştir. Son olarak üç farklı deneyde, NZ-DSF’nin uzunluğu 10, 20 ve 30 km olarak belirlenmiş ve iletim mesafesinin de FWM bileşenlerinin gücüne ve FWM etkinliğine
etkileri incelenmiştir. Elde edilen sonuçlar, kanallar arasındaki boşluğun arttığı durumda FWM etkilerinin azaldığını ve iletim mesafesi arttıkça FWM bileşenlerinin gücünün zayıflamaya bağlı olarak azaldığını göstermiştir. Ayrıca kullanılan optik fiber tipine bağlı olarak mod alan çapı daha küçük olması nedeniyle NZ-DSF’de (G.655.D) FWM etkilerinin daha yüksek olduğu görülmüş, bu nedenle çıkış spektrumunda ayrıca ikinci ve üçüncü mertebeden FWM bileşenleri gözlemlenmiştir. Bu çalışmada iki kanal çıkışında birer polarizasyon denetleyici (PC) ve WDM kuplör çıkışında da bir kutuplayıcı (polarizer) kullanılması durumda FWM bileşenlerinin genlikleri maksimize edilebilir. Laboratuvarımızda kutuplayıcı bulunmadığı için bu optimizasyon işlemi gerçekleştirilememiştir. Elde edilen deneysel sonuçların literatürdeki çalışmalarla örtüştüğü görülmüş (Ergüney vd., 2011) ve tasarlanan EDFRL’lerin WDM sistemlerde test ve karakterizasyon çalışmalarında başarıyla kullanılabileceği sonucuna varılmıştır.