Şerif Ali SADIK
Kütahya Dumlupınar Üniversitesi
Lisansüstü Eğitim Öğretim ve Sınav Yönetmeliği Uyarınca
Fen Bilimleri Enstitüsü Elektrik Elektronik Mühendisliği Anabilim Dalında DOKTORA TEZİ
Olarak Hazırlanmıştır.
Danışman: Prof. Dr. Ahmet ALTUNCU
KABUL VE ONAY YAZISI
Şerif Ali SADIK tarafından hazırlanan “GENİŞBANTLI FİBER OPTİK TABANLI UYGULAMALAR İÇİN DALGABOYU AYARLANABİLİR HALKA TİPİ ERBİYUM KATKILI FİBER LAZER TASARIMI” adlı tez çalışması aşağıda belirtilen jüri tarafından Kütahya Kütahya Dumlupınar Üniversitesi Lisansüstü Eğitim Öğretim ve Sınav Yönetmeliğinin ilgili maddeleri uyarınca değerlendirilerek OY BİRLİĞİ ile Kütahya Dumlupınar Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Elektrik Elektronik Mühendisliği Anabilim Dalında DOKTORA TEZİ olarak kabul edilmiştir.
ETİK İLKE VE KURALLARA UYGUNLUK BEYANI
Bu tezin hazırlanmasında Akademik kurallara riayet ettiğimizi, özgün bir çalışma olduğunu ve yapılan tez çalışmasının bilimsel etik ilke ve kurallara uygun olduğunu, çalışma kapsamında teze ait olmayan veriler için kaynak gösterildiğini ve kaynaklar dizininde belirtildiğini, Yüksek Öğretim Kurulu tarafından kullanılmak üzere önerilen ve Dumlupınar Üniversitesi tarafından kullanılan İntihal Programı ile tarandığını ve benzerlik oranının %3 çıktığını beyan ederiz. Aykırı bir durum ortaya çıktığı takdirde tüm hukuki sonuçlara razı olduğumuzu taahhüt ederiz.
GENİŞBANTLI FİBER OPTİK TABANLI UYGULAMALAR İÇİN DALGABOYU
AYARLANABİLİR HALKA TİPİ ERBİYUM KATKILI FİBER LAZER TASARIMI
Şerif Ali SADIK
Elektrik-Elektronik Mühendisliği, Doktora Tezi, 2020 Tez Danışmanı: Prof. Dr. Ahmet ALTUNCU
ÖZET
Dalgaboyu ayarlanabilir halka tipi erbiyum katkılı fiber lazerler (EDFRL) özellikle dalgaboyu çoğullamalı (WDM) fiber optik haberleşme sistemlerinde, bu sistemlerde kullanılan ekipmanların test ve karakterizasyonlarında ve fiber optik sensör uygulamalarında önemli bir kullanım alanına sahiptir.
Bu tez çalışmasında, öncelikle klasik EDFRL’nin tasarımı, teorik modellenmesi, performansının teorik analizi ve deneysel karakterizasyonu gerçekleştirilmiştir. Erbiyum katkılı fiber (EDF) uzunluğu, çıkış kuplörü oranı, erbiyum iyon yoğunluğu, pompa gücü gibi parametrelerin halka tipi EDFL’nin performansına etkileri teorik ve deneysel olarak incelenmiş ve sonuçların örtüştüğü görülmüştür. Belirlenen optimum parametrelerle oluşturulan EDFRL tasarımlarının deneysel karakterizasyonu sonucunda yüksek çıkış gücü (~4.5 dBm) ve C+L bandını kapsayan geniş ayarlanabilir ışıma dalgaboyu aralığı (~80 nm) ve yüksek OSNR değeri (54.7 dB) elde edilmiştir. Ayrıca bu çalışmada, döngü tipi erbiyum katkılı fiber yükselteç (EDFA) tabanlı ve çift geçişli EDFA tabanlı olmak üzere özgün iki EDFRL tasarımı önerilmiş olup, her iki EDFRL tasarımının çıkış sinyali spektral güç performansları ve OSNR değerleri deneysel olarak karakterize edilmiştir. Tasarlanan özgün EDFRL’ler ile C+L bandını kapsayan 70 nm ayarlanabilir dalgaboyu aralığında, ortalama -3.2 dBm çıkış gücü ve minimum 59 dB OSNR değeri elde edilmiştir. Ayrıca yapılan ölçümlerde her üç EDFRL tasarımının da az sayıda spektral modlu, lineer polarize çıkışlı, dar çizgi genişliğine (<17 pm) sahip olduğu görülmüştür.
Çalışmanın son bölümünde tasarlanan EDFRL’lerin WDM haberleşme ve sensör uygulamalarındaki performansları incelenmiş ve kritik uygulamalarda kullanıma son derece uygun oldukları görülmüştür.
Anahtar Kelimeler: Çift geçişli EDFA tabanlı EDFRL, Dalgaboyu ayarlanabilir fiber lazer, Dalgaboyu bölmeli çoğullama, Döngü tipi EDFA tabanlı EDFRL, Genişbant optik lazer kaynak, Halka tipi erbiyum katkılı fiber lazer.
DESIGN OF TUNABLE ERBIUM DOPED FIBER RING LASER FOR OPTICAL
FIBER BASED BROADBAND APPLICATIONS
Şerif Ali SADIK
Electrical and Electronics Engineering, Ph.D. Thesis, 2020 Thesis Supervisor: Prof. Ahmet ALTUNCU
SUMMARY
Tunable erbium doped fiber ring lasers (EDFRL) play an important role in wavelength division multiplexing (WDM) telecommunication systems, testing and characterization of components in these systems and optical fiber sensor applications.
In this thesis firstly, design, theoretical analysis and experimental characterization of conventional EDFRL have been performed. The effects of erbium doped fiber (EDF) length, output coupler ratio, erbium doping concentration and pump power on its performance have been analyzed both theoretically and experimentally and it has been seen that the results are in good quantitative agreement. With the optimum parameters a high output power level (∼+4.5 dBm), a wide wavelength tuning range (∼80 nm) covering C+L bands and a high optical signal-noise ratio (OSNR) (54.7 dB) have been achieved. Also, in this study, two novel EDFRL configurations based on loop erbium doped fiber amplifier (EDFA) design and double-pass EDFA design have been proposed. Output power and spectral performances of both EDFRL designs have been analyzed experimentally. A tuning range over 70 nm covering C+L bands, a moderate output power of -3.2 dBm and a high OSNR value of 59 dB have been obtained with both novel EDFRL configurations. Also, narrow linewidths (<17 pm) with few spectral modes have been achieved for all three EDFRL designs.
In the last part of the study, the performance of EDFRLs in WDM communication and sensor applications have been examined and found to be suitable for use in critical applications. As a result, it has been understood that, the designed tunable EDFRLs can be used with high performance in broadband fiber optic applications due to their stable output powers, wide tuning ranges, high OSNR values and narrow linewidths.
Keywords: Broadband optical laser source, EDFRL based on loop EDFA design, EDFRL based on double-pass EDFA design, Erbium doped fiber ring laser, Tunable fiber laser, WDM.
TEŞEKKÜR
Başta bu çalışmamda, eğitim hayatımda ve akademik çalışma hayatımda karşılaştığım her engel ve zorluğu aşmamda tecrübeleri ile bana ışık tutan, bilgi ve birikimlerini cömertçe benimle paylaşan saygıdeğer danışman hocam Prof. Dr. Ahmet ALTUNCU’ya teşekkür ve saygılarımı bir borç bilirim.
Tez çalışmamda gerçekleştirdiğim analiz, ölçüm ve değerlendirmelerde çok değerli görüş ve önerileri ile çalışmayı sürdürmemde yardımcı olan çok değerli hocalarım Doç. Dr. Sait Eser KARLIK’a ve Dr. Öğr. Üyesi Mustafa NAMDAR’a,
Ayrıca tezimde gerçekleştirdiğim tüm deneysel karakterizasyon çalışmalarında desteklerini bir an bile esirgemeyen, çalışmalarımda en az benim kadar emeği olan fotonik grubu çalışma arkadaşım Dr. Öğr. Üyesi Fırat Ertaç DURAK’a,
Tez çalışmamın deneylerinin tamamlanması aşamasında laboratuvar imkanlarını bizimle paylaşan değerli hocam Prof. Dr. Murat YÜCEL’e,
Bugünlere gelmemde tartışmasız en büyük paya sahip olan ve desteklerini her daim hissettiğim aileme,
Maddi ve manevi her türlü desteklerini benden esirgemeyen, her daim anlayış ve sabır gösteren en değerli varlıklarım sevgili eşim Arş. Gör. Evin ŞAHİN SADIK’a ve oğlum Akif SADIK’a sonsuz teşekkür ve minnetlerimi sunarım.
İÇİNDEKİLER
Sayfa ÖZET ... V SUMMARY ... Vİ ŞEKİLLER DİZİNİ ... X ÇİZELGELER DİZİNİ ... XV SİMGELER VE KISALTMALAR DİZİNİ ... XVİ 1. GİRİŞ ... 12. ERBİYUM KATKILI FİBER LAZER TEORİSİ ... 10
2.1. Erbiyum Katkılı Fiber Lazer Teorisi ve Modellenmesi ... 11
2.1.1. EDFA ve EDFL için üç seviyeli sistem modeli ... 17
2.1.2. EDFA ve EDFL için iki seviyeli sistem modeli ... 19
3. KLASİK HALKA TİPİ EDFL’NİN TASARIMI VE TEORİK ANALİZİ ... 23
3.1. Klasik Halka Tipi EDFL Tasarımı ... 23
3.2. Klasik Halka Tipi EDFL’nin Teorisi ... 24
3.3. Klasik Halka Tipi EDFL’nin Teorik Karakterizasyon Sonuçları ... 26
3.3.1. Pompa gücünün etkisi ... 28
3.3.2. EDF uzunluğunun etkisi ... 30
3.3.3. Çıkış kuplörü bölme oranının etkisi ... 31
3.3.4. Er+3 iyon yoğunluğunun etkisi ... 32
3.3.5. Kavite içi kayıpların etkisi ... 33
4. KLASİK HALKA TİPİ EDFL’NİN DENEYSEL KARAKTERİZASYONU ... 37
4.1. Klasik Halka Tipi EDFL’nin Bileşenleri ... 37
4.2. Klasik Halka Tipi EDFL’nin Deneysel Karakterizasyonu ... 43
4.2.1. L-EDFA’da ileri yönlü ASE gürültüsü spektrumu ... 43
4.2.2. Ayarlanabilir bant geçiren filtrenin konumunun etkisi ... 45
4.2.3. Polarizasyon kontrolörün etkisi ... 46
4.2.4. EDF uzunluğunun etkisi ... 51
4.2.5. Çıkış kuplörü bölme oranının etkisi ... 55
4.2.6. Pompa gücünün etkisi ... 59
4.2.7. Klasik halka tipi EDFL’nin kararlılığı ... 59
4.3. Klasik Halka Tipi EDFL Karakterizasyonunun Teorik ve Deneysel Sonuçlarının Karşılaştırılması ... 60
İÇİNDEKİLER (devam)
5. ÖZGÜN EDFRL TASARIMLARI VE KARAKTERİZASYONLARI ... 64
5.1. Döngü Tipi EDFA Tabanlı EDFRL Tasarımı ... 64
5.2. Döngü Tipi EDFA Tabanlı EDFRL’nin Deneysel Karakterizasyonu ... 65
5.2.1. Pompa gücünün etkisi ... 65
5.2.2. Çıkış kuplörü bölme oranının etkisi ... 67
5.2.3. Çıkış güçlerinin ve OSNR değerlerinin spektrum boyunca değişimi ... 68
5.2.4. Döngü tipi EDFA tabanlı EDFRL’nin çizgi genişliği ... 69
5.2.5. Döngü tipi EDFA tabanlı EDFRL’nin kararlılığı ... 69
5.3. Çift Geçişli EDFA Tabanlı EDFRL Tasarımı ... 71
5.4. Çift Geçişli EDFA Tabanlı EDFRL’nin Deneysel Karakterizasyonu ... 72
5.4.1. Fiber optik aynanın etkisi ... 72
5.4.2. Pompa gücünün etkisi ... 74
5.4.3. Çıkış kuplörü bölme oranının etkisi ... 75
5.4.4. Çıkış güçlerinin ve OSNR değerlerinin spektrum boyunca değişimi ... 76
5.4.5. Çift geçişli EDFA tabanlı EDFRL’nin çizgi genişliği ... 77
5.4.6. Çift geçişli EDFA tabanlı EDFRL’nin kararlılığı ... 78
5.4.7. Klasik halka tipi EDFL, Döngü tipi EDFA tabanlı EDFRL ve çift geçişli EDFA tabanlı EDFRL performanslarının genel karşılaştırması ... 80
6. DALGABOYU AYARLANABİLİR GENİŞBAND EDFRL TASARIMLARININ KRİTİK UYGULAMALARDAKİ PERFORMANSLARININ ANALİZİ ... 84
6.1. Tasarlanan EDFRL’lerin WDM Sinyal Üretiminde Kullanımı ... 84
6.2. Halka Tipi EDFL ile FBG Tabanlı Sıcaklık Sensörünün Sorgulanması ... 86
6.3. Halka Tipi EDFRL ile WDM Sistemlerde Doğrusal Olmayan Etkilerin Karakterizasyonu ... 92
7. SONUÇLAR VE ÖNERİLER ... 102
KAYNAKLAR DİZİNİ ... 108 ÖZGEÇMİŞ
ŞEKİLLER DİZİNİ
Şekil Sayfa
1.1. Lineer kaviteye sahip fiber lazerin genel şematik diyagramı. ... 3
1.2. Halka tipi kaviteye sahip fiber lazerin genel şematik diyagramı. ... 5
2.1. Bazı nadir toprak elementi katkı iyonlarının (Ho+3: holmiyum, Pr+3: praseodim, Tm+3: tulyum, Yb+3: iterbiyum, Nd+3: neodim, Er+3: erbiyum) ışıma dalgaboyları. ... 10
2.2. Er+3 iyonlarının üç seviyeli enerji diyagramı. ... 11
2.3. Silika fiberde erbiyum iyon katkılama dağılımı profili ve LP01 modunun enine elektrik alan dağılımının örtüşmesi. ... 13
2.4. (a) Homojen genişlemenin sebep olduğu çizgi genişliği (b) homojen olmayan genişlemenin (birkaç homojen genişlemenin süperpozisyonu) sebep olduğu çizgi genişliği. ... 16
2.5. (a) Homojen genişlemiş bir kazanç spektrumunun doyuma ulaşması (b) homojen olmayan genişlemenin kazanç spektrumunun doyuma ulaşması. ... 16
2.6. EDFA ve EDFL modellenmesinde kullanılan üç seviyeli sistem diyagramı. ... 17
2.7. EDFA ve EDFL modellenmesinde kullanılan iki seviyeli sistem diyagramı... 19
3.1. Klasik halka tipi EDFL tasarımının şematik gösterimi. ... 23
3.2. LIEKKI Er30-4/125 için 1550 nm bölgesindeki soğurum ve ışıma kesit alanları. Inset: 980 nm bölgesindeki soğurum ve ışıma kesit alanları. ... 27
3.3. 1555 nm (C- bandı) ve 1575 nm (L- bandı) lazer dalgaboyları için lazer çıkış gücünün pompa gücü ile değişimi (L=6 m, Cçıkış=%10). ... 28
3.4. Farklı pompa güçlerine bağlı olarak lazer çıkış gücünün ve ayarlanabilir dalgaboyu aralığının değişimi (L=6 m, Cçıkış=%10). ... 29
3.5. Farklı EDF uzunluklarına bağlı olarak lazer çıkış gücünün ve ayarlanabilir dalgaboyu aralığının değişimi (PP1=PP2=100 mW, Cçıkış=%10). ... 30
3.6. Farklı çıkış kuplörü bölme oranlarına bağlı olarak lazer çıkış gücünün ve ayarlanabilir dalgaboyu aralığının değişimi (PP1=PP2=100 mW, L=6 m). ... 31
3.7. Farklı Er+3 iyon yoğunluklarına bağlı olarak lazer çıkış gücünün ve ayarlanabilir dalgaboyu aralığının değişimi (PP1=PP2=100 mW, L=6 m, Cçıkış=%10). ... 32
3.8. Farklı kavite içi kayıplara bağlı olarak lazer çıkış gücünün ve ayarlanabilir dalgaboyu aralığının değişimi (PP1=PP2=100 mW, L=6 m, Cçıkış=%10). ... 33
3.9. 1530 nm’de EDFRL'in çıkış gücünün, EDF uzunluğu ve çıkış kuplör bölme oranına göre değişimi (PP1=PP2=100 mW). ... 34
3.10. 1550 nm’de EDFRL'in çıkış gücünün, EDF uzunluğu ve çıkış kuplör bölme oranına göre değişimi (PP1=PP2=100 mW). ... 34
3.11. 1575 nm’de EDFRL'in çıkış gücünün, EDF uzunluğu ve çıkış kuplör bölme oranına göre değişimi (PP1=PP2=100 mW). ... 35
3.12. 1600 nm'de EDFRL'in çıkış gücünün, EDF uzunluğu ve çıkış kuplör bölme oranına göre değişimi (PP1=PP2=100 mW) ... 35
ŞEKİLLER DİZİNİ (devam)
Şekil Sayfa
4.2. Deneysel düzenekte kullanılan (a) II-VI marka 974 nm pompa lazeri (b) Avanex marka
976 nm pompa lazeri. ... 38
4.3. 980/1550 nm WDM kuplör. ... 38
4.4. Liekki Er30-4/125 erbiyum katkılı fiber. ... 39
4.5. Optik izolatör. ... 39
4.6. Deney düzeneğinde kullanılan (a) %90-%10 (b) %50-%50 çıkış kuplörleri. ... 40
4.7. Dalgaboyu ayarlanabilir MEMS tabanlı optik bant geçiren filtre. ... 40
4.8. Optik bantgeçiren filtrenin çalışma prensibinin şematik gösterimi... 41
4.9. Anritsu MS9710 optik spektrum analizör. ... 42
4.10. Sumitomo T-72C fiber füzyon ek cihazı. ... 42
4.11. Klasik yapılı çift yönlü pompalamalı L-EDFA düzeneği. ... 43
4.12. Çift yönlü pompalamalı L-EDFA'nın çıkışındaki ileri yönlü ASE gürültü spektrumu. ... 44
4.13. Darbant ASE kaynağı çıkış sinyal spektrumları. ... 44
4.14. TBPF'nin kavite içerisinde çıkış kuplöründen (a) önce (b) sonra konumlandırıldığı konfigürasyonlar. ... 45
4.15. TBPF kavite içerisinde çıkış kuplöründen (a) önce (b) sonra konumlandırıldığı durumlarda EDFRL çıkış spektrumları. ... 46
4.16. Polarizasyon denetleyicinin etkisini gözlemlemek için kurulan (a) polarizasyon denetleyicisiz (b) polarizasyon denetleyicili halka tipi EDFL. ... 47
4.17. (a)Polarizasyon denetleyicisiz (b) polarizasyon denetleyicili halka tipi EDFL çıkış spektrumu. ... 47
4.18. Dalgaboyu ayarlanabilir halka tipi EDFL kavitesinin (a) polarizasyon denetleyicisiz (b) polarizasyon denetleyicili tasarımları. ... 48
4.19. Dalgaboyu ayarlanabilir halka tipi EDFL'nin farklı polarizasyon durumlarındaki çıkış spektrumları (TBPF: JDS FITEL TB1570). ... 48
4.20. Dalgaboyu ayarlanabilir halka tipi EDFL'nin farklı polarizasyon durumlarındaki çıkış spektrumları (TBPF: Sercalo TF1C100). ... 49
4.21. Dalgaboyu ayarlanabilir halka tipi EDFL çıkışındaki sinyalin polarizasyon durumunu gözlemlemek için kurulan (a) polarizörsüz ve (b) polarizörlü deney düzenekleri. ... 50
4.22. Dalgaboyu ayarlanabilir EDFRL'nin çıkış portuna polarizasyon denetleyici üzerinden eklenen polarizörün çıkış spektrumuna etkisi ... 50
4.23. 20 m EDF kullanılan klasik halka tipi EDFL'nin çıkış spektrumları (PP1=PP2=100 mW, Cçıkış=%10). ... 51
4.24. 14 m EDF kullanılan klasik halka tipi EDFL'nin çıkış spektrumları (PP1=PP2=100 mW, Cçıkış=%10). ... 52
ŞEKİLLER DİZİNİ (devam)
Şekil Sayfa
4.25. 10 m EDF kullanılan klasik halka tipi EDFL'nin çıkış spektrumları (PP1=PP2=100 mW, Cçıkış=%10). ... 52 4.26. 7.5 m EDF kullanılan klasik halka tipi EDFL'nin çıkış spektrumları (PP1=PP2=100 mW,
Cçıkış=%10). ... 53 4.27. 6 m EDF kullanılan klasik halka tipi EDFL'nin çıkış spektrumları (PP1=PP2=100 mW,
Cçıkış=%10). ... 53 4.28. 3 m EDF kullanılan klasik halka tipi EDFL'nin çıkış spektrumları (PP1=PP2=100 mW,
Cçıkış=%10). ... 54 4.29. Farklı EDF uzunlukları için halka tipi EDFL'nin çıkış gücünün dalgaboyu ile değişimi
(PP1=PP2=100 mW, Cçıkış=%10)... 55 4.30. Çıkış kuplörü bölme oranının %90 olarak alındığı durumdaki klasik halka tipi EDFL'nin
çıkış spektrumları (L=6 m, PP1=PP2=100 mW). ... 56 4.31. Çıkış kuplörü bölme oranının %50 olarak alındığı durumdaki klasik halka tipi EDFL'nin
çıkış spektrumları (L=6 m, PP1=PP2=100 mW) ... 57 4.32. Çıkış kuplörü bölme oranının %10 olarak alındığı durumdaki klasik halka tipi EDFL'nin
çıkış spektrumları (L=6 m, PP1=PP2=100 mW). ... 57 4.33. Farklı çıkış kuplörü bölme oranları için halka tipi EDFL'nin çıkış gücünün dalgaboyu ile
değişimi (L=6 m, PP1=PP2=100 mW). ... 58 4.34. Farklı ışıma dalgaboylarında EDFRL çıkış gücünün pompa gücü ile değişimi. ... 59 4.35. Klasik halka tipi EDFL'nin çıkış gücü ve ışıma dalgaboyunun kararlılığı... 60 4.36. 1555 nm (C bandı) ve 1575 nm (L bandı) lazer dalgaboyları için lazer çıkış gücünün
pompa gücü ile değişimi (L=6 m, Cçıkış=%10). ... 61 4.37. Farklı EDF uzunluklarına bağlı olarak lazer çıkış gücünün ve ayarlanabilir dalgaboyu
aralığının değişimi (PP1=PP2=100 mW, Cçıkış=%10). ... 62 4.38. Farklı çıkış kuplör oranlarına bağlı olarak lazer çıkış gücünün ve ayarlanabilir dalgaboyu
aralığının değişimi (PP1=PP2=100 mW, L=6 m). ... 63 5.1. Döngü tipi EDFA tabanlı EDFL tasarımının şematik gösterimi. ... 64 5.2. Standart EDFA ve döngü tipi EDFA'nın ASE sinyal spektrumlarının karşılaştırılması. ... 65 5.3. 1555 nm (C- bandı) ve 1575 nm (L- bandı) lazer dalgaboyları için döngü tipi EDFA tabanlı
EDFRL’nin çıkış gücünün pompa gücü ile değişimi. ... 66 5.4. Farklı lazer dalgaboyları için döngü tipi EDFA tabanlı EDFRL’nin çıkış gücünün pompa
gücü ile değişimi. TBPF, çıkış kuplöründen sonra konumlandırılmıştır. ... 66 5.5. Farklı çıkış kuplör oranlarına bağlı olarak döngü tipi EDFA tabanlı EDFRL çıkış gücünün
dalgaboyu ile değişimi... 67 5.6. Döngü tipi EDFA tabanlı EDFRL'nin çıkış spektrumları. EDF uzunluğu: 6 m, Çıkış kuplörü bölme oranı: %10, Pompa güçleri: 100 mW. ... 68 5.7. Döngü tipi EDFA tabanlı EDFRL'nin çıkış gücü ve OSNR değerlerinin dalgaboyu ile
ŞEKİLLER DİZİNİ (devam)
Şekil Sayfa
5.8. (a) Döngü tipi EDFA tabanlı EDFRL'nin çizgi genişliğinin dalgaboyu ile değişimi
(b) 1550 nm'deki EDFL spektrumu. ... 69
5.9. Döngü tipi EDFA tabanlı EDFRL'nin çıkış gücü ve ışıma dalgaboyunun kararlılığı. ... 70
5.10. Çift geçişli EDFA tabanlı EDFRL tasarımının şematik gösterimi. ... 71
5.11. Standart EDFA ve çift geçişli EDFA'nın ASE sinyal spektrumlarının karşılaştırılması.... 72
5.12. (a) Tek geçişli (b) çift geçişli EDFA tabanlı EDFRL tasarımlarının şematik gösterimleri.73 5.13. EDFRL çıkış gücüne ve ayarlanabilir dalgaboyu aralığına fiber optik ayna yansıtıcının etkisi. ... 73
5.14. 1555 nm (C- bandı) ve 1575 nm (L- bandı) lazer dalgaboyları için çift geçişli EDFA tabanlı EDFRL’nin çıkış gücünün pompa gücü ile değişimi. TBPF çıkış kuplöründen önce konumlandırılmıştır. ... 74
5.15. Farklı lazer dalgaboyları için çift geçişli EDFA tabanlı EDFRL’nin çıkış gücünün pompa gücü ile değişimi. TBPF çıkış kuplöründen sonra konumlandırılmıştır. ... 75
5.16. Farklı çıkış kuplör oranlarına bağlı olarak çift geçişli EDFA tabanlı EDFRL çıkış gücünün dalgaboyu ile değişimi. TBPF çıkış kuplöründen önce konumlandırılmıştır. ... 76
5.17. Çift geçişli EDFA tabanlı EDFRL'nin çıkış spektrumları. EDF uzunluğu: 6 m, Çıkış kuplörü bölme oranı: %10, Pompa güçleri: 100 mW. TBPF çıkış kuplöründen önce konumlandırılmıştır. ... 76
5.18. Çift geçişli EDFA tabanlı EDFRL'nin çıkış gücü ve OSNR değerlerinin dalgaboyu ile değişimi. TBPF çıkış kuplöründen önce konumlandırılmıştır. ... 77
5.19. (a) Çift geçişli EDFA tabanlı EDFRL'nin çizgi genişliğinin dalgaboyu ile değişimi (b) 1550 nm'deki EDFRL spektrumu. ... 78
5.20. Çift geçişli EDFA tabanlı EDFRL'nin çıkış gücü ve ışıma dalgaboyunun kararlılığı. ... 79
5.21. Farklı lazer dalgaboyları için üç EDFRL düzeneğinin çıkış güçlerinin pompa gücü ile değişimi. ... 80
5.22. Tasarlanan üç EDFRL'nin çıkış gücü ve OSNR değerlerinin dalgaboyu ile değişimi. ... 81
5.23. Tasarlanan üç EDFRL'nin zamana bağlı çıkış gücü kararlılığı. ... 82
5.24. Tasarlanan üç EDFRL'nin zamana bağlı ışıma dalgaboyu kararlılığı. ... 82
6.1. (a) Klasik halka tipi EDFRL (b) Döngü tipi EDFA tabanlı EDFRL (c) Çift geçişli EDFA tabanlı EDFRL'nin 5 DWDM kanalı için birleşik spektrumları. ... 85
6.2. Fiber Bragg ızgaranın genel yapısı. ... 87
6.3. (a) Genişbant kaynak ile tasarlanan (b) Dalgaboyu ayarlanabilir EDFRL ile tasarlanan FBG sıcaklık sensörü sorgulayıcısının deneysel düzeneği. ... 88
6.4. Oda sıcaklığında (20ºC) FBG'den yansıyan sinyalin ASE kaynak ile ölçülen spektrumu. .. 88
6.5. FBG merkez dalgaboyunun artan sıcaklıkla değişimi (ASE kaynak). ... 89
6.6. FBG'den yansıyan sinyalin, oda sıcaklığında (20ºC), EDFRL kaynak ile ölçülen spektrumu. ... 90
ŞEKİLLER DİZİNİ (devam)
Şekil Sayfa
6.7. FBG yansıma spektrumunun farklı sıcaklık değerlerine göre değişimi (EDFRL kaynak). . 91 6.8. FBG merkez dalgaboyunun artan sıcaklıkla değişimi (EDFRL kaynak). ... 92 6.9. Üç DWDM kanalının etkileşimi ile oluşan FWM işaretleri... 93 6.10. FWM olayının ölçümü için kullanılan deneysel düzeneğin şematik gösterimi. ... 95 6.11. Deney düzeneğinde kullanılan dalgaboyu sabit DFB lazer ve dalgaboyu ayarlanabilir
EDFRL lazerlerin çıkış spektrumları. ... 95 6.12. 10 km'lik G.652.D optik fiber çıkışındaki optik güç spektrumunun, farklı kanal aralıkları
için değişimi. ... 96 6.13. FWM bileşeni gücünün ve FWM etkinliğinin, kanallar arası boşluğun farklı değerleri için
değişimi (İletim fiberi: G.652.D). ... 97 6.14. 10, 20 ve 30 km’lik G.655.D optik fiber çıkışındaki optik güç spektrumunun, farklı kanal
aralıkları için değişimi. ... 98 6.15. FWM bileşeni gücünün, farklı optik fiber uzunluklarına bağlı olarak, kanallar arası
boşluğa göre değişimi (İletim fiberi: G.655.D). ... 99 6.16. FWM etkinliğinin, farklı optik fiber uzunluklarına bağlı olarak, kanallar arası boşluğa göre değişimi (İletim fiberi: G.655.D). ... 99
ÇİZELGELER DİZİNİ
Çizelge Sayfa
2.1. Çeşitli optik fiber malzemelerinde Er+3 iyonunun yarı-kararlı seviyedeki yaşam ömrü .... 15
3.1. Liekki marka Er30-4/125 model EDF'nin parametre değerleri ... 26
3.2. Teorik analizde kullanılan parametre değerleri ... 28
4.1. Sercalo TF1C100 optik bant geçiren filtrenin teknik özellikleri ... 41
4.2. Farklı EDF uzunluklarına göre halka tipi EDFL'nin karakterizasyonu……….55
4.3. Farklı çıkış kuplörü bölme oranlarına göre halka tipi EDFL'nin karakterizasyonu ... 58
6.1. Kullanılan optik fiberlerin parametre değerleri ... 96
SİMGELER VE KISALTMALAR DİZİNİ
Simgeler Açıklama Er Erbiyum Yb İterbiyum Ho Holmiyum Pr Praseodim Tm Tulyum Nd Neodimyum 4I11/2 980nm Pompa enerji seviyesi 4I
13/2 Yarı Kararlı Seviye 4I
15/2 Taban Seviye σa Soğurum kesit alanı σe Işıma kesit alanı
λ Dalgaboyu
Aeff Efektif kesit alanı
N1 Taban seviye iyon popülasyonu N2 Yarı kararlı seviye iyon popülasyonu Γ Örtüşme faktörü
τ Yarı-kararlı seviye iyon yaşam ömrü τr Işımalı yaşam ömrü
τnr Işımasız iyon yaşam ömrü W12 Sinyal fotonu soğurum oranı W21 Sinyal fotonu ışıma oranı R Pompalama oranı
A21 Kendiliğinden ışıma oranı ρ Erbiyum iyon yoğunluğu
,
p s
w Spot genişliği
V Fiberin normalize frekansı
αp,s Pompa ve sinyal dalgaboyundaki arka plan kaybı
h Planck sabiti
r
Halka kavite içerisindeki sinyal kaybıçıkış
SİMGELER VE KISALTMALAR DİZİNİ (devam)
Simgeler AçıklamaΛ Izgara periyodu
eff
n
Etkin kırılma indisiijk
d
Dejenerasyon faktörü
Doğrusalsızlık katsayısıeff
L
Efektif iletim mesafesi
Dört dalga karışımı etkinliği
Açısal frekans 2n
Öz kırılma indisi c Uzay boşluğundaki ışık hızı ijk
Kanallar arası faz uyumsuzluğuD Dispersiyon katsayısı
/
dD d Dispersiyon eğimi Kısaltmalar Açıklama
IoT Nesnelerin interneti
EDFA Erbiyum katkılı fiber yükselteç WDM Dalgaboyu bölmeli çoğullama EDF Erbiyum katkılı fiber
C-Band Klasik dalgaboyu bandı L-Band Uzun dalgaboyu bandı FBG Fiber Bragg ızgara
EDFL Erbiyum katkılı fiber lazer
EDFRL Halka tipi erbiyum katkılı fiber lazer CW Sürekli dalga
DFB Dağıtık geri beslemeli SLM Tek boylamsal modlu SA Doyurulabilir soğurucu SNR Sinyal/gürültü oranı PMF Polarizasyon koruyan fiber
SİMGELER VE KISALTMALAR DİZİNİ (devam)
Kısaltmalar AçıklamaSMF Tek modlu fiber MMF Çok modlu fiber
MEMS Mikro elektro mekanik sistem ESA Uyarılmış seviye soğurulması ASE Yükseltilmiş kendiliğinden ışıma OSNR Optik sinyal gürültü oranı
TBPF Ayarlanabilir optik bant geçiren filtre OSA Optik spektrum analizör
PC Polarizasyon denetleyici
DWDM Yoğun dalgaboyu bölmeli çoğullama UDWDM Ultra yoğun dalgaboyu bölmeli çoğullama
ITU-T Uluslararası Telekomünikasyon Birliği-Telekomünikasyon Organizasyonu FWM Dört dalga karışımı
1. GİRİŞ
Günümüzde ses, video ve veri ağlarının kullanıcılarının gün geçtikçe artması ve özellikle nesnelerin interneti (IoT) kavramının da yaygınlaşması ile bu ağlara bağlanan cihazların artması, daha yüksek veri iletim hızlarında iletişim ve en önemlisi daha yüksek bantgenişliği ihtiyaçlarını doğurmuştur. Bu talepler yüksek oranda fiber optik haberleşme ağları ile karşılanabilmektedir.
Fiber optik haberleşme sistemleri üzerine yapılan araştırmaların 1960’da ilk lazerin bulunması (Maiman, 1960) ile başladığı kabul edilmektedir. Ardından veri transferi için iletim ortamı olarak silika tabanlı dalga kılavuzları 1966’da önerilmiştir (Kao ve Hockham, 1966). İlerleyen çalışmalar optik fiberlerdeki kaybı azaltmaya yönelik olmuş ve 1973 yılında ~20 dB/km zayıflama değerine sahip optik fiber elde edilmiştir (Keck vd., 1973). 1976’da fiber optik haberleşme sistemleri için 1300 nm bölgesinde çalışan ilk InGaAsP lazer diyot üretilmiş (Hsieh vd., 1976) ve 1979’de ise çok düşük zayıflama değerine (0.2 dB/km) sahip tek modlu optik fiber elde edilmiştir (Miya vd., 1979). Ayrıca optik fiberde taşınan bilgi kapasitesini artırmak için 1300 nm bölgesinde ilk dalgaboyu bölmeli çoğullama (WDM) teknikleri denenmiş ve başarıya ulaşılmıştır (Tomlinson ve Lin, 1978). 1987’de R.J. Mears, L. Reekie, I.M. Jauncey ve D.N. Payne fiber optik haberleşme sistemleri için günümüzde çok önem arz eden optik yükselteçler üzerine yürüttükleri çalışmalarında ilk erbiyum katkılı fiber yükselteci (EDFA) elde etmişlerdir (Mears vd., 1987).
Fiber optik haberleşme sistemleri için kilometre taşı sayılabilecek bu çalışmaların sonucu olarak WDM sistemleri günümüz haberleşme ağlarının temel altyapısını oluşturmaktadır. WDM sistemlerin kullanımının yaygınlaşması ile birlikte tümüyle optik ağların kurulabilmesi için, 1525 nm – 1565 nm aralığını kapsayan geleneksel bant (C- bandı) ve 1565 nm- 1610 nm aralığını kapsayan uzun bantta (L- bandı) çalışabilen pasif ve aktif fiber optik elemanlar üzerine yapılan çalışmalar da ağırlık kazanmıştır. Bu elemanlardan en önemlisi hiç kuşkusuz geniş bant EDFA’lardır. 980 nm veya 1480 nm dalgaboylarında yapılan pompalama sonucunda C- bandında kazanç elde edilebilen EDFA’ların (Giles vd., 1991) WDM sistemlerde daha efektif kullanımı için kazanç düzleştirme çalışmalarına önem verilmiştir (Harun vd., 2006). C- bandının yanı sıra, daha uzun erbiyum katkılı fiber (EDF) kullanılan (>15 m) EDFA’lar ile L- bandında da kuvvetlendirme yapılabileceği görülmüş (Ono vd., 1999) ve WDM sistemler için bantgenişliğinin artırılabileceği ortaya konulmuştur. L- band EDFA’larda kazanç kenetleme ve kazanç spektrumu düzleştirme çalışmaları da ayrıca ortaya konmuştur (Durak ve Altuncu, 2018).
Genişbant EDFA’larla birlikte WDM sistemlerde kullanıma uygun geniş bant aralığını destekleyen pasif ve aktif optik elemanların da üretiminin yaygınlaşması ile birlikte, bu
elemanların test ve karakterizasyonu için dalgaboyu ayarlanabilir ışık kaynaklarının geliştirilmesi önem arz etmektedir (Kiiveri, 2006; Yu vd., 2018). Ayrıca dalgaboyu ayarlanabilir bu ışık kaynakları WDM sistemlerde verici olarak da kullanılabilmektedir (Mizrahi vd., 1993; Zyskind vd., 1993).
Dalgaboyu ayarlanabilir ışık kaynaklarının kullanım alanları sadece haberleşme sistemleri ile sınırlı da değildir. Optik fiber tabanlı sensör sistemleri elektromanyetik bağışıklık, uzaktan algılama ve sorgulamada yüksek güvenilirlik, düşük tepkime süresi, yüksek hassasiyet, kurulum kolaylığı, ortam koşullarına dayanıklılık ve düşük maliyet gibi avantajları ile öne çıkmaktadır (Başgümüş vd., 2014). Özellikle fiber Bragg ızgara (FBG) tabanlı fiber optik sensörler sıcaklık, gerilme, hareket gibi etkenlere dalgaboyu ekseninde tepki verdiği için ışığın şiddetinden bağımsızlığı ve kolay çoğullanabilmesi gibi özellikleri ile çalışmalara konu olmuştur (Fajkus vd., 2015; Kersey vd., 1997; Morey vd., 1991; Yuksel ve Pala, 2016). Bu tip dalgaboyu ekseninde çoğullanmış dağıtık/yarı-dağıtık sensör sistemlerinin sorgulanmasında dalgaboyu ayarlanabilir ışık kaynaklarının kullanımı da yaygındır (Fu vd., 2009; Jung vd., 2008).
Dalgaboyu ayarlanabilir lazer kaynakların elde edilmesinde birçok yöntem olmasına karşın erbiyum katkılı fiber lazerler (EDFL), tümüyle optik yapıda olması sayesinde fiber optik ağlarla uyumluluğu, düşük yerleştirme kaybı, kurulum kolaylığı, düşük maliyeti ve WDM ağlarda kullanılan bant aralığında çalışması gibi avantajlar sayesinde diğer yöntemlerden daha öne çıkmaktadır (Dong vd., 2005).
Literatürdeki çalışmalara göz atıldığında, nadir toprak elementleri ile katkılanmış fiberler ile ışığın yükseltilmesi işlemi ilk optik mazerin üretimi (Schawlow ve Townes, 1958) ve ilk lazer etkisinin elde edilmesi kabul edilebilir (Maiman, 1960). 1961’de ise ilk defa bir optik fiber kazanç ortamı ve kavite olarak tasarlanmış ve deneysel olarak neodimyum katkılı cam fiberle ortaya konulmuştur (Snitzer, 1961). Silika tabanlı fiber lazerler 1970’lerde çalışılmaya devam edilse de (Stone ve Burrus, 1974) fiberlerde kayıpların o dönemlerde halen yüksek olması sebebiyle nadir toprak elementleri ile katkılı fiber yükselteç ve lazerlerin pratikte kullanımı 1980’lerin ortalarında görülmeye başlanmıştır.
1985 yılında Southampton Üniversitesi’nde öncü bir grup tarafından ilk tek modlu fiber lazer ortaya konmuştur (Mears vd., 1985). Bu çalışmada araştırmacılar 1080 nm civarında 1-2 mW çıkış gücüne sahip ışıma elde etmişlerdir. Bu çalışma ile nadir toprak elementleri ile katkılı fiber lazerler ve yükselteçlere yönelik araştırmalar hız kazanmaya başlamıştır.
İlk erbiyum (Er) katkılı fiber lazer yine Southampton Üniversitesi’nde ortaya konulmuştur (Mears vd., 1986). Sürekli dalga (CW) modunda çalışan, lineer kaviteye sahip, dalgaboyu ayarlanabilir lazer ile 1528 nm – 1542 nm ve 1544 nm – 1555 nm aralıklarında toplam 25 nm’lik bir bölgede ışıma elde edilmiştir. Şekil 1.1’de lineer ya da Fabry-Perot kaviteye sahip bir fiber lazer tasarımı görülmektedir. En basit tasarıma sahip ve en yaygın kullanılan bu fiber lazer kavitesinde bir pompa kaynağı yardımı ile katkılı fiber pompalanmaktadır. Fabry-Perot kaviteyi oluşturan ilk yansıtıcı aynanın pompa kaynağının dalgaboyunda %0 yansıtıcılığının ve sinyal dalgaboyunda %100 yansıtıcılığının olması beklenmektedir. Tam tersi şekilde kaviteyi oluşturan ikinci yansıtıcı aynanın artık pompa gücünün tekrar kullanılabilmesi için pompa dalgaboyunda %100 yansıtıcılığının olması beklenmektedir. Ancak sinyal dalgaboyunda ise hem kavite içerisinde lazer etkinliğini sağlayacak hem de istenilen çıkış gücünü sağlayacak optimize bir yansıtıcılığının olması istenilmektedir (Bellemare, 2003).
Şekil 1.1. Lineer kaviteye sahip fiber lazerin genel şematik diyagramı.
Bir sonraki yıl aynı çalışma grubunun EDFA üzerine ortaya koyduğu çalışma (Mears vd., 1987) ile birlikte optik fiberlerde en düşük zayıflama değerine sahip olan optik iletişim penceresinde (1550 nm penceresi) çalışan fiber lazer ve optik yükselteç elde edilmiş ve optik haberleşme için büyük bir kilometre taşı aşılmıştır. İlgili araştırmacılar yaptıkları bir diğer çalışmada da ilk defa bir lazer diyot ile EDF’yi pompalayarak fiber lazer elde etmişlerdir (Reekie vd., 1987). Ayrıca çalışmada 808 nm’de çalışan pompa lazeri ile pompalanan EDF’nin boyu değiştirilerek L- bandında da ışıma elde edilebileceği gösterilmiştir.
Hanna ve ark. Yaptıkları çalışmada iterbiyum/erbiyum (Yb/Er) ortak katkılı fiber ile elde ettikleri fiber lazer ile pompa verimini artırabildiklerini göstermişlerdir (Hanna vd., 1988). Çalışmada 820 – 830 nm aralığında pompalama ile, 5 mW pompa eşik gücü ve %8.5 eğim verimliliği elde etmişlerdir.
1990 yılında yapılan bir çalışmada erbiyum katkılı bir fiber lazer tasarımında, kavite içerisine akusto-optik modülatör yerleştirilerek elektronik olarak fiber lazerin dalgaboyunun ayarlanabileceği gösterilmiştir (Wysocki vd., 1990). Çalışmada akusto-optik modülatörün
frekansı değiştirilerek fiber lazer dalgaboyunun 1529.6 nm- 1533.3 nm ile 1543.8 nm – 1563 nm aralıklarında değiştirilebileceği gösterilmiştir ve ortalama 13 mW lazer çıkış gücü elde edilmiştir.
1994 yılında yapılan bir başka çalışmada ise FBG’ler yardımı ile kurulan lineer lazer kavitesinde FBG’lere gerilme uygulanarak dalgaboyu ayarlanabilir lazer elde edilmiş ve mod atlaması gözlenmeksizin kararlı lazer çıkışları elde edilmiştir (Ball ve Morey, 1994).
Varming ve arkadaşları ortaya koydukları çalışmalarında erbiyum katkılı dağıtık geri beslemeli (DFB) fiber lazer ile L- bandında lazer ışıması elde etmişlerdir. Yaptıkları deneysel çalışmada kavite içerisindeki Bragg ızgara boyunu değiştirerek 1608 nm ve 1613 nm’de 1 mW’ın altında lazer çıkış gücü elde edilebileceğini göstermişlerdir (Varming vd., 2000).
2002 yılında ise tümüyle optik elemanlardan oluşan Er/Yb katkılı DFB fiber lazer tasarımıyla o güne kadar elde edilen en geniş ayarlanabilir dalgaboyu aralığı elde edilmiştir. Yapılan çalışmada eksenel germe-sıkıştırma tekniği ile 1524 nm – 1551 nm (27 nm) aralığında dar çizgi genişliğine sahip lazer çıkışı elde edilmiştir (Ibsen vd., 2002).
2009 yılında yapılan bir çalışmada çift dalgaboyunda tek modlu osilasyon yapabilen, lineer kavite fiber lazer ortaya konulmuştur. Bu çalışmada lazer dalgaboyları, bir çift FBG ile elde edilen Fabry-Perot filtre ile belirlenmekte olup, tek boylamsal modlu (SLM) lazer osilasyonu ise doyurulabilir soğurucu (SA) olarak kullanılan pompalanmamış bir EDF ile elde edilmiştir (He vd., 2009).
Maciel ve arkadaşları ise 2016 yılında yaptıkları çalışmada basit bir kuruluma sahip lineer kavite fiber lazerin dalgaboyunu mekanik olarak uyarılan uzun periyotlu fiber ızgara ile kontrol ederek dalgaboyu ayarlanabilir bir fiber lazer elde etmişlerdir (Maciel vd., 2016). Üzerine uygulanan basınç ile fiber ızgaranın merkez dalgaboyu değiştirilmiş ve 1548 nm – 1562 nm (14 nm) aralığında dalgaboyu ayarlanabilen, ortalama -15 dBm çıkış gücüne ve 29 dB sinyal gürültü oranına (SNR) sahip bir fiber lazer elde etmişlerdir.
1989 yılındaki çalışmalarında, Scrivener ve arkadaşları ilk halka tipi erbiyum katkılı fiber lazeri (EDFRL) ortaya koymuşlardır (Scrivener vd., 1989). Şekil 1.2’de halka tipi fiber lazerin genel şematik diyagramı verilmiştir. Basit bir halka tipi lazer kavitesinde bir pompa kaynağı yardımıyla nadir toprak elementi ile katkılanmış fiber pompalanmaktadır. Optik izolatör ışığın halka içerisinde tek yönlü hareketini sağlamaktadır. Ayrıca halka düzeneğine eklenecek dalgaboyu ayarlanabilir bir filtre aracılığıyla lazerin ışıma yaptığı dalgaboyu kolaylıkla ayarlanabilir. Halka tipi lazer kavitesinin başlıca dezavantajı kavite uzunluğudur. Lineer kaviteye
göre daha uzun kavite boyuna sahip halka tipi kavite akustik gürültüye daha duyarlı hale gelir (Bellemare, 2003).
Şekil 1.2. Halka tipi kaviteye sahip fiber lazerin genel şematik diyagramı.
Halka tipi fiber lazerler basit kurulumu sayesinde araştırmacıların ilgisini yoğun bir biçimde çekmiştir. 1990 yılında yapılan bir çalışmada basit bir halka tipi kavite düzeneği ile 1.4 kHz çizgi genişliğine sahip kararlı bir fiber lazer elde edilmiştir. Lazer düzeneğinde kullanılan kavite içi optik bant geçiren bir filtre sayesinde 2.8 nm dalgaboyu akort aralığı gözlemlenmiştir (Iwatsuki vd., 1990).
1992 yılında Pfeiffer ve arkadaşları halka tipi EDFL’lerin çıkış gücü karakteristiklerini ve bağlı olduğu parametreleri çıkarmışlardır. Daha önceki çalışmalarda (Giles ve Desurvire, 1991; Saleh vd., 1990) EDFA’lar için çıkarılan kazanç denklemlerini kullanarak halka tipi EDFL’ların çıkış gücünün hesaplanması için teorik model ortaya koymuşlar ve teorik sonuçlar ile deneysel sonuçların örtüştüğünü göstermişlerdir (Pfeiffer vd., 1992).
1996 yılında yapılan bir diğer çalışmada ise 24 kanallı çok-dalgaboylu halka tipi EDFL sunulmuştur. Halka kavite düzeneğinde polarizasyonu koruyan fiber (PMF) kullanarak spektral oyuk yanması (spectral hole-burning), polarizasyona bağımlı hol yanması gibi etkileri tetikleyerek EDF’nin kazanç spektrumunda çökmelerin oluşması sağlanmış ve 1550 nm bölgesinde 1.1 nm aralıklarla 24 ayrı kanalda lazer osilasyonu eş zamanlı olarak elde edilmiştir (Park ve Wysocki, 1996).
Bellemare ve arkadaşları yaptıkları çalışmada halka tipi EDFL’in kapsamlı bir teorik modelini çıkarmışlar ve deneysel sonuçlarla karşılaştırmışlardır. Bu çalışmada halka tipi EDFL’nin çıkış gücünün toplam kavite içi kayıplara, EDF uzunluğuna, pompa gücüne ve lazer dalgaboyuna bağımlılığı incelenmiştir (A. Bellemare vd., 2001).
Song ve arkadaşları 2001 yılında yaptıkları çalışmada ise germe ve sıkıştırma yöntemi ile merkez dalgaboyu geniş aralıkta değiştirilebilen FBG yardımı ile 1522 nm – 1562 nm (40 nm) aralığında dalgaboyu akort edilebilen halka tipi EDFL elde etmişlerdir. Ayrıca düzenekte kullanılan pompalanmamış 4 m’lik bir EDF ile dar çizgi genişliği (750 Hz) elde edilmiştir (Song vd., 2001).
2001 yılında yapılan bir diğer çalışmada halka tipi EDFL düzeneğinde kavite içerisinde Fabry-Perot filtre kullanılarak o güne kadar elde edilen en geniş dalgaboyu akort aralığına ulaşılmıştır. Araştırmacılar EDF boyunu optimize ederek, C- ve L- bantlarını kapsayan 1520 nm – 1600 nm (80 nm) aralığında dalgaboyu ayarlanabilen EDFL elde etmişlerdir (Yamashita ve Nishihara, 2001).
Yeh ve arkadaşları 2003 yılında yaptıkları çalışmada S- bandında çalışan (1480 nm – 1522 nm) halka tipi bir EDFL ortaya koymuşlardır. Halka tipi EDFL düzeneğinde çift katlı, ilk katı ileri yönlü ve ikinci katı geri yönlü pompalanmış (980 nm) EDFA kullanarak, S- bandında lazer çıkışı elde etmişlerdir (Yeh vd., 2003).
2005 yılında yapılan bir çalışmada halka tipi EDFL’ler için kapsamlı bir teorik model geliştirilmiş ve deneysel sonuçlarla karşılaştırılmıştır. Yapılan teorik ve deneysel analizlerde pompa gücü, lazer dalgaboyu, EDF uzunluğu, çıkış kuplörü bölme oranı ve kavite içi toplam kayıp gibi parametrelerin lazer çıkış gücüne etkisi detaylı olarak incelenmiştir (Dong vd., 2005).
Liaw ve arkadaşları ise merkez dalgaboyu bükme etkisi ile değiştirilebilen bir FBG kullanarak oluşturdukları halka tipi EDFL ile C- bandında 25 nm dalgaboyu akort aralığı elde etmişlerdir. Çalışmada tasarlanan bu düşük maliyetli EDFL’nin düşük çıkış gücü salınımına (±0.5 dB), 0.5 nm dalgaboyu akort çözünürlüğüne ve 0.05 nm çizgi genişliğine sahip olduğu belirtilmiştir (Liaw vd., 2007).
2010 yılında yapılan bir çalışmada halka tipi EDFL tasarımında yenilikçi bir optik bant geçiren filtre tasarımı ortaya konmuştur. Bu filtre tasarımında çok modlu girişim etkisi kullanılmış, iki tek modlu fiberin (SMF) arasına eklenen bir çok modlu fiberin (MMF) uzunluğu değiştirilerek filtrenin geçirdiği bant aralığı değiştirilmiştir. Bu yenilikçi filtre tasarımı ile elde edilen EDFL ile 1549 nm – 1609 nm aralığında, 40 dB SNR değerine ve 0.4 nm çizgi genişliğine sahip lazer çıkışı gözlemlenmiştir (Castillo-Guzman vd., 2010).
Yeh ve arkadaşları 2016 yılında ortaya koydukları bir çalışmada üç halkalı EDFL tasarımı ile yüksek kararlılıkta lazer çıkış gücü elde etmişlerdir. Çalışmalarında tasarladıkları EDFL ile
1530 nm – 1560 nm aralığında ortalama +8 dBm çıkış gücü ve 34 dB SNR değeri gözlemlemişlerdir (Yeh vd., 2016).
2018 yılında yapılan bir çalışmada klasik halka tipi EDFL tasarımında mikro elektro mekanik sistem (MEMS) tabanlı optik bant geçiren filtre kullanılarak EDFL’nin spektral karakterizasyonu gerçekleştirilmiştir. Çalışmada EDF uzunluğunun, pompa gücünün ve çıkış kuplörü bölme oranının lazer çıkış gücüne ve dalgaboyu akort aralığına etkisi incelenmiş ve 6 m EDF uzunluğu, 120 mW pompa gücü ve %10 çıkış kuplörü bölme oranı ile 80 nm (1525 nm – 1605 nm) dalgaboyu akort aralığı ve ortalama +4.5 dBm lazer çıkış gücü elde edilmiştir (Sadik vd., 2018).
Yine 2018 yılında ortaya koyulan bir çalışmada çift halkalı EDFL tasarımı ile yenilikçi bir halka kavite düzeneği sunulmuştur. Düzenekte ayrıca 2 m’lik pompalanmamış bir EDF kullanılarak istenmeyen yan modların bastırılması sağlanmış, dar çizgi genişliği (13 kHz) elde edilmiştir (Yeh vd., 2018).
2018 yılında gerçekleştirilen bir diğer çalışmada ise halka tipi EDFL tasarımında iki modlu dereceli indis fiber kullanılmış ve yan modlar efektif olarak bastırılmıştır. Ayrıca tasarımda kullanılan polarizör ve PMF ile lazerin tek polarizasyonda çalışması sağlanmıştır. Böylece EDFL çıkışında optik güç salınımının 0.05 dB ve lazer dalgaboyu salınımının 0.02 nm olduğu kararlı bir lazer elde edilmiştir (Sun vd., 2018).
2020 yılında yapılan bir çalışmada halka tipi EDFL tasarımında yenilikçi iki yeni düzenek önerilmiş ve deneysel analizleri gerçekleştirilmiştir. Bu çalışmada döngü tipi EDFA tasarımı ile gerçekleştirilen EDFL ve çift geçişli EDFA tasarımı ile gerçekleştirilen EDFL’nin ortalama -3 dBm çıkış gücü ve C- ve L- bantlarını kapsayan 70 nm’lik dalgaboyu akort aralığına sahip oldukları gösterilmiştir. Ayrıca her iki yenilikçi tasarımın yüksek SNR değerine sahip olduğu (> 60 dB) ve EDFL’lerin yüksek kararlılıkta çalıştıkları gözlemlenmiştir (Sadik, vd., 2020).
Yukarıda kısa bir özeti verilen literatürdeki çalışmalara bakıldığında, EDFL’ler üzerine yapılan araştırmalar; EDFL’lerin tasarımı, teorik modellenmesi, deneysel karakterizasyonları, WDM veya fiber optik sensör sistemlerine uygulanması konuları üzerine yoğunlaşmakta ve lineer
kavite ve halka tipi kavite olmak üzere iki temel kavite tasarımı ile birbirinden ayrılmaktadır. Bu
iki tasarım arasından da kurulum kolaylığı, görece düşük maliyetli olması, lazer dalgaboyunun basit bir kavite içi filtre ile kolaylıkla ve geniş bant aralığında ayarlanabilmesi ve pompa dönüşümünün daha etkili olması gibi avantajları sayesinde halka tipi kavite öne çıkmaktadır. Ayrıca halka tipi kavitede duran dalga etkisi yerine yürüyen dalga etkisi gözlemlenmekte, bu da
lazer çıkışının daha kararlı olmasını sağlamaktadır. Lineer kavite lazerlerde duran dalga etkisi oluştuğunda EDF’nin kazanç spektrumunda bazı modlarda çökmeler meydana gelir. Bu da lazer çıkışında sık sık mod atlamasına ve dolayısı ile çıkış gücünde kararsızlığa neden olur. Ancak halka tipi kavite sayesinde katkılı fiberin kazancı daha etkili kullanılır ve mod atlama daha nadir meydana gelir.
Araştırma Hedefi ve Tezin Yapısı
Günümüzde artan kullanıcı sayıları ile orantılı olarak gelişen WDM sistemlerde, WDM ekipmanlarının test ve karakterizasyonunda, dağıtık ve yarı-dağıtık fiber optik sensör sistemlerinde kullanılmak üzere, dalgaboyu geniş bant aralığında ayarlanabilir, yüksek kararlılıkta çalışan ve yüksek çıkış gücüne sahip lazer tasarımı halen üzerine çalışılan bir problemdir. Dalgaboyu ayarlanabilir fiber lazerlerin, bahsedilen uygulama alanlarında yüksek performans ile kullanılabilmesi için öncelikle fiber lazerin ayarlanabilir dalgaboyu aralığının C- ve L- bantlarını kapsaması gerekmektedir. Çünkü artan bantgenişliği ihtiyacını karşılayabilmek adına fiber optik haberleşme sistemlerinde C- bandının yanı sıra L- bandının da kullanımına ihtiyaç bulunmaktadır. Ayrıca uzak mesafeli haberleşme ve sensör sistemlerinde lazer kaynak olarak kullanımı için yeterli düzeyde çıkış güçleri (~0 dBm) elde edilmesi gerekmektedir. Buna ek olarak, özellikle WDM haberleşme ve sensör uygulamalarında tüm spektrum boyunca güç seviyelerinin salınımı çok düşük seviyede olmalıdır. Diğer taraftan gürültü hassasiyeti yüksek uygulamalarda kullanımı için optik sinyal-gürültü oranının (OSNR) yüksek olması beklenmektedir. Ayrıca WDM uygulamalarında komşu haberleşme kanalları ile istenmeyen etkileşimlerden (crosstalk) kaçınmak adına, dar çizgi genişliğine ve yüksek yan mod bastırma oranına sahip olması istenilmektedir.
Bu tez çalışmasında, yukarıda bahsedilen problemleri karşılayabilecek, kritik uygulamalarda kullanıma uygun, verimli ve düşük maliyetli dalgaboyu ayarlanabilir erbiyum katkılı fiber halka lazer (EDFRL) tasarımının gerçekleştirilmesi amaçlanmıştır. Bu amaca yönelik olarak, yukarıda kısaca belirtilen avantajları da göz önünde bulundurularak EDFRL tasarımı üzerine araştırmalar gerçekleştirilmiştir. Nihai amaca ulaşmak adına bazı hedefler belirlenmiştir. • EDFRL tasarımının teorisi detaylı incelenip, hassas bir teorik modelinin elde edilmesi • Elde edilen teorik modelle EDFRL tasarımına ait parametrelerin incelenmesi ve
optimizasyonu
• Klasik halka tipi EDFL tasarımının deneysel karakterizasyonu
• Özgün EDFRL tasarımlarının önerilmesi ve deneysel karakterizasyonu • Klasik ve özgün EDFRL tasarımlarının performanslarının karşılaştırılması
• Tasarlanan EDFRL’lerin kritik uygulamalardaki performanslarının incelenmesi Belirlenen hedefler doğrultusunda bu çalışmada, klasik halka tipi EDFL tasarımının teorik modellenmesi, deneysel karakterizasyonu gerçekleştirilmiş ve lazer çıkışına etki eden parametreler detaylı olarak incelenmiştir. Teorik ve deneysel sonuçlar karşılaştırılarak optimum tasarım parametreleri belirlenmiştir. Ayrıca döngü tipi EDFA ve çift geçişli EDFA tasarımları kullanılarak iki özgün EDFRL düzeneği önerilmiş, performansları deneysel olarak karakterize edilmiştir. Tasarlanan EDFRL’lerin fiber optik haberleşme ve sensör uygulamalarındaki performansları deneysel olarak incelenmiştir.
Yapılan bu tez çalışmasının 2. bölümünde erbiyum katkılı fiber yükselteç ve lazer teorisi hakkında detaylı bilgi verilmektedir. 3. bölümde ise klasik halka tipi EDFL’nin tasarımı, teorik analizi ve simülasyon çalışmaları gerçekleştirilmiştir. 4. bölümde klasik halka tipi EDFL’nin deneyel karakterizasyonu gerçekleştirilmiş ve bir önceki bölümde elde edilen teorik sonuçlarla karşılaştırılmıştır. 5. bölümde ayrıca özgün birer tasarım olarak döngü tipi EDFA ve çift geçişli EDFA tasarımları ile gerçekleştirilen EDFRL düzenekleri sunulmuş ve deneysel olarak analizleri gerçekleştirilmiştir. Bu bölümde ayrıca üç ayrı düzeneğin kritik performanslarının karşılaştırılması yapılmıştır. 6. bölümde ise tasarlanan EDFRL’lerin kritik uygulamalardaki performansları deneysel olarak incelenmiştir. 7. bölümde elde edilen tüm sonuçların değerlendirmelerine ve önerilere yer verilmiştir.
2. ERBİYUM KATKILI FİBER LAZER TEORİSİ
Nadir toprak katkılı fiber veya kristal fiberler ilk olarak 1960’larda çalışılmaya başlanmış (Koester ve Snitzer, 1964; Snitzer, 1961) olup daha yoğun araştırıldığı 1980’lerden itibaren fiber optik haberleşme, sensör sistemleri, tıp, malzeme işleme, görüntüleme ve lazerle mesafe ölçümü gibi alanlarda kullanılmaktadır. Optik fiberin çok iyi bir dalga kılavuzu olması ve nadir toprak elementlerinin fiziksel özelliklerinin lazer elde etmek için çok uygun olması, bu tip lazerleri etkili kılar. Nadir toprak katkılı fiber lazerler, 100 µW’a kadar pompa eşik değerlerinde çalışabilir (Mears vd., 1985) veya 100 W gibi çok yüksek çıkış gücü sağlayacak koşullarda çalışabilir (Shen vd., 2005). Lazer diyotlarla pompalanabilmeleri ile birlikte kolay kurulum, düşük maliyet ve kolay seri üretim gibi avantajlara sahip olmuşlardır. Ayrıca tümüyle fiber yapısı sayesinde sistem entegrasyonunda çok düşük yerleştirme kaybına sahip olmaları, mükemmel mod kalitesi ve farklı sıcaklık koşulları altında çok daha iyi dalgaboyu kararlılığı sağlaması gibi özellikleri ile de birçok alanda yarıiletken lazerlerden avantajlı konumdadır (Digonnet, 2001).
Şekil 2.1. Bazı nadir toprak elementi katkı iyonlarının (Ho+3: holmiyum, Pr+3: praseodim, Tm+3: tulyum, Yb+3: iterbiyum, Nd+3: neodim, Er+3: erbiyum) ışıma dalgaboyları.
Şekil 2.1’de silika tabanlı, nadir toprak katkılı fiber lazerlerin ışıma yapabildikleri dalgaboyları katkı iyonlarına göre gruplandırılmıştır. Şekilden de görüleceği üzere en kısa dalgaboyunda (480 nm) ışıma tulyum (Tm+3) katkılı fiber lazer ile elde edilirken (Grubb vd., 1992), medikal uygulamalarda kullanılan holmiyum (Ho+3) katkılı fiber lazer ile en uzun dalgaboyunda (2900 nm) ışıma elde edilmiştir (Wetenkamp, 1990). Ayrıca bazı iyonlarla geniş dalgaboyu aralıklarında ışımalar elde etmek mümkündür. Bunlardan en önemlileri ise optik
fiberdeki zayıflamanın en düşük olduğu geleneksel dalgaboyu (C-) ve uzun dalgaboyu (L-) bantlarında ışıma yapabilen erbiyum (Er+3) katkılı fiber lazerler (Q. Wang ve Yu, 2009) ve çok yüksek çıkış güçleri elde edilebilen iterbiyum katkılı fiber lazerlerdir (Jeong vd., 2004). Erbiyum katkılı fiber lazerler (EDFL), üçüncü optik iletişim penceresinde çalışan haberleşme sistemlerinde yaygın kullanımıyla yoğun olarak çalışılmaktadır. EDF’ler ile tümü 1500 nm – 1600 nm bölgesinde çalışan; genişbantlı (Lee vd., 2006) veya darbantlı (Guy vd., 1995), sürekli dalga (CW) (Bellemare, 2003) veya darbeli (Liu vd., 2014) çıkış üreten lazerler elde etmek mümkündür.
Bu bölümde genel olarak erbiyum katkılı fiberlerin teorisine, kuvvetlendirme işleminin ve EDFL’nin modellenmesine yer verilecektir.
2.1. Erbiyum Katkılı Fiber Lazer Teorisi ve Modellenmesi
EDF’ler uygun dalgaboylarında pompalandığında 1550 nm bölgesinde ışıma yapabildikleri için fiber lazer ve yükselteç yapımında sıkça tercih edilmektedir. Şekil 2.2’deki Er+3 iyonlarının enerji seviyeleri ve seviyeler arasındaki geçişler incelendiğinde, yarı-kararlı seviye (4I13/2) ile taban seviye (4I15/2) arasında yeterli enerji boşluğu olduğu görülmektedir. Bu seviyelerin arasındaki enerji boşluğunun yeteri kadar büyük olması ışımasız geçişleri imkansızlaştırmakta ve yarı-kararlı seviyedeki iyon yaşam ömrünün yeteri kadar uzun sayılabilecek bir süre (~10 ms) olmasını sağlamaktadır (France, 1991).
Şekil 2.2. Er+3 iyonlarının üç seviyeli enerji diyagramı.
Günümüzdeki lazer diyot teknolojileri ile EDF’leri 514 nm, 660 nm, 810 nm, 980 nm ve 1480 nm dalgaboylarında pompalamak mümkündür (Digonnet, 2001). Bu pompa enerji seviyelerinde iyon yaşam ömrünün görece çok kısa olması sebebiyle yarı-kararlı seviyeye doğru hızlı ve ışımasız bir biçimde geçişler olmakta, yarı-kararlı seviyede iyonların birikmesini
sağlamakta ve taban seviye ile yarı-kararlı seviye arasında bir popülasyon ters birikimine yol açmaktadır. Ancak 514 nm – 810 nm arasındaki dalgaboylarında pompalama yapıldığında yüksek uyarılmış seviye soğurulması (ESA) etkisi gözlemlenmektedir. Bu dalgaboylarında pompalama yapıldığında, bazen pompa fotonları yarı-kararlı seviyedeki iyonları daha yüksek enerji seviyelerine istenmeyen bir biçimde uyarırlar. Ardından iyonların bu yüksek enerji seviyelerinden spontane olarak taban seviyeye geçmesiyle 530 nm – 550 nm arasında dalgaboyuna sahip yeşil fotonlar yayılır. Bu olaya ESA etkisi denmektedir ve ESA etkisi pompa verimini düşürmektedir (Bellemare, 2003).
980 nm dalgaboyunda pompa fotonunu soğuran Er3+ iyonu taban enerji seviyesinden (4I15/2), 4I11/2 seviyesine yükselmektedir. Ancak bu seviyede iyonlar çok kısa sürede (<1µs) yarı kararlı seviyeye (4
I13/2) ışımasız olarak düşmektedirler. En yüksek kazanç veriminin 980 nm pompalama altında elde edilmesi (Shimizu vd., 1990) ve ESA etkisinin gözlemlenmemesi, 980 nm dalgaboyunda pompalamayı etkili kılmaktadır. Ayrıca bir EDFL için oldukça yüksek pompa gücü dönüşüm verimi (%58) ve çok düşük pompa eşik gücü (2.5 mW) 980 nm pompalama altında kaydedilmiştir (Barnes vd., 1989).
Güç dönüşüm verimi veya eğim verimi (slope efficiency) fiber lazerler için önemli bir parametredir ve pompa gücüne göre lazer çıkış gücü değişimini ifade etmektedir. Fiber lazerler için bir diğer önemli parametre de pompa eşik gücüdür. Pompa eşik gücü (threshold pump power), lazerin iç sinyal kazancının lazer kavite kayıplarına eşit olduğu pompalama gücü değeridir ve fiber lazerin ne kadar düşük pompa güçlerinde ışıma yapabildiğinin bir göstergesidir (Paschotta, 2008).
Bir diğer olası pompalama dalgaboyu olan 1480 nm’de EDF pompalandığında Er3+ iyonları taban enerji seviyesinden (4I
15/2), yarı-kararlı seviyeye (4I13/2)yükselmektedir. 1480 nm dalgaboyunda pompalama yapıldığında ESA etkisinin görülmemesi ve bu dalgaboyunda yüksek güçte lazerler üretilebilmesi, 1480 nm dalgaboyunda pompalanan fiber lazerlere ilgiyi artırmıştır (Liaw vd., 2007; Nakazawa vd., 1989). Ayrıca taban ve yarı-kararlı seviyelerin birbirine yakın olması, dolayısı ile pompa ve lazer dalgaboylarının birbirine yakın olması yüksek eğim verimliliği sağlamaktadır. Ayrıca, yüksek eğim verimine karşılık kısmen daha düşük pompa eşik gücü değerine sahiptir (Zyskind vd., 1989). Ancak, 1480 nm pompalamada, erişilebilecek en yüksek popülasyon ters birikimine ulaşılamadığı için görece daha uzun EDF kullanmak gerekecektir (Digonnet, 2001).
EDFL’lerin doğru bir biçimde modellenmesi için bazı temel parametrelerin tanımlanması gerekmektedir. Bu parametreler, EDF’nin soğurum ve ışıma kesit alanları, örtüşme faktörü
(overlap factor), efektif kesit alanı, yarı-kararlı seviye yaşam ömrü, çizgi genişliği, genişleme ve yükseltilmiş kendiliğinden ışıma (ASE) gürültüsü olarak sıralanabilir.
i. Soğurum ve ışıma kesit alanları: Erbiyum iyonunun soğurum (σa) ve ışıma kesit alanları (σe), EDFA ve EDFL’lerde soğurum ve ışıma performansının spektral analizi için en önemli iki parametredir. Kısaca soğurum ve ışıma kesit alanları, taban seviye ile uyarılmış seviye arasındaki geçişlerin spektral olasılık yoğunluğunu vermektedir. Soğurum ve ışıma kesit alanları optik fiberin ana malzemesine (host) bağımlıdır ve dalgaboyuna bağlı olarak değişir (Becker vd., 1999). ii. Örtüşme faktörü ve efektif kesit alanı: EDF’nin soğurma ve ışıma yeteneğinin belirlenebilmesinde optik modun elektrik alan ve silika içinde katkılanan erbiyum iyonu dağılımı enine profilinin etkisi büyüktür. Çünkü optik modun sadece belirli bir kısmı erbiyum iyon dağılımı ile örtüşmektedir. Örtüşme faktörü (Γ) de optik modun elektrik alanı ile erbiyum iyon dağılımı arasındaki enine örtüşme oranını gösterir. Optik modun belirli bir kısmı fiber kılıfında yol aldığı ve erbiyum iyonları sadece fiber özünde yer aldığı için örtüşme faktörü her zaman 1’den küçük olacaktır (Şekil 2.3).
Şekil 2.3. Silika fiberde erbiyum iyon katkılama dağılımı profili ve LP01 modunun enine elektrik alan dağılımının örtüşmesi.
Şekilden de görüleceği üzere silika fiberde erbiyum iyon katkılama dağılımının r=0’dan r=R’ye kadar sabit olduğu kabul edilirse, örtüşme faktörü aşağıdaki gibi elde edilebilir.
( ) 0 2 ( ) R n I r rdr
=
(2.1)Basamak indisli bir fiber için en düşük mertebe mod (lowest-order mode) Gausiyen yaklaşım ile aşağıdaki gibi tanımlanabilir.
(
)
(01) 2 2 21
( )
exp
/
I
r
r
w
w
=
−
(2.2)Denklem (2.2)’de w spot boyutunu (spot size) göstermektedir ve (2.3)’teki yarı-deneysel denklem ile elde edilir.
3/2 6
1.619
2.879
0.65
2
a
w
V
V
=
+
+
(2.3)Denklem (2.3)’teki V, fiberin normalize frekansını, a ise optik fiberin öz yarıçapını göstermektedir. Bu durumda örtüşme faktörü aşağıdaki gibi bulunabilir.
(
2 2)
1 exp R /w
= − − (2.4)
Spot boyutu frekansa bağımlı olduğu için örtüşme faktörü de frekansa bağlı olarak değişecektir (Becker vd., 1999).
iii. İyon yaşam ömrü: Uyarılmış seviyelerdeki iyon yaşam ömrü (lifetime) EDFA ve
EDFL modellemesinde bir diğer önemli parametredir. Bir enerji seviyesindeki yaşam ömrü, o enerji seviyesinden birim zamanda çıkan iyon sayısı ile ters orantılıdır. Genel olarak bir enerji seviyesindeki yaşam ömrünü belirleyen iki parametre vardır. Bunlar ışımalı ve ışımasız geçişlerdir.
1
1
1
r nr
=
+
(2.5)Denklem (2.5)’de τ toplam iyon yaşam ömrünü, τr ve τnr ise sırası ile ışımalı ve ışımasız yaşam ömürlerini gösterir. Işımalı iyon yaşam ömrü Judd-Ofelt analizi (Sardar vd., 2003) ile hesaplanabilmektedir. Işımalı yaşam ömürleri, ışımasız yaşam ömürlerine göre görece çok daha uzun (milisaniye mertebesinde) olduğu için toplam yaşam ömrüne etki eden temel eleman ışımalı yaşam ömürleridir (Becker vd., 1999).
Yaşam ömrünü belirleyen ana unsur cam fiberin yapısıdır. Çeşitli cam fiber ana malzemelerindeki (host) yarı-kararlı seviyedeki Er+3 iyon yaşam ömürleri Çizelge 2.1’de verilmiştir.
Çizelge 2.1. Çeşitli optik fiber malzemelerinde Er+3 iyonunun yarı-kararlı seviyedeki yaşam ömrü.
Optik fiberin ana malzemesi Yaşam ömrü (ms) Kaynak
Na-K-Ba-silikat 14 (Gapontsev vd., 1982)
ED-2 (silikat) 12 (Gapontsev vd., 1982)
Silikat L-22 14.5 (Miniscalco, 1991)
Al-P silika 10.8 (Miniscalco, 1991)
Al-Ge silika 9.5-10.0 (Nykolak vd., 1993)
Na-Mg-fosfat 8.2 (Gapontsev vd., 1982)
Fosfat 10.7 (Nishi vd., 1992)
Florofosfat 8.0 (Miniscalco, 1991)
Na-K-Ba-Al-germanat 6.5 (Gapontsev vd., 1982)
Florit 10.3 (Nishi vd., 1992)
Tellürid 4 (Mori ve Ohishi, 1998)
iv. Yükseltilmiş kendiliğinden ışıma (ASE):Kendiliğinden ışıma özellikle optik
yükselteçlerde en önemli parametrelerden biridir. Yarı kararlı seviyedeki bir Er+3 iyonu, yaşam ömrü sonunda kendiliğinden (spontane) foton ışıması ile taban seviyeye düşebilir. Spontane fotonlar rastgele yön, faz ve polarizasyon değerine sahiptirler. Kendiliğinden ışıma fotonları EDF içerisinde hem ileri yönlü hem de geri yönlü olarak yayılan yaklaşık 1520 nm – 1570 nm aralığında genişbantlı spektruma sahip bir gürültü sinyali olarak karşımıza çıkarlar. Bu fotonlar yarı-kararlı seviyedeki başka iyonları da uyararak EDF içerisinde yükseltilerek ilerlerler. Bu sebeple bu olaya yükseltilmiş kendiliğinden ışıma (ASE) gürültüsü denir.
v. Çizgi genişliği ve spektral genişleme: Çizgi genişliği (linewidth), kazancın dalgaboyu
eksenindeki sonlu spektral genişliğini göstermektedir. İki enerji seviyesi arasındaki geçiş spektrumunun sonlu bir değere sahip olmasının asıl nedeni, bu enerji seviyelerinin gerçekte tek bir çizgisel seviye değil, birbirine çok yakın alt enerji seviyelerinden oluşan bant yapısıdır. Kazanç spektrumunun çizgi genişliğine etki eden homojen ve homojen olmayan bileşenler bulunmaktadır. Homojen genişleme temel olarak nispeten uzun foton yaşam ömrü ve iyon enerjisinin üstel biçimde azalmasından dolayısı ile ışımalı geçişlerden kaynaklanmaktadır. Homojen olmayan genişleme ise, genel olarak iyonların yarı-kararlı enerji seviyesinde gruplar (cluster) halinde bulunmasından ortaya çıkmaktadır. Dolayısıyla homojen olmayan genişleme, aslında birkaç homojen genişlemenin süperpozisyonundan oluşmaktadır (Becker vd., 1999). Şekil 2.4.(a)’da homojen genişlemiş soğurma/ışıma spektrumlarına örnek görülmektedir. Şekil 2.4.(b)’de ise homojen olmayan genişlemeye maruz kalmış soğurma/ışıma spektrumlarına
örnek verilmiştir. Şekilden de görüleceği üzere homojen olmayan genişleme aslında homojen genişlemelerin birleşiminden oluşmaktadır.
Şekil 2.4. (a) Homojen genişlemenin sebep olduğu çizgi genişliği (b) homojen olmayan genişlemenin (birkaç homojen genişlemenin süperpozisyonu) sebep olduğu çizgi genişliği.
Şekil 2.5. (a) Homojen genişlemiş bir kazanç spektrumunun doyuma ulaşması (b) homojen olmayan genişlemenin kazanç spektrumunun doyuma ulaşması.
EDFA’da popülasyon ters birikiminin düşük olduğu durumda, soğurma/ışıma spektrumlarının homojen ya da homojen olmayan genişlemeden etkilenmiş olmasına göre doyuma ulaşmış kazanç spektrumları da değişecektir. Örneğin yüksek giriş sinyali gücü geldiği durumda, popülasyon ters birikimi azalacak ve kazanç doyuma gidecektir. Şekil 2.5(a)’da homojen genişlemiş çizgi genişliğinin spektrum boyunca homojen biçimde doyuma ulaştığı görülmektedir. Ancak homojen olmayan çizgi genişliğinin, spektrumda yerel noktalarda doyuma ulaştığı ve kazanç spektrumunda lokal çökmeler (spectral hole burning) oluştuğu görülmektedir (Şekil 2.5(b)).
2.1.1. EDFA ve EDFL için üç seviyeli sistem modeli
Erbiyum katkılı fiber yükselteç ve lazerlerin modellenmesinde kullanılan üç seviyeli sistem Şekil 2.6’da gösterilmiştir. Şekilde gösterilen üç enerji seviyesi sırası ile 4I15/2 (taban seviye), 4I
13/2 (yarı-kararlı seviye) ve 4I11/2 (980 nm pompa seviyesi) olarak sıralanmaktadır.
Şekil 2.6. EDFA ve EDFL modellenmesinde kullanılan üç seviyeli sistem diyagramı.
Şekilde R13 ile taban seviyeden pompa (980 nm) seviyesine olan pompalama oranını göstermektedir. R31 ise pompa seviyesinden taban seviyesine uyarılmış ışıma oranını göstermektedir. Ancak Er+3 iyonları için bu iki enerji seviyesi arasında ışımalı geçiş mümkün değildir. 4
I11/2 seviyesindeki Er+3 iyonları çok kısa sürede (<1 μs) kendiliğinden ışımasız olarak yarı-kararlı seviyeye düşerler. Bu geçiş, şekilde A32 ile gösterilmiştir. Yarı-kararlı seviye ile taban seviyesi arasındaki uyarılmış soğurma ve ışıma oranları ise sırası ile W12 ve W21 ile gösterilmiştir. Bu iki seviye arasındaki kendiliğinden ışıma oranı ise A21 ile gösterilmiş olup, yaklaşık
A
21
1/
olarak bulunabilir. Eğer 4I15/2 , 4I13/2 ve 4I11/2 seviyelerindeki iyon popülasyonunu sırası ile N1 , N2 ve N3 ile gösterilirse, üç seviyeli sistem için oran denklemleri (2.6)’daki gibi yazılabilir (Desurvire, 2002). 1 13 1 31 3 12 1 21 2 21 2 2 12 1 21 2 21 2 32 3 3 13 1 31 3 32 3 N R N R N W N W N A N t N W N W N A N A N t N R N R N A N t = − + − + + = − − + = − − (2.6)
Kalıcı hal durumu göz önüne alındığında, iyon popülasyonları zamandan bağımsız olacaktır.
