Teknisk djupdykning: Optisk magi med ramanförstärkare

av Jörgen Städje den 2 Jul 2015

När ljus ska gå många, många mil genom en optisk fiber kommer det att försvagas. Därför förstärker man det på vägen. Eftersom Sverige är så långt, blir det många förstärkare längs hela SUNET. Det viktigaste är att inte samla på sig brus under vägen. Brus är en störning som dränker det värdefulla datat i skräp. Till skillnad från den enklare typ av förstärkare som redovisas i artikeln ”Teknisk djupdykning: Optisk magi med EDFA” som bara är 10 meter lång, kan en distribuerad ramanförstärkare (DRA) vara mer än 100 kilometer lång. Föreliggande text förklarar varför en kombination av DRA och EDFA är idealisk för att få gott signal/brusförhållande över längre överföringssträckor.

Sir Chandrasekhara Venkata Raman, upptäckare av ramanspridningen. Bild: Nobelstiftelsen, PD
Sir Chandrasekhara Venkata Raman, upptäckare av ramanspridningen. Bild: Nobelstiftelsen, PD

Chandrasekhara Raman (1888-1970) är ansvarig för att ha upptäckt en hel massa lustiga optiska fenomen. Raman var en berömd indisk fysiker som levde under den brittiska kolonialtiden och höstade in de flesta vetenskapliga utmärkelser man kan få. Det viktigaste för oss svenskar var att han fick nobelpriset i fysik 1930 för det vi idag kallar ramanspridning (raman scattering) eller helt enkelt ”ramaneffekten”.

Raman gjorde vad som kan tyckas vara en förhållandevis enkel upptäckt, nämligen att en del av det ljus som färdas genom ett transparent material, kommer ut ur materialet med en annan våglängd, och han kunde förklara varför. Han fortsatte starkt med att upptäcka fotonens kvantspinn år 1932 och kunde därför konstatera att fotonen är en kvantmekanisk partikel.

Skillnaden mot erbiumdopade förstärkare

I en erbiumdopad förstärkare (hädanefter EDFA) använder man sig av en dopad (förorenad) fibers förmåga att agera laser, medan ramanförstärkning går till så att själva transmissionsfiberns olinjära egenskaper kombineras med en kraftig laserstråle och därmed åstadkommer förstärkning. Olinjär? All optisk fiber är optiskt olinjär, dvs den har sönder ljuset på något sätt. Det ljus som kommer ut är inte riktigt detsamma som man skickar in. I vanlig single mode-fiber som man bygger fiberoptiska nät av, är olinjäriteterna dock så små att man kan bortse ifrån dem. Men man kan ”psyka” fibern så mycket att olinjäriteten blir av betydelse. Det fina med detta är att man kan skapa en ljusförstärkare av helt vanlig transmissionsfiber utan modifikationer av något slag.

Ramaneffekten är inte begränsad till optisk fiber utan det fungerar med fönsterglas och dricksglas också. Faktiskt fungerar det med alla material som kan reflektera ljus, men det är en annan historia.

Det optiska nätet självt får alltså agera förstärkare på avstånd som är i stil med halvvägs mellan Stockholm och Västerås. Därav beteckningen ”distribuerad förstärkning”. Ramanförstärkningen är mycket bredbandigare än det erbiumfönster som EDFA kan erbjuda (30-40 nm) och kan sålunda förstärka många flera våglängder, allt mellan 300 och 2000 nanometer, som är det område som den optiska fibern själv släpper igenom. Genom att välja en pumplaser av lämplig våglängd kan man välja exakt vilka våglängder man vill förstärka (eller inte förstärka). Bandbredden för en typisk ramanförstärkare är uppåt 100 nanometer.

Principen i all enkelhet: Ramanspridning

Det rör sig om nobelprisfakta, så man får ta det enkelt. Fibern består av molekyler av kiseldioxd (glas). När man skickar in pumpljus i fibern (man säger att man pumpar eller exciterar fibern), studsar ljuset ibland på molekylerna. För det mesta blir studsen 100 % elastisk, alltså fotonen studsar tillbaka med samma energi (och därmed våglängd) som den hade. Inget särskilt händer.

Men ibland kan glasmolekylen ta upp lite energi från fotonen. Fotonen studsar då iväg med något mindre energi och därmed längre våglängd eller lägre frekvens, som man kallar stokesfrekvensen. Studsen är i detta fall vad man kallar inelastisk. Därav den engelska termen ”inelastic scattering”.stokesfrekvens

Skillnaden mellan pumpfrekvensen och stokesfrekvensen är materialberoende och för kiseldioxid är skillnaden i våglängd cirka 15 nm. Diagrammet visar förhållandet i frekvens, och i våglängd som är inversen av frekvensen. Exemplen ges dock i nanometers våglängd eftersom detta är relevantare för fiberoptik.

Varför tar molekylen upp energi? Därför att den kan vibrera med ungefär samma frekvens som fotonen. Molekylen tar upp vibrationsenergi.raman_gain

Men skillnadsfrekvensen är inte absolut, utan sprids inom ett intervall (ramanspridning). För glas rör det sig om en utbredd topp på mellan 10-15 terahertz. Det är inom detta band som förstärkning kan ske. Diagrammet visar möjlig förstärkning (Raman gain) mot skillnadsfrekvens i glas (frequency offset). Pumpljusets frekvens ligger vid noll på frekvensskalan och förstärkningsförmågan har i princip försvunnit vid 40 THz.

Bandet där förstärkning är möjlig, är inte bestämd av materialet (såsom i erbiumfallet) utan av pumpljusets frekvens. Flyttar man pumpljusets frekvens, flyttas förstärkningskurvan med. Därför kan män välja ut exakt de frekvenser (våglängder) man vill förstärka genom att välja lämplig frekvens (våglängd) på pumpljuset. Mycket behändigt.

Detta är dock av föga värde för oss om man inte får med en insignal som ska förstärkas också.

Principen i all enkelhet: Bredbandig förstärkning

Skulle man inte ha en insignal i fibern att förstärka, skulle fibern ändå stråla ut stokesvåglängder helt spontant. Det är naturligtvis till ingen nytta.spontan-stimulerad spridning

Har man däremot en insignal tillsammans med pumpvåglängden och insignalen faller inom förstärkningsbandet (i diagrammet ovan) kommer denna att förstärkas genom det man kallar stimulerad spridning (stimulated scattering). Vid spontan spridning kommer stokesvåglängderna ut lite hur som helst, men vid stimulerad spridning kommer stokesvågorna ut i samma riktning som insignalen och koherent med denna, bara mycket starkare.

Stimulerad spridning går till så att när pumplasern har exciterat en molekyl och den väntar på att falla ned till sin ursprungliga energinivå och skicka ut stokesstrålning, kan en foton från signalkällan komma och knuffa till den, stimulera den, att falla på ett särskilt sätt. Förutsatt att signalfotonen har lämplig våglängd kommer den att stimulera den exciterade molekylen att skicka ut en exakt likadan foton i form av stokesstrålning. Resultatet är två likadana fotoner. Dessa går vidare och stimulerar var sin ytterligare exciterad molekyl, och så vidare. Resultatet är en lavin av fotoner som stimulerats fram av en ursprungligen svag signal.

De framskapade fotonerna blir exakt likadana som signalen till fas, våglängd, och andra tillstånd. Signalernas modulationstyp och polarisation spelar ingen roll. Här gäller i övrigt samma förhållanden som för EDFA.

Spektrum

Man använder typiskt en pumplaser på 500 milliwatt med våglängden 1535 nm för att få förstärkning i C-bandet kring 1550 nm.dwdm plus pumpljus

Spektrumet ovan visar en typisk överföring med flera våglängder, kallad Dense Wavelength Division Multiplexing (DWDM). Man sänder flera signaler med data, lagda så nära varandra att de alla kan förstärkas med ramanteknik med samma pumplaser. Den höga toppen vid 1535 nm är pumpljuset och allt eftersom detta fördas längs fibern kommer dess energi att överföras till signalvåglängderna kring 1550 nm i en lavineffekt.

Ljuskarusellen

cirkulatornPumpljuset måste in i fibern på något sätt och den förstärkta signalen måste ut. Utan att de stör varandra. Det kan man ordna med en cirkulator, en optisk komponent som fungerar som en karusell för ljus.

Cirkulatorn tar ljus som kommer in i den och skickar ut på nästa utgång. Sålunda kommer pumpljuset i kopplingen ovan att skickas ut på fibern för den ankommande signalen från Stockholm, medan den ankommande, förstärkta signalen kommer att skickas ut på den tredje utgången, redo för färden vidare mot Gävle.

En verklig länk

En praktisk fiberoptisk länk utförs som en kombination av raman- och EDFA-förstärkare.praktisk länk

En praktisk länk. Den blå nivån är ramanförstärkarens bidrag. Som du ser ökar förstärkningen i fibern ju närmare pumplasern signalen kommer. Eftersom pumpljuset i ramanförstärkaren skickas bakåt i fibern, blir förstärkningen högre ju närmare pumpkällan man kommer. Nyttosignalen kommer aldrig att komma ned i bruset.

Bruset är alltings fiende. Efter ett tag har signalnivån på fibern sjunkit ned i bruset och kan inte återhämtas. Därför sätter man in förstärkare med jämna mellanrum. Skulle man använda enbart EDFA kommer signalen efter lång sträcka att börja närma sig brusets nivå och när EDFA sedan förstärker den, kommer den att förstärka bruset också. Bruset kommer alltså att öka längs ledningen, eller om man så vill, det optiska signal/brusförhållandet kommer att sjunka längs ledningen. Till sist blir läget ohållbart.

Använder man ramanförstärkare kommer signalen längs hela fibern alltid att ligga på en högre medelnivå, i och med att själva fibern är förstärkaren, och aldrig falla ned i bruset. En efterföljande EDFA kommer aldrig att behöva förstärka brus. En kombination av EDFA och raman är optimal för att sänka brusnivåerna, eller om man så vill, bibehålla ett högt optiskt signal/brusförhållande i överföringen.

Där satt hela hemligheten!

Så här kan en typisk ramanförstärkare se ut. Just denna kommer från Finisar Corp i Sunnyvale i Kalifornien, men det finns många tillverkare.Raman module

Eller, det här är inte förstärkaren, eftersom förstärkningen sker i transmissionsfibern, utan detta är pumplasern och cirkulatorn som för in pumpljuset i fibern och för ut den förstärkta signalen.

För att ramanförstärkningen ska bli effektiv krävs ganska hög pumpeffekt, eftersom verkningsgraden är väldigt låg. Den ligger kring 10^-13 vid 1000 nm våglängd. Omkring en halv watt till en hel watt ljuseffekt är vanligt. Det är väldigt mycket. Det kan man definitivt bränna sig på fingrarna med, eller bli blind av. De optiska komponenterna kan också bli varma. Man får se upp med smuts på kontaktdonen, eftersom de kan brinna upp av den ljuseffekt som dumpas i kontaktdonet.

Don’t stare into beam with remaining eye!

Läs mer

Våglängder kontra frekvenser i fiber i DWDM-system: http://www.fiberdyne.com/products/itu-grid.html

En bra indier: https://www.youtube.com/watch?v=iYscyYD0R9w

Fler blogginlägg av Jörgen Städje

DNS och DNSSEC utan facksnack

30 Jan 2018
/ Bloggen fiberfeber

Från oss alla, till er alla

14 Dec 2017
/ Bloggen fiberfeber

Så arbetar NOC

13 Nov 2017
/ Bloggen fiberfeber

SUNET i Hongkong

20 Sep 2017
/ Bloggen fiberfeber

SUNETs handbok i informations- och IT-säkerhet

1 Sep 2017
/ Bloggen fiberfeber

Den ökända hästen från Troja

31 Jul 2017
/ Bloggen fiberfeber

Redundans är allt

3 Jul 2017
/ Bloggen fiberfeber

SNIC-snack

2 Jun 2017
/ Bloggen fiberfeber

We have liftoff: del 5 av 2

3 Maj 2017
/ Bloggen fiberfeber

Maria Häll: We are at the Forefront!

13 Apr 2017
/ Bloggen fiberfeber

Maria Häll: Vi ligger i framkant!

10 Apr 2017
/ Bloggen fiberfeber

We have liftoff, del 4 av 2

22 Feb 2017
/ Bloggen fiberfeber

We have liftoff, del 3 av 2

30 Jan 2017
/ Bloggen fiberfeber

We have liftoff! Del 2 av 2

9 Jan 2017
/ Bloggen fiberfeber

We have liftoff! Del 1 av 2

16 Dec 2016
/ Bloggen fiberfeber

Long Read – Cleanliness is a Virtue

20 Sep 2016
/ Bloggen fiberfeber

Långläsning - tvättar bäst som tvättar först

16 Sep 2016
/ Bloggen fiberfeber

Följa fiber – från Tulegatan till Stockholms universitet.

26 Aug 2016
/ Bloggen fiberfeber

Ericsson, then swänske Lars Magnus

7 Jun 2016
/ Bloggen fiberfeber

One ring to rule them all

24 Maj 2016
/ Bloggen fiberfeber

Den tunga bakgrundstrafiken

12 Maj 2016
/ Bloggen fiberfeber

Long read: How to Design a Fibre Optic Network

5 Maj 2016
/ Bloggen fiberfeber

Welcome to the Fiber Fever Blog!

3 Maj 2016
/ Bloggen fiberfeber

Procuring an Optical Network – Smooth as Silk

2 Maj 2016
/ Blogg

The Breadth and Width of a Megabit

29 Apr 2016
/ Blogg

The Nobel Prized Piece of Glass

28 Apr 2016
/ Blogg

What’s the time? Really?

28 Apr 2016
/ Blogg

SUNET in i molnet (3) – molnsäkerhet

26 Apr 2016
/ Blogg

SUNET in i molnet (2) – vad är molnet egentligen?

25 Apr 2016
/ Blogg

SUNET in i molnet (1) – det här får du

25 Apr 2016
/ Blogg

Read about the brand new Sunet network.

11 Apr 2016
/ Bloggen fiberfeber

GÉANT och NORDUnet – bästa kompisar

14 Mar 2016
/ Bloggen fiberfeber

Ljuset kommer från Tyskland

3 Mar 2016
/ Bloggen fiberfeber

Thunderbirds are GO!

19 Feb 2016
/ Bloggen fiberfeber

Ett panorama av verkligheten

17 Feb 2016
/ Bloggen fiberfeber

Det allseende ögat

15 Feb 2016
/ Bloggen fiberfeber

Förstärkning på längden

15 Jan 2016
/ Bloggen fiberfeber

Dämpning och förstärkning i optisk fiber

14 Jan 2016
/ Bloggen fiberfeber

Grundläggande om L-bandet

14 Jan 2016
/ Bloggen fiberfeber

C-bandet – grundläggande om

14 Jan 2016
/ Bloggen fiberfeber

Logaritmer, min käre Watson

14 Jan 2016
/ Bloggen fiberfeber

CERN – krossen som slår sönder materiens minsta byggstenar

12 Jan 2016
/ Bloggen fiberfeber

Riksarkivets samarbete med SUNET

11 Jan 2016
/ Bloggen fiberfeber

One Ring to Rule them - Vetenskapsrådet

21 Dec 2015
/ Bloggen fiberfeber

Alla jättars jätte - Cisco

19 Dec 2015
/ Bloggen fiberfeber

En värld av siffror - belastning

19 Dec 2015
/ Bloggen fiberfeber

Ur led är inte alls tiden - atomur

19 Dec 2015
/ Bloggen fiberfeber

En djungel av kontaktdon

4 Dec 2015
/ Bloggen fiberfeber

Elektronisk enbärsdricka - Juniper

27 Nov 2015
/ Bloggen fiberfeber

Vad är Géant?

26 Nov 2015
/ Bloggen fiberfeber

Radar Love - Eiscat

25 Nov 2015
/ Bloggen fiberfeber

The Color Purple - dispersion

25 Nov 2015
/ Bloggen fiberfeber

Full Metal Packet - switchen

10 Nov 2015
/ Bloggen fiberfeber

Get your kicks on route 66 - routrar

10 Nov 2015
/ Bloggen fiberfeber

Game of Stones - kvarts

10 Nov 2015
/ Bloggen fiberfeber

The Twilight Zone - fotonen

10 Nov 2015
/ Bloggen fiberfeber

Peering – SUNETs ekonomiska ryggrad

9 Nov 2015
/ Bloggen fiberfeber

I mörkret är alla katter infraröda

4 Nov 2015
/ Bloggen fiberfeber

Fibertyperna i nätet och deras optiska felaktigheter

29 Okt 2015
/ Bloggen fiberfeber

Vad är klockan? Egentligen?

21 Okt 2015
/ Bloggen fiberfeber

Nätets centrum

20 Okt 2015
/ Bloggen fiberfeber

Den optiska transceivern

17 Okt 2015
/ Bloggen fiberfeber

Polarisation och informationsöverföring

1 Okt 2015
/ Bloggen fiberfeber

Laserns historia

30 Sep 2015
/ Bloggen fiberfeber

Koherent ljus, vad är det?

28 Sep 2015
/ Bloggen fiberfeber

När allt är klart

28 Sep 2015
/ Bloggen fiberfeber

SUNET – nu ännu bättre!

16 Sep 2015
/ Bloggen fiberfeber

Fibern fruktar fukten

11 Sep 2015
/ Bloggen fiberfeber

Att få kontakt

11 Sep 2015
/ Bloggen fiberfeber

Så tillverkas optisk fiber

31 Aug 2015
/ Bloggen fiberfeber

EMC – EMI – EMP

31 Aug 2015
/ Bloggen fiberfeber

Glasbiten som gav nobelpris

21 Aug 2015
/ Bloggen fiberfeber

Megabit på längden och tvären

21 Aug 2015
/ Bloggen fiberfeber

Långartikel: Fibern från Frostmofjället

21 Aug 2015
/ Bloggen fiberfeber

Upphandling av optiskt nät

25 Jul 2015
/ Bloggen fiberfeber

OptaSense – när fiber blir sensorer

3 Jul 2015
/ Bloggen fiberfeber

Teknisk utvikning: 130.000 fibrer som i en liten ask

1 Jul 2015
/ Bloggen fiberfeber

NOCen spekulerar 2: Felrapporter

27 Jun 2015
/ Bloggen fiberfeber

NOCen spekulerar 1: hög belastning

26 Jun 2015
/ Bloggen fiberfeber

Teknisk djupdykning: Optisk magi med EDFA

22 Jun 2015
/ Bloggen fiberfeber

Långartikel: Så designar man ett fiberoptiskt nät

11 Jun 2015
/ Bloggen fiberfeber

Bredare motorväg för svenska data – äntligen en offensiv satsning!

22 Maj 2015
/ Bloggen fiberfeber

Om den interaktiva tidslinjen

21 Maj 2015
/ Bloggen fiberfeber

Om den interaktiva kartan

20 Maj 2015
/ Bloggen fiberfeber

Fiberfeber: Vad som har varit och vad som komma skall

19 Maj 2015
/ Bloggen fiberfeber

Följ bygget av Sunets nät på bloggen Fiberfeber!

18 Maj 2015
/ Bloggen fiberfeber

Teknisk djupdykning: den mystiska routerkraschen

11 Jun 2006
/ Bloggen fiberfeber

2000–2013: Sunet mognar och kapaciteten ökar. Identitetsfederation skapas.

1 Jan 2000
/ Bloggen fiberfeber

1990–1999: Kapaciteten stiger, 2 – 34 – 155 Mbps

1 Jan 1990
/ Bloggen fiberfeber

1968–1989: Idéernas tidevarv. Internets vagga.

1 Jan 1968
/ Bloggen fiberfeber

Jörgen Städje

Jag heter Jörgen Städje och har skrivit om teknik och vetenskap sedan 1984. Friskt kopplat, hälften brunnet!


Warning: file_get_contents(https://www.linkedin.com/countserv/count/share?url=https://www.sunet.se/blogg/teknisk-djupdykning-optisk-magi-med-ramanforstarkare/&format=json): failed to open stream: HTTP request failed! HTTP/1.0 404 Not Found in /var/www/html/wp-content/themes/sunet/functions.php on line 5416