ANALISA KARAKTERISTIK GAIN SERAT OPTIK ERBIUM DOPED ...

ANALISA KARAKTERISTIK GAIN SERAT OPTIK ERBIUM DOPEDAMPLIFIER MODE TUNGGAL

Akhmad Hambalir* dan Ary Syahriar2

lMahasiswa Program Pascasarjana pada Program Studi Opto-Elektroteknika dan AplikasiLaser, Fakultas Teknik Universitas lndonesia, Salemba Raya 4, Jakarta 10430, Indonesia.

E-mail : hbl@rnyself. corn2Dit. T"kttologi lnformasi dan Elektronika,-gpFT Building II, 2l't Floor, MH. Thamrin

No.8,Jakana l0340,Indonesia. Telp.: (021) 3169826,3169835. E-mail: [email protected]

korespondensi dapat ditujukan kepada penulis

AbstrakPadaiaringanjarakjauh dibutuhkan beberapa penguat ulang (repeater) elektronik untuk

memperbaiki pelemahan sinyal yang terjadi. Solusi untuk mengatasinya adalah dengan komponen.aktif erbium doped fiber amplifier (EDFA) yang dapat menguatkan sinyal tanpa harus terlebihdahulu mengubahnya ke dalam sinyal elehronik. Tulisan ini menganalisa secara teoritis hubunganantara karakteristik gain terhadapdaya pompa (pump power) pada ). = 980 nm, ), = 1480 nm dan )": 1550 ntn, serta hubunganantara karakteristik gain terhadap panjang serat pada serat optik erbium doped amplifier modetunggal. Sehingga dapat dipahami bagairnana unjuk kerja komponen aktif erbium doped fiberamplifier (EDFA) tersebut.

1. Pendahuluan

Serat erbium doped amplifier terdiri dari beberapa meter serat optik yang didoped denganelemen - elemen rare earth erbium. Prinsipnya, laser digunakan unfuk memompa serat erbiumdoped dan atom - atom di serat akan berpindah pita energi dari tingkat energi terendah ke tingkatenergi yang lebih tinggi. Sinyal optik yang melewati serat erbium doped berfungsi sebagaiperangsang sehingga terjadi emisi yang melepaskan energl photon. Energi tersebut bersifat koherendan dengan demikian terjadi penguatan sinyal secara optik. Bagaimanapun kombinasikeistimewaan ini menghasilkan beberapa karakteristik baru yang tidak terdapat di serat optik padaumunrnya. Agar analisa secara teori dapat dilakukan lebih khusus maka dikembangkan suatu modelpenguatan cahayapada serat erbium doped.

SbdrFtl5Sm

Gambar 1. Blok diagram sistem pengutan serat erbium doped [23J

'ueruuper uem>ln8ued n1ens F€p Euns8uel sJecosuolntuelrp ledup rsdrosqe uolpas sso.ra 'tsegolarp Suef wnlqra uol spe >1epg ellqedy

''o rsdrosqe uolpas sso,n uep"o lsrrne uolpas

.s.ro./r ssqag Euequrole8 Strefusd ErmsEuel sJecas rn{niuour ue8uap quel }nqeslet upolapnpadeEnf ueqrprad ue1en4a4 uu:ln1ueuetu >p1tm e,{uue[ epo]eu qI

"mJsX 'efr4Ers - lsJls ue4sulefuaur

{$un Euquadral 1eq uapdruaur padop untqr? lsras qenqes eped lsdrosqe uolpas ssorlrsauroJur u?p rsrura uolpas sso.la rsaruoJul un4ledg Jp{e Blpatu ue{}squelrratu Suer{ sellpruFeq

l"le {rgrm Sugued q?lep? ualr"as sso,ra usqllale4'ragtrdrue uep resel ?ruues ueEuep pradag

aolr?as ssolr uu{nlueuetr tr .t

'uoloqd rs€lntuqs rsrure ue8uopSuresraq lnqesJal 1e,(u1s ufr4eqg4e 'sep rS.raue lu{8uq ol ledrua} ltqrueSuaur Erms8uel eleces resepueep€a{ gup;sd.rosqe 1e,{uts rur urelsfs sp?d 'tueraq drqnc Euu,( rsepdod nqns HIIIuretu qeprcJel3u1m1lelr{Suq,suerulp le{8uq eEq rosel uelsds ue4leqlgeduraut I'Z rsqtueg 'sele }url8un p au17afi7ue4teqquSuaur ut8utqas 'epaqreq Eue[,197 n1dalnw epedyto1g trelrrlEug - ue1u43un sre]ue a1od1p?upap ueqllerad qeppeftal Etrns3uepaq lnqasrel I"q eruelas zlqa$vpu uetuap lnqeslp tut 1u4tut1rp rsrpuo{ aletu 'se1u rasel rSraue lu:{Eup rp spyottuow tslpuo{ {nlrm edruodp uo1 BIqa)

'{n}ueqn} 4epq suleE Jessp le;ls uopeque8ueuuepaur tuecsru - rusc€rluaq u"p '(sp1oltuow f) tltna-atDr uor llqJo - yqto Eultg1ds 4to7gualqeqefuaur 1uI I€H 'lslsll1 ueperu * ueperu te8eqas lcue{tp uep nupl r.so? rslploslp tuo}s - ruol?EueJe>[ {ullole uspau eua{Jel apryot{uDl uor 'se1o3 tsoq ePeA''"' 'g'9'V'E'Z'l'0 = 7 sn8tTules'"' 'I 'H oC 'd 'C '4 'g ;nrnq ue8uap uDtrsrugoprp .to\r8ua umlueluoru umtrusn{ }!qro JoluoureEeqas T uW ',n1n8uo runluauou tunlu€n4 Istol Jotuou qeteps 7 'u1ds umluelul lotuou qBI€p?g eu€unp tT, *

", uu8uap repuullp lngesJal rEreue la1Euq Ip EpEJaq Euef uot nuls ruolv

'[gJ 8uoqwo1a8 8ua{uod lslsuatt tofu uop r&nua w13u11 ppary 'e rpquvg

-r'3

a/al t

arilt l

z6t '

d ofs l eogt l u 086

i l t t

I ,.urc .ot )' Fraitg

'uo! rrup rtrole n1n8ur runluetuotu lsJls * leJrs ue>pssepJeq t?puellp leuorsualuo{ereces uor uup ruole rEraua lolEurg 'EuuqruoloE Suefued $rsue4 Isllu, u?p *rrg l8rauo lu>{8uplapour uolteqrtredruetu Z reqr$?g 'r6rauo 1u48uq tuu8elp lapotu .rnlslalu rqp{ nnro u?p IsdJosqeefulpefe1 uuurlSunua4 usJtrse-qsnlrEuaru lnlun ercc lle>les 1e,(ueg 'Istun uup tsdtosqu edupuSalueryeqr4eEuaru ledep *e4I F:adas qtpa-anr JIDI? usq?q ?Arqsq uolsqofrp qulsl lgades

'uru 0SSI n11e{>1gdo rse:{runruo{tuolsrs rsrusus.q egd EueqruolaE 3uefued epad ledurs uu4]en8uaur pdup padop wnlq& EDIrIrs ltrao?/(q?q ?trr?lrual lerefs Flnuaruetu qe1e1 e{ulefucradureur nplas Euef' ngftTduto padop wnlqralelas rn{sruad ered feq ge4as Eurtued nqesrel IBH 'u:lllls luos ts4npord Iss{uepJ t8optqelepolatll e,(qrqels qBlat euers{ vdcil ueSuequra>Fad e,(r4edac uep sesrlns uBsels nlBs II€lBs

r8sBp trBqEq IESBqes u)tills sslec 'z

:6J '

.rSri / l lq

7gg7 sqsnEy ZT,- lZ 'ege{ef 'uuuepeung sstrsrelrun unpollpnv(ZOOZ fIngtg;fl uafrlagl ue$IS uep relnduro;tr 'sEurpeecor4 z-d

Analisa Karakteristik Gain Serat Optik Erbium Doped Amplifier Mode Tunggal P-3

oo(r) =a$v) (3.1)

r oto q ob\znlfia o t o u (A ro | (v, r), a,

Dimana att(u) adalahredaman yang disebabk,an erbiumdalam decibel per meter pada frekrvensi y.ps,{r) adalah konsentrasi erbium, adot adalahjari - jai erbium dopant, dan f'O, r) adalahnormalisasi intensitas mo de LP 6, yang ditenhrkan berdasarkan,

z"tff Io1 (r,r)rdr = l (3.2)

Cross section emisi dapat ditentukan dari pengukuran gain, anggap bahwa semua ionerbium tereksitasi,

o"(r) = (3.3)t o I o s r r(e\12,r ! ffd

o' e r rG) t o | (v, r)d r

Dimana g(v) adalah gain dalam decibel per meter pada frekwensi v.Menentukan cross section dengan menggunakan persamaan ( 3.1 ) dan ( 3.3 ) tersirat

disana suatu ketelitian yang diketahui dari integral antara konsentrasi ion erbium dan mode LPs1.Karena itu hal ini dianggap bahwa hanya mode LPu yang merambat diserat dan yang sangatpenting, ini sulit sekali untuk menyelesaikan syarat bahwa semua ion erbium tereksitasi. Sehinggacross section emisi dapat ditentukan dari bentuk spektrum fluoresensi , I"(u), dan harga emisispontan, A" = l/r21. Disini r2r merupakan lifetime radiasi. Berikut ini adalah persamaan yangditurunkan dari persamaan Fuchtbauer - Ladenburg,

A i"2o"(r)=-n

"- Srno

r eQ)

Dimana n adalah indeks bias dan l, adalah panjang gelombang rata - rata.Spektrum cross section absorpsi dapat juga ditentukan dari bentuk spektrum redaman,

I o( u), berdasarkan persamaan Fuchtbauer - Ladenburg,

A .2.2o-(")=-S

^" 8/rn"

Dimana -Ir dan J2 adalah nomer quantum momentum angular untuk kondisi ground state dankondisi eksitasi. Dengan menggunakan persamaan ( 3.4 ) dan ( 3.5 ) bentuk spektrum cross sectionemisi dan speklrum cross section absorpsi dapat dilihat seperti gambar 3 berikut ini :

sQ)

6.00E-25

5.00F25

1.00E25

0.00E+001500

Panjang gelonbang, nm

Gambar 3. Spektrum cross section absorpsi

.E +.ooszsoct(/) 3.00E-25oo

$ z.ooazs

I I " (v)dv

Ia@) .2J2+l

I Io?)dv 2Jr+l

(3.4)

(3.s)

dan cross seclion emisi

G'v) fu.*-i4b+i++rn-lxa p = ,.p

(#o+';i+.,)r-=#,n

: ue4lrseq8uluu7 - z redurus 0 = z pep (g'f) ueeunsred rse.6a1rq

(s'r)

G'v)

(r'r)

4*lo * *!o)*--qrr-= ,"!I

: rssrnlss sslrsuelur u?p'efep uuparu apou rs8urgiqelspe rt aefluap

*lo = 'n

: ln{Feq re8eqas ue{rsug:eprp 8ue,{ Qnu81spotus) 1rce4:-1u.,(urs rsfuosqe uarsgeo{ qelepe rn uep dn1tano rol4eJ q?l?pe fr3 ever;ong

G'v)

: uollJsqureuu?tpnrual (7'y) ueewesrad 'd er(ep apou Sursetu - Swseu ua8uep selrsuotur ueryedurallp 1uIuer8eq rp unueN '3ue1g 1pe$au (7'y) uezruesred Js$q Euntn4 ?prrel utuegad uurEeq rpunrqJa rsnqlqsry ueEurguuE:a1e>1 selaf aleu (Z'V'l ueeures:ed q ',ntr ueT{nseurrp u:t!f 'lerasuolpas sso.ra depeqral ue4rser8alurrp sruer{ (7il ueeu,resred 'z leurproo>1 depuqnl rser8alule)l qlFraq umleqes 'cN -Nl = tltr suetllrp d = N umlqJ3 rse"guesuo{ ueEuap }te)u31t1g qerneq r8raua 1e4Eql rp rselndo4'rsfuosqe uep rsnue uolpas sso,rr r{elepe ,"lo trep *:g

(z'v) (rIoN -(nlo + ,!o)'u)'t', = #

: lrullreq te8uqes u€4rsrugeprl (s'a = 4)'I selrsualur lse4ggdury'sslrsualur f 'uoloqd l6,:oua h

'sele rSraua te{8url rp uuluods aqtall1 r1elepe refrqrrcqas epd n}Feq uepgnrsod z qzre {rqun I+: tn euernrq'(s = /) EueqruolaE 1e,{urs uep (d = f ) edruod ueleqruered qere ur:plnfimuavt tn $!s}CI

ze 'nr ! , ' 'o : l

i i ' ' j i ' t - = 'N

'eftuod ssl$ualut uep 1e,{urs sulrsuo}ur qsqrueu }edup suledrauale{Euquole rsepdod EmlrqEueu u.t(ueq Eue{ ueeues:ed rmsn{uaur ueEuap uu4sulafipa&uod uep ludurs 8uequroloE w+equtsrsd xuu ggtl rrep 096 e{qesr.u1 '(uor2dtosqV aqory pa11rg}rdrosqe Fqls{e useps1 u?p seqaq Breoes uoln1uelry ledep udurod EuequroleE Suefuu6

(ZOOZ UyUrtgy) ue[1a1u1 ruetsrs uep raln&uo;tr .s8urpaecor4

r.raS4psgel{Brsy .?

Z0r0g snlsn8y ZZ,- lZ 'slJe)luf 'uuuepeung splrsJe^run unFolrpnv

Analisa Karakteristik Gain Serat Optik Erbium Doped Amplifier Mode Tunggal

Umumnya koefisien Co, adalah daya bebas, tetapi untuk daya yang cukup tinggi

etau untuk doping erbium terbatas seluruhnya diatur konstan. Nilainya ditentukan oleh

banya satu panjang gelgmbang pompa dan satu panjang gelombang sinyal. Untuk dayapompa yang sangat tinggi dan daya sinyal diabaikan maka dapat ditetapkan dari persamaan (4.2)

bahwa pendekatan populasi di tingkat energi atas N, -- Noi* f \olo' * oT ).

Kemudian daya pompa absorpsi adalah :

pabs =h' , I t fua1 @7)-P r - , o i -J-

' 1. ;T

Gain maksimum dicapai dengan mengintegralkan persamaan (4.2) terhadap mode

medan sinyal.

G** =

Penjelasan yang sama diberikan untuk daya sinyal absorpsi pada daya input yang tinggi dan untuk

faktor transmisi pada panjang gelombang pompa dimana daya pompa diabaikan. Diperoleh dari

persamaan (4.6) Ckj f I;'' = ll Pi"'dengan,

Potn' - I; (4.e)

Secara jelas pada persamaan (4.6) untuk pompa dapat ditulis k = p dan gelombang sinyal

k = s. Kemudian dari sini dapat dipisahkan daya pompa output Pfu'dan daya pompa absorpsi

P; - P;'' dari persamaan sinyal serta memasukkannya ke persamaan pompa. Setelah didapatkan

beberapamodifikasidenganmenggunakangainsinyal G = p,"* lPi' = exp(po"Z) maka:

(4.10)

Dengan gain maksimum

{ul1*\)=#rr.,td.ff rc-'lt

(4.8)

(4.11)Gr.*

den perbandingan daya saturasi

=eXP{t+-",)r}

6=w (4.r2)

umlueno uI sctdol

giII 'TUIS '..tuoce1a1

'0002 '8SZl - VSZI'9 eurnlon 'scruo.4ca1gpe1cales uo leurnof AASI '..lq8ll lgg ern1ry V- '{ce; ppuoq1

'I66I '6€ - gg'lt\ella1uo lcedtur rreql pue raglldure reqg ',trou lt{811 I1y,, '( V ) rsllry'C

lzl

t r l

B)Iclsnd r8lJ8(I

w g = 7 ng[11dwo padop wnlqra Tnns opnd tslwsurrrt ofuQ'9 raqwo9

1@llwttbFrd691 @t 6st m 6H

'9

o

E'

9

uatsgf{aoy uto8 loKutg ', nqwD7

urgp'rndut a{cq

0z- 0?-

*u osc - tl-;..-

uu ossr ! "\---7- P:= -

: ' luu 08t l '

et(

'rugp 0I- 1ndu1 e,(ep:rryEuep rugp St'8 - qelsPs *" OESI = t6 EuequrolaE Euefu€d ucp tugp Z'8 - I{€FpB lllu

ggtl : 1 SueqruolaE Suefued'urgp ?'g - rlulapB lrru 086 = 16 Suequrola? Suefued aped edlsod

ip rlp"t* g tagfiduto padop wftrqn {qdo }aras qe:psnusrleq rp 8ue,{ unurqdo tdug'rsuqgllduluuerlruleletu uurptalrp padop untqra leres uEEuyqes ;$rsod qeleps u3lsgleo{ a.lzE rstpuolg;lgur rsslr$taral wnlqra uor - uor EDIrrq usp rpssp ttraua p43up uudeqel epud eperaq wnlQta uo1- uor Bruuas ailrqJpe8au rcrpuo1 urqsp ualsgJeol utDg e^t1eqsslteua Fep 1eq$p ludug

ue1ndru1se11 'S

'nDIs \ usn1ss rad p,{urs ueEuap uopqd qepun!egas uquods rsrue uoloqd nfet ue8uep ue8mqnqreq usuol u?Feq mts eped uolSuepag 'np[B/llusnles rad rsdrosqe eduod uopqd qepmf uu4lpfunueu (9'y) ueeuesed IrBp IJpt ue6eq Fls cpud

-l

s'8- ;

16p7 snlsn8y ZZ- lt, 'Bu8{€f 'uuuepetmg ssrsJa^run umuorpnv(ZOOZ tlfrllt6;) ualgalul uratsls uep -rapdruoy 'sEurpecor; 9-d

r|mFI

Karakteristik Gain Serat Optik Erbium Doped Amplifier Mode Tunggal

E.Desurvire, "Lightwave communication : The fifth generation", Scientific American,96 -

r03,1992-H. Cherin, "An infioduction to optical fiber", Mc Graw-Hill, New Yorlq 1983.

S. Ungar, "Fiber optios, theory and applications", John Willoy & Son, Ltd., England, 1990.

E.Desurvire, "Erbium doped fiber amplifier, principles and applications", John Willey &

Son,Inc., New York, 1994.D. A. Chapman, "Erbium doped fiber amplifier : the latest revolution in optical

communications", Electronics & Communications Engineering Journal, 59 - 67,1994'Th. Pfeiffer, H. Bullow, "Analytical gain equation fsr erbium doped fiber amplifiersincluding mode field profiles and dopant distribution-, IEEE Phot. Tech. Lett-, Volume 4,

449 - 457, 1992.E.Desurvire,J.R Simpson, "Amplification of spontaneous emission in erbium doped single

mode fiberr" IEEE Journal of Lighhvave Technology, Volume 7, 835 - 845, 1989.A. Bjarklev, "Optical fiber amplifrers : design and system applications", Artech house,

London, 1993.

Itl

ll0l