Gain and Noise Figure Analysis of Single and Two Stage Thulium Doped Fiber Amplifiers in S-Band

Abstract

In this study, single and two stage Thulium-Doped Fiber Amplifiers (TDFA) operating in S band were optimized and their effects on the gain and noise spectra were compared for two different situations. In the first case, the lengths of Thulium-Doped Fiber (TDF) were changed from 2.5 m to 30 m by increasing 2.5 m each time. In the second case, the pump power was changed from 200 mW to 3000 mW by increasing 200 mW each time. The gain and noise spectra were examined for both cases. In addition, 24 signals in the 1451-1520 nm bandwith, respectively, fed with -20 dBm and -30 dBm input powers, were pumped forward direction with a 1050 nm pump laser. Both parameter changes were compared by taking the signal with the highest gain at 1469 nm wavelength. As a result, it was observed that the signal fed with -30 dBm input power reached a later saturation and provided higher gain. Using two stages of TDFA for signals with both input power; it has shown that length of 17.5 m TDF increases the gain by 20-25%, and the pump power in the range of 800 mW-2000 mW increases the gain by 18-24%. Circuits are simulated using Optiwave 16.0 software.

Keywords

• Thulium doped fiber amplifier

Tek ve İki Aşamalı Tulyum Katkılı Fiber Yükselteçlerin S-Bandındaki Kazanç ve Gürültü Analizi

Abstract

Bu çalışmada S bandında çalışan tek ve iki aşamalı Tulyum Katkılı Fiber Yükselteçler (TKFY) optimize edilerek kazanç ve gürültü spektrumuna etkileri iki farklı durum için karşılaştırılmıştır. İlk durumda Tulyum Katkılı Fiber (TKF) uzunlukları 2.5 m’den 30 m’ye kadar her seferinde 2.5 m arttırılarak değiştirilmiştir. İkinci durumda ise pompa gücü 200 mW’tan 3000 mW’a kadar her seferinde 200 mW arttırılarak değiştirilmiştir. Her iki durum için kazanç ve gürültü spektrumları incelenmiştir. Ayrıca, sırayla -20 dBm ve -30 dBm giriş güçleri ile beslenen 1451-1520 nm bant aralığındaki 24 sinyal, 1050 nm pompa lazeri ile ileri yönlü pompalanmıştır. En yüksek kazancı veren 1469 nm dalgaboyundaki sinyal referans alınarak her iki parametre değişimi karşılaştırılmıştır. Sonuçta -30 dBm giriş gücü ile beslenen sinyalin daha geç doyuma ulaştığı ve daha yüksek kazanç sağladığı görülmüştür. Her iki giriş gücü için de iki aşamalı TKFY kullanmanın; 17.5 m TKF uzunluğunun kazancı %20-25 oranında arttırdığı, 800 mW- 2000 mW aralığındaki pompa gücünde ise kazancı %18-24 oranında arttırdığını göstermiştir. Devreler Optiwave 16.0 yazılımı kullanılarak simüle edilmiştir.

Keywords

• Tulyum katkılı fiber yükselteç
• S-band
• tek ve iki aşama

References

1. [1] M. Yücel, “Kazancı düzleştirilmiş geniş bandlı fiber yükselteçlerin tasarımı,” Doktora Tezi, Bilişim Enstitüsü, Gazi Üniversitesi, Ankara, Türkiye, 2008.
2. [2] M. Yücel, H. H. Göktaş, G. Akkaya, “Üç aşamalı L-band EDFA optimizasyonu,” IEEE 20. Sinyal İşleme ve Haberleşme Uygulamaları Kurultayı, Muğla, Türkiye, 2012, ss. 1-4.
3. [3] M. Yücel, H. H. Göktaş, “Fiber raman yükselteçlerde pompalama yönünün kazanç spektrumuna etkisi üzerine bir simülasyon,” Politeknik Dergisi, c. 9, ss. 161-164, 2006.
4. [4] M. Yücel, H. H. Göktaş, “Kazancı düzleştirilmiş çok geniş bantlı hibrit optik yükselteç tasarımı,” Gazi Üniversitesi Müh. Mim. Fak. Dergisi, c. 22, ss. 863-868, 2007.
5. [5] J. Kani, M. Jinno, “Wideband and flat-gain optical amplification from 1460 to 1510 nm by serial combination of a thulium-doped flouride fiber amplifier and fiber Raman amplifier,” Electron. Letters, c. 35, ss. 1004-1006, 1999.
6. [6] S. S.Yam, K. Jaedon, “Ground state absorption in thulium-doped fiber amplifier experiment and modeling,” IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics, c. 12, ss. 797-803, 2006.
7. [7] Z. Li., Y. Jung, O. Daniel, N. Simakov, P. C. Shardlow, A. M. Heidt, A. Clarkson, S. Alam and D. J. Richardson, “Extreme short wavelength operation (1.64-1.7 µm) of silica-based thulium doped fiber amplifier,” Optical Fiber Communication Conference, California, USA, 2015, ss. Tu2C.1.
8. [8] S. D. Emami, M. M. Dashtabi, H. J. Lee, A. S. Arabanian, H. A. Rashid,“1700 nm and 1800 nm band tunable thulium doped mode-locked fiber lasers,” Scientific Reports, c. 7, p. 12747, 2017.

9. [9] Z. Li, A. M. Heidt, N. Simakov, Y. Jung, O. Daniel, S. Alam and D. J. Richardson, “Diode-pumped wideband thulium doped fiber amplifiers for optical communications in the 1800-2050 nm window,” Optics Express, c. 21, ss. 26450-26455, 2013.
10. [10] M. A. Khamis and K. Ennser, “Gain control dynamics of thulium doped fiber amplifier at 2µm,” Optical Components and Materials XIII, California, USA, 2016, p. 974419.
11. [11] Z. Liu, Y. Chen, Z. Li., B. Kelly, R. Phelan, J. O’Carrol, T. Bradley, J. P. Wooler, N. V. Wheeler, A. M. Heidt, T. Ritcher, C. Schubert, M. Becker, F. Poletti, M. N. Perovich, S. Alam, D. J. Richardson, R. Slavik, “High-capacity directly modulated optical transmitter for 2µm spectral region,” Journal of Lightwave Technology, c. 33, ss. 1373-1379, 2015.
12. [12] Z. Li, A. M. Heidt, J. Sahu, P. Shardlow, “100 kW peak power picosecond thulium doped fiber amplifier system seeded by a gain switched diode laser at 2µm,” Optics Letters, c. 38, ss. 1615-1617, 2013.
13. [13] Z. Li, A. M. Heidt, J. M. O. Daniel, Y. Jung, S. Alam, D. J. Richardson, “Thulium doped fiber amplifier for optical communications at 2µm,” Optic Express, c. 21, ss. 9289-9297, 2013.
14. [14] N. M. Yusoff, A. H. Sulaiman, M. S. K. Jamalus, “Simulation of dual stage thulium-doped fiber amplifier using pump power distrubition technique,” Indonesian Journal of Electrical Engineering and Computer Science, c. 15, ss. 1203-1211, 2019.
15. [15] F. I. El-Nahal, A. H. M. Husein, “Optimizing thulium doped fiber amplifier (TDFA) gain and niose figüre for S-band 16x10 Gb/s WDM systems,” Optik, c. 124, ss. 4052-4057, 2013.
16. [16] F. I. El-Nahal, A. H. M. Husein, “Thulium doped fiber amplifier (TDFA) for S-band WDM systems,” Open Journal of Applied Sciences, c. 2, ss. 5-9, 2012.
17. [17] A. Dincer, M. Yücel, “Farklı pompalama yönleri için giriş sinyal gücünün Tulyum katkılı fiber yükselteç kazancına etkisi ve küçük sinyal kazancı analizi,” Uluslararası Karadeniz ile Kıyısı Olan Ülkeler Sempozyumu, Batum, Gürcistan, 2019, ss. 28-33.
18. [18] A. Dincer, M. Yücel, “Tulyum katkılı fiber yükselteçlerde pompalama yönü, fiber uzunluğu ve iyon yoğunluğunun kazanç ve gürültüye etkisi,” Uluslararası Karadeniz ile Kıyısı Olan Ülkeler Sempozyumu, Batum, Gürcistan, 2019, ss. 333-339.
19. [19] R. Caspary, W. Kowalsky, M. Kozak, “Fluoride glass fiber amplifiers for S-band.,” Photonics 2004, Cochin, India, 2004.
20. [20] R. Singh, M. L. Singh, “Evaluating the effect of doping concentration and doping Radius on the gain of silica based thulium doped fiber amplifier,” 2016 International Conference on Recent Advances and Innovations in Engineering, Jaipur, India, 2016, ss. 1-5.
21. [21] P. Peterka, B. Faure, W. Blanc, M. Karasek, B. Dussardier, “Theoretical modelling of S-band thulium-doped silica fibre amplifiers,” Optical and Quantum Electronics, c. 36, ss. 201-212, 2004.