Fontes Ópticas - Tipos e principais características -

Fontes Ópticas
- Tipos e principais características •
As principais fontes ópticas utilizadas em comunicações ópticas são o LED (light
emitting diode) e o LD (Laser diode que funciona segundo o princípio LASER - light
amplification by stimulated emission of radiation)
– são dispositivos de semicondutor baseados em heterojunções;
•
Principais características:
– Potência óptica acoplada à fibra
– Comprimento de onda de emissão
Potência óptica:
• LED: Popt de 10 a 100 µW
• LD: Popt de 1 a 5 mW
– Perdas de acoplamento
– Custo e fiabilidade
– Largura espectral do
sinal injectado na fibra, ∆λS ou ∆νS
∆λM Largura de banda do sinal modulado (da modulação)
∆λF Largura espectral da fonte óptica na ausência de modulação
Sistemas de Telecomunicações Guiados - ISCTE - Acetatos 10
1
Largura espectral das fontes, ∆λF ou ∆νF
(na ausência de modulação)
Oscilador
cromático
A cos ( 2πν 0t + φ0 )
- A, ν0 e φ0 constantes
Oscilador ruidoso
e não-cromático
A + na ( t ) cos 2πν 0t + φ0 + φn ( t )
- A e ν0 constantes
- na(t) e φn(t) são ruídos (aleatórios)
Frequência instantânea
de oscilação
ν i (t ) =ν 0 +
1 dφn
⋅
2π dt
Sistemas de Telecomunicações Guiados - ISCTE - Acetatos 10
2
Largura espectral das fontes, ∆λF ou ∆νF
ou largura de linha (definição)
As
Asfontes
fontesópticas
ópticas(LED’s
(LED’seeLD’s)
LD’s)não
nãosão
sãomonocromáticas,
monocromáticas,i.e.
i.e.não
nãoemitem
emitemum
um
único
ou∆∆ννF . .
únicocomprimento
comprimentode
deonda;
onda;emitem
emitemradiação
radiaçãonuma
numalargura
larguraespectral
espectral∆∆λλF ou
F
F
Definição da largura espectral
- largura de banda, em comprimento de onda,
∆λF, para a qual o valor da potência decresce para
metade do seu valor máximo (ponto a −3dB),
FWHM (Full Width at Half Maximum)
Largura espectral:
• LED: ∆λF de 10 nm até 0,1λ0
• LD: ∆λF de 10-5 nm a 5 nm
Sistemas de Telecomunicações Guiados - ISCTE - Acetatos 10
3
LED versus LD
Vantagens do LD vs LED:
Maior potência de emissão (1-5 mW vs 10-100µW).
Menor largura espectral (10-5 - 5 nm vs 0,1λ Com LD’s monomodo
consegue-se 10-5-10-3 nm, isto é ≈ 1MHz e 100MHz)
Maior directividade (permite chegar a uma eficiência de acoplamento de
≈50% para as fibras monomodais vs < 1% com LED’s para essas fibras)
Desvantagens do LD vs LED:
Custo de fabrico (sendo os LD’s monomodo os mais caros)
Dependência da temperatura
Complexidade do circuito de alimentação
Sistemas de Telecomunicações Guiados - ISCTE - Acetatos 10
4
Díodo Laser
- Princípios básicos de operação •
Oscilador óptico baseado no princípio de amplificação óptica numa cavidade
reflectora com realimentação positiva;
•
Princípio básico de funcionamento laser é a emissão estimulada
•
Os díodos laser usam uma cavidade de Fabry-Perot (FP)
como cavidade ressonante. As faces do material
semicondutor constituem as superfícies semi-reflectoras
(espelhos) da cavidade.
La
Sinal óptico emitido
Região activa com
perdas αi e ganho g
R2
R1
Corrente de injecção
Condições de oscilação:
Γ ⋅ g ≥ Γ ⋅ gth = α i +
1
1
ln
2 La R1 R2
2k0 na La = 2π m, m inteiro
νm =
mc
2na La
com k0 =
2
Γ - factor de confinamento óptico (fracção de
potência óptica na região activa);
Frequência de emissão do laser
R1, R2 - factores de reflexão das extremidades;
La – comprimento da região activa
na – índice de refracção da região activa
gth – ganho do limiar
Sistemas de Telecomunicações Guiados - ISCTE - Acetatos 10
5
Laser de Fabry-Perot (Laser multimodal)
- Características de emissão •
Espectro de emissão:
ganho
+
∆λ
λ-1 λ0 λ1
λ
gth
λ
λ0
Espectro de potência
Espectro de potência
– o espectro de emissão corresponde aos comprimentos de onda de ressonância da
cavidade de Fabry-Perot para os quais o ganho do meio ultrapassa o ganho de limiar gth.
Largura espectral, ∆λF
λ
λ0
– O laser de Fabry-Perot apresenta um espectro de emissão constituído por vários modos
de oscilação longitudinais, ou seja é um laser multimodal.
• A separação entre os modos longitudinais é :
∆υ F = ν m −ν m −1 =
c
2na , g La
↔ ∆λF = λm − λm −1 =
λm2
2na , g La
na,g: índice de refracção de
grupo do material semicondutor
• Valores típicos da largura espectral a meia potência (FWHM): 2 nm - 5 nm
Sistemas de Telecomunicações Guiados - ISCTE - Acetatos 10
6
Laser de Fabry-Perot (Laser multimodal)
- Características de emissão (2) •
Potência de emissão:
Potência óptica
– quando a corrente de polarização aumenta o ganho óptico também aumenta.
– A partir de um certo valor da corrente (corrente de limiar, Ith) o ganho iguala as
perdas da cavidade iniciando-se o processo de emissão estimulada.
Emissão
estimulada
Emissão
espontânea
Operação laser
Operação led
I1
•
Ith I2 I3
Corrente
Variação do espectro de emissão com a corrente de injecção:
50 nm
λ0
λ
I = I2
Espectro
I = I1
Espectro
Espectro
Abaixo
Abaixodo
dolimiar
limiarooespectro
espectroéé
idêntico
idênticoao
aoespectro
espectrodo
doLED
LED
4 nm
λ0
I = I3
λ
Sistemas de Telecomunicações Guiados - ISCTE - Acetatos 10
Acima
Acimado
dolimiar
limiaraapotência
potência
do
modo
central
aumenta
do modo central aumenta
com
comooaumento
aumentoda
dacorrente
corrente
de
injecção.
de injecção.
2 nm
λ0
λ
7
Laser monomodal
•
O LD monomodal mais usado é o laser DFB (distributed feedback).
– este laser é semelhante ao laser de FP, mas possui uma grelha de Bragg
localizada junto à região activa de modo a filtrar todos os modos
longitudinais exceptuando o central.
Corrente de injecção
Grelha de Bragg
Sinal óptico emitido
Sinal óptico emitido
Região activa
•
O outro tipo de LD monomodal é o DBR (Distributed Bragg’s
Reflector)
Grelha de Bragg
Corrente de injecção
Grelha de Bragg
Sinal óptico emitido
Região activa
Sistemas de Telecomunicações Guiados - ISCTE - Acetatos 10
Sinal óptico emitido
8
Laser monomodal vs Laser multimodal
Vantagens do laser monomodal vs laser multimodal:
Maior potência de emissão (0 - 10dBm).
Menor largura espectral (10-5 – 10-3 nm vs 2 nm – 5 nm) – sinais
injectados na fibra sofrem menor dispersão
Débito binário mais elevado ≥ 2.5 Gbit/s
Desvantagens do laser monomodal vs laser multimodal:
Custo de fabrico
Complexidade
Sistemas de Telecomunicações Guiados - ISCTE - Acetatos 10
9
Modulação directa
Modulação directa:
A potência óptica é modulada por via da modulação da corrente eléctrica de excitação.
potência óptica emitida pelo laser deverá ser uma “imagem” da corrente
Nível não nulo de potência
nos ’0’ conduz a degradação
do desempenho
Razão de extinção (ITU-T):
rext = po ,1 po ,0
Valor mínimo indicado pelo ITU-T:
Rext = 8.2 dB
Razão de extinção:
r = po,0 po ,1 = 1 rext
Sistemas de Telecomunicações Guiados - ISCTE - Acetatos 10
10
Modulação directa
(chirp – desvio de frequência)
Potência e desvio de frequência (chirp) à saída do laser:
- quando se aplica um impulso de corrente de duração 200 ps no instante −100 ps com i0=0.8ith
O chirp, por si só, não é um
problema em sistemas IM/DD
i1=2.5ith
i1=2.5ith
i0=0.8ith
i0=0.8ith
Variação da
corrente
Para débitos elevados, o nível de corrente mais baixo, i0, deve
estar claramente acima do limiar → razão de extinção baixa
Aliado à dispersão da fibra é
um factor limitativo da
transmissão para elevados
débitos (vários Gbit/s)
Parâmetro do laser que
quantifica a amplitude do chirp:
Factor de enriquecimento da largura
espectral, αc – valor típico αc=6
Sistemas de Telecomunicações Guiados - ISCTE - Acetatos 10
11
Modulação directa
[chirp (2)]
Diagrama de olho à entrada do circuito de decisão
sem transmissão na fibra e com modulação
directa do laser.
Db = 2.5 Gbit/s
Diagrama de olho à entrada do circuito de decisão
após transmissão na fibra e com modulação
directa do laser.
Fecho de olho
Efeito combinado
do chirp com a dispersão
Sistemas de Telecomunicações Guiados - ISCTE - Acetatos 10
12
Modulação externa
Para evitar limitações de transmissão impostas pelo chirp a elevados débitos
binários (acima de vários Gbit/s), utiliza-se modulação externa
Corrente aplicada ao
laser constante
Frequência óptica do laser
não varia
Ausência de chirp
Sistemas de Telecomunicações Guiados - ISCTE - Acetatos 10
13
Largura espectral do sinal injectado na fibra
∆ν M Largura de banda do sinal modulado (da modulação)
∆ν F Largura espectral da fonte óptica na ausência de modulação
∆νs – Largura espectral do sinal
injectado na fibra
Caso 1: fonte óptica ideal modulada – laser monomodal com modulação externa
bit "0":
2 ps ,0 cos ( 2πν 0t + φ0 ) 0 ≤ t ≤ 1 Db
bit "1":
2 ps ,1 cos ( 2πν 0t + φ0 ) 0 ≤ t ≤ 1 Db
Modulação ASK
∆νs ≈ ∆νM ≈ Db
Caso 2: fonte óptica modulada e com chirp – laser monomodal com modulação directa
(
cos ( 2πν t + 2π
bit "0":
2 ps ,0 cos 2πν 0t − 2π
fd
2
bit "1":
2 ps ,1
fd
2
0
)
t +φ )
t + φ0
0 ≤ t ≤ 1 Db
0
0 ≤ t ≤ 1 Db
Modulação
ASK e FSK
∆νs ≈ ∆νM
≈ fd >> Db
Caso 3: fonte óptica ruidosa modulada – LED’s ou laser multimodo
(
cos ( 2πν t + 2π
)
+ φ (t ))
bit "0":
2 ps ,0 + na ( t ) cos 2πν 0t − 2π
fd
2
t + φ0 + φn ( t )
0 ≤ t ≤ 1 Db
bit "1":
2 ps ,1 + na ( t )
fd
2
t + φ0
0 ≤ t ≤ 1 Db
0
n
Sistemas de Telecomunicações Guiados - ISCTE - Acetatos 10
∆νs ≈ ∆νF >> Db
Modulação ASK
(com ruído na amplitude e
na frequência)
14