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
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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
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Largura espectral das fontes, ∆λF ou ∆νF
(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
únicocomprimento
comprimentode
deonda;
onda;emitem
emitemradiação
radiaçãonuma
numalargura
larguraespectral
espectral∆∆λλF ou
ou∆∆ννF . .
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
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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
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Díodo Laser
- Definição e princípios básicos de operação •
Definição:
– é um oscilador óptico baseado no princípio de amplificação óptica numa cavidade
reflectora com realimentação positiva;
•
Princípio básico de funcionamento laser é a emissão estimulada
– através da aplicação de uma corrente (tensão) externa ao laser, os electrões e lacunas
podem combinar-se radiativamente (gerando fotões) ou não-radiativamente
– quando a corrente aplicada excede um valor crítico (corrente de limiar - Ith), observa-se
que a taxa de emissão de fotões (potência óptica) na região onde são gerados os fotões
(região activa) é superior à taxa de absorção dos fotões pelo material constituinte da
região activa
Inversão da população
g (cm-1)
λ= 1300 nm
InGaAs
ganho
absorção
–
Região onde se dá a
inversão de população
λ
Para níveis de corrente abaixo do limiar, a resposta de um laser é semelhante à de um LED
→ tipo de emissão de luz dominante - emissão espontânea
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Díodo Laser
- Princípios básicos de operação (cont.) •
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
R1
R2
Condições de oscilação:
Γ ⋅ g ≥ Γ ⋅ g th = α i +
1
1
ln
2 La R1 R2
2k0 na La = 2π m, m inteiro
Sinal óptico emitido
Região activa com
perdas αi e ganho g
Corrente de injecção
Γ - factor de confinamento óptico (fracção
de potência óptica na região activa);
R1, R2 - factores de reflexão das
extremidades.
νm =
mc
2na La
com k0 =
2
Frequência de emissão do laser
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Laser de Fabry-Perot (Laser multimodal)
- Características de emissão •
Espectro de emissão:
ganho
+
∆λ
λ-1 λ0 λ1
λ
gth
λ0
λ
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
λ0
λ
– 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
La: comprimento da cavidade
na,g: índice de refracção de grupo do material
semicondutor
• Valores típicos da largura espectral a meia potência (FWHM): 2 nm - 5 nm
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Laser de Fabry-Perot (Laser multimodal)
- Características de emissão (cont.) •
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:
I = I1
I = I2
Espectro
Espectro
Espectro
Abaixo
Abaixodo
dolimiar
limiarooespectro
espectroéé
idêntico
idênticoao
aoespectro
espectrodo
doLED
LED
4 nm
Acima
Acimado
dolimiar
limiaraapotência
potência
do
modo
central
aumenta
do modo central aumenta
com
comooaumento
aumentoda
dacorrente
corrente
de
injecção.
de injecção.
I = I3
2 nm
50 nm
λ0
λ
λ0
λ
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λ0
λ
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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
Sinal óptico emitido
Região activa
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Laser monomodal versus 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
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Fontes ópticas
-modulação directaModulação 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
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Fontes ópticas
-modulação directa - chirp
Potência e desvio de frequência (chirp) à saída do laser:
- quando se aplica um impulso de corrente de duração 200ps no instante −100ps com i0=0.8ith
O chirp, por si só, não é um
problema em sistemas IM/DD
i1=2.5ith
i1=2.5ith
Aliado à dispersão da fibra é
um factor limitativo da
transmissão para elevados
débitos (vários Gbit/s)
i0=0.8ith
i0=0.8ith
Variação da
corrente
Parâmetro do laser que
quantifica a amplitude do chirp:
Para débitos elevados, o nível de corrente mais baixo, i0, deve
estar claramente acima do limiar → razão de extinção baixa
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Factor de enriquecimento da largura
espectral, αc – valor típico αc=6
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Fontes ópticas
-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
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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
∆νs ≈ ∆νM ≈ Db
Modulação ASK
Caso 2: fonte óptica modulada e com chirp – laser monomodal com modulação directa
bit "0":
bit "1":
(
cos ( 2πν t + 2π
2 ps ,0 cos 2πν 0t − 2π
fd
2
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 >> 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
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∆νs ≈ ∆νF >> Db
Modulação ASK (com
ruído na amplitude e na
frequência)
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