6.1 Optoelectrónica Aplicada Capítulo 6

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1 6.1 Optoelectrónica Aplicada Capítulo 6 CAPÍTUO 6. MODUADORES 6.1 INTRODUÇÃO Como se viu no Capítulo 4, num sistema de comunicação óptica (SCO) os emissores ópticos têm como objectivo converter um sinal eléctrico de entrada no correspondente sinal óptico à saída, que transporta a informação sob a forma óptica através da fibra até ao detector. O sinal óptico gerado no emissor pode ser descrito pelo campo eléctrico emitido () = ( ) +ϕ ( ) e t 2a t cos Ω 0 t t (6.1.1) sendo Ω a frequência angular da portadora do campo óptico 1, dada por 2, a ( ) amplitude do campo e () ϕ t a fase do campo. O sinal a ( ) t a t tem uma variação lenta no tempo comparada com as variações rápidas exibidas pelo campo óptico. Significa que a ocupação espectral B do sinal a () t se situa numa banda relativamente estreita comparada com, cujo valor é normalmente 3 a 6 ordens de grandeza 2 maior que B. Ou seja, a ocupação espectral do sinal óptico situa-se numa banda de frequências B muito estreita centrada em. 3 Pode tirar-se partido desta característica espectral ultrapassando-se as limitações da aplicação directa do teorema de amostragem à simulação de sinais ópticos. Com efeito, para o estudo de sinais ópticos passa-banda como e ( ) t teríamos de trabalhar com frequências de amostragem da ordem de 2, o que seria incomportável do ponto de vista computacional. Esta limitação é ultrapassada se substituirmos o sinal passa-banda pelo seu equivalente passa baixo com uma ocupação espectral da ordem de B, exigindo por isso frequências de amostragem da ordem de B. Para o sinal passa baixo equivalente teremos a frequência angular 2 em vez de Ω 2, que é usada para o sinal óptico passabanda. Como referido no Capítulo 4, uma das principais características de um emissor óptico com elevados débitos binários de transmissão é a razão de extinção. É um parâmetro usado para descrever as condições óptimas de polarização de um emissor óptico na forma mais eficiente de converter a potência óptica disponível em potência óptica de modulação. 1 Num SCO é da ordem de Hz. 2 Num SCO B é da ordem de 0,1 a 100 GHz. 3 Estes sinais em que designam-se por sinais passa-banda. Página 6.1

2 6.2 Optoelectrónica Aplicada Capítulo 6 Basicamente, a modulação pode ser definida como o processo de imprimir a informação no feixe de luz emitido pela fonte óptica. Existem dois tipos distintos de modulação: modulação directa de um laser de semicondutor e modulação externa. 6.2 MODUAÇÃO DIRECTA A modulação directa usa uma corrente variável no tempo para modular directamente a intensidade do feixe de luz emitido pelo laser. A potência óptica emitida pelo laser é directamente controlável pela corrente eléctrica que se está a injectar na cavidade devido a uma quase-proporcionalidade entre a potência óptica emitida e acima da corrente de limiar (Cap. 4, eq ). Assim, ao aplicar-se uma corrente variável no tempo (dependente da informação a transmitir), a potência emitida deverá ser uma réplica da corrente aplicada e, portanto, da informação. A Fig. 6.1 representa a característica estacionária e as correntes eléctricas atribuídas ao níveis lógicos 0 e 1, respectivamente, e. P em P 1 P b P 0 I p I p I - Fig Característica estacionária potência emitida vs corrente de um laser. A modulação directa 4 apresenta vantagens em relação à modulação externa: é fácil de implementar na prática, é de menor custo, permite dispositivos de reduzidas dimensões, está associada a baixas tensões de alimentação e permite a emissão de feixes de elevadas potências. Tem também sérias desvantagens, nomeadamente: 4 A modulação aqui considerada é de amplitude, designada normalmente por modulação IM. Página 6.2

3 6.3 Optoelectrónica Aplicada Capítulo 6 Baixa rapidez de resposta do sistema. Com efeito, em regime dinâmico, a potência do feixe emitido só pode ser uma réplica da corrente injectada variável no tempo enquanto as variações de corrente forem suficentemente lentas para que a dinâmica interna de geração de fotões na cavidade as consiga acompanhar, o que está limitado aos tempos de vida médio dos portadores que é geralmente da ordem de 10-9 s. Uma vez que a largura de banda IM do laser tem de ser igual ao débito binário de transmissão, são típicos valores da ordem da dezena de GHz. Baixa razão de extinção 5. Com efeito, a corrente dever ser superior à corrente de limiar, uma vez que abaixo do limiar (emissão espontânea) a resposta do laser é muito lenta. Este facto obriga a uma redução da razão de extinção, Por consequência, é baixa a potência disponível para ser convertida em potência óptica de modulação. Presença de um desvio de frequência 6 que está associado à modulação de frequência (FM) do campo electromagnético emitido pelo laser que é controlado pela corrente eléctrica aplicada e que segue a modulação de amplitude (IM) do campo eléctrico. Tem efeitos nocivos na propagação do sinal através da fibra devido à dispersão, afectando seriamente o ritmo de transmissão da informação. Este efeito é contabilizado pelo factor de enriquecimento de largura espectral MODUAÇÃO EXTERNA De modo a evitar-se as limitações impostas pelo chirp na transmissão de sinais de elevado débito (acima de 2,5 Gbit/s) é comum usar a modulação externa da fonte óptica. A corrente eléctrica é constante, não existindo portanto a variação da frequência óptica emitida pelo laser: o sinal apresenta valores muito reduzidos de chirp. O sinal está apenas modulado em amplitude (IM). É este o método preferido para sistemas binários de alto débito (da ordem dos 40 Gbit/s). As maiores desvantagens residem fundamentalmente no preço e na complexidade envolvida. 5 P I + I I De acordo com a Fig. 5.1 a razão de extinção é aproximadamente dada por 1 rext = = P I I I 6 Chirp, na designação anglo-saxónica. 0 b p th b p th 7 Também designado por factor de Henry. Este parâmetro relaciona a modulação do índice de refracção do material / com a modulação do ganho do material /. É dado por / /.. Página 6.3

4 6.4 Optoelectrónica Aplicada Capítulo 6 Considerando o caso da emissão de um laser por exemplo, contrariamente ao caso descrito na secção anterior, em que a corrente no laser varia em torno de uma corrente de polarização acima do limiar, modulando desde modo o feixe electromagnético emitido ao sabor da informação que se envia para a fibra e que se quer transmitir, nos sistemas com modulação externa o laser emite um feixe de luz constante, correspondente obviamente a uma corrente acima do limiar. Os moduladores ópticos semicondutores podem ser basicamente de dois tipos: (i) os que operam por modificação da quantidade de luz incidente que é absorvida na estrutura; (ii) e os que se baseiam na modificação do comprimento óptico de um feixe ou nos efeitos de interferência de ondas ou alterações de reflexão, transmissão e direcção de um feixe. Designaremos os primeiros por absorventes e os segundos por refractivos. São normalmente muito rápidos porque o feixe responde rápidamente às mudanças, podendo funcionar em regimes abaixo do picossegundo, ou seja, muito mais rápidos do que é possível com modulação directa. Os moduladores absorventes estão associados a efeitos relacionados com a a electroabsorção que se dá perto da altura da banda proibida quando estão aplicados campos eléctricos. Alguns desses efeitos existem no dispositivo maciço, outros apenas se manifestam em estruturas quânticas, como os poços quânticos referidos no capítulo IV. Os moduladores refractivos baseiam-se na modificação do índice de refracção e nas alterações que esta mudança produz no feixe óptico, ou seja, essencialmente todos os moduladores refractivos baseiam-se na alteração do percurso óptico experimentado pelo feixe como alteração do índice de refracção. Assim: Se a alteração do comprimento óptico for de aproximadamente metade do comprimento de onda o efeito pode ser destrutivo, anulando-se a propagação. Por interferência de dois feixes a modulação de amplitude conseguida pode variar desde o construtivo ao destrutivo, permitindo variar a emissão de informação de forma controlada através do campo eléctrico aplicado ao modulador. Na pratica queremos que a mudança de meio comprimento de onda se faça em menos de um comprimento de absorção, para que as perdas associadas introduzidas no sistema pelo modulador sejam pequenas. Ou seja, sendo Δn a modificação de índice de refracção e α o coeficiente de absorção, deve verificar-se no comprimento de onda λ de interesse a relação ou, Δn λ > α 2 (6.3.1) αλ Δ n > 2 (6.3.2) Página 6.4

5 6.5 Optoelectrónica Aplicada Capítulo 6 Normalmente as grandes modificações de índice de refracção dão-se em regiões do espectro próximas da energia da banda proibida, onde acontecem ser elevados também os coeficientes de absorção. É pois um desafio a busca de mecanismos num semiconductor que possam ser aproveitados com sucesso com o objectivo sugerido por (6.3.2). Os mecanismos relacionados com a mudança do índice de refracção por aplicação de tensões eléctricas podem ser de vários tipos dos quais se destacam os efeitos electro-ópticos que são vulgarmente de dois tipos : o linear (Pockels) e o quadrático (Kerr). O efeito de Kerr é mais fraco porque é um efeito de 2ª ordem. O de Pockels ocorre em materiais que não possuam centro de simetria. n(e) n(e) n (a) E (b) E - Fig Efeitos electro-ópticos (a) Pockels; (b) Kerr. Finalmente referem-se algumas estruturas moduladoras refractivas. Na maioria das aplicações em telecomunicações usam-se diversos tipos de guias de ondas. Um simples guia no qual se modifica o índice de refracção pode constituir um modulador básico. Existem dois tipos de moduladores para converter a modulação de fase numa modulação de amplitude: o interferómetro Mach-Zehnder e o acoplador direccional. O interferómetro Mach-Zehnder está representado de forma esquemàtica na Fig Cristal electro-óptico - Fig.6.3 Interferómetro Mach-Zehnder [Chuang, Physics of Optoelectronic Devices, Wiley.N.Y.,1995] Página 6.5

6 6.6 Optoelectrónica Aplicada Capítulo 6 Devido aos efeitos electro-ópticos do material anisotrópico que constitui o modulador, o feixe óptico vai experimentar velocidades diferentes em direcções diferentes, resultando uma diferença do percurso óptico entre os dois braços do interferómetro que se pode variar através do campo eléctrico aplicado. Se não existir diferença, o que acontece na ausência de campo eléctrico aplicado, o modo divide-se em 2 percursos iguais e recombina-se construtivamente à saída. Mas se for introduzido uma diferença de meio-comprimento de onda, a interferência é destrutiva a propagação é anulada (Fig. 6.4). Interferência construtiva Interferência destrutiva - Fig Interferência num modulador Mach-Zehnder. O acoplador direccional esta representado na Fig.6.5. No centro do acoplador direcional os dois guias estão fortemente acoplados porque os campos evanescentes se sobrepõem. - Fig.6.5 Acoplador direccional. [Chuang, Physics of Optoelectronic Devices, Wiley.N.Y.,1995] Página 6.6

7 6.7 Optoelectrónica Aplicada Capítulo 6 A potência inicialmente introduzida num guia oscilará nos dois sentidos entre os dois guias acoplados distribuindo-se a energia pelos dois guias. Se o comprimento relativo de um dos guias for alterado, a oscilação pode ser controlada de tal modo que a energia saia toda por um dos guias. A transferência de energia entre os guias está representada na Fig.6.6. A fracção de energia transfereida do guia 1 para o guia 2 é uma função da desadaptação entre os dois guias de onda, que é controlada através da variação dos índices de refracção. (Fig. 6.7). P1(0) Guia de ondas 1 Guia de ondas 2 P2() P1(0) P1(z) P2(z) - Fig.6.6 Transferência de energia entre os guias. T 1 Δβ - Fig.6.7 Fracção da energia transferida como função da desadaptação entre a constante de propagação nos dois guias. EITURA ACONSEHADA José Augusto Nunes Morgado, Sistemas de Comunicação Óptica com Modulação Directa, tese de Doutoramento, IST, Jasprit Singh, Semiconductor Optoelectronics, Phsysics and Technology, McGraw- Hill, Página 6.7