Fontes Ópticas - Tipos e principais características -

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1 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 segun o princípio LASER - light amplification by stimulated emission of radiation) são dispositivos de semicondutor baseas em heterojunções; Principais características: Potência óptica acoplada à fibra Comprimento de onda de emissão Perdas de acoplamento Custo e fiabilidade Largura espectral sinal injecta na fibra, S ou ν S M Potência óptica: LED: P opt de 10 a 100 µw LD: P opt de 1 a 5 mw Largura de banda sinal modula (da modulação) Largura espectral da fonte óptica na ausência de modulação F Sistemas de Telecomunicações Guias - ISCTE 1

2 Largura espectral das fontes, F ou ν F (na ausência de modulação) Oscilar cromático Acos 2 ( πν t + φ ) A, ν 0 e φ 0 constantes Oscilar ruiso e não-cromático ( ) cos 2πν φ φ ( ) A + n t t + + t a 0 0 n - A e ν 0 constantes - n a (t) e φ n (t) são ruís (aleatórios) Frequência instantânea de oscilação ν i 1 dφn = + 2π dt ( t) ν 0 Sistemas de Telecomunicações Guias - ISCTE 2

3 Largura espectral das fontes, F ou ν F (definição) As As fontes fontes ópticas ópticas (LED s (LED s e e LD s) LD s) não não são são monocromáticas, monocromáticas, i.e. i.e. não não emitem emitem um um único único comprimento comprimento de de onda; onda; emitem emitem radiação radiação numa numa largura largura espectral espectral F ou F ou ν ν F. F. Definição da largura espectral - largura de banda, em comprimento de onda, F, para a qual o valor da potência decresce para metade seu valor máximo (ponto a 3dB), FWHM (Full Width at Half Maximum) Largura espectral: LED: F de 10 nm até 0,1 0 LD: F de 10-5 nm a 5 nm Sistemas de Telecomunicações Guias - ISCTE 3

4 LED versus LD Vantagens LD vs LED: Maior potência de emissão (1-5 mw vs µW). Menor largura espectral ( nm vs 0,1 Com LD s monomo consegue-se 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 LD vs LED: Custo de fabrico (sen os LD s monomo os mais caros) Dependência da temperatura Complexidade circuito de alimentação Sistemas de Telecomunicações Guias - ISCTE 4

5 Definição: Dío Laser - Definição e princípios básicos de operação - é um oscilar óptico basea 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 (geran fotões) ou não-radiativamente quan a corrente aplicada excede um valor crítico (corrente de limiar - I th ), observa-se que a taxa de emissão de fotões (potência óptica) na região onde são geras os fotões (região activa) é superior à taxa de absorção s fotões pelo material constituinte da região activa Inversão da população g (cm -1 ) ganho = 1300 nm InGaAs absorção Região onde se dá a inversão de população Para níveis de corrente abaixo limiar, a resposta de um laser é semelhante à de um LED tipo de emissão de luz minante - emissão espontânea Sistemas de Telecomunicações Guias - ISCTE 5

6 Dío Laser - Princípios básicos de operação (cont.) - Os díos laser usam uma cavidade de Fabry-Perot (FP) como cavidade ressonante. As faces material semicondutor constituem as superfícies semi-reflectoras (espelhos) da cavidade. Sinal óptico emiti Região activa com perdas α i e ganho g Γ - factor de confinamento óptico (fracção de potência óptica na região activa); R 1, R 2 - factores de reflexão das extremidades. L a R 1 R 2 Corrente de injecção Condições de oscilação: 1 1 Γ g Γ gth = αi + ln 2L R R 0 a 1 2 2k n L = 2 π m, m inteiro a a mc ν m = com k0 = 2n L a a 2 Frequência de emissão laser Sistemas de Telecomunicações Guias - ISCTE 6

7 Espectro de emissão: Laser de Fabry-Perot (Laser multimodal) - Características de emissão - o espectro de emissão corresponde aos comprimentos de onda de ressonância da cavidade de Fabry-Perot para os quais o ganho meio ultrapassa o ganho de limiar g th. Espectro de potência + ganho g th Espectro de potência Largura espectral, F 0 O laser de Fabry-Perot apresenta um espectro de emissão constituí por vários mos de oscilação longitudinais, ou seja é um laser multimodal. A separação entre os mos longitudinais é : c υ = ν ν = = = 2 m F m m 1 F m m 1 2na, gla 2na, g La Valores típicos da largura espectral a meia potência (FWHM): 2 nm - 5 nm L a : comprimento da cavidade n a,g : índice de refracção de grupo material semicondutor Sistemas de Telecomunicações Guias - ISCTE 7

8 Potência de emissão: Laser de Fabry-Perot (Laser multimodal) - Características de emissão (cont.) - quan a corrente de polarização aumenta o ganho óptico também aumenta. A partir de um certo valor da corrente (corrente de limiar, I th ) o ganho iguala as perdas da cavidade inician-se o processo de emissão estimulada. Potência óptica Emissão espontânea Emissão estimulada Operação laser I 1 I th I 2 I 3 Corrente Variação espectro de emissão com a corrente de injecção: Espectro Abaixo Abaixo limiar limiar o o espectro espectro é é idêntico idêntico ao ao espectro espectro LED LED I = I 1 Espectro I = I 2 4 nm Operação led Espectro I = I 3 Acima Acima limiar limiar a a potência potência mo mo central central aumenta aumenta com com o o aumento aumento da da corrente corrente de de injecção. injecção. 2 nm 50 nm Sistemas de Telecomunicações Guias - ISCTE 8

9 Laser monomodal O LD monomodal mais usa 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 mo a filtrar tos os mos longitudinais exceptuan o central. Corrente de injecção Grelha de Bragg Sinal óptico emiti Sinal óptico emiti 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 emiti Sinal óptico emiti Região activa Sistemas de Telecomunicações Guias - ISCTE 9

10 Laser monomodal versus Laser multimodal Vantagens laser monomodal vs laser multimodal: Maior potência de emissão (0-10dBm). Menor largura espectral ( nm vs 2 nm 5 nm) sinais injectas na fibra sofrem menor dispersão Débito binário mais eleva 2.5 Gbit/s Custo de fabrico Complexidade Desvantagens laser monomodal vs laser multimodal: Sistemas de Telecomunicações Guias - ISCTE 10

11 Fontes ópticas -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 desempenho Razão de extinção (ITU-T): r = p p ext o,1 o,0 Valor mínimo indica pelo ITU-T: R ext = 8.2 db Razão de extinção: r = p p = r o,0 o,1 1 ext Sistemas de Telecomunicações Guias - ISCTE 11

12 Fontes ópticas -modulação directa - chirp Potência e desvio de frequência (chirp) à saída laser: - quan se aplica um impulso de corrente de duração 200ps no instante 100ps com i 0 =0.8i th i 1 =2.5i th O chirp, por si só, não é um problema em sistemas IM/DD i 1 =2.5i th i 0 =0.8i th Variação da corrente i 0 =0.8i th Alia à dispersão da fibra é um factor limitativo da transmissão para elevas débitos (vários Gbit/s) Parâmetro laser que quantifica a amplitude chirp: Para débitos elevas, o nível de corrente mais baixo, i 0, deve estar claramente acima limiar razão de extinção baixa Factor de enriquecimento da largura espectral, α c valor típico α c =6 Sistemas de Telecomunicações Guias - ISCTE 12

13 Fontes ópticas -modulação externa - Para evitar limitações de transmissão impostas pelo chirp a elevas débitos binários (acima de vários Gbit/s), utiliza-se modulação externa corrente aplicada ao laser constante frequência óptica laser não varia Ausência de chirp Sistemas de Telecomunicações Guias - ISCTE 13

14 Largura espectral sinal injecta na fibra ν s Largura espectral sinal injecta na fibra ν M ν F Largura de banda sinal modula (da modulação) Largura espectral da fonte óptica na ausência de modulação Caso 1: fonte óptica ideal modulada laser monomodal com modulação externa ( πν φ ) bit "0": 2 ps,0 cos 2 0t t 1 D bit "1": 2 ps,1 cos( 2πν 0t + φ0 ) 0 t 1 D b b Modulação ASK ν s ν M D b Caso 2: fonte óptica modulada e com chirp laser monomodal com modulação directa fd ( πν π 2 φ ) fd ( πν π 2 φ ) bit "0": 2 ps,0 cos 2 0t 2 t t 1 D bit "1": 2 ps,1 cos 2 0t + 2 t t 1 D b b Modulação ASK e FSK Caso 3: fonte óptica ruisa modulada LED s ou laser multimo ( 2 ) ( ) fd ( ) πν π φ φ ( ) bit "0": 2 p n t + cos 2 t 2 t + + t 0 t 1 D bit "1": 2 p n ( t) + cos 2 t + 2 t + + ( t) 0 t 1 D s,0 a 0 0 n b ν s ν M >> D b fd Modulação ASK (com πν π 2 φ φ ruí na amplitude e na frequência) Sistemas de Telecomunicações Guias - ISCTE 14 s,1 a 0 0 n b ν s ν F >> D b