Elementos de Redes Ópticas Redes Ópticas Laser, Detetor ...rudge/pdf/IE008-b1_LsrFibDet=f217_vF.pdf · cada lambda (dito canal ótico ) suporta dezenas de Gb/s... portanto, sendo

1

Comunicações Ópticas

Elementos de Redes Ópticas

Laser, Detetor, Fibra

= Mar. 2017 =

Elementos de Elementos de Redes Redes ÓÓpticaspticas

Laser, Laser, DetetorDetetor, Fibra, Fibra

= Mar. 2017 = = Mar. 2017 =

Felipe Rudge [email protected]

http://www.dsif.fee.unicamp.br/~rudge

LTF-FEEC-Unicamp

Felipe Rudge BarbosaFelipe Rudge Barbosarudge@[email protected]

httphttp://www.://www.dsifdsif.fee.unicamp..fee.unicamp.brbr/~rudge/~rudge

LTFLTF--FEECFEEC--UnicampUnicamp


Ementa

� Enlaces Ópticos

� Fontes e Detetores

� Fibras Ópticas(segue..

� Dispositivos Ópticos

� Amplificadores

� Sistemas WDM

� Efeitos N-Lineares

2


Enlaces Ópticose seus componentes

Enlaces Enlaces ÓÓpticospticose seus componentese seus componentes


Fontes, Detetores e Fibras

• Laser Semicondutor� Fabry-Perot (FP)� Feed-back distribuído

(DFB)

• Led � ELed� SLed

� Fotodetor PIN� Fotodetetor APD

� Fibra Monomodo

� Fibra Multimodo

SistemaReceptor

DetetorFibra

Sistema Transmissor

Laser

transparênciatransparência

AmpOpt

AmpOpt

�(Amplificador Ótico)

�(Componentes passivos)

3


Fontes e DetetoresFontes e Fontes e DetetoresDetetores


• Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation

– Abaixo limiar (espont.)

– Limiar (transparência)

– Acima limiar (oscil.)

Laser(estado sólido, liquido, ou gasoso)

� Emissão laser só é possível quando ganhosupera perdas!� Ganho ocorre pela inversão de população(ou seja, níveis de

energias mais altos mais ocupados que níveis mais baixos);� requer confinamento de portadores e fótons; � resultando na geração de emissão estimulada.

meio ativo

espelhos

4


Laser e Led Semicondutor

� Emissão espontânea� a partir do bombeio externo, � elétrons saltam espontaneamente

da banda condução pra valência;� recombinação radiativa; � fótons emitidos são incoerentes;

� Emissão estimulada� salto elétrons induzido por fótons

na região ativa; � condição necessária: inversão de

população – estado excitado;� fótons resultantes (emitidos) são

multiplicados e coerentes;

� mesma frequência, direção e fase.

Geração de luz nos materiais (semicondutores)

correnteeletrica

Efot = hν > Eg

n – donorsp – acceptors

Gap direto(transições com fotons)

k

E

condução

valência

EF

tipo n

tipo p

Eg

e-

h+

correnteeletrica

∆k = 0 (“sempre”)

foton


Source: M.Rohlfing, P.Krüger, and J.Pollman: Quasiparticle band-structure calculations for C, Si, Ge, GaAs, andSiC using Gaussian-orbital basis sets, Phys. Rev. B48 (1993) 17791-17805 (doi: 10.1103/PhysRevB.48.17791),

Laser e Led SemicondutorEstrutura de banda completa no material -- GaAs

A direçao principal queinteressa é a orientaçao [100] representada pela direçao Γ, onde ocoorrem transiçoes ∆k= 0.

5


Laser & Led Semicondutor(Fotodetetor)

Materiais semicondutores

Material Composição Tipo de gap Coef. Recomb. Radiat. B (*)

Si natural indireto 2 x 10-15 (cm3/s)

Ge natural indireto 4 x 10-14

GaAs binario direto 2 x 10-10

GaAlAs ternário direto 2 x 10-10

InP binário direto 1 x 10-10

InGaAsP quaternário direto 1 x 10-10

(*) os valores são típicos, depende da composiçãodo material, e das condições específicas.

� emissão no (invisível) infra-vermelho

absorção

emissão



GaN binario direto 1,5 x 10-10

InGaN ternário direto 1,5 x 10-10

InAlGaP quaternário direto 1 x 10-10

(*) typical values; exact values depend on the material, and specífic conditions


� emissão no visível azul até vermelho

Laser & Led Semicondutor

emissão

6


Laser e Led Semicondutor

Tabela Periódica - Metais e Semicondutores

Grupos IV, III-V e II-VI

Dopantes:-- aceitadores,tipo p = S, Se, Te, Sn-- doadores, tipo n = Zn, Cd, Sn

Fe | Co | Ni

Ir | Pt


� Laser = radiação coerente: � Fotons com mesma fase = soma de amplitudes de campo; � mesma direção = devido á direção preferencial do ganho; � mesma energia = todos fotons vêm de transições seletivas

(espectro estreito) ; potencia total = quadrado da soma das amplitudes microscopicas

• Led = emissao incoerente;– emissão espontanea => incoerente, fases aleatorias ; sem

realimentação; “sem direção”; ampla faixa de transiçoes(espectro largo); potencia total = soma das pot. microscopicas;

Laser(estado sólido, liquido, ou gasoso)

Ex,y(z,t)= Eo ei(ω t + β z + φ ) ;onde,β= n.k = (n/c) ω ; k= 2π/λ

I incoe= Σ |E|2

Icoe= | Σ E |2 λ.ν = c

h.ν = E .energia. E , cpo.eletr.

7


Laser SemicondutorLaser Semicondutor

Diodo Laser

luz

luz contato n

contato p

junção p-n

Corrente (mA)

Pot. Ópt.

(mW)

Ith

Pc

Pm

Modulação RF ou digital

Im

Im - corrente de modulaçãoIth - corrente limiar do laserPm - potencia de modulaçãoPc - potencia DC sem sinal (alarme)

P = ηe I

p nh+

e -

i

100 µm

300 µm

250 µm

-

+

direta

E = hν

(-)(+)

Cat [n]

Ano [p]i

i

η é eficiência externa dada em (mW/mA)


Laser SemicondutorLaser Semicondutor

Chip do laser = 250x300 µm

8


Laser/Laser/ LedLed SemicondutorSemicondutor

Chip do laser/Led = 250x300 µm


Laser Semicondutor

isolation channel

Substrato InP

P+p

n n

Lado P

Lado N

Active region

� um laserDCP-BHdouble-channel planarburied heterostructure

nn

=> fora de escala

Estrutura deLaser

semicondutor(InGaAsP/InP)

100 µm

3 µmP+p pn npp

InPInP

InGaAsPp

Região ativaAlt. a ≈ 0,2 µm Larg. b ≈ 2 µm

contact isolation

electric contact

ab

Current density: J = 2 kA/cm2 (threshold)

� this can burn a laser in fewµs

9


luz

luzcontato n

contato p

gradede Bragg (realimentação ótica)

camada A.R.

Laser DFB -- distributed feedback --

(monomodo longitudinal)

luz

luzcontato n

contato p

junção p-n

Laser FP (Fabry-Perot)(multimodo longitudinal)

fabricação mais simples

espelhosemicondutor

Laser Semicondutor


R1 R2

C

j

Ln2=∆

2λλ

Popt

Laser Semicondutor

LC

j

δλ ≈ 2-3 nm

R1= R2 ≈ 32%

∆λ(laser cavity)

separação espectral

j+1

R1 ≈ 0 R2 ≈ 0

Ex.: λB = 1,55 µm <=>

p/ m=1; Λ1 = 0,2 µm(UV)

Λθm

efn

m Bm 2

=Λ λ.

Λm (senθi + senθm )= mλ/nef (cond. Bragg)m => ordem difração

Incidencia rasante θi = 90o; θm = 90o ; 1+1=2

Poptθ i

�

δλ ≈ 0,01 nm

∆λ

seleção espectral

λB

θ medido da normal

θ

.

j

Ln Cj

2=λLaser F-P

Laser DFB

10


Laser F-P(multimodo longitudinal)

Largura espectral (da envoltória)δλ ≈ 3,3 nm

Laser Semicondutor

3,3 nm

Laser DFB(monomodo longitudinal)

Largura espectral (da envoltória)δλ < 0,01 nm

0,01 nm

1,2 nm0,82 nm

C

j

Ln2=∆

2λλ

separação espectral(distancia entre modos

longitudinais)

L≈ 400µm L≈ 300µm

[-20dB] 6,5nm

[-6dB]

λ∆ ∆λ∆λ

δλδλ


Laser Semicondutor

• Tanto o laser DFB quanto laser FP são essencialmentemonocromáticos;

• Quando se olha o espectro individual dos lasers, em alta resolução (<0,2nm) aí que se vê a estrutura espectral do laser;

• Sistema WDM consiste na composição de vários lasers, propagando-se simultaneamente numa mesma fibra;

• Representa-se os sistemas WDM como “coloridos”, significando figurativamente que cada laser tem uma “cor”...

� Comentarios adicionais...

Largura espectral δλ

Separação espectral ∆λ

11


�Wavelength Division Multiplexing – multiplexação por divisão de comprimentos de onda (lambdas);

� cada fibra (monomodo) suporta dezenas de lambdas, até >1 centena;� cada lambda (dito canal ótico) suporta dezenas de Gb/s... � portanto, sendo 100x10=1000, UMA fibra suporta >Terabits de informação !!

� Cabos de fibras contém dezenas até centenas de fibras (36, 72, 144)� com cada fibra podendo suportar Terabits de dados !!

Sistemas Sistemas WWDDMM em Fibrasem FibrasÓÓpticaspticas

λ1λ2λ3λκλn

uma fibra

19=> gradeITU_canaisWDM-r4.doc


Transmissores/Tx

Laser

Transmissores/Transmissores/Tx Tx

Laser Laser

12


Fontes, Detetores e Fibras

� Laser Semicondutor� Fabry-Perot (FP)� Feed-back distribuído

(DFB)

� Transmissor-----------------

� Led � ELed� SLed

� Fotodetetor PIN� Fotodetetor APD� Receptor

� Fibra Monomodo

� Fibra Multimodo

SistemaReceptor

DetetorFibra

Sistema Transmissor

Laser

transparênciatransparência

AmpOpt

AmpOpt


Laser Semicondutor/ Transmissor

• Técnicas de Modulação (detalhamento)

� Direta:� Modulação da corrente de injeção (mA);� mais econômica, aplicável em sistemas de baixa

e média capacidade, e sistemas analógicos com pré-distorção;

� efeito de alargamento espectral por chirping (dito ruído de trinado ou gorjeio)

� Externa:

� Modulação da luz emitida pelo laser;

� espectro limitado pela banda de modulação (dito limitado pela transformada)

� mais cara; necessária p/ sistemas WDM e sistemas de altas taxas

(10 Gb/s; até 40-100 Gb/s).

Corrente (mA)

Pot. Ópt. (mW)


Ith

Po

Pm

Im

Pmax

PminIo

•

ModMod

im

fibra (luz modulada)

13


Circuito de modulação (tipo espelho corrente)

npn

Rc

Controle de Intensidade deModulação (amplit.máx.sinal, Imax)

npn

npn

Vref (Imín.)

Controle de bias (Io)[circ.realim.& estab.]

Vcc

Vcc

Vcc = + 5 V

+-

Sinal deModulação (Im)

Laser

Corrente (mA)

Pot. Ópt. (mW)


Ith

Po

Pm

Im

Pmax

PminIo••


Modulaçao Direta


• Técnicas de Modulação Direta

� Digital: índice modulação M ⇔ razão de extinção

� M = 10 log (Pmax/ Pmin) , usual M = 10 dB ;

� mantém-se Po como alarme;

� utilizada em telefonia moderna e redes de computadores;

� Analógica:

� multicanal: risco de saturação (up) e “clipping” (down), devido a variação estatística amplitude modulação, devida a fases aleatórias dos N canais;

� fator de modulaçao σRMS ; índice de modulação m, por canal ;

� σRMS = (N/2)1/2. m , usual σmax = 25% , para m=4-5% ; N≈80.

� utilizada em sistemas de CATV; redes HFC;


14


Sistemas WDM:: � lasers DFB (SM) tem largura espectral mais de 100 vezes menor que os

FP (MM); (mesmo modulado direto!)

� nos sistemas WDM há que se especificar os espaçamentos de canais, que não podem ser “misturados” num mesmo percurso óptico (opticalpath)

Laser Semicondutor

Espaçam. 100 Ghz (≈0,8 nm @1550nm)

20 Ghz(channel slot)

The minimum frequency slot should be more than 20 GHz when10 Gb/s is assumed as the transmission bit-rate.

ITU-T Recom.G.694.1 - dWDM grid (Fev.2012)

Separação espectral

Largura espectral do canal


Sistemas WDM:: � nos sistemas DWDM conforme diminuem os espaçamentos de canais, e

aumentam as taxas de modulaçao, há que se passar a formatos de modulaçao multiniveis, a fim de acomodar banda passante e crosstalk; )

Fonte: JDSU 20 GHz


Modulaçao Externa

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Sistemas WDM:: � nos sistemas DWDM conforme diminuem os espaçamentos de canais, e

aumentam as taxas de modulação, há que se passar a formatos de modulação multiniveis, a fim de acomodar banda passante e crosstalk; )

Laser Semicondutor

Fonte: Ciena 2014

The optical spectrum of this DP-QPSK 100 Gb/s solution is shown as the center channel (b) in Fig. 2, accompanied by the spectra of single-carrier 10 Gb/s (a) and dual-polarization 40 Gb/s (c) channels. Each spectrum is centered on a 50 GHz ITU channel. Optical transmission systems running at a spectralefficiency greater than 1 bit/s/Hz, increases in allthree of these dimensions have enabled 105 Gb/s of net data transmission within a 50 GHz spectralallocation (today the standard optical channel plandefined by the ITU). Two carriers are separated by 20 GHz and operate at 14.55 Gbaud with four bits per dual-polarization symbol to transmit at 116 Gb/s.

12db

0,40 nm

a) b) c)Figure.2


Resumindo... � Altissimas taxas (40Gb/s, 100Gb/s, e mais..) requerem esquemas

especiais de modulação...

� IM-DD não é aceitável qdo. se quer maior eficiencia espectral (bits/Hz) ; � Codificação de sinais em quadratura de amplitude (QAM) e quadratura

de fase (QPSK) são necessarias; � podem ser tambem lançados dois estados de polarização (DP),

nessas constelaçoes crescentes,

� Isso permite compactar altissimas taxas nos slots ampliados nas grades de frequencias óticas ; (p/ex., 100 Gb/s na grade 50 GHz)

� Ex.:: DP-QPSK, 16-QAM, e outras;

� Estas tecnologias requerem tecnicas de deteção coerente e processamento digital de sinais (DSP, na recepçao);

� Bem como correção dinâmica de erros (FEC, fwd. error correct.), conforme previsto na OTN

� OTN será vista num proximo capitulo em detalhe.

Transmissor Laser

16


LED Semicondutor

LED semicondutor

junção p-n

Corrente (mA)

Pot. Ópt. (µW) Pm


Im

Im - corrente de modulaçãoPm - potencia de modulação)

� Led não tem limiar !!

luz

luzcontato n

contato p

luz

contato n

contato p

ELed

SLed

P = ηLed I -+

direta

Cat [n]

Ano [p] i

i

500η é eficiência externa dada em (mW/mA)


LED SemicondutorEspectro de emissão

∆λ = 70 nm

=> Em 1300 ∆λ ≈ 50 nm ; no visivel ∆λ < 30 nm

17


Source: Philips Luxeon – 2009

Semiconductor MaterialsSemiconductor Materials

Blue-green420-440; 520-540 nm

LemonLemon--gapgap550550--580 580 nmnm

Orange-Red580-620; 640-680 nm


Laser Semicondutor e Led

Comission Internationale

d'Eclairage(1931-1976)

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Laser Semicondutor e Led Resumo 1 : • Operação e Caracteristicas

– Laser : emissão coerente, monocromática estreita (poucos nm), direcional; forte dependencia c/ temperatura devido á emissao estimulada e ganho;

– Led: emissão incoerente, monocromática larga (dezenas nm); pouco direcional; fraca dependencia c/ temperatura; ausencia de ganho.

– Ambos podem ter feixe de emissão vertical (surface emission) ou lateral;

– Ambos podem ter modulaçao direta (pulsada ou continua); [mod. externa só é interessant p/ lasers];

• Materiais (Laser e Led)– Emissão visível e infra-vermelho próximo;

• Comprimento onda de emissão dado pelo material região ativa; • 620 a 850 nm : InGaAlP/InP; GaAlAs/GaAs• 1300 a 1650 nm : InGaAsP/ InP

– Leds e Lasers azuis, verdes e UV, em InGaN/GaN ; (+raro SiC/Si)

26


Led e Laser SemicondutorResumo 2 : • Operação e Caracteristicas

– Laser : corrente operação (acima limiar – sempre!); CW ou pulso;

• Telecom: limiar=15-20mA; operaç. 25-50 mA

• Potencia/Bombeio: limiar=50mA; operaç. 200-400 mA

• High-power (really high): limiar=50-100mA; 500–2000 mA;

– Led: corrente operaçao (sem limiar – sempre!);. CW ou pulso;

• Baixa potencia (sinalizaçao) : 10-20 mA

• Alta potencia: 100-500 mA (ou mais, dependendo da configuraçao)

26

Resumo 2 : •

19


=> double-heterostructure Edge emitting Laser & Eled (1300 nm) [near-IR]

Electro-optic characteristics

0.5

1.0

2.0

3.0

4.0

Vo

lta

ge

(V)

Current (mA)

50 150100 200 250

Lig

ht

(m

W)

0.2

1.0

1.4

0.4 (1.0)

0.6

0.8 (2.0)

1.2 (3.0)

P

C

Eled-

InGaAsP

Laser-

InGaAsP

Light

Led e Laser Semicondutor

20 6040 80

Led (Laser)

Led

(Laser) Notice that Laser is much more sensitiveto temperature than Led


Laser Semicondutor e Led

• Dependência com temperatura (operação CW)� Laser : emissão estimulada, alta sensibilidade

� Led: emissão espontânea, baixa sensibilidade

• Encapsulamento� Laser : complexo, requer malhas de controle potencia e

temperatura (dependendo da aplicação)

� Led : simples, sem controle (sempre)

Corrente (mA)

Pot. Ópt.

(mW)

T1T2T3

T3 > T2 > T1

LedLed

Corrente (mA)

Pot. Ópt.

(mW)

T1T2

LaserLaser

1

0,5

T3

Iop = 30 mA

Iop = 120 mA

2

20


Led e Laser Semicondutor

Características de mercado: (ambos multibillion dollar$$$)

= Laser-- aplicaçoes em telecom, entretenimento;

medicina e fisioterapia; aplicaçoes industriais;

= LED -- aplicaçoes em iluminação, displays, entretenimento;

=> from Strategies Unlimited: (2014) The worldwide high-brightness LED market grew from $13 billion in 2012 to over $14 billion in 2013. It is forecasted to grow to nearly $18 billion in 2017. Ten companies (from Europe, Asia and America)accounted for more than 70% of the LED market. By way of comparison the worlwide laser market is just over $12 billion in 2013. LEDs are mostly used in the following applications: lighting, automotive, signs and displays, and mobile devices.

Stop here

�


Fotodetetores

21


Diodos, Transistores e Fotodetetores

� Absorção� fótons são absorvidos;

� elétrons saltam da banda valência pra banda condução;

� condição: Efot = hν > Egi ; fótons tem que ter energia maior que o gap indireto (sempre menor que o gap direto).

Efot = hν > Egi

Si, Ge→ únicos semicondutores naturais, ambos com gap indireto.

Gap indireto(transiçoes com fotons e fonons)

k

E

condução

valência

EF

tipo n

tipo p

n – donors

p – acceptors

EgdEgi

∆k ≠ 0 (emiss)

Absorção de luznos materiais (semicondutores)

=> Gap indireto é particular/te interessante p/ circuitos integrados (eletronicos) ; e fotodetetores/fototransistors.


(Laser & Led Semicondutor)Fotodetetor



Si natural indireto 2 x 10-15 (cm3/s)

Ge natural indireto 4 x 10-14

GaAs binario direto 2 x 10-10

GaAlAs ternário direto 2 x 10-10

InP binário direto 1 x 10-10

InGaAsP quaternário direto 1 x 10-10

(*) os valores são típicos, depende da composiçãodo material, e das condições específicas.

absorção

emissão

1,5 x 10-10 diretoternárioInGaAsabsorção

22


Fotodetetor PIN

luz

contato p

contato n

junção p-i-n

CorrenteI (µA)

Pot.Ópt. P(mW)

Psat

Pm

Im

Ip – fotocorrente geradaIm - fotocorrente sinal moduladoIo - fotocorrente quiescencia (alarme)Pm - potencia de sinal moduladoPo - potencia DC (alarme) Po

Io

Ip = ρ P

p n (+)

h+

e -

i

+

-

reversa

E = hν

(-)

ρ é eficiência externa, ou responsividadedada em (A/W)

i

Ano [p]

Cat [n]

ip

ip


Fotodetetores – fabricação

Estrutura deFotodetetor PIN(InGaAs/InP)

InP (n-)

Light

camada I (alta resistiv.)

Luz(fotons)

contato n

InGaAs (p+)

Substrato InP (n)

contato p Polyimida

Au-Sn

Au-ZnCrAl-CrAu

�fora d

e escala

!

Região de depleção* – no equilibrio, não há cargas livres nesta região; foram todas removidas pelo forte cpo. elétrico criado pela tensão de polarização entre as camadas p e n. Qdo. se polariza a junçao, ao incidir fotonsocorre geraçao de pares eletron-buraco, formando fotocorrenteIp.

*depleção=esvaziamento

camada N (bx. resistiv.)

~3 µm

100 µm

Ip

regiao ativa20 µm

Chip = 500 µm

regiao ativa

23


Estrutura deFotodetetor APD

(InGaAs/InP)

p+ InP

π InP (p-)

p InPabsorção

multiplicação

“isolante”(buffer)

Substrato

contato p

contato n

Fotodetetores – fabricação

Avalanche Photodiode –n-illum : light absorbed at n+/n (thinner)layers creates electron-hole pairs; electrons drift fast

(more common) to the n-p/p-π junctionswhere they are multipliedby the high electric field;

p-illum : light absorbed in the π−p (thicker) layers creates electron-hole pairs; electronsdrift to the p-n-n+ junctionswhere they are multipliedby the high electric field; also called reach-through APD.

n+ InGaAsn InGaAs

n+n

(alta resistividade)

(mais rápido)

(mais sensível)

IM=M.Ip

InP é “transparente”fator de multiplicaçaodevido ao efeito avalancheM= 10, 20, 50 -- mas cuidado...

n+n p

π


FotodetetoresResposta espectral --materiais

1.0

0.8

0.6

0.4

0.2

0 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800

Si

GaAs

Ge

InGaAs

InGaAsP

Efic

iên

cia

qu

ântic

a

Comprim. Onda (nm)

Si e Ge – semicondutores naturais InP; GaAs – semicondutores fabricados

24


� Potência máxima recepção :

Saturação: Psat [dBm]

� Potência mínima de recepção

Sensibilidade So [dBm]

� Faixa dinâmica

FD = (Psat - So) [dB]

Fotodetetores e Receptores Ópticos

Popt

Psat

So

Ps

R

� nível de ruído R é crítico na recepção !

Instrução : deve sempre estar abaixo de So .

� Ruído é definido como potencia aleatóriaprejudicial ao sinal. Sao muitas as fontes de ruido.

� �

Ps é a pot. de sinal que

chega ao fotodetetor


Fotodetetores, Receptores Ópticos; Laser

Fotodetetor (FD) e Receptor (Rx):

� Ruido de Tiro FD (shot noise) -- ocorre em todos os semicondutores, tanto na emissoa qto. recepçao, devido ao “tiro” na transiçao entre as bandas de conduçao e valencia;;

� Ruido termico Rx -- ocorre devido ao aquecimento de operaçao pela passagem de corrente no circuito; influi pq. as fotocorrentes (recepçao) são muito pequenas (µA);

� Além disso, tem ruidos que já vem c/ sinal trasnmitido:

Laser:

� Ruido de tiro -- mesmo que FD; � Ruido de emissao espontanea (ASE) -- em.espont. é aleatória e contribui

como ruido ao sinal do laser, que é bem definido em fase e frequencia;

� Ruido de modulaçao -- na mod. direta há flutuaçao de intensidade nas transiçoes dos niveis altos e baixos (situaçao pior em digital do que analógica!

� Ruido intermodal -- (laser multimodo) contribuiçao adicional devido ádiferenças distribuiçao na distribuiçao de potencia dos modos;

• Algumas fontes de ruido: (componentes e sistemas)

25


Taxa Bit Tipo

PIN

Tens ão Bias

- 5 V 155 622 2,5 G 10 G

Sens ibilidade (dBm) -38 -32 -24 -18

Saturação (dBm) 0 -4 -4 -6

Fx. Dinâmica (dB) 38 28 20 12

Fotodetetores

Taxa Bit Tipo

APD

Tens ão Bias

- 40 V 155 622 2,5 G 10 G

Sens ibilidade (dBm) -44 -38 -32 -24

Saturação (dBm) 0 -4 -4 -6

Fx. Dinâmica (dB) 44 34 28 18

� Sistemas de altíssima capacidade (40G & 100G) não usam deteção direta. (portanto não vale essa tabela.)

Valores típicos para sistemas de deteção direta (DD)


� Fotodetetores necessitam circuitos de pré-amplificação, devido aos baixíssimos níveis de potência e corrente que operam (µW e µA)

Tipos de Receptores ópticos :

� Alta-impedância alta sensibilidade, requer equalização,

pequena faixa dinâmica

� Baixa-impedância baixa sensibilidade, não requer equalização,

grande faixa dinâmica

� Trans-impedância elevada sensibilidade, não requer equalização,

grande faixa dinâmica

� todos com baixo nível de ruído!

Receptores Ópticos

36

26


Receptores Ópticos(deteçao direta)

Alta e BaixaImpedância TransImpedância

Vbias

Vout

Equal.+_

RZ

+_

Vout

Vbias

RZ

A ARC


� Além dos sistemas de deteção direta (DD), p/ sistemas binarios e duo-binarios (até 10Gb/s) ; temos os sistemas de deteçao coerente (CD), p/ sistemas multi-niveis complexos (10, 40, 100Gb/s) ;

� Nestes, um oscilador local recupera frequência e fase da portadora do sinal ótico, permitindo melhor relação sinal/ruido, principalmente em sistemas de muito altas taxas, onde a densidade de fotons (bit/Hz) é baixa.

Transmissores e Receptores Ópticos

Fonte: Luiz Hecker, “Transmissão Optica a 100 Gb/s”, FeecIE-008, Junho 2012

CanalÓtico

(lambda)

Laser Laser monomodomonomodo(podeser sintonizavel)

Laser Laser monomodomonomodo(deveser sintonizavel)

Cliente A Cliente B

27


Montagem,

Acoplamento e

Encapsulamento

Montagem,Montagem,

Acoplamento eAcoplamento e

Encapsulamento Encapsulamento

Tecnologia de Dispositivos

Optoeletronicos


Montagem, Acoplamento com Fibras,Encapsulamento

� Lasers (emissores) e Fotodetetores, em Telecom e sistemas que usam dispositivos optoeletronicos com fibras óticas, a etapa de acoplamento ótico com fibras precisa de montagens especiais eencapsulamento hermético.

� As montagens e encapsulamentos podem ser classificados: � Herméticos -- utilizam metais e soldas, cerâmicos, semicondutores;

� Não-herméticos – utilizam metais, colas, acrilatos e resinas epoxy.

� São condiçoes necessárias aos hermeticos: � alta estabilidade e eficiencia de acoplamento ótico para menor

consumo de potencia e maior durabilidade do laser -- utilizam-se microlentes (fibra) e soldas metalicas (montagem);

� eficiente dissipação termica (inclui controle de temperatura interna da capsula) – escolha correta/adequada de metais e soldas, cerâmicos, semicondutores (nunca resinas, colas, acrilatos ou epoxy).

28


� Optoelectronic Devices – etapas fabricação

� Crystal growth – epitaxy on a substrate;

� Device processing;

� masks; contact definition; diffusion; metallizations; cleavage;

� Device assembly and mounting;

� Die attach; wire-bonding;

� Testing => seleção; (& amostras p/ testes vida/confiab.)

� Packaging (may include Fiber coupling) ;

� Final tests & quality control.

� Reliability tests;

Technology


Laser Semicondutor -- Emissão Acoplamento Óptico .

LaserSoldaSolda

BlocoBloco suportesuporte SiSi

Fibra c/ Microlente,e metalizada

SoldaSolda

contato n

contato p

Tecnologia Dispositivos Optoeletronicos

250 µm

Limite de difraçãoa,b ≈ λ

Região ativaAlt. a ≈ 0,2 µm Larg. b ≈ 2 µm

ab

29


Montagem hermética: � todas as interfaces de montagem com solda metálica

Tecnologia Dispositivos OptoeletronicosHigh performance packaging

FotodetetorFotodetetor((monitmonit.).)

Fibra c/ Fibra c/ MicrolenteMicrolente

RefrigeradorRefrigeradorTermoelTermoeléétrico (trico (PeltierPeltier))

Placas de Si Placas de Si ((passivpassiv. & . & metalizmetaliz.).)

TermistorTermistorCCáápsula psula ButterflyButterfly ((KovarKovar))

14 pinos14 pinos

Vistaem corte

LaserLaser

Fibra c/ Fibra c/ proteproteçç..primprim..

fibra metalizada



Fibra c/ Fibra c/ MicrolenteMicrolente

LaserLaser

TermistorTermistor

FotodetetorFotodetetormonitoramonitoraçãçãoo

Si Si metalizmetaliz

Fibra c/ Fibra c/ revestimrevestim..

1

14

7

8

VistaSuperior

Pinagem1;14 -- peltier 11;10 -- termistor5;10 --terra 5;9 --Laser7;8 -- fotodet. monit

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� Laser semicondutor – “o cara”; DFB ou laser potencia/bombeio; � Termistor -- dispositivo semicondutor com coef. térmico negativo; tb.

conhecido como NTC; serve como sensor de temperatura de alta precisão; � Fotodetetor monitoração -- fotodetetor de Ge (ou Si) de baixo

desempenho; serve apenas pra monitorar a potencia óptica CW do laser;

� Peltier -- dispositivo semicondutor composto; trata-se de refrigerador termo-elétrico de estado sólido; funciona com corrente elétrica >100 mA ;

� Placas Alumina -- Al2O3 , pode-se apresentar em forma cerâmica ou vítrea; alta condutividade térmica, isolante elétrica;

� Wafer Si (“bruto”); passivado e metalizado;

� Cápsula metalica -- peça alta precisao de material Kovar (Fe, Co, Ni) com baixo coef. exp. térmica, igual a cerâmica, p/ manter hermeticidadenos pinos de contato;

Partes e Componentes – descritivo


Transmissor Laser

Circuito de modulação

npn

Rc

Controle de Intensidade deModulação (amplit.máx.sinal, Imax)

npn

npn

Vref (Imín.)

Controle de bias (Io)[circ.realim.& estab.]

Vcc

Vcc

Vcc = + 5 V

+-

Sinal deModulação (Im)

Laser

Corrente (mA)

Pot. Ópt. (mW)


Ith

Po

Pm

Im

Pmax

PminIo••

* fdbk do FD monit.= Vb

=> há tb. na placa do transmissor (Tx) o circuito de controle dede temperatura:: peltier<=>termistor

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Encapsulamento Laser 2,5 Gb/s

Tecnologia



Mercado livre : Lasers, Detetorese Transceivers (Tx/Rx)

2010-2012SET- Smart Equipt Technolg (Fr)Nov. 2011

Axsun Technl. – MEOMS assembly;DFB laser package with gain control

LasertronLasertron, , IncInc. .

SPIE - PhotonWest2016

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Fotodetetores e Receptores Opticos

Optoelectronic-Microelectronic PIN-FET-TransZpackaging with metallized fiber

Tecnologia

Tecnologia Dispositivos Optoeletronicos


Mercado livre : Lasers, Detetorese Transceivers (Tx/Rx)

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Emissores (laser)Emissores (laser)

FotodetetoresFotodetetores

Emissores & FotodetetoresEmissores & Fotodetetores(baixo. Custo) (baixo. Custo)

�� AltissimoAltissimo desempenho (alto custo) desempenho (alto custo)

TransceiversTransceivers

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Montagem; Acoplamento com Fibras;Encapsulamento

� Além das etapas descritas, são necessários testes de resistência(robustez mecânica, elétrica e térmica) , confiabilidade e durabilidade; são chamados genericamente testes de confiabilidade, e incluem tambem testes de vida, onde as condiçoes de operaçao são “aceleradas”;

� São realizadas a nivel de sub-mount; e encapsulado.

� realizam-se em condiçoes controladas, em laboratorio, e

incluem ciclos de temperatura, stress em corrente de operaçao,

separados ou combinados;

� podem ser realizados em ambiente neutro (atmosfera N2,

pressao atm.); ou incluir condiçoes climaticas adversas --

-- humidade e salinidade, aliadas a temperatura;


Elementos de Redes Ópticas

Fibras Ópticas

Elementos de Redes Elementos de Redes ÓÓpticas pticas

Fibras Fibras ÓÓpticaspticas

34


Núcleo nn

Fibra Fibra ÓÓticaticarevestimento plástico

Casca nc

Vidros de altíssima pureza

multimodo

monomodo

d = 50 µm

d = 9 µm

125 µm

D

n2

n1 θ1

n1 senθ1 = n2 senθ2

θ2

Abertura numérica22cn nnAN −=

núcleo – GeO2-SiO2

casca – SiO2


Fibras Óticas Guia de Onda

V= [πd / λ ] √ nn2 - nc

2

V freqüência normalizadade propagação

d diâmetro do núcleo

monomodo V≤ 2,4 ⇔ um único modo

multimodo V≈12 ⇒ dezenas modos

V

b(V)

Modos de propagação� índice propag. x freq. norm.(soluções da eq. de onda para propagação em guia de onda cilíndrico)

No. Modos: N ≈ V2/2

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Fibras Óticas Atenuação e Dispersão

Atua sobre amplitudedo sinal

Atua sobre duraçãodo sinal/pulso

Atenuação

Dispersão

tempo Ez(x,t)= Eo ei(ωt + βz + φ )

; ondeβ=nk=n/c ω ; k= 2π/λ

efeitocombinado


Fibra ÓpticaEquações

• Atenuação

P(z) = P(0) e – α z⇒ α (z) = 1/z ln P(z)/P(0)

sendo, α (dB) = 10 log P(z)/P(0) , tem-se

α (dB/km) = 4,3 α (km-1), e

⇒ α (dB/km) = 10/L log P(L)/P(0) , com L = [km]

Atenuação é devida a três fatores: -- banda passante do guia, -- espalhamento da luz no material, e -- absorção da luz no material e nas impurezas.

36


0.10.1

0.20.2

0.30.3

0.40.4

0.50.5

0.60.6

Ate

nuaç

ão(d

B/k

m)

16001600 17001700140014001300130012001200 150011001100

Comprimento de Onda (nm)

EDFA

160 nm� 20 THz

30 nm + 40nm

Atenuação em Fibras Ópticas

RayleighIR

OH-60 nm�10 THz

1 THz = 1000 GHz0,8nm = 100 GHz (1550nm)

C LS

SOA

O

Bandas:O = 1260-1360 nmS = 1460-1530 nmC = 1530-1560 nmL = 1560-1620 nm

850


Comentários adicionais:

� Atenuação ( limites )

Regimelinear

� Rayleigh: limite fundamental espalhamento linear da radiação propagantemeio material (nível atômico, molecular, ou matriz de rede, dependendo do meio)

� Absorção IR: absorção molecular na matriz de rede do vidro -- (no caso da fibra SiO2-GeO2)

� Absorção: impurezas

Regime não-linear

� Mistura quatro-ondas, SPM, XPM: roubam potência óptica do canal, e jogam em outros canais como ruído.

� Espalhamento Raman e Brillouin estimulados: roubam potencia e criam bandas de sinal (de fato, ruído) no espectro de propagação

Fibra Óptica

37


� Dispersão (1a. ordem)

Ao se propagar num meio material confinado, as componentes espectraisde um pulso luminoso terão diferentes velocidades de propagaçao; causando distorçao e atraso do pulso; isso se chama dispersãotemporal do pulso.

Temos vários tipos de dispersao, que se compoem, resultando na dispersaototal da fibra::

-- dispersao modal (fibra MM; esta é sempre a maior); Dmod

-- dispersao material (todas fibras); Dmat

-- dispersao guia-onda (fibra SM); Dgo -- dispersao de polarizaçao (todas); esta é sempre a menor); Dpmd

Fibra Multimodo (MM) : DT = Dmod+ (Dmat+ Dgo)

Fibra Monomodo (SM) : DC = (Dmat+ Dgo) cromática

Equações>>>



� Dispersão (1a. ordem)

∆τ = D. ∆λ .L [ps] ; ou ∆τ = β2. ∆ω .L

onde, ∆λ, ∆ω, largura espectral da fonte (FWHM) ; ω= 2πν = 2πc/λ ; β= nk= 2πn/λ

Temos (def.), D = - λ/c d2n/dλ2 => D = -(2πc/λ2) β2 ; (param.GVD)

sendo, parametroβ2 = d2β/dω2 ,

e velocidade de grupo vg = 1/ (δβ/δω)

Fibra Multimodo : D = (Dmat + Dgo) + Dmod

Fibra Monomodo : D = Dmat+ Dgo cromática

sendoDmat= 1/c dn/dλ ; Dgo= -1/2πc V2 d2β/dV2 ;

dimensão D = [ps/nm.km] ;

� Atrasos na propagação são devidos a dispersão cromatica e dispersão modal ; e mais,

� PMD, devido a birefringência da fibra. (+adiante)


Ver: Agrawal, Fiber-Optic Comm.Syst., 3rd., 2002; pg. 38-39

38


� fibras de dispersão deslocada são obtidas aumentando DGO : DS, NZD+/-� regime de dispersão normalou anomalavai depender de qual λo e qual fibra

em que está se propagando! -- (adiante) >>

Dispersão em Fibras Ópticas

SiO2/GeO2

1,1 1,2 1,3 1,4 1,5 1,6

-20

-10

0

10

20

DISPERSÃOFibra Monomodo Padrão

Dis

pers

ão (

ps/n

m.k

m)

Comprim.Onda (

(+)

(-)

λo

λS

DT

SMF

NZD+

NZD-

DS

=> dispersão modal das fibras multimodo sai da escala (D≈60-80ps/nm.km


Comentário: � Dispersão

� a dispersão em meios materiais atrasa a propagação de sinais (lineares e não-lineares);

� as componentes cromáticasdo pulso de luz viajam a diferentes velocidades, pois o índice de refração n efetivo varia com λ ;e dispersão materialpode ser zeroe tb. mudar de sinal(depende da região do espectro!)

� dispersão normal(λc < λo) : λc comprim. de onda central do pulso;

� trecho espectro abaixo de lambda dispersão zero (da fibra especifica);

� compon. λ+ (+longas): enxergam n1 menor => vg mais rápida→ vai pra frente;

� compon. λ- (+curtas): enxergam n1 maior => vg mais lenta→ vai pra trás ;


Normλc λc

39


Dispersão em Fibras Ópticas Comentário: � Dispersão

� anômala(λc > λo) : inverte-se situação,.. devido a inversão do sinal da

derivada; ou seja,

� λc é o comprim. de onda central do pulso;

� compon. λ- (+curtas) : enxergam n1 menor => vg mais rápida→ vai pra frente;

� compon. λ+ (+longas): enxergam n1 maior => vg mais lenta→ vai pra trás ;

=> temos que pensar nos domíniosdo tempoe da frequencia(ou de lambda)

Anomλcλc


Atraso devido a dispersão cromática:

a) Fontes com largura espectral larga(∆λ > 1nm), maior que a taxa de modulação (mod. direta)::

∆τ = D.L.∆λ• para fibras padrão SMF, D=16-18 ps/nm.km @ 1550;• para fibras NZD, D=2-5 ps/nm.km.• para fibra DS @1550 ou fibra SMF @1300, adota-se D ≈ 0,5 ps/nm.km;

b) Fontes com largura espectral estreita(∆λ < 0,1nm), (modulação externa)

∆τ = (|β2|.L)1/2

• onde, β2 = − D.λ2 /2πvc [ps2/km]; vc = c/n , sendo n o índice efetivo de propagação (grosseiramente, n ≈1,5 nos vidros; em casos mais exatos, deve-se usar nm como visto acima);

=> em ambos os casos, pode-se usar atrasos permitidos de ∆τ =Tb/4 ou Tb/2, conforme

a tolerância do sistema seja 1 ou 3 dB de margem, sendo as distancias máximas

permitidas calculadas de acordo.


40


• PMD� Dispersão dos modos de polarização

� devido a efeitos de tensão mecânica na estrutura do vidro da fibra, o sinal propagante experimenta diferentes índices efetivos nas componentes de polarização do campo Ex e Ey ; [birefringencia]

� daí pode se acumular atraso apreciável entre as componentes, resultando em alargamento temporal do pulso, e atraso diferencial de grupo (DGD);

� PMD de 1a. ordem é ∆τ=β √L, onde β (ps/km1/2) ; β = 0,1-0,5 ps/km1/2

Ex

Ey

Ex

Ey

[[TTxyxy (z)(z)]]


DGD = 0 DGD = ∆τ

DGD (differential group delay): is the maximum difference in arrival times of the two orthogonal polarization modes at a particular wavelength and time. Given a specific PMD coefficient, the DGD of the link varies randomly with time and wavelength .


Compensação de Dispersão (cromática e PMD) :: � Fibra Standard (SMF)

� pode-se compensar a dispersão cromática acumulada ao longo de um enlace utilizando-se fibras NZD-, com elevado coeficiente D, de modo que alguns km de NZD compensam vários km de SMF; [modo “passivo”]

� Fibra DS � não há necessidade de compensar dispersão cromática em fibras DS;

� Fibra NZD� pode-se compensar dispersão cromática em fibras NZD alternando NZD+

e NZD-;

� PMD� pode-se compensar dispersão PMD utilizando compensadores de

dispersao de modos de polarizaçao (PMDC);

� pode ser em linha L-PMDC, sem conversão O-E-O; [modo ativo ótico]

� e/ou na recepção PMDC-Rx, com conversão O-E; [modo ativo OE]


Fonte: ITU-T Rec. G.655-NZD, Mar.2003; Rec.G.666-PMD, Mar.2008;

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Fibras Ópticas

Outras Fibras: � Como dito no inicio desta seção, existem muitos tipos de

fibras óticas para aplicaçoes em� Bio-imaging

� Metrologia � Sensoriamento (local e remoto) � Testes e medidas

� Processamento materiais (lasers a fibra, e/ou fibras entregando altissimas potencias)

� Entre essas estão as fibras de plástico (POF), e as fibrasfotonicas (conhecidas como PCF-- photonic crystal fiber)

� Não analizaremos essas fibras porque nosso foco é Redes Óticas eTelecom, e elas são pouco (ou nada) utilizadas nessa aplicação! (embora representem um significativo mercado emergente)...


� Photonic Fibers... just a taste...

Fibras Ópticas

© Furukawa

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Fibras Ópticas & Lasers

� Lasers (modos longitudinais):

� Multimodo: surgiram primeiro devido a limitações tecnologicas; apresentam multiplos comprimentos de onda compactados dentro do envelope de ganho do material; hoje são utilizados em redes locais, predios e interconexao de equipamentos; aceitam transmissao WDM mas não são otimizados pra isso;

� Monomodo: surgiram bem depois com aprimoramento das tecnologias de fabricaçao; emitem um único comprimento de onda; -- os mais utilizados em Telecom são DFB e DBR (ambos baseados em grades de Bragg); são por excelencia as fontes WDM.

� Fibras (modos transversos):

– Multimodo: nucleo maior; propaga muitos modos do guia de onda; surgiram primeiro devido a limitaçoes tecnologicas; hoje são utilizadas em redes locais e predios; banda passante limitada pela dispersao modal ; aceitam transmissao WDM, mas não são otimizadas pra isso;

– Monomodo: nucleo menor; propaga só o modo fundament. do guia de onda; surgiram bem depois com aprimoramento das tecnologias de fabricaçao; são o meio de transmissão com maior banda passante que existe; são tambemas mais adequadas p/ sistemas WDM.

Resumo Geral-- geraçãoe propagação


Fibras ÓpticasCabos de Fibras

Optical Fiber Cable

Típicos 12, 16, 36,72, 144 fibras

fibra

Necessário:-- manuseio fibras; -- proteção contra ambiente; -- proteção contra rupturas; -- proteção instalação.

armadura

elementos(tubetes)

fibras

Fim deste Capitulo

Documents

Elementos de Redes Ópticas Redes Ópticas Laser, Detetor ...rudge/pdf/IE008-b1_LsrFibDet=f217_vF.pdf · cada lambda (dito canal ótico ) suporta dezenas de Gb/s... portanto, sendo