Ispitna pitanja iz Optikih komunikacijskih sustava Pitanja na koje se svakako mora znati odgovor kako bi se proao usmeni(nuni uvjet prolaska usmenog): 1.Apsorpcija, spontana i stimulirana emisija; izgled lasera. 2.Vrste laserskih dioda (Fabry-Prot, DFB, DBR, VCSEL), P-I karakteristika, spektralna karakteristika 3.Vrste fotodetektora (PIN i APD fotodetektorske diode), parametri fotodetektora (kvantna djelotvornost, odziv, vrijeme porasta, frekvencijska irina pojasa) 4.Svjetlovodna pojaala, svojstva EDFA-pojaala, saturacija pojaanja, shema EDFA- pojaala5.Princip rada svjetlovoda, Snellov zakon, kritini kut, numerika apertura, vrste svjetlovda6.Ogranienja u svjetlovodu: guenje i disperzija; ovisnost maksimalne udaljenosti veze o brzini prijenosa, valnoj duljinii vrsti svjetlovoda 7.Multipleksiranja signala - TDM i WDM pristup 8.Projektiranje optike veze - proraun snage i proraun vremena odziva Ostala ispitna pitanja: 9.Laseri - osnovna laserska jednadba,iznos minimalnog potrebnog pojaanja, fazni uvjet kod lasera 10. LED diode (osnovna svojstva, nutarnja i vanjska kvantna djelotvornost, P-I karakteristika, spektralna karakteristika, izvedbe LED dioda) 11. Laserska dioda (izgled, izvedba pomou heterostrukture, osnovna laserska jednadba za laserske diode, P-I karakteristika, temperaturna ovisnost P-I karakteristike) 12. Modulacijski postupci kod optikih komunikacijskih sustava (intezitetna modulacija (OOK), fazna modulacija (DPSK, DQPSK)); spektralna gustoa snage. 13. Naini modulacije laserske diode (direktna modulacija ili vanjski modulator), problemi kod direktne modulacije 14. Parametri optikih predajnika (, ,-20dB irina, omjer gaenja, potiskivanje bonih modova) 15. um kod PIN i APD fotodetektorskih dioda; usporedba S/N za PIN i APD detektorske diode 16. Odreivanje greke bita (BER-a) 17. Osjetljivost prijamnika, ovisnost osjetljivosti prijamnika o Q i S/N, principjelna shema optikog prijamnika, zahtjevi na parametre optikog prijamnika 18. Vrste optikih pojaala (EDFA, poluvodika optika pojaala, Ramanova pojaala)19. um u optikim sustavima s EDFA pojaalima 20. Planarni svjetlovodi, analiza planarnih svjetlovoda, odreivanje broja modova u planarnom svjetlovodu21. Rigorozna metoda analize cilindrinog svjetlovoda osnovni principi 22. Modovi u svjetlovodu (TE,TM i hibridni modovi), ovisnost koeficijenta rasprostiranjao frekvenciji, normirana frekvencija, dominatni mod, prvi vii modovi, LP modovi, ovisnost broja modova o frekvenciji, omjer optike snage u jezgri i u platu23. Guenje u svjetlovodu, infracrvena apsorpcija, ultraljubiasta apsorpcija, Rayleighovo rasprenje, tehnoloko guenje 24. Guenje uslijed savijanja svjetlovoda, nove vrste svjetlovoda, svjetlovodi za dalje infracrveno podruje ( > 1.7 m) 25. Nekromatske vrste disperzije, meumodalna disperzija, polarizacijska disperzija, ogranienje na brzinu prijenosa 26. Kromatska disperzija, ovisnost o grupnoj brzini, parametar kromatske disperzije, ogranienje na brzinu prijenosa 27. Materijalna disperzija, valovodna disperzija 28. Vrste svjetlovoda, ITU-T preporuke G 652 G 657. 29. Kompenzacija kromatske disperzije (DCF svjetlovod, kompenzacija pomou Braggove reetke, elektronika kompenzacija disperzije); kompenzacija polarizacijske disperzije 30. Gradijentni svjetlovodi (profil indeksa loma, osnovna ideja konstrukcije, broj modova, varijacija grupne brzine, disperzija u gradijentnomsvjetlovodu) 31. Mjerne metode u svjetlovodnim komunikacijama mjerenje snage, greke i ogranienja kod mjerenja snage 32. Mjerne metode u svjetlovodnim komunikacijama OTDR, nadzor optikih mrea 33. Mjerne metode u svjetlovodnim komunikacijama mjerenje kromatske i polarizacijske disperzije 34. Nelinearni efekti Kerrov efekt (vlastita modulacija faze, krina modulacija faze, mijeanje etiri vala). 35. Nelinearni efekti Ramanovo i Brilloiunovo nelinearno rasprenje 36. Projektiranje optike veze princip naruavanja snage (primjer: kromatska disperzija), polarizacijska disperzija, parazitne optike refleksije 37. Multipleksiranja signala - TDM i WDM pristup, naini sinkronizacije takta u TDM sustavima, TDM komunikacijski sustavi: PDH, SDH/SONET 38. WDM sustavi, svojstva DWDM i CWDM sustava, komponente za WDM sustave37 Apsorpcija, spontana i stimulirana emisija su pojave na kojima se bazira rad lasera. Svjetlost ima korpuskularnu (estinu) prirodu tj. svjetlosna zraka se sastoji od paketa svjetlosnih kvanata ili fotona od kojih svaki ima energijugdje je h Planckova konstanta (h = 6.626*10-34Js), a je frekvencija zraenja. Gornja jednadba je openita, tj. ne vrijedi samo za svjetlosne frekvencije, ve i openito za elektromagnetsko zraenje.Apsorpcija, spontana i stimulirana emisija, h E38 U atomima (takoer i u molekulama, u poluvodiu) postoje diskretni energetski nivoi koje prezentiramo pomou energetskih dijagramaE2E1Apsorpcija, spontana i stimulirana emisija39Spontana emisija je, kao to ve i samo ime kae, kada atom spontano prijee iz stanja E2(stanje vee energije) u stanje E1(stanje manje energije) te pri tome emitira fotonSpontana emisijaE2E1E2E1PrijePoslije40Frekvencija emitiranja je:Spontana emisija (2)Uoiti val se moe emitirati u bilo kojem smjeru val moe imati bilo koju polarizaciju vea razlika izmeu nivoa vea frekvencija (od radio valova do rendgenskog frekvencijskog podrua).h E E1 221 41Atom apsorbira foton iz ulazne zrake i stoga prelazi u vie energetsko stanjeApsorpcijaE2E1E2E1PrijePoslije42Reverzni proces u odnosu na apsorpciju. Atom daje energiju hkoja se koherentno zbraja s upadnim elektromagnetskim valom te ga pojaavaStimulirana emisijaE2E1E2E1PrijePoslije43to to znai koherentno zbrajanje?1. na istoj frekvenciji kao i stimulacijski val2. iste polarizacije kao i stimulacijski val3. isti smjer putovanja kao i stimulacijski val4. ista faza kao i stimulacijski valStimulirana emisija (2)Izgleda magino. Moemo zamisliti kao inverznu pojavu apsorpcije (apsorpcija je neto to je za oekivati da se dogaa u prirodi). Napomenimo da ovo nije istina, dolo bi do razliitih apsurda kao npr. krenja veine termodinamikih zakona.2Izgled laseraAktivni materijalUzbuda aktivnog materijalaR1R2Izlazno zraenjePolupropusna zrcalaNapomena: Nain uzbude ovisi o tipu lasera (elektronska uzbuda, bljeskalica, kemijska uzbuda, ...)3Laser (2) Laser moemo promatrati kao oscilator. Povratna veza je rezonantna upljina. Osnovni model rezonatora Fabry-Perot-ov rezonator(rezonator s dva paralelna zrcala). Rezonator oklopljena elektromagnetska struktura sa sposobnou pohranjivanja elektromagnetske energije.Postoje diskretne konfiguracije polja za koje je to mogue(tzv. modovi) uvjet konstruktivne interferencije.Aktivni materijalUzbuda4Laser (3)Oznaimo saL duljina aktivnog materijalaR1, R2 refleksivnosti zrcala (refleksivnost R odnosi se na intezitet,faktor refleksije I odnosi se na elektrino polje E,) - pojaanje po jedinici duljineI intenzitet elektromagnetskog valaUoiti: 1 - R = dio energije koji se proputa kroz polupropusno zrcalo.2I = RLR2R15Matematiki zapis minimalnog potrebnog pojaanja po jedinici duljine Laser (4)Za kontinuirano osciliranje mora dobitak na dvostrukom putu bitivei od gubitaka.I R R IeL>2 12Napomena. Indirektno smo pretpostavili 2L = q2t,odnosno da se signal vraa u fazi (q e N).||.|

\|> s 2 1 2 121ln21

1

R R L R ReLUvjet postojanja laserskih oscilacijaL6Laser (5)Gubitke u rezonantnoj upljini, odnosno prag laserskih oscilacija oznaiti emo s o:Izlazni intenzitet zraenja je:||.|

\|=2 11ln21R R Lo) 1 (2R I Iizl =Aktivni materijalPumpanjeR1R2Iizl48Laserske diode Prednosti laserskih dioda u odnosu na LED: Velika izlazna snaga (tipino 10 mW, neke izvedbe i vie) Visok stupanj koherencije (uski spektar emitiranog signala) Iznimno irok modulacijski spektar (do ~ 30 GHz) Visoka djelotvornost q (do 50%).Nedostaci laserskih dioda u odnosu na LED: P-I karakteristika vie nije linearna Velika temperaturna osjetljivost Visoka potrebna tehnologija (heterostruktura, rezonator, Braggova periodika struktura, ...)relativno visoka cijena.49Spektralna ovisnost emitirane svjetlosti3I1I3 2 1I I I < > Ipragta djelotvornost je otprilike qex.% 30 50% 70 60 = =exiqq( )ehi i Pexvqprag d =54Spektralna ovisnost emitirane svjetlosti Spektar emitiranog signala (viemodna Fabry-Perot laserska dioda) Ovisnost broja modova o struji kroz diodu (odnosno ovisnost o izlaznoj optikoj snazi)I1vI2vI3v3 2 1I I I < 2.5 Gb/s Tipine udaljenosti i brzine danas: 10 Gb/s i >100 km72Laseri s jednim longitudinalnim modom Ravno zrcalo nema frekvencijske selektivnosti. Da se odabere jedan longitudinalni mod potrebno je zrcalo kojemse koeficijent refleksije (i njegova faza) mijenja u frekvenciji: periodicno zrcalo (Distribuirano Braggovo Zrcalo). Distribuirano zrcalo ima periodu /2. Svi reflektirani valovi sezbrajaju u fazi (konstruktivnom interferencijom) i nastaje jaki reflektirani signal.n(x) index loma/2x koordinata u longitudinalnom smjeru73Distribuirano (Braggovo) zrcalo74DBR laserska dioda (DBR Distributed Bragg Reflector) Distribuirano Braggovo zrcalo selektira longitudinalni mod Zbog komplicirane tehnologije, cijena takve diode je dosta visoka.ZRCALO ZRCALOPOJAANJE/2g-valna duina75Distributed FeedBack laser (DFB) Aktivni sloj je ujedno i jezgra planarnog svjetlovoda. Distribuirano zrcalo se esto kombinira sa zrcalom na kraju ipaZRCALOPOJAANJE/2g-76DFB laser77DBR laser sa ugodivom valnom duljinom I1= svjetlosno pojaanje (aktivni sloj) I2, I3= rezonantna frekvencija zrcala, struja mijenjaefektivni index loma I4= fazno kanjenje za fino ugadjanje valne duine kompliciran proces i kontrola, ali se danas komercijalnoproizvode za komunikacije na velike udaljenosti.ZRCALO ZRCALOPOJAANJE FAZNO KANJENJEI1I2I3I478Ugodivi DBR laser74 mmUgodivi laser s vanjskim modulatorom:79Laser s vertikalnim rezonatorom (VCSEL) VCSEL = Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser Motivacija razvoja: napraviti lasersku diodu iji je proizvodniprocess sukladan s uobiajnim planarnim proizvodnim procesu (npr. light-emitting diode), i time dobiti vrlo jeftinu lasersku diodu. 80vie transverzalnih modovajedan longitudinalni mod rezonator je okomit na ravninuipa jedan longitudinalni mod jedan ili vise transverzalnihmodova pojacanje mnogo manje nego u laserima u ravnini cipa jer jeduljina aktivnog sloja vrlo mala(~ 25 nm) zrcala moraju biti vrlo visokogkoeficijena refleksije (>99.5%)valna duzinatransverzalni modovi-Laser s vertikalnim rezonatorom81pojaanje struje Transverzalni modoviLaser s vertikalnim rezonatorom82Laser s vertikalnim rezonatorom83Usporedba laserskih diodaVrsta laserske diodeLongitudinalni smjerTransversalnismjerPrimjenaFabry-Prot Viemodan JednomodanKomunikacijeCD/DVD, stampaiDBR, DFB Jednomodan Jednomodan KomunikacijeVCSEL (MM) Jednomodan Viemodan KomunikacijeVCSEL (SM) Jednomodan JednomodanKomunikacije, senzori, optiki mi84 Cijena: Tipino guenje svjetlovoda:Usporedba laserskih diodaFabry-Prot VCSEL DFB, DBR850 nm1300 nm 1550 nm1. komunikacijski prozor ~ 0.85 m o ~ 2.5 dB/km2. komunikacijski prozor ~ 1.3 m o ~ 0.35 dB/km3. komunikacijski prozor ~ 1.55 m o ~ 0.2 dB/km85 Spektar:Usporedba laserskih dioda5 nm0.2 nmFabry-Prot laserDBR laser7- Najei poluvodiki detektorPIN-fotodiodah+-+ -p niRLi intrinsian sloj (slabo dopirani sloj)izlazElektrino polje unutar fotodiode:xE8PIN-fotodiodavodljivi pojasvalentan pojasnpifoton(h Eg)fotogeneriran elektronfotogenerirana upljina+-EgUslijed prisudnog elektrinog polja u intrinsinom I-sloju PIN diode, elektroni e se gibati prema N-sloju, a upljine prema P-sloju (treba uoiti da je dioda reverzno polarizirana).9 Mogue je napraviti diodu koja e iskoristiti unutarnje mehanizme pojaanja tako da se generirana struja pojaa time je detektirani signal lake mogue obraditi budui da ima vei amplitudu. Unutarnji mehanizam pojaanja je lavinski efekt. Dakle, ako narinemo veliki reverzno-polarizirani napon doi e do lavinskog efekta i time e se pojaati signal koji je detektiran u intrinzinom dijelu. Lavinska fotodiodaEnergijaxpn+-+--++-Eg10Konstrukcija lavinske foto diode- APD kratica za lavinske fotodiode (APD Avalanche Photo Diode).- APD dioda je u principu PIN dioda + dio s poveanim poljem gdje dolazi do ionizacije sudarima.- Elektroni se dodatno ubrzavaju u podruju s pojaanim elektrinim poljem i ako dosegnu dovoljno veliku brzinu(dovoljno veliku energiju), u sudaru s kristalnom reetkom generirat e novi par elektron upljina.Lavinska fotodioda+ -p+n+iRLpelektrino poljex11Uoiti: Podruje gdje moe doi do lavinskog efekta elimo lokalizirati, kako ne bi dolo do nekontroliranog lavinskog efekta dobivamo tzv. separate-absorption-multiplication APD.Lavinska fotodiodap i n+p+elektrino poljex12Kvantna djelotvornost () definirana je kao vjerojatnost da ulazni foton generira par elektron-upljina. Drugim rijeima, ne generiraju svi dolazni fotoni parove elektron-upljina. Sam proces apsorpcije fotona je proces voen vjerojatnou: Neki fotoni biti e reflektirani na granici zrak-poluvodi. Neki e se parovi elektron-upljina, generirani blizu povrine poluvodia, brzo rekombinirati zbog obilja rekombinacijskih centara na povrini poluvodia. Ako svjetlost nije fokusirana na aktivno podruje, neki fotoni bit e izgubljeni.Parametri poluvodikih fotodetektora13Parametri poluvodikih fotodetektoraOdziv ( ) daje odnos struje koja tee kroz detektor i upadne optike snage. Ako bi svaki foton generirao jedan par elektron-upljina (jedan fotoelektron), tok fotona bi generirao tog elektrona , to bi odgovaralo struji kroz diodu (tj. struji koja tee kroz diodu s time da su noice diode kratko spojene).Optika snaga P = h [W] na frekvenciji bi (u idealnim uvjetima) generirala struju: = e ID hePID=14Parametri poluvodikih fotodetektoraBudui da samo dio fotona sudjeluje u generiranju fotoelektrona, struja kratkog spoja je jednakaOdziv je dakle faktor proporcionalnosti izmeu optike snage i elektrine struje (jedinica A/W).Odziv raste linearno s valnom duljinom budui da uz konstantnu optiku snagu imamo sve vie fotona na ulazu.Uoiti da ovisi o valnoj duljini, tako da je podruje u kojemlinearno ovisi o 0ogranieno.P PheID = =1,24] m [0= = he15Parametri poluvodikih fotodetektora Ovisnost odziva o valnoj duljini:Odabir poluvodia za komunikacijske prozore: I kom. prozor( 0.85 m) Si II i III kom. prozor( 1.3 m i 1.55 m)- Ge, InGaAs16 Uoiti da kod APD imamo jo i faktor multiplikacije M (koji opisuje pojaanje pomou lavinskog efektra), tako da zaAPD fotodiode vrijedi: Faktor multiplikacije M u principu govori koliko prosjeno svaki elektron koji ulazi iz I-sloja u sloj multiplikacije generira novih parova elektron-upljina.Parametri poluvodikih fotodetektoraP M PheM ID = =17irinu pojasa detektora (frekvencijsku irini pojasa) odredit emo preko vremena porasta Tr vrijeme potrebno da struja promjenu od 10% do 90% vrijednosti uz skokovitu promjenu pobude.Parametri poluvodikih fotodetektoraRLRSCpIPEkvivalenti sklop za PIN diodu:+ -p n iRLCp parazitni kapacitet PIN diodeRs serijski otporPIN diode18Svojstva poluvodikih fotodetektoraVrijeme porasta Trfotodiode (RC nadomjesnog sklopa):gdje je:pr vrijeme proleta (vrijeme koje je potrebno da generirani elektro odnosno upljina napusti I-sloj u fotodetektoru; kod lavinskih dioda treba uranati vrijeme potrebno za lavinski efektivrijeme potrebno da se lavinski generirane upljine prou krozI-sloj)RC vremenska konstanta ekvivalentnog RC sklopa) ( 9 lnRC pr rT + =ln 9 = 2,197vanjski otporunutarnji serijski otporparazitni kapacitet( )P S L RCC R R + = 19Svojstva poluvodikih fotodetektoraEkvivalenti sklop za PIN diodu:Frekvencijska irina pojasa:Ovisnos vremena porasta Tri frekvencijske irine pojasa (dobiveno izjednaavanjemiz izraza zaTrif ):PIN diode imaju frekvencijsku irinu pojasa do ~ 50 GHz.( ) [ ] ( )P L S RC RC prC R R f + = + = , 21C R R jR IR RC jC jR I UL SL pL SL p izl) ( 111+ +=+ +=r rT Tf35 . 02197 . 2= = RLRSCIPRC pr +20Svojstva poluvodikih fotodetektora) ( 21RC pr +f) 0 () (DDIf I1707 , 021= Frekvencijska irina pojasa:3Optika pojaala Optika pojaala su pojaala koja pojaavaju signal u optikoj domeni. Drugim rijeima, kod optikih pojaala nema pretvorbe iz optike u elektrinu domenu te nakon pojaanja pretvorbe ponovo u optiku domenu (eliminira se potreba za skupim regeneratorima signala). Optika pojaala mogu istovremeno pojaavati vie optikih signala (valnih duljina). To je posebno vano kod WDM sustava. Vrste optikih pojaala: Erbijem dopirano svjetlovodno pojaalo (EDFA) Poluvodiko optiko pojaalo (SOA) Ramanovo pojaalo4Optika pojaala Primjena optikih pojaala:Poveanje snage predajnikaPoveanje osjetljivosti prijamnikaKompezacija gubitaka pri prijenosuKompezacija gubitaka uslijed grananja signala5WDM sustav s optikim pojaalima DWDM sustav s optikim pojaalima mogue je postii optike veze (linkove) na puno vee udaljenosti (primjer: podmorska veza Europa-SAD; svakih 80 km nalazi se optiko pojaalo).6WDM sustav s optikim pojaalima Problem s klasinim regeneratorima za svaku valnu duljinu trebalo bi posebno napraviti regenerator (koji u sebi sadri opto-elektrinu pretvorbu, sam regenerator te elektro-optiku pretvorbu) izuzetno sloeno i skupo rjeenje.Slika: Branka Medved Rogina7WDM sustav s optikim pojaalima Opiko pojaalo je 1R regenerator samo pojaava signal (re-amplification). Pri tome dodaje um spontane emisije (ASE noise amplified spontaneous emission noise). Drugim rijeima, nakon svakog optikog pojaala pogorava se odnos signal um S/N. Razlikujemo stoga: Razmak izmeu optikih pojaala (tipino ~ 80 km) Maksimalni razmak izmeu 3R regeneratora- optiki domet(eng. optical reach).Kod takvih regeneratora se vri O-E-O pretvorba. Tipine vrijednosti su ~ 1000 km.8Osnovna ideja: Princip pojaanja stimulirana emisija. Optiko pojaalo je u osnovi laser bez rezonantne upljine.Optika pojaala9EDFA Erbijem dopirano svjetlovodno pojaaloEDFA Erbijem dopirano svjetlovodno pojaalo(engl. Erbium Doped Fiber Amplifier) Izgled energetskih nivoa erbija: Zbog amorfne prirode stakla od kojeg je nainjen svjetlovod, energetski nivoi se cijepaju u (iroke) energetske pojaseve. To odraava injenicu da pojedini atomi vide razliita okruenja jer struktura nije geometrijski pravilna (odnosno nije kristalna struktura). Pumpanje mogue na dvije valne duljine 980 nm i 1480 nm.10 Jezgra optikog vlakna dopirana je erbijem. Erbij - kemijski element iz skupine lantanida (rijetki zemljani elementi). Ovisnost apsorpcije i pojaanja o valnoj duljini:Obiljeja EDFA pojaala11 EDFA pojaava signal na 1530nm-1565nm. Maksimalno pojaanje na ~1531nm. Frekvencijska karakteristika EDFA pojaala (frekvencijska karakteristika je irokopojasna zbog amorfne prirode SiO2stakla):Obiljeja EDFA pojaalaParametar: snaga pumpanja12EDFA u principu laser bez rezonatora signal samo jednom prolazi kroz aktivni medij (ne reflektira se neprestano od krajeva rezonatora). Konstrukcija EDFA pojaala13Konstrukcija EDFA pojaala Pumpanje moe biti i straga i sprijeda:14Konstrukcija EDFA pojaala Izvedba s dvije pumpe. Prvi stupanj je konstruiran tako da ostvari velik dobitak i mali um dok je zadaa drugog stupnja osigurati veliku izlaznu snagu.(npr. filtar za izravnavanje krivulje pojaanja)17 Saturacija = zasienje Razlog saturacije pojaanja: za velike ulazne snage ne postoji dovoljan broj atoma erbija (ak i da su svi atomi erbija u viem energetskom stanju) pomou kojih bi se postiglo maksimalno pojaanje. Zasienje pojaanja se moe opisati sljedeom jednadbom: Pri tome je Gmax maksimalno pojaanje (bez zasienja) Psat interna saturacijska snaga Ako definiramo kao snage na izlazu kod koje je pojaanje palo za 3 dBGGPPGulsatmaxln 1+ =Saturacija pojaanja EDFA pojaalasatizlP) 2 ln(sat satizlP P 18GGPPGulsatmaxln 1+ =Saturacija pojaanja EDFA pojaala Ovisnost pojaanja EDFA pojaala o ulaznoj snazi:19Obiljeja EDFA pojaala Mala meditacija: ovisnost pojaanja EDFA pojaala o snazi pobude i o duljini erbijem dopiranog svjetlovoda (EDF):Nepobueni atomi erbija apsorbiraju optiki signalSnaga pumpanja [mW]Svi atomi erbija su pobueni2Izgled svjetlovodau u||.|

\|= >12arcsinnncu u2n1nPrincip rada: totalna refleksija svjetlosne zrake3Totalna refleksija princip rada svjetlovoda Snellov zakon: Promotrimo Snellov zakon za tri karakteristina sluaja(n2< n1):1u1u2n1ncu u >1||.|

\|=12arcsinnncucucu2n1n(a)(b) Upadna zraka se iri uz(definicija kritinog kuta)(c)2 2 1 1sin sin u u n n =1u2n1ncu u