As principais fontes ópticas utilizadas em comunicações...

Sistemas de Telecomunicações Guiados - ISCTE - Acetatos 10 1

• As principais fontes ópticas utilizadas em comunicações ópticas são o LED (lightemitting diode) e o LD (Laser diode que funciona segundo o princípio LASER - lightamplification by stimulated emission of radiation)

– são dispositivos de semicondutor baseados em heterojunções;

• Principais características:

– Potência óptica acoplada à fibra

– Comprimento de onda de emissão

– Perdas de acoplamento

– Custo e fiabilidade

– Largura espectral do

sinal injectado na fibra, ∆λS ou ∆νS

Fontes Ópticas- Tipos e principais características -

Potência óptica:• LED: Popt de 10 a 100 µW• LD: Popt de 1 a 5 mW

M

F

λλ

∆��∆� � Largura espectral da fonte óptica na ausência de modulação

� Largura de banda do sinal modulado (da modulação)


Largura espectral das fontes, ∆∆∆∆λλλλF ou ∆∆∆∆ννννF(na ausência de modulação)

( ) 0

12

ni

dt

dtφν ν

π= + ⋅

( )0 0cos 2A tπν φ+- A, ν0 e φ0 constantes

( ) ( )0 0cos 2a nA n t t tπν φ φ+ + +� � � ��

- A e ν0 constantes- na(t) e φn(t) são ruídos (aleatórios)

Oscilador cromático

Oscilador ruidoso e não-cromático

Frequência instantânea de oscilação


Largura espectral das fontes, ∆∆∆∆λλλλF ou ∆∆∆∆ννννFou largura de linha (definição)

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

As fontes ópticas (LED’s e LD’s) não são monocromáticas, i.e. não emitem um único comprimento de onda; emitem radiação numa largura espectral ∆λF ou ∆νF .

As fontes ópticas (LED’s e LD’s) não são monocromáticas, i.e. não emitem um único comprimento de onda; emitem radiação numa largura espectral ∆λF ou ∆νF .


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 monomodoconsegue-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


Díodo Laser- Princípios básicos de operação -

• 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.

Corrente de injecção

R1 R2Sinal óptico emitido

La

Região activa com perdas αi e ganho g

Condições de oscilação:

1 2

1 1ln

2th ia

g gL R R

αΓ ⋅ ≥ Γ ⋅ = +

02 2 , inteiroa ak n L m mπ=

Γ - factor de confinamento óptico (fracção de potência óptica na região activa);R1, R2 - factores de reflexão das extremidades;La – comprimento da região activana – índice de refracção da região activagth – ganho do limiar

0

2 com

2ma a

mc �k

n L �ν = =

Frequência de emissão do laser

• Oscilador óptico baseado no princípio de amplificação óptica numa cavidade reflectora com realimentação positiva;

• Princípio básico de funcionamento laser é a emissão estimulada


Laser de Fabry-Perot (Laser multimodal) - Características de emissão -

• Espectro de emissão:– 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.

– 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 :

• Valores típicos da largura espectral a meia potência (FWHM): 2 nm - 5 nm

λ λλ

ganho

gth

+

Esp

ectr

o de

pot

ênci

a

Esp

ectr

o de

pot

ênci

a

λ1λ-1 λ0 λ0

∆λ

λ0

Largura espectral, ∆λF

2

1 1, ,2 2

mF m m F m m

a g a a g a

cn L n L

λυ ν ν λ λ λ− −∆ = − = ↔ ∆ = − =na,g: índice de refracção de grupo do material semicondutor


Laser de Fabry-Perot (Laser multimodal) - Características de emissão (2) -

• Potência de emissão:– 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.

• Variação do espectro de emissão com a corrente de injecção:

Potê

ncia

ópt

ica

CorrenteIthI1 I2 I3

Emissão estimuladaEmissão

espontânea

λE

spec

tro

λ0

I = I3 2 nm

λ

Esp

ectr

o

λ0

I = I24 nm

λ

Esp

ectr

o

λ0

I = I1

50 nm

Abaixo do limiar o espectro éidêntico ao espectro do LED

Abaixo do limiar o espectro éidêntico ao espectro do LED

Acima do limiar a potência do modo central aumenta com o aumento da corrente de injecção.

Acima do limiar a potência do modo central aumenta com o aumento da corrente de injecção.

Operação laser

Operação led


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.

• O outro tipo de LD monomodal é o DBR (Distributed Bragg’sReflector)


Sinal óptico emitido

Região activa

Grelha de Bragg




Região activa

Grelha de Bragg


Grelha de Bragg


Laser monomodal vs 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


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 do desempenho

Razão de extinção (ITU-T):

,1 ,0ext o or p p=

Razão de extinção:

,0 ,1 1o o extr p p r= =

Valor mínimo indicado pelo ITU-T: Rext = 8.2 dB


Modulação directa (chirp – desvio de frequência)

Potência e desvio de frequência (chirp) à saída do laser:

- quando se aplica um impulso de corrente de duração 200 ps no instante −100 ps com i0=0.8ith

O chirp, por si só, não é um problema em sistemas IM/DD

i1=2.5ith

i1=2.5ith

i0=0.8ith

i0=0.8ith

Variação da corrente

Aliado à dispersão da fibra éum factor limitativo da

transmissão para elevados débitos (vários Gbit/s)

Parâmetro do laser que quantifica a amplitude do chirp:

Factor de enriquecimento da largura espectral, αc – valor típico αc=6

Para débitos elevados, o nível de corrente mais baixo, i0, deve estar claramente acima do limiar → razão de extinção baixa


Modulação directa [chirp (2)]

Diagrama de olho à entrada do circuito de decisão sem transmissão na fibra e com modulação directa do laser.

Diagrama de olho à entrada do circuito de decisão após transmissão na fibra e com modulação directa do laser.

Db = 2.5 Gbit/s Fecho de olho � Efeito combinado do chirp com a dispersão


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


Largura espectral do sinal injectado na fibra

Modulação ASK

M

F

νν

∆��∆� � Largura espectral da fonte óptica na ausência de modulação

� Largura de banda do sinal modulado (da modulação)∆νs – Largura espectral do sinal injectado na fibra

Caso 1: fonte óptica ideal modulada – laser monomodal com modulação externa

( )( )

,0 0 0

,1 0 0

bit "0": 2 cos 2 0 1

bit "1": 2 cos 2 0 1

s b

s b

p t t D

p t t D

πν φ

πν φ

� + ≤ ≤�

+ ≤ ≤�

∆νs ≈ ∆νM ≈ Db

Modulação ASK e FSK

Caso 2: fonte óptica modulada e com chirp – laser monomodal com modulação directa

( )( )

,0 0 02

,1 0 02

bit "0": 2 cos 2 2 0 1

bit "1": 2 cos 2 2 0 1

d

d

fs b

fs b

p t t t D

p t t t D

πν π φ

πν π φ

� − + ≤ ≤�

+ + ≤ ≤�

∆νs ≈ ∆νM

≈ fd >> Db

Modulação ASK(com ruído na amplitude e

na frequência)

Caso 3: fonte óptica ruidosa modulada – LED’s ou laser multimodo

( ) ( )( )( ) ( )( )

,0 0 02

,1 0 02

bit "0": 2 cos 2 2 0 1

bit "1": 2 cos 2 2 0 1

d

d

fs a n b

fs a n b

p n t t t t t D

p n t t t t t D

πν π φ φ

πν π φ φ

� � �+ − + + ≤ ≤ � ��

� �+ + + + ≤ ≤ � ��

∆νs ≈ ∆νF >> Db

As principais fontes ópticas utilizadas em comunicações...

Documents

Transcript of As principais fontes ópticas utilizadas em comunicações...