Fontes Ópticas - Tipos e principais...

Sistemas de Telecomunicações Guiados - ISCTE 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, ∆λF ou ∆νF(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, ∆λF ou ∆νF(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- Definição e princípios básicos de operação -

• Definição:– é um oscilador óptico baseado 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 (gerando fotões) ou não-radiativamente

– quando a corrente aplicada excede um valor crítico (corrente de limiar - Ith), observa-se que a taxa de emissão de fotões (potência óptica) na região onde são gerados os fotões (região activa) é superior à taxa de absorção dos fotões pelo material constituinte da região activa� Inversão da população

g (cm-1)

λ

ganho

absorçãoRegião onde se dá a

inversão de população

λ= 1300 nmInGaAs

– Para níveis de corrente abaixo do limiar, a resposta de um laser é semelhante à de um LED → tipo de emissão de luz dominante - emissão espontânea


Díodo Laser- Princípios básicos de operação (cont.) -

• 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 R2

Sinal 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.

0

2 com

2ma a

mc �k

n L �ν = =

Frequência de emissão do laser


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− −∆ = − = ↔ ∆ = − =La: comprimento da cavidadena,g: índice de refracção de grupo do material semicondutor


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

• 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 = I2

4 nm

λ

Esp

ectr

o

λ0

I = I1

50 nm

Abaixo do limiar o espectro é idêntico ao espectro do LED

Abaixo do limiar o espectro é idêntico 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)



Região activa

Grelha de Bragg




Região activa

Grelha de Bragg


Grelha de Bragg


Laser monomodal versus 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


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 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


Fontes ópticas -modulação directa - chirp

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

- quando se aplica um impulso de corrente de duração 200ps no instante −100ps 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 é um 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


Fontes ópticas -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 >> 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

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