Sistemas de Telecomunicações Guiados - ISCTE - Acetatos 10 1 • As principais fontes ópticas utilizadas em comunicações ópticas são o LED (light emitting diode) e o LD (Laser diode que funciona segundo o princípio LASER - light amplification 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, Δλ S ou Δν S Fontes Ópticas - Tipos e principais características - Potência óptica: • LED: P opt de 10 a 100 μW • LD: P opt de 1 a 5 mW M F λ λ Δ Δ Largura espectral da fonte óptica na ausência de modulação Largura de banda do sinal modulado (da modulação)
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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)
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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
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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 .
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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
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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
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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
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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
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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)
Corrente de injecção
Sinal óptico emitido
Região activa
Grelha de Bragg
Sinal óptico emitido
Corrente de injecção
Sinal óptico emitido
Região activa
Grelha de Bragg
Sinal óptico emitido
Grelha de Bragg
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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
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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
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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
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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
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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
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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