Sieci optoelektroniczne

Transkrypt

1 Sieci optoelektroniczne Wykład 5: Aktywne elementy sieci światłowodowych dr inż. Walery Susłow

2 Elementy budowy sieci światłowodowej Pasywne: włókno złącza światłowodowe rozgałęziacze sprzęgacze filtry akcesoria moduły naprawcze Aktywne: nadajniki odbiorniki wzmacniacze i konwertery optyczne rutery i przełączniki optyczne

3 Komponenty optyczne w sieci informatycznej Transmitters Modulators Optical Amplifier Dispersion Compensation Module Optical Cross Connect Receivers Multiplexer Pump Lasers Fiber Reconfigurable Add/Drop Module Demultiplexer Source:Corning and Needham & Co.

4 Rynek komponentów optycznych dla sieci Transmitters Modulators $732M; 33 % Optical Amplifier Dispersion Compensation Module $28M; 29 % Optical Cross Connect $81M; 31 % Receivers $733 M; 22 % $245M; 19 % Multiplexer Pump Lasers Source:Corning,R HK, and Needham & Co. Fiber Reconfigurable Add/Drop Module Demultiplexer $167M; $30M; $622M; 53 % 129 % 20 %

5 Nadajnik i odbiornik w linii światłowodowej Input data DRIVER SOURCE Source-to-fiber connector Transmitter Optical Fiber Fiber-to-detector connector DETECTOR OUTPUT CIRCUIT Output data Receiver

6 Łącza światłowodowe typu OEO

7 Launched power spectra P P λ λ LED Transmitter Multi-mode laser Transmitter Ewolucja łącz światłowodowych OEO repeater 1.3 mm OEO repeater OEO repeater OEO repeater OEO repeater Receiver Receiver P λ Single-mode laser 1.55 µm Transmitter OEO repeater Receiver P,λ 1,λ 2,...λ n Multi λ- Transmitter WDM- MUX WDM at λ 1, λ 2,... λ n Fiber-amplifier EDFA/Raman WDM- DEMUX Multi λ- Receiver Multi-mode fiber Single-mode fiber OEO repeater Opto-electro-optical repeater

8 Światło wykorzystywane w sieciach optycznych Po za źródłem światła istotnym elementem nadajnika jest układ modulujący. W idealnym przypadku źródło światła powinno dostarczać stabilnej fali o określonej częstotliwości i wystarczającej mocy.

9 Klasyfikacja źródeł światła wykorzystywanych w sieciach optycznych Diody luminescencyjne (Light Emitting Diodes - LED) diody powierzchniowe diody krawędziowe RCE LED (resonance cavity enhanced) LED Lasery - diody laserowe (LD) lasery FP (Fabry-Perota) lasery DFB (distributed feedback) i DBR (distributed Bragg reflector) lasery VCSEL (vertical cavity surface emitting lasers) lasery światłowodowe

10 LED wiadomości podstawowe Dioda luminescencyjna (dioda świecąca półprzewodnikowa) wykonana zazwyczaj z GaAs. Rekombinacji ładunków w złączu p-n diody towarzyszy Iuminescencja emisja promieniowania elektromagnetycznego. Częstości emitowanych kwantów z GaAs odpowiadają promieniowaniu podczerwonemu.

11 LED wiadomości podstawowe, cd. Działanie opiera się na zjawisku rekombinacji nośników ładunku (rekombinacja promienista). LED emituje światło o mocy wzrastającej w przybliżeniu liniowo ze wzrostem prądu zasilania. LED jest źródłem światła wykorzystującym zjawisko emisji spontanicznej.

12 LED wiadomości podstawowe, cd. Emisja spontaniczna jest emisją nieuporządkowaną i zachodzi w rozbieżnych kierunkach. Istotną wadą diody LED jest to, że emituje ona szerokie widmo ciągłe z pewnego przedziału długości fali. Do wad zaliczyć także trzeba małą moc optyczną emitowanej wiązki światła. W telekomunikacji światłowodowej zastosowanie znalazły trzy spośród kilku możliwych struktur diod elektroluminescencyjnych: dioda powierzchniowa, dioda krawędziowa, dioda superluminescencyjna.

13 Diody powierzchniowe Najprostsze do wykonania diody elektroluminescencyjne wykorzystują homozłącza p-n do wstrzykiwania nadmiarowych elektronów do warstwy p, w której następuje rekombinacja promienista. Gęstość prądu sięga kilku tysięcy A/cm 2. Proces osiągać może sprawności kwantowe rzędu 50%.

14 Dioda powierzchniowa typu Burrusa Najczęściej stosowana w telekomunikacji konfiguracja. Wykonuje się zagłębienie w podłożu z GaAs w celu zmniejszenia zachodzącej w nim silnej absorpcji emitowanego promieniowania i maksymalnego zbliżenia światłowodu do struktury emitującej światło. Promieniowanie trafia bezpośrednio do światłowodu.

15 Diody powierzchniowe, cd. Struktura diody Burrusa niezbyt dobrze ogranicza obszar, w którym płynie prąd, co prowadzi do niekorzystnego zmniejszenia gęstości prądu i powiększenia obszaru, z którego emitowane jest promieniowanie. Rozbieżność światła emitowanego przez diodę powierzchniową jest duża, w zastosowaniach sieciowych zależy na wyjątkowo ukierunkowanej wiązce. Efekt falowodowy zmniejsza rozbieżność wiązki w płaszczyźnie prostopadłej do złącza do około 30 stopni. Jednak w płaszczyźnie równoległej do złącza rozbieżność wiązki pozostaje znacznie większa.

16 Dioda krawędziowa Diody krawędziowe pracują z dużymi prądami sięgającymi nawet kilkuset ma, pozwalają wprowadzić do światłowodu wielomodowego moce rzędu kilkuset mkw. Diody krawędziowe mają o wiele większe pasmo modulacji w porównaniu z diodami powierzchniowymi. Całkowita moc świetlna diod krawędziowych jest kilkakrotnie mniejsza aniżeli diod powierzchniowych o porównywalnych parametrach.

17 Dioda krawędziowa, cd.

18 Dioda RCLED

19 Dioda dla światłowodu z włóknem plastykowym

20 Dioda superluminescencyjna Struktura diody superluminescencyjnej jest podobna jak u diody krawędziowej i lasera półprzewodnikowego. Od lasera różni się tym, że jeden z jej końców ma duże straty optyczne, co zapobiega odbiciom, a w konsekwencji akcji laserowej.

21 Konstrukcja diody komunikacyjnej LED

22 Konstrukcja diody komunikacyjnej LED, cd.

23 SOE 2005 Walery Suslow Konstrukcja diody komunikacyjnej LED, cd. LED Lens Clip Lens Fiber Window Connector Ferrule Metal Connector Port TO-46 Header

24 Układy analogowe do sterowania diodą LED

25 Układy cyfrowe do sterowania diodą LED

26 Odpowiedź LED na modulację cyfrową Szybkość modulacji diody elektroluminescencyjnej zależy od dynamiki nośników i jest ograniczona przez średni czas życia nośnika mniejszościowego w rejonie rekombinacji.

27 Moduł transceivera ze źródłem LED Funkcjonalny schemat blokowy optycznego modułu transceivera 155Mbps MM ze źródłem LED

28 Typowe charakterystyki LED W praktyce diody elektroluminescencyjne wykazują znaczną nieliniowość zależności mocy świetlnej od prądu płynącego przez diodę, jedną z przyczyn tej nieliniowości jest wzrost temperatury złącza przy dużych prądach.

29 Typowe charakterystyki LED, cd. Charakterystyki spektralne diod elektroluminescencyjnych z GaAs, oraz charakterystyki widmowe diod elektroluminescencyjnych wytworzonych z różnych materiałów półprzewodnikowych.

30 Typowe charakterystyki LED, cd. Charakterystyka kątowa promieniowania diody LED.

31 Wpływ konstrukcji na charakterystyki LED Pełna szerokość linii widmowej (mierzona w połowie wartości maksymalnej) diod pracujących w temperaturze pokojowej w oknie 0,85 mkm zawiera się zazwyczaj w granicach nm.

32 Wpływ konstrukcji na charakterystyki LED, cd. Natężenie światła a prąd diody

33 Wybrane charakterystyki diod komunikacyjnych

34 Wybrane charakterystyki diod komunikacyjnych, cd.

35 Rozpowszechnione materiały emitera a charakterystyki LED

36 Parametry diod LED stosowanych w sieciach światłowodowych Długość fali LED i LD jest określona przez wybór materiału: AlGaAs: nm, InGaAsP: 1300, 1550 nm.

37 Lasery źródłem w sieciach optycznych Laser z angielskiego Light amplification by stimulated emission of radiation - wzmocnienie światła przez wymuszoną emisję promieniowania. Jest to generator kwantowy optyczny prawie spójnego promieniowania elektromagnetycznego z zakresu widma od nadfioletu do dalekiej podczerwieni. Generację uzyskuje się wykorzystując zjawisko wymuszonej emisji promieniowania w ośrodku po odwróceniu (inwersji) osadzeń. Lasery stosuje się w telekomunikacji do przekazywania sygnałów radiowo-telewizyjnych i telefonicznotelegraficznych wieloma kanałami przy użyciu jednej wiązki laserowej.

38 Podstawowe zjawiska: absorpcja emisja spontaniczne emisja wymuszona stan metastabilny pompowanie (optyczne, prądowe) inwersja obsadzeń rezonator (optyczne sprzężenie zwrotne) Zasada pracy lasera Laser półprzewodnikowy (złączowy) - laser w którym ośrodkiem czynnym jest półprzewodnik. Konstrukcje diod laserowych: lasery F- P lasery ze studniami kwantowymi lasery DFB, DBR lasery VCSEL

39 Klasyfikacja diod laserowych Laser wielomodowy generuje kilka modów o długościach fal zawierających się w przedziale kilku nanometrów. Laser jednomodowy generuje tylko jeden mod. Optyczne widmo częstotliwościowe lasera jednomodowego ma skończoną szerokość. Lasery można podzielić ze względu na szerokość widma i sposób modulacji.

40 Konstrukcja lasera półprzewodnikowego Zasadnicze elementy: ośrodek czynny, rezonator optyczny i układ pompujący (wytwarza odwrócenie obsadzeń). Promieniowanie rozchodzące się wzdłuż osi rezonatora ulega wzmocnieniu w procesie emisji wymuszonej. Wyprowadzenie strumienia generowanego promieniowania następuje przez jedno ze zwierciadeł w postaci wiązki o małym kącie rozbieżności.

41 Lasery diodowe (homozłączowe( homozłączowe) Schemat poziomów energetycznych lasera półprzewodnikowego: a) przy braku zasilania, b) przy złączu spolaryzowanym w kierunku przewodzenia. Progowa gęstość prądu: J t = ned/τ s, wartość rzędu ka/cm 2 -główna wada laserów homozłączowych.

42 Lasery heterozłączowe Uproszczony schemat struktury heterozłączowej spolaryzowanej w kierunku przewodzenia i zmiany współczynnika załamania w przekroju poprzecznym złącza. Materiał GaAs i Al x Ga 1-x As, gdzie x jest względną zawartością atomów aluminium zastępujących w węzłach sieci krystalicznej gal.

43 Konstrukcja diody laserowej Lasery o geometrii paskowej. Lasery o geometrii paskowej. Zależność mocy optycznej od prądu jest nieliniowa, wykazuje załamania spowodowane zmianami emitowanego modu poprzecznego. Występuje niestabilność charakterystyki przestrzennej emitowanego promieniowania. Prąd progowy ma, wielodomowość.

44 Konstrukcja diody laserowej, cd. Lasery z warstwą zagrzebaną - uformowanie falowodu wzdłuż złącza. Rejon aktywny jest otoczony przez warstwy materiału o niższym współczynniku załamania. Rozkład przestrzenny emitowanego modu stabilny, lasery zapewniają generację tylko jednego modu poprzecznego. Prądy progowe ma, zależność mocy świetlnej od prądu nie wykazuje nieliniowości.

45 Konstrukcja diody laserowej, cd. Lasery z wieloma studniami kwantowymi (Multi Quantum Well - MQW) - warstwa aktywna składa się z wielu bardzo cienkich warstw dla typowych struktur konwencjonalnych różniących się wartością przerwy energetycznej. Istotną rolę, odgrywają efekty kwantowe. Cechy: mniejsze wartości prądu progowego i jego wrażliwość na temperaturę, mniejsza kilkukrotnie od konwencjonalnych struktur szerokość linii widmowej i mniejsze migotanie (chirp).

46 Konstrukcja diody laserowej, cd. Lasery z rozłożonym sprzężeniem zwrotnym. Selektywność wyboru modu podłużnego jest poprawiona przez zastosowanie: selektywnego rozproszonego sprzężenia zwrotnego (Distributed Feedback - DFB), rozproszonego odbicia Bragga (DBR - distributed Brass reflector).

47 Konstrukcja diody laserowej, cd. Wielosekcyjne lasery DFB i DBR. Lasery o bardzo wąskiej linii widmowej o długości fali przestrajanej w możliwie szerokim zakresie. Trzysekcyjny laser DBR składa się z obszaru aktywnego, który jest scalony z przedłużoną wnęką rezonansową utworzoną z sekcji kontroli fazy i obszaru statki dyfrakcyjnej wykorzystującej selektywny falowo, rozproszony reflektor Bragga. Prąd wstrzykiwany do siatki powoduje zmiany koncentracji nośników i w konsekwencji zmiany współczynnika załamania, zmieniając długość fali odbicia Bragga a co za tym idzie również długość fali generowanego światła.

48 Konstrukcja diody laserowej, cd. Laser o emisji powierzchniowej typu VCSEL (Vertical Cavity Surface Emitting Lasers). Ten rodzaj źródła światła wykorzystują sieci oparte na Gigabit Ethernet na kablach wielomodowych. VCSEL jest bardziej efektywny niż tradycyjne lasery, dostarczając jednocześnie większą szerokość pasma niż źródła oparte na diodach LED.

49 Typowe charakterystyki LD idealna realna Charakterystyka emisyjna Charakterystyka emisyjna lasera półprzewodnikowego. Część pierwsza charakterystyki określa moc prom. spontanicznego, druga, szybko wznosząca się, wyznacza moc prom. spójnego, a jej nachylenie jest miarą sprawności kwantowej przyrostowej lasera. Schodki" wynikiem niestabilności struktury modowej.

50 Typowe charakterystyki LD, cd. Prąd progowy - natężenie prądu zasilającego laser, przy którym występuje wzbudzenie generacji, często jest podawany w przeliczeniu na jednostkę powierzchni obszaru czynnego [A/cm 2 ]. Temperatura ma wpływ na wydajność optyczną oraz efektywność modulacji lasera.

51 Typowe charakterystyki LD, cd. Charakterystyka widmowa składa się z dużej liczby wierzchołków wynikających z jednoczesnego wzbudzenia w rezonatorze wielu rodzajów drgań. Długość fali odpowiadająca wierzchołkiem dominującym jest związana z szerokością pasma zabronionego w półprzewodniku, z którego zrobiono laser.

52 Typowe charakterystyki LD, cd. Charakterystyka kierunkowa Charakterystyka kierunkowa. Charakterystyka kierunkowa lasera jest wyznaczana w płaszczyźnie równoległej do płaszczyzny heterozłącza oraz w płaszczyźnie do niej prostopadłej.

53 Modulacja lasera Modulacja bezpośrednia modulacja prądowa. Impulsy z lasera przy modulacji bezpośredniej mają spektrum optycznie poszerzone. Zmiana natężenia światła powoduje jednocześnie modulację częstotliwości. Modulacja zewnętrzna Modulacja zewnętrzna lasera pracującego na fali ciągłej pozwala na uzyskanie sygnału optycznego o minimalnej szerokości pasma.

54 Modulacja lasera, cd. Ze względu na liniową zależność P(I) diody laserowe pracują w liniowym zakresie modulacji prąd-moc. Efektywność modulacji określa typowy współczynnik 0,2 mw/ma.

55 Chirp migotanie lasera Migotanie lasera oznacza zmianę częstotliwości światła emitowanego przez laser półprzewodnikowy w czasie trwania impulsu. Przy bezpośredniej modulacji lasera zjawisko prowadzi do poszerzenia linii spektralnej emitowanego światła. Przyczyną migotania jest cykliczna zmiana gęstości nośników swobodnych w warstwie aktywnej, co prowadzi do zmiany współczynnika załamania i w końcu do zmiany częstotliwości światła (modu) lasera. Migotanie może być przezwyciężone poprzez zastosowanie zewnętrznej modulacji światła, ale efekt chirp objawia się i przy tej modulacji poprzez migotanie fazy.

56 Układy analogowe do sterowania laserem

57 Układy cyfrowe do sterowania laserem

58 Funkcjonalny schemat blokowy optycznego modułu transceivera 155Mbps SM ze źródłem LD

59 Moduły nadawcze FP oraz DFB/CWDM Transmisja danych z szybkością do 2.5Gbit/s. Praca w oknie 1310nm/1550nm (FP) oraz w zakresie 1310nm nm (MQW DFB/CWDM).

60 Materiały dla laserów półprzewodnikowych

61 Parametry laserów półprzewodnikowych stosowanych w sieciach światłowodowych Diody laserowe (LD) są dostępne w wersji z wyprowadzeniem światłowodowym lub z gniazdem dla standardowego złącza światłowodowego.

62 Rynek diod laserowych

63

64 Detektory w sieciach optycznych W detektorach fala optyczna przekształcana jest w prąd elektryczny za pomocą fotodiody. Natężenie prądu jest proporcjonalne do mocy fali świetlnej (przesyłana informacja zawarta w zmianach mocy optycznej). Detektory powinny: charakteryzować się dużą czułością, posiadać szerokie pasmo częstotliwościowe w celu uzyskania dużych przepustowości, posiadać korzystny stosunek sygnału do szumu, być odporne za zakłócenia zewnętrzne, posiadać aperturę numeryczną dopasowaną do włókna.

65 Podstawowe detektory półprzewodnikowe

66 Światłowodowa dioda PIN Typowy czas narastania impulsu stanowiącego odpowiedź prądową na krótki impuls światła jest mniejszy niż 1ns, a w specjalnych wykonaniach 100 ps. Sprawność generacji jest około 80%.

67 Dioda lawinowa (APD) - konstrukcja światłowodowa APD wykazuje wewnętrzne wzmocnienie, realizowane przez lawinowe powielanie nośników w obszarze złącza. Sprawność wynosi około 100%, szerokość pasma kilkaset GHz i współczynnik powielania około Duży prąd ciemny i dłuższa odpowiedź impulsowa układu.

68 Układ fotodetektora dla linii światłowodowej Stosuje się dwa układy odbiorników optoelektronicznych bazujące na diodach PIN i APD: niskoimpedancyjny i transimpedancyjny (lepsze właściwości S/N).

69 Czułość fotodiody Czułość fotodiody określona jest wzorem: R 0 =(η* q e * λ LED )/(h*c), gdzie: η sprawność fotodiody, λ LED długość środkowa fali promieniowania optycznego LED, q e ładunek elektronu, h stała Plancka, c prędkość światła.

70 Porównanie czułości detektorów

71 Parametry detektorów fotoelektrycznych Sygnał detektora V=V(b, f, λ, J, A), gdzie b - polaryzacja, f - częstotliwość modulacji, λ długość fali, J - strumień (moc) padającego promieniowania, A - pole powierzchni detektora.

72 Photodetector Typowe parametry fotodetektorów Wavelength (nm) Responsivity (A/W) Dark Current (na) Rise Time (ns) Silicon PN Silicon PIN InGaAs PIN InGaAs APD Germanium

73 Charakterystyki fotodetektorów Charakterystyka prądowa fotodiody p-n spolaryzowanej zaporowo.

74 Charakterystyki fotodetektorów, cd. Charakterystyki widmowe Charakterystyki widmowe detektorów zbudowanych z różnych materiałów półprzewodnikowych.

75 Przykłady odbiorników optoelektronicznych światłowodowych Plastic Fiber Optic 155 Mbps Photologic Detector IF-D98 (400 to 1050 nm, an internal micro-lens). 2.5 Gbps PIN PD LC Receiver with Stub. LC type ROSA (Receiver Optical Sub Assembly). Photo detector in 2.5Gbps fiber optic communication and other types of optical equipment. InGaAs PIN photodiode with a transimpedance amplifier.

76 Moduły odbiorcze PIN-TIA oraz APD-TIA Wbudowany obwód kontroli wzmocnienia AGC. Odbiór fal w zakresie 1100nm nm (PIN-TIA) oraz 1300nm nm (APD-TIA).

77 Wzmacniacze optyczne Wzmacniacze optyczne są jednymi z ważniejszych elementów aktywnych sieci światłowodowych i odgrywają bardzo ważną rolę w obecnych systemach teletransmisyjnych, ponieważ pozwalają na wzmocnienie strumienia optycznego biegnącego w światłowodzie. Wzmacniacze można podzielić na dwie podstawowe grupy (ze względu na charakterystykę pracy): Wzmacniacze półprzewodnikowe Wzmacniacze optyczne

78 Podział wzmacniaczy optycznych

79 Wzmacniacze półprzewodnikowe Wzmacniacze półprzewodnikowe wykorzystują istniejące struktury laserów półprzewodnikowych. Przepływ prądu powoduje wzbudzenie (przejście na wyższe poziomy energetyczne ładowanie ) elektronów w ośrodku aktywnym, a następnie następuje przekazanie energii sygnałowi przechodzącemu. Można wyróżnić trzy zasadnicze typy wzmacniaczy: Fabry-Perota (Fabry-Perot Amplifier FPA) z falą bieżącą (Travelling Wave Amplifier TWA) z rezonatorem w postaci siatki dyfrakcyjnej Bragga (DBR)

80 Optyczne sprzężenie zwrotne, rezonator Fabry-Perota

81 Wzmacniacze i ich charakterystyki pracy

82 Wzmacniacze zbudowane na światłowodzie Wykorzystują jako ośrodek wzmacniający światło odpowiednio domieszkowany i pompowany optycznie światłowód. Używa się różnych pierwiastków ziem rzadkich, takich jak erb, prazeodym, neodym, holm, które mogą pracować na różnych długościach fal, od światła widzialnego do podczerwieni. Można je podzielić na wzmacniacze wykorzystujące efekty nieliniowe i na włóknach domieszkowanych. Wykorzystują efekty nieliniowe: FRA Fiber Raman Amplifier; FBA Fiber Brillouin Amplifier; Wykorzystują włókna domieszkowane: Wzmacniacze domieszkowane erbem (Erbium Doped Fiber Amplifier EDFA). Pracują one w pobliżu długości fali 1550nm i dlatego używa się je w III oknie transmisyjnym.

83 Wzmacniacze zbudowane na światłowodzie, cd. Wzmacniacze światłowodowe mają tą przewagę nad półprzewodnikowymi, że dadzą się włączyć do linii transmisyjnej z bardzo małymi stratami na sprzężenie. Najważniejszą zaletą tych wzmacniaczy jest zależność ich charakterystyk spektralnych od struktury włókna. Powoduje to, że wzmacniacze te są bardziej odporne na zmiany temperatury i starzenie. Obecnie stosowane wzmacniacze domieszkowane dają większe wzmocnienie niż wzmacniacze półprzewodnikowe. Ponadto wprowadzenie takiego wzmacniacza do toru transmisyjnego nastręcza mniej problemów i pozwala na zmniejszenie strat mocy.

84 Optical amplifiers Optical amplifiers Direct amplification of photons (no conversion to electrical signals required) Major types: Erbium-doped fiber amplifier at 1.55 µm (EDFA and EDFFA), Raman-amplifier (have gain over the entire rage of optical fibers), Praseodymium-doped fiber amplifier at 1.3 µm (PDFA), semiconductor optical amplifier - switches and wavelength converters (SOA). Optical amplifiers versus opto-electrical regenerators: much larger bandwidth and gain, easy usage with wavelength division multiplexing (WDM), easy upgrading, insensitivity to bit rate and signal formats. All OAs based on stimulated emission of radiation - as lasers (in contrast to spontaneous emission). Stimulated emission yields coherent radiation - emitted photons are perfect clones

85 Signal in (1550 nm) Erbium-doped fiber amplifier (EDFA) Isolator Erbium fiber Isolator Signal out Pump Residual pump 980 or 1480 nm Amplification (stimulated emission) happens in fiber Isolators and couplers prevent resonance in fiber (prevents device to become a laser). Popularity due to: availability of compact high-power pump lasers, all-fiber device: polarization independent, amplifies all WDM signals simultaneously.

86 Czytać M. G. Unger, Telekomunikacja optyczna. A. Smoliński, Optoelektronika światłowodowa. S. Patela, prezentacje wykładów: Źródła światła w technice światłowodowej podstawy oraz Detektory ( Illustrated fiber optic glossary,