OPTOTELEKOMUNIKACJA dr inż. Piotr Stępczak 1
Optyczne elementy aktywne Źródła optyczne Diody elektroluminescencyjne Diody laserowe Laser światłowodowy Wzmacniacze optyczne Półprzewodnikowe Światłowodowe Odbiorniki optyczne Fotodioda PIN Fotodioda APD dr inż. Piotr Stępczak
Rodzaje źródeł optycznych Źródła optyczne Półprzewodnikowe Włókniste LED Laser Domie szkow ane Efekt nieli- niowy Powierz chniowa Krawę- dziowa Super- lumines- cencyjna FP DFB DBR EDFL Ramana dr inż. Piotr Stępczak 3
Zjawisko promieniowania E E E E t E hν E E hν E hν E hν E E 1 E 1 E 1 E 1 absorpcja promieniowa emisja spontaniczna emisja wymuszona dr inż. Piotr Stępczak 4
Zjawisko promieniowania równowaga termiczna E E inwersja obsadzeń E N E hν E N hν E hν E E 1 E 1 N 1 E 1 N 1 - grupa atomów w równowadze termicznej - N > N 1 rozkład Boltzman a E exp N E kt N 1 1 - ośrodek wzmacnia sygnał - im większa energia poziomu tym mniejsze obsadzenie - ośrodek pochłania promieniowanie dr inż. Piotr Stępczak 5
Generowanie światła wstrzykiwanie elektronów emisja światła E p λ 1,4 Ehν P ηhv I E E p - E v q v ev n p wstrzykiwanie dziur dr inż. Piotr Stępczak 6
Generowanie światła kontakt metalowy typ n GaAs podłoże typ n typ n typ p Ga 1-x Al x AsGa 1-x Al x AsGa 1-x Al x As 1µm obszar rekombinacj 0,7µm 1µm typ p GaAs 1µm kontakt metalowy n(r) obszar falowodowy obszar aktywny dr inż. Piotr Stępczak 7
Dioda elektrolumenscencyjna P [mw],0 1,5 1,0 hν P η I q Burrusa krawędziowa Względna moc 1,0 0,8 0,6 0,4 0, AlGaAs GnAs InGaAs InGaAsP InGaAsP 0,5 super LED 0 λ [µm] 0,7 0,8 0,9 1,0 1,1 1, 1,3 1,4 1,5 1,6 1,7 P, I 50 100 150 I [ma] f gr 0,35 τ n ( ) P ω P 1+ o f f gr τ n t dr inż. Piotr Stępczak 8
Dioda elektrolumenscencyjna Dioda Burrusa soczewka kulista żywica epoksyd. obszar aktywny 50µ µm n Ga As SiO Metal n Al Ga As p Ga As p Al Ga As p + Ga As Metalizacja Dioda krawędziowa soczewka warstwa aktywna 0,5 x 60 µm Metal n Ga As n Al Ga As p Al Ga As p + Ga As Metalizacja Ga As Podłoże n Optyczna warstwa przewodz. Ograniczanie nośników n Ograniczanie nośników p Optyczna warstwa przewodz. SiO dr inż. Piotr Stępczak 9
Dioda elektrolumenscencyjna LED uchwyt soczewki soczewka okno włókno ferrula złacza metalowe gniazdo złącza obudowa TO-46 dr inż. Piotr Stępczak 10
Działanie lasera Zjawiska występujące w laserze pompowanie (optyczne, prądowe) absorpcja inwersja obsadzeń emisja spontaniczna stan metastabilny emisja wymuszona rezonans (optyczne sprzężenie zwrotne) dr inż. Piotr Stępczak 11
Akcja laserowa Laser Fabry Perot g Transmitancja g I/I max λ L R 1 R Warunek amplitudy 1 L g α ln R1R Warunek fazy ( ) βl mπ λ dr inż. Piotr Stępczak 1
P(I), U(I) P [mw] 1 T10 o C T40 o C U [V] 10 T70 o C 4 8 P(I) 3 6 4 U(I) 1 0 10 0 30 40 50 60 70 80 I progowy I [ma] dr inż. Piotr Stępczak 13
Kontrolowanie pracy lasera Fotodioda Laser soczewka włókno dr inż. Piotr Stępczak 14
Jednomodowy laser półprzewodnikowy λn ef Λ DBR (Distributed Bragg Reflector) P Λ n obszar aktywny obszar aktywny siatka dyfrakcyjna (rozłożony reflektor Bragg a) falowód optyczny Cechy: - praca jednomodowa, - wzmocnienie uwarunkowane długością obszaru aktywnego, - selektywność reflektora uwarunkowana długością reflektora, dr inż. Piotr Stępczak 15
Jednomodowy laser półprzewodnikowy DFB (Distributed Feedback Bragg) P λn ef Λ n λ/4 siatka dyfrakcyjna obszar aktywny falowód optyczny Cechy: - praca jednomodowa, - większa moc optyczna niż w laserach DBR, - węższe spektrum emisji optycznej, - niższy prąd progowy niż w laserach DBR, - najdroższa produkcja. dr inż. Piotr Stępczak 16
Widmo optyczne LED i LD SM LD << 0,1nm LD DBR 0,01 0,000 1nm (~GHz 10MHz) LD DFB 0,005 0,000 001nm (~00MHz 00kHz) MM LD 1 10nm LED 35 60nm -60-50 -40-30 -0-10 I o +10 +0 +30 +40 +50 +60 długość fali [nm] dr inż. Piotr Stępczak 17
Modulacja 15 P [mw] P laserów 10 Zmiana widma f(i) 5 λ Rezonanse dla wyższych częstotliwości modulacji T A τ τ e f 50 100 P/P max I [ma] Zmiana dł.falize zmianą mocy optycznej (Chirp) CPR ν 10 GHz/mW P 0,1 1 10 f [GHz] dr inż. Piotr Stępczak 18
Sterowanie LD Doprowadzenia Złącze lasera L B R B Z o 50 Ω R S C S R j L B 0,18nH R B 0 Ω C S 1,1pF R S 0 Ω R j 5,6 Ω - skok impedancji na styku Linia ster. LD spolaryzowane w kier. przew. - niedopasowanie impedancji zjawisko odbicia -> wymagany DRIVER - zjawiska relaksacji dielektrycznej, rozmiary i pojemność złącza LD ograniczają w praktycznych zastosowaniach pasmo pracy do 10 GHz dr inż. Piotr Stępczak 19
Układy sterujące LED i LD R 4 R R 3 R 1 dr inż. Piotr Stępczak 0
Typowe parametry LED - LD Parametr LED MM LD SM LD Szerokość spektralna (nm) 0 100 1 5 <0, Czas przełączania (ns) -50 0,1 1 0,005 1 Pasmo modulacji (MHz) <300 000 10 000 Sprawność sprzężenia z wł. Bardzo słaba Dobra Bardzo dobra Kompatybilność z włóknem MM SI MM GI MM GI SM Wrażliwość temperaturowa Niska Wysoka Wysoka Układ sterujący Prosty Złożony Złożony Czas pracy (tyś. godzin) 100 10 100 10-100 Koszt Niski Umiarkowany Wysoki Zastosowanie - zasięg szybkość transmisji Mały/ średni Małe Średni/duży Duża SM Duży/ b. duży Duża/ b. duża dr inż. Piotr Stępczak
Optyczne elementy aktywne Źródła optyczne Diody elektroluminescencyjne Diody laserowe Laser światłowodowy Wzmacniacze optyczne Półprzewodnikowe Światłowodowe Odbiorniki optyczne Fotodioda PIN Fotodioda APD dr inż. Piotr Stępczak 3
Rodzaje wzmacniaczy optycznych Wzmacniacze optyczne Półprzewodnikowe Włókniste FPA TWA DBR Domieszkow. Efekt nieliniowy EDFA 1,55µm PDFA 1,3µm Ramana dr inż. Piotr Stępczak 4
Optyczny wzmacniacz półprzewodnikowy praca poniżej prądów progowych -jeszcze nie występuje samowzbudnie i akcja laserowa wzmocnienie maleje przy wzroście mocy sygnału wejściowego i prowadzi do nasycenia niewielki próg nasycenia (poniżej 50uW) duże straty sprzężenia z włóknem światłowodowym do wzmacnianego sygnału dodawany jest szerokopasmowy szum (współczynnik szumu F 5,dB) dr inż. Piotr Stępczak 5
Optyczny wzmacniacz półprzewodnikowy wielorezonansowy z wnęką Fabry-Perot G (0-30) db R (1 30) % szerokopasmowy z falą bieżącą (rezonator pokryty jest warstwami przeciwodblaskowymi) λ R (0,1 0,01) % ~ 50 nm selektywny jednorezonansowy z siatką dyfrakcyjną DBR λ dr inż. Piotr Stępczak 6 λ
Optyczny wzmacniacz włóknisty pompowany optycznie laserem półprzewodnikowym sprzężonym przez sprzęgacz WDM wzmocnienie maleje przy wzroście mocy sygnału wejściowego lecz nie występuje nasycenie (wsp.wzmocnienia 40dB) duża moc optyczna sygn. wyjściowego (do 5 dbm) szerokie pasmo wzmocnienia ( 40nm) jednoczesne wzmacnianie wielu długości fal optycznych brak wrażliwości na rodzaj sygnału wzmacnianego niskie straty sprzężenia z włóknem światłowodowym do wzmacnianego sygnału dodawany jest szerokopasmowy szum (współczynnik szumu F 3, 4,5dB) dr inż. Piotr Stępczak 7
Optyczny wzmacniacz włóknisty Optoizolator λ λ λ włókno domieszkowane erb (III okno), prazeodym (II okno) laser pompujący λ980nm lub λ1410nm laser pompujący dr inż. Piotr Stępczak 8
Optyczne elementy aktywne Źródła optyczne Diody elektroluminescencyjne Diody laserowe Laser światłowodowy Wzmacniacze optyczne Półprzewodnikowe Światłowodowe Odbiorniki optyczne Fotodioda PIN Fotodioda APD dr inż. Piotr Stępczak 9
Odbiornik optyczny - PIN Pole Elektryczne Sprawność kwantowa id Ne q η N P f hν S d hν q p- i n+ u d -(5 50)V E p n+ u d E v p E g Czułość fotodiody hν hν > E g λ c hν E g S d id P η q ηqλ hν hc [ A/ W dr inż. Piotr Stępczak 30 ]
Odbiornik optyczny - APD Pole Elektryczne Sprawność kwantowa MNe η S N f d hν Mq n p i n+ Czułość fotodiody S S d i P APD M ηq hν [ A / W ] u d -(100 400)V dr inż. Piotr Stępczak 31
Charakterystyka I(U d ) fotodiody typowy zakres pracy fotodiody fotowoltaiczny zakres pracy fotodiody dr inż. Piotr Stępczak 3
Model zastępczy fotodiody i(t)s d P o C d R s R d C d pojemność złącza PIN zależna od powierzchni złącza i względnej przenikalności elektrycznej dielektryka i R d upływność złącza PIN odpowiada za prąd ciemny R s uwzględnia rezystywność podłoża struktury dr inż. Piotr Stępczak 33
Szybkość fotodiody czas transportu nośników przez warstwę i grubość warstwy i pole powierzchni warstwy i czas transportu nośników po za warstwą i czas emisji dziur czas narastania efektu lawinowego (APD) dr inż. Piotr Stępczak 34
Szybkość fotodiody fotodiody o małych złączach spolaryzowanych zaporowo τ n 1ns fotodiody o dużych powierzchniach i fotowoltaicznym trybie pracy τ n 1us fotodiody lawinowe o dużym napięciu polaryzacji wstecznej τ n 0,1ns dr inż. Piotr Stępczak 35
N f Szum fotodiody szum śrutowy P Ne ηn f NeT ηn hν q f T p k N k! et ( k) q N k( t) i( t) chwilowy prąd: et ( t) k q T średni prąd: hν hν ( t) N q Iśr i e T t średniokwadratowe odchylenie prądu: i fotodioda lawinowa : isz q B Iśr M F( M ) x 0, 3 Si F( M ) M x 0, 8 Ge i sz q B I śr M, 5 i(t) i sz t i śr q i T ( t) i sz Iśr pasmo 3dB i 1 B T q B sz I śr dr inż. Piotr Stępczak 36
Szum obciążenia szum termiczny 4kTB R o R o i T Ro dr inż. Piotr Stępczak 37
Szum obciążenia szum termiczny G G ktb R R i A 4 F R dr inż. Piotr Stępczak 38
Czułość fotoodbiornika Minimalna moc optyczna wymagana na wejściu do odbiornika dla której stosunek uzyskanej mocy sygnału do dysponowanej mocy szumu wydzielonej na obciążeniu osiąga zadaną wartość. dr inż. Piotr Stępczak 39
Czułość fotoodbiornika G I śr S d P o i szqbi śr i T4kTB/R R i A S N P P S N i i d N PIN APD S N S N i i i i d N d N i i sz sz I + i I + i śr T śr T + i + i A A qbi qm śr, 5 ( S P ) d o 4kTB + R ( MS P ) BI śr d o ( 1 + F ) 4kTB + R ( 1 + F ) dr inż. Piotr Stępczak 40
Układy fotoodbiorników Wzmacniacz z dużą opornością wejściową -U d u u 1 G RiG ( ωrcω ) + 1 R G u 1 u 1 f gr πrc τ o,rc 0,35 f gr dr inż. Piotr Stępczak 41
Układy fotoodbiorników Wzmacniacz transimpedancyjny -U d R f u i 1+ 1 G + R R f f ( 1+ jωrc) GR G dla G» 1 i niskich częstotliwości R u 1 u u ir f f gr G +1 πr C f dr inż. Piotr Stępczak 4
Zadanie Wylicz, jaka liczba fotonów w czasie 1ns musi dotrzeć do fotodiody o sprawności η70% i pojemności własnej C6pF, aby na obciążającej diodę rezystancji R1kΩ pojawiło się napięcie 10mV? Docierające fotony są o λ1310nm. Podaj, jaki wówczas będzie S/N? dr inż. Piotr Stępczak 43
Zadanie I śr U R 10mV 1kΩ 10µ A N f (T1ns)? S/N? Dioda: η70%, C6pF, λ1310nm N e I q śr T 10 10 1, 6 10 6 19 1 10 9 64 WY: na rezystancji R1kΩ U10mV + Ne N f 89174 η B 1 1 6, MHz πrc π 1kΩ 6 pf 56 R U10mV i i sz T qbi śr 4KTB R 17 ηqλ 8, 4989 10 A Sd 0, 74[ A/ W ] hc, 109 10 6 A P I S śr d 13, 53µ W 18, 68dBm S N i sz Iśr + i T 11766, 10 6 60, 7dB dr inż. Piotr Stępczak 44
Projektowanie systemu optycznego Nie Nie Parametry systemu Tak Analiza transmisji Tak Analiza kosztów Tak wymagania zleceniodawcy, możliwości i ograniczenia realizacji analiza budżetu mocy, analiza dynamiki systemu koszty planowane, rzeczywiste koszty realizacji dr inż. Piotr Stępczak 45
Projektowanie parametry systemu Architektura systemu punkt punkt, gwiazda, drzewo, szyna, parametry złączy, spawów, sprzęgaczy, multiplekserów (tłumienie, odbicia) Zasięg transmisji Kod transmisyjny Schemat modulacji Wymagany SNR lub BER Źródło optyczne moc, długość fali emisyjnej, szerokość spektralna, odpowiedź czasowa Odbiornik czułość, pasmo, szum Typ włókna i parametry tłumienie, dyspersja, NA, średnica rdzenia Wzmacniacze optyczne wzmocnienie, pasmo, szum Metody multipleksji OTDM, WDM dr inż. Piotr Stępczak 46
Projektowanie budżet mocy ( P P ) ( Lα + N α + N α + N α ) + N G M Tx Rx Fib Con Con Sp Sp Coup Coup OA Moc nadajnika : P Tx [dbm] Odbiornik: typ, czułość: P Rx [dbm] Tłumienie włókna: α Fib [db/km] Współczynnik wzmocnienia wzmacniacza: G Tłumienność: złącza: α Con [db] spawów: α Sp [db] sprzęgaczy: α Coup [db] [db] Zasięg transmisyjny: L [km] Margines projektowy : M (3 0 db) dr inż. Piotr Stępczak 47
Projektowanie analiza dynamiki Odpowiedź czasowa wszystkich elementów systemu nadajnika ( t Tx ) włókna ( t Fib ) odbiornika ( t Rx ) t Syst t i t Tx + t Fib + t Rx Pasmo systemu analogowego cyfrowego z kodem NRZ RZ B BR Syst BR NRZ RZ 0,35 t B B Syst Syst Syst [ s] 0,7 t Syst Syst [ Hz] [ s] 0,35 t [ s] [ Hz] [ Hz] dr inż. Piotr Stępczak 48
Projekt Wymagania Transmisja 1Gb Ethernet > BR 104 Mbps S/N lub BER BER10-9 > S/N3dB kod transmisyjny NRZ odległość L 5km topologia szeregowa Nadajnik TX złącze złącze Odbiornik RX Odbiornik RX złącze złącze Nadajnik TX dr inż. Piotr Stępczak 49
Projekt Wymagania Transmisja 1Gb Ethernet > BR 104 Mbps S/N lub BER BER10-9 > S/N3dB kod transmisyjny NRZ odległość L 5km złącze topologia szeregowa Nadajnik TX złącze Odbiornik RX Odbiornik RX Wybór elementów Nadajnik: LD λ1550nm; λ1nm; P Tx 0dBm; B1400MHz Odbiornik: PIN; S0,4A/W; B1400MHz; P min -15dBm(BER10-9 ) Kabel: SM; α(λ)0,db/km; NA0,11; n1,465; d10um; odcinki fabrykacyjne 4km spawów : 8 złączy : złącze złącze Nadajnik TX dr inż. Piotr Stępczak 50
Projekt dr inż. Piotr Stępczak 51
Projekt Budżet mocy ( P P ) ( Lα + N α + N α + N α ) + N G Tx Rx Fib Con Con Sp Sp Coup Coup OA M ( 0 + 15) ( 5 0, + 0, 5 + 8 0, 1) 8, db dr inż. Piotr Stępczak 5
Projekt Analiza dynamiki systemu nadajnika t Tx 0,35/B TX 50ps włókna t Fib?ps odbiornika t Rx 0,35/B TX 50ps BR t Fib 0, 7 t Syst t τ M Syst + τ 0, 7 683, 59 ps BR C + τ P t Syst t i t Tx + t Fib + t max tfib tsyst ttx trx 585, 06 ps Rx τ τ τ M C P 0, D D C P ps λ L 18 1nm 5km nm km ps L 0, 1 5km 0, 5 ps km 450 ps t Syst 57, 8 ps max BR 13Mbps τ Fib 450 ps dr inż. Piotr Stępczak 53