Cosa c è nella lezione. In questa sezione si affronteranno i seguenti argomenti: Reti in fibra ottica

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1 Reti in fibra ottica 1/84 Cosa c è nella lezione In questa sezione si affronteranno i seguenti argomenti: Classificazione e parametri delle sorgenti ottiche LED Laser Modulazione digitale dei laser. 2/84

2 Reti in fibra ottica 3/84 Classificazione sorgenti ottiche 1/5 In questa lezione, ci occuperemo delle sorgenti ottiche, cioè dei dispositiviattiviche emettono radiazione elettromagnetica alla frequenze ottiche. Classificazione delle sorgenti: LED (Light Emitting Diodes) - Banda ottica di emissione molto larga (decine di nm) LASER (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) - Banda ottica di emissione stretta. 4/84

3 Classificazione sorgenti ottiche 2/5 Dal punto di vista sistemistico, le sorgenti ottiche sono classificate secondo il loro spettro di emissione Ci si riferisce qui allo spettro ottico di uscita, senza modulazione elettrica. 5/84 Classificazione sorgenti ottiche 3/5 Light Emitting Diode (LED) Large bandwidth Incoherent Power Spectrum λ 0 λ FWHM Dl nm 6/84

4 Classificazione sorgenti ottiche 4/5 Multi Longitudinal Mode (MLM) Laser Diode Several narrow coherent spectral lines Power Spectrum λ λ 0 FWHM Dl 1-10 nm 7/84 Classificazione sorgenti ottiche 5/5 Single Longitudinal Mode (SLM) Laser Diode Single narrow coherent spectral line Power Spectrum λ λ 0 FWHM Dl <0.01 nm 8/84

5 Il parametro FWHM 1/2 I datasheet delle sorgenti ottiche indicano le bande di emissione tramite il parametro: Full Width at Half Maximum (FWHM) Si tratta (per definizione) della classica banda a 3dB. Per laser MLM, è definita relativamente all inviluppo delle varie righe spettrali. 9/84 Il parametro FWHM 2/2 Spettro di emissione della sorgente λ 10/84

6 Il parametro FWHM 2/2 Spettro di emissione della sorgente Inviluppo righe spettrali λ 11/84 Il parametro FWHM 2/2 Spettro di emissione della sorgente 3dB Inviluppo righe spettrali λ 12/84

7 Il parametro FWHM 2/2 Spettro di emissione della sorgente 3dB Inviluppo righe spettrali FWHM λ 13/84 Principio di funzionamento Iniezione di corrente Giunzione p-n a semiconduttore Laser/LED Package Fiber Pigtail 14/84

8 Principio di funzionamento Iniezione di corrente Giunzione p-n a semiconduttore Laser/LED Package Inversione dei portatori Fiber Pigtail 15/84 Principio di funzionamento Iniezione di corrente Giunzione p-n a semiconduttore Laser/LED Package Inversione dei portatori Fiber Pigtail Generazione di luce 16/84

9 Principio di funzionamento Iniezione di corrente Giunzione p-n a semiconduttore Laser/LED Package Inversione dei portatori Fiber Pigtail Senza feedback ottico: Emissione spontanea Generazione di luce LED 17/84 Principio di funzionamento Iniezione di corrente Giunzione p-n a semiconduttore Laser/LED Package Inversione dei portatori Fiber Pigtail Senza feedback ottico: Emissione spontanea LED Generazione di luce Con feedback ottico: Emissione stimolata LASER 18/84

10 Caratteristiche elettriche 1/2 Dal punto di vista elettrico, la giunzione p-n agisce come un diodo. In particolare è necessaria: Polarizzazione diretta per la generazione di luce (LED e Laser) Polarizzazione inversa per la rivelazione di luce (fotodiodi). 19/84 Caratteristiche elettriche 2/2 I Light detection Light generation V bias Reverse bias Forward bias 20/84

11 Reti in fibra ottica 21/84 Light Emitting Diodes (LEDs) 1/2 Si tratta di un diodo con un energy gap tale da generare radiazione elettromagnetica alle frequenze desiderate. Funziona grazie al fenomeno dell emissione spontanea I fotoni sono generati in maniera casuale in tutte le direzioni e su un ampio range di lunghezze d onda. 22/84

12 Light Emitting Diodes (LEDs) 2/2 Materiale a semiconduttore P-type N-type 23/84 Light Emitting Diodes (LEDs) 2/2 Materiale a semiconduttore I(t) P-type N-type 24/84

13 Light Emitting Diodes (LEDs) 2/2 Materiale a semiconduttore I(t) P-type N-type 25/84 Light Emitting Diodes (LEDs) 2/2 Materiale a semiconduttore I(t) P-type N-type 26/84

14 Light Emitting Diodes (LEDs) 2/2 Materiale a semiconduttore I(t) P-type N-type 27/84 Light Emitting Diodes (LEDs) 2/2 Materiale a semiconduttore I(t) P-type N-type Sistema di accoppiamento ottico 28/84

15 Light Emitting Diodes (LEDs) 2/2 Materiale a semiconduttore P-type I(t) Fibra di uscita N-type Sistema di accoppiamento ottico 29/84 Light Emitting Diodes (LEDs) 2/2 Materiale a semiconduttore P-type I(t) Fibra di uscita N-type Sistema di accoppiamento ottico 30/84

18 Caratteristiche LED 1/2 Per ogni portatore che transita nella giunzione, può essere emesso un fotone per emissione spontanea con una deteminata probabilità. Una frazione dei fotoni emessi viene accoppiata sulla fibra di uscita. In prima approssimazione, la potenza ottica di uscita è proporzionale alla corrente iniettata. P () t kit () out 35/84 Caratteristiche LED 2/2 In pratica, questa relazione è vera fino ad una certa frequenza. Più esattamente, si deve tenere conto dell effetto di filtraggio elettrico: P () t = k h () t It () out LED Banda di modulazione tipica (elettrica): fino a MHz. 36/84

19 Campi di applicazione dei LED 1/2 Altre caratteristiche dei LED FWHM elevata (da 30 a 100 nm) -> forti limitazioni di dispersione Lunghezze d onda centrali: 830 nm (GaAs LED) o 1300 nm (InGaAsP LED) Bassa potenza di uscita (da 20 dbm a 10 dbm) Bassa velocità di modulazione. 37/84 Campi di applicazione dei LED 2/2 Conseguentemente, gli scenari di applicazione deiled sono relativialle retiman o alle applicazioni Very- Short Reach (VSR) Applicazioni a basso costo, tipicamente su fibra multimodo Distanze inferiori a 1 Km Bit rates fino a 155 Mbit/s. 38/84

20 Reti in fibra ottica 39/84 Laser a semiconduttore 1/2 Il funzionamento di un Laser a semiconduttore si basa su: generazione di fotoni in una opportuna giunzione p-n in polarizzazione diretta (in maniera del tutto simile ai LED); Feedback ottico: tramite l equivalente di filtri parzialmente riflettenti su due lati della struttura, i fotoni emessi transitano più volte all interno della struttura stessa; durante il transito, i fotoni vengono amplificati per effetto di emissione stimolata. 40/84

21 Laser a semiconduttore 2/2 Iniezione di corrente Contact layer p-inp n-ingaasp N-InP Light Lati parzialmente riflettenti 41/84 Laser Fabry-Perot (FP) 1/2 I laser FP sono i più semplicied i primiad essere stati realizzati. Sono costituiti da due semplicispecchi parzialmente riflettenti ai lati del semiconduttore. 42/84

22 Laser Fabry-Perot (FP) 2/2 Specchio parzialmente riflettente Specchio parzialmente riflettente 43/84 Laser Fabry-Perot (FP) 2/2 emissione spontanea Specchio parzialmente riflettente Specchio parzialmente riflettente 44/84

23 Laser Fabry-Perot (FP) 2/2 emissione spontanea emissione stimolata Specchio parzialmente riflettente Specchio parzialmente riflettente 45/84 Laser Fabry-Perot (FP) 2/2 emissione spontanea emissione stimolata emissione stimolata Specchio parzialmente riflettente Specchio parzialmente riflettente 46/84

24 Laser Fabry-Perot (FP) 2/2 emissione spontanea emissione stimolata emissione stimolata Fotone in uscita dalla cavità + Fotoni riflessi Specchio parzialmente riflettente Specchio parzialmente riflettente 47/84 Laser Fabry-Perot (FP) 2/2 emissione spontanea emissione stimolata emissione stimolata Fotone in uscita dalla cavità + Fotoni riflessi Specchio parzialmente riflettente Specchio parzialmente riflettente 48/84

25 Laser Fabry-Perot (FP) 2/2 emissione spontanea emissione stimolata emissione stimolata Fotone in uscita dalla cavità + Fotoni riflessi Specchio parzialmente riflettente Specchio parzialmente riflettente 49/84 Laser Fabry-Perot (FP) 2/2 emissione spontanea emissione stimolata emissione stimolata Fotone in uscita dalla cavità + Fotoni riflessi Specchio parzialmente riflettente Specchio parzialmente riflettente 50/84

26 Laser Fabry-Perot (FP) 2/2 emissione spontanea emissione stimolata emissione stimolata Fotone in uscita dalla cavità + Fotoni riflessi Specchio parzialmente riflettente Specchio parzialmente riflettente 51/84 Laser Fabry-Perot (FP) 2/2 emissione spontanea emissione stimolata emissione stimolata Fotone in uscita dalla cavità + Fotoni riflessi Specchio parzialmente riflettente Devono essere in fase per avere interferenza costruttiva Specchio parzialmente riflettente 52/84

27 Principio di funzionamento laser FP 1/4 Il modello di funzionamento di un laser è molto complesso, e esula dalprogramma di questo corso. Si mettono qui in evidenza solo le caratteristiche salienti: Affichè ci sia intereferenza costruttiva, i fotoni devono essere in fase con se stessi dopo un giro completo nella cavità. 53/84 Principio di funzionamento laser FP 2/4 Il campo elettromagnetico generato sarà dunque intenso solo a quelle frequenze alle quali siha interferenza costruttiva. La struttura a doppio specchio è identica a quella deifiltri Fabry-Perot Si avranno dunque dei picchi di emissione identici a quelli dei filtri FP. 54/84

28 Principio di funzionamento laser FP 3/4 Il filtraggio FP si combina con l efficienza della emissione stimolata, che dipende dalla lunghezza d onda tramite le caratteristiche del semiconduttore. 55/84 Principio di funzionamento laser FP 4/4 FP filter wavelength (µm) x /84

29 Principio di funzionamento laser FP 4/4 FP filter Semiconductor optical gain wavelength (µm) x /84 Principio di funzionamento laser FP 4/4 FP filter Semiconductor optical gain Tipico spettro di uscita wavelength (µm) x 10-6 Relative Output Power wavelength (µm) -6 x 10 58/84

30 Caratteristiche laser FP 1/2 In sostanza, i laser FP generano in uscita una serie di righe spettrali abbastanza strette. In letteratura, questi laser sono solitamente chiamati Multi Longitudinal Mode (MLM) lasers FWHM tipico: da 1 a 4 nm (sull inviluppo delle varie righe). 59/84 Caratteristiche laser FP 2/2 60/84

31 Applicazioni dei laser MLM 1/2 I laser MLM sono solitamente usati: per trasmissioni a singola lunghezza d onda bit rate inferiori a 2.5 Gbit/s distanze fino a Km su fibra singolo modo. 61/84 Applicazioni dei laser MLM 2/2 I laser MLM coprono dunque un settore di costo e prestazioni superiore a quello coperto dai LED Tuttavia, non hanno prestazioni sufficienti per applicazioni ad alto bit rate e elevata distanza. 62/84

32 Single Longitudinal Mode (SLM) Laser 1/2 Per i sistemi a prestazioni elevate, sono necessari laser a singola riga spettrale, cioè i cosidetti laser Single Longitudinal Mode (SLM) La loro caratteristica è di avere una riga spettrale con potenza molto più elevata delle altre. 63/84 Single Longitudinal Mode (SLM) Laser 2/2 La qualità deilaser SLM è misurata tramite il Side Mode Suppression Ratio (SMSR) P P Main mode mm SMSR = = P Side mode P sm Spettro di emissione della sorgente P Main Mode P Side Mode SMSR λ 64/84

33 Distributed Feedback (DFB) Laser 1/2 La generazione di un singolo modo si ottiene utilizzando una struttura filtrante più complessa dei semplicifiltri FP. Il metodo più comune è quello di generare un grating all interno della struttura attiva del semiconduttore. 65/84 Distributed Feedback (DFB) Laser 2/2 Questi laser sono detti: Distributed FeedBack (DFB) Lasers Optical Grating Active layer Output power 66/84

34 Caratteristiche laser SLM Esempio di spettro di emissione di un laser DFB commerciale a 1300 nm 67/84 Caratteristiche laser SLM Esempio di spettro di emissione di un laser DFB commerciale a 1300 nm Main emission peak 68/84

35 Caratteristiche laser SLM Esempio di spettro di emissione di un laser DFB commerciale a 1300 nm Main emission peak Highest Sidelobe 69/84 Caratteristiche laser SLM Esempio di spettro di emissione di un laser DFB commerciale a 1300 nm Main emission peak SMSR= 40dB Highest Sidelobe 70/84

36 Caratteristiche laser SLM Esempio di spettro di emissione di un laser DFB commerciale a 1300 nm Main emission peak SMSR= 40dB Highest Sidelobe Il picco principale di emissione dei laser DFB ha tipicamente una larghezza di riga molto stretta, tipicamente pari a 1-10 MHz. 71/84 Applicazioni dei laser SLM 1/2 I laser SLM, tipicamente di tipo DFB, sono utilizzati nelle trasmissioni a lunga distanza (>40 Km) ed elevato bit rate (>2.5 Gbit/s). Questi dispositivihanno oggi prestazioni estremamente stabili e ben controllate Potenze di uscita fino a +20 dbm Modulabili fino a 10 Gbit/s Disponibili su qualsiasi lunghezza d onda sulla griglia standard ITU-T. 72/84

37 Applicazioni dei laser SLM 2/2 Sono tutt ora decisamente più costosi dei laser MLM Necessitano di circuiti di controllo di temperatura e corrente. 73/84 Conclusioni su Laser DFB 1/2 L elevato costo dei laser DFB dipende non solo dalla regione attiva del laser a semiconduttore, ma anche da svariati altri componenti che devono essere integrati nello stesso package. 74/84

38 Conclusioni su Laser DFB 2/2 Electrical input connector Transmission line Photodiode Driver Wire bonds Laser Collimating lens Metal Sleeve Optical fiber Optical isolator Focusing lens Solder joints Peltier cell for temperature control 75/84 Laser tunabili 1/2 In alcune applicazioni, sono utili laser SLM tunabili, cioè con lunghezza d onda centrale variabile tramite controllo esterno. L approccio tipico è quello a cavità esterna. Grating Reflecting layer Schema laser a cavità esterna, con sintonizzazione meccanica Active region 76/84

39 Laser tunabili 2/2 I laser tunabili oggidisponibili commercialmente commutano tra lunghezze d onda su costanti di tempo dell ordine deidecimidi secondo Soluzione per commutazione veloce (ms o µs) esistono solo a livello di laboratorio. 77/84 Reti in fibra ottica 78/84

40 Caratteristica P-I (potenza-corrente) In figura, è rappresentata la tipica relazione tra corrente in ingresso e potenza di uscita per un laser. I laser funzionano corretamente solo per correnti di ingresso superiori ad una certa soglia. Sopra questa soglia, la relazione P-I è lineare (con ottima approssimazione). P optical P th Regione Sotto-soglia P sat I bias I th Regione di funzionamento 79/84 Modulazione diretta e CW 1/3 I laser sono utilizzati in uno deiseguentidue modi: in continuous-wave (CW), cioè a corrente (e dunque potenza) costante; P optical P sat in modulazione diretta - In questo caso, la corrente viene direttamente modulata tra due livelli I 0 e I 1 per la trasmissione dei bit. P 1 P 0 Modulazione diretta I th 0 I 0 I /84 I bias

41 Modulazione diretta e CW 2/3 Nella modalità CW su un laser DFB, l uscita del laser è costituita da una singola riga spettrale pressochè ideale (segnale sinusoidale) In questo caso, si usa un modulatore esterno per la trasmissione dei bit, e si parla di modulazione esterna. 81/84 Modulazione diretta e CW 3/3 Nella modulazione diretta, la situazione è notevolmente diversa Oltre alla modulazione di ampiezza (voluta) si genera una forte modulazione di fase/frequenza spuria (solitamente chiamata chirp ). La modulazione di fase/frequenza è causata da un interazione elettro-ottica all interno del dispositivo laser Una variazione di corrente cambia la densità dei portatori nel laser, e dunque l indice di rifrazione del mezzo. 82/84

42 Laser in modulazione diretta 1/2 La modulazione di fase/frequenza spuria crea un notevole allargamento della banda del segnale ottico emesso. 83/84 Laser in modulazione diretta 2/2 Valori tipici: un laser DFB modulato direttamente a 10 Gbit/s, se non ci fosse il problema della fase/frequenza spuria, avrebbe uno spettro di uscita su una banda di circa 20 GHz = 0.16 nm (circa il doppio del bit rate); a causa invece della fase/frequenza spuria (sempre presente), lo spettro tipico in uscita risulta dell ordine di 1-2 nm. 84/84