COMPONENTI OTTICI ATTIVI

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1 COMPONENTI OTTICI ATTIVI Sono quei dispositivi necessari per lo scambio di informazioni su fibra ottica ossia per la trasmissione di impulsi luminosi. Si distinguono in convertitori elettro-ottici, convertitori ottico-elettrici e amplificatori ottici. Prima di entrare nel dettaglio, cerchiamo di descrivere le leggi di interazione che ci sono tra luce e materia. -1- L assorbimento consiste nel passaggio di un elettrone da un livello più basso di energia E 1 (stato di valenza) a un livello più alto E 2 (stato di conduzione). Affinché il salto energetico possa avvenire è necessario che l elettrone riceva energia che viene fornita dall esterno. Per esempio può essere un fotone a cedere tale energia all elettrone. Ovviamente deve essere sempre valida, per il teorema di conservazione dell energia la seguente, dove f 12 è quella frequenza che mi fa passare dallo stato E 1 allo stato E Un altro meccanismo è quello dell emissione spontanea. Quando un elettrone si trova nello stato E 2 si trova in uno stato instabile; tende quindi a tornare nello stato precedente cioè nello stato E 1 e quindi cede l energia precedentemente acquistata. -3- Il meccanismo dell emissione stimolata consiste invece nel fatto che se un elettrone che si trova nello stato instabile E 2 viene colpito da un fotone con energia γ, allora l elettrone tornerà nello stato stabile E 1 liberando un energia pari alla somma di quella che precedentemente gli aveva consentito di passare allo stato E 2 più quella del fotone. In definitiva viene liberata un energia pari a 2 γ. Passiamo ora alla descrizione dei componenti ottici. Gli emettitori ottici sono dei trasduttori elettro-ottici che effettuano una conversione tra la corrente elettrica di ingresso i E (corrente di eccitazione) e la potenza ottica in uscita P o. Nel caso ideale la potenza ottica emessa è proporzionale alla corrente elettrica di ingresso: Dove ηo è definita resa ottica, misurata in W/A. Ovviamente il nostro obiettivo è di avere una resa ottica quanto più alta possibile. Poiché la potenza elettrica di ingresso è proporzionale al quadrato della corrente, la potenza ottica emessa varia con la radice quadrata della potenza elettrica fornita. I requisiti che deve soddisfare una sorgente ottica per lavorare in maniera ideale sono i seguenti: --- SISTEMI DI TELECOMUNICAZIONI --- COMPONENTI OTTICI ATTIVI 62

2 - Dimensioni compatibili con quelle delle fibra; - La lunghezza d onda di emissione deve corrispondere con una delle finestre di attenuazione della fibra; - Linearità delle legge che lega P o con i E ; - Larghezza spettrale della sorgente deve essere limitata per ridurre gli effetti della dispersione cromatica - Elevata densità di potenza - La stabilità del punto di lavoro non deve risentire delle variazioni di temperatura - Basso costo ed alta affidabilità (elevata vita media) Il principio di funzionamento della sorgente ottica sfrutta il principio del confinamento con doppia eterostruttura. Considerando una giunzione npp con drogaggi opportuni è possibile realizzare una zona centrale con indice di rifrazione più alto rispetto a quello delle altre zone e in cui abbiamo un gap energetico più basso rispetto agli altri: cioè quando si ha il fenomeno dell emissione luminosa, i fotoni emessi secondo il procedimento descritto prima, rimangono concentrati nella zona centrale essendo l indice di rifrazione maggiore delle altre zone. Esistono due tipi di sorgenti luminose: diodi LED e LASER. I LED presentano le seguenti caratteristiche: - La radiazione viene prodotta per emissione spontanea. - La caratteristica potenza ottica-corrente di pilotaggio ha una mediocre linearità. - La potenza ottica viene irradiata con scarsa monocromaticità ( λ=40 nm): si ha cioè elevata dispersione cromatica - La potenza ottica nominale è circa 1 mw. Essi sono poco utilizzati poiché emettono luce incoerente e presentano una caratteristica non lineare come descritto in precedenza e come si può vedere dai seguenti grafici. --- SISTEMI DI TELECOMUNICAZIONI --- COMPONENTI OTTICI ATTIVI 63

3 Nel laser a semiconduttore, invece, la radiazione viene prodotta per emissione stimolata. - La sua caratteristica presenta una buona linearità quando si supera la corrente di soglia. - Lo spettro di emissione è stretto ( λ=2 nm): si ha quindi bassa dispersione cromatica - La potenza ottica nominale molto maggiore di quella del LED (> 5 mw). Osserviamo che: 1) La caratteristica potenza ottica-corrente varia in funzione della temperatura. 2) Lo spettro di emissione varia al variare della corrente di polarizzazione: è più largo se tale corrente è inferiore a quella di soglia, è più stretto se la corrente è maggiore di quella di soglia. Parliamo ora della conversione ottico-elettrica. Il rivelatore ottico converte la potenza ottica ricevuta P 0 in una corrente elettrica secondo la relazione: Dove R è l efficienza fotoelettrica (responsivity) del fotodiodo (in A/W); il suo valore è dato dalla relazione: Dove η è l efficienza quantica (rapporto tra elettroni generati e fotoni pervenuti in un secondo), q la carica dell elettrone, h la costante di Plank, λ la lunghezza d onda e c la velocità della luce nel vuoto. M è un fattore di moltiplicazione (guadagno) degli elettroni primari; M=1 per il PIN e M>1 per l APD. Le caratteristiche di funzionamento desiderabili nei fonorivelatori sono: - Elevata efficienza di conversione alle lunghezze d onda di interesse; - Basso rumore; - Velocità di risposta adeguata alle applicazioni; - Affidabilità, basso costo, semplicità di impiego; - Buona stabilità con la temperatura; - Compatibilità con le dimensioni fisiche della fibra. In generale il funzionamento dei fotorivelatori si basa sul seguente principio: quando un fotone colpisce la giunzione p-n, nel caso di fotodiodo pin, gli elettroni che si trovano nella banda di valenza ricevono l energia necessaria a passare nella banda di conduzione. Il fotodiodo PIN si chiama così perché sono costituiti da due giunzioni in cui abbiamo il primo strato con drogaggio di tipo p, un secondo strato con drogaggio di tipo intrinseco, in realtà con drogaggio n molto basso, ed un terzo strato con drogaggio di tipo n. La tensione di polarizzazione inversa svuota la regione i dai portatori. --- SISTEMI DI TELECOMUNICAZIONI --- COMPONENTI OTTICI ATTIVI 64

4 Quando un fotone incidente ha un energia che supera quella della band-gap, un elettrone che acquisisce l energia del fotone passa dalla banda di valenza a quella di conduzione, generando coppie elettrone-lacuna. L elevato campo elettrico, generato a causa dell elevata polarizzazione che si viene a creare nella giunzione, nella zona i provoca la separazione delle cariche che vengono raccolte attraverso la giunzione. Si ha quindi un moto di elettroni che genera una corrente che è ovviamente proporzionale alla potenza ottica all ingresso del nostro fotorivelatore. Questo ci fa vedere che in corrispondenza di ogni fotone si viene a generare un elettrone nella banda di conduzione ( si ha quindi un rapporto di 1:1 ): cioè il fattore M che abbiamo descritto prima è pari a 1. Descriviamo ora il principio di funzionamento dei fotodiodi a valanga (APD). La luce entra attraverso la zona p+ (drogaggio p abbastanza elevato) e viene assorbita nella zona i (drogaggio molto basso)dove si generano le coppie elettrone-lacuna che vengono separate dal campo elettrico esistente. Gli elettroni migrano fino alla giunzione pn+ dove l elevato campo elettrico fornisce energia sufficiente a provocare collisione con atomi non eccitati trasferendo ad essi l energia cinetica accumulata e causandone la ionizzazione. Le cariche così create vengono a loro volta accelerate dal campo elettrico dando luogo ad ulteriori ionizzazioni per impatto e così via fino ad ottenere un fenomeno di moltiplicazione a valanga. Quindi in presenza di un fotone si vengono a creare un numero di elettroni > 1 : è proprio questo effetto di moltiplicazione che da il nome ai fotodiodi detti proprio a valanga. Descriviamo ora un altro importante componente: l amplificatore ottico. Fino a qualche anno fa per amplificare un segnale ottico, si faceva la conversione ottico-elettrica del segnale da amplificare che veniva mandato in ingresso ad un amplificatore elettronico, e quindi seguiva una conversione elettro-ottica del segnale amplificato. Questa tecnica, che introduceva --- SISTEMI DI TELECOMUNICAZIONI --- COMPONENTI OTTICI ATTIVI 65

5 abbastanza rumore, è stata superata dall introduzione degli amplificatori ottici che realizzano l amplificazione diretta del segnale ottico senza ricorrere alla conversione elettro-ottica e viceversa. Questi amplificatori sono essenzialmente di due tipi: amplificatori a semiconduttore e amplificatori a fibra attiva. L amplificazione ottica può essere realizzata quindi in due modi diversi a seconda della forma con cui si fornisce energia al segnale da amplificare. Negli amplificatori a semiconduttore tale energia viene fornita in forma elettrica, tramite iniezioni di cariche nella zona attiva del componente. Negli amplificatori a fibra attiva, invece, si utilizza un laser di pompa che fornisce l energia necessaria a stimolare l effetto di emissione che genera l amplificazione. Gli amplificatori ottici a semiconduttore (AOS) hanno un principio di funzionamento che assomiglia molto a quello del diodo laser. La differenza tra un laser ed un AOS è solo funzionale: il primo produce la radiazione al suo interno e poi l amplifica, mentre l AOS riceve in ingresso un certo segnale ottico e lo amplifica con gli stessi meccanismi. A seconda della struttura della cavità, gli AOS possono essere classificati in: - Amplificatori ad onda progressiva (TWA) - Amplificatori di tipo FabryPerot(FPA) Gli amplificatori che hanno avuto più successo sono quelli a fibra attiva drogata con erbio detti anche amplificatori EDFA: abbiamo uno spezzone di fibra di vetro che presenta delle impurità date da una sostanza che è proprio l erbio. E stata scelta proprio questa sostanza perché presenta uno spettro di assorbimento in corrispondenza di alcune lunghezze d onda e uno spettro di emissione in corrispondenza della terza finestra: cioè quando ho un laser che emette una lunghezza d onda pari a quella dello spettro di assorbimento della fibra drogata con erbio, la fibra assorbe energia, mentre la emette in corrispondenza della lunghezza d onda della terza finestra. --- SISTEMI DI TELECOMUNICAZIONI --- COMPONENTI OTTICI ATTIVI 66

6 La radiazione emessa dal laser di pompa (a 980 nm) promuove gli elettroni dello ione Erbio dal livello A (livello stabile per gli ioni erbio) al livello C (livello altamente instabile), da dove decadono rapidamente al livello B (detto metastabile). In B stazionano per un tempo sufficientemente lungo da indurre l inversione di popolazione. In tali condizioni in numero di elettroni nello stato B è superiore a quello dello stato A e quindi un fotone incidente su uno ione Er ha una maggiore probabilità di indurre una emissione stimolata di altri fotoni (transizione da B ad A) che di essere assorbito (transizione da A a B). Quindi essendo lo spettro di emissione dell erbio corrispondente alla terza finestra, viene emesso un flusso di fotoni di lunghezza d onda nm. Quindi in condizione di inversione di popolazione la fibra ottica drogata amplifica invece di attenuare. --- SISTEMI DI TELECOMUNICAZIONI --- COMPONENTI OTTICI ATTIVI 67

7 Il guadagno dell amplificatore EDFA varia al variare della potenza di ingresso, come si può vedere nel grafico accanto. Questo perché man mano che aumenta la potenza di ingresso, si genera un fenomeno di saturazione che fa tornare indietro una parte del flusso luminoso. Quindi cercheremo di utilizzare gli amplificatori in maniera ottimale e cioè li metteremo quando il livello del segnale è molto basso e quindi essendo molto bassa la potenza in ingresso all amplificatore, il guadagno sarà, per quanto detto, molto elevato. Oltre ad esserci il fenomeno dell emissione stimolata, si verifica anche il fenomeno dell emissione spontanea (che avviene a tutte le lunghezze d onda) che genera il cosiddetto rumore ottico o anche rumore ASE (Amplified Spontaneous Emission). Gli ioni eccitati possono anche diseccitarsi spontaneamente, senza l intervento di fotoni del segnale. I fotoni emessi da tale emissione spontanea sono emessi in tutte le direzioni e su tutto lo spettro di frequenze della banda di emissione. Parte di questi subiscono un processo di amplificazione analogo a quello del segnale utile, generando una radiazione di sottofondo incoerente (rumore ASE) in ambedue le direzioni di propagazione: anche per questo motivo devo limitare al minimo l uso di amplificatori ottici! Si può dimostrare che la potenza dell ASE in una banda f è: dove h è la costante di Planck, ν è la frequenza centrale della banda, F è il fattore di rumore e G è il guadagno dell EDFA. Tale rumore si sovrappone al segnale amplificato, provocando un degrado del rapporto segnale/disturbo ottico. Si può dimostrare che il rapporto segnale/disturbo ottico OSNR di una serie di EDFA in cascata è dato da: dove: - P0 = potenza ottica del trasmettitore (in db) - N ampl = numero di amplificatori ottici in cascata - N f = cifra di rumore degli amplificatori (in db) - G(λ 0 )= guadagno ottico (in db) alla lunghezza d onda di lavoro che bilancia l attenuazione della tratta di fibra. - Br = Banda elettrica del ricevitore (Hz) --- SISTEMI DI TELECOMUNICAZIONI --- COMPONENTI OTTICI ATTIVI 68

8 Sono stati realizzati anche degli amplificatori ottici a doppio stadio per cercare di allargare la banda passante dell amplificatore stesso: questo perché con i sistemi WDM abbiamo bisogno di una banda molto elevata per andare a inserire molte lunghezze d onda. Questo amplificatore a doppio stadio comprende due laser di pompa, uno a 980 nm e uno a 1480 nm come si può vedere in dettaglio nella seguente figura. In questo modo si può avere oltre a una banda C anche una banda L. Ecco di seguito i metodi di inserimento degli amplificatori ottici. --- SISTEMI DI TELECOMUNICAZIONI --- COMPONENTI OTTICI ATTIVI 69

9 I principali parametri che caratterizzano le prestazioni di un EDFA sono: - Il guadagno G (valori tipici db) che varia al variare della lunghezza d onda. - La potenza di saturazione in uscita (13-20 dbm), definita come la potenza ottica emessa per cui il guadagno si dimezza. - La cifra di rumore(4-5 db) che misura di quanto l OSNR all uscita dell amplificatore è peggiorato a causa dell ASE. Riassumiamo e confrontiamo di seguito i valori caratteristici dei parametri degli amplificatori ottici EDFA e a semiconduttore: --- SISTEMI DI TELECOMUNICAZIONI --- COMPONENTI OTTICI ATTIVI 70