Sorgenti Ottiche, Classificazioni e parametri

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Filippa Giordani
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1 Sorgenti Ottiche, Classificazioni e parametri

2 Classificazione delle sorgenti ottiche (1/5) Ci occuperemo delle sorgenti ottiche, cioè dei dispositivi attivi che 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.

3 Classificazione delle 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.

4 Classificazione delle sorgenti ottiche (3/5) Light Emitting Diode (LED ) Non coerente

5 Classificazione delle sorgenti ottiche (4/5) Multi Longitudinal Mode (MLM) diode Righe spettrali coerenti

6 Classificazione delle sorgenti ottiche (5/5) Single Longitudinal Mode (SLM) laser diode Riga spettrale coerenti

7 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.

8 Il parametro FWHM (2/2)

9 Principio di funzionamento Iniezione di corrente Giunzione p-n a semiconduttore Inversione dei portatori Generazione di luce Senza feedback ottico: emissione spontanea LED Laser Con feedback ottico: emissione controllata

10 Caratteristiche elettriche 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).

11 LED

12 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 direzionie su un ampio range di lunghezze d onda.

13 LEDs (2/2)

14 Caratteristiche dei LED (1/2) Per ogni portatore che transita nella giunzione, può essere emesso un fotone per emissione spontanea con una determinata 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 ki() t out

15 Caratteristiche dei 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 kh ()* t I() t out LED Banda di modulazione tipica (elettrica): fino a MHz.

16 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.

17 Campi di applicazione dei LED (2/2) Conseguentemente, gli scenari di applicazione dei LED sono relativi alle reti MAN 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.

18 LASER

19 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.

20 Laser a semiconduttore (2/2)

21 Laser Fabry-Perot (1/2) I laser FP sono i più semplici ed i primi ad essere stati realizzati. Sono costituiti da due semplici specchi parzialmente riflettenti ai lati del semiconduttore.

22 Laser Fabry-Perot (2/2)

23 Principio di funzionamento di un Laser FP Il modello di funzionamento di un laser è molto complesso, e esula dal programma di questo corso. Si mettono qui in evidenza solo le caratteristiche salienti: Affinché ci sia interferenza costruttiva, i fotoni devono essere in fase con se stessi dopo un giro completo nella cavità. Il campo elettromagnetico generato sarà dunque intenso solo a quelle frequenze alle quali si ha interferenza costruttiva. La struttura a doppio specchio è identica a quella dei filtri Fabry-Perot Si avranno dunque dei picchi di emissione identici a quelli dei filtri FP.

24 Principio di funzionamento di un Laser FP Il filtraggio FP si combina con l efficienza della emissione stimolata, che dipende dalla lunghezza d onda tramite le caratteristiche del semiconduttore.

25 Caratteristiche laser FP 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).

26 Applicazioni dei laser MLM 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. 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.

27 SLM Laser (1/2) Per i sistemi a prestazioni elevate, sono necessari laser a singola riga spettrale, cioè i cosiddetti laser Single Longitudinal Mode (SLM) La loro caratteristica è di avere una riga spettrale con potenza molto più elevata delle altre.

28 SLM Laser (2/2) La qualità dei laser SLM è misurata tramite il Side Mode Suppression Ratio (SMSR) PMain mode SMSR = = P Side mode P P mm sm

29 DFB Laser (1/2) La generazione di un singolo modo si ottiene utilizzando una struttura filtrante più complessa dei semplici filtri FP. Il metodo più comune è quello di generare un grating all interno della struttura attiva del semiconduttore. Questi laser sono detti: Distributed FeedBack (DFB) Lasers

30 DFB Laser (2/2) Esempio di spettro di emissione di un laser DFB commerciale a 1300 nm Il picco principale di emissione dei laser DFB ha tipicamente una larghezza di riga molto stretta, tipicamente pari a 1-10 MHz.

31 Applicazione 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 dispositivi hanno 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.

32 Applicazione dei laser SLM (2/2) Sono tutt ora decisamente più costosi dei laser MLM Necessitano di circuiti di controllo di temperatura e corrente. 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.

33 Struttura laser SLM

34 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.

35 Laser tunabili (2/2) I laser tunabili oggi disponibili commercialmente commutano tra lunghezze d onda su costanti di tempo dell ordine dei decimi di secondo Soluzione per commutazione veloce (ms o μs) esistono solo a livello di laboratorio.

36 Modulazione digitale dei laser

37 Caratteristica Potenza-Corrente In figura, è rappresentata la tipica relazione tra corrente in ingresso e potenza di uscita per un laser. I laser funzionano correttamente solo per correnti di ingresso superiori ad una certa soglia. Sopra questa soglia, la relazione P-I è lineare (con ottima approssimazione).

38 Modulazione diretta e CW (1/3) I laser sono utilizzati in uno dei seguenti due modi: in continuous-wave (CW), cioè a corrente (e dunque potenza) costante; in modulazione diretta - In questo caso, la corrente viene direttamente modulata tra due livelli I 0 e I 1 per la trasmissione dei bit.

39 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.

40 Laser in modulazione diretta La modulazione di fase/frequenza spuria crea un notevole allargamento della banda del segnale ottico emesso. 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.

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