Elementy aktywne

Transkrypt

Elementy aktywne

Postawy sprzętowe budowania
sieci światłowodowych
cz. 2. elementy aktywne
•
•
•
•
nadajniki
odbiorniki
wzmacniacze i konwertery optyczne
rutery i przełączniki optyczne
Prezentacja zawiera kopie folii omawianych na wykładzie. Niniejsze
opracowanie chronione jest prawem autorskim. Wykorzystanie
niekomercyjne dozwolone pod warunkiem podania źródła.
© Sergiusz Patela 1998-2000
Optyczna moc wyjściowa
(mW)
Źródła światła – charakterystyka użytkowa
nachylenie =
współczynnik
modulacji (mW/mA)
zmodulowany
optyczny sygnał
wyjściowy
P
Ith
Io
Prąd wejściowy (mA)
Charakterystyka diody laserowej
Ze względu na liniową zależność P(I) diody laserowe są chętniej stosowane niż
diody luminescencyjne. Wśród laserów najlepsze parametry uzyskują konstrukcje
DFB i DBF
Laser pracuje w liniowym zakresie modulacji prąd-moc. Efektywność modulacji
określa nachylenie prostej (typowo 0,2 mW/mA).
Sieci światłowodowe - podstawy sprzętowe
2
Źródła światła w technice światłowodowej
• Diody luminescencyjne (LED)
światło monochromatyczne
• Lasery półprzewodnikowe (LD)
światło monochromatyczne, spójne i skolimowane
3
Diody luminescencyjne (LED)
• diody powierzchniowe
Powierzchniowa dioda LED
Charakterystyka emisji
• diody krawędziowe
Krawędziowa dioda LED
• diody RCE (resonance cavity enhanced) LED
Charakterystyka emisji
4
Konstrukcja diody LED
125 µm
Światłowód
wielomodowy
Elektroda
ujemna
Żywica
epoksydowa
podłoże GaAs typu N
Obszar aktywny
emitujący światło
GaAs typu P
SiO2
Elektroda dodatnia i
heat sink
50 µm
150 µm
Dioda luminescencyjna LED
5
Lasery półprzewodnikowe (LD)
Zasada pracy lasera - podstawowe zjawiska
• absorpcja
• emisja spontaniczne
• emisja wymuszona
• stan metastabilny
• pompowanie (optyczne, prądowe)
• inwersja obsadzeń
• rezonator (optyczne sprzężenie zwrotne)
6
Konstrukcje laserów półprzewodnikowych
Klasyfikacja ze względu na rodzaj zwierciadeł
• lasery F-P
• lasery z selektywnymi zwierciadłami Bragga (DFB, DBR, VCSEL)
Klasyfikacja laserów ze względu na rodzaj heterostruktury
• 1. Homostruktura, prąd krawędziowy (300K) 30000-50000 A/cm2
2. Pojedyncza heterostruktura. (300K) 6000-8000 A/cm2
3. Podwójna heterostruktura (300K) 500 A/cm2.
4. GRINSCH (Graded-index separate confinement heterostructure), prąd kr. ~30mA
Klasyfikacja ze względu na kierunek emisji wiązki
• lasery krawędziowe
• lasery VCSEL
7
DFB laser schematic
Λ
DFB (distributed feedback)
3 µm
GaAs
3 µm
Al 0.3 Ga0.7 As
substrate GaAs
Bragg condition:
2 Λ = ν λ, ν = 1, 2, 3, ...
where: λ = λo/nświatłow
efficient reflection only for λo = 2 Λ nświatłow/ν
8
Konstrukcja lasera półprzewodnikowego
wiązka eliptyczna lasera krawędziowego
wiązka kołowa lasera VCSEL
9
VCSEL Laser
10
Porównanie właściwości laserów półprzewodnikowych
i diod luminescencyjnych
Cecha lub parametr
LED
Dioda Laserowa
Mechanizm rekombinacji
promienistej
Faza promieniowania
Liniowość wiązki
665 nm
800-930 nm
1300, 1550 nm
Szerokość spektralna
Emisja spontaniczna
Emisja wymuszona
Niekoherentna
Dowolna
GaAsP
Ga1-x AlxAs
InGaAsP
∆λ≈ 1.45 λ2 kT
λ [mm], kT [eV], k = stała
Boltzmana,
T = temperatura złącza
dziesiątki nm
dioda powierzchniowa, 100 nm
dioda krawędziowa, 60 -80 nm
Zależność pasma modulacji i mocy:
Pasmo rośnie kosztem mocy
Koherentna
Liniowa
GaAlAs
Ga1-x AlxAs
InGaAsP
Szerokość spektralna, GaAlAs
Szerokość spektralna, InGaAsP
Inne ważne parametry
Czas życia
Efekty termiczne
10 5 - 10 8 godzin
Długość fali rośnie 0.6 nm/ °C
Czas narostu
Moc wyjściowa
Modulacja
1 - 100 ns
10 - 50 (LED mocy) mW
3 Mhz - 350 Mhz
< 1.5 nm
0.1 do 10 nm
Prąd graniczny:,
L. heterozłączowy, Index guided: 10
- 30 mA
L. homozłączowy, Gain guided: 60
- 150 mA
10 5 godzin
Długość fali zmienia sięo 0.25 nm/
°C
Prąd graniczny rośnie o 0.5mA/°C
< 1 - 10 ns
1 - 1000 mW
> 350 Mhz
Przyjmuje się, że czas narostu i pasmo związane są zależnością BW = .35 / rise time. Dla związku Ga1-x AlxAs x zmienia się od 0 do 1
11
Lasery półprzewodnikowe w systemach WDM
Parametry pracy lasera
• szerokość linii widmowej
• stabilność częstotliwości (długości fali)
• liczba modów podłużnych
Dla laserów strojonych
• zakres strojenia
• szybkość przestrajania
Metody strojenia lasera
• mechaniczna - dodatkowy strojony rezonator F-P o zmiennej długości
• akustooptyczna lub elektrooptyczna
• strojenie prądem wstrzykiwania
• linijki laserów emitujących fale o różnej długości
12
Zestawienie metod strojenia laserów
Metoda strojenia
Zakres strojenia
[nm]
Szybkość
przestrajania
Mechaniczna (zewnętrzny rezonator)
500
1-10 ms
Akustooptyczna
83
10 µs
Elektrooptyczna
7
1-10 ns
Wstrzykiwanie prądu (DFB, DBR)
10
1-10 ns
13
Characteristics of semiconductor CW laser diodes
5
2.0
1.0
2
0.5
intensity
3
Power [W]
4
1.5
Voltage [V]
1.0
0.5
FWHM = 2 nm
1
0.0
0
0
2
4
6
0.0
800
Current [A]
805
810
wavelength [nm]
815
Intensity
1.0
Perpend. 40 deg.
0.5
Parallel 10 deg.
0.0
-60 -60 -60 -60 -60 -60 -60
Angle (degrees)
14
Charakterystyka spektralna (widmo) lasera półprzew.
FWHM
100
Linia cenralna
% intensywności
75
50
25
1292
1296
1300
1304
1308
Długość fali (nm)
15
Migotanie linii lasera
5
10
6
4
4
3
2
0
2
-2
-4
1
-6
-8
Zmiana częstotliwości (GHz)
Moc wyjściowa )mW)
8
-10
010 20 30 40 50
prąd (mA)
16
10 Base-F, MDI. Parametry nadajnika
Parametr
Długość fali
—min.
—max.
Szerokość spektralna (FWHM)
Współczynnik modulacji
Spoczynkowy sygnał optyczny (amplituda)
Czas narostu i opadania sygnału optycznego
—max.(dane)
—min.(dane)
—max. różnica (dane)
—max.(spoczynkowe)
—min.(spoczynkowe)
—max. różnica (spoczynkowe)
Impuls optyczny
—overshoot
—undershoot
Impuls optyczny – jitter krawędzi
—dodatkowy, obwód DO do MDI
—całkowity na MDI (dane)
—całkowity na MDI (dane)
Dystorsja cyklu pracy impulsu optyczny
—dane
—dystorsja
Średnia moc nadajnika optycznego
—min.
—max.
Jedn.
10BASE-FP
10BASE-FB
10BASE-FL
nm
nm
nm
dB
dBm
800
910
<75
=<13
=<57
800
910
<75
=<13
800
910
<75
=<13
ns
ns
ns
ns
ns
ns
10
2
3
N/A
N/A
N/A
10
0
3
10
0
3
10
0
3
25
0
25
%
%
5
5
25
10
25
10
ns
ns
ns
N/A
±1
N/A
N/A
±2
±2
±2
±4
N/A
ns
ns
±1
N/A
±2.5
±2.5
±2.5
±50.0
dBm
dBm
–15
–11
–20
–12
–20
–12
17
Parametry fali elektromagnetycznej podlegające
modulacji
Eo - amplituda
Φ - faza
P - polaryzacja
λ (ω) - długość fali (częstotliwość)
18
Podstawowe typy modulatorów światłowodowych
modulator elektroabsorpcyjny
modulator
Macha-Zehndera
sygnał
sygnał
sprzęgacz X
sygnał
sprzęgacz kierunkowy
sygnał
modulator akustooptyczny - dyfrakcyjny
sygnał
modulator mikromechaniczny
sygnał
promień w
światłowodzie
planarnym
20
Typowe parametry modulatorów światłowodowych
Parametr
Pasmo
Robocza długość fali
Straty
Straty odbiciowe (ORL)
Maksymalna prowadzona moc optyczna
Wsp. ekstynkcji
Efektywność modulacji fazy
Włókno światłowodowe
Warunki pracy
*
**
Wartość
2,5 (20)
Wybrane okno telekomunikacyjne (1300, 1500)
5
>40
<100
>20
≤1
standard SM lub PM
standard lub “typowe laboratoryjne”
Jednostka
GHz
nm
dB
dB
mW
dB
Rad/V
Interferometr Macha-Zehndera
21
Detekcja
Metody detekcji
• bezpośrednia (brak selektywności λ)
• koherentna (wymaga stosowania precyzyjnego oscylatora lokalnego)
22
Fotodetektor
Prąd wyjściowy (mA)
Przetwornik światło - prąd. W detektorze sygnał optyczny z linii
światłowodowej przetwarzany jest na prąd. Odpowiedź detektorów w
systemach światłowodowych jest liniowa.
nachylenie =
czułość (mA/mW)
P
Optyczna moc
wejściowa (mW)
Odpowiedź detektora światłowodowego. Nachylenie (czułość) ~0.9 mA/mW
23
Elementy składowe układu detekcji
sygnał
optyczny
wzmacniacz
Filtr
dolnoprzep.
Fotodioda
Zasilacz
Detektor
(front-end)
Układ
decyzyjny
dane
Synchronizacja
(clock recovery)
ARW.
Kanał
liniowy
Regeneracja
sygnału
24
Światłowodowa dioda PIN
Pokrycie antyrefleksyjne
Rdzeń włókna
Pokrycie włókna
Padające światło
Kontakt metalowy (-)
Obszar P+
Elektron
Obszar samoistny
Dziura
Elektron - Dziura
Obszar N+
Kontakt metalowy (+)
Dioda PIN tworzona jest przez trzy obszary
półprzewodnika: p, samoistny (i) oraz n
25
Dioda lawinowa (APD) - konstrukcja
światłowodowa
Rdzeń włókna
Pokrycie włókna
Pokrycie antyrefleksyjne
Padające światło
Kontakt metalowy (+)
Obszar N+
Pole elektryczne
P region
Obszar P+
Kontakt metalowy (-)
APD - fotodioda, która wykazuje wewnętrzne wzmocnienie,
realizowane przez lawinowe powielanie nośników w obszarze
złącza.
26
Czułość spektralna fotodiody krzemowej
0.7
UV
VIS
NIR
Czułość [A/W]
0.6
0.5
0.4
Blue+
0.3
0.2
Standard silicon photodiode
UV+
0.1
0
200
300
400
500
600
700
800
900
1000 1100
Wavelength [nm]
27
Czułość detektora w W i dBm
Power1E-7
[W] 1E-8
-40 Power
Diody PIN
-50
APD
1E-9
-60
1E-10
-70
SNR = 5
BER = 10-9
Photomultiplier
500 nm,
Quantum eff. 25%
1E-11
-80
-90
1E-12
1E-13
10k
[dBm]
100k
1M
10M
100M
1G
Częstotliwość [Hz]
28
10 Base-F, MDI Parametry odbiornika
Parametr
Średnia moc optyczna na odbiornika
—min.
—max.
MAU jitter krawędzi impulsu optycz. (dane)
—rejestrowany na MDI
—dodany, MDI do obwodu DI
—całkowity dla obwodu DI (MAU AUI)
Czasy narostu i opadania impulsu optyczn.
—max.(dane)
—min.(dane)
—max. różnica (dane)
—max.(spoczynkowe)
—min.(spoczynkowe)
—max. różnica (spoczynkowe)
Jedn.
10BASE-FP
10BASE-FB
10BASE-FL
dBm
dBm
–41
–27
–32.5
–12.0
–32.5
–12.0
ns
ns
ns
±4.5
N/A
N/A
±2.0
N/A
±6.5
±6.5
±8.5
±15.0
ns
ns
ns
ns
ns
ns
18.5
2.0
3.0
N/A
N/A
N/A
31.5
0.0
3.0
31.5
0.0
3.0
31.5
0.0
3.0
41.0
0.0
25.0
29
Filtry optyczne
Parametry filtrów
• szerokość połówkowa linii (∆f)
• dostępny zakres widmowy (FSR)
• finezja = FSR/ ∆f
Rodzaje filtrów strojonych
• Etalon
• Łańcuch modulatorów MZ
• Filtry akustooptyczne
• Filtry elektrooptyczne
• Filtry ciekłokrystaliczne FP
Rodzaje filtrów stałych
• Siatkowy (siatka dyfrakcyjna)
• Światłowodowy filtr Bragga
• Cienkowarstwowe filtry interferencyjne
30
Parametry strojonych filtrów optycznych
Rodzaj filtru
Zakres strojenia
[nm]
Szybkość
przestrajania
Rezonator Fabry-Perota
500
1-10 ms
Akustooptyczny
25
10 µs
Elektrooptyczny
16
1-10 ns
Ciekłokrystaliczny FP
30
1-10 µs
31
Wzmacniacze optyczne
Sygnał w łączach światłowodowych wymaga regeneracji
• 1R - tylko wzmocnienie - rozwiązanie optycznie przejrzyste,
niezależne od długości fali, i szybkości transmisji
• 2R - wzmocnienie, odtworzenie kształtu impulsu wykorzystanego
następnie do bezpośredniej modulacji lasera
• 3R - wzmocnienie, odtworzenie kształtu, synchronizacja współczesne sieci SDH
Zasada pracy wzmacniacza:
• pompowanie optyczne
• inwersja obsadzeń
• emisja wymuszona
Konstrukcja oparta o światłowody domieszkowane atomami ziem
rzadkich (erb, prazeodym)
32
Podstawowe parametry wzmacniaczy optycznych
• wzmocnienie (stosunek mocy wejściowej do wyjściowej)
• pasmo wzmocnienia (zakres długości fal obejmowanych efektem
wzmocnienia)
• nasycenie wzmocnienia (moc wyjściowa powyżej której nie
rejestrujemy wzrostu mocy)
• Czułość polaryzacyjna (zależność wzmocnienia od polaryzacji, TE,
TM)
• Szum ASE (wynik spontanicznej emisji fotonów w obszarze
wzmacniacza)
Podstawowe typy stosowanych wzmacniaczy:
• półprzewodnikowy wzmacniacz laserowy
• Wzmacniacz na domieszkowanym światłowodzie (EDFA 1550nm,
PDFA1320nm)
• wzmacniacz Ramana
33
Wzmacniacz EDFA
Wejście
optyczne
Sprzęgacz
Włókno domieszkowane Er3+
Pompa
laserowa
Wyjście
optyczne
25 dB
40 nm
Ampl.
1.55
Długość fali [µm]
34
Konstrukcja wzmacniacza SOA
Struktura diody laserowej
Pokrycie antyodbiciowe
Włókno z
przewężeniem
światłowód
Włókno z
przewężeniem
35
Konstrukcja wzmacniacza Ramana
Optical fibre
Sygnał
wejściowy
Sygnał
Wyjściowy
Pompa laserowa
(pompowanie
współbieżne)
Pompa laserowa
(pompowanie
przeciwbieżne)
Wzmacnianie Ramana prowadzone może być prowadzone w
standardowym włóknie światłowodowym. Określane jest
zazwyczaj jako wzmacnianie “o stałych rozłożonych” —
odbywa się na całej długości propagacji, a nie lokalnie jak we
wzmacniaczu EDFA.
36
Porównanie parametrów wzmacniaczy optycznych
Typ wzmacniacza
Zakres pracy
Pasmo wzmocnienia
Wzmocnienie
Półprzewodnikowy
Dowolny
40 nm
25 dB
EDFA
1525-1560 nm
35 nm
25-51 dB
PDFFA
1280-1330
50 nm
20-40 dB
37
Moc
Zadanie: utrzymać właściwy poziom mocy w sieci (stosunek sygnał/szum)
Zadania wzmacniaczy:
• wzmocnienie mocy nadajnika (power booster)
• przedwzmacniacz odbiornika
• wzmacniacz liniowy
Zadanie
wzmacniacza
Power booster
Przedwzmacniacz
Wzmacniacz
liniowy
Wzmocnienie
Srednie
Duze
Duze
Szum
Sredni
Maly
Maly
Moc
wyjsciowa
Duza
Srednia
Duza
38
Przełączniki proporcjonalne i logiczne
Klasy przyrządów przełączających:
• proporcjonalne (relational devices) - utrzymują stały stosunek mocy
Wy/We bez względu na zawartość transmisji. Zaleta/wada: nie mamy
wpływu na zawartość transmisji.
• logiczne (logical devices) - stan przełącznika (on-off) jest
kontrolowany przez zawartość przesyłanych pakietów. Szybkość
przełączania jest porównywalna z szybkością transmisji.
Zastosowanie:
• przełączniki względne (relational devices) - ruting, przełączanie sieci
(komutacja łączy)
• logiczne (logical devices) - komutacja pakietów.
39
Przełączniki proporcjonalne
V
sprzęgacz kierunkowy (2x2)
+V
-V
Sprzęgacz delta-beta
(Reversed delta-beta coupler)
V
Przełącznik ze sprzęgaczem X
Inne rozwiązania: przełączniki opto-mechaniczne i termo-optyczne
41
Przełączniki logiczne
Optyczne wzmacniacze
bramkujące
42

Elementy aktywne

Transkrypt

Podobne dokumenty

Projektowanie lokalnej sieci światłowodowej

Święty kapłan-męczennik Sergiusz (Zacharczuk)

Lokalne sieci optyczne

Wprowadzenie do sieci światłowodowych

Elementy pasywne

Sieci światłowodowe

Technologia światłowodów włóknistych Kable światłowodowe

Wprowadzenie

Certyfikat bezpieczeństwa strony internetowej