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

© Sergiusz Patela 1997-2000

Sieci światłowodowe - podstawy sprzętowe

2

Źródła światła – charakterystyka użytkowa

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).

nachylenie =

współczynnik

modulacji (mW/mA)

zmodulowany

optyczny sygnał

wyjściowy

Prąd wejściowy (mA)

Op

ty

czna

m

oc

w

yj

ściow

a

(m

W)

I

th

I

o

P

Charakterystyka diody laserowej

© Sergiusz Patela 1997-2000

Sieci światłowodowe - podstawy sprzętowe

3

Zasada pracy lasera - podstawowe zjawiska
• absorpcja
• emisja spontaniczne
• emisja wymuszona

• stan metastabilny
• pompowanie (optyczne, prądowe)
• inwersja obsadzeń

• rezonator (optyczne sprzężenie zwrotne)

Konstrukcje laserów
• lasery F-P
• lasery ze studniami kwantowymi
• lasery DFB, DBR
• lasery VCSEL

Źródła światła (lasery półprzewodnikowe)

© Sergiusz Patela 1997-2000

Sieci światłowodowe - podstawy sprzętowe

4

Konstrukcja diody LED

125

µ

m

epoxy

adhesive

negative
contact

light
emitting
region

positive contact

and heat sink

surface-emitting LED

50

µ

m

150

µ

m

N-doped GaAs

substrate

P-doped

GaAs

SiO

2

multimode

optical fiber

© Sergiusz Patela 1997-2000

Sieci światłowodowe - podstawy sprzętowe

5

Konstrukcja lasera półprzewodnikowego

wiązka eleiptyczna lasera krawędziowego

wiązka kołowa lasera VCSEL

© Sergiusz Patela 1997-2000

Sieci światłowodowe - podstawy sprzętowe

6

Porównanie właściwości laserów półprzewodnikowych

i diod luminescencyjnych

Cecha lub parametr

LED

Dioda Laserowa

Mechanizm rekombinacji
promienistej

Emisja spontaniczna

Emisja wymuszona

Faza promieniowania

Niekoherentna

Koherentna

Liniowość wiązki

Dowolna

Liniowa

665 nm

GaAsP

GaAlAs

800-930 nm

G

a

1-x

A

l

x

As

G

a

1-x

A

l

x

As

1300, 1550 nm

InGaAsP

InGaAsP

Szerokość spektralna

∆λ≈ 1.45 λ

2

kT

λ

[mm], kT [eV], k = stała

Boltzmana,
T = temperatura złącza

Szerokość spektralna, GaAlAs

dziesiątki nm

< 1.5 nm

Szerokość spektralna, InGaAsP

dioda powierzchniowa, 100 nm
dioda krawędziowa, 60 -80 nm

0.1 do 10 nm

Inne ważne parametry

Zależność pasma modulacji i mocy:
Pasmo rośnie kosztem mocy

Prąd graniczny:,
L. heterozłączowy, Index guided: 10
- 30 mA
L. homozłączowy, Gain guided: 60
- 150 mA

Czas życia

10

5

- 10

8

godzin

10

5

godzin

Efekty termiczne

Długość fali rośnie 0.6 nm/ °C

Długość fali zmienia sięo 0.25 nm/
°C
Prąd graniczny rośnie o 0.5mA/°C

Czas narostu

1 - 100 ns

< 1 - 10 ns

Moc wyjściowa

10 - 50 (LED mocy) mW

1 - 1000 mW

Modulacja

3 Mhz - 350 Mhz

> 350 Mhz

Przyjmuje się, że czas narostu i pasmo związane są zależnością BW = .35 / rise time. Dla związku Ga

1-x

Al

x

As x zmienia się od 0 do 1

© Sergiusz Patela 1997-2000

Sieci światłowodowe - podstawy sprzętowe

7

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

Lasery półprzewodnikowe w systemach WDM

© Sergiusz Patela 1997-2000

Sieci światłowodowe - podstawy sprzętowe

8

Metoda strojenia

Zakres strojenia

[nm]

Szybkość

przestrajania

Mechaniczna (zewnętrzny rezonator)

500

1-10 ms

Akustooptyczna

83

10

µ

s

Elektrooptyczna

7

1-10 ns

Wstrzykiwanie prądu (DFB, DBR)

10

1-10 ns

Zestawienie metod strojenia laserów

© Sergiusz Patela 1997-2000

Sieci światłowodowe - podstawy sprzętowe

10

Metody detekcji

• bezpośrednia (brak selektywności

λ

)

• koherentna (wymaga stosowania precyzyjnego oscylatora lokalnego)

Detekcja

© Sergiusz Patela 1997-2000

Sieci światłowodowe - podstawy sprzętowe

11

Fotodetektor

Przetwornik światło - prąd. W detektorze sygnał optyczny z linii
światłowodowej przetwarzany jest na prąd. Odpowiedź detektorów w
systemach światłowodowych jest liniowa.

Odpowiedź detektora światłowodowego. Nachylenie (czułość) ~0.9 mA/mW

nachylenie =

czułość (mA/mW)

Optyczna moc

wejściowa (mW)

Pr

ąd wyj

ściow

y (m

A)

P

© Sergiusz Patela 1997-2000

Sieci światłowodowe - podstawy sprzętowe

12

Elementy składowe układu detekcji

Fotodioda

Zasilacz

Filtr

dolnoprzep.

ARW.

Układ

decyzyjny

Synchronizacja

(clock recovery)

Detektor

(front-end)

Kanał

liniowy

Regeneracja

sygnału

sygnał

optyczny

wzmacniacz

dane

© Sergiusz Patela 1997-2000

Sieci światłowodowe - podstawy sprzętowe

13

Światłowodowa dioda PIN

Dioda PIN tworzona jest przez trzy obszary
półprzewodnika: p, samoistny (i) oraz n

Pokrycie włókna

Rdzeń włókna

Padające światło

Kontakt metalowy (-)

Pokrycie anty-

refleksyjne

Obszar samoistny

Obszar P+

Elektron

Dziura

Elektron - Dziura

Obszar N+

Kontakt metalowy (+)

© Sergiusz Patela 1997-2000

Sieci światłowodowe - podstawy sprzętowe

14

Dioda lawinowa (APD) - konstrukcja

światłowodowa

APD - fotodioda, która wykazuje wewnętrzne wzmocnienie,
realizowane przez lawinowe powielanie nośników w obszarze
złącza.

Pokrycie włókna

Rdzeń włókna

Padające światło

Pole elektryczne

Pokrycie anty-

refleksyjne

P region

Obszar P

+

Obszar N

+

Kontakt metalowy (+)

Kontakt metalowy (-)

© Sergiusz Patela 1997-2000

Sieci światłowodowe - podstawy sprzętowe

15

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

Filtry optyczne

© Sergiusz Patela 1997-2000

Sieci światłowodowe - podstawy sprzętowe

16

Rodzaj filtru

Zakres strojenia

[nm]

Szybkość

przestrajania

Rezonator Fabry-Perota

500

1-10 ms

Akustooptyczny

25

10

µ

s

Elektrooptyczny

16

1-10 ns

Ciekłokrystaliczny FP

30

1-10

µ

s

Parametry strojonych filtrów optycznych

© Sergiusz Patela 1997-2000

Sieci światłowodowe - podstawy sprzętowe

17

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)

Wzmacniacze optyczne

© Sergiusz Patela 1997-2000

Sieci światłowodowe - podstawy sprzętowe

18

Wzmacniacz EDFA

Wejście
optyczne

Sprzęgacz

Wyjście
optyczne

Pompa
laserowa

Włókno domieszkowane Er

3+

Długość fali [

µ

m]

25 dB

Ampl.

40 nm

1.55

© Sergiusz Patela 1997-2000

Sieci światłowodowe - podstawy sprzętowe

19

• 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 wzmacniaczy:
• półprzewodnikowy wzmacniacz laserowy
• Wzmacniacz na domieszkowanym światłowodzie (EDFA 1550nm,
PDFA1320nm)

Podstawowe parametry wzmacniaczy optycznych

© Sergiusz Patela 1997-2000

Sieci światłowodowe - podstawy sprzętowe

20

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

Porównanie parametrów wzmacniaczy optycznych

© Sergiusz Patela 1997-2000

Sieci światłowodowe - podstawy sprzętowe

21

Moc

Zadanie: utrzymać właściwy poziom mocy w sieci (stosunek sygnał/szum)

Zadania wzmacniaczy:

• wzmocnienie mocy nadajnika (power booster)
• przedwzmacniacz odbiornika
• wzmacniacz liniowy

Zadanie

wzmacniacza

Wzmocnienie

Szum

Moc

wyjsciowa

Power booster

Srednie

Sredni Duza

Przedwzmacniacz

Duze

Maly

Srednia

Wzmacniacz
liniowy

Duze

Maly

Duza

© Sergiusz Patela 1997-2000

Sieci światłowodowe - podstawy sprzętowe

22

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.

Przełączniki proporcjonalne i logiczne

© Sergiusz Patela 1997-2000

Sieci światłowodowe - podstawy sprzętowe

23

Podstawowy typ przełącznika (2x2)

Stan prosty (2x2)

Stan krzyżowy (2x2)

Podstawowej technologie wykonania przełączników:
• kierunkowe (directive switches)
• bramkujące (gate switches)

Światłowodowe elementy przełączające

© Sergiusz Patela 1997-2000

Sieci światłowodowe - podstawy sprzętowe

24

sprzęgacz kierunkowy (2x2)

Sprzęgacz delta-beta
(Reversed delta-beta coupler)

+V

-V

V

V

Przełącznik ze sprzęgaczem X

Inne rozwiązania: przełączniki opto-mechaniczne i termo-optyczne

Przełączniki proporcjonalne

© Sergiusz Patela 1997-2000

Sieci światłowodowe - podstawy sprzętowe

25

Optyczne wzmacniacze

bramkujące

Przełączniki logiczne

© Sergiusz Patela 1997-2000

Sieci światłowodowe - podstawy sprzętowe

26

1

2

3

4

1

2

3

4

λ

1

λ

2

λ

3

λ

4

λ

2

λ

3

λ

4

λ

1

λ

1

λ

1

λ

2

λ

3

λ

4

λ

2

λ

3

λ

4

λ

2

λ

3

λ

4

Wejścia

Wyjścia

Demux

Mux

Układ połączeń definiowany

przez macierz rutingu

Pasywny ruter długości fali

© Sergiusz Patela 1997-2000

Sieci światłowodowe - podstawy sprzętowe

27

α

α

’

R

α

α

’

l

1

l

2

l

N’

sprzęgacz N x N’

sprzęgacz N’ x N

(N’

≥

N)

p=0

q

α

q=0

Przykładowa konstrukcja rutera pasywnego

- siatka światłowodowa (Waveguide Grating Ruter

WGR)

(

)

'

2

αα

−

+

λ

∆

×

π

=

Φ

q

p

kR

l

warunek efektywnego sprzężenia
portów p-q:

Φ

=2

π

© Sergiusz Patela 1997-2000

Sieci światłowodowe - podstawy sprzętowe

32

Zachowanie ciągłości fali i konwersja długości fali

Węzeł 2

Węzeł 3

Węzeł 1

λ

1

λ

2

λ

1

λ

2

Węzeł 2

Węzeł 3

Węzeł 1

λ

1

λ

2

λ

1

λ

2

a) łącza bez konwertera długości fali

a) łącza z konwerterem

© Sergiusz Patela 1997-2000

Sieci światłowodowe - podstawy sprzętowe

33

Konwertery

• Optoelektroniczna konwersja długości fali
• konwersja całkowicie optyczna

• efekty koherentne
• kros-modulacja

Konwerter długości fali

λ

s

λ

c

λ

p

© Sergiusz Patela 1997-2000

Sieci światłowodowe - podstawy sprzętowe

34

Konwersja opto-elektroniczna

Sygnał oczekuje w buforze w czasie gdy laser jest strojony na zadane

λ

© Sergiusz Patela 1997-2000

Sieci światłowodowe - podstawy sprzętowe

36

Konwersja w wykorzystaniem kros-modulacji i SOA

•XGM (cross gain modulation), zmiana (wysycenie) współczynnika wzmocnienia

• XPM (cross phase modulation), zmiana współczynnika załamania

SOA

Filtr Sygnał po konwersji

λ

Sygnał wejściowy

λ

s

CW

λ

c

λ

c

SOA 1

SOA 2

CW

λ

c

Interferometr M-Z

λ

s

λ

c