Fontes Ópticas - fenix.tecnico.ulisboa.pt · derivados da junção p-n, ou seja os electrões na banda de condução decaem para a banda de valência emitindo radiação (fotões)

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Sistemas de Comunicação Óptica

Fontes Ópticas


Ganho Óptico em Dispositivos de Semicondutor

• O ganho óptico é obtido por emissão estimulada de radiação, em dispositivos derivados da junção p-n, ou seja os electrões na banda de condução decaem para a banda de valência emitindo radiação (fotões) coerente (mesma direcção frequência,fase e polarização) com a radiação incidente.

• Para que haja emissão estimulada permanente é necessário garantir que a concentração de electrões na banda de condução é muito elevada (inversão de população) através de uma corrente de polarização directa suficientemente elevada.

Meio

Amplificador

Radiação luminosa incidente Radiação coerente com a

radiação incidente

Ene

rgia

+ + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + +

_ _ _ _ _

+ + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + +

_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ Banda de condução

electrões

Banda de valência

lacunas

Equilíbrio térmico Inversão de população

Eg

Frequência do sinal a amplificar

hE

f gs >


Ganho Óptico (I)

• Para reduzir a corrente de injecção necessária para originar inversão de população usam-se heterojunções em vez de uma simples junção p-n.

p

n

corrente de injecção

Homojunção

P (InGaAsP)

corrente de injecção

Heterojunção

P (InP)

n (InGaAsP)n (InP)

RegiãoActiva

y

zx

yd

Região activa

yd

Região activa

Pot

ênci

a óp

tica

Pot

ênci

a óp

tica

yd

Ìndi

cede

re

fracç

ão

yd

Ìndi

cede

re

fracç

ão


Amplificação Óptica

• A amplificação da radiação luminosa só tem lugar quando a densidade de portadores na zona activa N ultrapassar um valor crítico N0 (valor de transparência).

• O amplificador óptico de semicondutor é constituído por uma heterojunção p-n, cujas faces são cobertas com um material dieléctrico anti-reflector. O ganho é dado por

Inversão de população

g (cm-1)

ganho

absorção

0

λ

N=1.8×1018 cm-3

N=1018 cm-3 Região opaca à radiação

Ganho máximo )( 0NNag −=

N0: densidade de portadores à transparência

)exp( gLG Γ=

Cobertura anti-reflectora

Corrente de injecção

Γ : factor de confinamento

L: comprimento da zona activa

Zona activa

a: ganho diferencial


Díodo Laser

• O LASER ( Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) é um oscilador óptico e é constituído por um amplificador óptico inserido numa cavidade reflectora, a qual origina realimentação positiva.

• Os díodos laser usam uma cavidade de Fabry-Perot como cavidade ressonante. As faces do material semicondutor constituem as superfícies semi-reflectoras (espelhos) da cavidade.

Amplificador de fibra dopada Laser de Fibra

Amplificador de semicondutor

Laser de Semicondutor (Díodo Laser)


R1

R2

Região activa com

ganho g e perdas αi

Sinal óptico emitido

Condições de oscilação

21

1ln21

RRLgg ith +=Γ≥Γ α

mnLmkL 2ou ,22 m === λλπ

inteiroL


Características de Emissão do Laser de FP (I)

• Espectro de emissãoO espectro de emissão corresponde aos comprimentos de onda de ressonância da cavidade de Fabry-Perot para os quais o ganho do meio ultrapassa o ganho de limiar gth.

• O laser de Fabry-Perot apresenta um espectro de emissão constituído por vários modos de oscilação longitudinais, ou seja é um laser multimodal. O espaçamento entre os modos longitudinais é dado por

• Os valores típicos da largura espectral a meia potência (ΔλF) dos lasers Fabry-Perot varia 2 e 5 nm.

λ λ λλο

λο

Esp

ectro

de

potê

nci a

λ−1

λ2

λ3

λο

λ1

λ−2

λ−3

Gan

ho

gth

δλ

nLm

mm 2

2

1λλλδλ ≈−= +

P(λ0)/2

ΔλF

L: comprimento da cavidade, n: índice de refracção do material semicondutor

Esp

ectro

de

potê

nci a


Características de Emissão do Laser de FP (II)

• Potência de emissãoQuando a corrente de injecção aumenta o ganho óptico também aumenta. A partir de um certo valor da corrente (corrente de limiar, Ith) o ganho iguala as perdas da cavidade iniciando-se o processo de emissão estimulada.

• Variação do espectro de emissão com a corrente de injecçãoAbaixo do limiar o espectro é idêntico ao espectro do LED. Acima do limiar a potência do modo central aumenta com o aumento da corrente de injecção.

CorrenteIth

Emissão espontânea

Emissão estimulada

Pot

ênci

a Ó

ptic

a

Potência emitida por face

)(21)( th

i

do II

qhIP −=

ηηυ

h ν :energia do fotão, ηd: eficiência quântica externa, ηi: eficiência interna

I1 I2 I3

λλο

50 nm

Esp

ectro

5 nm

λο

Esp

ectro

λο

2 nm

λ λ

I=I1 I=I2 I=I3

Esp

ectro


Laser Monomodal

• O laser monomodal mais usado é o laser de retroacção distribuída ou DFB (Distributed Feedback). Este laser é semelhante ao laser de FP, mas possui uma grelha de Bragg localizada junto à região activa de modo a filtrar todos os modos longitudinais exceptuando o central.

• A presença de ruído devido à emissão espontânea vai contribuir para originar ruído de amplitude e ruído de fase no sinal emitido pelo laser. O ruído de fase é responsável pela largura espectral do sinal emitido.

Camada anti-reflectora

Espelhosemi-reflector


Potência Óptica Emitida

Grelha de Bragg

Esp

ectro

de

potê

nci a

λο

λ

Esp

ectro

de

potê

nci a

λο

λ

S0

S0/2

ΔλF

Fonte monocromática (ideal) Laser DFB λ0: comprimento de onda nominal de emissão

ΔλF: largura espectral a meia potência

σλ = ΔλF /(2√(2ln2)): largura espectral rms

ΔλF ∈[ 0.00001, 0.001nm]

DFB não modulado


Alargamento Espectral Dinâmico (Chirp)

• O alargamento espectral dinâmico corresponde ao alargamento do espectro de emissão durante a modulação do laser e é devido ao facto da parte real do índice de refracção da região activa depender da densidade de portadores.

• Espectro de emissão em presença do chirp

t

I

t

N

t

P

Corrente Densidade de portadores Potência óptica emitida

t

N

Densidade de portadores

t

n

Indíce de refracção (parte real)

t

λ Comprimento de onda

λ0

Nbn Δ=Δ nLΔ=Δ 20λ

Espe

ctro

de

potê

ncia

Frequência (ν)ν0

nLnc

nLc

Δ−=Δ= 200 2 ,

2ννEspectro de Fourier

Espectro em presença do “chirp”

Δν0 Eficiência FM (GHz/mA): IΔΔ /0ν


Laser de Cavidade Vertical com Emissão Superficial

• O laser VCSEL (vertical cavity surface-emitting laser) é uma alternativa mais barata aos lasers FB e DFB e é usado em aplicações de transmissão de dados de alta velocidade.

• No VCSEL as superfícies semi-reflectoras são obtidas por camadas alternadas de material dieléctrico com índice de refracção alto e baixo. O comprimento da zona activa é muito inferior à dos lasers FB e DFB permitindo uma emissão monomodal.

• O laser emite por uma das superfícies e o diagrama de radiação é circular, o que facilita o acoplamento do laser à fibra.

Substracto

Região activa

Multicamada tipo p

Multicamada tipo n

Feixe luminoso emitido


Efeito da variação de temperatura nos lasers

• A corrente de limiar dos lasers Ith varia com a temperatura T , fazendo com que a potência óptica emitida pelo laser também varie.

• Para manter a potência óptica emitida constante a corrente de injecção do laser deverá aumentar quando a temperatura aumenta. Para tal, é necessário construir no emissor óptico um circuito de controlo realimentado, que permita variar a corrente de injecção em resposta à variação de potência óptica média.

• Para reduzir as variações de tempertura do laser usa-se ainda um circuito de controlo de temperatura, tendo como elemento fundamental um arrefecedortermoeléctrico (elemento de Peltier). Assim, uma fonte óptica inclui o circuito de excitação do laser, e os circuito de controlo de potência e de temperatura.

)/exp( 00 TTIIth =

T0: característica de temperatura do laser (Ex: InGaAsP ⇒{ 50, 70 K}) I0: constante

CorrenteIth (T1)

Pot

ênci

a Ó

ptic

a

Ith(T2)

T2 >T1


Estrutura de uma fonte óptica

• Uma fonte óptica inclui a estrutura modular do laser, o circuito de excitação (responsável pela modulação do sinal óptico), o circuito de controlo de potência e o circuito de controlo de temperatura.

Díodo Laser

Adaptação óptica

PIN

Circuito de excitação

Controlo de potência

Elemento de Peltier

Termistor

Controlo de temperatura

V

t

Guia térmico

Fibra óptica

Estrutura modular do laser

Estrutura modular de um laser


Díodos Emissores de Luz

• Os díodos emissores de luz ou LED (Light-Emitting Diode) são aplicados como fontes ópticas em sistemas de curta distância usando fibras ópticas multimodais principalmente em transmissão de dados em 850 e 1300 nm.

• A estrutura física de um LED é constituída por uma heterojunção p-n semelhante ao Laser, mas sem os espelhos usados para proporcional realimentação. A emissão de radiação é feita por emissão espontânea.

• Os LED podem ser de emissão lateral ou EELED (edge-emitting LED) como os lasers FB, ou de emissão superficial ou SLED (surface-emitting LED) como os VCSEL.

Espe

ctro

de

potê

ncia

Emissão superficial

Emissão lateral

λ0 λ

Δλ1

Δλ2

Δλ1≅ 60 nm

Δλ2≅100 nm

Pot

ênci

a Ó

ptic

a

Corrente

T1

T2

T2>T1


Comparação das Fontes Ópticas

0.1 monomodal

Contínuo ≈ 50 nm

155 Mbit/sMonomodal/MultimodalDatacom

LED de emissão lateral

0.1 multimodal

Contínuo ≈ 100 nm

622 Mbit/sMultimodalDatacom

LED de emissão superficial

0.1 multimodal

Multimodal espacial ≈ 1GHz

Até 5 Gbit/sMultimodalDatacom

Laser VCSEL

1-20 monomodal

Monomodal≈ 10 MHz

Até 10 Gbit/sMonomodal

TelecomTV caboLaser DFB

1-100 monomodal

Multimodal, ≈ 5 nm

Até 10Gb/s

Monomodal/Multimodal

Datacom, Telecom

LaserFabry-Perot

Potência na Fibra (mW)

LarguraEspectral

Débito Binário

Tipo de Fibra Associada

AplicaçãoTipo de Fonte


Sistemas de Comunicação Óptica

Fotodetectores e Receptores Ópticos


Fotodetectores

• Características desejáveis:

- Elevada sensibilidade para os comprimentos de onda de interesse;

- Largura de banda e tempos de resposta adequados aos débitos usados;

- O ruído adicional introduzido deve ser mínimo;

- Fraca sensibilidade às variações das condições ambientais;

- Compatibilidade com as dimensões físicas da fibra;

- Tempos de vida médios longos:

Fotodíodos de semicondutor (PIN,APD)


Fotodetecção e Materiais Usados

• No processo de fotodetecção os fotões absorvidos pelo material semicondutor fazem transitar electrões da banda de valência para a de condução desde que o comprimento de onda seja inferior a um valor crítico.

• Os valores críticos de alguns materiais são os seguintes:

• Os semicondutores Si e GaAs não podem ser usados para realizar fotodetectores nas janelas de 1.3 e 1.55 μm.

J.s1063.6 , 34−×==< hEhc

gcλλ

Ec

Ev

Eg

Banda de condução

Banda de valência+

_Fotão

Par electrão-lacuna

Material

Eg (eV)

λc(μm)

Si

1.1

1.1

Ge

0.72

1.7

Ga As

1.43

0.87

Gax In1-x As

1.43 - 0.36

0.87-3.44

Gax In1-x As1-x P1-Y

1.35 - 0.36

0.92 - 3.44


Estruturas dos Fotodetectores

• Fotodíodos PINOs fotodíodos PIN são baseados numa junção p-n com material intrínseco (i) colocado entre os dois tipos de semicondutor. A junção é polarizada inversamente.

• Fotodíodos de Avalanche ou APD (Avalanche Photodiode)

InP

InP p

n

+

_

InPAs i Região de absorção

Região de depleção

Campo Eléctrico

x

O campo eléctrico é intenso em quase toda a região de absorção.

p

p

i Região de absorção

Região de Depleção

Campo Eléctrico

x

O campo eléctrico na região de avalanche é suficientemente intenso de modo que os electrões gerados adquirem energia para libertarem mais electrões da banda de valência para a banda de condução.

n

+

_Multiplicação por avalanche

Região de avalanche


Caracterização dos Fotodetectores

• Num fotodíodo PIN ideal por cada fotão incidente na região de absorção seria originado uma par electrão-lacuna na região de depleção. Num PIN real a eficiência da conversão η (designada por eficiência quântica) é inferior a um.

• Num fotodetector APD o processo de multiplicação por avalanche é caracterizado por um ganho m(t) aleatório com valor médio M.

PINPotência óptica incidente, Po Foto-corrente, I

η, Rλ

νη

hPqI

o //

incidentes fotões de ritmolacuna-electrão pares de geração de ritmo

== q=carga do electrão=1.602×10-19 C

ν:frequência da radiação óptica[ ]1.24

mμληηλ ===

hvq

PIRo

Respostividade (A/W)

h=constante de Planck=6.626×10-34 J.s

+ _

+ _

+ _

Fotão incidente

Par electrão-lacuna

Ionização por impacto

Multiplicação de avalanche

Corrente instantânea: 0)()( PtmRti λ=

Corrente média: 0MPRiI λ>==<


Ruído Associado ao Processo de Fotodeteção(PIN)

• A um feixe de luz com potência constante P0 vai corresponder um fluxo médio de P0/hν fotões por segundo. O número de fotões incidentes num fotodetector num determinado intervalo de tempo é uma grandeza aleatória.

• A foto-corrente gerada aos terminais do fotodetector apresenta uma componente média I à qual aparece sobreposta uma componente aleatória iq(t), designada por ruído quântico

• A densidade espectral de potência (bilateral) do ruído quântico é dada por

Foto

-cor

rent

e

Fotões

PINη, RλTempo

Tempo

I=<i>

O número de fotões incidentes num determinado intervalo de tempo T segue uma estatística de Poisson

)()()( tiPRtiIti qoq +=+= λ

oq PqRqI

dfid

λ==>< 2

Ruído depende da potência do sinal


Ruído Associado ao Processo de Fotodeteção(APD)

• No caso do APD para além da aleatoridade associada à chegada dos fotões, têm-se uma segunda aleatoridade associada ao fenómeno de multiplicação por avalanche.

• O processo de multiplicação por avalanche é caracterizado pelo ganho médio M e pelo factor de ruído F(M). A corrente gerada aos terminais do fotodetector é

• A densidade espectral de potência de corrente de ruído é dada por

APDη, Rλ,Μ

Tempo Tempo

Núm

ero

de

elec

trões

O número de electrões gerado por cada fotão incidente é uma grandeza aleatória

)()()( tiMPRtiMIti qoq +=+= λ

xq MMFPRMFqMIMFqMdfid

===><

)( ,)()( 022

2

λx=0.3-0.5 Si x=0.5-0.8 InGaAsx=1 Ge


Receptores Ópticos

• A estrutura de blocos de um receptor óptico para um sistema de transmissão digital com detecção directa e sem pré-amplificação óptica inclui um fotodetector, um pré-amplificador eléctrico, um igualador (optativo), um amplificador de ganho variável e um regenerador.

• O fotodetector pode ser um fotodíodo PIN ou um APD.• O pré-amplificador eléctrico visa amplificar a corrente gerada pelo

fotodetector introduzindo um nível de ruído mínimo.• O igualador pode ser usado com certos pré-amplificadores para reduzir as

restrições espectrais e aumentar a largura de banda.• O amplificador principal aparece associado a um circuito de controlo

automático de ganho (CAG) para garantir que a tensão na saída é constante.

CAG

Regeneradordigital

Sinal ópticode entrada

Fotodetector Pré-amplificador IgualadorAmplificador principal e CAG


Estruturas de Pré-Amplificadores Eléctricos

• As estruturas dos pré-amplificadores eléctricos são de três tipos: tensão, alta-impedância e transimpedância.

• No pré-amplificador de tensão a resistência de polarização do fotodetector Rbé reduzida (cerca de 50 Ω), enquanto no de alta-impedância é elevada (ordem dos kΩ).

• O pré-amplificador de tensão apresenta uma largura de banda elevada mas introduz também uma corrente de ruído térmico elevada. O pré-amplificador de alta-impedância apresenta baixo ruído e largura de banda baixa. O pré-amplificador de transimpedância apresenta um comportamento intermédio.

Ip

Rb

A

RF

V0

Ip

Rb

-A

Pré-amplificador de tensão ou alta-impedância Pré-amplificador de transimpedância

V0

FET ou TJB


Circuitos Equivalentes

• O circuito equivalente do conjunto fotodetector pré-amplificador de tensão/alta-impedância (Front-end) é a seguinte:

• A largura de banda eléctrica a –3dB do Front-end é dada por Como a resistência de polarização nos pré-amplificadores de alta-impedância é elevada, a sua largura de banda é reduzida o que implica a utilização de um igualador.

• Nas estruturas com pré-amplificadores de transimpedância a largura de banda é aproximada por o que permite controlar a largura de banda actuando em A.

IpRb

CdRa

Ca

A

Fotodíodo Resistência de polarização

Amplificador

e

T

TT

T

BfjR

RfCjRfH

/2121)(

ππ +=

+=

Função de transferência:

daTbaT CCCRRR +== ,//

).2/(1 TTe CRB π=

FTe RC

ABπ21+

=


Componentes de Ruído de Circuito

• As fontes de ruído de circuito são o ruído de escuro dos fotodetectores, o ruído térmico dos elementos resistivos e fontes adicionais de ruído devidas aos elementos activos. As fontes de ruído podem ser expressas em tensão ou corrente.

• A corrente de ruído de circuito resulta das diferentes contribuições:

• A densidade espectral de potência da corrente de ruído é dada por:

Rb

CdRa

Ca

A

Ruído térmico Corrente de ruído do amplificador

id(t) it(t) ia(t)

Ruído de escuro

ea(t) Tensão de ruído do amplificador

TT

aaaaatdc fCjR

fYfYTFttetytitititi π21)( )),(()(y ),()()()()()( 1a +==⊗+++= −

dfedCS

dfed

Rdfid

dfid

dfidS a

Ta

T

atd ><=

><+

><+

><+

><=

22

2

2

2

222

0 )2( ,1 π ,22

0

2

SfSdfid c +=

><

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