Curs 5

2020/2021

2C/1L Optoelectronică OPTO Minim 7 prezente curs + laborator Curs - conf. Radu Damian ◦ an IV μE ◦ Miercuri 11-14, online, Microsoft Teams ◦ E – 70% din nota (50+20), online, rf-opto 20% test la curs, saptamana 4-5?

◦ probleme + (? 1 subiect teorie) + (2p prez. curs) ◦ toate materialele permise

Laborator – sl. Daniel Matasaru ◦ an IV μE

Marti 10-14 impar/par

◦ L – 30% din nota (+Caiet de laborator)

Curs ◦ Miercuri 11-14, online

◦ 2C 3C

14*2/3 ≈ 9.33

9÷10 C ≈ 9C + E

acces la examene necesita parola primita prin email

acces email/parola

primita prin email

Aplicatia de examen online utilizata intens la: ◦ curs (prezenta)

◦ miniteste

◦ examen

intotdeauna contratimp ◦ perioada lunga (prezenta curs/rezultate laborator)

◦ perioada scurta (teste: 15min, examen: 2h)

Capitolul 1

Comunicatii ◦ Infrarosu (InGaAsP)

Vizibil ◦ Spectru vizibil (GaAlAs)

Iluminare ◦ Putere ridicata, lumina alba (GaInN)

Infrarosu Apropiat

Frecvenţă

Lungime de undă 1.6

229

1.0 0.8 µm 0.6 0.4 1.8 1.4

UV

(vid)

1.2

THz 193 461

0.2

353

Longhaul Telecom Regional Telecom Local Area Networks

850 nm

1550 nm

1310 nm

CD Player 780 nm

Laseri HeNe 633 nm

850nm, 1310nm, 1550nm

Capitolul 4

Lumina ca undă electromagnetică (ecuaţiile lui Maxwell, ecuaţia undelor, parametrii de propagare)

Elemente de fotometrie şi radiometrie (mărimi energetice/luminoase) Fibra optică (realizare, principiu de funcţionare, atenuare, dispersie,

banda de frecvenţă) Cabluri optice (tehnologie, conectori, lipire - splice) Proiectare sistemică a legăturii pe fibra optică (bandă de frecvenţă,

balanţa puterilor) Emiţătoare optice (LED şi dioda laser - realizare fizică şi functionare) Receptoare optice (dioda PIN, dioda cu avalanşă - realizare fizică şi

functionare) Amplificatoare transimpedanţă (parametri, scheme tipice, TIA în buclă

deschisă, cu reacţie, diferenţiale, control automat al câştigului) Realizarea circuitelor pentru controlul emiţătoarelor optice (parametri,

scheme tipice, controlul puterii, multiplexoare) Dispozitive de captare a energiei solare (principiu de functionare,

utilizare, proiectare )

un ghid de unda dielectric ◦ miez

◦ teaca

Optical fibers

Tube

Strain relief (e.g., Kevlar)

Inner jacket

Sheath

Outer jacket

Unghi de acceptanta

Apertura numerica

cACC nn sinsin 20

2

1

2

22

2

2

1

2

22 nn

n

nnnNA

ACCnNA sin0

n2 – miez n1 – teaca n2 > n1 !!

Monomod

Multimod ◦ cu salt de indice

◦ cu indice gradat

50/125 sau 62.5/125 (μm)

15-50 MHz· km

50/125 sau 62.5/125 (μm)

700-1200 MHz·km

g = 1 – indice gradat triunghiular

g = 2 – indice gradat parabolic

g = ∞ - salt de indice

6-8/125 (μm)

MHz·km nerelevant

MFD – Mode Field Diameter

Ecuatiile lui Maxwell in coordonate cilindrice

a - raza miezului U - E(r) sau H(r)

solutii proportionale cu functii Bessel

Moduri in ghid rectangular

Moduri linear polarizate in fibra

“Sparkle” pattern

Frecventa normalizata

Numar de moduri

NAakNAa

V

2

22

2

g

gVN

L

mL

a - raza miezului

2k

Fibre monomod

NAa

NAV

a

C

C405.2

22

Exemplu:

2a = 8.5μm

NA = 0.11

nm121011.0405.2

5.8C

405.2 CVV

exista un singur mod (solutii fc. Bessel)

b – coeficient de propagare modal relativ

Numar de moduri ◦ Multimod cu salt de indice

◦ Multimod cu indice gradat

◦ Monomod

2

2VNg

42

2VNg

405.2 CVV exista un singur mod (solutii fc. Bessel)

22

2

g

gVN

fibra tipica multimod ◦ g=2

◦ 2a = 50μm -> a = 25μm

◦ NA = 0.2 la λ = 1μm

4.31522.01

2522

NA

aV

2474

4.31

42

22

V

Ng

Propagarea luminii poate fi explicata doar prin teoria electromagnetica

Energia campului se extinde in teaca (diametrul efectiv al spotului luminos – MFD, Mode Field Diameter)

MFD > 2a Adancimea de patrundere in teaca

depinde de lungimea de unda, generand dispersia de ghid

d

Through the Wormhole S02E07 How Does the Universe Work

Cat de departe pot transmite semnalul luminos pe fibra ◦ atenuare

Cat de rapid pot transmite informația ◦ dispersie

0 dBm = 1 mW 3 dBm = 2 mW 5 dBm = 3 mW 10 dBm = 10 mW 20 dBm = 100 mW -3 dBm = 0.5 mW -10 dBm = 100 W -30 dBm = 1 W -60 dBm = 1 nW

0 dB = 1 + 0.1 dB = 1.023 (+2.3%) + 3 dB = 2 + 5 dB = 3 + 10 dB = 10 -3 dB = 0.5 -10 dB = 0.1 -20 dB = 0.01 -30 dB = 0.001

dB = 10 • log10 (P2 / P1) dBm = 10 • log10 (P / 1 mW)

[dBm] + [dB] = [dBm] [dBm/Hz] + [dB] = [dBm/Hz]

[x] + [dB] = [x]

in

out

P

P10log10dBPierderi

mW

P

P

P

1log10log10dBmP 10

0

10

in

out

P

PPierderi

in

out

P

P10log10dBPierderi

]lungime[km

B]Pierderi[ddB/kmAtenuare

dBmdBmdBPierderi inout PP

√

0

10

0

100

0

10 loglog10log10dBPierderiP

P

P

P

P

P

P

P inout

in

out

Macrocurburi ◦ utilizator, localizat, dB

Discontinuitate in fibra ◦ utilizator, localizat, dB

Microcurburi ◦ distribuit, tehnologie, dB/km

Imprastiere ◦ distribuit, tehnologie, dB/km

Absorbtie ◦ distribuit, material, dB/km

utilizator, localizat, dB

i

iAA

iANA

Multimod

Monomod v creste n scade

v scade n creste

2,1 nnRR extC

Apare cand nu putem considera fibra un singur ghid dielectric ◦ defectiuni

◦ conectori

utilizator, localizat, dB

i

iAA

iANA

distribuit, tehnologie, dB/km

LAA i

kmLkmdBAdBA i /

distribuit, tehnologie, dB/km

LAA i

kmLkmdBAdBA i /

distribuit, material, dB/km

kmLkmdBAdBA i /

imprastierea luminii (si a altor radiatii electromagnetice) de particule (molecule) mult mai mici decat lungimea de unda

4

1~

A

Absorbtie ◦ 950nm

◦ 1244nm

◦ 1383nm

Apa!

111

ztjzy eeCtzE

2~, EPW

222

ztjzy eeCtzE

12

1

22

22

22

1

2 zz

z

z

eeCt

eCt

P

PA

12210

1

210 log10log10][

zze

P

PdBA

121012 686.8log20][ zzezzdBA

0686.8]/[/ kmdBLA

Atenuarea se exprima de obicei in dB/km

de obicei valori pozitive

semnul = implicit

in

out

P

PPierderi

in

out

P

P10log10dBPierderi

]lungime[km

B]Pierderi[ddB/kmAtenuare

dBmdBmdBPierderi inout PP

√

Stimulated Brillouin Scattering, SBC ◦ difractia luminii inspre emitator datorita undelor

mecano-acustice generate in fibra ◦ 6-10 dBm

Stimulated Raman Scattering, SRS ◦ interactiunea luminii cu vibratiile moleculare ◦ 27 dBm (~1W)

Self Phase Modulation, SPM ◦ Frontiera impulsului implica indice de refractie variabil in

timp moduland faza impulsului ◦ 5 dBm ◦ Cross Phase Modulation, CPM

Four-Wave Mixing, FWM ◦ 0 dBm

23

2

1NNNL

N = 2, NL = 4

N = 3, NL = 9

N = 16, NL = 1920

Cat de departe pot transmite semnalul luminos pe fibra ◦ atenuare

Cat de rapid pot transmite informația ◦ dispersie

Propagarea cu viteze diferite a radiatiilor cu trasee/lungimi de unda diferite ◦ intermodala (modala – depinde de prezenta

modurilor)

◦ intramodala (cromatica – depinde de lungimea de unda)

de material

de ghid

v

Lt 0

C

Cv

Lt

cos

2n

cv NAC cos

2

1220

n

nn

c

nLttt CSI

c

nLttt CSI

20

11

12

n

nn 2

2

02

NAnc

Lttt CSI

dttSI

salt de indice

indice gradat

2

2

2

12

1

2

2

2 nc

NAL

n

nn

nc

nLdt

intarzierea intre

moduri cand 1

1

12

n

nn

2

2

mod23

1

dt

2

2

2mod

3432 nc

NAL

c

nL

3

2

42

2

82 nc

NAL

c

nLdt

c

nL

34

2

2mod

12.01.0 NAn2 – miez n1 – teaca n2 > n1 !!

Mai mare la fibre multimod cu salt de indice

Mai mica la fibre multimod cu indice gradat ◦ traseele mai lungi trec prin zone cu indice mai mic

Inexistenta la fibrele monomod

d

dnnngr

2

2

d

nd

c

Lmat

SiO2

Neglijabila in fibrele multimod fata de dispersia modala

2

2

dV

VbdV

c

Lngh

b – constanta de propagare normalizata

405.2 CVV

Variatie aproximativ liniara

Caracterizata de panta si punctul de trecere prin 0

D(λ) ≈ 100 + 0.4 (850 - λ) [ps/nm/km] pentru 800 < λ < 900 nm

D(λ) ≤ 3,5 ps/nm/km pentru 1285 < λ < 1330 nm

D(λ) ≤ 17 ps/nm/km pentru 1525 < λ < 1575 nm

LDcr

3

400 -

4

S=)D(

3

400 -

4

S=)D(

S0 panta dispersiei – ps/nm2/km

0=)D( 0

LDcr

degenerarea nivelelor energetice duce la aparitia benzilor energetice

Multitudinea de tranzitii posibile intre cate doua nivele situate in benzi energetice diferite duce la largirea caracteristicii spectrale a surselor

2,

2000

0

Δ

nm002.0

A

A

A

3⋅A

t

t

t

t

A1

A2

A3

A1+A2+A3

t

t

t

t

T

T

T

T

T0

T0+Δτ12

T0+Δτ13

T0

T0+T

T0+Δτ12+T

T0+Δτ13+T

T0+Δτ13+T

Δτ =Δτ13

m1,v1

m2,v2

m3,v3

v1> v2> v3

Impartire energie pe moduri Recombinarea

energiei modurilor

Transmisie cu viteze diferite v1> v2> v3

degtf tj

Conceptual

A

A

A

3⋅A

t

t

t

t

A1

A2

A3

A1+A2+A3

t

t

t

t

T

T

T

T

T0

T0+Δτ12

T0+Δτ13

T0

T0+T

T0+Δτ12+T

T0+Δτ13+T

T0+Δτ13+T

Δτ =Δτ13

1,v1

2,v2

3,v3

v1> v2> v3

Impartire energie pe lungimi de unda Recombinarea

energiei la diferite lungimi de unda

Transmisie cu viteze diferite v1> v2> v3

degtf tj

Efectiv

transmisii cu viteze diferite

LDcr

1550nm Efectul sursei ◦ fibra monomod cu dispersia 16ps/nm/km@1550 ◦ latimea spectrala a sursei Δλ=1nm ◦ 50km

LDcr

pspscr 80050116

100<400<800<1600

pskmnmkmnm

pscr

LDcr

1550nm Efectul sursei ◦ fibra monomod cu dispersia 16ps/nm/km@1550 ◦ latimea spectrala a sursei Δλ=0.1nm ◦ 50km

LDcr

pspscr 80501.016

100≈80<400<1600

pskmnmkmnm

pscr

LDcr

Efectul fibrei ◦ fibra cu dipersie deplasata: 4ps/nm/km@1550 ◦ latimea spectrala a sursei Δλ=0.1nm ◦ 50km

LDcr

pspscr 20501.04

20<100<400<1600

pskmnmkmnm

pscr

LDcr

Efectul fibrei ◦ fibra cu dipersie deplasata: 4ps/nm/km@1550 ◦ latimea spectrala a sursei Δλ=0.1nm ◦ 150km

LDcr

pspscr 601501.04

60<100<400<1600

pskmnmkmnm

pscr

LDcr

efecte succesive se adună liniar

efecte simultane se adună pătratic

21 tot

2

mod

2 crtot

1 2

cr ,mod

Dispersia modala

salt de indice

indice gradat

2

2

2mod

3432 nc

NAL

c

nL

32

422

mod31634 nc

NAL

c

nL

Dispersia cromatica

12.01.0 NA

102.001.0

LDcr

3

400 -

4

S=)D(

2

mod

2 crtot

0

Δ

Dispersia totala

Banda

Banda optica la 3 dB corespunde unei benzi electrice la 6 dB ◦

Viteza legaturii

2

mod

2 crtot

GHz

nsB

tot

opt

44.0

elopt BB 2

GHzBsGbV el 2/

2~;~ IPIP elopt

21 totsau

LDcr

2

2

2mod

3432 nc

NAL

c

nL

2

mod

2 crtot

GHz

nsB

tot

opt

44.0

elopt BB 2 elBsGbV 2/

Lconsttot

L

constsGbV /

constkmLsGbV ][/

L~mod Lcr ~ Ltot ~

][

1~

1~~/

kmLGHzBsGbV

tot

el

.ct][/ kmLsGbV

.ct][ kmLMHzBel

Sticla are (nativ) dispersie cromatica 0 la 1310nm

Atenuarea e mai mica la 1550 nm

EDFAŸ (Erbium doped fibre amplifiers) opereaza in banda 1550nm

Sistemele WDM (Wavelength division Multiplexing) necestia banda larga amplificata

FWM

Dispersie: -100 ps/nm/km

Atenuare 0.5 dB/km

3

400 -

4

S=)D(

3

400 -

4

S=)D(

+

Diametru teaca = 125 μm

MFD = 9÷10 μm la 1300 nm

λC = 1100÷1280 nm Pierderi de curbura (la 1550 nm) mai mici de 1 dB

pentru 100 spire de fibra rulata pe un mosor cu 7.5 cm diametru

Dispersia in banda 1300 nm (1285-1330 nm) mai mica de 3.5 ps/nm/km. La 1550 nm dispersia trebuie sa fie mai mica de 20 ps/nm/km

Viteza de variatie a dispersiei (panta dispersiei S0) mai mica de 0.095 ps/nm2/km

ITU (International Telecommunication Union) is the United Nations specialized agency for information and communication technologies – ICTs

Atenuare 180 dB/km NA = 0.3 Diametru 1 mm Banda 125MHz (100m)

Laboratorul de microunde si optoelectronica

http://rf-opto.etti.tuiasi.ro

rdamian@etti.tuiasi.ro