Fontes Ópticas - fenix.tecnico.ulisboa.pt · derivados da junção p-n, ou seja os electrões na...
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© João Pires Sistemas de Comunicação Óptica 58
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 >
© João Pires Sistemas de Comunicação Óptica 59
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
© João Pires Sistemas de Comunicação Óptica 60
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
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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)
Corrente de injecção
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
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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
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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
© João Pires Sistemas de Comunicação Óptica 64
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
Corrente de injecção
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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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Sistemas de Comunicação Óptica
Fotodetectores e Receptores Ópticos
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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)
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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
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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
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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>==<
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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
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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
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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
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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
© João Pires Sistemas de Comunicação Óptica 80
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+
=
© João Pires Sistemas de Comunicação Óptica 81
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 +=
><