Tema1: Tecnología de las Comunicaciones Ópticasgarciaargos.com/descargas/apuntes/posgrado/Primer-Semestre/SRC/1... · Redes03- 17/10/2007 Prof. Dr. A. Aguilar 8 Cables Fibra Óptica

17/10/2007 Prof. Dr. A. Aguilar 1

Tema1: Tecnología de las

Comunicaciones Ópticas

1.1.- General.1.2.- Historia1.3.-La fibra Óptica. 1.4.- Componentes y Subsistemas.

Conversión E/OConversión O/E

1.5.- Enlace PaP.1.6.- Conclusiones. Ventajas

Redes03- 17/10/2007 Prof. Dr. A. Aguilar 2

ObjetivoTecnología de las Comunicaciones por fibra Óptica.

Repasar y afianzar los conceptos y características de los elementos claves de los sistemas de Comunicaciones por Fibra Óptica.


Comunicaciones Ópticas

Comunicaciones basadas en la utilización de la radiación luminosa, onda EM del espectro óptico del infrarrojo cercano (0,8 a 1,6 µm),

como vehiculo de la información.


Radiación Luminosa. Espectro

Frecuencia ν


HistoriaFinales de los años 70. La fibra Óptica

Con la introducción y desarrollo de los sistemas de fibra óptica llegó la revolución de las comunicaciones cableadas.En vez de utilizar hilos metálicos donde se transmiten señales eléctricas, se utilizan estructuras de materiales dieléctricos, vidrio, y se envían señales luminosas.

Materiales: vidrio vidrio plástico

Nucleo Envoltura Cubierta


Enlace simplificado de F. O

ORIGEN TRANSMISOR ÓPTICO

RECEPTOR ÓPTICO DESTINO

FIBRA ÓPTICA

Señal Eléctrica

Señal Eléctrica

Señal Óptica

Señal Óptica

Impulso entrada

Impulso salida


Enlace de FO. ElementosENTRADA.Señal Eléctrica

TRANSMISOR ÓPTICO

CONECTOR

EMPALME

ACOPLADORREGENERADOR

EMPALME

AMPLIFICADOR ÓPTICO

RECEPTOR ÓPTICOCONECTOR

Señal EléctricaSeñal Óptica

FIBRA

ÓPTICA

SALIDA.Señal Eléctrica


Cables Fibra ÓpticaCable aéreo

Cable enterradoCable canalizado

Cable de interior

Cable submarino

Amplif, Óptico

Cámara de registro


Elementos Clavesid(t) ∝ Po(t)

I(t) Pi (t) P0(t)

Fuente de luz Fibra Óptica Fotodetector

Fuente de Luz: Convierte las señales eléctricas I(t) en señales ópticas Pi(t). Estas señales pueden ser

Digitales. Secuencia de “1” y “0”, existencia y ausencia de luz,respectivamente.

Analógicas. Subportadoras de frecuencia fi moduladas

Fibra Óptica: Medio de transmisión por donde se transmite la señales ópticas

Fotodetector: convierte la señal óptica de salida de la FO P0(t) en una corriente eléctrica id(t)

V0 (t)


Espectro de Operación

FIBRA ÓPTICA

FUENTES DE LUZ

AMPLIFICADORES ÓPTICOS

FOTODETECTORES

Semiconductores

Fibra Óptica

Longitud de onda

Ate

nuac

ión

(dB/km)

Resp

onsivida

d (A/W)


Fibra ÓpticaConstituciónTiposCaracterísticasVentajas y aplicaciones


Fibra Óptica. Constitución

Núcleo

Envoltura CubiertaLuz

Núcleo y Envoltura: vidrio (SiO2) dopado (Ge02, B2O3 , ..)Cubierta: Plástico

Estructura: 2 cilindros concéntricos de vidrio protegida por una cubierta de plástico

Fundamento Físico: Estructura óptica (guía de ondas dieléctrica) donde se confina y propaga la señal luminosa procedente de una fuente de luz externa.

n1

n2n1 > n2Núcleo

Envoltura

Envoltura

φ

n: índice de refracción (IR)

n2


Tipos de Fibra Ópticar

n1

n2n1 n2

n(r)

n(r)

MULTIMODO DE SALTO DE ÍNDICE

MULTIMODO DE ÍNDICE GRADUAL

MONOMODO

n1

n2


Tipos de F.O. RespuestaIMPULSO DE ENTRADA MULTIMODO DE SALTO DE ÍNDICE

MULTIMODO DE ÍNDICE GRADUAL

MONOMODO

IMPULSO DE SALIDA


Parámetros Característicos

Longitud

Dispers. PolarizaciónRadio de curvatura

Punto (λ) dispersión 0Circularidadenvoltura

Dispersión GuíaLong. Onda de CorteCircularidad núcleo

Dispersión MaterialDiámetro Campo ModalConcentricidad n/e Dispersión ModalPerfil IRDiámetro EnvolturaAtenuación Apertura NuméricaDiámetro Núcleo.TransmisiónÓpticosGeométricos


Atenuación

Pe Ps

L (km)Impulso entrada

Impulso salida

Señal entrada Señal

Salida


AtenuaciónAl igual que en otros medios de transmisión, es el parámetro que especifica las pérdidas de potencia luminosa que se produce en una F.Ode longitud L determinada.

Se calcula mediante:Pérdidas (dB) = 10 log (Ps/Pe):

• Ps: Potencia de salida; Pe= Potencia de entrada.

Se suele expresar en dB por unidad de longitud (km):

At (dB/km) = 10 log (Ps/Pe)/ L(km)


Curva característica: Pérdidas vs λ

LONGITUD DE ONDA (µm)

ATE

NUACI

ÓN (dB

/km)

Absorción infrarrojo

Scattering Rayleigh


Historia de la Atenuación. Ventanas

Principio de los 70.

Año 80

Año 90

1ª ventana Finales 70-80

2ª ventana. > 1980 3ª

ventana

Atenuación

dB/km

Longitud de Onda (nm)


Fibra Monomodo Comercial

Longitud de onda (µm)

Ate

nuac

ión

(dB

/km

)

Fibra monomodo convencional

Fibra monomodo “full espectrum” (optimizada el pico OH)

Banda O Banda E Banda S Banda C Banda L

Característica de atenuación de una SMF Comercial (Corning)


Dispersión

Pe Ps

L (km)Impulso entrada

Impulso salida

Señal entrada Señal

Salida

T1 T2

f1(t) f2(t)

F1(ω) F1(ω) H(ω) = F2(ω) F2(ω)

Función de transferencia H(ω)

F1(ω)

ω ωB-3 dB


Efectos de la DispersiónLimita la tasa binaria de un enlace

El ensanchamiento de los impulsos a la salida de la fibra produce Interferencias entre símbolos (ISI).

Fenómeno que produciría errores en recepción.Para evitar el ISI hay que mantener la anchura del impulso dentro de la duración del bit.

En un formato binario NRZ (duración del “1” igual a la duración del bit, T) siempres se producirá ISIEn un formato RZ, en donde la anchura del “1” es la mitad de T, para que no haya ISI, se permitiría un ensanchamiento, τ, o dispersión de de T/2.

Velocidad binaria/ Anchura de Banda máxima sin ISI R (bit/s) = 1/2 τB (Hz) = 1/2 τ

1 1 1

τ

2τ


CausasCausas:

Dispersión intermodal.Dispersión intramodal:

Dispersión del materialDispersión por guía de onda

Dispersión por polarización.Dependencia:

Tipo de fibra.Anchura espectral de la luz emitida por el transmisor


Dispersión en fibra multi-modoFibra Multimodo IG 50/125 µm

Longitud: 2000 m; Atenuación = 3 dB/km

Impulso de Entrada. T1= 1,4 ns

1 ns/div

Impulso de salida. T2= 3,6 ns

Dispersión, d = (T12- T2

2)1/2= 3,3 ns

Dispersión normalizadas: 1,7 ns/km

2 ns/div


Dispersión Fibra SM ConvencionalPara valores de λ comprendidos entre 1200 nm y 1600 nm, la dispersión viene dada por la siguiente expresión

)(4

)( 3

400

λλλλ −=

SD

So: Pendiente de la función D(λ) en λ0• D`(λ0) ≤ 0,092 ps/nm2.km

λ: longitud de onda de operaciónλ0 : longitud de onda de dispersión nula

1300 nm ≤ λ0 ≤ 1320 nm

ps/(nm.km)


Fibra SM Convencional

M

W

T

λ (µm)

1,3 1,5 1,7

D (ps/km/nm)

16

λ1 < λ2Definida en el Estándar G.652

Distribución de la Energía entre Núcleo y Envoltura.

Componentes (M y W) y Dispersión Total (T)


SMF Convencional. Anchura de bandaAnchura de Banda vs λ, para diferentes valores de la anchura espectral σλ de la radiación

B (G

Hz

. Km

)

λ (µm)

B ∝ 1/dispersión


Fibra SM de Dispersión DesviadaDefinida en el Estándar G.653

Perfil del IR y Distribución de la Energía entre Núcleo y Envoltura.

Componentes y Dispersión Total (T)D

(ps/km/nm)

λ (µm)

M

W

T

1,3 1,7

16

-16


Fibra SM de Dispersión Plana

D (ps/km/nm)

Definida en el Estándar G.654

Perfil del IR y Distribución de la Energía en Núcleo y Envoltura.

Componentes y Dispersión Total (T)

W

1,3 1,7

16

-16

λ (µm)

M

T


Atenuación y Dispersión

1

2

30

2

4

6

0

1

1,3 1,5 1,71,1

D (ps/km.nm)

λ (µm)

A (dB/km)

Atenuación

Características de Dispersión de fibras SM. 1): Fibra SM convencional; 2) Dispersión desplazada y 3) Dispersión aplanada


Fibras ópticas MM comerciales

LANLANLANTelefonía(inicialm.)

Aplicaciones

300500

200800

200600

1.3001.500

Anch. de Banda (MHzxkm) 850 nm1300 nm

43

2,80,7

30,8

2,50,6

Atenuación (dB/km)850 nm1.300 nm

IG, SIIG, SIIG, SIIGPerfil del IR

100/14085/12562,5/12550/125Diámetro núcleo/envoltura (µm)


Fibras ópticas SM comerciales

3,5(1.525 – 1575 nm)

3,2 (1.285 -1.330 nm)6 (1.270 - 1340 nm) 20 (≅ 1500)

Dispersión Total (ps/nm/km)

8,1/1259,5/12510,57125

Diámetro modal/envoltura (µm)1.300 nm1.550 nm

Telecom.Telecom.Aplicaciones

≅ 1.5501.301 ≤ λo ≤ 1321λo dispersión nula

0,50,2

0,350,2

Atenuación (dB/km)1.300 nm1.550 nm

SIPerfil del IR

Disp. Desplaz.(G.653)

Convencional(G.652)

TIPO


Tipos de Fibras Monomodo (SM)Convencional. SSMF. G.652.

Es la mas ampliamente desplegada actualmenteMínimos dispersión/atenuación: 1310/1550 nmTiene una alta dispersión a 1550 nm

Dispersión Desplazada. ZDSF G.653.Optimizada para transmisión a 1550 nmProblemas para sistemas DWDM


Tipo de Fibras Monomodo (SM)No cero dispersión. NZDSF. G655.

Diseñada para introducir solamente una pequeña dispersión sin llegar a cero en la banda donde operan los sistemas DWDM.Fibras de dispersión positiva: TrueWave(Lucent), Fibras de dispersión negativa: LS (Corning), Leaf (Corning)


Fibras monomodo vs dispersión

SSMF

DSF

D-NZDSF

D+NZDSF

Banda utilizable

Banda utilizada

0

5

-5

1530 1540

1550

1560

Dispersión (ps/nm.km)

λ (nm)

Amplificadores Ópticos


Ventajas Poco pesoFácil de manejarTodo dieléctrico. No cortocircuitosInmune a las interferencias EM.Muy difícil de interceptarBxd (MHz*km) muy grandeAplicable a todo tipo de aplicaciones

TelecomunicaciónIndustrialesMilitares Sistemas embarcados…..

Buen comportamiento en entornos severosRadiaciones ionizantes (misiones espaciales,..)Gaseoductos, líneas de alta tensión,…Redes tácticas

...


Fibra Óptica Vs Cable Coaxial

Ate

nuac

ión

(dB/

km)

Anchura de Banda (MHz)

FMM, IG a 850 nm

FMM, IG a 1300 nmFSM, 1300 nmFSM, 1500 nm

1 10 100 103 104

0,2

0,4

1

2

10

20

40

100

200


Excelentes Características de TransmisiónCurva Atenuación vs Long. de onda

La atenuación no depende de la frecuencia de la señal, solo de la frecuencia de la portadora.Diferentes banda de trabajo.Valores tan bajos como 0,2-0,3 dB/km

Curva de dispersión (Limita la anchura de banda).Características de dispersión optimizadas según las aplicaciones

Se puede utilizar para transmisión: Analógica. Multiplexación de subportadoras:

Banda: 1 GHZ (Servicios interactivos, TV analógica,..)Digital. TDM: SDH/SONET, ATM, IP.

Sistemas prácticos actuales 20 GbpsWDM. Multiplexación óptica (de gran interés en las nuevas redes).

Decenas de canales DWDM en la 2ª (alrededor de 1,31 µm) y 3ª (alrededor de 1,55 µm) ventanas separados entre 100 GHz)


Aplicaciones de la fibra óptica Redes de área local.

Conexión de ordenadores en EdificiosAplicaciones IndustrialesVehículos

Red de Acceso: Redes PON, HFCLiberización del bucle de abonado.

Sistemas analógicos. Distribución de TVEnlaces de TV

Transmisión digital a larga distancia.Terrestre Submarino

Redes: CampusMetropolitanaRegionalBackbone: Telefónica, IP

Nacional e Internacional. Redes Militares….


Medios de Transmisión. Resumen

103

200

103- 104

Vacío

10210211-10Alcance(sin repetidores)

(km)

0.2103 -102Atenuación(dB/km)

10-2001061030-102Anchura de Banda(MHz)

103- 104109103102Frecuenciaν (MHz)

AtmósferaFibra Óptica

CoaxialPares


Conversión E/OFotoemisión, Fuentes de luzTipos de fuentes de LuzTX ÓpticoCaracterísticas


Procesos y ResultadoAbsorción

Un electrón en el estado E1 absorbe la energía del fotón y es excitado al estado E2

Emisión espontánea.

Emisión estimuladaE2

E1

hν12 hν12 (en fase)

Resultado: Emisión muy directiva, en fase con la luz incidente.

Luz muy coherente

hν12Eg

E2

E1

-- -

Eg

E2

E1-- -

hν12


Emisión de luz. Bandas de EnergíaRecombinación de e- de la BC con h+ de la BV, produciendo emisión de luz hν = Eg (λ = hc/Eg)

Para λ = 1,55 µm Eg≈ 0,8 eV

Banda de Conducción (BC)

Banda de Valencia (BV)

E

Ener

gía

KVector de Ondas

Electrones

Huecos

Fotones (hν)


Unión PN. Proceso de emisiónEnergía Electrón

Ev

Electrón en BC

Hueco en BV

n+p

Eg hν = Eg

Unión pn+ sin polarizarestado de equilibrio sin movimiento de portadores

Unión pn+ polarizada directamente

Se reduce la barrera de potencial y permite el paso de e- (desde n a p) y h+ (desde p a n) y

Se producen recombinaciones e-h con emisión de luz, en la unión

Ec

EF

p n+eVb

eVb

Eg

+ -

V

eV

EFC

EFV


Diodo LáserAdemás del bombeo por inyección de electrones, un diodo láser, a diferencia del amplificador óptico, incorpora una realimentación óptica interna, oscilador óptico,que resuena a una determinada/s longitudes de onda

Bombeo

Material activo

Realimentación

Radiación de salida


Emisión EstimuladaLa foto-emisión se estimula por algún proceso externo.

Lleva consigo un proceso mediante el cual se produce suficiente (superior a un umbral) población de electrones en los niveles excitados superiores.Esta condición de inversión de población se produce mediante bombeo: fuente de luz externa (EDFA), inyección de portadores (DL), etc.Se produce ganancia óptica. La emisión excederá las pérdidas (absorción, etc.).La emisión estimulada produce luz coherente cuyo resultado es un haz de luz directiva y en fase con la luz incidente. E2

E1

hν12 hν12 (en fase)


Cavidad ópticaAdicionalmente a la inversión de población la Oscilación LÁSER debe ser auto-mantenida. Para aumentar la intensidad de la Emisión Estimulada se debe implantar una cavidad óptica (resonador óptico)

Proporciona una salida de radiación coherente

Longitud, L

Cavidad Fabry-Perot

Superficie semireflectante

Haz laser limitado por difracciónAltura, H

Anchura, W


Esquema de un láser semiconductor

I corriente

Capa Activa Cara talladaTipo P

Tipo N300 µm 200 µm

Luz en el interior es amplificada por un factor exp(g.L). g (I,λ): factor de amplificación de la Amplitud, L:

longitud de la región activaA partir de un cierto valor de I, se produce inversión de población y g aumenta considerablemente (efecto láser)

Capa activa, material semiconductor con Eg adecuada, entre dos semiconductor uno tipo P y otro tipo N tales que EFC-EFV > Eg


Ganancia óptica. InGaAsPTemperatura ambiente∆n: concentración de portadores inyectados

∆n= 1018 cm-3

∆n= 1,8. 1018 cm-3

0,92 0,96 eV

0

100

200

-100

1,30 λ (µm)1,35

cm-1

Gana

ncia

Pérd

idas

EFN-EFP

Ganancia óptica

Absorción óptica

0

Eg

T > 0

T = 0

hν


P(I) y efecto de la Temperatura

PL(mW)

I (mA)

0 20 40 60 80

0

2

4

6

8

10 25ºC 50ºC0ºC

Curva característica a diferentes temperaturas


Tipos de DLFabry Perot.

Oscila en varios modos longitudinales debido a la relativamente pequeña deferencia (~ 0,1 cm-1) de la ganancia entre modos adyacentes.Resultado. Anchura espectral: 1- 4 nm.

Aceptable para algunas aplicaciones; pero no para muchas otras.

Objetivo: reducir la anchura espectral mediante un diseño que produzca supresión de los modos

Láser con Realimentación distribuida. Un diseño tal que las pérdidas sean diferentes para los deferente modos longitudinales

DBFDFR


Diodo láser FPCavidad. Caras

talladas según un plano del cristal

Cara trasera. Trat. reflectante

250-500 µm

5-15 µm

0,1-0,2 µmCapas de confinamiento óptico y de portadores

Haz de salida

30-50º (φ⊥)

5-10º (φ//)

λ0∆λ

λ(nm)

Espectro Óptico

1-4 nmModos longitudinales de la cavidad óptica


Perfil de ganancia y pérdidas

Ganancia

Pérdidas

Modos longitudinales Modo

láser

El modo longitudinal con las pérdidas mas bajas encuentra antes el umbral y se convierte en el modo fundamental.Otros modos vecinos, por sus alta pérdidas, son discriminados.Un DL monomodo se caracteriza por su “Razón de Supersión de Modo”, MSR . MSR = Pmm/Psm; Pmm: potencia del modo principal; Psm: Potencia del modo dominante. ≈ 1000 (30 dB)

Frecuencia, ν


Diodos de Realimentación Distribuida

Capa activa

Capas de confinamiento

RED DE DIFRACCIÓN

sustrato Haz de salida

Estructura DFB (Distributed Feedback)

Estructura DFR (Distr. Feedb. Reflector)

DFRDFR

Región de Bombeo

Resultado:

Bajo Valor de la ITH

Anchura espectral estrecha.

Gran anchura de Banda.

Alta linealidad, zona láser


Láser tipo DFB

SiO2

p InGaAsPp InPp InPp InP

Sustrato n InP

p InPCAPA ACTIVA InGaAsPGuía-ondas n InGaAsP

DFB: Distributed Feedback. Estructura con Realimentación Distribuida mediante Red de Difracción en la Capa anexa a la superficie activa.

Mejora la anchura espectral.


Características Ópticas

10025 50 75Corriente (mA)

Pot.óptica de salida (mW)

0

4

8

12

16

20

1304Longitud de onda (nm)

13001296

-50

0

Pot.óptica relativa (dB)

Característica PL(I) Característica espectral


Láseres sintonizablesEstructura DFB y DFR multisección: activa, de control de fase y de Bragg.Cada sección se polariza independientemente inyectando corriente

Mediante la corriente de la sección Bragg se varia la longitud de onda de emisión, que se puede sintonizar en un margen de 5-6 nm.La corriente de la sección de control de fase se usa para cambiar la fase de realimentación procedente del reflector Bragg.La corriente de la sección activa determina el punto de trabajo del DL y las condiciones de polarización.


D.L: CaracterísticasModulaciónAnchura de BandaValores típicosEncapsulado


Modulación

Tiempo de respuesta Velocidad de modulación

Tipos de modulaciónModulación digital

Criterios de diseñoModulación analógica

Requisitos de linealidad• Distorsión harmónica• Distorsión de intermodulación

No linealidades en láseres.

Ruidos: modal, de partición y de reflexión


Tipos de Modulación

Señal de Salida

ANALÓGICA DIGITAL

I(mA) Tiempo

Señal de Entrada

Analógica s(t)

Digital (secuencia de “1 y “0”)

Pot. Luminosa

Tiem

po

I polarización(pedestal) I modulación

Modulación de Intensidad. Potencia de salida P(t) proporcional a la señal de entrada (variación de la Intensidad de corriente)


Modulación analógica

IB

∆I ∆I

Pt

Corriente diodo

Pote

ncia

de

salid

a

LED

IBITH

∆I∆I

Pt

LD

Entrada. Señal eléctrica: s(t)

Salida. Potencia óptica P(t) = Pt[1 + m s(t)]m (profundidad de modulación) = ∆I/I´B. (0,25 - 0,5 ) Led: I´B=IB. LD: I´B=IB - ITH


No linealidad. DistorsiónLa no linealidad de la región de trabajo de la curva característica P(I) genera distorsión en la señal de salida P(t).

Se genera componentes de frecuencia no incluidas en la señal original.

Distorsión harmónica. Una señal de entrada: x(t) = Acos ωt, resulta a la salida:

y(t)= Ao + A1 cos ωt + A2 cos 2ωt + A3 cos 3ωt Distorsión de intermodulación. La suma de dos frecuencia: x(t)= A1 cos ω1t + A2 cos ω2t resulta

y(t) = Σ Bmn cos(m ω1 + n ω2)• m y n: 0, ± 1, ± 2, ± 3• m+n (valores absolutos) determina el orden de

distorsión de intermodulaciónω1 y ω2 generan: ω2- ω1; ω2+ ω1; ω2- 2 ω1; ω2+ 2ω1; ….

Keiser pag 177


Respuesta en Frecuencia

-10.0

0

2.5

5.0Respuesta (dB)

-2.5

-5.0

-7.5

5.02.5 7.5 10.0 12.5

4.2 7.5 11.1

Frecuencia (GHz)

I/ITH=3.33I/ITH=1.67

I/ITH=1.17

T= 25 ºC


Comportamiento dinámicoSecuencia de impulsos ópticos: 111110101010


Valores típicos. Fibras SM

Ruido (Aplic. Analógica)

0.01 - 5nmAnchura espectral

Disponible según modelosTermistor disponible

Disponible según modelosEnfriador disponible

1-20 GHzAnchura de Banda

Disponible según modelosFotodiodo monitor disponible

-20 a +60ºCTemperatura de operación1300 ±201530 ±20

nmLongitud de onda

20-40mACorriente de modulación10-40mACorriente Umbral

1mWPot. Max acoplada

ValorUnidadesParámetro


Módulo laser

Diodo Laser montado sobre un disipador de calor

Fotodiodo pin

Extremo desnudo de la fibra., cuya cara se enfrenta al diodo laser

Cuerpo disipador de calor

Termistor de precisión

Enfriador termoeléctrico

Latiguillo de fibra, que se termina en conector

14 Terminales Eléctricos


Módulos LASER14-pin. Tipo Mariposa

(Butterfly)14-pin. Tipo DIL

Aislador

Entrada RF

11-pin. Tipo SIP


Otros encapsulados comerciales

Receptáculo para conector FC con láser y Monitor

Módulo 4 terminales con Laser, Monitor y Fibra.


Transmisor ÓpticoUn transmisor óptico incorpora la fuente de luz y los circuitos necesarios para hacer trabajar al diodo emisor en condiciones estables de modulación a lo largo del ciclo de vida del sistema de donde forma parte. Consta, en general:

Circuito de polarización. Fija la corriente (pedestal) sobre la cual se añade la corriente de modulaciónCircuito de modulación. Proporciona la corriente de la señal.Circuito de control de temperatura. En su caso, proporciona una corriente a un dispositivo enfriador para mantener constante la temperatura del diodo

La curva característica L(I) depende básicamente de dos factores:

Temperatura de OperaciónEnvejecimiento.

Un LD se considera “muerto” cuando la ITH se ha duplicado respecto a las condiciones originales.


Transmisor ÓpticoSeñal

Eléctrica

LD(o LED)

ILASER= IMODULACIÓN+ IPEDESTAL

(ILED= IMODULACIÓN)

F.O Señal Óptica


Control de Potencia

Control IP

Limitador de IP

Alarma

Control de Temperatura

SensorTemp. diodo

Enfriador

Alarma Dispositivo Emisor

Circuito Conformador de Impulsos

Circuito Modulador

Control IM

Referencia

Fotodiodo Monitor

Necesario en caso de

LASER

IE

IpIM


Control indirecto de Potencia

SensorTemperatura

Dispositivo Emisor

Circuito Conformador de Impulsos

Circuito Modulador

Control IM

Referencia

Control Ip

Limitador de Ip

Necesario en caso de LASER

Solo varía la Ipedestal en función de la temperaturaNo con otros factores: envejecimiento, etc.

IM ITH


Conversión E/O

Fotodetectores. TiposFotodetecciónRX óptico


Absorción de la luz

Al penetrar la luz en un medio absorbente su potencia inicial, P0, disminuye con la distancia, x: P(x)= P0 e -α x

α(λ): coeficiente de absorción; depende de λLa potencia absorbida en x sería: Pa(x)= P0 (1- e -α(λ) x)

Requisitos: 1. Energía del fotón, h ν, tiene que ser igual o mayor que Eg; ó λ

≤ λc = hc/Egλc: longitud de onda de corte. λc (µm) = 1,24 /Eg (eV)

2. α(λ) no demasiado grande para que pueda penetrar la luz en la zona activa.

Limita el valor mínimo de λ

Eg

E2

E1--

hν-Un electrón en el estado E1 absorbe energía del

fotón incidente y es excitado al estado E2.Se crean pares e- y h+ , portadores, capaces de moverse por acción de un campo eléctrico creando corriente eléctrica en un circuito externo


Absorción en semiconductores

Representación E(K) de la absorción para materiales semiconductores: a) gap directo y b) gap indirecto

En el caso a) toda la energía absorbida se transforma en la creación de pares e- h+

En el caso b) parte de dicha energía se transforma en vibración de la red cristalina (fonón)

EBC

BVk–k

ECGap

directo EV

Eg Fotón

a) GaAs (gap directo)

E

Fotón

Fonón

Eg

EC

EV

k–k

Gapindirecto

BV

BC

a) Si (gap indirecto)


Parámetros de la conversión O/EEficiencia cuántica (η)

Número de pares electrón-hueco generados por fotón hν incidenteη= (If/e)/(P0/ hν )

Responsividad (ℜ)Relación entre la corriente generada y la potencia luminosa.

ℜ=If/P0 = ηe/ hν = η/ (hν/e) = η (e/ hc) λ (A/W)Valores típicos: 0.65 µA/µW (Si a 900 nm); 0,45 µA/µW (Ge a 1,3 µm); 0.6 µA/µW (InGaAs a 1,3 µm).


Reponsividad Espectral

Ef. Cuánticas (η)

SiGe

InGaAsRe

pons

ivid

adEs

pect

ral (A

/W)

Longitud de onda (µm)


ℜ (A/W)

λ (nm)0 200 400 600 800 1000 1200

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

Fotodiodo de Si

λc

Fotodiodo Ideal Ef.Cuant = 100%

(η=1)

Si. Responsividad Espectral

ℜ= η (e/hc) λ

Fotodiodo ideal. η=cte ⇒ ℜ∝ λ

Margen de trabajo λmin ≤ λ ≤ λc λmin, limitado por αgrande

λpico: λ cuya ℜ es máxima


Materiales para fotodiodos (1)

0.7

1.10,4 -1.1

Si

0.850.80.6 - 0.8Responsividad(A/W)

0.720,8 -1.7

1.24 - 0.731.00-1.7

1.35 - 0.750,92-1,67

Gap EnergíaEg (eV)λ (µm)

GeAlxGa1-x AsySb1-y /GaSb

GaxIn1-xAsyP1-y /InP


Materiales para fotodiodos (2)

0.60.80.6 - 0.8Responsividad(A/W)

0.951.30

0.751,67

1.35 -0.750,92 - 1,67

Gap EnergíaEg (eV)λ (µm)

Ga0.27In0.27As0.40P0.60/InP

Ga0.47In0.53As/InP

GaxIn1-xAsyP1-y /InP

Compuesto/ Sustrato


Tipos de Fotodiodos


ρnetaeNd

E(x)

Eo

eNa

x

W

x

Electrodo Electrodo

SiO2

Vr

hν

>Egr

VsIf R

e-h+

- +

PIN (de Silicio)

Estructura p i n

Distribución de la Densidad neta de Cargas.

Distribución del Campo Eléctrico.

Diodo polarizado inversamente y corriente fotogenerada en el circuito externo

i- Si n+p+


APD. Funcionamiento InternoSiO2Electrodo

ρneta

E(x)

R

p+

x

x

E

p–n+ e-h+

Región de absorciónRegión de

avalancha

Electrodo

hν > Eg

If

i (π)

Esquema de la estructura de un APD, polarización, incluyendo Resistencia de Carga RL

Distribución de cargas ρ(x) a través de la estructura.

Campo Eléctrico producido por la ρ(x)

Vr


Región de Avalancha(a) (b)

E

in+ p

h+e-

E e-

h+

Ec

Ev

a) Proceso de ionización por impacto. Los electrones fotogenerados se aceleran por el campo intenso existente, al impactar generan nuevos e- y h+.

b) Proceso de Avalancha. Los electrones de la BV son excitados, saltan a la BC, adquieren suficiente energía cinética, choca con la estructura cristalina produciendo nuevos electrones y así el efecto de multiplicación

Fenómeno de Multiplicación


APD. Factor de MultiplicaciónFa

ctor

de

Mul

tipl

icac

ión,

M

Voltaje (relativo) de Polarización


Fotodetección


Fotodetección. Proceso

SEÑAL DE SALIDA

+

RUIDO

SEÑAL DE ENTRADA

ConversiónO/E

(η); (ℜ)

if

Mecanismo de Multiplicación.

GananciaInt

eracci

ón

ctoext

erior

M RC

Corriente de oscuridad, ID

Luz ambiente,

PB

Exceso de ruido

F M

Ruido térmico

Fase I Fase II Fase III


Factor de Exceso de ruido, FEl parametro F se puede aproximar:

F= Mx

X tiene los siguientes valores:0.3 para el Si0.7 para el InGaAs1.0 para el Ge

Keiser pag 264


Circuito Equivalente

SalidaFotodiodo

Tensión de Polarización

P(t)

RLAMP

hν

Fotodiodo

hνCd

RL RACA

RSAMP

Modelo simple de Receptor Óptico

Circuito Equivalente

Cd: Capacidad del diodo: unión y encapsulado; Rs: Pequeña Resistencia serie del diodo; RL: Resistencia de carga/polarización;

RA y CA: Resistencia y Capacidad de entrada del Pre-Amplificador


SeñalLa señal de entrada, P(t), potencia óptica incidente en el fotodetector, genera una fotocorriente primaria if (t).

if (t) = (η e/hν) P(t).Dicha fotocorriente tiene una componente dc, IP, valor medio de la corriente generada por la señal óptica, y una componente de la señal cuyo valor cuadrático medio es:

Diodo pin

APD22

,22 )( Mtii fAPDss == σ

)(2,

22 tii fpinss == σ

M: factor de multiplicación, el valor medio de la ganancia de avalancha, que varía estadísticamente


Fuentes de Ruido

Ruido CuánticoLuz AmbientalCorriente de OscuridadCorriente de fugaRuido Térmico


Ruido cuántico o impulsivoSe deriva de la naturaleza estadística (ley de Poisson) en la producción y recogida de los electrones generados por la señal luminosa incidente en el fotodetector.

)(2 222 MFMBIei PQQ == σEl factor exceso de ruido de avalancha se puede expresar: F(M) ≈ Mx ( 0≤ x ≤1)

Valores experimentales de x:

0.3 para el Si; 0.7 para el InGaAs y 1 para el Ge.

En el caso de un fotodiodo PIN: M=F=1


Corriente de OscuridadLos electrones y/o huecos que se generan térmicamente en la unión pn del fotodiodo dan lugar a una corriente, ID, en ausencia de luz incidente.El valor cuadrático medio viene dado por

Existe también una pequeña corriente de oscuridad de fuga, IL, que depende de defectos superficiales, limpieza, voltaje de polarización y área de la superficie del detector.

Su efecto se reduce mediante una estructura de anillo de guarda que evita que esta corriente circule por la RL

El valor cuadrático medio viene dado por

)(2 222 MFMBIei DDD == σ

BIei LDSDS 222 == σ


Ruido TérmicoRuido generado por la resistencia equivalente que tiene en cuenta la RL y la resistencia de entrada del circuito del pre-amplificador.Su valor viene dado por la corriente de ruido térmico de Johnson.

BR

Tkieq

BTT

422 == σ

KB : Constante de Boltzmann (1.380 10-23 Jul/0K)

T: Temperatura en 0K

Generalmente Req es aproximadamente igual a RL, ya que la resistencia de entrada del pre-amplificador suele ser grande.


Diodo PIN. Relación S/R

eqDP

f

RBTkBIIei

SNR/4)(2

2

++=

if= (e/hν) η P(t) : FotocorrienteP(t): Señal de Potencia luminosa incidente

η: eficiencia cuántica; ν: frecuencia de la radiación

e: carga del electrón (1.6 10-19 culombios)

h: constante de Plank (6,625. 10-34 Jul.seg)

k: constante de Boltzmann (1,38·10 –23 Jul/0K)

IP:Valor medio de if(t)

ID: Corriente de oscuridad; B: Anchura de Banda de la señal

T: Temperatura (0K); Req: Resistencia equivalente: RL(carga) en paralelo con Rentrada del pre-amplificador del receptor (Front end)


Diodo APD. Relación S/R

eqBLDP

f

RBTkIBeMFMIIBe

MiSNR

/42)()(2 2

22

+++=

F(M): Factor de Exceso de Ruido, asociado al proceso de multiplicación.

F=Mx

M: Ganancia de avalanchaExiste una ganancia óptima, valor de M para el máximo valor de SNR. Considerando una señal modulada sinusoidalmente, con un índice de modulación m=1, se obtiene:

)(/422

DP

LBLxopt IIex

RTkeIM+

+=+


SensibilidadPotencia media mínima, PLmin, de la señal luminosa para asegurar una determinada S/R

PB = Potencia luminosa ambiental.

En el caso de señales digitales, incluye la potencia de pedestal


Tasa de Error (BER) vs Relación S/R Ta

sa d

e Er

ror,

BER

Relación Señal-Ruido (dB)


Sensibilidad en NFBNFB: N0 de fotones por bit

υhVSNFB =

S: Sensibilidad expresada en watios.

V: velocidad binaria de la señal (bit/s)

h: constante de Plank

ν: frecuencia de la luz


Sensibilidad, NFB vs Velocidad

Velocidad (Mb/s)

Sens

ibili

dad

(dBm

) BER= 10-9

S/R= 22 dB


Encapsulados


Receptores Ópticos:Topologías para el Pre-Amplificador

Ventajas e inconvenientesDiagrama de BloquesPenalty por dispersión


Topologías de Pre-amplificadoresAlta impedancia

Transimpedancia

Req >>

Rf

ReqCeq


Pre-Amp: Trans-Impedancia

Req. Ceq ≤ T. T Anchura de los impulsos.

La anchura de Banda del filtro Req Ceq se ajusta a la B requerida por la señal digital

If(t)

Pl(t)

Ceq

AV

Rf

V0(t)

T


Pros y ConsPROS. El valor de la Req se puede mantener en niveles pequeños para que la constante de tiempo Ceq.Req sea menor que la anchura del bit.

La anchura de banda de la señal no se ve recortada en el receptor.

NO SE NECESITA ECUALIZADOR.Al ser el valor de Req pequeño el nivel de la tensión se mantiene en un nivel bajo, por tanto, admite potencias incidente altas sin saturar al circuito Pre-amplificador

PRESENTA UN AMPLIO MARGEN DINÁMICO. CONS. Bajo Req ⇒ Elevado ruido térmico

SENSIBILIDAD NO OPTIMIZADA


Pre-Amp: Alta Impedancia

Req . Ceq > T (Req.Ceq ≈ 2-3 T)

If(t)

Pl(t)

ReqAV

Ceq

CD

RD V0(t)

T

El fotodetector encuentra una alta impedancia Req y reduce la anchura de banda del Pre-Amplificador.

Mejora la sensibilidad


Pros y ConsPROS. Presenta un valor elevado de la Req ⇒Bajo ruido térmico.

SENSIBILIDAD OPTIMIZADA.CONS. El filtro Req Ceq recorta la anchura de banda de la señal (disminuye el ruido)

SE NECESITA ECUALIZADOR.Al ser el valor de Req alto el nivel de la tensión se mantiene en un nivel alto, por tanto, para potencias incidente mas altas podría saturar al circuito Pre-amplificador

PEQUEÑO O MODERADO MARGEN DINÁMICO.


Receptor ópticoFunciones:

Conversión O/E.Regeneración de la señal

Amplificación EléctricaExtracción de Reloj. ResincronizaciónFormateo de los impulsos

Supervisión


Receptor Óptico Digital

Control de la polarización

Control Automático de Ganancia

Extracción Reloj. PLL

Fotodiodo (APD)

EcualizadorPre-Amplificador Amplificador

Principal

Señal luminosa Regenerador

Circ. Decisión

datos

Reloj

DEC

OD

IFCA

DO

R

Impulso recibido Impulso

regenerado

Función 3R: Re-amplifica, Re-formatea, Re-sincroniza


Receptor Óptico. Diagrama de Bloques

PRE-A AMP

CAG

PRE-A: Pre AmplificadorAMP: Amplificador PrincipalCAG: Control Automático de GananciaCOM: Circuito conformador de impulsos. Circuito de DecisiónSUP: Circuito de SupervisiónAL: Alarma. (p.e pérdida de Señal Óptica)

EXTRACCION RELOJ

COM

AL

SEÑAL ÓPTICA

Datos

Reloj

SUP


Medida de la SensibilidadEjemplo: Sistema a 2.48 Gbit/s

Generador de Impulsos

TX AOAtenuador +/o fibra

RX

Detector de Errores

NRZ-PRBS 220-1

2.488320 Gb/s

Psalida: 0.4 dBm

λ: 1550 nm

Laser DFB MQW

EDFA

Psalida: 10 dBm

PRBS: Secuencia binaria seudoaleatoria

Datos


10-11 10-9 10-7 10-5 10-3

-55

-57

-59

-53

BER100

200

400

800

BER vs Potencia RecibidaCurva experimental obtenida en un sistema de 34 Mb/s

Pote

ncia

Rec

ibid

a (d

Bm)

Foto

nes

por

bit

Sensibilidad, BER= 10-9: 400 fotones por bit


Sensibilidad vs Dispersión FibraSistema de 140 Mbit/s.

Duración de bit= 7,1 nsFormato RZ (CT: 25 %). Anchura del impulso T1=3,6 ns

00,65

-49-48,4-44

026

Penalty(dB)

Sensibilidad (dBm)(BER: 10-9)

Dispersión Fibra (ns)


Penalty por dispersión.Debido a la limitada anchura de banda de la fibras, particularmente, multimodo, la longitud de un enlace puede estar también limitado por la velocidad de transmisión del sistema. Cuando la anchura del impulso que llega al receptor es mayor que el tiempo de bit (T), se produce un solapamiento entre impulsos adyacentes o Interferencia entre Símbolos (ISI) que produce una degradación del BER, reduciendo la sensibilidad del RX.Para compensar este efecto se procede a ecualizar la señal en el receptor.

Este proceso requiere de una potencia adicional que se denomina penalización o penalty por dispersión


Penalty por dispersión. CuantificaciónEl penalty por dispersión, PD (dB), depende de la Anchura de los impulsos luminosos recibido en el RX en relación con la duración del bit (T).

1.5 2.0 2.5

5

10

15 Penalty (dB)

Anchura del Impulso/T

1.00


Enlace P2P


Niveles de Potencia ÓpticaTX. Potencia Max

TX. Potencia Min

RX. Potencia Max

RX. Sensibilidad

MÁXIMA ATENUACIÓN

MÍNIMA ATENUACIÓN

Rango dinámico RXRX. Potencia Min

Margen de seguridad RX. Sensibilidad con F.O

Penalty


Vano de Repetición. Cálculo

)/()/()()()()()()(

kmdBPkmdBAtdBPdBMdBPdBmSdBmPkmL

empF

DconRXmTX

+−−−−

=

Longitud del vano teniendo en cuenta la dispersión de la fibra

PmTX: Potencia media de salida del TX óptico, dBm.SRX: Sensibilidad del RX, dBm.Pcon: Perdidas en conectores, dB.M: Margen de seguridad del sistema, dB.AtF: Atenuación fibra, dB/km.

Pemp: Pérdidas por km debido a empalmes, dB/km

PD: Penalty por dispersión, dB. Depende de la duración del bit que disminuye con la Velocidad de Transmisión


Balance de Potencia. Factores

.

.

.

Form. señal

.

BER

.

.

...

.....

.

.

.

.

.

.

PmTX

SRX

PDPérdidas

AtF

Pcon

Pemp

Veloc. Long. onda

Tipo RX

Tipo Detec.

Tipo Fuente

Tipo Fibra

Parámetros


Ejemplo

1Longitud sección del cable (km)

1500 nm (3ª ventana)Laser (∆λ = 0,1 nm)Monomodo0.1515 (1,5 ps/km)0,1PIN-FET

Longitud de Onda Tipo de fuente de luzTipo de fibra

Atenuación (dB/km)Dispersión (ps/km.nm)

Pérdidas por empalme (dB)Tipo de detector

CARACTERIZACIÓN DEL ENLACE

Optimizado en SensibilidadRX

TX. Formato de señal: NRZ seudoaleatorioAnchura del impulso= T , CT: 50 %


Vano entre RepetidoresBALANCE DE POTENCIAS

5189Distancia entre Repetidores (km)

6,52,5Penalización por dispersión (dB)19,225,2Margen disponible

22Pérdidas de conectores

-24,2-30,2Sensibilidad RX (dBm) (3000 FPB)66Margen de Seguridad

33Potencia TX (dBm)

10(0,1)

2,5(0,4)

Velocidad (Gb/s)(Duración del bit, ns)


FIN

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Tema1: Tecnología de las Comunicaciones Ópticasgarciaargos.com/descargas/apuntes/posgrado/Primer-Semestre/SRC/1... · Redes03- 17/10/2007 Prof. Dr. A. Aguilar 8 Cables Fibra Óptica