Οπτικές Επικοινωνίες και. Οπτικά ίκτυα

Transcript

1 Οπτικές Επικοινωνίες και DFB Laser at 1550 nm with 10 mw output power and coupled with Single Mode Fiber by Wave Spectrum Οπτικά ίκτυα Φίλτρα, Οπτικοί Ενισχυτές, Lasers, Φωτοφωρατές Καθηγητής Συβρίδης ηµήτριος EDFA as an Optical Pre-Amplifier with Gain 37 db and P out,sat. = +14 dbm for C band ( nm) by Emcore

2 ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ Επισκόπηση λειτουργίας φίλτρων Fabry-Perot και Fiber Bragg Grating Οπτικοί Ενισχυτές (Optical Amplifiers) Αρχή λειτουργίας Εξαναγκασµένη και Αυθόρµητη εκποµπή Erbium Doped Fiber Amplifiers (EDFAs) Ενισχυτές Raman Semiconductor Optical Amplifiers (SOAs) Φασµατική πυκνότητα ισχύος Ισχύς ενισχυµένης Αυθόρµητης εκποµπής Κόρος του κέρδους του ενισχυτή Ποµποί Lasers Βασικές έννοιες, Αρχή λειτουργίας, Κατασκευαστικές δοµές Light Emitting Diodes (LEDs) Συντονιζόµενα Lasers Laser Κβαντικού Περιορισµού (Quantum Confinement Laser) Άµεση και Εξωτερική διαµόρφωση Πηγές άντλησης για ενισχυτές Raman Φωτοφωρατές (Photodetectors) Χαρακτηριστικά, Κατηγορίες, Ηλεκτρικοί ενισχυτές Μετατροπή µήκους κύµατος Ποιότητα λαµβανόµενου σήµατος ιάγραµµα οφθαλµού 2

5 Ελάχιστα εισαγωγικά για τα φίλτρα... Παράµετροι που επηρεάζουν την επιλογή ενός φίλτρου Χαµηλές απώλειες εισαγωγής (insertion losses) Οι απώλειες πρέπει να είναι ανεξάρτητες από τη SOP των εισερχόµενων σηµάτων Πρέπει να υπάρχει αναισθησία της ζώνης διέλευσης του φίλτρου σε µεταβολές της θερµοκρασίας, δηλαδή να µην µετακινείται το κεντρικό µήκος κύµατος Ανάγκη επίπεδων (flat) ζωνών διέλευσης Το φίλτρο πρέπει να είναι σχετικά απότοµο στις άκρες του ώστε να είναι µειωµένο το ποσό της ενέργειας που περνά σε γειτονικά κανάλια Αυτή η ενέργεια φαίνεται σα διαφωνία (crosstalk) Η καταστολή της διαφωνίας (crosstalk suppression) ή αποµόνωση (isolation) είναι σηµαντική παράµετρος Ανάγκη για µειωµένο κόστος. Μπορεί να επέλθει µε την κατασκευή τους χρησιµοποιώντας τεχνολογία κυµατοδηγών ολοκληρωµένης οπτικής ή µε την πραγµατοποίηση διατάξεων µόνο µε ίνα (all-fiber) 5

6 Φίλτρα Fabry-Perot (Fabry-Perot Filters) Ένα φίλτρο Fabry-Perot αποτελείται από µία κοιλότητα που σχηµατίζεται από δύο κάτοπτρα υψηλής ανακλαστικότητας παράλληλα µεταξύ τους Αυτό το φίλτρο επίσης καλείται ιντερφερόµετρο (interferometer) Fabry-Perot ή etalon Η κοιλότητα Fabry-Perot χρησιµοποιείται επίσης σε laser Υπάρχουν εµπορικά διαθέσιµα συµπαγή (µεγέθους) φίλτρα Fabry-Perot Η δέσµη φωτός στην είσοδο του φίλτρου εισέρχεται στο πρώτο κάτοπτρο υπό κατάλληλες γωνίες σε σχέση µε την επιφάνειά του. Η έξοδος του φίλτρου είναι η δέσµη φωτός που εξέρχεται από το δεύτερο κάτοπτρο Ανακλαστικό κάτοπτρο Εισερχόµενο σήµα φωτόνια n Κοιλότητα L Ανακλαστικό κάτοπτρο Μεταδιδόµενα κύµατα που συµβάλλουν σε φάση Φωτόνιο µετά από ανάκλαση Η καθυστέρηση µετάδοσης µισού κύκλου κατά µήκος της κοιλότητας Fabry-Perot ορίζεται ως τ, ο δείκτης διάθλασης της κοιλότητας ορίζεται ως n και το µήκος της L, µε c την ταχύτητα του φωτός στο κενό. Τότε, τ = nl/c 6

7 Φίλτρα Fabry-Perot (Fabry-Perot Filters) Όσον αφορά την αρχή λειτουργίας, το σήµα εισόδου προσπίπτει στην αριστερή επιφάνεια της κοιλότητας Μετά από ένα πέρασµα µέσα από την κοιλότητα, ένα τµήµα του φωτός φεύγει από την κοιλότητα µέσω της δεξιάς πλευράς και ένα τµήµα ανακλάται Ένα τµήµα του κύµατος που έχει ανακλαστεί ανακλάται και πάλι από την αριστερή πλευρά, στη δεξιά πλευρά Γι αυτά τα µήκη κύµατος για τα οποία το µήκος της κοιλότητας (L) είναι ακέραιο πολλαπλάσιο του µισού του µήκους κύµατος (µέσα) στην κοιλότητα, όλα τα κύµατα φωτός που µεταδίδονται διαµέσου της δεξιάς πλευράς προστίθενται (συµβάλλουν) σε φάση (add in phase). Τέτοια µήκη κύµατος καλούνται µήκη κύµατος συντονισµού (resonant wavelengths) της κοιλότητας λ είναι το µήκος κύµατος και f η συχνότητα των µεταδιδόµενων κυµάτων c = λ f 1 τ k f = = T T 2 c λ f λ λ τ k λ L= τ = τ = τ = = 2 nl= kλ, k Z n n n T n T k Z 2 n Τ η περίοδος που αντιστοιχεί στη συχνότητα f (f = 1/T) 7

8 Φίλτρα Fabry-Perot (Fabry-Perot Filters) Η συνάρτηση µεταφοράς ισχύος ενός φίλτρου είναι το κλάσµα της ισχύος του φωτός στην είσοδο που µεταδίδεται από το φίλτρο σα συνάρτηση της οπτικής συχνότητας ή του µήκους κύµατος. Για ένα φίλτρο Fabry-Perot, αυτή θα είναι 2 2 A A R 1 R TFP( f ) = ή T ( ) 2 FP λ = 2 2 R 2 R 2πnL 1+ sin( 2πfτ) 1+ sin 1 R 1 R λ όπου Α είναι η απώλεια απορρόφησης κάθε κάτοπτρου, R είναι η ανακλαστικότητα (reflectivity)κάθε κάτοπτρου (υποτίθεται ότι είναι ίδια και για τα δύο) και αποτελεί το κλάσµα του προσπίπτοντος φωτός που ανακλάται από το κάτοπτρο Η συνάρτηση µεταφοράς ισχύος είναι περιοδική στη συχνότητα και οι κορυφές ή οι ζώνες διέλευσης της συνάρτησης µεταφοράς εµφανίζονται σε συχνότητες που ικανοποιούν τη σχέση fτ = k/2 για κάποιο θετικό ακέραιο k 8

9 Φίλτρα Fabry-Perot (Fabry-Perot Filters) Η συνάρτηση µεταφοράς προκύπτει θεωρώντας το άθροισµα των κυµάτων που µεταδίδονται από το φίλτρο µετά από ένα περιττό πλήθος περασµάτων µέσα από την κοιλότητα Το φασµατικό εύρος ανάµεσα σε δύο διαδοχικές ζώνες διέλευσης του φίλτρου καλείται Free Spectral Range (FSR) και αποδεικνύεται ότι είναι ίσο µε FSR = c/(2nl) Απαιτούνται πολύ υψηλές ανακλαστικότητες για την καλή αποµόνωση γειτονικών καναλιών 9

10 Φίλτρα Fabry-Perot (Fabry-Perot Filters) Για τον οριζόντιο άξονα της συνάρτησης µεταφοράς ισχύος, θα έχουµε FSR= c c f 2nL= kλ 2nL= k f = k f = k FSR = k 1 f 2nL FSR FSR f τ = k 2 c 2nL = 2τ και επιπλέον neighbor ( 1) f = f ± FSR= k FSR± FSR= FSR k± Αν τα κάτοπτρα έχουν υψηλές ανακλαστικότητες, τότε δεν θα ανακλαστεί? πλήρως όλο το εισερχόµενο φως; Πώς φεύγει το φως εκτός της κοιλότητας αν τα κάτοπτρα είναι έντονα? ανακλαστικά; Απάντηση:Αναφέρεται ότι αν παρατηρηθεί η ενέργεια του φωτός σε όλες τις συχνότητες (π.χ. για WDM σήµα στην είσοδο του φίλτρου Fabry-Perot), τότε φαίνεται ότι µόνο ένα µικρό τµήµα του εισερχόµενου φωτός µεταδίδεται διαµέσου της κοιλότητας λόγω των υψηλών ανακλαστικοτήτων της πλευρικής εισόδου και της πλευρικής εξόδου, αλλά στην κατάλληλη συχνότητα όλη η ισχύς µεταδίδεται 10

11 Φίλτρα Fabry-Perot (Fabry-Perot Filters) FWHM Σε ένα WDM σύστηµα, ακόµα κι αν τα µήκη κύµατος (που αποτελούν τιςφέρουσες) έχουν διαστήµατα επαρκώς µεγάλα σε σχέση µε το εύρος κάθε ζώνης διέλευσης της συνάρτησης µεταφοράς του φίλτρου, διάφορες συχνότητες (ή µήκη κύµατος) µπορεί να µεταδοθούν από το φίλτρο αν συµπίπτουν µε τις κεντρικές συχνότητες διαφορετικών ζωνών διέλευσης συχνοτήτων Ένα µέτρο του εύρους της κάθε ζώνης διέλευσης είναι το πλήρες εύρος (Full Width) στο σηµείο στο οποίο η συνάρτηση µεταφοράς είναι µισή από το µέγιστό της (Half of its Maximum) (Full Width at Half Maximum FWHM) 11

12 Φίλτρα Fabry-Perot (Fabry-Perot Filters) Σε WDM συστήµατα, ο διαχωρισµός ανάµεσα σε δύο γειτονικά µήκη κύµατος πρέπει να είναι τουλάχιστον ένα FWHM ώστε να ελαχιστοποιείται η διαφωνία (crosstalk) Ο λόγος FSR/FWHM είναι ένα προσεγγιστικό µέτρο (σε τάξη µεγέθους) του πλήθους των µηκών κύµατος που µπορούν να εξυπηρετηθούν από το σύστηµα. Αυτός ο λόγος καλείται finesse, F, του φίλτρου Ένα φίλτρο Fabry-Perot µπορεί να συντονιστεί ώστε να επιλέγονται διαφορετικά µήκη κύµατος µε διάφορους τρόπους Η απλούστερη προσέγγιση είναι η αλλαγή του µήκους της κοιλότητας Το ίδιο αποτέλεσµα µπορεί να επιτευχθεί µεταβάλλοντας το δείκτη διάθλασης εντός της κοιλότητας Για ένα WDMσύστηµα, έστω ότι όλα τα µήκη κύµατος (δηλαδή οι φέρουσες) βρίσκονται εντός του FSR (µετρηµένο σε nm) του φίλτρου (λ max λ max FSR nm ). Η συχνότητα που επιλέγεται από το φίλτρο ικανοποιεί η σχέση f 0 τ = k/2 για κάποιο θετικό ακέραιο k. Η συχνότητα f 0 µπορεί να αλλάξει αν αλλάξει η τιµή του χρόνου τ, αλλά τ = nl/cόπου c είναι η ταχύτητα του φωτός στο κενό. Άρα, ο χρόνος τ µπορεί να αλλάξει αλλάζοντας είτε το L είτε το n F π R = 1 R 12

13 Φίλτρα Fabry-Perot (Fabry-Perot Filters) Μηχανικός συντονισµός του φίλτρου µπορεί να επιτευχθεί µετακινώντας τα κάτοπτρα, ώστε το µήκος το µήκος της κοιλότητας να αλλάζει Αυτό επιτρέπει δυνατότητα συντονισµού σε χρόνους της τάξης των µερικών χιλιοστών του δευτερολέπτου Απαιτείται ακριβής µηχανισµός διατήρησης των κάτοπτρων σε παραλληλία µεταξύ τους Ο µηχανικός συντονισµός είναι µικρής αξιοπιστίας υνατότητα συντονισµού δίνεται και µε τη χρήση πιεζοηλεκτρικών υλικών εντός της κοιλότητας Ένα πιεζοηλεκτρικό υλικό υφίσταται συµπίεση µε την εφαρµογή µίας τάσης. Έτσι, το µήκος της κοιλότητας που περιέχει τέτοιο υλικό µπορεί να αλλάξει µε την εφαρµογή µίας τάσης Πιεζοηλεκτρικά υλικά εισάγουν ανεπιθύµητα αποτελέσµατα όπως θερµική αστάθεια και υστέρηση (hysterisis) κάνοντας τη χρήση ενός τέτοιου φίλτρου δύσκολη σε πρακτικά συστήµατα 13

14 Φράγµατα περίθλασης και χρήση σα φίλτρα Ένα ηλεκτροµαγνητικό κύµα (φως) γωνιακής συχνότητας ω που διαδίδεται κατά µήκος του z άξονα έχει µία εξάρτηση από το z και το χρόνο που είναι της µορφής cos(ωt βz) β είναι η σταθερά διάδοσης και εξαρτάται από το µέσο Η φάση του κύµατος είναι ωt βz Μία σχετική διαφορά φάσης ανάµεσα σε δύο κύµατα από την ίδια πηγή µπορεί να επιτευχθεί αν διασχίζουν δύο µονοπάτια διαφορετικών µηκών Γωνία πρόσπτωσης Επίπεδο Φράγµατος Imaging Επίπεδο λ 2 λ 1 Η γωνία περίθλασης εξαρτάται από το µήκος κύµατος θ d2 Imaging Επίπεδο λ 2 λ 1 Επίπεδο Φράγµατος θ i θ d1 θ d2 θ d1 θ i λ 1 + λ 2 Φράγµα µετάδοσης Γωνία πρόσπτωσης λ 1 + λ 2 Φράγµα ανάκλασης 14

15 Φράγµατα περίθλασης και χρήση σα φίλτρα Σε ένα φράγµα, πολλαπλές στενές σχισµές είναι οµοιόµορφα διαστηµοθετηµένες σε ένα επίπεδο που λέγεται grating plane, δηλαδή το επίπεδο φράγµατος Η απόσταση ανάµεσα σε δύο γειτονικές σχισµές καλείται pitch του φράγµατος Φως που προσπίπτει από µία πηγή στη µία πλευρά του φράγµατος µεταδίδεται διαµέσου αυτών των σχισµών Από τη στιγµή που αυτές οι σχισµές είναι στενές, από το φαινόµενο της περίθλασης (diffraction), το φως που µεταδίδεται διαµέσου κάθε σχισµής διαχέεται προς όλες τις κατευθύνσεις Μ αυτό τον τρόπο κάθε σχισµή δρα σα δευτερεύουσα πηγή φωτός Σε ένα επίπεδο παράλληλο στο grating επίπεδο που λέγεται επίπεδο απεικόνισης (imaging plane), το µεταδιδόµενο φως από όλες τις σχισµές παρεµβάλλεται Για ένα σηµείο στο imaging επίπεδο, για µήκη κύµατος για τα οποία η παρεµβολή των κυµάτων (για το κάθε µήκος κύµατος) σ αυτό το σηµείο είναι σε φάση, προκύπτει δηµιουργική παρεµβολή και µία αύξηση της έντασης του φωτός σε αυτά τα µήκη κύµατος Για µεγάλο πλήθος σχισµών, η παρεµβολή δεν είναι δηµιουργική σε άλλα διαφορετικά µήκη κύµατος και υπάρχει µικρή ένταση φωτός σ αυτό το σηµείο γι αυτά τα µήκη κύµατος Από τη στιγµή που διαφορετικά µήκη κύµατος συµβάλλουν δηµιουργικά σε διαφορετικά σηµεία στο imaging επίπεδο, το φράγµα διαχωρίζει αποτελεσµατικά ένα WDM σήµα χωρικά στα µήκη κύµατος από τα οποία αποτελείται 15

16 Φράγµατα περίθλασης και χρήση σα φίλτρα Υπάρχουν δύο είδη φραγµάτων περίθλασης Φράγµα µετάδοσης (transmission grating). Γίνεται µετάδοση διαµέσου των σχισµών Φράγµα ανάκλασης (reflection grating). Συµβαίνουν πολλαπλές ανακλάσεις. Οι σχισµές µετάδοσης έχουν αντικατασταθεί από στενές ανακλαστικές επιφάνειες, µε την υπόλοιπη επιφάνεια του φράγµατος να είναι µη ανακλαστική Όσον αφορά την αρχή λειτουργίας Η απόσταση ανάµεσα σε γειτονικές σχισµές τίθεται ίση µε a Υποτίθεται ότι η πηγή φωτός και το imaging επίπεδο είναι αρκετά µακριά από το φράγµα περίθλασης σε σύγκριση µε το a Οι σχισµές είναι µικρές σε σχέση µε το µήκος κύµατος Το φράγµα επιτυγχάνει το διαχωρισµό ενός WDM σήµατος στα διακριτά µήκη κύµατος, αφού η εξίσωση φράγµατος ικανοποιείται σε διαφορετικά σηµεία στο imaging επίπεδο για διαφορετικά µήκη κύµατος Για πρόσπτωση του σήµατος υπό γωνία θ i, ανάµεσα στις ακτίνες που υπέστησαν περίθλαση στη γωνία θ d, συµβαίνει δηµιουργική (προσθετική) παρεµβολή στο µήκος κύµατος λ στο imaging επίπεδο αν ικανοποιείται η εξίσωση φράγµατος ( ( i) ( d) ) a sin θ sin θ = mλ για κάποιο ακέραιο m που καλείται τάξη του φράγµατος 16

17 Φράγµατα περίθλασης και χρήση σα φίλτρα Η ενέργεια σε ένα µήκος κύµατος κατανέµεται σε όλες τις διακριτές γωνίες για τις οποίες ικανοποιείται η εξίσωση φράγµατος Η ενέργεια του φωτός για το µέγιστο παρεµβολής µηδενικής τάξης (m = 0), για θ i = θ d για όλα τα µήκη κύµατος, σπαταλιέται, αφού τα µήκη κύµατος δε διαχωρίζονται Ίσες γωνίες µε πλευρές κάθετες µεταξύ τους θ i Επίπεδο Φράγµατος A C B D Προς το imaging επίπεδο θ d Αρχή λειτουργίας ενός φράγµατος µετάδοσης ( i) ( ) AB= a sin θ AB CD= a sin θ sin θ CD a sin θ = d ( ( i) ( d) ) Από την πηγή a Το φράγµα ανάκλασης λειτουργεί µε ανάλογο τρόπο 17

18 Φράγµατα περίθλασης και χρήση σα φίλτρα Το φράγµα πρέπει να κατασκευαστεί ώστε η ενέργεια φωτός να είναι µέγιστη σε ένα από τα άλλα µέγιστα παρεµβολής. Αυτό γίνεται χρησιµοποιώντας µία τεχνική που καλείται blazing. Χαρακτηριστικό µέγεθος είναι η blaze γωνία α Σε ένα τέτοιο φράγµα, οι «σχισµές» που ανακλούν έχουν κλίση ως προς το επίπεδο του φράγµατος κατά γωνία α Αυτό έχει σαν αποτέλεσµα τη µεγιστοποίηση της ενέργειας του φωτός στο µέγιστο της παρεµβολής της οποίας η τάξη αντιστοιχεί στη γωνία blazing Η γωνία blazingπροκύπτει µε τον ίδιο τρόπο µε πριν a 18

19 Φίλτρα Fiber Bragg Grating (FBG Filters) Κάθε περιοδική διαταραχή σε ένα µέσο διάδοσης λειτουργεί σαν ένα φράγµα Bragg Αυτή η διαταραχή είναι συνήθως µία περιοδική µεταβολή του δείκτη διάθλασης του µέσου Σε lasers που χρησιµοποιούν φράγµατα Bragg για την επίτευξη µονής συχνότητας λειτουργίας, τα φράγµατα Bragg γράφονται σε κυµατοδηγούς Φράγµατα Bragg που γράφονται σε ίνα µπορούν να χρησιµοποιηθούν για να δηµιουργηθούν διάφορες διατάξεις, όπως Φίλτρα Πολυπλέκτες προσθήκης/αποµάστευσης Αντισταθµιστής (compensator) διασποράς Όσον αφορά την αρχή λειτουργίας, έστω ότι δύο κύµατα διαδίδονται σε αντίθετες κατευθύνσεις µε σταθερές διάδοσης β 0 και β 1. Γίνεται σύζευξη της ενέργειας από το ένα κύµα στο άλλο αν αυτά ικανοποιούν τη συνθήκη Bragg phase-matching β β = 0 1 2π Λ όπου Λ είναι η περίοδος του φράγµατος 19

20 Φίλτρα Fiber Bragg Grating (FBG Filters) Σε ένα φράγµα Bragg, γίνεται σύζευξη της ενέργειας από τον εµπρόσθιο διαδιδόµενο τρόπο ενός κύµατος στο κατάλληλο µήκος σε ένα προς τα πίσω κατευθυνόµενο τρόπο (στο ίδιο µήκος κύµατος) Έστω ένα κύµα φωτός µε σταθερά διάδοσης β 1 διαδίδεται από αριστερά προς τα δεξιά. Γίνεται σύζευξη της ενέργειας από αυτό το κύµα σε ένα διαχεόµενο (scattered)κύµα που ταξιδεύει σε αντίθετη κατεύθυνση στο ίδιο µήκος κύµατος (οπότε β 1 = β 0 ) υπό τον όρο ότι 2π β0 ( β0) = 2 β0 =, µε β0 = Λ 2 πn eff όπου λ 0 είναι το µήκος κύµατος του προσπίπτοντος κύµατος και n eff είναι ο ενεργός (effective) δείκτης διάθλασης του κυµατοδηγού ή της ίνας. Το κύµα θα ανακλάται εφόσον λ0 = 2n eff Λ λ 0 Το µήκος κύµατος λ 0 καλείται µήκος κύµατος Bragg (Bragg wavelength) 20

21 Φίλτρα Fiber Bragg Grating (FBG Filters) Η αποδοτικότητα της ανάκλασης µειώνεται καθώς το µήκος κύµατος του προσπίπτοντος κύµατος αποµακρύνεται από το Bragg µήκος κύµατος Αν πολλαπλά µήκη κύµατος µεταδίδονται µέσα σε ένα φράγµα Bragg σε ίνα, τότε το Bragg µήκος κύµατος θα ανακλαστεί, ενώ τα υπόλοιπα θα µεταδοθούν στην αρχική διεύθυνση διάδοσης Το προσπίπτον κύµα µε µήκος λ 0 ανακλάται από κάθε περίοδο του φράγµατος Αυτές οι ανακλάσεις προστίθενται σε φάση όταν το µήκος του µονοπατιού στο µήκος κύµατος λ 0 σε κάθε περίοδο είναι ίσο µε το µισό του προσπίπτοντος µήκους κύµατος λ 0. Αυτό σηµαίνει ότι n eff Λ = λ 0 /2 Ανακλάσεις Λ Περιοδική µεταβολή του δείκτη διάθλασης 21

22 Φάσµα Ανάκλασης Ισχύος (db) Φίλτρα Fiber Bragg Grating (FBG Filters) Φάσµα ανάκλασης ενός Bragg φράγµατος µε οµοιόµορφο προφίλ του δείκτη διάθλασης Το είναι ένα µέτρο του εύρους ζώνης του φράγµατος και είναι η απόσταση σε µήκη κύµατος µεταξύ του µήκους κύµατος κορυφής και του πρώτου ελάχιστου ανάκλασης για µία περίπτωση οµοιόµορφου προφίλ δείκτη διάθλασης 4 Το είναι αντίστροφα ανάλογο του µήκους του φράγµατος λ είναι ο αποσυντονισµός από το µήκος κύµατος «ταιριάσµατος φάσης» (phase-matching) λ/ 22

23 Φάσµα Ανάκλασης Ισχύος (db) Φίλτρα Fiber Bragg Grating (FBG Filters) Φάσµα ανάκλασης ενός apodized Bragg φράγµατος Προς µείωση των ανεπιθύµητων πλευρικών λοβών στο φάσµα της ανακλώµενης ισχύος από το φράγµα, αντί για οµοιόµορφο σχήµα αλλαγής του δείκτη διάθλασης κατά µήκος του φράγµατος, είναι δυνατή η χρήση ενός apodizedφράγµατος, όπου η αλλαγή του δείκτη διάθλασης γίνεται µικρότερη προς τα άκρα του φράγµατος, µε κόστος, όµως, την αύξηση του εύρους του κύριου λοβού Οι πλευρικοί λοβοί στην περίπτωση ενός σχήµατος οµοιόµορφου δείκτη διάθλασης προκύπτουν εξαιτίας της απότοµης έναρξης και του απότοµου τελειώµατος του φράγµατος Το apodize σηµαίνω «κόβω τα πόδια» Το apodization µπορεί να επιτευχθεί αρχίζοντας και τελειώνοντας σταδιακά το δείκτη διάθλασης του φράγµατος 4 λ/ 23

24 Φίλτρα Fiber Bragg Grating (FBG Filters) Το εύρος ζώνης (του κύριου λοβού) του φράγµατος είναι αντίστροφα ανάλογο µε το µήκος του φράγµατος Τυπικά, το φράγµα έχει µήκος µερικά χιλιοστά προς επίτευξη εύρους ζώνης 1nm Φράγµατα «γράφονται» σε ίνες κάνοντας χρήση της φωτοευαισθησίας (photosensitivity) συγκεκριµένων τύπων οπτικών ινών. Π.χ. Μία συµβατική ίνα διοξειδίου πυριτίου ντοπαρισµένη µε γερµάνιο την κάνει υπερβολικά φωτοευαίσθητη Οι αλλαγές στο δείκτη διάθλασης στον πυρήνα της ίνας γίνονται µε έκθεση της ίνας σε υπεριώδη ακτινοβολία Ο πυρήνας εκτίθεται σε δύο παρεµβαλλόµενες UV δέσµες. Προκύπτει περιοδική µεταβολή της έντασης της ακτινοβολίας κατά µήκος της ίνας Όπου η ένταση είναι µεγάλη, ο δείκτης διάθλασης αυξάνεται και όπου είναι χαµηλή, ο δείκτης διάθλασης µένει αµετάβλητος χρήση µασκών (phase masks) Η µάκα είναι ένα οπτικό στοιχείο που βασίζεται στην περίθλαση Όταν φωτιστεί µε µία δέσµη, χωρίζει τη δέσµη σε δέσµες διαφορετικής τάξης περίθλασης, οι οποίες παρεµβάλλονται µεταξύ τους, ώστε να «γράψουν» το φράγµα στην ίνα Η αλλαγή που απαιτείται στο δείκτη διάθλασης είναι µικρή και είναι της τάξης

25 Φίλτρα Fiber Bragg Grating (FBG Filters) Τα φράγµατα ίνας διακρίνονται σε: Φράγµατα βραχείας περιόδου (short-period grating). Καλούνται και Bragg φράγµατα (ίνας)και έχουν περιόδους συγκρίσιµες µε το µήκος κύµατος, τυπικά της τάξης των 0.5µm. Κατασκευάζονται µε µικρές απώλειες (0.1dB), µεγάλη ακρίβεια στο µήκος κύµατος (±0.05nm), υψηλή καταστολή της διαφωνίας γειτονικού καναλιού (40dB) και µε επίπεδες κορυφές Πρόκειται για τα Bragg φράγµατα που ήδη εξετάσθηκαν Φράγµατα µακράς περιόδου (long-period grating). Έχουν περιόδους πολύ µεγαλύτερες από το µήκος κύµατος, της τάξης των εκατοντάδων µικροµέτρων ή κάποιων χιλιοστών. Κατασκευάζονται µε τον ίδιο τρόπο όπως τα φράγµατα Bragg σε ίνα και χρησιµοποιούνται κυρίως σα φίλτρα µέσα σε EDFAs (Erbium-Doped Fiber Amplifiers)προς αντιστάθµιση του µη επίπεδου φάσµατος κέρδους. Είναι πολύ αποδοτικά σαν φίλτρα απόρριψης ζώνης µηκών κύµατος και µπορούν να κατασκευαστούν ώστε να παρέχουν αρκετά ακριβή εξίσωση του φάσµατος κέρδους του ερβίου. Λειτουργούν µε λίγο διαφορετικό τρόπο σε σχέση µε τα Bragg φράγµατα 25

26 Φίλτρα Fiber Bragg Grating (FBG Filters) Στα Φράγµατα βραχείας περιόδου ή Bragg φράγµατα ίνας, ο θερµικός συντελεστής είναι συνήθως nm/ o C, εξαιτίας της µεταβολής στο µήκος της ίνας µε τη θερµοκρασία Αυτή η µεταβολή µπορεί να αντισταθµιστεί πακετάροντας το grating µαζί µε ένα υλικό που έχει αρνητικό θερµικό συντελεστή, οδηγώντας σε θερµικό συντελεστή περίπου nm/ o C Αυτό σηµαίνει µία πολύ µικρή ολίσθηση του κεντρικού µήκους κύµατος κατά 0.07 nmσε ένα εύρος θερµοκρασιών λειτουργίας των 100 o C, δηλαδή µπορούν να λειτουργήσουν χωρίς κάποιο πολύπλοκο µηχανισµό ελέγχου της θερµοκρασίας Τα Bragg φράγµατα ίνας είναι αρκετά χρήσιµα για διάφορες εφαρµογές σε WDM συστήµατα. Χρήση σα φίλτρα σαν οπτικά στοιχεία προσθήκης-αποµάστευσης (optical add-drop elelments). Απαιτείται ένας κυκλοφορητής (circulator)τριών θυρών και ένα Bragg φράγµα ίνας για την αποµάστευση ενός µήκους κύµατος. Χρειάζεται προσοχή διότι οι ανακλάσεις των φραγµάτων δεν είναι τέλειες και ένα τµήµα της ισχύος του επιθυµητού µήκους κύµατος (που θα αποµαστευθεί) µπορεί να περάσει από το grating και να συνεχίσει να µεταδίδεται. Αυτό µπορεί να οδηγήσει σε διαφωνία για την αντιστάθµιση της σωρευµένης διασποράς κατά µήκος µίας ζεύξης 26

27 Φίλτρα Fiber Bragg Grating (FBG Filters) Οπτικό στοιχείο προσθήκης-αποµάστευσης που βασίζεται σε Bragg φράγµα ίνας Στοιχείο αποµάστευσης λ 1 λ 2 λ 4 λ 1 λ 2 λ 3 λ λ 3 λ 1 λ 2 λ 4 3 Bragg φράγµα ίνας λ 3 Αποµάστευση 27

28 Φίλτρα Fiber Bragg Grating (FBG Filters) Οπτικό στοιχείο προσθήκης-αποµάστευσης που βασίζεται σε Bragg φράγµα ίνας Συνδυασµός προσθήκης και αποµάστευσης λ 1 λ 2 λ 4 λ 1 λ 2 λ 3 λ λ 3 λ 1 λ 2 λ 4 λ 3 3 Bragg φράγµα ίνας Συζεύκτης λ 3 Αποµάστευση λ 3 Προσθήκη 28

29 Φίλτρα Fiber Bragg Grating (FBG Filters) Στα φράγµατα µακράς περιόδου, γίνεται σύζευξη της ενέργειας από τον εµπρόσθιο διαδιδόµενο τρόπο στον πυρήνα της ίνας σε άλλους εµπρόσθιους διαδιδόµενους τρόπους στο µανδύα Οι τρόποι στο µανδύα παρουσιάζουν µεγάλες απώλειες και η ενέργειά τους εξασθενεί ταχύτατα καθώς διαδίδονται κατά µήκος της ίνας, εξαιτίας των απωλειών στη διεπαφή µανδύα-αέρα και τα λυγίσµατα στην ίνα Υπάρχουν πολλοί τρόποι στο µανδύα και η σύζευξη ανάµεσα σε ένα τρόπο στον πυρήνα σε ένα δεδοµένο µήκος κύµατος και ένα τρόπο στον µανδύα εξαρτάται από την περίοδο Λ του φράγµατος Υπό την υπόθεση χρήσης µονότροπης ίνας, αν β είναι η σταθερά διάδοσης του τρόπου στον πυρήνα και β clp ( = 2πn effp /λ) είναι η σταθερά διάδοσης του p-οστής τάξης τρόπου στο µανδύα, τότε η συνθήκη «ταιριάσµατος φάσης» (phasematching)επιβάλλει ότι Απαιτείται µεγάλη τιµή για το Λ ώστε να συµβεί σύζευξη (της τάξης των εκατοντάδων µικροµέτρων) p 2 π β βcl =, µε β = Λ 2πn λ eff 29

30 Φίλτρα Fiber Bragg Grating (FBG Filters) Γενικά, η διαφορά των σταθερών διάδοσης µεταξύ του τρόπου που διαδίδεται στον πυρήνα και του τρόπου που διαδίδεται στο µανδύα είναι σχετικά µικρή Αν n eff και n effp είναι οι ενεργοί δείκτες διάθλασης του τρόπου στον πυρήνα και του p-οστής τάξης τρόπου στο µανδύα, αντίστοιχα, τότε το µήκος κύµατος στο οποίο γίνεται σύζευξη της ενέργειας από τον τρόπο στον πυρήνα στον τρόπο στο µανδύα θα είναι ( p ) eff eff λ= Λ n n Μ αυτό τον τρόπο,φαίνεται ότι το φράγµα δρα σαν ένα στοιχείο απώλειας που εξαρτάται από το µήκος κύµατος (wavelength-dependent loss element), διότι αν γνωρίζουµε τους ενεργούς δείκτες διάθλασης του τρόπου στον πυρήνα και του τρόπου στο µανδύα, είναι δυνατό να σχεδιαστεί ένα φράγµα µε κατάλληλη τιµή για το Λ, ώστε να να προκαλείται σύζευξη ενέργειας σε µήκη κύµατος εκτός της επιθυµητής µπάντας µηκών κύµατος Το ποσό της απώλειας που εξαρτάται από το µήκος κύµατος µπορεί να ελεγχθεί κατά τη διάρκεια της κατασκευής ελέγχοντας τον χρόνο έκθεσης σε υπεριώδη ακτινοβολία 30

31 Φίλτρα Fiber Bragg Grating (FBG Filters) Πολύπλοκα φάσµατα µετάδοσης µπορούν να προκύψουν µε τη σειριακή σύνδεση πολλαπλών φραγµάτων µακράς περιόδου µε διαφορετικά κεντρικά µήκη κύµατος και διαφορετικούς χρόνους έκθεσης. Στο σχήµα που ακολουθεί χρησιµοποιήθηκαν δύο τέτοια φράγµατα συνδεδεµένα σε σειρά σαν εξισωτής κέρδους για ένα EDFA Τέτοια φράγµατα έχουν συνήθως µήκων µερικών εκατοστών Φάσµα Μετάδοσης (db) Μήκος κύµατος λ (nm) 31

34 Optical Amplifiers Σε ένα σύστηµα οπτικών επικοινωνιών, τα οπτικά σήµατα από τον ποµπό εξασθενούν λόγω της διάδοσης µέσα από την ίνα, τους πολυπλέκτες, τους συζεύκτες Μετά από κάποια απόσταση το σήµα έχει γίνει πολύ ασθενές και γίνεται δύσκολη η φώρασή του Αποκατάσταση της ισχύος του σήµατος µπορεί να επιτευχθεί είτε µε αναγέννηση (χρήση αναγεννητών regenerators) είτε µε ενίσχυση Η αναγέννηση, ανάλογα, µε την τεχνολογία µπορεί να γίνει σε οπτικό επίπεδο χωρίς µετατροπές στο ηλεκτρικό επίπεδο (οπτική αναγέννηση) ή µε µετατροπή σε ηλεκτρικό επίπεδο, επεξεργασία σήµατος και µετατροπή σε οπτικό επίπεδο (οπτο-ηλεκτρονική προσέγγιση Optical-Electrical-Optical (OEO) Approach) Με την οπτική ενίσχυση δε χρειάζεται µεταφορά στο ηλεκτρικό επίπεδο Οι ενισχυτές, σε σχέση µε τους αναγεννητές, Υπερτερούν ως προς την αναισθησία στο ρυθµό µετάδοσης και το σχήµα διαµόρφωσης ως προς τη δυνατότητα αναβάθµισης σε υψηλότερους ρυθµούς Παρουσιάζουν κέρδος σε εύρος ζώνης το οποίο είναι σχετικά µεγάλο, µε αποτέλεσµα µε ένα ενισχυτή να είναι δυνατή η ενίσχυση ταυτόχρονα διαφόρων WDM σηµάτων, ενώ αντίθετα θα απαιτούνταν ένας αναγεννητής για καθένα µήκος κύµατος 34

35 Optical Amplifiers Οι ενισχυτές, όµως, εισάγουν πρόσθετο θόρυβο και ο θόρυβος συσσωρεύεται καθώς το σήµα περνά µέσα από πολλαπλούς ενισχυτές κατά µήκος του οπτικού µονοπατιού εξαιτίας της αναλογικής φύσης των ενισχυτών Θα εξετασθούν τρεις διαφορετικοί τύποι ενισχυτών: Ενισχυτές ίνας ντοπαρισµένη µε έρβιο (Erbium-doped Fiber Amplifiers) Ενισχυτές Raman Ηµιαγωγικοί οπτικοί ενισχυτές (Semiconductor Optical Amplifiers) 35

36 ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ Επισκόπηση λειτουργίας φίλτρων Fabry-Perot και Fiber Bragg Grating Οπτικοί Ενισχυτές (Optical Amplifiers) Αρχή λειτουργίας Εξαναγκασµένη και Αυθόρµητη εκποµπή Erbium Doped Fiber Amplifiers (EDFAs) Ενισχυτές Raman Semiconductor Optical Amplifiers (SOAs) Φασµατική πυκνότητα ισχύος Ισχύς ενισχυµένης Αυθόρµητης εκποµπής Κόρος του κέρδους του ενισχυτή Ποµποί Lasers Light Emitting Diodes (LEDs) Συντονιζόµενα Lasers Laser Κβαντικού Περιορισµού (Quantum Confinement Laser) Άµεση και Εξωτερική διαµόρφωση Πηγές άντλησης για ενισχυτές Raman Φωτοφωρατές (Photodetectors) Χαρακτηριστικά, Κατηγορίες, Ηλεκτρικοί ενισχυτές Μετατροπή µήκους κύµατος Ποιότητα λαµβανόµενου σήµατος ιάγραµµα οφθαλµού 36

38 Optical Amplifiers Stimulated Emission Οι αρχές που θα περιγραφούν είναι ίδιες και για τα laser που θα ακολουθήσουν Το φυσικό φαινόµενο-κλειδί πίσω από την ενίσχυση σήµατος είναι η εξαναγκασµένη εκποµπή ακτινοβολίας (stimulated emission of radiation) από άτοµα (ή ιόντα ή ηλεκτρόνια) υπό την παρουσία ενός ηλεκτροµαγνητικού πεδίου (αν και αυτό δεν είναι αλήθεια για τους ενισχυτές ίνας Raman και Brillouin, που κάνουν χρήση των µη γραµµικοτήτων στην ίνα) Η ίδια αρχή αποτελεί τη βάση λειτουργίας των lasers Σύµφωνα µε τις αρχές της κβαντοµηχανικής, οποιοδήποτε φυσικό σύστηµα (π.χ. ένα άτοµο) βρίσκεται σε µία ενεργειακή στάθµη που ανήκει σε ένα πλήθος διακριτών ενεργειακών σταθµών Έστω ένα άτοµο και δύο από τις ενεργειακές του στάθµες, η Ε 1 και η Ε 2, µε Ε 2 > Ε 1 Ένα ηλεκτροµαγνητικό πεδίο του οποίου η συχνότητα f c ικανοποιεί την ακόλουθη σχέση hf c = Ε 2 Ε 1 (h = J/Hz είναιη σταθερά του Planck) θα προκαλεί µεταβάσεις ατόµων ανάµεσα στις ενεργειακές στάθµες Ε 1 και Ε 2 Συµβαίνουν µεταβάσεις τόσο Ε 1 Ε 2 όσο και Ε 2 Ε 1 38

39 Optical Amplifiers Stimulated Emission Υπό την παρουσία του ηλεκτροµαγνητικού πεδίου του οποίου η συχνότητα είναι f c και ικανοποιεί την σχέση hf c = Ε 2 Ε 1 Οι µεταβάσεις Ε 1 Ε 2 συνοδεύονται από απορρόφηση (absorption) φωτονίων από το προσπίπτον ηλεκτροµαγνητικό κύµα Οι µεταβάσεις Ε 2 Ε 1 συνοδεύονται από εκποµπή (emission)φωτονίων ενέργειας hf c, που είναι ίδια ενέργεια µε αυτή των προσπιπτόντων φωτονίων (ενέργειας hf c έκαστο). Αυτή η διαδικασία εκποµπής ορίζεται ως εξαναγκασµένη εκποµπή (stimulated emission) Αν η εξαναγκασµένη εκποµπή επικρατήσει έναντι της απορρόφησης (δηλαδή το προσπίπτον σήµα προκαλεί περισσότερες µεταβάσεις Ε 2 Ε 1 απ ότι Ε 1 Ε 2 ) θα προκύψει καθαρή αύξηση του πλήθους των φωτόνιων ενέργειας hf c και µία ενίσχυση του εισερχόµενου σήµατος, ειδάλλως στην αντίθετη περίπτωση το σήµα θα εξασθενήσει Σύστηµα µε δύο ενεργειακές στάθµες Εξαναγκασµένη εκποµπή Ε 2 Οπτικό σήµα Ε 1 Απορρόφηση Εξαναγκασµένη εκποµπή 39

40 Optical Amplifiers Stimulated Emission Από την κβαντοµηχανική προκύπτει ότι ο ρυθµός των µεταβάσεων Ε 1 Ε 2 ανά άτοµο είναι ίσος µε το ρυθµό των µεταβάσεων Ε 2 Ε 1 ανά άτοµο και έστω ότι είναι ίσος µε r Αν οι πληθυσµοί (πλήθος ατόµων) στις ενεργειακές στάθµές Ε 1 και Ε 2 είναι Ν 1 και Ν 2, αντίστοιχα, θα έχουµε καθαρή αύξηση στην ισχύ (ενέργεια ανά µονάδα χρόνου) ίση µε (N 2 N 1 )rhf c Καθαρά, για να γίνεται ενίσχυση πρέπει N 2 > N 1. Αυτή η συνθήκη καλείται αντιστροφή πληθυσµού (population inversion). Ο λόγος γι αυτό την ορολογία έχει να κάνει µε το ότι, στη θερµική ισορροπία (thermal equilibrium) στις χαµηλότερες ενεργειακές στάθµες βρίσκονται µεγαλύτεροι πληθυσµοί ατόµων, δηλαδή N 1 > N 2 ηλαδή, σε κατάσταση θερµικής ισορροπίας υπάρχει µόνο απορρόφηση του σήµατος εισόδου Για να συµβεί ενίσχυση πρέπει να αντιστραφεί η σχέση ανάµεσα στους πληθυσµούς των σταθµών Ε 1 και Ε 2 που επικρατεί υπό καθεστώς θερµικής ισορροπίας Η αντιστροφή πληθυσµού µπορεί να πραγµατοποιηθεί παρέχοντας επιπλέον ενέργεια σε κατάλληλη µορφή (οπτική ή ηλεκτρονική δηλαδή οπτική ή ηλεκτρονική άντληση) ώστε να αντληθούν ηλεκτρόνια σε υψηλότερη ενεργειακή στάθµη 40

41 Optical Amplifiers Spontaneous Emission Στο ατοµικό σύστηµα µε τις δύο ενεργειακές στάθµες που ήδη περιγράφηκε, ανεξάρτητα από οποιαδήποτε εξωτερική ακτινοβολία που µπορεί να είναι παρούσα, άτοµα στην ενεργειακή στάθµη Ε 2 µεταπίπτουν στην κατώτερη ενεργειακή στάθµη Ε 1 εκπέµποντας ένα φωτόνιο ενέργειας hf c Ο ρυθµός αυθόρµητης εκποµπής από τη στάθµη Ε 2 στη στάθµη Ε 1 ανά άτοµο είναι ένα χαρακτηριστικό του συστήµατος και το αντίστροφό του, που δηλώνεται ως χρόνος τ 21, καλείται διάρκεια ζωής της αυθόρµητης εκποµπής (spontaneous emission lifetime) Αν N 2 είναι τα άτοµα στη στάθµη Ε 2, ο ρυθµός της αυθόρµητης εκποµπής είναι N 2 /τ 21 και η ισχύς της αυθόρµητης εκποµπής είναι hf c N 2 /τ 21 Η διαδικασία της αυθόρµητης εκποµπής δε συνεισφέρει στο κέρδος του ενισχυτή Παρά το γεγονός ότι τα εκπεµπόµενα φωτόνια έχουν την ίδια ενέργεια hf c όπως και το προσπίπτον οπτικό σήµα, αυτά εκπέµπονται σε τυχαίες κατευθύνσεις, υπό τυχαίες πολώσεις και φάσεις 41

42 Optical Amplifiers Spontaneous Emission Η διαδικασία της αυθόρµητης εκποµπής είναι διαφορετική από τη διαδικασία εξαναγκασµένης εκποµπής, όπου τα εκπεµπόµενα φωτόνια δεν έχουν µόνο την ίδια ενέργεια όπως τα προσπίπτοντα φωτόνια, αλλά και την ίδια κατεύθυνση διάδοσης, την ίδια φάση και την ίδια πόλωση. Αυτό το φαινόµενο περιγράφεται λέγοντας ότι η διαδικασία εξαναγκασµένης εκποµπής είναι σύµφωνη (coherent), ενώ η διαδικασία αυθόρµητης εκποµπής είναι ασύµφωνη (incoherent) Η αυθόρµητη εκποµπή έχει επιβλαβή επίδραση στο σύστηµα Ο ενισχυτής µεταχειρίζεται την αυθόρµητη εκποµπή ακτινοβολίας σαν ένα άλλο ηλεκτροµαγνητικό πεδίο στη συχνότητα f c και η αυθόρµητη εκποµπή επίσης ενισχύεται µαζί µε το προσπίπτον οπτικό σήµα Αυτή η ενισχυµένη αυθόρµητη εκποµπή (Amplified Spontaneous Emission ASE) φαίνεται σα θόρυβος στην έξοδο του ενισχυτή Σε µερικές διατάξεις ενισχυτών, η ASE µπορεί να είναι αρκετά µεγάλη ώστε να φέρει στον κόρο τον ενισχυτή Η εξαναγκασµένη και η αυθόρµητη εκποµπή θα περιγραφούν και στη συνέχεια κατά την εισαγωγική ανάλυση των laser 42

45 Optical Amplifiers EDFAs Ένας Erbium-Doped Fiber Amplifier (EDFA) αποτελείται από τµήµα ίνας διοξειδίου πυριτίου του οποίου ο πυρήνας είναι ντοπαρισµένος µε ιονισµένα άτοµα (ιόντα) ερβίου, Er 3+, που είναι ένα στοιχείο που ανήκει στις σπάνιες γαίες Η (οπτική κβαντική) άντληση της ίνας γίνεται µε ένα σήµα από ένα laser, τυπικά µε το µήκος κύµατος να βρίσκεται στα 980nm ή στα 1480nm Για να συνδυάζεται η έξοδος του laser άντλησης µε το σήµα εισόδου, προηγείται της ντοπαρισµένης ίνας ένας συζεύκτης επιλεκτικός στο µήκος κύµατος (wavelengthselective) Στην έξοδο ένας άλλος επιλεκτικός στο µήκος κύµατος συζεύκτης µπορεί να χρησιµοποιηθεί αν χρειάζεται για να διαχωρίσει το ενισχυµένο σήµα από οποιοδήποτε υπόλειµµα ισχύος του σήµατος άντλησης Συνήθως ένας αποµονωτής (isolator) χρησιµοποιείται στην είσοδο ή/και στην έξοδο οποιουδήποτε ενισχυτή για να αποτρέψει ανακλάσεις στον ενισχυτή (οι ανακλάσεις µπορεί να µετατρέψουν τον ενισχυτή σε laser) Σήµα στα 1550 nm Ίνα ντοπαρισµένη µε έρβιο Αποµονωτής Σήµα στην έξοδο 980 nm Άντληση Συζεύκτες επιλεκτικοί στο µήκος κύµατος Υπολειπόµενη άντληση 45

46 Optical Amplifiers EDFAs Ένας συνδυασµός παραγόντων έχει κάνει τον EDFA τον ενισχυτή που επιλέγεται στα σηµερινά συστήµατα οπτικών επικοινωνιών Η διαθεσιµότητα συµπαγών και αξιόπιστων υψηλής ισχύος ηµιαγωγικών laser άντλησης Το γεγονός ότι είναι µία διάταξη κατασκευασµένη πλήρως από ίνα (all-fiber) που την κάνει ανεξάρτητη από την πόλωση και εύκολη στη σύζευξη φωτός εντός και εκτός αυτής Η απλότητα της συσκευής Το γεγονός ότι δεν εισάγει διαφωνία (crosstalk) κατά την ενίσχυση WDM σηµάτων Τρεις από τις ενεργειακές στάθµες των ιόντων ερβίου στο διοξείδιο του πυριτίου είναι οι Ε 1, Ε 2 και Ε 3 µε σειρά αυξανόµενης ενέργειας (υπάρχουν και άλλες στάθµες στο Er 3+, αλλά δεν αναφέρονται) Κάθε ενεργειακή στάθµη που εµφανίζεται σα µία διακριτή γραµµή σε ένα µεµονωµένο ιόν ερβίου χωρίζεται σε πολλαπλές ενεργειακές στάθµες όταν αυτά τα ιόντα εισάγονται σε γυαλί (glass) από διοξείδιο του πυριτίου. Αυτή η διαδικασία λέγεται χωρισµός Stark (Stark splitting) 46

47 Optical Amplifiers EDFAs Το γυαλί δεν είναι κρύσταλλος και έτσι δεν έχει µία κανονική δοµή. Έτσι, οι στάθµες που προκύπτουν από το χωρισµό Stark είναι ελαφρώς διαφορετικές για ξεχωριστά και µεµονωµένα ιόντα ερβίου και εξαρτάται από το «τοπικό περιβάλλον» που «βλέπουν» αυτά τα ιόντα Μακροσκοπικά, δηλαδή, όταν τα ιόντα θεωρηθούν σα µία συλλογή ιόντων, αυτό έχει σαν αποτέλεσµα το «άνοιγµα» (spreading) κάθε διακριτής ενεργειακής στάθµης ενός ιόντος ερβίου σε µία συνεχή ενεργειακή µπάντα (energy band) Το άνοιγµα των ενεργειακών σταθµών είναι ένα χρήσιµο χαρακτηριστικό για τους οπτικούς ενισχυτές, αφού αυξάνουν το εύρος συχνοτήτων ή µηκών κύµατος των σηµάτων που µπορούν να ενισχυθούν Σε κάθε ενεργειακή µπάντα, τα ιόντα ερβίου κατανέµονται στις διάφορες στάθµες µέσα σε αυτή τη µπάντα κατά ένα µη οµοιόµορφο τρόπο µέσω µίας διεργασίας που είναι γνωστή ως thermalization Εξαιτίας αυτής της διεργασίας, ένας ενισχυτής είναι ικανός να ενισχύσει διάφορα µήκη κύµατος ταυτόχρονα 47

48 Optical Amplifiers EDFAs Σηµειώνονται τα εξής Ο χωρισµός Stark δηλώνει το φαινόµενο από το οποίο οι ενεργειακές στάθµες των ελεύθερων ιόντων ερβίου χωρίζονται σε ένα πλήθος επιπέδων ή σε µία ενεργειακή µπάντα, όταν τα ιόντα εισάγονται σε γυαλί από διοξείδιο του πυριτίου Ο όρος thermalization αναφέρεται στη διεργασία από την οποία τα ιόντα ερβίου κατανέµονται στις διάφορες στάθµες που προέκυψαν από χωρισµό και οι οποίες σχηµατίζουν µία ενεργειακή µπάντα Για το ατοµικό σύστηµα των δύο ενεργειακών σταθµών αναφέρθηκε ότι ένα µόνο οπτικό σήµα στη συχνότητα f c που ικανοποιεί τη σχέση hf c = Ε 2 Ε 1 είναι αυτό που θα ενισχυθεί. Αν αυτά τα επίπεδα απλώνονται σε µπάντες, όλες οι συχνότητες που αντιστοιχούν στη διαφορά ενέργειας ανάµεσα σε κάποια ενέργεια στη µπάντα Ε 2 και σε κάποια ενέργεια στη µπάντα Ε 1 µπορούν να ενισχυθούν Στην περίπτωση των ιόντων ερβίου σε γυαλί από διοξείδιο του πυριτίου, το σύνολο των συχνοτήτων που µπορούν να ενισχυθούν από εξαναγκασµένη εκποµπή ύστερα από µετάβαση από τη µπάντα Ε 2 στη µπάντα Ε 1 αντιστοιχούν στο εύρος µηκών κύµατος µεταξύ 1525nm και 1570nm, ένα εύρος της τάξης των 50nm, µε µία κορυφή γύρω από τα 1532nm Κατά σύµπτωση, αυτό είναι ένα από τα παράθυρα µικρών απωλειών µίας τυπικής µονότροπης οπτικής ίνας που χρησιµοποιείται στα συστήµατα οπτικών επικοινωνιών 48

49 Optical Amplifiers EDFAs Έστω ότι ο πληθυσµός των ιόντων στη στάθµη Ε i είναι Ν i, i = 1, 2, 3 και στην κατάσταση θερµικής ισορροπίας Ν 1 > Ν 2 > Ν 3 Η συνθήκη αντιστροφής πληθυσµών για εξαναγκασµένη εκποµπή από την Ε 2 στην Ε 1 είναι Ν 1 < Ν 2 και µπορεί να επιτευχθεί µε ένα συνδυασµό απορρόφησης και αυθόρµητης εκποµπής Η ενεργειακή διαφορά ανάµεσα στις στάθµες Ε 1 και Ε 3 αντιστοιχεί σε ένα µήκος κύµατος ίσο µε 980nm Αν οπτική ισχύς στα 980nm, που καλείται ισχύς άντλησης (για το µήκος κύµατος άντλησης στα 980 nm), εγχυθεί στον ενισχυτή, θα προκαλέσει µεταβάσεις από την Ε 1 στην Ε 3 και αντίστροφα Επειδή Ν 1 > Ν 3, θα προκύψει καθαρή απορρόφηση της ισχύος στα 980nm. Αυτή η διαδικασία είναι η άντληση (pumping) Τα ιόντα που έχουν µεταβεί στη στάθµη Ε 3 από την προηγούµενη διεργασία θα µεταβούν γρήγορα στη στάθµη Ε 2 από την διαδικασία αυθόρµητης εκποµπής Ο χρόνος ζωής αυτής της διαδικασίας (τ 32 ), είναι περίπου 1µsec Από τη στάθµη Ε 2 άτοµα θα µεταβούν επίσης στη στάθµη Ε 1 από τη διαδικασία αυθόρµητης εκποµπής, αλλά ο χρόνος ζωής αυτής της διαδικασίας (τ 21 ) είναι περίπου 10 msec 49

50 Ε 4 Ε 3 Ε 2 Ε nm Optical Amplifiers EDFAs 980 nm 980 nm 1480 nm Αν η ισχύς άντλησης είναι αρκετά µεγάλη, τότε ιόντα που µεταβαίνουν στη στάθµη Ε 1 ανεβαίνουν και πάλι στη στάθµη Ε 3 για να µεταβούν και πάλι µόνο στη στάθµη Ε 2 Το αποτέλεσµα είναι ότι τα περισσότερα από τα ιόντα θα βρίσκονται στη στάθµη Ε 2 και έτσι προκύπτει η αντιστροφή πληθυσµών µεταξύ των σταθµών Ε 2 και Ε 1 Σε φθοριωµένο γυαλί µόνο και όχι σε γυαλί διοξειδίου πυριτίου Απορρόφηση στο αναγραφόµενο µήκος κύµατος για την επίτευξη της άντλησης και αντιστροφής του πληθυσµού των ιόντων (διέγερση ιόντων σε υψηλότερες στάθµες) Αυθόρµητη ή εξαναγκασµένη εκποµπή στο αναγραφόµενο µήκος κύµατος Οι ενεργειακές στάθµες ανοίγουν σε µπάντες λόγω της διαδικασίας χωρισµού Stark 50

51 Optical Amplifiers EDFAs Αν ταυτόχρονα ένα σήµα στη µπάντα nm εγχυθεί µέσα στην ίνα, θα ενισχυθεί από εξαναγκασµένη εκποµπή από τη στάθµη Ε 2 στη στάθµη Ε 1 ιάφορες στάθµες εκτός από την Ε 3 είναι υψηλότερα από την Ε 2 και µπορούν να χρησιµοποιηθούν για άντληση, άλλά η διαδικασία άντλησης είναι πιο αποτελεσµατική στα 980nmπου σηµαίνει ότι χρησιµοποιείται λιγότερη ισχύς άντλησης για ένα συγκεκριµένο κέρδος Άλλη πιθανή επιλογή για το µήκος κύµατος άντλησης είναι τα 1480nm Αυτή η επιλογή αντιστοιχεί σε απορρόφηση από την κατώτατη υποστάθµη της µπάντας Ε 1 στην ανώτερη υποστάθµη της µπάντας Ε 2 Άντληση στα 1480nm δεν είναι τόσο αποτελεσµατική όπως στα 980nm Ο βαθµός της αντιστροφής πληθυσµών που µπορεί να επιτευχθεί µε άντληση στα 1480nm είναι µικρότερος απ ότι µε άντληση στα 980nm Όσο µεγαλύτερη η αντιστροφή πληθυσµών, τόσο µικρότερη είναι η εικόνα θορύβου του ενισχυτή (noise figure = SNR in /SNR out, SNR in είναι το ηλεκτρικό SNR στην είσοδο του ενισχυτή και SNR out είναι το ηλεκτρικό SNR στην έξοδο του ενισχυτή, η εικόνα θορύβου θέλουµε να είναι όσο το δυνατόν πιο κοντά στη µονάδα) Για την επίτευξη ενισχυτών µικρού θορύβου επιλέγεται άντληση στα 980nm 51

52 Optical Amplifiers EDFAs Ωστόσο υπάρχουν πλεονεκτήµατα της άντλησης στα 1480nm Υψηλότερης ισχύος lasers άντλησης είναι διαθέσιµα για τα 1480nm σε σχέση µε τα 980nm και έτσι άντληση στα 1480nmβρίσκει εφαρµογή σε ενισχυτές που είναι σχεδιασµένοι για να αποδίδουν υψηλά επίπεδα ισχύος εξόδου Άλλο πλεονέκτηµα της άντλησης στα 1480nm είναι ότι η ισχύς άντλησης µπορεί να διαδοθεί µε µικρές απώλειες στην ίνα διοξειδίου πυριτίου που χρησιµοποιείται για να µεταφέρει τα σήµατα Το laser άντλησης µπορεί να τοποθετηθεί σε απόσταση από τον ενισχυτή. Αυτό το χαρακτηριστικό χρησιµοποιείται σε κάποια συστήµατα για την αποφυγή ενεργών εξαρτηµάτων στη µέση µίας ζεύξης Από τη στιγµή που τα επίπεδα πληθυσµών στις διάφορες στάθµες εντός µίας µπάντας είναι διαφορετικά, το κέρδος ενός EDFA γίνεται µία συνάρτηση του µήκους κύµατος Σε ένα WDM σύστηµα, WDM κανάλια υφίστανται διαφορετικό βαθµό ενίσχυσης γεγονός το οποίο γίνεται σηµαντικό σε συστήµατα µε ενισχυτές σε σειρά 52

53 Optical Amplifiers EDFAs Κέρδος (db) mw 5 mw 20 mw 30 mw Το κέρδος ενός τυπικού EDFA σα συνάρτηση του µήκους κύµατος, για τέσσερα διαφορετικά επίπεδα ισχύος άντλησης. Θεωρήθηκε ότι το µήκος της ντοπαρισµένης ίνας ήταν 15 m και το µήκος κύµατος άντλησης 980 nm Μήκος κύµατος (nm) Ένας τρόπος για να γίνει πιο επίπεδη η καµπύλη κέρδους του EDFA είναι η χρήση ενός φίλτρου εντός του ενισχυτή Ο ενισχυτής έχει σχετικά υψηλό κέρδος στα 1532nm,που µπορεί να µειωθεί χρησιµοποιώντας ένα φίλτρο σ αυτή την περιοχή µηκών κύµατος εντός του ενισχυτή Υποψήφια φίλτρα γι αυτή την εφαρµογή είναι φράγµατα ίνας µακράς περιόδου (long period fiber grating) και τα διηλεκτρικά thin-film φίλτρα 53

54 Optical Amplifiers EDFAs Στην πράξη, η ενίσχυση γίνεται σε δύο στάδια, µε τα δύο στάδια να βελτιστοποιούνται διαφορετικά ώστε να προκύψει ένας ενισχυτής υψηλών επιδόσεων, χαµηλού θορύβου και υψηλής ισχύος εξόδου Το πρώτο στάδιο σχεδιάζεται έτσι ώστε να παρέχει υψηλό κέρδος και χαµηλό θόρυβο (οι επιδόσεις του όλου ενισχυτή όσον αφορά το θόρυβο καθορίζονται κυρίως από το πρώτο στάδιο) Το δεύτερο στάδιο σχεδιάζεται ώστε να παρέχει υψηλή ισχύ εξόδου Στη διάταξη δύο σταδίων µπορεί να τοποθετηθεί ένα στοιχείο που εισάγει απώλειες µεταξύ των δύο σταδίων µε αµελητέα επίδραση στις επιδόσεις. Αυτό το στοιχείο µπορεί να είναι Ένα φίλτρο για να µετατραπεί το φάσµα κέρδους του EDFA σε πιο επίπεδη µορφή Ένας απλός οπτικός πολυπλέκτης προσθήκης/αποµάστευσης Μία διάταξη αντιστάθµισης της συσσωρευµένης διασποράς κατά µήκος της ζεύξης 980 nm Σήµα στα Ίνα ντοπαρισµένη µε έρβιο 1550 nm Στοιχείο που εισάγει απώλειες Άντληση Συζεύκτες επιλεκτικοί στο µήκος κύµατος Αποµονωτής Άντληση 1480 nm Σήµα στην έξοδο 54

55 Optical Amplifiers EDFAs Άλλος τρόπος προς µετατροπή της καµπύλης του κέρδους ενός EDFA σε πιο επίπεδη µορφή είναι η χρήση fluoride glass fiber αντί για ίνα διοξειδίου πυριτίου, ντοπαρισµένη µε έρβιο Τέτοιοι ενισχυτές λέγονται Erbium-Doped Fluoride Fiber Amplifiers (EDFFAs) Οι επιδόσεις των EDFFAs ως προς το θόρυβο είναι φτωχές Πρέπει να αντλούνται στα 1480nmκαι δεν είναι δυνατή η άντληση στα 980nm, επειδή το φθοριωµένο γυαλί έχει µία επιπρόσθετη ενεργειακή στάθµη, Ε 4, υψηλότερη από την Ε 3 µε τη διαφθορά τους να αντιστοιχεί στα 980nm, οπότε αν γίνει άντληση στα 980nm αυτή θα απορροφηθεί κατά τις µεταβάσεις από τηστάθµη Ε 3 στη στάθµη Ε 4. Αυτό το φαινόµενο καλείται excited fiber absorption Άλλο µειονέκτηµα είναι ότι η φθοριωµένη ίνα είναι δύσκολη στο χειρισµό, καθώς είναι ασταθής και εύθραυστη δύσκολη στην ένωση µε συµβατική ίνα ευαίσθητη στην υγρασία Υπάρχουν εµπορικά διαθέσιµοι EDFFAs 55

56 Optical Amplifiers EDFAs Άλλο σηµαντικό θέµα κατά το σχεδιασµό είναι η παροχή πλεονασµού σε περίπτωση αστοχίας της άντλησης (του µόνου ενεργού τµήµατος του ενισχυτή), π.χ. χρήση δύο σηµάτων άντλησης σε περίπτωση αστοχίας ή απώλειας ενός σήµατος άντλησης Εκτός από τους EDFAs στη C-µπάντα ( nm)έχουν αναπτυχθεί EDFAs για το κάτω τµήµα της L-µπάντας ( nm (δεν καλύπτεται το τµήµα της L-µπάντας nm) Οι EDFAs της L-µπάντας λειτουργούν µε βάση τις ίδιες αρχές όπως οι EDFAs της C-µπάντας Το φάσµα κέρδους των EDFAs της L-µπάντας είναι πολύ πιο επίπεδο απ ότι στη C- µπάντα Ο παράγοντας κέρδους του ερβίου στην L-µπάντα είναι περίπου 3 φορές µικρότερος απ ότι στη C-µπάντα. Αυτό το γεγονός επιβάλλει τη χρήση είτε µεγαλύτερων µηκών ίνας είτε ίνας µε υψηλότερες συγκεντρώσεις ερβίου Τα επίπεδα ισχύος άντλησης που απαιτούνται για τους EDFAs της L-µπάντας είναι µεγαλύτερα από αυτά για τους EDFAs της C-µπάντας Οι ενισχυτές στην L-µπάντα έχουν υψηλότερη ενισχυµένη αυθόρµητη εκποµπή Οι EDFA ενισχυτές της C και της L-µπάντας συνήθως αναπτύσσονται σα ξεχωριστές διατάξεις και όχι σα µία 56

59 Optical Amplifiers Ενισχυτές Raman H εξαναγκασµένη σκέδαση Raman (Stimulated Raman Scattering) είναι ένα φαινόµενο µη γραµµικότητας που επηρεάζει τα σήµατα που διαδίδονται µέσα από την ίνα. Μέσω αυτού του φαινοµένου µπορεί να παρασχεθεί ενίσχυση Το φάσµα κέρδους Raman είναι σχετικά ευρύ και η κορυφή του κέρδους είναι κεντραρισµένη σε µία περιοχή 13THz κάτω από τη συχνότητα του σήµατος άντλησης Για την περιοχή του εγγύς υπέρυθρου, αυτό αντιστοιχεί σε απόσταση µηκών κύµατος περίπου ίση µε 100nm Χρησιµοποιώντας ένα laserάντλησης υψηλής ισχύος, µπορεί να παρασχεθεί κέρδος σε άλλα σήµατα µε µία κορυφή για το κέρδος 13THz κάτω από τη συχνότητα άντλησης Π.χ. Χρησιµοποιώντας άντληση στα nm,παρέχεται ενίσχυση Raman στο παράθυρο nm 59

60 Optical Amplifiers Ενισχυτές Raman Με το φαινόµενο Raman είναι δυνατή η παροχή κέρδους σε οποιοδήποτε µήκος κύµατος (και όχι µόνο στην περιοχή nm που παρέχει κέρδος ο EDFA) Η ενίσχυση Raman µπορεί να ανοίξει και άλλες µπάντες για WDM µεταδόσεις, όπως το παράθυρο στα 1310nmή η S-µπάντα που βρίσκεται κάτω από τα 1528nm Μπορούν να χρησιµοποιηθούν ταυτόχρονα πολλαπλά σήµατα άντλησης σε διαφορετικά µήκη κύµατος και µε διαφορετικά επίπεδα ισχύος ώστε να δηµιουργηθεί ένα ευέλικτο σχήµα για το κέρδος Η ενίσχυση Raman βασίζεται στην άντληση της ίδιας ίνας διοξειδίου πυριτίου που χρησιµοποιείται για τη µετάδοση σηµάτων δεδοµένων, και έτσι µπορεί να παραχθεί ένας σωρευτικός (lumped)ενισχυτής. Ο ενισχυτής Raman αποτελείται από ένα επαρκώς µεγάλο τµήµα ίνας µε τα κατάλληλα lasers άντλησης διακριτός (discrete) ενισχυτής κατανεµηµένος (distributed)ενισχυτής. Η ίνα µπορεί να είναι απλά το τµήµα ίνας που µας ενδιαφέρει, µε το σήµα άντλησης να βρίσκεται στο ένα άκρο του τµήµατος Οι ενισχυτές Raman χρησιµοποιούνται συµπληρωµατικά των EDFAs για την παροχή επιπρόσθετου κέρδους κατά ένα κατανεµηµένο τρόπο σε συστήµατα µεταδόσεων σε πολύ µεγάλες αποστάσεις 60

61 Optical Amplifiers Ενισχυτές Raman Υπάρχει η απαίτηση πηγών άντλησης υψηλής ισχύος (της τάξης του 1 W ή και περισσότερο) στο κατάλληλο µήκος κύµατος Μεγάλη πρόκληση η µείωση της ισχύος άντλησης Το κέρδος Raman αποκρίνεται ακαριαία στην ισχύ άντλησης ιακυµάνσεις στην ισχύ άντλησης θα προκαλέσουν τη µεταβολή του κέρδους και θα εµφανιστεί σα διαφωνία (crosstalk) στα επιθυµητά σήµατα Αυτό δε συµβαίνει στους EDFAs Απαιτείται η σταθεροποίηση της ισχύος άντλησης Η διάδοση της άντλησης σε αντίθετη κατεύθυνση από αυτή που διαδίδεται το σήµα βοηθά δραστικά επειδή το σήµα «βλέπει» τη µέση τιµή των διακυµάνσεων της ισχύος άντλησης στο χρόνο διάδοσης στην ίνα σε σχέση µε την περίπτωση διάδοσης σήµατος και ισχύος άντλησης στην ίδια κατεύθυνση Για διάδοση του σήµατος µε την άντληση στην ίδια κατεύθυνση Τα δύο κύµατα ταξιδεύουν µε την ίδια σχεδόν ταχύτητα Όταν η ισχύς άντλησης είναι ισχυρή στην είσοδο, το σήµα βλέπει ισχυρό κέρδος και όταν η ισχύς άντλησης είναι χαµηλή, το σήµα βλέπει χαµηλότερο κέρδος 61

62 Optical Amplifiers Ενισχυτές Raman Για διάδοση του σήµατος µε την άντληση σε αντίθετη κατεύθυνση Έστω ότι η ισχύς άντλησης µπορεί να µεταβληθεί µεταξύ δύο καταστάσεων: υψηλή και χαµηλή Καθώς το ωφέλιµο σήµα διαδίδεται κατά µήκος της ίνας, όποτε επικαλύπτεται µε το σήµα άντλησης και το σήµα άντλησης βρίσκεται στην υψηλή στάθµη ισχύος, το ωφέλιµο σήµα βλέπει ισχυρό κέρδος στην χαµηλή στάθµη ισχύος, το ωφέλιµο σήµα βλέπει χαµηλότερο κέρδος Αν οι αυξοµειώσεις της ισχύος άντλησης είναι σχετικά γρήγορες σε σύγκριση µε το χρόνο διάδοσης του σήµατος κατά µήκος της ίνας, οι διακυµάνσεις του κέρδους εξοµαλύνονται και καθώς το σήµα εξέρχεται από την ίνα (το σήµα) έχει δει τελικά σχεδόν σταθερό κέρδος Σηµαντικό θέµα µε τους ενισχυτές Raman είναι η διαφωνία ανάµεσα σε WDM σήµατα εξαιτίας της ενίσχυσης Raman Ένα διαµορφωµένο σήµα σε ένα συγκεκριµένο µήκος κύµατος «αδειάζει» (depletes) την ισχύ άντλησης, επιβάλλοντας την ίδια διαµόρφωση και στο σήµα άντλησης Αυτή η διαµόρφωση στην άντληση επηρεάζει το κέρδος που θα «δει» το επόµενο µήκος κύµατος, εµφανιζόµενο σα διαφωνία γι αυτό το µήκος κύµατος Το πρόβληµα λύνεται µε διάδοση της άντλησης σε αντίθετη κατεύθυνση από αυτή του σήµατος Για τους περισσότερους ενισχυτές Raman, η άντληση γίνεται σε αντίθετη κατεύθυνση της διάδοσης ωφέλιµων σηµάτων Εξαιτίας της σκέδασης Rayleigh στην ίνα, µπορεί να προκύψουν προς τα πίσω ανακλάσεις (back-reflections) του σήµατος άντλησης Ο θόρυβος λόγω αυθόρµητης εκποµπής είναι σχετικά µικρός στους ενισχυτές Raman 62

65 Optical Amplifiers SOAs Οι Ηµιαγωγικοί Οπτικοί Ενισχυτές (Semiconductor Optical Amplifiers SOAs), στην πραγµατικότητα, προηγήθηκαν των EDFAs, παρά το γεγονός ότι δεν είναι τόσο καλοί σαν ενισχυτές όσο οι EDFAs Βρίσκουν εφαρµογή σε µεταγωγείς (switches) και σε διατάξεις µετατροπής µήκους κύµατος Η κατανόηση της λειτουργίας τους βοηθά στην κατανόηση και των lasers Ο SOA είναι µία pn-επαφή Το επίπεδο απογύµνωσης ή απλά η περιοχή απογύµνωσης (depletion layer) λειτουργεί ως ενεργός περιοχή (active region) Το φως ενισχύεται µέσω εξαναγκασµένης εκποµπής κατά τη διάδοσή του διαµέσου της ενεργού περιοχής Για ένα ενισχυτή, τα δύο άκρα της ενεργού περιοχής επικαλύπτονται µε ένα αντι-ανακλαστικό (Anti-Reflection - AR) στρώµα ώστε να εξαλειφθούν κυµατώσεις στο κέρδος του ενισχυτή σα συνάρτηση του µήκους κύµατος (όπως συνέβαινε στα laser Fabry-Perot) Εναλλακτικά, οι έδρες του SOA µπορούν να τεθούν ελαφρώς υπό γωνία ώστε να µειωθούν οι ανακλάσεις Στην περίπτωση του ηµιαγωγικού laser, δεν υπάρχει στρώµα AR 65

66 Optical Amplifiers SOAs Οι SOAs διαφέρουν από τους EDFAs στον τρόπο µε τον οποίο επιτυγχάνεται η αντιστροφή πληθυσµού Οι πληθυσµοί δεν είναι αυτοί των ιόντων σε διάφορες ενεργειακές στάθµες, αλλά αυτές των φορέων (ηλεκτρονίων ή οπών (holes)) σε ένα ηµιαγωγικό υλικό Ένας ηµιαγωγός αποτελείται από δύο ζώνες ενεργειακών επιπέδων ηλεκτρονίων: τη ζώνη σθένους και τη ζώνη αγωγιµότητας Μπλοκ διάγραµµα ενός SOA AR επίστρωση Ηµιαγωγοί Φως στην είσοδο Τύπου p Τύπου n Φως στην έξοδο Ενεργός περιοχή Η ενίσχυση συµβαίνει όταν το φως διαδίδεται διαµέσου της ενεργού περιοχής. Οι έδρες έχουν µία αντιανακλαστική επικάλυψη ώστε να αποφευχθούν οι ανεπιθύµητες ανακλάσεις, που θα προκαλούσαν κυµατώσεις στο κέρδος του ενισχυτή 66

67 Optical Amplifiers SOAs Στη ζώνη σθένους (valence band), τα επίπεδα κινητικότητας είναι µικρά, ενώ στη ζώνη αγωγιµότητας (conduction band)τα επίπεδα κινητικότητας είναι υψηλά Αυτές οι ζώνες διαχωρίζονται από µία ενεργειακή διαφορά που καλείται χάσµα ζωνών (bandgap) ή ενεργειακό χάσµα και δηλώνεται ως E g εν υπάρχουν ενεργειακά επίπεδα εντός του χάσµατος Έστω ένα ηµιαγωγικό υλικό τύπου p. Σε κατάσταση θερµικής ισορροπίας (thermal equilibrium), υπάρχει πολύ µικρή συγκέντρωση ηλεκτρονίων στη ζώνη αγωγιµότητας του υλικού Συγκέντρωση ηλεκτρονίων σε κατάσταση θερµικής ισορροπίας Ενέργεια Ηλεκτρονίων Ηλεκτρόνια ζώνης αγωγιµότητας Οπές ζώνης σθένους Οι ενεργειακές ζώνες σε ένα ηµιαγωγό τύπου p 67

68 Optical Amplifiers SOAs Στη συνθήκη αντιστροφής πληθυσµού, η συγκέντρωση ηλεκτρονίων στη ζώνη αγωγιµότητας είναι πολύ µεγαλύτερη, τόση ώστε υπό την παρουσία οπτικού σήµατος, περισσότερα ηλεκτρόνια µεταβαίνουν από τη ζώνη αγωγιµότητας στη ζώνη σθένους µε τη διαδικασία της εξαναγκασµένης εκποµπής απ ότι µεταβαίνουν από τη ζώνη σθένους στη ζώνη αγωγιµότητας µε τη διαδικασία της απορρόφησης Ενέργεια Ηλεκτρονίων Συγκέντρωση ηλεκτρονίων σε κατάσταση θερµικής ισορροπίας Ηλεκτρόνια ζώνης αγωγιµότητας Οπές ζώνης σθένους Συγκέντρωση ηλεκτρονίων σε κατάσταση αντιστροφής πληθυσµού 68

69 Optical Amplifiers SOAs Η ζώνη αγωγιµότητας µπορεί να θεωρηθεί σαν την ανώτερη ενεργειακή ζώνη E 2 των EDFAs και η ζώνη σθένους σαν την κατώτερη ενεργειακή ζώνη E 1 των EDFAs Οι όροι «ανώτερη» και «κατώτερη» αναφέρονται στην ενέργεια των ηλεκτρονίων σ αυτές τις ζώνες Αν είχε θεωρηθεί ένας ηµιαγωγός τύπου n, τότε θα θεωρούσαµε ενέργειες οπών αντί για ενέργειες ηλεκτρονίων, η ζώνη αγωγιµότητας θα αντιστοιχούσε στην κατώτερη ενεργειακή ζώνη E 1 των EDFAs και η ζώνη σθένους στην ανώτερη ενεργειακή ζώνη E 2 των EDFAs Για τους SOAs αυτή η συνθήκη πρέπει να χρησιµοποιηθεί σαν η συνθήκη κλειδί για την αντιστροφή πληθυσµού ή για οπτικό κέρδος Η αντιστροφή πληθυσµού επιτυγχάνεται µε ορθή πόλωση της επαφής pn Μία επαφή pn αποτελείται από δύο ηµιαγωγούς, ένα τύπου p ντοπαρισµένο µε κατάλληλα «µη καθαρά» άτοµα ώστε να έχει περίσσεια συγκέντρωσης οπών και ένα τύπου n που έχει περίσσεια συγκέντρωσης ηλεκτρονίων 69

70 Optical Amplifiers SOAs Όταν οι δύο κυµατοδηγοί τοποθετηθούν πλάι-πλάι (in juxtaposition), οπές διαχέονται από τον ηµιαγωγό τύπου p στον ηµιαγωγό τύπου n και ηλεκτρόνια διαχέονται από τον ηµιαγωγό τύπου n στον ηµιαγωγό τύπου p Αυτό δηµιουργεί µία περιοχή µε καθαρό αρνητικό φορτίο στον ηµιαγωγό τύπου p και µία περιοχή µε καθαρό θετικό φορτίο στο ηµιαγωγό τύπου n Αυτές οι περιοχές είναι κενές από ελεύθερους φορείς φορτίων και µαζί καλούνται περιοχή απογύµνωσης (depletion region) Όταν δεν εφαρµοστεί τάση (ρευµατική πόλωση) στην επαφή pn, οι συγκεντρώσεις φορέων µειονότητας (ηλεκτρόνια στην περιοχή τύπου p και οπές στην περιοχή τύπου n) παραµένουν στις τιµές θερµικής ισορροπίας Τύπου p Τύπου n Επαφή pn Περιοχή Απογύµνωσης Συγκέντρωση φορέων µειονότητας και περιοχή απογύµνωσης χωρίς εφαρµογή τάσης πόλωσης 70

71 Optical Amplifiers SOAs Όταν η επαφή πολωθεί ορθά (θετική πόλωση εφαρµόζεται στονηµιαγωγό τύπου p και αρνητική πόλωση στον ηµιαγωγό τύπου n) Tο εύρος της περιοχής απογύµνωσης µειώνεται και υπάρχει µία κίνηση (drift) ηλεκτρονίων από την περιοχή τύπου n στην περιοχή τύπου p. Αυτή η κίνηση αυξάνει τη συγκέντρωση ηλεκτρονίων στη ζώνη αγωγιµότητας της περιοχής τύπου p Όµοια, υπάρχει κίνηση οπών από την περιοχή τύπου p στην περιοχή τύπου n, που αυξάνει τη συγκέντρωση των οπών στη ζώνη σθένους της περιοχής τύπου n Όταν η τάση ορθής πόλωσης είναι αρκετά υψηλή, οι αυξηµένες συγκεντρώσεις φορέων µειονότητας έχουν σαν αποτέλεσµα την αντιστροφή πληθυσµού και η επαφή pn δρα σαν οπτικός ενισχυτής Στην πράξη, δε χρησιµοποιείται µία απλή επαφή pn, αλλά ένα λεπτό στρώµα διαφορετικού ηµιαγωγικού υλικού γίνεται sandwich ανάµεσα στις περιοχές p και n. Μία τέτοια διάταξη καλείται ετεροδοµή (heterostructure) p n Συγκέντρωση φορέων µειονότητας και περιοχή απογύµνωσης µε εφαρµογή τάσης ορθής πόλωσης ίση µε V f V f 71

72 Optical Amplifiers SOAs Το ηµιαγωγικό υλικό σχηµατίζει την ενεργό περιοχή Το υλικό που χρησιµοποιείται στην ενεργό περιοχή έχει ελαφρώς µικρότερο ενεργειακό χάσµα και υψηλότερο δείκτη διάθλασης από τις περιοχές τύπου p και n Το µικρότερο ενεργειακό χάσµα ζωνών βοηθά στον περιορισµό των φορέων που εγχέονται στην ενεργό περιοχή (ηλεκτρόνια από την περιοχή τύπου n και οπές από την περιοχή τύπου p) Ο υψηλότερος δείκτης διάθλασης βοηθά στον περιορισµό του φωτός κατά τη διάρκεια της ενίσχυσης, αφού µε το ηµιαγωγικό υλικό, η δοµή σχηµατίζει ένα διηλεκτρικό κυµατοδηγό Στους SOAs, η συνθήκη αντιστροφής πληθυσµών πρέπει να εκτιµηθεί σα συνάρτηση της οπτικής συχνότητας ή του µήκους κύµατος 72

73 Optical Amplifiers SOAs Έστω µία οπτική συχνότητα f c τέτοια ώστε να hf c > Ε g, όπου Ε g είναι το ενεργειακό χάσµα του ηµιαγωγικού υλικού Η µικρότερη οπτική συχνότητα (ή το µεγαλύτερο µήκος κύµατος) που µπορεί να ενισχυθεί αντιστοιχεί στο ίδιο το χάσµα Καθώς αυξάνεται η τάση ορθής πόλωσης, η συνθήκη αντιστροφής πληθυσµών γι αυτό το µήκος κύµατος (το µεγαλύτερο µήκος κύµατος) ικανοποιείται πρώτη Καθώς η τάση ορθής πόλωσης αυξάνεται περαιτέρω, τα ηλεκτρόνια που εγχέονται στην περιοχή τύπου p καταλαµβάνουν προοδευτικά υψηλότερα ενεργειακά επίπεδα, και σήµατα µε µικρότερα µήκη κύµατος µπορούν να ενισχυθούν Στην πράξη, µε τους SOAs µπορούν να επιτευχθούν εύρη ζώνης της τάξης των 100nm, που αποτελεί πολύ µεγαλύτερη τιµή σε σχέση µε τους EDFAs Χρησιµοποιώντας SOAs µπορούν να ενισχυθούν ταυτόχρονα σήµατα στις µπάντες 1310nm και 1550nm 73

74 Optical Amplifiers SOAs Οι EDFAs προτιµώνται σε σχέση µε τους SOAs Ο κύριος λόγος είναι ότι οι SOAs εισάγουν δριµεία διαφωνία (crosstalk) όταν χρησιµοποιούνται σε WDM συστήµατα Τα κέρδη και τα επίπεδα ισχύος εξόδου που επιτυγχάνονται µε τους EDFAs είναι υψηλότερα Οι απώλειες σύζευξης και οι απώλειες που εξαρτώνται από την πόλωση είναι επίσης µικρότερες στους EDFAs, αφού ο ενισχυτής είναι επίσης µία ίνα. Ωστόσο, έχουν κατασκευαστεί SOAs ανεξάρτητοι από την πόλωση Εξαιτίας των υψηλότερων απωλειών σύζευξης εισόδου, οι SOAs έχουν υψηλότερες εικόνες θορύβου (noise figure) σε σχέση µε τους EDFAs Οι SOAs απαιτούν υψηλής ποιότητας αντι-ανακλαστικές επιστρώσεις στις έδρες τους (ανακλαστικότητα µικρότερη από 10 4 ), κάτι το οποίο δεν είναι ιδιαίτερα εύκολο να επιτευχθεί. Υψηλότερες τιµές ανακλαστικότητας δηµιουργούν κυµατώσεις στο φάσµα κέρδους και προκαλούν µεταβολές στο κέρδος εξαιτίας των διακυµάνσεων της θερµοκρασίας. Εναλλακτικά, οι έδρες του SOA µπορούν να τεθούν υπό γωνία ώστε να επιτευχθούν οι επιθυµητές ανακλαστικότητες µε κόστος, όµως, την αυξηµένη εξάρτηση από την πόλωση 74

75 Optical Amplifiers SOAs Έστω ένας SOA του οποίου η είσοδος είναι το άθροισµα δύο οπτικών σηµάτων σε διαφορετικά µήκη κύµατος και γίνεται η υπόθεση ότι και τα δύο µήκη κύµατος βρίσκονται εντός του (οπτικού) εύρους ζώνης του SOA Η παρουσία ενός σήµατος θα µειώσει τη συγκέντρωση φορέων µειονότητας µέσω της διαδικασίας εξαναγκασµένης εκποµπής, ώστε η αντιστροφή πληθυσµών που θα δει το άλλο σήµα να είναι µειωµένη. Έτσι, το άλλο σήµα δε θα ενισχυθεί στον ίδιο βαθµό και αν οι συγκεντρώσεις φορέων µειονότητας δεν είναι αρκετά µεγάλες, µπορεί ακόµη και να απορροφηθεί (αν δεν επιτευχθεί η αντιστροφή πληθυσµών, υπάρχει καθαρή απορρόφηση του σήµατος) Για WDM δίκτυα, το κέρδος που «βλέπει» το σήµα σε ένα κανάλι ποικίλλει υπό την παρουσία ή απουσία σηµάτων σε άλλα κανάλια Το φαινόµενο που µόλις περιγράφηκε καλείται διαφωνία (crosstalk) και έχει καταστρεπτική επίδραση στις επιδόσεις του συστήµατος Το φαινόµενο της διαφωνίας εξαρτάται από το χρόνο ζωής (lifetime) της αυθόρµητης εκποµπής από τη στάθµη υψηλής ενέργειας στη στάθµη χαµηλής ενέργειας Αν ο χρόνος ζωής είναι αρκετά µεγάλος σε σχέση µε το ρυθµό διακυµάνσεων της ισχύος των σηµάτων εισόδου, τα ηλεκτρόνια δε µπορούν να κάνουν τη µετάβαση από τη στάθµη υψηλής ενέργειας στη στάθµη χαµηλότερης ενέργειας σε απόκριση των διακυµάνσεων (είναι επιθυµητός ο µεγάλος χρόνος ζωής) 75

76 Optical Amplifiers SOAs Το φαινόµενο που µόλις περιγράφηκε καλείται διαφωνία (crosstalk) και έχει καταστρεπτική επίδραση στις επιδόσεις του συστήµατος Στους SOAs αυτός ο χρόνος ζωής είναι της τάξης των nanoseconds. Έτσι, τα ηλεκτρόνια µπορούν εύκολα να αποκριθούν σε διακυµάνσεις της ισχύος των σηµάτων που είναι διαµορφωµένα σε ρυθµούς gigabit/second, έχοντας σαν αποτέλεσµα σηµαντική αρνητική επίδραση της διαφωνίας Αντίθετα, ο χρόνος ζωής της αυθόρµητης εκποµπής σε ένα EDFA είναι περίπου 10 msec Θα εισαγόταν διαφωνίας στους EDFAs αν οι ρυθµοί διαµόρφωσης των σηµάτων ήταν της τάξης των kilohertz, ρυθµοί οι οποίοι δεν έχουν νόηµα σε συστήµατα οπτικών επικοινωνιών. Άρα, οι EDFAs είναι προτιµότεροι από τους SOAs για WDM συστήµατα 76

77 Optical Amplifiers SOAs Υπάρχουν διάφοροι τρόποι µείωσης της διαφωνίας που εισάγεται στους SOAs Ένας τρόπος είναι η λειτουργία του ενισχυτή στην περιοχή µικρού σήµατος (µικρό κοµµάτι στη µέση της γραµµικής περιοχής) όπου το κέρδος είναι σχετικά ανεξάρτητο από την ισχύ εισόδου του σήµατος Άλλος τρόπος είναι να κρατηθεί σταθερό (clamp) το κέρδος του ενισχυτή ανεξάρτητα από το σήµα εισόδου ακόµα και για υψηλά επίπεδα ισχύος σηµάτων χρησιµοποιώντας ποικιλία τεχνικών Αν το πλήθος των σηµάτων σε διαφορετικά µήκη κύµατος είναι αρκετά µεγάλο, παρά το γεγονός ότι ότι τα επίπεδα ισχύος των σηµάτων ποικίλλουν, η ολική ισχύς των σηµάτων µέσα στον ενισχυτή µπορεί να διατηρηθεί σχετικά σταθερή Ωστόσο, η επίδραση της διαφωνίας στους SOAs βρίσκει εφαρµογή στους µετατροπείς µήκους κύµατος 77

78 Optical Amplifiers SOAs Αναφέρθηκε ήδη ότι οι SOAs απαιτούν υψηλής ποιότητας αντιανακλαστικές επιστρώσεις στις έδρες τους, κάτι το οποίο δεν είναι ιδιαίτερα εύκολο να επιτευχθεί Οι έδρες του SOA µπορούν να τεθούν υπό γωνία ώστε να επιτευχθούν οι επιθυµητές ανακλαστικότητες µε κόστος, όµως, την αυξηµένη εξάρτηση από την πόλωση Η ανακλώµενη δέσµη σε κάποια από τις έδρες χωρίζεται µε φυσικό τρόπο από την εµπρόσθια δέσµη λόγω της κλίσης Ο συνδυασµός αντι-ανακλαστικών επιστρώσεων και της ενεργού περιοχής υπό κλίση µπορεί να αποδώσει ανακλαστικότητες κάτω από 10 3 Είναι όµοιο µε αυτό που φαίνεται στο σχήµα µε την ενεργό περιοχή υπό γωνία Έδρες υπό γωνία Αντι-ανακλαστικές επιστρώσεις Οπτικό σήµα εισόδου Ηµιαγωγικό υλικό ιαφανείς περιοχές Ενεργός περιοχή οµή θαµµένης έδρας Οπτικό σήµα στην έξοδο 78

79 Optical Amplifiers SOAs Αναφέρθηκε ήδη ότι οι SOAs απαιτούν υψηλής ποιότητας αντι-ανακλαστικές επιστρώσεις στις έδρες τους, κάτι το οποίο δεν είναι ιδιαίτερα εύκολο να επιτευχθεί Εναλλακτικά, µία διαφανής περιοχή µπορεί να εισαχθεί µεταξύ των ορίων της ενεργού περιοχής και των εδρών. Αυτή η δοµή καλείται θαµµένης έδρας (buriedfacet) ή δοµή παραθύρου-έδρας (window-facet structure) Η ανακλώµενη δέσµη «απλώνει» µέσα σ αυτό το «παράθυρο» (διαφανής περιοχή) πριν την άφιξη στη διεπαφή ηµιαγωγού-αέρα Η ανακλώµενη δέσµη απλώνει ακόµη περισσότερο µετά από ανάκλαση µε αποτέλεσµα να µην υπάρχει σύζευξη µεγάλης «ποσότητας» φωτός µέσα στη λεπτή ενεργό περιοχή Παρέχονται ανακλαστικότητες της τάξης του 10 4 σε συνδυασµό µε τις αντι-ανακλαστικές επιστρώσεις Είναι όµοιο µε αυτό που φαίνεται στο σχήµα µε την ενεργό περιοχή υπό γωνία Έδρες υπό γωνία Αντι-ανακλαστικές επιστρώσεις Οπτικό σήµα εισόδου Ηµιαγωγικό υλικό ιαφανείς περιοχές Ενεργός περιοχή οµή θαµµένης έδρας Οπτικό σήµα στην έξοδο 79

80 Optical Amplifiers SOAs Περνώντας στην έκφραση του κέρδους του ενισχυτή, πρέπει να γίνει σαφές ότι στους SOAs ελαχιστοποιείται η ανάδραση (feedback)µε τις έντονα αντι-ανακλαστικές επιστρώσεις και τις δοµές µείωσης της ανακλαστικότητας Ένας οπτικός ενισχυτής χωρίς ανάδραση καλείται ενισχυτής οδεύοντος κύµατος (Traveling Wave TW amplifier)δίνοντας έµφαση στο ότι το ενισχυµένο σήµα ταξιδεύει στην εµπρόσθια κατεύθυνση µόνο Αν η διαµόρφωση της ανακλαστικότητας γίνει σωστά, και η απολαβή ανά µονάδα µήκους g είναι αρκετά υψηλή, τότε η διάταξη µπορεί να ενισχύσει σηµαντικά ένα προσπίπτον σήµα σε µία µόνο απλή διέλευση µέσα από την ενεργό περιοχή Σ αυτή την περίπτωση θα υπάρξουν ελάχιστα ή και καθόλου φαινόµενα συντονισµών της κοιλότητας που να είναι ορατά στο φάσµα εξόδου 80

81 Optical Amplifiers SOAs Θα ακολουθήσει µία σύντοµη ανάλυση που θα αναπτυχθεί περαιτέρω στις πηγές laser Έστω ότι η απολαβή ανά µονάδα µήκους του υλικού είναι g N η πυκνότητα φορέων ανά µονάδα όγκου (εξαρτάται από την ένταση του φωτός) Ν ο η πυκνότητα φορέων στο σηµείο διαφάνειας (όπου οι απώλειες εξισώνονται µε την απολαβή) u = dg/dn, έχει διαστάσεις τετραγωνικών εκατοστών, καλείται διαφορική απολαβή και δίνεται από τη σχέση g ( N) = u( N ) Αν a είναι οι απώλειες ανά µονάδα µήκους, τότε η καθαρή πλεονάζουσα απολαβή ανά µονάδα µήκους σε σχέση µε τις απώλειες ανά µονάδα µήκους είναι Γg a µε Γ να αποτελεί τον παράγοντα σύµπτυξης (confinement factor), δηλαδή το κλάσµα της οπτικής ισχύος που βρίσκεται µέσα στην ενεργό περιοχή µε τυπικές τιµές από 0.3 ως 1 N o 81

82 Optical Amplifiers SOAs Μετά από µία πρόσθετη διαδροµή dzµέσα στην ενεργό περιοχή, η οπτική ισχύς P αυξάνεται κατά dp z = Γg a P z ( ) ( ) ( )dz από την οποία προκύπτει η ολική αύξηση της οπτικής έντασης µέσα στην ενεργό περιοχή µε χρήση της σχέσης dp P ( z) ( z) Pout L P 0 in = ( Γg a) dz= ( Γg a)l υποθέτοντας ότι Γ, g και a είναι ανεξάρτητα από το z και L είναι το µήκος της κοιλότητας, µε P in = P(0) και P out = P(L) Επιπλέον, προκύπτει ότι P out P out ln( P out) ln( P in) = ( Γg a) L ln = ( Γg a) L = exp ( Γg a) L P in P in ( ) 82

83 Optical Amplifiers SOAs Η ολική απολαβή «απλής-διέλευσης» G s την οποία υφίσταται το φως όταν πραγµατοποιεί µία µόνο διέλευση στο εσωτερικό της ενεργού περιοχής της διάταξης είναι τότε 2 P E out o Gs = = = exp Γg a L 2 Pin Ei (( ) ) E i είναι η ένταση του ηλεκτρικού πεδίου στην είσοδο του ενισχυτή E out είναι η ένταση του ηλεκτρικού πεδίου στην έξοδο του ενισχυτή 83

84 Optical Amplifiers SOAs Αν γίνουν εφικτές οι ανακλαστικότητες των εδρών R = 0, τότε η απολαβή του ενισχυτή θα γίνει ίση µε G(f) = G s 2 P E out o Gs = = = exp Γg a L 2 Pin Ei Έδρες µε αντι-ανακλαστικές επιστρώσεις είκτης διάθλασης ενεργού µέσου n E i ( 1 R) E i ( R) G E exp( jβl) Eo = ( 1 R) Gs Ei exp( jβl) 1 s i (( ) ) β = 2nπ/λγια ένα ιδανικό µέσο χωρίς απώλειες L z 84

87 Optical Amplifiers Power Spectral Density Γενικά, η ισχύς θορύβου της ενισχυµένης αυθόρµητης εκποµπής (Amplified Spontaneous Emission ASE) στην έξοδο του οπτικού ενισχυτή καθενός τρόπου πόλωσης (από τους δύο) δίνεται από τη σχέση (πρόκειται για µοντελοποίηση) P = hf n G 1 N c B sp ( ) o όπου n sp είναι µία σταθερά που καλείται παράγοντας αυθόρµητης εκποµπής (spontaneous emission factor), G είναι το κέρδος του ενισχυτή και B o είναι το οπτικό εύρος ζώνης και f c η κεντρική συχνότητα υποφέροντος ύο θεµελιώδεις τρόποι πόλωσης είναι παρόντες σε µία µονότροπη ίνα Η ολική ισχύς του θορύβου στην έξοδο του ενισχυτή θα είναι ίση µε 2P N Η ποσότητα n sp εξαρτάται από το επίπεδο της αντιστροφής πληθυσµού που έχει επιτευχθεί µέσα στον ενισχυτή. Με πλήρη αντιστροφή πληθυσµού n sp = 1, αλλά συνήθως ο παράγοντας αυτός είναι µεγαλύτερος, µε συνηθισµένη τιµή περίπου 2 5 για τους περισσότερους ενισχυτές. Φαίνεται ότι όσο λιγότερο πλήρης είναι η αντιστροφή πληθυσµού, τόσο µεγαλύτερη θα είναι η τιµή του n sp και τόσο µεγαλύτερη θα είναι η ισχύς του θορύβου αυθόρµητης εκποµπής 87

88 Optical Amplifiers Power Spectral Density Η φασµατική πυκνότητα ισχύος του θορύβου για καθεµία συνιστώσα πόλωσης, άµεσα προκύπτει ότι θα είναι ίση µε ( ) = ( 1) PSD f hf n G noise c sp Το φάσµα ισχύος του θορύβου γίνεται οµοιόµορφα κατανεµηµένο συναρτήσει της συχνότητας 88

91 Optical Amplifiers Gain Saturation Καθώς η ισχύς του οπτικού σήµατος στην είσοδο του ενισχυτή αυξάνεται, η απολαβή ανά µονάδα µήκους αρχίζει τελικά να ελαττώνεται Αυτό το φαινόµενο ονοµάζεται κόρος ή κορεσµός κέρδους (gain saturation) Με µεγάλη αύξηση της ισχύος του σήµατος,το κέρδος του ενισχυτή G θα µειωθεί Αυτό συµβαίνει γιατί στις υψηλές στάθµες της έντασης του φωτός, οι διαθέσιµοι φορείς που προέρχονται από το δεδοµένο ρεύµα άντλησης (για SOAs) ή για το οπτικό σήµα άντλησης (για EDFAs) αρχίζουν να εξαντλούνται 91

92 Optical Amplifiers Gain Saturation Καθώς η ισχύς του οπτικού σήµατος στην είσοδο του ενισχυτή αυξάνεται, η απολαβή ανά µονάδα µήκους αρχίζει τελικά να ελαττώνεται Η απολαβή σε οποιαδήποτε θέση zκατά µήκος της ενεργού περιοχής εκφράζεται από τη σχέση go g( P,z) = 1+ P z P ( ) sat όπου P είναι η ισχύς του σήµατος που ενισχύεται µέσα στον ενισχυτή, g o είναι η απολαβή ανά µονάδα µήκους απουσία φωτεινής εισόδου (µέγιστη τιµή της απολαβής) και P sat είναι η ισχύς κόρου (saturation power) που ορίζεται ως η ισχύς στην οποία η απολαβή ανά µονάδα µήκους έχει υποβιβαστεί κατά ένα παράγοντα 2. Εδώ αναφέρεται ότι η ισχύς κόρου P sat είναι διαφορετική από την ισχύ εξόδου κόρου P out,sat. Η ισχύς εξόδου κόρου P out,sat ορίζεται ως η ισχύς εξόδου για την οποία το κέρδος του ενισχυτή G µειώνεται κατά ένα παράγοντα 2 (πτώση κατά 3 db) από την µέγιστη τιµή του κέρδους εκτός κόρου Γίνεται η υπόθεση ότι το σύνολο της απολαβής εµφανίζεται κατά την πρώτη διέλευση (του σήµατος) 92

93 Optical Amplifiers Gain Saturation for a TW Amplifier Θα γίνει ολοκλήρωση ως προς z κατά µήκος του συνολικού µήκους L της ενεργού περιοχής Η πυκνότητα των φορέων Ν σε οποιοδήποτε σηµείο z εξαρτάται από τη στάθµη του σήµατος P(z) σ εκείνο το σηµείο και η πυκνότητα αυτή µπορεί να είναι διαφορετική από θέση σε θέση Το πρώτο τµήµα της διαδροµής (µικρό z) δε θα φθάνει στον κόρο ταυτόχρονα µε το τελευταίο τµήµα (µεγάλο z) όπου το φως φθάνει ενισχυµένο κατ ένταση Θεωρείται ότι για G = G s και µε µηδενικές ανακλαστικότητες (R = 0) Έστω ότι Γ = 1 και a = 0 Σ αυτή την περίπτωση θα έχουµε εποµένως από την οποία θα προκύψει ( ) 0 o P 0 ( z) = ( Γg( z) a) P( z) dz g( z) P( z)dz dp = ( ) ( ) ( 1+ P( z) Psat ) ( ) dp z P z go = g( z) P( z) = godz= dp z dz 1+ P z P P z ( 1 ( ) ) P( z) L P L sat sat ( ) ( ) + P z P P z g dz= dp( z) gol= ln( P( z) ) + ( ) P P out sat P = P in ( ) ( ) = P L ( 0) 93

94 Optical Amplifiers Gain Saturation for a TW Amplifier Ορίζοντας ως απολαβή απλής-διέλευσης απουσία φωτεινής εισόδου την G o = exp(g o L) και επιπλέον G = P out /P in, έχουµε την ακόλουθη εξίσωση για το κέρδος ( ) ( ) ( ) ( ( )) ( ) ( ) ( ) ( ) P( 0) out in exp gol = exp ln Pout ln Pin + Psat Psat P P L gol= ln( P( L) ) ln( P( 0) ) + P P exp ln Pout exp Pout Psat P out Pout P in Go = Go = exp exp( ln Pin ) exp Pin Psat Pin Psat ( G 1) out G= P in GP P G Pin in in o Go = G exp = exp Psat G P G 1 Pin G ln G o Pin o G = ln = P G P G 1 ( ) ( ) sat sat sat P sat P sat 94

95 Optical Amplifiers Gain Saturation for a TW Amplifier Ορίζοντας ως απολαβή απλής-διέλευσης απουσία φωτεινής εισόδου την G o = exp(g o L) και επιπλέον G = P out /P in, έχουµε την ακόλουθη εξίσωση για το κέρδος ( G G) Pin ln o = ήόµοια G= 1+ P G 1 sat P P sat in G ln G o Ισχύει για ενισχυτές διόδου laser ηµιαγωγού οδεύοντος κύµατος Απολαβή (απλής διέλευσης) (db) P sat = 6dBm G o = 32.5dB Ισχύς σήµατος στην είσοδο (dbm) Αναφέρεται ότι η τιµή G o είναι η µέγιστη τιµή του κέρδους του ενισχυτή Όσο αυξάνεται η ισχύς του σήµατος εισόδου P in, το κέρδος του ενισχυτή παραµένει για λίγο κοντά στην τιµή G o και µετά συνεχίζει να µειώνεται καταλήγοντας τελικά στην τιµή 0 db 95

96 Optical Amplifiers Gain Saturation for a TW Amplifier Η ισχύς εξόδου κόρου θα προκύψει σε σχέση µε την ισχύ κόρου P sat αν P in = P out /G και για P out = P out,sat, τότε G = G o /2 Αναφέρεται ότι η τιµή G o είναι η µέγιστη τιµή του κέρδους του ενισχυτή Άρα P ln( Go G in ) Pout G ln( Go G) = = P G 1 P G 1 sat G o ln P out,sat G o 2 o G P out,sat Go ln 2 = = P 2 G 2 1 P G 2 sat ( ) sat o sat o Εποµένως P out,sat P sat Go = ln G 2 o ( 2) 96

97 Optical Amplifiers Gain Saturation for a TW Amplifier Για την περίπτωση του ενισχυτή οδεύοντος κύµατος µε ίνα προσµίξεων (όπως ο EDFA), η κατάσταση γίνεται πολύ πιο πολύπλοκη. Ο λόγος είναι ότι όταν η άντληση γίνεται µε έγχυση ρεύµατος κάθετα στον κυµατοδηγό, η πυκνότητα των εγχεόµενων φορέων κατά µήκος του ενεργού τµήµατος του ηµιαγωγού µπορεί να θεωρηθεί σταθερή σε ένα ενισχυτή µε ίνα, όπου η ισχύς οπτικής άντλησης παρέχεται από το ένα άκρο, µαζί µε το προς ενίσχυση οπτικό σήµα, η ισχύς άντλησης αρχίζει να εξασθενεί κατά τη διάδοσή της κατά µήκος του µέσου που προκαλεί την ενίσχυση Μειώνοντας το επίπεδο της ισχύος άντλησης στην είσοδο του ενισχυτή, θα µειώνεται και το κέρδος του ενισχυτή Κατά τη διάδοση της ισχύος άντλησης, αυτή θα εξασθενεί, οπότε µένει τόσο λίγη ισχύς άντλησης (προς το τέλος της ίνας µε προσµίξεις) ώστε η αντιστροφή πληθυσµού να γίνεται όλο και λιγότερο πλήρης και τελικά για ένα µεγαλύτερο µήκος ίνας µε προσµίξεις, το σήµα ουσιαστικά εµφανίζεται εξασθενηµένο Κατά τη διάδοση της ισχύος άντλησης, η ASE αυξάνεται 97

98 Optical Amplifiers Gain Saturation for a TW Amplifier Το γεγονός ότι η καµπύλη του κέρδους συναρτήσει της στάθµης ισχύος της οπτικής εισόδου δεν είναι ευθεία γραµµή, δε σηµαίνει ότι η διάταξη είναι µη γραµµική µε τη συνήθη έννοια Η διάκριση αυτή είναι σηµαντική γιατί µία από τις σπουδαιότερες συνιστώσες θορύβου που θα πρέπει να ληφθούν υπόψιν στη σχεδίαση του συστήµατος είναι ο λεγόµενος θόρυβος «σήµα αυθόρµητη εκποµπή» του ενισχυτή, δηλαδή ο θόρυβος που προκύπτει από τη διαµόρφωση στο φωτοφωρατή µεταξύ του σήµατος και του ASE Τονίζεται ότι αυτή η συνιστώσα θορύβου «γινοµένου» δε γεννιέται στον ενισχυτή αλλά στη λήψη, όταν φθάνει ταυτόχρονα το σήµα και ο ASE στο φωτοφωρατή, ο οποίος είναι πράγµατι µία µη γραµµική διάταξη, αφού η φωτοδίοδος µετατρέπει οπτική ισχύ (σε mw) σε ηλεκτρικό ρεύµα (σε ma). Αν π.χ. έχουµε πεδίο που αφικνείται στο δέκτη ίσο µε E(t)+n(t), µε E(t) το ωφέλιµο σήµα και n(t) το θόρυβο, αυτό που θα κάνει ο δέκτης είναι να µετατρέψει την οπτική ισχύ E(t)+n(t) 2 σε ρεύµα. Μέσα σ αυτή την ποσότητα «κρύβεται» και η συνιστώσα «σήµα αυθόρµητη εκποµπή» 98

99 Optical Amplifiers Gain Saturation for a TW Amplifier Αν η απολαβή (κέρδος) του ενισχυτή προλάβαινε να µεταβληθεί µέσα σε ένα µικρό κλάσµα της περιόδου του οπτικού σήµατος (10 15 sec), τότε ο ενισχυτής θα µπορούσε να χαρακτηριστεί σα µη γραµµική διάταξη µε τη συνήθη έννοια, όµως είναι αδύνατη αυτή η τόσο γρήγορη µεταβολή Η χρονική κλίµακα του nanosecond που χρειάζεται για να µεταβληθεί η απολαβή µίας διόδου-laserηµιαγωγού είναι ήδη έξι τάξεις µεγέθους µεγαλύτερη από την περίοδο του οπτικού σήµατος Η χρονική κλίµακα των millisecond που είναι ο αντίστοιχος χρόνος για ένα ενισχυτή ίνας προσµίξεων ερβίου, είναι σχεδόν επτά τάξεις µεγέθους ακόµα µεγαλύτερος χρόνος 99

103 Transmitters Lasers, LEDs, Tunable Lasers Η κυριότερη πηγή είναι το laser,για το οποίο υπάρχουν αρκετοί διαφορετικοί τύποι και το οποίο µπορεί να χρησιµοποιηθεί σαν ποµπός, αλλά και για την άντληση των EDFAs και των ενισχυτών Raman Όταν ένα laser χρησιµοποιηθεί σαν πηγή φωτός σε ένα WDM σύστηµα, πρέπει να θεωρηθούν τα εξής σηµαντικά χαρακτηριστικά: Τα lasers πρέπει να παράγουν σχετικά υψηλή ισχύ εξόδου. Για WDM συστήµατα, η τυπική ισχύς εξόδου του laser βρίσκεται στην περιοχή 0-10dBm. Σχετικές παράµετροι είναι το ρεύµα κατωφλίου και η αποδοτικότητα της κλίσης (slope efficiency). Τα δύο αυτά καθορίζουν την αποδοτικότητα της µετατροπής της ηλεκτρικής ισχύος σε οπτική ισχύ. Το ρεύµα κατωφλίου είναι το ρεύµα οδήγησης στο οποίο το laser αρχίζει να εκπέµπει οπτική ισχύ Η αποδοτικότητα της κλίσης είναι το πηλίκο της οπτικής ισχύος εξόδου προς το ρεύµα οδήγησης Το laser πρέπει να έχει ένα στενό φασµατικό εύρος (spectral width) σε ένα συγκεκριµένο µήκος κύµατος λειτουργίας ώστε το σήµα να µπορεί να περάσει διαµέσου ενδιάµεσων φίλτρων και πολλαπλά κανάλια να µπορούν να τοποθετηθούν κοντά µεταξύ τους. Ο λόγος καταστολής πλευρικών τρόπων (Side Mode Suppression Ratio SMSR) είναι µία σχετική παράµετρος. Στην περίπτωση ενός συντονιζόµενου laser, το µήκος κύµατος λειτουργίας µπορεί να µεταβληθεί 103

104 Transmitters Lasers, LEDs, Tunable Lasers Όταν ένα laser χρησιµοποιηθεί σαν πηγή φωτός σε ένα WDM σύστηµα, πρέπει να θεωρηθούν τα εξής σηµαντικά χαρακτηριστικά: Η σταθερότητα του µήκους κύµατος είναι ένα σηµαντικό κριτήριο. Σε σταθερή θερµοκρασία, η ολίσθηση του µήκους κύµατος κατά τη ζωή του laser πρέπει να είναι µικρή σε σχέση µε την απόσταση των µηκών κύµατος ανάµεσα σε γειτονικά κανάλια Για lasers τα οποία είναι διαµορφωµένα, η χρωµατική διασπορά µπορεί να είναι ένας σηµαντικός περιοριστικός παράγοντας που επηρεάζει το µήκος της της ζεύξης Τα lasers άντλησης πρέπει να παράγουν πολύ υψηλότερα επίπεδα ισχύος από τα lasers που χρησιµοποιούνται ως WDM πηγές Τα lasers άντλησης που χρησιµοποιούνται σε EDFAs βγάζουν ισχύ mWκαι τα lasers άντλησης που χρησιµοποιούνται σε ενισχυτές Raman µπορούν να φθάσουν σε τιµές µερικών Watts Επί της ουσίας, το laser είναι ένας οπτικός ενισχυτής εντός µίας ανακλαστικής κοιλότητας που προκαλεί ταλάντωση µέσω µία θετικής ανάδρασης Τα ηµιαγωγικά lasers (semiconductor lasers) χρησιµοποιούν ηµιαγωγούς σαν το µέσο που θα παράσχει κέρδος, ενώ τα lasers ίνας (fiber laser) τυπικά χρησιµοποιούν ίνα ντοπαρισµένη µε έρβιο σαν το µέσο που θα δώσει κέρδος 104

105 Transmitters Lasers, LEDs, Tunable Lasers Για οπτικά συστήµατα επικοινωνιών, τα ηµιαγωγικά lasers είναι οι πιο δηµοφιλείς πηγές Είναι συµπαγή, συνήθως µόνο µερικές εκατοντάδες µικρόµετρα σε µέγεθος Από τη στιγµή που πρόκειται για επαφές pn, µπορούν να κατασκευαστούν σε µεγάλες ποσότητες χρησιµοποιώντας την αποδοτική τεχνολογία ολοκλήρωσης ηµιαγωγών Η έλλειψη ανάγκης οπτικής άντλησης, σε σχέση µε τα lasers ίνας, είναι πρόσθετο πλεονέκτηµα. Στην πράξη, ένα laser ίνας χρησιµοποιεί ένα ηµιαγωγικό laser σαν άντληση (οπτική άντληση) Τα ηµιαγωγικά lasers είναι ιδιαίτερα αποδοτικά στη µετατροπή της ηλεκτρικής ενέργειας (άντλησης) εισόδου σε οπτική ενέργεια εξόδου Τόσο τα ηµιαγωγικά όσο και τα lasers ίνας µπορούν να πετύχουν υψηλά επίπεδα ισχύος εξόδου, τυπικά στην περιοχή 0-20dBm Ωστόσο, τα ηµιαγωγικά lasers που χρησιµοποιούνται σαν WDM πηγές τυπικά έχουν επίπεδα ισχύος εξόδου µεταξύ 0dBm και 10dBm Τα lasers ίνας χρησιµοποιούνται κυρίως για να παράγουν περιοδικές σειρές πολύ στενών παλµών (χρησιµοποιώντας µία τεχνική που λέγεται κλείδωµα τρόπου mode locking) 105

106 Transmitters Lasers, LEDs, Tunable Lasers Εδώ θα γίνει µία αναφορά στην εκποµπή και απορρόφηση ακτινοβολίας και στην αυθόρµητη και την εξαναγκασµένη εκποµπή µε επίκεντρο τη δράση laser Εκποµπή ακτινοβολίας από ένα υλικό µέσο σηµαίνει έκλυση φωτονίων Κάθε ένα από τα φωτόνια αυτά απελευθερώνεται από ενεργειακή αποδιέγερση («πτώση») ενός στοιχειώδους σωµατίου (συνήθως ηλεκτρονίου) από µία ανώτερη ενεργειακή στάθµη E 2 σε µία κατώτερη ενεργειακή στάθµη E 1 Λόγω της αρχής διατήρησης της ενέργειας, η ενέργεια κάθε φωτονίου που ελευθερώνεται θα είναι E φ = hf c = E 2 E 1 Η απορρόφηση ακτινοβολίας αντιστοιχεί στην ενεργειακή διέγερση («άνοδο») ηλεκτρονίων από µία χαµηλότερη ενεργειακή στάθµη E 1 σε µία ανώτερη E 2 λόγω απορροφήσεων της ενέργειας ενός φωτονίου (ενέργειας E 2 E 1 ) από ένα ηλεκτρόνιο E 2 e N 2 E 2 N 2 e hf c hf c E 1 N 1 Εκποµπή Αποδιέγερση e E 1 e N 1 Απορρόφηση ιέγερση 106

107 Transmitters Lasers, LEDs, Tunable Lasers Σε αντίθεση µε την απορρόφηση ακτινοβολίας που είναι οµοειδές και ενιαίο φαινόµενο, η εκποµπή ακτινοβολίας εκδηλώνεται εναλλακτικά µε δύο διαφορετικούς τύπους Αυθόρµητη εκποµπή Χαρακτηρίζεται από το ότι το διεγερµένο ηλεκτρόνιο µεταπίπτει σε χαµηλότερη στάθµη τελείως «αυθόρµητα», χωρίς υποκίνηση από κάποιο γενεσιουργό αίτιο, άρα και κατά τυχαίο και απρόβλεπτο τρόπο Η λέξη «αυθόρµητη» δε σηµαίνει ότι το ηλεκτρόνιο πέφτει από δική του «θέληση» αλλά υποδηλώνει το τυχαίο και απρόοπτο της πτώσης, δηλαδή την απουσία εξωτερικού ή αιτιοκρατικού επηρεασµού Με την αυθόρµητη εκποµπή απλώς και µόνο γεννάται ένα «τυχαίο» φωτόνιο, µε µόνο καθορισµένο στοιχείο τη συχνότητά του και ακαθόριστα όλα τα άλλα κυµατικά του χαρακτηριστικά (αρχική φάση, διεύθυνση διάδοση κτλ), τα οποία είναι τελείως τυχαία Εξαναγκασµένη εκποµπή E 2 ιεγερµένο ηλεκτρόνιο E 1 e Εδώ, Ν m είναι το πλήθος το πλήθος ηλεκτρονίων στη στάθµη Ε m e E 2 N 2 hf hf c hf c c N 2 N 1 Αυθόρµητη Εκποµπή e E 1 N 1 Εξαναγκασµένη Εκποµπή e hf c 107

108 Transmitters Lasers, LEDs, Tunable Lasers Σε αντίθεση µε την απορρόφηση ακτινοβολίας που είναι οµοειδές και ενιαίο φαινόµενο, η εκποµπή ακτινοβολίας εκδηλώνεται εναλλακτικά µε δύο διαφορετικούς τύπους Αυθόρµητη εκποµπή Εξαναγκασµένη εκποµπή Χαρακτηρίζεται από το ότι το (διεγερµένο) ηλεκτρόνιο αποδιεγείρεται µόνο επειδή και εφόσον έχει κατά κάποιο τρόπο εξαναγκασθεί από την παρουσία ενός φωτονίου µε κατάλληλη ενέργεια (ίση µε τη διαφορά των δύο ενεργειακών σταθµών) Το εξερεθίζον φωτόνιο εξαναγκάζει το διεγερµένο ηλεκτρόνιο να παράγει µε την πτώση του ένα δεύτερο φωτόνιο το οποίο και είναι κυµατικά πανοµοιότυπο µε το πρώτο, άρα έχει ίδια φάση, διεύθυνση κτλ Λόγω αυτής της συµφωνίας και αυτής της οµοιότητας, τα κυµάτια που συνοδεύουν τα δύο αυτά φωτόνια συµβάλλουν «θετικά» µεταξύ τους και η ακτινοβολία έτσι ενισχύεται, αφού προκύπτει ένα κυµάτιο µε διπλάσιο πλάτος E 2 ιεγερµένο ηλεκτρόνιο E 1 e N 2 N 1 Αυθόρµητη Εκποµπή e E 2 hf c hf c E 1 e N 2 N 1 Εξαναγκασµένη Εκποµπή e hf c hf c 108

109 Transmitters Lasers, LEDs, Tunable Lasers Τόσο η αυθόρµητη όσο και η εξαναγκασµένη εκποµπή έχουν τη δική τους πιθανότητα πραγµάτωσης και το δικό τους ποσοστό συµµετοχής στη συνολική εκποµπή της οπτικής πηγής Υπό τις συνήθεις συνθήκες, η πιθανότητα της αυθόρµητης εκποµπής είναι συντριπτικά µεγαλύτερη από την πιθανότητα της εξαναγκασµένης εκποµπής Γι αυτό και στην πράξη, η εξαναγκασµένη εκποµπή δε γίνεται αντιληπτή, παρά µόνο υπό τελείως ειδικές περιστάσεις, όπως π.χ. στα laser Η πιθανότητα ενός κβαντικού συστήµατος (ατόµου, µορίου κτλ) να υποστεί αυθόρµητη αποδιέγερση χαρακτηρίζεται από ένα συντελεστή Α 21 ο οποίος είναι αντίστροφος του µέσου χρόνου ζωής τ 21 των ηλεκτρονίων στην ανώτερη στάθµη Ε 2 ως προς τη στάθµη Ε 1, δηλαδή της µέσης τιµής του χρονικού διαστήµατος που παραµένει ένα ηλεκτρόνιο στη στάθµη Ε 2 µέχρις ότου καταπέσει αυθόρµητα στη στάθµη Ε 1 ΤοΑ 21 ονοµάζεται ρυθµός αυθόρµητων µεταπτώσεων 109

110 Transmitters Lasers, LEDs, Tunable Lasers Το πλήθος των κβαντικών συστηµάτων dn 21,spont των οποίων τα ηλεκτρόνια υφίστανται αυθόρµητη µετάπτωσηε 2 Ε 1 σε χρόνο dtθα δίνεται από τη σχέση dn A N dt 21, spont = 21 2 όπου Ν 2 είναι το πλήθος των κβαντικών συστηµάτων που βρίσκονται στη διεγερµένη κατάσταση, δηλαδή στη στάθµη Ε 2 (Ν m είναι το πλήθος των κβαντικών συστηµάτων ατόµων ή µορίων που έχουν ενέργεια Ε m ή το πλήθος ηλεκτρονίων στη στάθµη Ε m, το οποίο ονοµάζεται πληθυσµός της στάθµης Ε m ) 110

111 Transmitters Lasers, LEDs, Tunable Lasers Στην περίπτωση της εξαναγκασµένης εκποµπής, ο ρυθµός εξαναγκασµένων µεταπτώσεων, δηλαδή ο αριθµός αυτών στη µονάδα του χρόνου) Α 21 είναι αντιστρόφως ανάλογος προς το µέσο χρόνο ζωής, τ 21, των ηλεκτρονίων της στάθµης Ε 2 που υπόκεινται σε εξαναγκασµένη µετάπτωση προς την Ε 1 είναι ανάλογος και προς το γενεσιουργό αίτιο, δηλαδή προς την αριθµητική πυκνότητα uτων φωτονίων συχνότητας f c, δηλαδή προς την ενεργειακή πυκνότητα ρ f = hf c uτης ακτινοβολίας A' 21= ρ f τ' 21= ρ f B21 όπου B 21 είναι o συντελεστής Einstein για την εξαναγκασµένη εκποµπή (έχει µονάδες 1/(Joule sec)) Το πλήθος των κβαντικών συστηµάτων dn 21,simul των οποίων τα ηλεκτρόνια υφίστανται εξαναγκασµένη µετάπτωση dn21, stimul = B21ρ f N2dt (εκποµπή) Ε 2 Ε 1 σε χρόνο dtθα δίνεται από τη σχέση Αντίστοιχα, για την απορρόφηση που είναι ακριβώς το αντίστροφο της εξαναγκασµένης εκποµπής: dn12 = B12ρ N dt, absorb f 1 όπου B 12 είναι o συντελεστής Einstein για την απορρόφηση 111

112 Transmitters Lasers, LEDs, Tunable Lasers Αντιστροφή πληθυσµού και οπτική ενίσχυση Έστω υλικό ευρισκόµενο υπό την επίδραση µίας ακτινοβολίας συχνότητα f c για την οποία ισχύει ότι hf c = E 2 E 1 Έστω ότι σε κάποια αρχική θέση x = 0,µέσα στο υλικό, η θεωρούµενη ακτινοβολία έχει ενεργειακή πυκνότητα ρ ο Σα συνέπεια του συνδυασµένου αποτελέσµατος απορρόφησης και εκποµπής ακτινοβολίας, σε µία θέση x = l µέσα στο υλικό η ακτινοβολία θα έχει µία νέα τιµή ενεργειακής πυκνότητας ρ ρ ο ρ Μεταξύ ρ ο και ρ ισχύει ο εκθετικός νόµος του Lambert ρ = ρ o e µε a να αποτελεί τη σταθερά απορρόφησης του υλικού για τη συχνότητα f c al x = 0 x = l 112

113 Transmitters Lasers, LEDs, Tunable Lasers Αντιστροφή πληθυσµού και οπτική ενίσχυση ρ ο x = 0 ρ x = l Μεταξύ ρ ο και ρ ισχύει ο εκθετικός νόµος του Lambert ρ = ρ o e µε a να αποτελεί τη σταθερά απορρόφησης του υλικού για τη συχνότητα f c η οποία αποδεικνύεται ότι είναι ίση µε al nhfc a= B c ( N ) 21 1 N2 όπου h η σταθερά του Planck, n ο δείκτης διάθλασης του υλικού, c η ταχύτητα του φωτός στο κενό και (Ν 1 Ν 2 ) είναι η διαφορά πληθυσµού µεταξύ των δύο ενεργειακών σταθµών Ε 1 (κατώτερης) και Ε 2 (ανώτερης), δηλαδή η διαφορά του πλήθους Ν 1 ατόµων ή µορίων που έχουν το θεωρούµενο ηλεκτρόνιο στη στάθµη Ε 1 και του πλήθους Ν 2 όσων έχουν το ηλεκτρόνιο αυτό στη στάθµη Ε 2 κατά τη θεωρούµενη στιγµή t 113

114 Transmitters Lasers, LEDs, Tunable Lasers Υπό οµαλές συνθήκες, ο πληθυσµός της κατώτερης ενεργειακής στάθµης είναι πάντα µεγαλύτερος από τον πληθυσµό της ανώτερης ενεργειακής στάθµης Ν 1 >Ν 2 και ρ ο >ρ Ε Ε 2 Ε 1 Ε ο Ν 2 Ν 1 Κατανοµή πληθυσµού στις στάθµες Ε 1 και Ε 2 υπό φυσιολογικές συνθήκες Ν 114

115 Transmitters Lasers, LEDs, Tunable Lasers Έστω, τώρα, ότι το σύστηµά µας βρίσκεται υπό καθεστώς έντονης ενεργειακής υπερδιέγερσης µε τη µεσολάβηση µίας τεχνητής διαδικασίας ή οποία καλείται κβαντική άντληση (pumping) Τότε, άφθονα ηλεκτρόνια διεγείρονται και ανεβαίνουν στην ανώτερη ενεργειακή στάθµη Ε 2 και ο πληθυσµός της στάθµης αυτής, Ν 2, θα αυξάνεται σε βάρος του πληθυσµού Ν 1 της στάθµης Ε 1 τόσο περισσότερο όσο εντονότερη και διαρκέστερη είναι η διέγερση Είναι δυνατό να έρθει η στιγµή κατά την οποία η ανώτερη στάθµη θα αποκτήσει Ε Ε 2 Ε 1 Ε ο Ν 2 «υπερπληθυσµό» σε σχέση µε την κατώτερη και τότε Ν 1 < Ν 2 Ν 1 Κατανοµή πληθυσµού στις στάθµες Ε 1 και Ε 2 υπό φυσιολογικές συνθήκες Ν Ν Η κατάσταση υπερπληθυσµού που είναι σε πλήρη αντίθεση µε τη φυσιολογική κατάσταση ονοµάζεται αντιστροφή πληθυσµού (population inversion) Ε Ε 2 Ε 1 Ε ο Ν 1 Ν 2 Κατανοµή πληθυσµού στις στάθµες Ε 1 και Ε 2 υπό καθεστώς υπερπληθυσµού ή αντιστροφής πληθυσµού 115

116 Transmitters Lasers, LEDs, Tunable Lasers Η αντιστροφή πληθυσµού είναι κρίσιµη για τη δράση laser Σε καθεστώς αντιστροφής πληθυσµού ρ = ρ o e µε a 0, οπότε έχουµε αρνητική απορρόφηση και τότε ρ ο > ρ Από τη στιγµή που θα επιτευχθεί αντιστροφή πληθυσµού και για όσο χρόνο διαρκέσει, το ενεργό υλικό θα ενισχύειαντί να εξασθενεί την ακτινοβολία που διαδίδεται διαµέσου αυτού Το σύστηµα που περιγράφηκε ονοµάζεται κβαντοηλεκτρονικός ή οπτικός ενισχυτής και η διαδικασία οπτική ενίσχυση Ο οπτικός ενισχυτής αποτελεί απαραίτητο και καίριο τµήµα κάθε πηγής laser, σε τέτοιο βαθµό ώστε η ίδια η ονοµασία LASER να βασίζεται στο γεγονός αυτό (Ο όρος LASER είναι ακρωνύµιο του Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation),και τότε ο συντελεστής a θα αποτελεί συντελεστή απολαβής του οπτικού ενισχυτή al 116

117 Transmitters Lasers, LEDs, Tunable Lasers Η δράση laser, δηλαδή η παραγωγή σύµφωνης ακτινοβολίας laser, σηµαίνει την κάλυψη των εξής προϋποθέσεων/συνθηκών Ύπαρξη κατάλληλου ενισχυτικού µέσου (ενεργό υλικό) Οργάνωση της συντονισµένης οπτικής κοιλότητας (οπτικό αντηχείο) Εφαρµογή επαρκούς διέγερσης για την επίτευξη αντιστροφής πληθυσµού (κβαντική άντληση). Η κβαντική άντληση άλλοτε είναι οπτική ή ακτινοβολιτική διέγερση µε απορρόφηση ακτινοβολίας, δηλαδή φωτονίων όπως γίνεται στους EDFAs είναι καθαρά ηλεκτρονιακή διέγερση µε έγχυση ρεύµατος ηλεκτρονίων ή µε προσβολή από δέσµη ηλεκτρονίων, όπως συµβαίνει στα διοδικά laser γίνεται µέσω κρούσεων ατόµων-ιόντων είναι χηµική διέγερση µε τη βοήθεια χηµικών αντιδράσεων Όταν στην πράξη ικανοποιούνται οι προηγούµενες συνθήκες, τότε γεννάται µέσα στο ενεργό υλικό φωτοδέσµη έντονα κατευθυντική και συγκεντρωτική και κυρίως σύµφωνη, ένα ποσοστό της οποίας διαπερνά το ή τα κάτοπτρα και εκπέµπεται στο περιβάλλον 117

118 Transmitters Lasers, LEDs, Tunable Lasers H χηµική κβαντική άντληση και η κβαντική άντληση µέσω κρούσεων ατόµωνιόντων δε θα µας απασχολήσουν Η οπτική άντληση χρησιµοποιείται στους EDFAs Η ηλεκτρονιακή άντληση χρησιµοποιείται στο ηµιαγωγικό DFB laser που θα παρουσιασθεί Έστω ένας οπτικός ενισχυτής σαν αυτούς που περιγράφηκαν. Γίνονται οι υποθέσεις ότι Ένα τµήµα της οπτικής ενέργειας ανακλάται στο τέρµα του µέσου ενίσχυσης ή µέσου που προσδίδει κέρδος (gain medium) ή κοιλότητας (cavity) Τα δύο άκρα είναι επίπεδα και παράλληλα µεταξύ τους. Έτσι, το µέσο που δίνει κέρδος είναι τοποθετηµένο σε µία κοιλότητα Fabry-Perot Με τις υποθέσεις που έγιναν, ένας τέτοιος ενισχυτής µπορεί να καλείται Fabry-Perot ενισχυτής Οι δύο πλευρές της κοιλότητας, που παίζουν το ρόλο των κάτοπτρων, καλούνται έδρες (facets) Το αποτέλεσµα της τοποθέτησης του µέσου που αποδίδει κέρδος σε µία κοιλότητα Fabry-Perot είναι ότι το κέρδος είναι υψηλό µόνο για τα µήκη κύµατος αντήχησης (resonant wavelengths) της κοιλότητας 118

119 Transmitters Lasers, LEDs, Tunable Lasers Μετά από ένα πέρασµα διαµέσου της κοιλότητας, ένα τµήµα φωτός φεύγει από την κοιλότητα µέσω µίας από τις έδρες και ένα άλλο τµήµα ανακλάται. Ένα τµήµα του κύµατος που ανακλάστηκε ανακλάται και πάλι από την απέναντι έδρα προς την αρχική έδρα Για τα µήκη κύµατος «αντήχησης» ή συντονισµού της κοιλότητας, όλα τα µήκη φωτός που µεταδίδονται µέσω της αρχικής έδρας συµβάλλουν σε φάση Ανακλαστικό κάτοπτρο n Κοιλότητα L Ανακλαστικό κάτοπτρο Μεταδιδόµενα κύµατα που συµβάλλουν σε φάση Φωτόνιο µετά από ανάκλαση Στην κοιλότητα τοποθετείται µέσο που αποδίδει κέρδος Ανακλάσεις και µεταδόσεις από τις έδρες µίας κοιλότητας Fabry-Perot 119

120 Transmitters Lasers, LEDs, Tunable Lasers Ως αποτέλεσµα της συµβολής στη φάση (in-phase addition), το πλάτος του µεταδιδόµενου κύµατος αυξάνεται σηµαντικά για τα µήκη κύµατος αντήχησης σε σχέση µε τα άλλα µήκη κύµατος Όταν οι έδρες είναι τουλάχιστον εν µέρει ανακλαστικές, το κέρδος του οπτικού ενισχυτή γίνεται συνάρτηση του µήκους κύµατος Αν ο συνδυασµός του κέρδους του ενισχυτή και της ανακλαστικότητας της έδρας είναι αρκετά υψηλός, ο ενισχυτής θα ξεκινήσει να ταλαντώνεται (oscillate)ή θα παράγει φως στην έξοδο, ακόµα και υπό καθεστώς απουσίας σήµατος εισόδου. Για µία δεδοµένη συσκευή, το σηµείο στο οποίο συµβαίνει αυτό ονοµάζεται κατώφλι εκποµπής laser (laser threshold) Πέρα από το κατώφλι, παύει να είναι ενισχυτής αλλά γίνεται ταλαντωτής ή laser. Αυτό συµβαίνει επειδή η αθέλητη αυθόρµητη εκποµπή, που είναι πάντα παρούσα σε όλα τα µήκη κύµατος εντός του εύρους ζώνης του ενισχυτή, ενισχύεται ακόµη και χωρίς σήµα εισόδου και εµφανίζεται σαν φως στην έξοδο Αυτή η διαδικασία είναι παρόµοια µε αυτό που συµβαίνει σε ένα ηλεκτρονικό ταλαντωτή, που µπορεί να θεωρηθεί σαν ηλεκτρονικός ταλαντωτής µε θετική ανάδραση 120

121 Transmitters Lasers, LEDs, Tunable Lasers Επειδή η διαδικασία ενίσχυσης οφείλεται στην εξαναγκασµένη εκποµπή, το φως εξόδου του laser είναι σύµφωνο (coherent) Για να συµβεί σε ένα συγκεκριµένο µήκος κύµατος ταλάντωση του laser πρέπει να ικανοποιούνται δύο συνθήκες Το µήκος κύµατος πρέπει να βρίσκεται εντός του εύρους ζώνης του µέσου που χρησιµοποιείται. Π.χ. αν το laser είναι κατασκευασµένο από ίνα ντοπαρισµένη µε έρβιο (laser ίνας), το µήκος κύµατος θα πρέπει να βρίσκεται στη ζώνη nm Το µήκος της κοιλότητας πρέπει να είναι ακέραιο πολλαπλάσιο του µισού του µήκους κύµατος στην κοιλότητα. Για ένα δεδοµένο laser, όλα τα µήκη κύµατος που ικανοποιούν αυτή τη συνθήκη καλούνται διαµήκεις τρόποι (longitudinal modes) αυτού του laser Το laser που περιγράφηκε προηγουµένως καλείται Fabry-Perot (FP) laser και συνήθως ταλαντώνεται ταυτόχρονα σε διάφορους διαµήκεις τρόπους. Ένα τέτοιο laser καλείται πολλαπλών διαµηκών τρόπων (Multi- Longitudinal Mode MLM laser) 121

122 Transmitters Lasers, LEDs, Tunable Lasers Μένοντας στη συνθήκη κατωφλίου που πρέπει να ικανοποιείται για την έναρξη της δράσης laser µπορεί να υπολογιστεί συναρτήσει της ανακλαστικότητας R των εδρών της απολαβής g ανά µονάδα µήκους του υλικού που προσφέρεται από τον ενισχυτικό µηχανισµό της εξαναγκασµένης εκποµπής της εσωτερικής εξασθένισης λόγω απορρόφησης a ανά µονάδα µήκους στο υλικό του µήκους της κοιλότητας L του δείκτη διάθλασης n του υλικού της κοιλότητας (δηλαδή του ενεργού µέσου) που κυµαίνεται µεταξύ 3.5 και 4.5 που έχει µία ασθενή αρνητική εξάρτηση από το ρεύµα Ι (αύξηση του ρεύµατος οδηγεί σε µείωση του δείκτη διάθλασης) του µήκους κύµατος λ στον ελεύθερο χώρο 122

123 Transmitters Lasers, LEDs, Tunable Lasers Η ένταση πεδίου ενός επίπεδου κύµατος που διαδίδεται κατά τη διεύθυνση z µπορεί να παρασταθεί ως ψ ( z ) = ψexp( kz) = ψexp( ( a+ jβ) z) όπου ψ είναι η ένταση είτε του ηλεκτρικού είτε του µαγνητικού πεδίου, β = 2nπ/λγια ένα ιδανικό µέσο χωρίς απώλειες και διασπορά Στην περίπτωση του laser υπάρχει απολαβή και αντικαθιστούµε την εξασθένιση ανά µονάδα µήκους a µε (a Γg), όπου g είναι η απολαβή ανά µονάδα µήκους του υλικού, µε Γ να αποτελεί τον παράγοντα σύµπτυξης (confinement factor), δηλαδή το κλάσµα της οπτικής ισχύος που βρίσκεται µέσα στην ενεργό περιοχή 123

124 Transmitters Lasers, LEDs, Tunable Lasers Ο δείκτης διάθλασης του ενεργού µέσου είναι n ψ o 2πnL Rψ o exp λ 2πnL Rψ o exp 2 λ ( Γg a) L j2 4πnL Rψ o exp 2 λ ( Γg a) L j L ( Γg a) L j [ 2( Γg a) L] exp[ j nl λ] Rψ o exp 4π z Αν η ένταση του πεδίου του φωτός που προέρχεται από το αριστερό κάτοπτρο είναι ψ ο, τότε όταν προσκρούει στο δεξιό κάτοπτρο, η έντασή του θα έχει γίνει ψ exp o 2πnL λ ( Γg a) L j Αυτό που θα ανακλαστεί πίσω προς το πρώτο κάτοπτρο είναι R 1/2 φορές η προηγούµενη ένταση του πεδίου Ακολουθεί µία µετάβαση από το δεξιό προς το αριστερό κάτοπτρο καλύπτοντας πρόσθετη απόσταση L 124

125 Transmitters Lasers, LEDs, Tunable Lasers Μετά τα δύο περάσµατα,έχει καλυφθεί ολική απόσταση 2 L ψ o είκτης διάθλασης ενεργού µέσου n 2πnL Rψ o exp λ 2πnL Rψ o exp 2 λ ( Γg a) L j2 ( Γg a) L j Η έναυση θα παρατηρηθεί όταν ικανοποιούνται δύο συνθήκες 1) Rexp [ 2( Γg a) L] δηλαδή Γg 1, a ln( R) 2L 4πnL Rψ o exp 2 λ ( Γg a) L j 2) 4πnΛ λ = 2kπ 2nL = kλ L [ 2( Γg a) L] exp[ j nl λ] Rψ o exp 4π z 125

126 Transmitters Lasers, LEDs, Tunable Lasers Σύµφωνα µε την πρώτη συνθήκη το πλάτος Rψ ο exp(2(γg a)l) πρέπει να ισούται ή να ξεπερνά το αρχικό πλάτος ψ ο Σύµφωνα µε τη δεύτερη συνθήκη οι φάσεις πρέπει να είναι προσαρµοσµένες, µε k την τάξη του συντονισµού Fabry-Perot (k ακέραιος) Είναι η γνωστή συνθήκη για τους συντονισµούς σε Fabry-Perot φίλτρα Καθώς αυξάνεται το ρεύµα άντλησης, µειώνεται ο δείκτης διάθλασης n στο εσωτερικό της κοιλότητας Μειώνεται η απόσταση στην περιοχή των µηκών κύµατος µεταξύ των µηκών κύµατος συντονισµού της κοιλότητας Το ποσοστό µεταβολής του δείκτη διάθλασης στην περιοχή των ρευµάτων άντλησης που χρησιµοποιούνται είναι µικρότερο από 1%, περιορίζει σοβαρά τη χρήση του ρεύµατος άντλησης σα µηχανισµό για το συντονισµό της συχνότητας µίας διόδου laser Όταν υπάρχουν περισσότεροι από ένας τρόποι ταλάντωσης της κοιλότητας, τυχαίες διακυµάνσεις διαφόρων ειδών µπορούν να προκαλέσουν τη δέσµευση του µεγίστου απολαβής από ένα τρόπο για ένα χρονικό διάστηµα και µετά την µεταπήδηση σε δέσµευση από ένα άλλο τρόπο. Αυτό το φαινόµενο ονοµάζεται άλµα µεταξύ τρόπων ταλάντωσης (mode hopping) 126

127 Transmitters Lasers, LEDs, Tunable Lasers Ως τώρα, θεωρήθηκε ότι το εύρος γραµµής καθενός τρόπου µίας κοιλότητας Fabry-Perot είναι αµελητέο, αλλά στις πραγµατικές διατάξεις δε συµβαίνει αυτό Συνέπειες µη µηδενικού εύρους γραµµής Σε συστήµατα διαίρεσης µήκους κύµατος (WDM)µε χαµηλούς ρυθµούς διαµόρφωσης, αλλά πυκνή παράθεση καναλιών, το εύρος γραµµής του κάθε καναλιού µπορεί να καθορίζει πόσα κανάλια µπορούν να υποστηριχτούν Για οποιαδήποτε µορφή φώρασης ενός σήµατος, αλλά ειδικότερα γι αυτές που έχουν να κάνουν µε τη φάση, ακόµα και φαινοµενικά µέτριες τιµές του εύρους γραµµής µπορούν να προξενήσουν σοβαρή επιβάρυνση στις επιδόσεις Η σπουδαιότερη αιτία µη µηδενικού εύρους γραµµής είναι η τυχαιότητα της φάσης στην έξοδο του laser η οποία προκαλείται κυρίως από την αυθόρµητη εκποµπή (όσο ασήµαντη κι αν είναι) 127

128 Transmitters Lasers, LEDs, Tunable Lasers Η τυχαιότητα της φάσης στην έξοδο του laser είναι σα µία συνήθη Gaussianδιαδικασία που έχει υποστεί φιλτράρισµα και θα έχει τυχαίο πλάτος καθώς και τυχαία φάση Αυτό µπορεί να προσοµοιωθεί µε ένα ηµίτονο στην κεντρική συχνότητα της ζώνης, µαζί µε Gaussian θόρυβο στενής ζώνης Το ηµίτονο έχει σταθερό πλάτος και φάση και µπορεί να αναπαρασταθεί από ένα στρεφόµενο διάνυσµα (φάσορα) Ο θόρυβος µπορεί να αναπαρασταθεί ως άθροισµα µίας συνιστώσας σε φάση µε το ηµίτονο και µίας άλλης υπό διαφορά φάσεως που οι δύο τους έχουν την ίδια ισχύ, αλλά είναι τελείως ασυσχέτιστες µεταξύ τους και γι αυτό στην αναπαράσταση του τελικού φάσορα υπάρχει διακύµανση τόσο στο πλάτος όσο και στη φάση Με την πάροδο του χρόνου, οι διακυµάνσεις της φάσης απολήγουν στο να «ξεχάσει» η διαδικασία την αρχική τιµή της φάσης της και τελικά να έχει καταλάβει όλες τις δυνατές τιµές της φάσης από 0 ως 2π οµοιόµορφα 128

129 Transmitters Lasers, LEDs, Tunable Lasers Ο κλασικός θόρυβος στενής ζώνης δηλαδή το άθροισµα ενός σήµατος στο κέντρο της ζώνης και ενός Gaussian θορύβου Ε Im{E(t)} E φ Αρχική φ ιάχυση φάσης E+ Ε/2 Re{E(t)} Αναπαράσταση φάσορα που δείχνει την προοδευτική διάχυση της φάσης µακριά από την αρχική τιµή φ(t) Τρία δείγµατα χρονικών ιστορικών της φάσης φ(t) t Τελικά προκύπτει ένα φάσµα στην έξοδο του laser για κάποιο τρόπο που έχει µορφή f Αντί για Εύρος γραµµής f 0 f 0 129

130 Transmitters Lasers, LEDs, Tunable Lasers Έχει αποδειχθεί ότι η τυχαιότητα στη φάση προκαλείται όχι µόνο από την ίδια τη δική της άµεση συνεισφορά στο εύρος γραµµής αλλά και από µία επιπλέον έµµεση επίδραση λόγω της µεταβολής του δείκτη διάθλασης που προκαλείται από κάθε µεταβολή της πυκνότητας φορέων Ο επιπρόσθετος θόρυβος βρίσκεται όλος σε φάση και εποµένως το εύρος γραµµής fείναι ανάλογο της ποσότητας (1+β 2 ), όπου β είναι ο παράγοντας διεύρυνσης του εύρους γραµµής (linewidth enhancement factor) Οι τυχαίες διακυµάνσεις της έντασης (τετράγωνο του πλάτους του πεδίου) δεν παραµένουν απλώς και µόνο τυχαίες διακυµάνσεις της έντασης, αλλά προξενούν και διακυµάνσεις του δείκτη διάθλασης οι οποίες µε τη σειρά τους προξενούν ένα ποσοστό διακύµανσης φάσης που προστίθεται µε ασύµφωνο τρόπο σε αυτή που υπάρχει ήδη Η σύζευξη µεταξύ των διαδικασιών µεταβολής πλάτους και εκείνων µεταβολής της φάσης ενσωµατώνονται στην ποσότητα β 130

131 Transmitters Lasers, LEDs, Tunable Lasers Με λίγα λόγια, οι συνιστώσες αυθόρµητης εκποµπής προξενούν διακυµάνσεις πλάτους οι οποίες όταν µετατραπούν σε θόρυβο φάσης, δρουν έτσι ώστε να διαπλατύνουν το εύρος γραµµής Είναι απαραίτητο να ελαχιστοποιείται οποιοδήποτε φως ανακλάται πίσω στο laser από συγκολλήσεις, connectorsκ.α. γιατί αυτό θα οδηγήσει στην αύξηση της στάθµης αυθόρµητης εκποµπής Για την αποφυγή των ανακλάσεων µπορούν να χρησιµοποιηθούν αποµονωτές (isolators) Το µέγεθος σχετικός θόρυβος έντασης (Relative Intensity Noise RIN) είναι ένα είδος λόγου θορύβου-προς-σήµα, που ορίζεται ως λόγος των διακυµάνσεων πλάτους της οπτικής εξόδου προς τη µέση ισχύ Καθώς η φασµατική πυκνότητα ισχύος εκφράζεται σε Watt/Hz, ο RIN εκφράζεται συνήθως σε db/hz Το εύρος γραµµής του laser µπορεί να µειωθεί σε µεγάλο βαθµό µε τη χρήση µίας εξωτερικής κοιλότητας (θα φανεί σε λίγο) 131

132 Transmitters Lasers, LEDs, Tunable Lasers Τα MLM lasers έχουν µεγάλα φασµατικά εύρη, τυπικά περίπου 10nm Ωστόσο, για να διατηρούνται µειωµένες οι επιδράσεις της διασποράς και της διαφωνίας σε WDM συστήµατα, είναι επιθυµητός ο σχεδιασµός ενός laser που θα ταλαντώνεται σε ένα διαµήκη τρόπο (Single-Longitudinal Mode SLM) µόνο Η µονότροπη ταλάντωση µπορεί να επιτευχθεί χρησιµοποιώντας κάποιο µηχανισµό φιλτραρίσµατος στο laser που επιλέγει το επιθυµητό µήκος κύµατος και προκαλεί απώλειες στα άλλα µήκη κύµατος Μία σηµαντική ιδιότητα ενός τέτοιου laser είναι ο SMSR, που καθορίζει το επίπεδο στο οποίο οι άλλοι διαµήκεις τρόποι καταστέλλονται, σε σχέση µε τον κύριο τρόπο Ο SMSR είναι τυπικά πάνω από 30dB για πρακτικά µονότροπα lasers Φάσµα στην έξοδο ενός πολύτροπου laser Το µήκος της κοιλότητα ς είναι L και ο δείκτης διάθλασης n Φάσµα στην έξοδο ενός µονότροπου laser Απόσταση δύο διαδοχικών στην περιοχή των συχνοτήτων c/2nl f ~ GHz f 132

133 Transmitters Lasers, LEDs, Tunable Lasers Στο Fabry-Perot laser,η ανάδραση του φωτός συµβαίνει από την ανάκλαση στις έδρες της κοιλότητας Η ανάδραση µπορεί να θεωρηθεί ότι είναι περιορισµένη (localized)µεταξύ των εδρών Η ανάδραση του φωτός µπορεί να παρασχεθεί και κατά ένα κατανεµηµένο (distributed) τρόπο από µία σειρά ανακλαστήρων σε κοντινή απόσταση µεταξύ τους Ο πιο κοινός τρόπος επίτευξης ανάδρασης µε κατανεµηµένο τρόπο είναι µε τη χρήση περιοδικής µεταβολής του πλάτους της κοιλότητας Στο τµήµα µε τις αυλακώσεις (corrugated version)της κοιλότητας, το προσπίπτον κύµα υφίσταται µία σειρά ανακλάσεων Λ Μέσο που εισάγει κέρδος Εκποµπή φωτός Λ: περίοδος της αυλάκωσης 133

134 Transmitters Lasers, LEDs, Tunable Lasers Οι συνεισφορές από κάθε ένα από αυτά τα κύµατα που ανακλάστηκαν από την κοιλότητα στο επακόλουθο µεταδιδόµενο κύµα συµβάλλουν σε φάση αν η περίοδος των αυλακώσεων (Λ) είναι ακέραιο πολλαπλάσιο του µισού του µήκους κύµατος στην κοιλότητα Η αιτιολόγηση γι αυτή τη συνθήκη είναι ίδια µε αυτή που χρησιµοποιήθηκε για την κοιλότητα Fabry-Perot Αυτή η συνθήκη καλείται συνθήκη Braggκαι θα ικανοποιείται για ένα πλήθος µηκών κυµατος, αλλά το ισχυρότερο µεταδιδόµενο κύµα αντιστοιχεί σε µήκος κύµατος για το οποίο η περίοδος κυµάτωσης είναι ακριβώς ίση µε το µισό του µήκους κύµατος, απ ότι κάποιο ακέραιο πολλαπλάσιο αυτού. Έτσι, αυτό το µήκος κύµατος ενισχύεται κατά προνοµιακό τρόπο σε βάρος των άλλων µηκών κύµατος Αν δεν υπήρχε το τµήµα µε τις αυλακώσεις, τότε θα είχαµε ένα Fabry-Perot laser από το οποίο θα προέκυπταν πολλαπλοί τρόποι (πολλά µήκη κύµατος) στην έξοδο του laser λόγω των ταλαντώσεων σε ολόκληρη την κοιλότητα Λ Εκποµπή φωτός nλ= λ 2 2nΛ= λ Μέσο που εισάγει κέρδος Λ: περίοδος της αυλάκωσης 134

135 Transmitters Lasers, LEDs, Tunable Lasers Με κατάλληλο σχεδιασµό της διάταξης, αυτό το φαινόµενο που περιγράφηκε µπορεί να χρησιµοποιηθεί για να καταστείλει όλους τους άλλους διαµήκεις τρόπους ώστε το laser να ταλαντώνεται µονότροπα µε µήκος κύµατος εκποµπής ίσο µε το διπλάσιο της περιόδου των αυλακώσεων Μεταβάλλοντας την περίοδο των αυλακώσεων κατά τη διάρκεια της κατασκευής, µπορούν να αποκτηθούν διαφορετικά µήκη κύµατος Οποιοδήποτε laser χρησιµοποιεί ένα κυµατοδηγό µε αυλακώσεις για να επιτύχει µονότροπη λειτουργία καλείται laser κατανεµηµένης ανάδρασης (Distributed Feed-Back DFB) Ωστόσο, το ακρωνύµιο DFB laser χρησιµοποιείται µόνο όταν οι αυλακώσεις υπάρχουν εντός της περιοχής της κοιλότητας που αποδίδει κέρδος (ενεργός περιοχή) Όταν οι αυλακώσεις βρίσκονται εκτός της περιοχής κέρδους, το laser καλείται laser κατανεµηµένου ανακλαστήρα Bragg (Distributed Bragg Reflector DBR) DFB και DBR είναι ηµιαγωγικές δίοδοι laser 135

136 Transmitters Lasers, LEDs, Tunable Lasers Το κύριο πλεονέκτηµα των DBR lasers είναι ότι γίνεται αποσύζευξη της περιοχής κέρδους από την περιοχή επιλογής µήκους κύµατος. Μ αυτό τον τρόπο είναι δυνατός ο ανεξάρτητος έλεγχος των δύο περιοχών Αλλάζοντας το δείκτη διάθλασης της περιοχής επιλογής µήκους κύµατος, το laser µπορεί να συντονιστεί σε άλλο µήκος κύµατος χωρίς να επηρεάζονται οι άλλες παράµετροι λειτουργίας. Μ αυτό τον τρόπο κατασκευάζονται τα περισσότερα από τα συντονιζόµενα lasers Επιπλέον, στα DFB lasers, είτε µε αλλαγές στο ρεύµα πόλωσης είτε µε αλλαγές στο ρεύµα λόγω άµεσης διαµόρφωσης On-Off Keying (OOK),µεταβάλλεται και το µήκος κύµατος εκποµπής. Αυτό αποφεύγεται (όταν είναι ανεπιθύµητο) µε τα DBR lasers µε την αποσύζευξη των δύο περιοχών οµή ενός DFB laser. Το κέρδος και το µήκος κύµατος εκποµπής αποκτώνται στην ίδια περιοχή οµή ενός DBR laser. Η περιοχή επιλογής του µήκους κύµατος είναι εκτός της περιοχής κέρδους Λ Μέσο που εισάγει κέρδος Λ Εκποµπή φωτός Λ: περίοδος της αυλάκωσης Εκποµπή φωτός Μέσο που εισάγει κέρδος 136

137 Transmitters Lasers, LEDs, Tunable Lasers Τα DFB lasersείναι πιο σύνθετα στην κατασκευή από τα FP lasers και έτσι, είναι σχετικά ακριβότερα. Τα DFB lasers απαιτούνται σήµερα σχεδόν σε όλα τα συστήµατα µε µεταδόσεις υψηλών ταχυτήτων Τα FP lasers χρησιµοποιούνται σε εφαρµογές µεταδόσεων σε µικρές σχετικά αποστάσεις. Χαρακτηριστικό παράδειγµα είναι τα οπτικά δίκτυα πρόσβασης Οι ανακλάσεις σε ένα DFB laser προκαλούν τη διακύµανση του µήκους κύµατος και της ισχύος του. Εµποδίζονται συσκευάζοντας το laser µε ένα αποµονωτή µπροστά του Το laser είναι συνήθως συσκευασµένο µε ένα θερµοηλεκτρικό (Thermo-Electric TE) σύστηµα ψύξης και ένα φωτοφωρατή επισυνηµµένο στην οπίσθια έδρα του Το TE σύστηµα ψύξης είναι απαραίτητο για τη διατήρηση του laser σε µία σταθερή θερµοκρασία λειτουργίας ώστε να αποφευχθούν πιθανές µετακινήσεις του µήκους κύµατος Η ευαισθησία ως προς τη θερµοκρασία ενός ηµιαγωγικού DFB laser που λειτουργεί στην περιοχή των 1550nmείναι περίπου 0.1nm/ o C Ο φωτοφωρατής ελέγχει την οπτική ισχύ που «διαρρέει» από την πίσω έδρα, που είναι ανάλογη µε την οπτική ισχύ που εξέρχεται από το laser 137

138 Transmitters Lasers, LEDs, Tunable Lasers Η συσκευασία του laser αποτελεί ένα σηµαντικό κλάσµα του ολικού κόστους της διάταξης Για WDM συστήµατα είναι πολύ χρήσιµη η οµαδοποίηση πολλών DFB lasers σε διαφορετικά µήκη κύµατος σε µία µόνο συσκευασία Μία τέτοια διάταξη µε οµαδοποιηµένα DFBsµπορεί να λειτουργήσει σαν πηγή πολλαπλών µηκών κύµατος ή εναλλακτικά σα συντονιζόµενο laser (µόνο ένα από τα laser της διάταξης ανάβει, µε βάση το επιθυµητό µήκος κύµατος) Τέτοια lasers µπορούν να αναπτυχθούν όλα στο ίδιο υπόστρωµα Το µειονέκτηµα είναι ότι αν κάποιο από τα lasers δεν ανταποκρίνεται στις προδιαγραφές λόγω κατασκευαστικής αστοχίας, πρέπει να απορριφθεί ολόκληρη η διάταξη Η κβαντική άντληση στα διοδικά (ηµιαγωγικά) laser γίνεται µε την έγχυση ρεύµατος ορθής φοράς, ώστε να επιτευχθεί και να διατηρηθεί η αντιστροφή πληθυσµού Όσο το ρεύµα ορθής φοράς παραµένει σε χαµηλά επίπεδα, η δίοδος λειτουργεί σα µία τυπική LED Σ αυτό το καθεστώς απελευθερώνονται στο περιβάλλον στην πλειοψηφία τους ασύµφωνα φωτόνια 138

139 Transmitters Lasers, LEDs, Tunable Lasers Η κβαντική άντληση στα διοδικά (ηµιαγωγικά) laser γίνεται µε την έγχυση ρεύµατος ορθής φοράς, ώστε να επιτευχθεί και να διατηρηθεί η αντιστροφή πληθυσµού Όταν αυξηθεί το ρεύµα περαιτέρω και ξεπεραστεί ένα κατώφλι ρεύµατος I th, ο αποικισµός της ζώνης αγωγιµότητας µε ηλεκτρόνια γίνεται τόσο πυκνός ώστε να δηµιουργείται αντιστροφή πληθυσµού στη ζώνη αυτή σε σχέση µε τις στάθµες της ζώνης σθένους Αν συνυπάρχει και η κατάλληλη οπτική κοιλότητα, π.χ. µε την ύπαρξη των αυλακώσεων στα DFB laser, το αποτέλεσµα θα είναι η έναυση της δέσµης laser P Όταν έχουµε δράση laser, η εκπεµπόµενη φωτεινή ισχύς αυξάνεται απότοµα και αυτό φαίνεται από την αλλαγή της κλίσης της καµπύλης P I ράση LED ράση Laser Από κάποιο ρεύµα και µετά έρχεται κορεσµός Κατώφλι I th Ι 139

140 Transmitters Lasers, LEDs, Tunable Lasers Η κβαντική άντληση σε P διοδικά (ηµιαγωγικά) laser και η σύνδεση µε τα φασµατικά χαρακτηριστικά της εξόδου του laser Φασµατική πυκνότητα ισχύος Φάσµα του Laser Κορεσµός ράση LED I th Κατώφλι ράση Laser Ι Φασµατική πυκνότητα ισχύος Φασµατική πυκνότητα ισχύος Αναδείχθηκε ο µοναδικός τρόπος του DFB λ «Αρχίζει» να επικρατεί ένας τρόπος του DFB λ λ 140

141 Transmitters Lasers, LEDs, Tunable Lasers Η κβαντική άντληση σε P διοδικά (ηµιαγωγικά) laser και η σύνδεση µε τα φασµατικά χαρακτηριστικά της εξόδου του laser Κορεσµός Κατώφλι ράση Laser I th Ι Με πολύ προσεκτικό έλεγχο της θερµοκρασίας, αύξηση του ρεύµατος προκαλεί µικρή αύξηση της πυκνότητας φορέων µέσα στην κοιλότητα και κατά συνέπεια µείωση του δείκτη διάθλασης του ενεργού υλικού. Αυτό, όµως, θα έχει σαν αποτέλεσµα τη µικρή ολίσθηση του µήκους κύµατος εκποµπής του laser προς µικρότερη τιµή (2nΛ = λ) Φασµατική πυκνότητα ισχύος Φασµατική πυκνότητα ισχύος Αναδείχθηκε ο µοναδικός τρόπος του DFB λ «Αρχίζει» να επικρατεί ένας τρόπος του DFB λ 141

142 Transmitters Lasers, LEDs, Tunable Lasers Το ρεύµα κατωφλίου (Ι th ) είναι συνάρτηση των διαστάσεων της ενεργού περιοχής του χρόνου ζωής µέχρι την επανασύνδεση των φορέων Η πυκνότητα φορέων στο κατώφλι, N th, δίνεται από τη σχέση N th = N o am+ a + Γa όπου, Ν ο είναι η πυκνότητα φορέων στο σηµείο διαφάνειας, Γ ο «παράγοντας σύµπτυξης» που αντιπροσωπεύει το ποσοστό του οπτικού τρόπου που βρίσκεται στο εσωτερικό της ενεργού περιοχής και κυµαίνεται από 0 ως 1 (όσο µεγαλύτερη είναι η σύµπτυξη, τόσο λιγότερα εγχεόµενα ηλεκτρόνια χρειάζονται για να φθάσουµε στο κατώφλι), η ποσότητα a είναι η πραγµατική εξασθένιση (απορρόφηση) ανά µονάδα µήκους µέσα στο υλικό και a m είναι µία πλασµατική ισοδύναµη απώλεια ανά µονάδα µήκους λόγω της διαφυγής ωφέλιµου φωτός δια µέσου ενός από τα κάτοπτρα της κοιλότητας (γενικά) και για Fabry-Perot laser είναι ίση µε ( R) a 1 1 ln = ln = m 2L R 2 L R είναι η ανακλαστικότητα κάθε κάτοπτρου και L το µήκος της κοιλότητας 142

143 Transmitters Lasers, LEDs, Tunable Lasers Το χαµηλό ρεύµα κατωφλίου είναι απαραίτητο για την επιτυχία υψηλής φωτεινής ισχύος στην έξοδο του laser µε χαµηλό ρεύµα άντλησης Το ρεύµα κατωφλίου µπορεί να µειωθεί έχοντας µία µικρού µήκους, στενή και χαµηλή (σε ύψος) ενεργό περιοχή ισχυρό περιορισµό του πεδίου µέσα στην ενεργό περιοχή πολύ ανακλαστικά κάτοπτρα στα άκρα Η ποσότητα που εκφράζει την κλίση της καµπύλης P-Iορίζεται ως εξωτερική κβαντική απόδοση (external quantum efficiency)όλης της διάταξης, συµβολίζεται ως η d και εκφράζει το ποσοστό των επιπλέον εγχεόµενων ηλεκτρονίων που µετατρέπονται σε ωφέλιµα φωτόνια εξόδου (αριθµός των παραγόµενων φωτονίων που τελικά κατορθώνουν να εξέλθουνπρος το εξωτερικό περιβάλλον προς αριθµό ηλεκτρονίων που διακινούνται µέσα στην επαφή pn κατά το ίδιο χρονικό διάστηµα) Συχνά εκφράζεται σαν πηλίκο της φωτεινής ισχύος που εκπέµπεται από το laser προς την αντίστοιχη ένταση ρεύµατος 143

144 Transmitters Lasers, LEDs, Tunable Lasers Υπάρχει και η ποσότητα η i που είναι η εσωτερική κβαντική απόδοση (internal quantum efficiency) που αντιστοιχεί στο ποσοστό των εγχεόµενων ηλεκτρονίων που παράγουν εξαναγκασµένα φωτόνια, από τα οποία κάποια δε θα φθάσουν στην έξοδο της διάταξης (αριθµός φωτονίων που παράγονται προς αριθµό ηλεκτρονίων που εγχέονται µέσα στην επαφή pn στο ίδιο χρονικό διάστηµα) Πάνω από το κατώφλι η ποσότητα η i µπορεί να προσεγγιστεί µε τη µονάδα η d ρυθµ ός διαφυγής φωτονίων am = ηi = ηi = ηi ρυθµ ός παραγωγής φωτονίων a + a m ln ln( 1 R) ( 1 R) + 2La Το ρεύµα κατωφλίου εξαρτάται έντονα από τη θερµοκρασία κυρίως στα laser µεγάλου µήκους κύµατος ( nm). Τα laser µεγάλου µήκους κύµατος περιλαµβάνουν συνήθως εσωτερικά ένα σύστηµα ψύξης 144

145 Transmitters Lasers, LEDs, Tunable Lasers Ποιοτικά, οι καµπύλες P-I, λαµβάνοντας υπόψη και τη θερµοκρασία θα έχουν την παρακάτω µορφή Με την αύξηση της θερµοκρασίας υπάρχει υποβάθµιση στην εκπεµπόµενη ισχύ Η απόδοση του Laser µειώνεται λόγω του ότι οι απώλειες αυξάνονται σε βάρος της ακτινοβόλησης φωτονίων P Τ 0 Τ 1 Τ 0 < Τ 1 < Τ 2 Τ 2 I th,0 I th,1 I th,2 Ι 145

146 Transmitters Lasers, LEDs, Tunable Lasers Αύξηση της θερµοκρασίας προκαλεί αύξηση του δείκτη διάθλασης του υλικού επειδή αλλάζει (µειώνεται) η πυκνότητα φορέων και τότε αυξάνεται ο δείκτης διάθλασης της κοιλότητας για τα Fabry-Perot laser προκύπτει ολίσθηση των τρόπων προς µεγαλύτερα µήκη κύµατος (2nL = kλ) ενώ για ένα DFB laser ο µοναδικός τρόπος θα ολισθήσει προς µεγαλύτερο µήκος κύµατος ή όµοια µικρότερη συχνότητα (2nΛ = λ) Οπτικό Φάσµα Τ 1 Τ 2 Τ 1 < Τ 2 λ 1 λ 2 Υπάρχει και η υποβάθµιση στην εκπεµπόµενη ισχύ για ίδιο ρεύµα λ πόλωσης 146

147 Transmitters Lasers, LEDs, Tunable Lasers Πλήρης ποιοτική σχηµατική απεικόνιση Ενός Fabry-Perot Laser Ενός DFB laser Ενός DBR laser Φράγµα Bragg p-τύπου Ρεύµα έγχυσης Ενεργός περιοχή n-τύπου Έδρες που αντιστοιχούν στα κάτοπτρα έσµη προς την ίνα DFB Laser p-τύπου Ενεργός περιοχή n 1 n-τύπου Ρεύµα έγχυσης n 3 n 2 Έδρες που αντιστοιχούν στα κάτοπτρα Ισοδύναµο µοντέλο R Ενεργός περιοχή 1 R 2 z = 0 Ανακλαστικότητες Κάτοπτρα z = L Fabry-Perot Laser έσµη προς την ίνα 147

148 Transmitters Lasers, LEDs, Tunable Lasers Πλήρης ποιοτική σχηµατική απεικόνιση Ενός Fabry-Perot Laser Ενός DFB laser Ενός DBR laser Τα ρεύµατα I b1 και I b2 µπορεί να µην είναι ίδια αν τα δύο φράγµατα δεν είναι ακριβώς ίδια (για διαφορετική περίοδο αυλακώσεων) Κατασκευαστικά, µπορεί να έχουµε µόνο ένα φράγµα Bragg µέσω του οποίου καθορίζεται το µήκος κύµατος εκποµπής. Σε µία τέτοια περίπτωση θα έχουµε µόνο ένα ρεύµα έγχυσης (I b ) για τη ρύθµιση του µήκους κύµατος Η Ενεργός περιοχή περιλαµβάνει το ενεργό υλικό για Fabry-Perot, DFB και DBR lasers I g : Ρεύµα έγχυσης για τον έλεγχο του κέρδους I b1, I b2 : Ρεύµατα έγχυσης για τον έλεγχο του µήκους κύµατος εκποµπής I b1 I g I b2 p-τύπου Ενεργός περιοχή n-τύπου Φράγµατα Ηλεκτρόδιο Bragg Έδρες που αντιστοιχούν στα κάτοπτρα DBR Laser έσµη προς την ίνα 148

149 Transmitters Lasers, LEDs, Tunable Lasers Ακολουθούν κάποιες άλλες κατασκευαστικές δοµές πηγών laser Η καταστολή της ταλάντωσης σε περισσότερους από ένα τρόπους µπορεί να επιτευχθεί, επίσης, χρησιµοποιώντας άλλη κοιλότητα που καλείται εξωτερική κοιλότητα (external cavity) και ακολουθεί την βασική (primary) κοιλότητα όπου παρέχεται το κέρδος Όπως η βασική κοιλότητα έχει µήκη κύµατος αντήχησης, το ίδιο συµβαίνει και µε την εξωτερική κοιλότητα Αυτό µπορεί να επιτευχθεί, για παράδειγµα, χρησιµοποιώντας και για την εξωτερική κοιλότητα ανακλαστικές έδρες Το ολικό αποτέλεσµα της ύπαρξης εξωτερικής κοιλότητας είναι ότι το laser είναι ικανό να ταλαντωθεί µόνο σε εκείνα τα µήκη κύµατος που είναι τα µήκη κύµατος αντήχησης τόσο της βασικής όσο και της εξωτερικής κοιλότητας Κοιλότητα εισάγει κέρδος Εξωτερική κοιλότητα οµή ενός laser εξωτερικής κοιλότητας 149

150 Transmitters Lasers, LEDs, Tunable Lasers Με κατάλληλο σχεδιασµό των δύο κοιλοτήτων µπορεί να εξασφαλιστεί ότι µόνο ένα µήκος κύµατος στο εύρος ζώνης του κέρδους της βασικής κοιλότητας ικανοποιεί αυτή τη συνθήκη Έτσι, η ταλάντωση του laser µπορεί να περιοριστεί σε ένα µόνο διαµήκη τρόπο Αντί για άλλη Fabry-Perot κοιλότητα (ως εξωτερική), µπορεί να χρησιµοποιηθεί ένα φράγµα περίθλασης (diffraction grating) στην εξωτερική κοιλότητα. Ένα τέτοιο laser καλείται laser εξωτερικής κοιλότητας µε φράγµα (grating external cavity laser) Σ αυτή την περίπτωση, η έδρα της κοιλότητας µε το υλικό που αποδίδει κέρδος που είναι από την πλευρά του φράγµατος περιλαµβάνει αντι-ανακλαστικό περίβληµα Κοιλότητα που εισάγει κέρδος Αντι-ανακλαστική επικάλυψη Φράγµα Ανακλαστικό κάτοπτρο Φακός 150

151 Transmitters Lasers, LEDs, Tunable Lasers Τα µήκη κύµατος που ανακλώνται από το φράγµα περίθλασης προς τα πίσω στην κοιλότητα κέρδους καθορίζονται από τον αριθµό των «δοντιών» (pitch) και από τη γωνία κλίσης του φράγµατος σε σχέση µε την κοιλότητα κέρδους Εν γένει, ένα laser εξωτερικής κοιλότητας χρησιµοποιεί ένα κάτοπτρο επιλεκτικό στο µήκος κύµατος αντί για ένα ανεξάρτητο από το µήκος κύµατος (wavelength-flat) κάτοπτρο Μία έντονα γυαλισµένη (polished) ή/και επικαλυµµένη µε µέταλλο έδρα που χρησιµοποιείται σε συµβατικά lasers λειτουργεί σαν κάτοπτρο ανεξάρτητο από το µήκος κύµατος Η ανακλαστικότητα του επιλεκτικού στο µήκος κύµατος κάτοπτρου είναι φυσικά συνάρτηση του µήκους κύµατος Μόνο συγκεκριµένα µήκη κύµατος αντιµετωπίζουν υψηλές ανακλαστικότητες και δίνουν τη δυνατότητα εκποµπής laser Αν το επιλεκτικό κατά µήκος κύµατος κάτοπτρο επιλεγεί κατάλληλα, µόνο ένα τέτοιο µήκος κύµατος θα υποστηρίζεται εντός του εύρους ζώνης κέρδους και έτσι το laser θα είναι µονότροπο Σαν επιλεκτικά κατά µήκος κύµατος κάτοπτρα µπορούν να χρησιµοποιηθούν διάφοροι τύποι φίλτρων σαν αυτά που έχουν ήδη περιγραφεί 151

152 Transmitters Lasers, LEDs, Tunable Lasers Ως τώρα παρουσιάστηκε η χρήση φράγµατος περίθλασης και Fabry-Perot φίλτρου σε lasers εξωτερικής κοιλότητας Τέτοιες δοµές lasers χρησιµοποιούνται κυρίως σε όργανα οπτικών ελέγχων, ενώ δεν υπόκεινται σε χαµηλού κόστους µαζική παραγωγή όπως τα µονότροπα DFB lasers για συστήµατα µετάδοσης Μία εκδοχή laser εξωτερικής κοιλότητας φαίνεται υποσχόµενο γι αυτό το σκοπό. Στη διάταξη χρησιµοποιείται ένα fiber Bragg grating µπροστά από ένα συµβατικό Fabry-Perot laser µε την πρόσθια έδρα του επικαλυµµένη µε αντι-ανακλαστικό υλικό. Μία τέτοια διάταξη λειτουργεί σαν µονότροπο DBR laser σε µονότροπη λειτουργία. Μπορεί να κατασκευαστεί µε σχετικά χαµηλό κόστος σε σχέση µε τα DFB lasers και είναι θερµικά πιο σταθερό ως προς το µήκος κύµατος λόγω του µικρού θερµικού συντελεστή του φράγµατος ίνας Μειονέκτηµα των lasers εξωτερικής κοιλότητας είναι ότι δε µπορούν να διαµορφωθούν άµεσα σε υψηλές ταχύτητες Αυτό σχετίζεται µε το γεγονός ότι το µήκος της κοιλότητας είναι µεγάλο Υπάρχει και άλλος τρόπος επίτευξης µονότροπης λειτουργίας και έχει να κάνει µε τη «γεωµετρία» των Fabry-Perot lasers Έχει δοθεί ότι η απόσταση στο πεδίο των συχνοτήτων µεταξύ δύο διαδοχικών τρόπων για ένα πολύτροπο laser είναι c/(2nl), όπου L είναι το µήκος της κοιλότητας και n είναι ο δείκτης διάθλασης του υλικού µέσα στην κοιλότητα 152

153 Transmitters Lasers, LEDs, Tunable Lasers Αν το µήκος της κοιλότητας γινόταν επαρκώς µικρό, η απόσταση των τρόπων αυξάνει, τόσο ώστε µόνο ένας διαµήκης τρόπος να υπάρχει εντός του εύρους ζώνης κέρδους του laser Μπορεί να αποδειχθεί ότι το να κατασκευαστεί ένα πολύ λεπτό ενεργό επίπεδο είναι πολύ ευκολότερο αν το ενεργό επίπεδο εναποτεθεί σε ένα ηµιαγωγικό υπόστρωµα Αυτό οδηγεί σε µία κάθετη κοιλότητα µε τα κάτοπτρα να σχηµατίζονται στην πάνω επιφάνεια και στην κατώτερη επιφάνεια του ηµιαγωγικού υποστρώµατος Η έξοδος του laser αποκτάται από κάποια από αυτές τις επιφάνειες και συνήθως αυτή είναι η πάνω επιφάνεια Ένα τέτοιο laser καλείται Laser Κάθετης Κοιλότητας που Εκπέµπει από Επιφάνεια (Vertical Cavity Surface-Emitting Laser VCSEL) Φως στην έξοδο Ηµιαγωγικό υπόστρωµα Ηµιαγωγικό υπόστρωµα Ανώτερο κάτοπτρο Περιοχή κέρδους Κατώτερο κάτοπτρο οµή ενός VCSEL 153

154 Transmitters Lasers, LEDs, Tunable Lasers Αξίζει να σηµειωθεί ότι τα άλλα lasers που έχουν ήδη περιγραφεί µπορούν να αναφέρονται σαν lasers που εκπέµπουν από άκρο (edge-emitting lasers) Από τη στιγµή που η περιοχή κέρδους έχει πολύ µικρό µήκος, απαιτούνται πολύ υψηλές ανακλαστικότητες για τα κάτοπτρα, ώστε να πραγµατοποιηθεί η ταλάντωση του laser Τέτοιες υψηλές ανακλαστικότητες είναι δύσκολο να επιτευχθούν µε µεταλλικές επιφάνειες Μία στοίβα από διαδοχικά διηλεκτρικά χαµηλού και υψηλού δείκτη διάθλασης εξυπηρετούν σαν ένα έντονα ανακλαστικό, αλλά επιλεκτικό κατά µήκος κύµατος, κάτοπτρο Τέτοια διηλεκτρικά κάτοπτρα µπορούν να εναποτεθούν κατά τη διάρκεια της κατασκευής του laser Το πλεονέκτηµα των VCSELs σε σχέση µε τα edge-emitting lasers είναι Η απλούστερη και αποτελεσµατικότερη σύζευξη µε ίνα Ευκολότερο πακετάρισµα και ευκολότερος έλεγχος Η ικανότητά τους να ολοκληρωθούν σε διατάξεις πολλαπλών µηκών κύµατος 154

155 Transmitters Lasers, LEDs, Tunable Lasers Ένα πρόβληµα των VCSELs είναι η µεγάλη ωµική αντίσταση που συναντά το εγχεόµενο ρεύµα. Αυτό οδηγεί σε σηµαντική θέρµανση της διάταξης και στην ανάγκη για αποτελεσµατική ψύξη Πολλά από τα διηλεκτρικά υλικά που χρησιµοποιούνται για την κατασκευή των κάτοπτρων έχουν µικρή θερµική αγωγιµότητα (thermal conductivity) Η χρήση τέτοιων διηλεκτρικών κάτοπτρων κάνει τηλειτουργία των VCSELs σε θερµοκρασία δωµατίου δύσκολη προς επίτευξη, αφού η θερµότητα που αναπτύσσεται από τη διάταξη δε µπορεί να αντιµετωπιστεί εύκολα. Γι αυτό το λόγο, για αρκετά χρόνια µετά την πρώτη παρουσίασή τους το 1979, τα VCSELs δεν ήταν δυνατό να λειτουργήσουν σε θερµοκρασία δωµατίου Έχει πραγµατοποιηθεί σηµαντική ερευνητική προσπάθεια για νέα υλικά και τεχνικές (έχουν κατασκευαστεί VCSELs που λειτουργούν στα 1310nmσε θερµοκρασία δωµατίου) VCSELs που λειτουργούν στα 850 nm είναι εµπορικά διαθέσιµα και χρησιµοποιούνται για χαµηλού κόστους και µικρών αποστάσεων διασυνδέσεις µε πολύτροπη ίνα Ωστόσο, γενικά έχουν ξεπεραστεί τα προβλήµατα κατασκευής και διατίθενται εµπορικά VCSELsκαι στις περιοχές 1310 nm και 1550 nm µε δυνατότητα διαµόρφωσης σε ρυθµούς 10 Gbit/s 155

156 Transmitters Lasers, LEDs, Tunable Lasers Σε WDM σύστηµα, συνήθως απαιτείται ένα ξεχωριστό laser για κάθε µήκος κύµατος µε το κόστος των ποµπών να µπορεί να µειωθεί σηµαντικά αν όλα τα lasers µπορούν να ολοκληρωθούν σε ένα µόνο υπόστρωµα. Αυτό είναι το κύριο κίνητρο για την ανάπτυξη διατάξεων lasers όπως οι διατάξεις από DFB lasers που ήδη αναφέρθηκαν Η χρήση lasers που εκπέµπουν από επιφάνεια (surface emitting lasers) δίνουν τη δυνατότητα κατασκευής διάταξης από lasers δύο διαστάσεων Μ αυτό τον τρόπο και εξαιτίας της προσθήκης της δεύτερης διάστασης, δίνεται η δυνατότητα επίτευξης πολύ υψηλότερων πυκνοτήτων από lasers που εκπέµπουν από επιφάνεια σε σχέση µε την περίπτωση χρήσης edge-emitting lasers Είναι δυσκολότερη, όµως, η σύζευξη φωτός από τα lasers της διάταξης στην ίνα, αφού πολυπλέκτες που λειτουργούν µε άνεση σε αυτή τη γεωµετρία δεν είναι εύκολο να κατασκευαστούν Και πάλι, αν κάποιο από τα lasers δεν ικανοποιεί τις προδιαγραφές, θα απορριφθεί ολόκληρη η διάταξη 156

157 Transmitters Lasers, LEDs, Tunable Lasers ύο διαστάσεων VCSELs 157

158 Transmitters Lasers, LEDs, Tunable Lasers Τα lasers κλειδωµένου τρόπου (mode-locked lasers) χρησιµοποιούνται για την παραγωγή στενών οπτικών παλµών Έστω ένα Fabry-Perot laser που ταλαντώνεται σε Ν διαµήκεις τρόπους, που είναι γειτονικοί µεταξύ τους Αυτό σηµαίνει ότι αν τα µήκη κύµατος των τρόπων είναι λ 0, λ 1,..., λ Ν 1, το µήκος της κοιλότητας L ικανοποιεί τη σχέση L = (k+i)λ i /2, i = 0, 1,, Ν 1, για κάποιο ακέραιο k (θεωρώντας τα µήκη κύµατος λ i µέσα στο υλικό της κοιλότητας, οπότε f i = c/(nλ i )) Προφανώς, nl = (k+i)λ i, out of cavity /2, µε λ i, out of cavity το µήκος κύµατος έξω από την κοιλότητα ( i) 2L c k+ λi = fi = k+ i 2nL 2L c( k+ i+ 1) c( k+ i) c c λi+ 1 = fi+ 1 = fi+ 1 = + fi+ 1 = fi + k+ i+ 1 2nL 2nL 2nL 2nL λi+ 1< λi fi+ 1 > fi 158

159 Transmitters Lasers, LEDs, Tunable Lasers Έστω ένα Fabry-Perot laser που ταλαντώνεται σε Ν διαµήκεις τρόπους, που είναι γειτονικοί µεταξύ τους Οι αντίστοιχες συχνότητες, f 0, f 1,, f N 1, αυτών των τρόπων πρέπει να ικανοποιούν τη σχέση f i = f 0 + i f, µε i = 0, 1,, Ν 1 και f σταθερά ίση µε c/(2nl) (οι συχνότητες έχουν ίση απόσταση µεταξύ τους, ενώ τα αντίστοιχα µήκη κύµατος όχι) Η ταλάντωση στη συχνότητα f i είναι της µορφής a i cos(2π f i +φ i ), όπου a i είναι το πλάτος και φ i η φάση του τρόπου i Αυτή είναι η κατανοµή στο χρόνο του ηλεκτρικού πεδίου που σχετίζεται µε το διαµήκη τρόπο c fi+ 1 = fi + fi = fi 1+ f = fi 2+ 2 f =... = fi i + i f = f0+ i f 2nL Έτσι, η ολική ταλάντωση στην έξοδο του laser παίρνει µορφή N 1 i= 0 a i cos ( 2πf t+ φ ) i i 159

160 Transmitters Lasers, LEDs, Tunable Lasers Όταν όλες οι φάσεις φ i, i = 0, 1,, Ν 1, είναι ίσες, τότε το laser είναι κλειδωµένου τρόπου. Η απόσταση στο χώρο των συχνοτήτων µεταξύ γειτονικών τρόπων είναι ίση µε c/2nl. Αν n = 3 και L = 200µm, που είναι τυπικές τιµές για ηµιαγωγικά lasers, η απόσταση των τρόπων στο χώρο των συχνοτήτων είναι 250GHz Για απόσταση των τρόπων στο χώρο των συχνοτήτων ίση µε 250GHz, οι διακυµάνσεις του πλάτους συµβαίνουν υπερβολικά γρήγορα (σε µερικά picoseconds στην κλίµακα του χρόνου) και δεν προκαλούν προβλήµατα για onoff διαµόρφωση ακόµα και για ρυθµούς των µερικών δεκάδων gigabits ανά δευτερόλεπτο Όταν επιλεγούν όλες οι φάσεις φ i, i = 0, 1,, Ν 1, να είναι ίσες, η ταλάντωση στην έξοδο του laser παίρνει τη µορφή περιοδικής ακολουθίας από στενούς παλµούς Ένα laser που λειτουργεί κατ αυτόν τον τρόπο καλείται laser κλειδωµένου τρόπου και είναι ένα κοινό µέσο για την παραγωγή στενών παλµών Το χρονικό διάστηµα µεταξύ δύο παλµών του laser κλειδωµένου τρόπου είναι 2nL/c Για ένα τυπικό ηµιαγωγικό laser, αυτή η διάρκεια αντιστοιχεί σε µερικά picoseconds 160

161 Transmitters Lasers, LEDs, Tunable Lasers Έξοδος ενός laser το οποίο ταλαντώνεται ταυτόχρονα σε 25 διαµήκεις τρόπους Οι φάσεις των τρόπων επιλέγονται τυχαία Όλες οι φάσεις είναι ίσες µεταξύ τους Στον κατακόρυφο άξονα φαίνεται το ηλεκτρικό πεδίο 2nL/c 161

162 Transmitters Lasers, LEDs, Tunable Lasers Έξοδος ενός laser το οποίο ταλαντώνεται ταυτόχρονα σε 25 διαµήκεις τρόπους Οι φάσεις των τρόπων επιλέγονται τυχαία Όλες οι φάσεις είναι ίσες µεταξύ τους Στον κατακόρυφο άξονα φαίνεται το ηλεκτρικό πεδίο 2nL/c 162

163 Transmitters Lasers, LEDs, Tunable Lasers Το χρονικό διάστηµα µεταξύ δύο παλµών του laser κλειδωµένου τρόπου είναι 2nL/c Για διαµόρφωση στην περιοχή 1 10GHz, το (χρονικό) διάστηµα µεταξύ διαδοχικών παλµών θα πρέπει να βρίσκεται στην περιοχή nsec. Με n = 1.5,απαιτούνται µήκη κοιλότητας, L, της τάξης των 1-10 cm ώστε να κατασκευαστεί ένα laser κλειδωµένου τρόπου µε διάστηµα µεταξύ διαδοχικών παλµών της τάξης που τέθηκε Τέτοια µεγάλα µήκη κοιλοτήτων µπορούν να επιτευχθούν χρησιµοποιώντας lasers ίνας, που ούτως ή άλλως απαιτούν το µήκος να είναι µεγάλο, ώστε αν προκύψει επαρκές κέρδος και να πραγµατοποιηθεί η µετάδοση laser Το πιο κοινό µέσο επίτευξης κλειδώµατος τρόπου είναι διαµορφώνοντας το κέρδος της κοιλότητας laser Μπορεί να χρησιµοποιηθεί διαµόρφωση κατά πλάτος ή κατά συχνότητα 163

164 Transmitters Lasers, LEDs, Tunable Lasers Για κλείδωµα του τρόπου µε εφαρµογή διαµόρφωσης πλάτους, το κέρδος της κοιλότητας διαµορφώνεται µε µία περίοδο ίση µε το διάστηµα µεταξύ διαδοχικών παλµών, δηλαδή 2nL/c Το πλάτος αυτής της διαµόρφωσης επιλέγεται ώστε το µέσο κέρδος να είναι ανεπαρκές για κάποιο τρόπο να ταλαντωθεί µόνος του Αν µεγάλο πλήθος τρόπων βρίσκονται σε φάση, µπορεί να υπάρξει σταδιακά επάρκεια σε ενέργεια εντός της κοιλότητας ώστε να συµβεί η ταλάντωση του laser τις στιγµές υψηλού κέρδους ιαµόρφωση κέρδους του laser ίνας µπορεί να επιτευχθεί εισάγοντας ένα εξωτερικό διαµορφωτή εντός της κοιλότητας 164

165 Transmitters Lasers, LEDs, Tunable Lasers Ισχύς στην έξοδο ενός laser (Μέτρο του πεδίου στο τετράγωνο E out 2 ) το οποίο ταλαντώνεται ταυτόχρονα σε 25 διαµήκεις τρόπους 2nL/c 165

168 Transmitters Lasers, LEDs, Tunable Lasers Τα lasers είναι ακριβές διατάξεις και δεν είναι οικονοµικά ανεκτά για πολλές εφαρµογές όπου ο ρυθµός δεδοµένων είναι χαµηλός και οι αποστάσεις µικρές. Σε τέτοιες περιπτώσεις, οι φωτοεκπέµπουσες δίοδοι (Light-Emitting Diodes LEDs) είναι µία οικονοµικότερη εναλλακτική λύση Μία LED είναι µία επαφή pn ορθά πολωµένη στην οποία ο επανασυνδυασµός (recombination)των εγχεόµενων φορέων µειονότητας (ηλεκτρόνια στην περιοχή τύπου p και οπές στην περιοχή τύπου n) από τη διαδικασία αυθόρµητης εκποµπής παράγει φως Είναι, επίσης, πιθανός ένας µη επιθυµητός µη ακτινοβόλος (non-radiative) επανασυνδυασµός και είναι σηµαντικός παράγοντας που επηρεάζει τις επιδόσεις των LEDs Επειδή η αυθόρµητη εκποµπή συµβαίνει εντός όλου του εύρους ζώνης του µέσου που προσδίδει κέρδος (που αντιστοιχεί σε όλες τις διαφορές ενέργειας µεταξύ των ζωνών σθένους και αγωγιµότητας για µία LED), το φως στην έξοδο µίας LED έχει ευρύ φάσµα, σε σχέση µε αυτό του laser 168

169 Transmitters Lasers, LEDs, Tunable Lasers Μία LED µπορεί χονδροειδώς να θεωρηθεί σαν ένα laser µε έδρες που δεν είναι ιδιαίτερα ανακλαστικές Αυξάνοντας το ρεύµα άντλησης, απλά αυξάνεται η αυθόρµητη εκποµπή και δεν υπάρχει περίπτωση να προκληθεί εξαναγκασµένη εκποµπή εξαιτίας της ανεπαρκούς ανακλαστικότητας των εδρών. Γι αυτό το λόγο οι LEDs δε µπορούν να παράγουν υψηλά επίπεδα ισχύος εξόδου όπως τα lasers, µε τυπικά επίπεδα ισχύος εξόδου για τις LEDs της τάξης των 20dBm Οι LEDs δε µπορούν να διαµορφωθούν άµεσα σε ρυθµό δεδοµένων υψηλότερο από µερικές εκατοντάδες megabits ανά δευτερόλεπτο Σε µερικές εφαρµογές χαµηλού κόστους και µικρών ταχυτήτων, υπάρχει η απαίτηση για πηγή µε στενό φασµατικό εύρος Ένα DFB laser παρέχει στενό φασµατικό εύρος, αλλά µπορεί να είναι αρκετά ακριβό για τέτοιες εφαρµογές Ο τεµαχισµός µίας LED (LED slicing) είναι φθηνότερη εναλλακτική. Ένα (φασµατικό) τεµάχιο µίας LED είναι η έξοδος ενός οπτικού φίλτρου διέλευσης ζώνης συχνοτήτων που τοποθετείται µπροστά από τη LED. Το φίλτρο επιλέγει ένα τµήµα από την έξοδο της LED. ιαφορετικά φίλτρα µπορούν να χρησιµοποιηθούν για την επιλογή µη επικαλυπτόµενων φασµατικών τεµαχίων της εξόδου της LED. Τέτοια τεχνική έχει εφαρµοστεί σε δίκτυα πρόσβασης µε µικρές απαιτήσεις σε ταχύτητα 169

172 Transmitters Lasers, LEDs, Tunable Lasers Τα συντονιζόµενα (tunable) lasers είναι επιθυµητές διατάξεις σε WDM συστήµατα για διάφορους λόγους Ενώ τα σταθερού µήκους κύµατος DFB lasers λειτουργούν καλά, για κάθε µήκος κύµατος απαιτείται διαφορετικό και µοναδικό laserπου προφανώς είναι πρόβληµα, όσον αφορά το οικονοµικό µέρος, σε ένα WDM σύστηµα 100 καναλιών και αυτό το πρόβληµα επηρεάζει τους κατασκευαστές lasers και τους παρόχους εξοπλισµού (equipment suppliers) Τα συντονιζόµενα lasers δίνουν τη δυνατότητα ανασχηµατισµού στα οπτικά δίκτυα. Παρέχουν ελαστικότητα στην επιλογή του µήκους κύµατος εκποµπής κατά αυθαίρετο τρόπο. Π.χ. για 4 µονοπάτια (φωτός) που ξεκινούν από ένα κόµβο, ο κόµβος αυτός µπορεί να είναι εφοδιασµένος µε 4 συντονιζόµενα lasers, αντί να του προ-εκχωρηθεί µεγάλο πλήθος σταθερά συντονισµένων lasers ώστε να καλυφθούν όλα τα πιθανά µήκη κύµατος 172

173 Transmitters Lasers, LEDs, Tunable Lasers Τα συντονιζόµενα lasers βρίσκουν εφαρµογή και σε δίκτυα οπτικής µεταγωγής πακέτου, όπου τα δεδοµένα πρέπει να µεταδοθούν σε διαφορετικά µήκη κύµατος σε επίπεδο πακέτου-προς-πακέτο (packet-by-packet basis). Ωστόσο, σε µία τέτοια εφαρµογή οι χρόνοι συντονισµού θα πρέπει να είναι της τάξης των nanoseconds ως microseconds (το πολύ) και εξαρτώνται από το ρυθµό µετάδοσης των bits και το µέγεθος των πακέτων που χρησιµοποιούνται Αξίζει να αναφερθεί ότι σε δίκτυα οπτικής µεταγωγής πακέτου µε χρήση κατάλληλου πρωτοκόλλου που καθορίζει τους κανόνες πρόσβασης στα µήκη κύµατος µπορεί να αποφευχθεί η χρήση συντονιζόµενων lasers Το υλικό InGaAsP/InP επαυξήθηκε µε τη χρήση δοµών κβαντικών πηγαδιών (quantum well structures) και έχει ολικό εύρος ζώνης κέρδους περίπου 250nm στην περιοχή των 1550nm, που είναι επαρκές για τις τρέχουσες ανάγκες των WDM σηµάτων Ωστόσο, οι διαθέσιµοι µηχανισµοί συντονισµού περιορίζουν το εύρος συντονισµού σε ένα µικρότερο εύρος µηκών κύµατος 173

174 Transmitters Lasers, LEDs, Tunable Lasers Τυπικά, χρησιµοποιούνται οι ακόλουθοι µηχανισµοί συντονισµού Το ρεύµα έγχυσης σε ένα ηµιαγωγικό laser προκαλεί µία αλλαγή στο δείκτη διάθλασης του υλικού, που εν συνεχεία αλλάζει το µήκος κύµατος του laser. Η επίδραση είναι σχετικά µικρή (είναι δυνατή αλλαγή στο δείκτη διάθλασης και το µήκος κύµατος κατά 0.5-2%). Αυτό το φαινόµενο µπορεί να χρησιµοποιηθεί για να επιτευχθεί εύρος συντονισµού περίπου 10nm µε 15nm στην περιοχή των 1550nm Συντονισµός θερµοκρασίας. Η ευαισθησία του µήκους κύµατος ενός ηµιαγωγικού laser στη θερµοκρασία είναι περίπου 0.1nm/ o C. Στην πράξη, το επιτρεπόµενο εύρος για συντονισµό θερµοκρασίας είναι 1nmκαι αντιστοιχεί σε µεταβολή θερµοκρασίας κατά 10 o C. Λειτουργώντας το laser σε σηµαντικά υψηλότερες θερµοκρασίες από τη θερµοκρασία δωµατίου προκαλεί υποβάθµιση του χρόνου ζωής του Μηχανικός συντονισµός µπορεί να χρησιµοποιηθεί για την παροχή συντονισµού µεγάλου εύρους σε lasers που χρησιµοποιούν ξεχωριστό µηχανισµό εξωτερικής κοιλότητας. Πολλοί από αυτούς τείνουν να είναι ογκώδεις. Ωστόσο, έχει εξεταστεί ένα µηχανισµός µικρο-ηλεκτρο-µηχανικού (micro-electro-mechanical) συντονισµού, µε δυνατότητα συµπαγούς υλοποίησης για το laser Οι µηχανισµοί συντονισµού είναι σύνθετοι και στις περισσότερες περιπτώσεις αλληλεπιδρούν µε τους µηχανισµούς διαµόρφωσης, κάνοντας δύσκολη την άµεση διαµόρφωση των περισσότερων συντονιζόµενων lasers 174

175 Transmitters Lasers, LEDs, Tunable Lasers Το ιδανικό συντονιζόµενο laser είναι µία διάταξη που µπορεί να συντονιστεί µε ταχύτητα σε µεγάλο και συνεχές εύρος συντονισµού πάνω από 100 nm. Θα πρέπει να είναι σταθερό κατά τη διάρκεια της ζωής του και εύκολα ελεγχόµενο και κατασκευάσιµο Πολλές από τις τεχνολογίες συντονιζόµενων lasers που θα περιγραφούν υπάρχουν εδώ και χρόνια, αλλά λόγω της πολυπλοκότητας κατασκευής και ελέγχου τους και λόγω των προκλήσεων που αφορούν την αξιοπιστία τους, αυτές οι διατάξεις άργησαν να διατεθούν εµπορικά Τα lasers εξωτερικής κοιλότητας µπορούν να συντονιστούν αν το κεντρικό µήκος κύµατος του φράγµατος ή άλλου κάτοπτρου επιλεκτικού κατά µήκος κύµατος που χρησιµοποιείται µπορεί να αλλάξει Το µήκος κύµατος που επιλέγεται από το φράγµα για να ανακλαστεί στην κοιλότητα κέρδους καθορίζεται από τον αριθµό των «δοντιών» (pitch) και από τη γωνία κλίσης του φράγµατος ως προς την κοιλότητα κέρδους καθώς και από την απόσταση από την κοιλότητα κέρδους Μεταβάλλοντας τη γωνία κλίσης και την απόσταση του φράγµατος περίθλασης από την κοιλότητα κέρδους, το µήκος κύµατος του laser µπορεί να αλλάξει Αποτελεί αργή µέθοδο συντονισµού, αφού η κλίση και η θέση του φράγµατος περίθλασης πρέπει να αλλάζουν µε µηχανικά µέσα 175

176 Transmitters Lasers, LEDs, Tunable Lasers Το µήκος κύµατος που επιλέγεται από το φράγµα για να ανακλαστεί στην κοιλότητα κέρδους καθορίζεται από τον αριθµό των «δοντιών» (pitch) και από τη γωνία κλίσης του φράγµατος ως προς την κοιλότητα κέρδους καθώς και από την απόσταση από την κοιλότητα κέρδους Ωστόσο, µπορεί να επιτευχθεί πολύ µεγάλο εύρος συντονισµού (περίπου 100nm) µε αυτή τη µέθοδο για ηµιαγωγικά lasers Αυτή η µέθοδος συντονισµού είναι κατάλληλη για εργαλεία ελέγχου και όχι για µία πηγή σε σύστηµα επικοινωνιών Περιστρέφοντας το φράγµα, αλλάζει το µήκος κύµατος συντονισµού του laser Κοιλότητα που εισάγει κέρδος Αντι-ανακλαστική επικάλυψη Φράγµα οµή ενός laser εξωτερικής κοιλότητας µε φράγµα Ανακλαστικό κάτοπτρο Φακός 176

177 Transmitters Lasers, LEDs, Tunable Lasers Τα VCSEL εξετάστηκαν ήδη. Οι κύριες προκλήσεις στην κατασκευή VCSELs στα 1550nm έχουν να κάνουν µε τη λήψη επαρκούς κέρδους στην κοιλότητα την κατασκευή έντονα ανακλαστικών κατοπτρικών επιφανειών την αντιµετώπιση της θερµότητας τη δυνατότητα του laser να λειτουργεί µονότροπα Έχει αναπτυχθεί VCSEL µε το οποίο γίνεται προσπάθεια να αντιµετωπιστούν οι πιο πάνω προκλήσεις, µε το laser να γίνεται συντονιζόµενο Η δυνατότητα συντονισµού επιτυγχάνεται θέτοντας το άνω κάτοπτρο ως µία κινούµενη µικρο-ηλεκτρο-µηχανική (Micro-Electro-Mechanical MEM) µεµβράνη Η απόσταση της κοιλότητας µπορεί να προσαρµοστεί µετακινώντας το άνω κάτοπτρο εφαρµόζοντας µία τάση στο ανώτερο και κατώτερο κάτοπτρο Το ανώτερο κάτοπτρο είναι καµπυλωτό για καλύτερη σταθερότητα του τρόπου (µήκους κύµατος) που µεταδίδεται Για να αποµακρύνεται η θερµότητα από το κάτω κάτοπτρο, έχει χαραχτεί µία οπή στο υπόστρωµα InP 177

178 Transmitters Lasers, LEDs, Tunable Lasers Χρησιµοποιείται ένα laser άντλησης στα 980nm για την άντληση της κοιλότητας του VCSEL οµή ενός συντονιζόµενου laser VCSEL µε κινούµενη µικρο-ηλεκτρο-µηχανική µεµβράνη Άντληση στα 980 nm Φως εξόδου στα 1550 nm Ηµιαγωγικό (InP) υπόστρωµα InP υπόστρωµα Θερµικά αγώγιµο κάτοπτρο Κινούµενο κάτοπτρο Περιοχή κέρδους 178

179 Transmitters Lasers, LEDs, Tunable Lasers Οποιοδήποτε µήκος κύµατος άντλησης κάτω από το επιθυµητό µήκος κύµατος µπορεί να χρησιµοποιηθεί για τη διέγερση των ηλεκτρονίων του ηµιαγωγού στη ζώνη αγωγιµότητας. Π.χ. Η άντληση στα 980nm χρησιµοποιείται στους EDFAs και µπορεί να εφαρµοστεί και στα συντονιζόµενα VCSELs Με κατάλληλο ταίριασµα της δέσµης του laser άντλησης και του θεµελιώδους τρόπου του VCSEL, το laser µπορεί να γίνει µονότροπο καταστέλλοντας τους τρόπους ανώτερης τάξης της κοιλότητας Fabry-Perot. Το να χρησιµοποιηθεί κέρδος (ενεργό υλικό) γι αυτή τη λειτουργία είναι καλύτερο από το να σχεδιαστεί η κοιλότητα ώστε να παρέχει υψηλότερες απώλειες στους τρόπους ανώτερης τάξης από ότι για το θεµελιώδη τρόπο. Το υψηλό κέρδος επιτρέπει επίσης την µείωση ανακλάσεων σύζευξης στην έξοδο, διατηρώντας, όµως, επαρκή αντιστροφή εντός της κοιλότητας ώστε να εµποδίζεται ο υπερβολικός επανασυνδυασµός φορέων Έχει σχεδιαστεί laser µε τη µέθοδο που περιγράφηκε µε δυνατότητα εκποµπής 0dBm ισχύος σε CW (Continuous-Wave) τρόπο λειτουργίας σε ένα εύρος 50nm 179

180 Transmitters Lasers, LEDs, Tunable Lasers Έχει ήδη αναφερθεί ότι µπορεί να µεταβληθεί ο δείκτης διάθλασης ενός ηµιαγωγικού laser µε έγχυση ρεύµατος σε αυτό, δίνοντας τη δυνατότητα συντονισµού σε εύρος περίπου 10 nm Το DFB laser µπορεί να συντονιστεί µεταβάλλοντας το ρεύµα ορθής πόλωσης, το οποίο µεταβάλλει το δείκτη διάθλασης, ο οποίος εν συνεχεία µεταβάλλει τον «ενεργό αριθµό δοντιών» (effective pitch) του φράγµατος εντός της κοιλότητας του laser Ωστόσο, αλλάζοντας το ρεύµα ορθής πόλωσης, αλλάζει και η ισχύς εξόδου της διάταξης, κάνοντας αυτή την τεχνική ακατάλληλη για χρήση σε ένα DFB laser προς εκµετάλλευση διαφορετικού µήκους κύµατος στην έξοδο, αφού κάθε ένα θα αντιστοιχεί σε διαφορετική ισχύ Επιπλέον το εύρος συντονισµού είναι µικρό οµή ενός DFB laser. Το κέρδος και το µήκος κύµατος εκποµπής αποκτώνται στην ίδια περιοχή Λ Λ: περίοδος της αυλάκωσης Εκποµπή φωτός Μέσο που εισάγει κέρδος 180

181 Transmitters Lasers, LEDs, Tunable Lasers Ένα συµβατικό DBR laser έχει µία µόνο περιοχή κέρδους που ελέγχεται µε την έγχυση του ρεύµατος ορθής πόλωσης I g. Μεταβάλλοντας αυτό το ρεύµα αλλάζει µόνο η ισχύς εξόδου και δεν επηρεάζεται (πολύ) το µήκος κύµατος Αυτή η δοµή µπορεί να τροποποιηθεί προσθέτοντας επιπλέον ηλεκτρόδιο ώστε να εγχέεται ένα διαφορετικό ρεύµα I b στην περιοχή Bragg που έχει αποσυζευχτεί από την περιοχή κέρδους. Μ αυτό τον τρόπο επιτρέπεται στο µήκος κύµατος να ελέγχεται ανεξάρτητα από την ισχύ εξόδου Το τροποποιηµένο DBR laser έχει πολλαπλούς τρόπους κοιλότητας µε µικρή απόσταση µεταξύ τους που αντιστοιχούν στο µήκος της κοιλότητας, εκ των οποίων αυτός που θα εκπεµφθεί από το laser αντιστοιχεί στην κορυφή (peak) των µηκών κύµατος του Bragg φράγµατος Καθώς η κορυφή των µηκών κύµατος του φράγµατος αλλάζει µεταβάλλοντας το ρεύµα I b, το laser µεταπηδά από τον ένα τρόπο στον άλλο, επειδή καθώς το ρεύµα I b µεταβάλλεται, µεταβάλλεται και το Bragg µήκος κύµατος, δηλαδή το µήκος κύµατος που καλύπτει τη συνθήκη Bragg Την ίδια στιγµή, υπάρχει και µια µικρή αλλαγή στην απόσταση των τρόπων εξαιτίας της αλλαγής του δείκτη διάθλασης στο τµήµα που περιλαµβάνει το φράγµα µέσα στην ολική κοιλότητα 181

182 Transmitters Lasers, LEDs, Tunable Lasers Το τροποποιηµένο DBR laserέχει πολλαπλούς τρόπους κοιλότητας µε µικρή απόσταση µεταξύ τους που αντιστοιχούν στο µήκος της κοιλότητας, εκ των οποίων αυτός που θα εκπεµφθεί από το laser αντιστοιχεί στην κορυφή (peak) των µηκών κύµατος του Bragg φράγµατος Οι δύο αλλαγές (αλλαγή του Bragg µήκους κύµατος και αλλαγή της απόστασης των τρόπων) δεν ακολουθούν η µία την άλλη. Αυτό έχει σαν αποτέλεσµα, καθώς το I b µεταβάλλεται και το Bragg µήκος κύµατος αλλάζει, το µήκος κύµατος εκποµπής µεταβάλλεται, µε το laser να παραµένει στον ίδιο τρόπο της κοιλότητας για κάποιο χρόνο (υπάρχει µικρή µετατόπιση του ίδιου του τρόπου). Καθώς το ρεύµα µεταβάλλεται κι άλλο, το laser µεταπηδά στον επόµενο τρόπο της κοιλότητας Με λίγα λόγια, αυτό σηµαίνει ότι δε συµπίπτει η κορυφή του Bragg φίλτρου µε ένα τρόπο του laser για τον οποίο θα είχαµε µέγιστη ισχύ εξόδου. Τότε, όµως, δεν έχουµε µέγιστη ισχύ στην έξοδο, επειδή το Bragg Grating φίλτρο δεν επιλέγει ακριβώς τον επιθυµητό τρόπο στην έξοδο και η ισχύς πέφτει ελαφρώς Με προσεκτικό έλεγχο του µήκους της κοιλότητας, η απόσταση ανάµεσα στους τρόπους µπορεί να γίνει ίση µε την απόσταση καναλιών σε ένα WDM σύστηµα 182

183 Transmitters Lasers, LEDs, Tunable Lasers DBR laser δύο τµηµάτων όπου η περιοχή κέρδους και Bragg φράγµατος ελέγχονται ανεξάρτητα οµή του laser I g I b Ισχύς I b Μήκος κύµατος Τρόποι της κοιλότητας Περιοχή κέρδους Φράγµα Bragg Ισχύς Μήκος κύµατος I Επιλογή Bragg b µήκους κύµατος Μήκος κύµατος Συµπεριφορά συντονισµού I b 183

184 Transmitters Lasers, LEDs, Tunable Lasers Για να επιτευχθεί συνεχής (continuous) συντονισµός σε όλο το εύρος µηκών κύµατος, µπορεί να προστεθεί στο DBR laser ένα πρόσθετο τρίτο τµήµα φάσης (phase section) Εγχέοντας ένα τρίτο ρεύµα I p σε αυτό το τµήµα, επιτρέπεται ο έλεγχος της απόστασης των τρόπων της κοιλότητας, ανεξάρτητα από τις άλλες επιδράσεις στο laser. Είναι επαρκές να µεταβληθεί το ενεργό µήκος της κοιλότητας (effective cavity length)κατά µισό µήκος κύµατος (ή ισοδύναµα η φάση κατά π), ώστε να προκύψει δυνατότητα συντονισµού σε ολόκληρη την απόσταση δύο διαδοχικών τρόπων (Free Spectral Range) Η αλλαγή στο ενεργό µήκος της κοιλότητας είναι ένα µικρό κλάσµα του ολικού µήκους της κοιλότητας και επιτυγχάνεται εύκολα µε έγχυση ρεύµατος στο τµήµα φάσης Ελέγχοντας προσεκτικά το ρεύµα I p ώστε ένας τρόπος της κοιλότητας να αντιστοιχεί στην κορυφή µηκών κύµατος του Bragg φράγµατος που καθορίζεται από το ρεύµα I b, το µήκος κύµατος µπορεί να συντονιστεί συνεχόµενα στο εύρος µηκών κύµατος συντονισµού ύο και τριών τµηµάτων DBRs µε δυνατότητα συντονισµού σε 32 κανάλια µε βήµα των 50GHz έχουν ήδη αναπτυχθεί 184

185 Transmitters Lasers, LEDs, Tunable Lasers DBR laser τριών τµηµάτων όπου η περιοχή κέρδους και Bragg φράγµατος ελέγχονται ανεξάρτητα µε ένα πρόσθετο τµήµα ελέγχου φάσης στην κοιλότητα οµή του laser I g I p I b Ισχύς I b Μήκος κύµατος Τρόποι της κοιλότητας Περιοχή κέρδους Φράγµα Bragg Έλεγχος Φάσης Ισχύς Μήκος κύµατος I b I Επιλογή Bragg b µήκους κύµατος Μήκος κύµατος I p Συµπεριφορά συντονισµού 185

186 Transmitters Lasers, LEDs, Tunable Lasers Σηµαντικό πρόβληµα βρίσκεται στον έλεγχο αυτών των laser, που µπορεί να είναι περίπλοκος Με το πέρασµα του χρόνου ή µε την αλλαγή της θερµοκρασίας, τα ρεύµατα ελέγχου µπορεί να χρειαστεί να βαθµονοµηθούν και πάλι (recalibrate), αλλιώς το laser µπορεί να καταλήξει να µεταπηδά σε άλλο µήκος κύµατος. Οι αναπηδήσεις µπορεί να συµβαίνουν προς τα µπρος και προς τα πίσω γρήγορα και µπορεί να αποδοθεί και σαν σχετικός θόρυβος έντασης (Relative Intensity Noise RIN) στην έξοδο του laser Τα DBRs που περιγράφηκαν ως τώρα περιορίζονται σε nm εύρος συντονισµού από την αλλαγή 0.5-2% στο δείκτη διάθλασης Αύξηση του εύρους συντονισµού απαιτεί απαιτεί επιπλέον τεχνάσµατα Ένα τέχνασµακάνει το µήκος κύµατος του laser εξαρτώµενο από τη διαφορά ανάµεσα στους δείκτες διάθλασης δύο διαφορετικών περιοχών. Η δυνατή ολική µεταβολή είναι κατά πολύ µεγαλύτερη από τη µεταβολή για κάθε περιοχή χωριστά. Τα lasers που κάνουν χρήση αυτής της αρχής καλούνται Vertical Grating-assisted coupler Filter (VGF) lasers 186

187 Transmitters Lasers, LEDs, Tunable Lasers Ένα VGF laser αποτελείται από δύο κυµατοδηγούς, µε µία περιοχή σύζευξης µεταξύ τους. Γίνεται σύζευξη του µήκους κύµατος λ από τον ένα κυµατοδηγό µε δείκτη διάθλασης n 1 στον άλλο µε δείκτη διάθλασης n 2 αν λ = Λ Β ( n n ) όπου Λ Β είναι η περίοδος του φράγµατος Bragg. Αλλάζοντας το δείκτη διάθλασης της µίας περιοχής, π.χ. το n 1 κατά n 1, οδηγεί σε αλλαγή του µήκους κύµατος συντονισµού κατά λ, όπου λ n1 λ n n Περιοχή κέρδους I g I c I p Κυµατοδηγός 1 Κυµατοδηγός 2 Περιοχή σύζευξης Περιοχή φάσης 187

188 Transmitters Lasers, LEDs, Tunable Lasers Η ποσότητα λ/λ είναι σηµαντικά µεγαλύτερη από από το λόγο n 1 /n 1 που επιτυγχάνεται στα DBRs δύο και τριών τµηµάτων Το ρεύµα I c ελέγχει το δείκτη n 1 και το ρεύµα I g παρέχει το ρεύµα στην περιοχή κέρδους του δεύτερου κυµατοδηγού. Όπως στα DBRs δύο κι τριών τµηµάτων για να αποκτηθεί συνεχής συντονισµός, η απόσταση των τρόπων της κοιλότητας πρέπει να ελέγχεται από ένα τρίτο ρεύµα I p. Με βάση αυτή την προσέγγιση έχουν αναπτυχθεί lasers µε 70 nm εύρη συντονισµού Ένα σηµαντικό πρόβληµα µε αυτή την προσέγγιση είναι ότι το µήκος της κοιλότητας πρέπει να είναι επαρκώς µεγάλο ( µm) ώστε να υπάρξει ικανοποιητική σύζευξη ανάµεσα στους κυµατοδηγούς. Αυτό προκαλεί τους τρόπους της κοιλότητας να έχουν πολύ µικρή απόσταση µεταξύ τους (FSR = c/2n eff L cav, µε L cav το ολικό µήκος της κοιλότητας και λ = λ 2 /c f). Έτσι, το laser τείνει να µεταπηδά εύκολα από τον ένα τρόπο στον άλλο ακόµη και αν όλα τα µήκη κύµατος διατηρηθούν σταθερά, γεγονός που οδηγεί σε ανεπαρκή καταστολή των πλευρικών τρόπων, κάνοντας το laserακατάλληλο για µεταδόσεις µε υψηλό ρυθµό bits σε µεγάλες αποστάσεις 188

189 Transmitters Lasers, LEDs, Tunable Lasers Το δεύτερο τέχνασµα είναι να γίνει χρήση του φαινοµένου Vernier, όπου έχουµε δύο οµάδες (combs) από µήκη κύµατος µε την απόσταση µεταξύ διαδοχικών µηκών κύµατος να είναι σταθερή για καθεµία οµάδα και µε λίγο διαφορετική απόσταση µεταξύ των µηκών κύµατος για τις δύο οµάδες. Ο συνδυασµός των δύο οµάδων αποδίδει µία άλλη περιοδική οµάδα µε πολύ υψηλότερη απόσταση µεταξύ διαδοχικών κορυφών της Ακόµα κι αν κάθε οµάδα µηκών κύµατος µπορεί να συντονιστεί σε µικρό εύρος, ο συνδυασµός των δύο οµάδων αποδίδει πολύ µεγαλύτερο εύρος συντονισµού Η προσέγγιση που περιγράφηκε εφαρµόζεται στα Sampled Grating (SG) DBRs και στα Super-Structure Grating (SSG) DBRs Ένα Sampled Grating DBR laser έχει δύο φράγµατα, ένα µπρος και ένα πίσω Το φράγµα Bragg που βρίσκεται µπροστά διακόπτεται περιοδικά (ή δειγµατοληπτείται sampled)µε περίοδο καθενός τµήµατος φράγµατος Λ 1. Αυτό έχει σαν αποτέλεσµα ένα περιοδικό σύνολο από κορυφές Bragg ανάκλασης µε απόσταση σε µήκη κύµατος ίση µε λ 2 /(2n eff Λ 1 ) ( λ = λ 2 /c FSR = λ 2 /c (c/(2n eff Λ 1 ))), όπου λ είναι το ονοµαστικό κεντρικό µήκος κύµατος Οι κορυφές ελαττώνονται βαθµιαία σε ανακλαστικότητα, µε τη µέγιστη ανάκλαση να συµβαίνει στο Bragg µήκος κύµατος 2n eff Λ, όπου Λ είναι η περίοδος του φράγµατος 189

190 Transmitters Lasers, LEDs, Tunable Lasers Το πίσω φράγµα «δειγµατοληπτείται» µε διαφορετικό περίοδο Λ 2, που έχει σαν αποτέλεσµα άλλο σύνολο κορυφών ανάκλασης µε απόσταση σε µήκη κύµατος ίση µε λ 2 /2n eff Λ 2 Για να λειτουργήσει η διάταξη ως laser, πρέπει να υπάρξει µία επικάλυψη ανάµεσα στις δύο κορυφές ανάκλασης των φραγµάτων Bragg και σε ένα τρόπο της κοιλότητας Όπως και στα DBRs δύο και τριών τµηµάτων, ένα ξεχωριστό τµήµα φάσης ελέγχει την απόσταση των τρόπων της κοιλότητας για να εξασφαλιστεί ο συνεχής συντονισµός οµή ενός Sampled Grating DBR laser I b1 I g I p I b2 ειγµατοληπτηµένο φράγµα µε περίοδο Λ 1 Περιοχή κέρδους Έλεγχος Φάσης ειγµατοληπτηµένο φράγµα µε περίοδο Λ 2 190

191 Transmitters Lasers, LEDs, Tunable Lasers Παρά το γεγονός ότι το εύρος συντονισµού κάθε κορυφής ανάκλασης περιορίζεται σε nm, συνδυάζοντας τα δύο σύνολα κορυφών ανάκλασης έχει σαν αποτέλεσµα ένα µεγάλο εύρος συντονισµού I p, I b1, I b2 Ισχύς Ισχύς Ισχύς λ 2 /(2n eff Λ 1 ) λ 2 /(2n eff Λ 2 ) Αρχή επιλογής µήκους κύµατος Τρόποι της κοιλότητας Μήκος κύµατος I b1 Κορυφές από το δειγµατοληπτηµένο φράγµα 1 Μήκος κύµατος I b2 Κορυφές από το δειγµατοληπτηµένο φράγµα 2 Μήκος κύµατος 191

192 Transmitters Lasers, LEDs, Tunable Lasers Επιπρόσθετη επιπλοκή µ αυτή την προσέγγιση είναι ότι επειδή ελαττώνονται σταδιακά οι κορυφές ανάκλασης, το ρεύµα στην περιοχή κέρδους πρέπει να αυξηθεί ώστε να αντισταθµιστεί η φτωχότερη ανακλαστικότητα καθώς το laser συντονίζεται µακριά από τη βασική κορυφή Bragg ανάκλασης Άλλος τρόπος επίτευξης του ίδιου αποτελέσµατος είναι µε την χρήση περιοδικά chirped φραγµάτων. Μία τέτοια δοµή καλείται Super-Structure Grating DBR laser. Το πλεονέκτηµα αυτή της δοµής είναι ότι τα chirped φράγµατα παρέχουν ένα σύνολο κορυφών έντονα ανακλαστικών σε µεγαλύτερο εύρος µηκών κύµατος απ ότι η δοµή sampled structure Το Grating Coupler Sampled Reflector (GCSR) laser είναι ένα συνδυασµός των δύο προσεγγίσεων-τεχνασµάτων, δηλαδή είναι ένας συνδυασµός ενός VGF και ενός sampled ή super-structure φράγµατος Το VGF παρέχει µεγάλο εύρος συντονισµού Το SSG φράγµα παρέχει υψηλή επιλεκτικότητα για την εξάλειψη των πλευρικών τρόπων Κατά µία έννοια, το VGF παρέχει το «χονδρικό» συντονισµό για την επιλογή µίας µπάντας µηκών κύµατος µε πολλαπλούς τρόπους εντός της µπάντας και το SSG φράγµα δίνει τη δυνατότητα επιλογής εντός της µπάντας 192

193 Transmitters Lasers, LEDs, Tunable Lasers Το GCSR laser είναι ένας συνδυασµός ενός VGF και ενός sampled ή superstructure φράγµατος Όπως στα DBR lasers δύο και τριών τµηµάτων, ένα πρόσθετο τµήµα φάσης παρέχει τον έλεγχο των τρόπων της κοιλότητας ώστε να δίνεται η δυνατότητα για συνεχή συντονισµό εντός τη µπάντας µε καταστολή των πλευρικών τρόπων οµή ενός GCSR laser Περιοχή κέρδους I g I c I p I b Περιοχή σύζευξης Περιοχή φάσης Κυµατοδηγός 1 Κυµατοδηγός 2 Περιοχή δειγµατοληπτηµένου φράγµατος 193

194 Transmitters Lasers, LEDs, Tunable Lasers Άλλος τρόπος επίτευξης συντονιζόµενης πηγής laser είναι µε τη χρήση µίας διάταξης από lasers µε διακριτά µήκη κύµατος. Ένα από αυτά τα lasers είναι «αναµµένο» σε κάθε στιγµή Μία προσέγγιση είναι η κατασκευή διάταξης από DFB lasers, το καθένα σε διαφορετικό µήκος κύµατος. Σε συνδυασµό µε συντονισµό θερµοκρασίας, αυτή η µέθοδος µπορεί να χρησιµοποιηθεί για την επίτευξη σχεδόν συνεχούς συντονισµού. Ένα σηµαντικό πρόβληµα µε αυτή την προσέγγιση έχει να κάνει µε την ακρίβεια στο µήκος κύµατος των lasers της διάταξης, κάνοντας δύσκολη την επίτευξη ενός συνόλου µηκών κύµατος µε την απόσταση µεταξύ τους καθορισµένη µε ακρίβεια. Ωστόσο, αν χρησιµοποιείται µόνο ένα laser σε κάθε στιγµή, η έλλειψη ακρίβειας µπορεί να αντισταθµιστεί µε συντονισµό θερµοκρασίας Άλλη προσέγγιση είναι η χρήση διατάξεων lasers τύπου Fabry-Perot και ενός εξωτερικού µηχανισµού για την επιλογή του µήκους κύµατος εκποµπής. Σαν εξωτερικοί µηχανισµοί έχουν προταθεί ένα εξωτερικό φράγµα κυµατοδηγού (waveguide grating). M αυτές τις δοµές, η ακρίβεια του µήκους κύµατος καθορίζεται από το εξωτερικό φράγµα. Το µεγάλο µήκος της κοιλότητας έχει σαν αποτέλεσµα ένα µεγάλο πλήθος τρόπων της κοιλότητας εντός του παραθύρου επιλογής του φράγµατος κυµατοδηγού, το οποίο θα προκαλούσε την αναπήδηση του laser µεταξύ τρόπων της κοιλότητας κατά τη διάρκεια της λειτουργίας 194

197 Transmitters Lasers Κβαντικού Περιορισµού Επιστρέφοντας στη βασική δοµή των επαφών pn που λειτουργούν ως laser Με όσο το δυνατό µεγαλύτερο παράγοντα σύµπτυξης (Γ) και όσο το δυνατόν µικρότερες διαστάσεις της ενεργού περιοχής, τόσο περισσότερα ηλεκτρόνια άντλησης θα µετατρέπονται σε φως Με κατάλληλο (και πιο συγκεκριµένα µεγαλύτερο) δείκτη διάθλασης της ενεργού περιοχής από αυτόν του περιβάλλοντος µέσου επέρχεται βελτίωση στον χωρικό περιορισµό των φορέων Προσθήκη επιπλέον υλικού µεταξύ των ηµιαγωγών τύπου p και τύπου n (ετεροδοµή) Με τον περιορισµό των ηλεκτρονίων σε µικρότερο χώρο (αύξηση της συγκέντρωσής τους) µειώνεται το ρεύµα κατωφλίου Εξοικονόµηση ισχύος Αύξηση της διάρκειας ζωής της διάταξης Απλοποιείται το κύκλωµα ελέγχου της τροφοδοσίας Υπάρχει ένα άλλο εντελώς διαφορετικό είδος περιορισµού των φορέων, όχι γεωµετρικό Περιορισµός των ενεργειακών καταστάσεων που τα ηλεκτρόνια επιτρέπεται να καταλαµβάνουν Αυτά είναι τα laser κβαντικού περιορισµού (quantum confinement) 197

198 Transmitters Lasers Κβαντικού Περιορισµού Πλεονεκτήµατα των laser κβαντικού περιορισµού Χαµηλότερο ρεύµα κατωφλίου Λεπτότερο εύρος γραµµής Χαµηλότερη ευαισθησία στη θερµοκρασία Τα laser που χρησιµοποιούν κβαντικό περιορισµό περιλαµβάνουν τα εξής Ένα απλό «κβαντικό φρέαρ» (Quantum Well QW) Πολλαπλά «κβαντικά φρέατα» (Multiple Quantum Well MQW) Η ενεργός περιοχή αποτελείται από διαστρωµάτωση τύπου «σάντουιτς» από εναλλασσόµενα στρώµατα δύο διαφορετικών ηµιαγωγικών υλικών Τα στρώµατα έχουν λεπτότατο πάχος (5~10 nm) «Κβαντικά νήµατα» (Quantum Wires QWi) περιορισµός σε µία µόνο διάσταση «Κβαντικά σηµεία» (Quantum Dots QD) σηµειακή διάσταση 198

199 Transmitters Lasers Κβαντικού Περιορισµού οµές των Lasers κβαντικού περιορισµού Συµπαγής (κοινή) δοµή οµή πολλαπλών κβαντικών φρεάτων οµή πολλαπλών κβαντικών νηµάτων οµή πολλαπλών κβαντικών σηµείων p p p p n n n n Ενεργός περιοχή Ενεργός περιοχή Ενεργός περιοχή Ενεργός περιοχή 199

202 Transmitters Direct and External Modulation Η διαδικασία «επιβολής» δεδοµένων στο φως καλείται διαµόρφωση Το απλούστερο και πιο ευρέως χρησιµοποιούµενο σχήµα διαµόρφωσης καλείται On-Off Keying (OOK), όπου η ροή φωτός ανάβει ή σβήνει (turned on or off), µε βάση αν το bit δεδοµένων είναι 1 ή 0 Στο OOK σχήµα διαµόρφωσης µπορούν να χρησιµοποιηθούν πολλές µορφές σήµατος ή πιο σωστά πολλές µορφές παλµών σήµατος. Οι πιο κοινές µορφές παλµών είναι οι Non-Return-to-Zero (NRZ). Στο σχήµα OOK µε NRZ παλµούς, ο παλµός για το bit 1 καταλαµβάνει ολόκληρη τη διάρκεια του bit, ενώ δε µεταδίδεται παλµός κατά τη διάρκεια ενός bit 0 Return-to-Zero (RZ). Στο σχήµα OOK µε RZ παλµούς, στο µεγαλύτερο ποσοστό της διάρκειάς του, ο παλµός για το bit 1 καταλαµβάνει µόνο ένα τµήµα της διάρκειας του bit, ενώ δε µεταδίδεται παλµός κατά τη διάρκεια ενός bit 0 υαδικά δεδοµένα NRZ παλµοί RZ παλµοί t t 202

203 Transmitters Direct and External Modulation Το σηµαντικότερο πλεονέκτηµα της χρήσης NRZ παλµών σε σχέση µε τη χρήση RZ παλµών είναι ότι το σήµα θα καταλαµβάνει µικρότερο (οπτικό) εύρος ζώνης Στην πράξη, OOK µε NRZ παλµούς χρησιµοποιείται σε τηλεπικοινωνιακά συστήµατα µε µεταδόσεις σε υψηλές ταχύτητες µέχρι 10 Gbit/s Το πρόβληµα µε τους NRZ παλµούς είναι ότι µία µακρά σειρά από άσους ή µηδενικά θα έχει σαν αποτέλεσµα την απουσία µεταβάσεων (από το 1 στο 0 και αντίστροφα), κάνοντας δύσκολη για το δέκτη την ανάκτηση του συγχρονισµού Με τους RZ παλµούς υπάρχει καλύτερη αντιµετώπιση αυτού του προβλήµατος, αφού µία µακρά σειρά από άσους (αλλά όχι από µηδενικά) θα εξακολουθεί να δίνει Οπτικής Ισχύς P peak P peak /2 µεταβάσεις T bit ιάρκεια που χαρακτηρίζει το εύρος του RZ παλµού t Συνηθισµένα ποσοστά της διάρκειας του bit που καλύπτουν οι RZ παλµοί είναι 33%, 50%, 67% Το ποσοστό της διάρκειας του bit καθορίζεται από το χρονικό εύρος του παλµού για το οποίο το πλάτος (ισχύς) του παλµού έχει πέσει στο µισό Με χρήση RZ παλµών απαιτείται υψηλότερο επίπεδο ισχύος κορυφής (ισχύς για τον άσο) στην εκποµπή ώστε να διατηρείται η ίδια ενέργεια ανά bit 203

204 Transmitters Direct and External Modulation OOK µε RZ παλµούς χρησιµοποιείται σε τηλεπικοινωνιακά συστήµατα µε µεταδόσεις σε πολύ υψηλούς ρυθµούς Αποδεικνύεται ότι µε την χρήση RZ παλµών ελαχιστοποιείται η επίδραση της χρωµατικής διασποράς (σε σχέση µε την περίπτωση χρήσης NRZ παλµών) Τα σήµατα που είναι διαµορφωµένα κατά OOK διαµόρφωση µπορούν να προκύψουν, συνήθως, µε ένα από τους εξής δύο τρόπους Με άµεση διαµόρφωση ενός ηµιαγωγικού laser ή µίας LED Χρησιµοποιώντας ένα εξωτερικό διαµορφωτή (external modulator) Στην άµεση διαµόρφωση, το ρεύµα οδήγησης στο ηµιαγωγικό laser τίθεται πάνω από το κατώφλι για το bit µε λογική τιµή 1 και κάτω (ή λίγο πάνω) από το κατώφλι για το bit µε λογική τιµή 0 Ο λόγος των ισχύων εξόδου για τα bits 1 και 0 καλείται λόγος σβέσης (extinction ratio). Ο λόγος σβέσης µπορεί να ορισθεί και αντίστροφα Η άµεση διαµόρφωση είναι απλή και φθηνή αφού δεν απαιτούνται επιπλέον διατάξεις εκτός από την ίδια την πηγή φωτός (LED ή laser) Ένα σηµαντικό πλεονέκτηµα των ηµιαγωγικών lasers είναι ότι µπορούν να διαµορφωθούν άµεσα 204

205 Transmitters Direct and External Modulation Πολλά άλλα lasers είναι πηγές συνεχούς κύµατος (continuous wave sources) και δε µπορούν να διαµορφωθούν άµεσα. Για τέτοια lasers απαιτείται ένας εξωτερικός διαµορφωτής. Π.χ. εξαιτίας του µεγάλου χρόνου ζωής των ατόµων ερβίου στο επίπεδο E 2, τα lasers ερβίου δε µπορούν να διαµορφωθούν άµεσα ακόµα και σε ταχύτητες µερικών χιλιάδων bits ανά δευτερόλεπτο Το µειονέκτηµα της άµεσης διαµόρφωσης είναι ότι οι παλµοί που παράγονται υποφέρουν από chirp Το chirp είναι ένα φαινόµενο όπου η συχνότητα του φέροντος του µεταδιδόµενου παλµού µεταβάλλεται µε το χρόνο και προκαλεί διεύρυνση φάσµατος του µεταδιδόµενου σήµατος Παλµοί µε chirp έχουν αρκετά φτωχότερα όρια ως προς τη χρωµατική διασπορά σε σχέση µε τους παλµούς χωρίς chirp Για την άµεση διαµόρφωση, µικρές µεταβολές του ρεύµατος επιφέρουν διαµόρφωση της οπτικής συχνότητας του laser µε τυπική τιµή 1 nm ανά ma Περιπτώσεις chirp Θερµικό chirp Αδιαβατικό chirp Μεταβατικό chirp 205

206 Transmitters Direct and External Modulation Το θερµικό chirp επηρεάζει τη φασµατική διεύρυνση του σήµατος Για χαµηλές συχνότητες διαµόρφωσης Μπορεί να αντιµετωπιστεί µε έλεγχο της θερµοκρασίας Αδιαβατικό chirp (Adiabatic chirp) Περιορίζοντας το λόγο σβέσης (αν ορισθεί ως ισχύς που αντιστοιχεί στο 0 προς ισχύ που αντιστοιχεί στο 1, στην περίπτωση αντίστροφου ορισµού θα αυξάναµε το λόγο σβέσης) διακόπτοντας το φώς κατά τη διάρκεια του bit 0, η µεγάλη πτώση του ρεύµατος που απαιτείται οδηγεί σε σηµαντικές αποκλίσεις συχνότητας Οφείλεται στην εξάρτηση του δείκτη διάθλασης στην ενεργό κοιλότητα από τη στιγµιαία τιµή της ισχύος ή του ρεύµατος Με το πέρασµα από 0 σε 1 υπάρχει αλλαγή του ρεύµατος άντλησης του laser που σηµαίνει ότι υπάρχει µεταβολή της πυκνότητας φορέων (µέσα στην κοιλότητα) και συγκεκριµένα αύξηση υπάρχει αλλαγή του δείκτη διάθλασης και συγκεκριµένα µείωση του δείκτη διάθλασης και κατ επέκταση µετατόπιση της συχνότητας ή αντίστοιχα του µήκους κύµατος και συγκεκριµένα µετατόπιση προς µικρότερα µήκη κύµατος και µεγαλύτερες συχνότητες (2nΛ = λ) Είναι ο βασικός παράγοντας ώστε να επιτευχθεί διαµόρφωση συχνότητας FSK ή µία µικρή τροποποίηση του συντονισµού 206

207 Transmitters Direct and External Modulation Μεταβατικό chirp (Transient chirp) Σχετίζεται µε τις τυχαίες αλλαγές του δείκτη διάθλασης µε την πυκνότητα των φορέων, δηλαδή εξαρτάται από το ρυθµό µεταβολής του ρεύµατος ή της ισχύος Εξαιτίας του φαινοµένου, προκαλείται απόκλιση µεταξύ των συχνοτήτων που αντιστοιχούν στο 0 και στο 1, άρα διευρύνεται το φάσµα του σήµατος και προκύπτει µία διαµόρφωση στη συχνότητα της εξόδου του laser Οπτική ισχύς Άµεση διαµόρφωση ηµιαγωγικού laser Απεικόνιση του µεταβατικού chirp και των ταλαντώσεων αποκατάστασης Χρόνος I 0 I th I 1 Ρεύµα οδήγησης r = P 0 /P 1 <<1 P 1 P 0 207

208 Transmitters Direct and External Modulation Μεταβατικό chirp (Transient chirp) Τα επόµενα δύο φαινόµενα συνιστούν το µεταβατικό chirp Αν η φωτεινή ισχύς εξόδου µηδενιστεί για λίγα nsecλόγω του ότι το εγχεόµενο ρεύµα µηδενίστηκε, τότε µόλις εµφανισθεί το επόµενο 1 (απότοµη αύξηση ρεύµατος πάνω από το κατώφλι), η φωτεινή ισχύς εξόδου θα αρχίσει να εµφανίζεται µόνο µετά από µία τυχαία καθυστέρηση «αφής» (turn-on delay) που µπορεί να είναι µερικά nsec, ώστε να υπάρξει αρκετά µεγάλη πυκνότητα εγχεόµενων φορέων Ν(t) και να ξεκινήσει η διαδικασία εξαναγκασµένης εκποµπής. Η φωτεινή ισχύς εξόδου θα αρχίσει να εµφανίζεται µόνο µετά από µία τυχαία καθυστέρηση που είναι τυχαία µεταβλητή επειδή αρχικά µεσολαβεί η αυθόρµητη εκποµπή Ακόµα χειρότερο είναι ότι θα ακολουθήσουν ισχυρές ταλαντώσεις αποκατάστασης, πράγµα που θα πάρει αρκετό χρόνο µέχρι να σταµατήσει. Από τη στιγµή που θα ξεκινήσει η εξαναγκασµένη εκποµπή, «κλέβονται» φορείς από τη συνολική πυκνότητα φορέων Ν(t), η στάθµη του φωτός µειώνεται, οι φορείς αυξάνονται αρκετά ώστε να ξεκινήσει ξανά ισχυρή εκποµπή φωτός και ούτω καθ εξής σε ένα φαινόµενο «πινγκ-πονγκ» µεταξύ πυκνότητας φωτονίων και πυκνότητας φορέων. Η ταλάντωση αυτή τελικά εκφυλίζεται και παραµένει η πυκνότητα φορέων αποκαταστηµένης κατάστασης 208

209 Transmitters Direct and External Modulation Η ποσότητα του chirp µπορεί να µειωθεί αυξάνοντας την ισχύ για το bit 0 ώστε το laser να βρίσκεται πάντα αρκετά πάνω από το κατώφλι του Το µειονέκτηµα είναι ότι µ αυτό τον τρόπο αυξάνεται ο λόγος σβέσης (όταν ο λόγος σβέσης ορισθεί ως ισχύς 0 προς ισχύ 1 ) µε αποτέλεσµα την επιδείνωση των επιδόσεων του συστήµατος Στην πράξη, µπορεί να επιτευχθεί λόγος σβέσης περίπου 7dB διατηρώντας το chirp σε λογικά επίπεδα Η αυξηµένη διεύρυνση των παλµών µε chirp είναι αρκετά σηµαντική για την αρνητική επίδραση στις επιδόσεις του συστήµατος µετάδοσης µε εφαρµογή άµεσης διαµόρφωσης, µε αποτέλεσµα να επιβάλλεται η χρήση εξωτερικών διαµορφωτών σε συστήµατα επικοινωνιών υψηλής ταχύτητας µε ανάγκη περιορισµού της επίδρασης της διασποράς Ένας OOK εξωτερικός διαµορφωτής τοποθετείται µπροστά από την πηγή φωτός και «ανάβει» ή «σβήνει» το σήµα φωτός µε βάση τα δεδοµένα προς µετάδοση. Σ αυτή την περίπτωση, η πηγή φωτός λειτουργεί συνεχώς Με την εξωτερική διαµόρφωση αντιµετωπίζεται το µη επιθυµητό chirp (αδιαβατικό και µεταβατικό) Οι εξωτερικοί διαµορφωτές είναι απαραίτητοι σε συστήµατα επικοινωνιών που χρησιµοποιούν σολιτόνια (solitons) ή Return-to-Zero (RZ) παλµούς 209

210 Transmitters Direct and External Modulation Υπάρχουν εµπορικά διαθέσιµοι διάφοροι τύποι εξωτερικών διαµορφωτών και πολλές φορές ολοκληρώνονται µε το ίδιο το laser εντός µίας µόνο συσκευασίας, για να µειωθεί το κόστος συσκευασίας. Ένα «πακέτο» ποµπού που περιλαµβάνει ένα laser, ένα εξωτερικό διαµορφωτή και κυκλώµατα σταθεροποίησης του µήκους κύµατος χρησιµοποιούνται σε WDM συστήµατα Για να αποκτηθεί µία διαµορφωµένη ακολουθία από RZ παλµούς µπορεί να χρησιµοποιηθεί ένα laser κλειδωµένου τρόπου (Mode Locked Laser) ακολουθούµενο από ένα εξωτερικό διαµορφωτή (συνήθως, δε διαµορφώνεται άµεσα ένα laser που εκπέµπει περιοδικά παλµούς) Ο διαµορφωτής µπλοκάρει τους παλµούς που αντιστοιχούν σε bit 0 Είναι δύσκολη η κατασκευή οικονοµικά προσιτών και συµπαγών lasers σταθερής κατάστασης για την παράγωγη περιοδικών παλµών Συνήθως, πρακτικά RZ συστήµατα χρησιµοποιούν ένα DFB laser συνεχούς κύµατος (Continuous Wave CV) ακολουθούµενο από ένα εξωτερικό διαµορφωτή δύο σταδίων. Το πρώτο στάδιο παράγει µία περιοδική ακολουθία στενών RZ παλµών, και το δεύτερο στάδιο επιβάλλει τη διαµόρφωση µπλοκάροντας τα bits 0 Συστήµατα σολιτονίων µε διαχείριση διασποράς (dispersion-managed soliton systems) απαιτούν την παραγωγή RZ παλµών µε προσεχτικά ελεγχόµενο chirp ως προς την ποσότητα και το πρόσηµο. Αυτό µπορεί να επιτευχθεί χρησιµοποιώντας επιπλέον στάδιο διαµόρφωσης φάσης 210

211 Transmitters Direct and External Modulation Περιοδικοί παλµοί Laser DFB Laser Συνεχές σήµα Ηλεκτρικό ρολόι εισόδου ιαµορφωτής Στάδιο 1 ιαµορφωµένοι παλµοί Ηλεκτρικά NRZ δεδοµένα ιαµορφωµένοι παλµοί Περιοδικοί παλµοί ιαµορφωτής δύο σταδίων Στάδιο Εφαρµογή εξωτερικής διαµόρφωσης για την επίτευξη µεταδόσεων RZ παλµών µε χρήση ενός laser που µεταδίδει περιοδικά σειρά παλµών, ενώ ένας εξωτερικός διαµορφωτής χρησιµοποιείται για να «µπλοκάρει» τα bits 0 και για να επιτρέψει τη διέλευση των bits 1 Ηλεκτρικά NRZ δεδοµένα Εφαρµογή εξωτερικής διαµόρφωσης για την επίτευξη µεταδόσεων RZ παλµών µε χρήση ενός DFB laser συνεχούς κύµατος το οποίο ακολουθείται από δύο εξωτερικούς διαµορφωτές 211

212 Transmitters Direct and External Modulation Σε µία τροποποίηση του προηγούµενου τρόπου για την επίτευξη µεταδόσεων RZ παλµών µε χρήση ενός DFB laser συνεχούς κύµατος το οποίο ακολουθείται από δύο εξωτερικούς διαµορφωτές, στον πρώτο διαµορφωτή δεν εφαρµόζονται ηλεκτρικοί RZ παλµοί, αλλά ένα ηµίτονο κατάλληλης συχνότητας (f sin ) Σ αυτή την περίπτωση, ο διαµορφωτής στον οποίο εφαρµόζεται το ηµίτονο είναι ένας Mach-Zhender διαµορφωτής (MZM) κατάλληλα πολωµένος και ονοµάζεται «µορφοποιητής» παλµών (Pulse carver) Από τη συχνότητα του ηµιτόνου και το σηµείο πόλωσης του διαµορφωτή καθορίζεται το εύρος των RZ παλµών Υπάρχει η δυνατότητα παραγωγής RZ παλµών µε εύρος 33%, 50% και 67% της διάρκειας DFB Laser Συνεχές σήµα Ηµίτονο (f sin ) του bit ιαµορφωµένοι παλµοί Περιοδικοί RZ παλµοί Στάδιο 1 ιαµορφωτής δύο σταδίων Στάδιο Ηλεκτρικά NRZ δεδοµένα Υπάρχει η δυνατότητα να αντιµετατεθούν οι δύο διαµορφωτές, ώστε αρχικά να παράγεται σήµα µε NRZ παλµούς και να ακολουθεί η µετατροπή σε σήµα µε RZ παλµούς 212

213 Transmitters Direct and External Modulation ύο τύποι εξωτερικών διαµορφωτών χρησιµοποιούνται ευρέως σήµερα: Οι διαµορφωτές νιοβικού λιθίου Οι ηµιαγωγικοί διαµορφωτές ηλεκτρο-απορρόφησης (Electro-Absorption EA modulators) Ένας διαµορφωτής νιοβικού λιθίου χρησιµοποιεί το ηλεκτρο-οπτικό φαινόµενο, όπου µία εφαρµοζόµενη τάση επάγει µία αλλαγή στο δείκτη διάθλασης του υλικού. Η διάταξη από µόνη της είναι σχηµατισµένη είτε σαν κατευθυντικός συζεύκτης είτε σαν Mac-Zehnder Interferometer (MZI) Στην περίπτωση εξωτερικού διαµορφωτή νιοβικού λιθίου αποτελούµενου από κατευθυντικό συζεύκτη, εφαρµόζοντας µία τάση στην περιοχή σύζευξης, αλλάζει ο δείκτης διάθλασής της, γεγονός το οποίο καθορίζει πόση ισχύς θα συζευχθεί από τον κυµατοδηγό εισόδου στον κυµατοδηγό εξόδου Είσοδος Αδιαµόρφωτο φως V Έξοδος ιαµορφωµένο φως Εξωτερικός διαµορφωτής νιοβικού λιθίου αποτελούµενος από κατευθυντικό συζεύκτη 213

214 Transmitters Direct and External Modulation Στην περίπτωση του MZI, αυτό προσφέρει υψηλότερες ταχύτητες διαµόρφωσης για µία δεδοµένη τάση οδήγησης και παρέχει υψηλότερο λόγο σβέσης (ισχύς του άσου προς ισχύ του λογικού µηδέν) σε σχέση µε τον κατευθυντικό συζεύκτη Για τους προηγούµενους λόγους, το MZI είναι πιο δηµοφιλές Για το MZI Στη µία κατάσταση, τα σήµατα στους δύο βραχίονες βρίσκονται σε φάση και συµβάλλουν προσθετικά µε αποτέλεσµα να εµφανίζονται στην έξοδο Στην άλλη κατάσταση, εφαρµόζοντας κατάλληλη τάση προκαλείται διαφορά φάσης π ανάµεσα στους δύο βραχίονες του MZI, οδηγώντας σε καταστροφική παρεµβολή και µηδενικό σήµα στην έξοδο Τέτοιοι διαµορφωτές έχουν πολύ καλούς λόγους σβέσης (ισχύς του άσου προς ισχύ του λογικού µηδέν) που κυµαίνονται µεταξύ µεταξύ 15 και 20dB Είσοδος V Έξοδος Αδιαµόρφωτο φως ιαµορφωµένο φως Εξωτερικός διαµορφωτής νιοβικού λιθίου χρησιµοποιώντας µία διάταξη MZI 214

215 Transmitters Direct and External Modulation Η απόκριση του διαµορφωτή είναι περιοδική Με τα MZIs µπορεί να ελεγχθεί µε µεγάλη ακρίβεια το chirp, ενώ εξαιτίας της µεγάλης εξάρτησης της διάταξης από την πόλωση, χρησιµοποιείται ίνα διατήρησης της πόλωσης µεταξύ του laser και του διαµορφωτή Θεωρητική απόκριση του διαµορφωτή σα συνάρτηση της εφαρµοζόµενης τάσης V, µε V π να αντιστοιχεί στην τάση που απαιτείται ώστε να επιτευχθεί µία διαφορά φάσης π µεταξύ των δύο βραχιόνων του διαµορφωτή και ονοµάζεται τάση ηµι-κύµατος π V Iout( V) = Io cos 2 V π Ι out είναι η φωτεινή ένταση στην έξοδο του διαµορφωτή µε I o τη µέγιστη τιµή της, V είναι εφαρµοζόµενη τάση 2 215

216 Transmitters Direct and External Modulation Ο EA διαµορφωτής είναι µία ελκυστική εναλλακτική των διαµορφωτών νιοβικού λιθίου, επειδή µπορεί να κατασκευαστεί χρησιµοποιώντας το ίδιο υλικό και τις ίδιες τεχνικές που χρησιµοποιούνται για την κατασκευή των ηµιαγωγικών lasers Αυτό επιτρέπει στον EA διαµορφωτή να ολοκληρωθεί µε ένα DFB laser στην ίδια συσκευασία µε αποτέλεσµα µία συµπαγή και χαµηλού κόστους λύση, σε σύγκριση µε τη χρήση ενός εξωτερικού διαµορφωτή νιοβικού λιθίου Ο EA διαµορφωτής χρησιµοποιεί ένα υλικό τέτοιο ώστε υπό κανονικές συνθήκες το χάσµα (band gap) του να είναι υψηλότερο από την ενέργεια φωτονίων του προσπίπτοντος οπτικού σήµατος. Αυτό επιτρέπει στο σήµα να διαδοθεί διαµέσου του διαµορφωτή (όταν δεν εφαρµοσθεί κάποια τάση) 216

217 Transmitters Direct and External Modulation Η εφαρµογή ενός ηλεκτρικού πεδίου στο διαµορφωτή έχει σαν αποτέλεσµα τη συρρίκνωση του χάσµατος του υλικού, προκαλώντας τα προσπίπτοντα φωτόνια να απορροφηθούν από το υλικό. Αυτό το φαινόµενο καλείται Franz-Keldysh ή Stark effect Ο χρόνος απόκρισης του φαινοµένου είναι αρκετά ταχύς επιτρέποντας την επίτευξη 2.5Gbps και 10Gbps διαµορφωτών Η επίδοση των EA διαµορφωτών ως προς το chirp, είναι καλύτερη από αυτή των lasers που υφίστανται άµεση διαµόρφωση, δεν είναι το ίδιο καλή µε αυτή των MZI διαµορφωτών νιοβικού λιθίου Ενώ ιδανικά δεν υπάρχει chirp σε ένα εξωτερικό διαµορφωτή, στην πράξη, στους EA διαµορφωτές προκαλείται κάποιο chirp εξαιτίας της επίδρασης υπολειµµατικής διαµόρφωσης φάσης 217

220 Transmitters Pump Sources for Raman Amplifiers Μία από τις µεγαλύτερες προκλήσεις στην ανάπτυξη των ενισχυτών Raman είναι µία πρακτική πηγή άντλησης υψηλής ισχύος στο κατάλληλο µήκος κύµατος Από τη στιγµή που το φαινόµενο Raman εµφανίζεται µόνο µε υψηλά επίπεδα ισχύος στην ίνα, απαιτούνται επίπεδα ισχύος άντλησης της τάξης κάποιων Watts ώστε να παρασχεθεί αποτελεσµατική ενίσχυση Έχουν προταθεί διάφορες προσεγγίσεις για την ανάπτυξη πηγών άντλησης υψηλής ισχύος Με βάση µία µέθοδο, συνδυάζεται ένα πλήθος ηµιαγωγικών laser άντλησης υψηλής ισχύος Η ισχύς που µπορεί να εξαχθεί από µία ηµιαγωγική δίοδο laser άντλησης περιορίζεται σε κάποιες εκατοντάδες milliwatts Πολλαπλά ηµιαγωγικά lasers άντλησης µπορούν να συνδυαστούν χρησιµοποιώντας ένα συνδυασµό πολυπλεξίας µηκών κύµατος ή/και πολυπλεξίας πόλωσης ώστε να επιτευχθεί µία σύνθετη άντληση µε επαρκώς υψηλή ισχύ 220

221 Transmitters Pump Sources for Raman Amplifiers Η άλλη πρόκληση έχει να κάνει µε την κατασκευή του laser στο επιθυµητό µήκος κύµατος άντλησης Μία ενδιαφέρουσα προσέγγιση είναι το σειριακό (cascade) Raman laser Ξεκινώντας µε ένα laser άντλησης υψηλής ισχύος στο κατάλληλο µήκος κύµατος, µπορούν να παραχθούν πηγές άντλησης σε υψηλότερα µήκη κύµατος χρησιµοποιώντας το ίδιο το φαινόµενο Raman στην ίνα, θέτοντας διαδοχικά σε σειρά ένα πλήθος από διατάξεις αντήχησης Το κάθε αντηχείο µπορεί να υλοποιηθεί εύκολα µε ένα fiber Bragg gratingή άλλες δοµές φίλτρων Brag φράγµατα ίνας υψηλής ανακλαστικότητας Brag φράγµατα ίνας χαµηλής ανακλαστικότητας 1455 nm 1366 nm 1288 nm 1218 nm 1155 nm 1155 nm 1218 nm 1288 nm 1366 nm 1455 nm Άντληση εισόδου στα 1100 nm Άντληση εξόδου στα 1455 nm 221

222 Transmitters Pump Sources for Raman Amplifiers Π.χ. µε είσοδο άντλησης στα 1100nm παρέχεται κέρδος Raman σε µία ίνα. Ένα αντηχείο Fabry-Perot δηµιουργείται ενδιάµεσα στην ίνα χρησιµοποιώντας ένα ζεύγος «ταιριασµένων» fiber Bragg gratings που εξυπηρετούν σαν κάτοπτρα επιλεκτικά στο µήκος κύµατος. Το πιο εσωτερικό αντηχείο µετατρέπει το αρχικό σήµα άντλησης σε άλλο σήµα άντλησης στα 1155nmκαι αφήνει τη διέλευση σηµάτων σε άλλα µήκη κύµατος. Το επόµενο αντηχείο µετατρέπει την άντληση στα 1155nm σε µία άντληση των 1218nm. Μπορεί να αποκτηθεί οποιοδήποτε επιθυµητό µήκος κύµατος άντλησης θέτοντας σε σειρά τα κατάλληλα αντηχεία. Για να είναι η άντληση στην έξοδο στα 1455nm, το fiber Bragg grating στο τέλος σχεδιάζεται να έχει χαµηλότερη ανακλαστικότητα, επιτρέποντας στο σήµα άντλησης στα 1455nmνα εξαχθεί από τη διάταξη. Αυτό το σήµα άντλησης µπορεί έπειτα να χρησιµοποιηθεί για να αποδοθεί κέρδος Raman γύρω από τα 1550nm. Εξαιτίας των µικρών απωλειών της ίνας και της υψηλής ανακλαστικότητας των fiber Bragg gratings, 80% του φωτός στην είσοδο µετατρέπεται στην έξοδο 222

225 Detectors Ένας δέκτης µετατρέπει ένα οπτικό σήµα σε ένα αξιοποιήσιµο ηλεκτρικό σήµα Οι διάφορες διατάξεις σε ένα δέκτη είναι οι εξής: Φωτοφωρατής (photodetector). Παράγει ένα ηλεκτρικό ρεύµα ανάλογο στην προσπίπτουσα οπτική ισχύ Front-end ενισχυτής. Αυξάνει σε αποδεκτό επίπεδο την ισχύ του ηλεκτρικού σήµατος που παράχθηκε Κύκλωµα απόφασης (decision circuit). Σε συστήµατα ψηφιακών επικοινωνιών, ο front-end ενισχυτής ακολουθείται από ένα κύκλωµα απόφασης που εκτιµά τα δεδοµένα από την έξοδο του ενισχυτή. Ο σχεδιασµός του κυκλώµατος απόφασης εξαρτάται από το σχήµα διαµόρφωσης που χρησιµοποιείται για τη µετάδοση των δεδοµένων Οπτικός ενισχυτής. Μπορεί να τοποθετηθεί προαιρετικά πριν από το φωτοφωρατή για να δράσει ως προενισχυτής Οπτικό Σήµα Οπτικός (Προενισχυτής Φωτοφωρατής Ηλεκτρικός Ενισχυτής Κύκλωµα Απόφασης εδοµένα Μπλοκ διάγραµµα ενός δέκτη για ένα σύστηµα ψηφιακών επικοινωνιών 225

228 Detectors Photodetectors Οι φωτοφωρατές κατασκευάζονται από ηµιαγωγικά υλικά Φωτόνια που προσπίπτουν σε ένα ηµιαγωγό απορροφώνται από ηλεκτρόνια στη ζώνη σθένους. Αυτό έχει σαν αποτέλεσµα αυτά τα ηλεκτρόνια να αποκτούν υψηλότερη ενέργεια και να διεγείρονται στη ζώνη αγωγιµότητας, αφήνοντας πίσω µία οπή στη ζώνη σθένους Όταν εφαρµοστεί µία εξωτερική τάση στον ηµιαγωγό, τα ζεύγη ηλεκτρόνια-οπές προκαλούν ένα ηλεκτρικό ρεύµα, που ονοµάζεται φωτόρευµα (photocurrent) Είναι αρχή της κβαντοµηχανικής ότι κάθε ηλεκτρόνιο µπορεί να απορροφήσει µόνο ένα φωτόνιο για να µεταβεί µεταξύ δύο ενεργειακών σταθµών Η ενέργεια του προσπίπτοντος φωτονίου πρέπει να είναι τουλάχιστον ίση µε το ενεργειακό χάσµα ώστε να είναι δυνατή η παραγωγή φωτορεύµατος Ενέργεια (ev) Φωτόνιο hf Conduction Band Ε g Valence Band Valence band Zώνη σθένους Conduction Band Ζώνη αγωγιµότητας 228

229 Detectors Photodetectors Τίθεται ο εξής περιορισµός όσον αφορά τη συχνότητα f c ή το µήκος κύµατος λ για το οποίο ένα ηµιαγωγικό υλικό µε ενεργειακό χάσµα κανονικοποιηµένο ως προς το το ηλεκτρικό φορτίο E gc (σε J/Cb) µπορεί να χρησιµοποιηθεί ως φωτοφωρατής: hc hfc = eegc λ όπου c είναι η ταχύτητα του φωτός και e είναι το φορτίο του ηλεκτρονίου Η µεγαλύτερη τιµή του λ για την οποία ικανοποιείται η προηγούµενη σχέση καλείται µήκος κύµατος αποκοπής (cutoff wavelength)και δηλώνεται ως λ cutoff ΠΡΟΣΟΧΗ!!!Αν στον πιο πάνω τύπο είχαµε ενεργειακό χάσµα (E g ) εκφρασµένο σε J ή ev (χωρίς κανονικοποίηση ως προς το ηλεκτρικό φορτίο)τότε θα είχαµε hf c E g Οι γνωστοί ηµιαγωγοί πυρίτιο (Silicon Si) και αρσενικούχο γάλλιο (Gallium Arsenide GaAs) δε µπορούν να χρησιµοποιηθούν σα φωτοφωρατές στις µπάντες των 1310nm και 1550nm Φωτοφωρατές πυριτίου χρησιµοποιούνται ευρέως στη µπάντα των 0.8µm 229

230 Detectors Photodetectors Ενεργειακά χάσµατα και µήκη κύµατος αποκοπής για ένα πλήθος ηµιαγωγικών υλικών. Το In 1 x Ga x As είναι ένα «µείγµα» ηµιαγωγικό υλικό όπου ένα κλάσµα 1 x των ατόµων Γαλλίου στο Αρσενικούχο Γάλλιο (GaAs) αντικαθίστανται από άτοµα Ινδίου. Το In 1 x Ga x As y P 1 y είναι ένα µείγµα ηµιαγωγικών υλικών όπου ένα κλάσµα 1 y των ατόµων αρσενικού αντικαθίστανται από άτοµα φωσφόρου. Μεταβάλλοντας το x και το y, τα ενεργειακά χάσµατα και το µήκος κύµατος αποκοπής µπορούν να µεταβληθούν Υλικό E g (ev) λ cutoff (µm) Si Ge GaAs InP In 0.55 Ga 0.45 As In y Ga 0.45y As y P 1 y Το γερµάνιο µπορεί να χρησιµοποιηθεί για να κατασκευαστούν φωτοφωρατές και στις δύο επιθυµητές µπάντες, αλλά έχει µειωµένη αποδοτικότητα Τα «µείγµατα» Ίνδιο-Γάλλιο- Αρσενικό (Indium-Gallium-Arsenide InGaAs) και Ίνδιο-Γάλλιο- Αρσενικό-Φώσφορος (Indium- Gallium-Arsenide-Phosphide InGaAsP) χρησιµοποιούνται συνήθως για την κατασκευή φωτοφωρατών στις µπάντες των 1310nm και 1550nm 230

231 Detectors Photodetectors Το κλάσµα της ενέργειας του οπτικού σήµατος που απορροφάται και δίνει φωτόρευµα καλείται αποδοτικότητα (efficiency) η του φωτοφωρατή Για µεταδόσεις µε υψηλούς ρυθµούς δεδοµένων σε µεγάλες αποστάσεις, η οπτική ενέργεια είναι ανεπαρκής, και έτσι, είναι σηµαντικό να σχεδιαστεί ο φωτοφωρατής ώστε να επιτυγχάνει αποδοτικότητα ηόσο το δυνατόν πιο κοντά στη µονάδα. Αυτό µπορεί να επιτευχθεί χρησιµοποιώντας µία ηµιαγωγική πλάκα (slab) κατάλληλου πάχους Η ισχύς που απορροφάται από µία πλάκα ηµιαγωγού πάχους L µm µπορεί να γραφτεί ως: abs P ( al e ) P in = 1 όπου P in είναι η προσπίπτουσα οπτική ισχύς σήµατος και a είναι ο παράγοντας απορρόφησης του υλικού. Οπότε, Pabs al η= = 1 e P in Τυπικές του παράγοντα a είναι της τάξης του 10 4 /cm, οπότε για να επιτευχθεί µία αποδοτικότητα η > 0.99, απαιτείται µία πλάκα πάχους της τάξης των 10µm 231

232 Detectors Photodetectors Ο παράγοντας απορρόφησης εξαρτάται από το µήκος κύµατος και είναι µηδέν για µήκη κύµατος λ > λ cutoff. Έτσι, ένας ηµιαγωγός είναι διάφανος σε µήκη κύµατος µεγαλύτερα από το µήκος κύµατος αποκοπής του Η επιφάνεια του φωτοφωρατή είναι συνήθως αρκετά µεγάλη ώστε να λαµβάνεται όλη η προσπίπτουσα ισχύς Οι φωτοφωρατές έχουν πολύ µεγάλο εύρος ζώνης λειτουργίας, αφού ο φωτοφωρατής σε κάποιο µήκος κύµατος µπορεί να λειτουργήσει ως φωτοφωρατής και σε όλα τα µικρότερα µήκη κύµατος Εποµένως, ένας φωτοφωρατής σχεδιασµένος για τη µπάντα των 1550nm µπορεί να λειτουργήσει και στη µπάντα των 1310nm Οι φωτοφωρατές χαρακτηρίζονται συνήθως από την αποκρισιµότητά (responsivity) τους R. Αν ένας φωτοφωρατής παράγει ένα µέσο ρεύµα των I p amperes όταν η προσπίπτουσα οπτική ισχύς είναι P in Watts, τότε η αποκρισιµότητα είναι ίση µε R= I P p in A W 232

233 Detectors Photodetectors Αφού η προσπίπτουσα οπτική ισχύς P in αντιστοιχεί σε πρόσπτωση P in /hf c φωτονίων ανά δευτερόλεπτο κατά µέσο όρο και ένα κλάσµα η αυτών των φωτονίων απορροφώνται και παράγεται ένα ηλεκτρόνιο στο εξωτερικό κύκλωµα, τότε η αποκρισιµότητα µπορεί να γραφτεί το εξής R= ηe hf c Η αποκρισιµότητα εκφράζεται συνήθως ως προς το µήκος κύµατος λ, δηλαδή A ηeλ ηλ R = = hc 1.24 όπου το λ στην τελευταία σχέση είναι εκφρασµένο σε µm. Επειδή η αποδοτικότητα µπορεί να φθάσει αρκετά κοντά στο 1, οι αποκρισιµότητες που επιτυγχάνονται είναι της τάξης του 1A/Wστην περιοχή των 1310nm και 1.2A/W στην περιοχή των 1550nm W A W 233

234 Detectors Photodetectors Στην πράξη, η απλή χρήση της πλάκας του ηµιαγωγού σα φωτοφωρατή δεν επιτυγχάνει υψηλές αποδοτικότητες Αυτό συµβαίνει επειδή πολλά από τα παραγόµενα ηλεκτρόνια στη ζώνη αγωγιµότητας επανασυνδυάζονται µε οπές στη ζώνη σθένους προτού φθάσουν το εξωτερικό κύκλωµα Έτσι, είναι απαραίτητο να σαρωθούν µε ταχύτητα εκτός του ηµιαγωγού τα παραγόµενα ηλεκτρόνια στη ζώνη αγωγιµότητας. Αυτό µπορεί να γίνει επιβάλλοντας ένα επαρκώς ισχυρό ηλεκτρικό πεδίο στην περιοχή όπου παράγονται τα ηλεκτρόνια Η βέλτιστη λύση είναι η χρήση ηµιαγωγικής επαφής pn (αντί για οµοιογενή πλάκα) και η εφαρµογή ανάστροφης τάσης πόλωσης σε αυτή. Ένας τέτοιος φωτοφωρατής καλείται φωτοδίοδος (photodiode) Αρχικό οπτικό σήµα Τύπου p Τύπου n Επαφή pn σα φωφοδίοδος 234

235 Detectors Photodetectors Η περιοχή απογύµνωσης µίας επαφής pn δηµιουργεί ηλεκτρικό πεδίο το οποίο υπάρχει στην επαφή χωρίς την εφαρµογή κάποιας εξωτερικής τάσης. Τόσο η περιοχή απογύµνωσης όσο και το ενυπάρχον ηλεκτρικό πεδίο µπορούν να επαυξηθούν µε την εφαρµογή ανάστροφης τάσης πόλωσης Σ αυτή την περίπτωση, τα ηλεκτρόνια που παράγονται από την απορρόφηση των φωτονίων εντός ή κοντά στην περιοχή απογύµνωσης θα σαρωθούν προς τον ηµιαγωγό τύπου nπροτού αυτά επανασυνδυαστούν µε τις οπές στον ηµιαγωγό τύπου p Η προηγούµενη διαδικασία καλείται κίνηση ρεύµατος (drift) και αποδίδει ένα ρεύµα στο εξωτερικό κύκλωµα Όµοια, οι παραγόµενες οπές εντός ή κοντά στην περιοχή απογύµνωσης παρασύρονται στον ηµιαγωγό τύπου p εξαιτίας του ισχυρού ηλεκτρικού πεδίου Φορτίο της περιοχής απογύµνωσης από την πλευρά του ηµιαγωγού τύπου p Περιοχή Απογύµνωσης p Φορτίο της περιοχής απογύµνωσης από την πλευρά του ηµιαγωγού τύπου n Περιοχή απογύµνωσης n χωρίς την εφαρµογή τάσης πόλωσης 235

236 Detectors Photodetectors Τα ζεύγη ηλεκτρόνια-οπές που παράγονται µακριά από την περιοχή απογύµνωσης αρχικά ταξιδεύουν υπό την επίδραση της διάχυσης (diffusion)και µπορεί να επανασυνδυαστούν χωρίς να αποδοθεί ρεύµα στο εξωτερικό κύκλωµα Αυτό µειώνει την αποδοτικότητα η του φωτοφωρατή Από τη στιγµή που η διάχυση είναι πολύ πιο αργή διαδικασία από την κίνηση ρεύµατος (drift), το ρεύµα διάχυσης (diffusion current) που παράγεται από αυτά τα ζεύγη ηλεκτρονίων-οπών δε θα αποκρίνεται γρήγορα σε αλλαγές στην ένταση του προσπίπτοντος οπτικού σήµατος, µειώνοντας, έτσι, την απόκριση συχνότητας της φωτοδιόδου, δηλαδή το εύρος ζώνης της φωτοδιόδου p n Περιοχή Απογύµνωσης Περιοχή απογύµνωσης µε την εφαρµογή ανάστροφης τάσης πόλωσης Ηλεκτρικό πεδίο 0 V a Ηλεκτρικό πεδίο εντός της επαφής υπό καθεστώς ανάστροφης πόλωσης 236

237 Detectors Photodetectors Βοηθητική είναι η απεικόνιση των διαγραµµάτων ενεργειακών καταστάσεων χωρίς και µε ανάστροφη τάση πόλωσης µίας επαφής pn Τύπου p Τύπου n Ενέργεια Ηλεκτρονίων Στάθµη Fermi Περιοχή Απογύµνωσης Περιοχή Απογύµνωσης E g Συγκέντρωση φορέων µειονότητας και περιοχή απογύµνωσης χωρίς εφαρµογή τάσης πόλωσης (ανοιχτό κύκλωµα) Στάθµη Fermi του τµήµατος p Περιοχή Απογύµνωσης hf hf Στάθµη Fermi του τµήµατος n ιάγραµµα ενεργειακών καταστάσεων χωρίς εφαρµογή τάσης πόλωσης ιάγραµµα ενεργειακών καταστάσεων υπό την εφαρµογή ανάστροφης τάσης πόλωσης 237

238 Detectors Photodetectors Για να βελτιωθεί η αποδοτικότητα του φωτοφωρατή, εισάγεται εσωτερικά (intrinsic) µεταξύ των ηµιαγωγών τύπου p και n ένας ηµιαγωγός ελαφρώς ντοπαρισµένος Τέτοιες φωτοδίοδοικαλούνται pin φωτοδίοδοι, όπου το i στο pin αντιστοιχεί στο intrinsic Σ αυτές τις φωτοδιόδους, η περιοχή απογύµνωσης εκτείνεται πλήρως εντός της περιοχής του εσωτερικού ηµιαγωγού Το µήκος των ηµιαγωγών τύπου p και n είναι µικρό σε σχέση µε την εσωτερική περιοχή, ώστε η περισσότερη απορρόφηση φωτός να συµβαίνει εντός της εσωτερική περιοχής. Αυτό αυξάνει την αποδοτικότητα και την αποκρισιµότητα της φωτοδιόδου Μία φωτοδίοδος PIN βασισµένη σε ετεροδοµή. Οι περιοχές τύπου p και τύπου n είναι από υλικό InP που είναι διαφανές στις µπάντες των 1310 nm και 1550 nm p InP i InGaAs n InP Η εσωτερική περιοχή είναι από υλικό InGaAs, το οποίο απορροφά ισχυρά τα µήκη κύµατος στις µπάντες των 1310 nm και 1550 nm 238

239 Detectors Photodetectors Φωτοδίοδος pinµε διευρυµένη περιοχή απογύµνωσης µε ανάστροφη πόλωση και αντίστοιχο διάγραµµα ενεργειακών καταστάσεων Τύπου p Intrinsic Τύπου n p n ιευρυµένη Περιοχή Απογύµνωσης Στάθµη Fermi του τµήµατος p hf hf hf hf hf Στάθµη Fermi του τµήµατος n 239

240 Detectors Photodetectors Μία πιο αποδοτική µέθοδος για να συµβαίνει περισσότερη απορρόφηση εντός της εσωτερικής περιοχής είναι η χρήση ηµιαγωγικού υλικού που είναι διαφανές στο µήκος κύµατος ενδιαφέροντος για τους ηµιαγωγούς τύπου p και n. Τότε το µήκος κύµατος που µας ενδιαφέρει (π.χ. κάποιο µήκος κύµατος στη µπάντα nm στην οποία πραγµατοποιούνται επικοινωνίες µε WDM µεταδόσεις) είναι µεγαλύτερο από το µήκος κύµατος αποκοπής αυτού του ηµιαγωγού και δε συµβαίνει απορρόφηση σ αυτές τις περιοχές Μπορεί να χρησιµοποιηθεί το υλικό InPγια τις περιοχές τύπου p και n και InGaAs για την εσωτερική περιοχή. Μία τέτοια pinφωτοδίοδος καλείται διπλή ετεροεπαφή (double heterojunction)ή ετεροδοµή (heterostructure), αφού αποτελείται από δύο επαφές (p intrinsic υλικό και intrinsic υλικό n) εντελώς διαφορετικών ηµιαγωγικών υλικών Το µήκος κύµατος αποκοπής για το InP είναι 0.92µm και για το InGaAs είναι 1.65µm Φαίνεται ότι οι περιοχές τύπου p και n είναι διαφανείς στην περιοχή µm, ενώ εξαλείφεται πλήρως η συνιστώσα διάχυσης του φωτορεύµατος, δηλαδή εξαφανίζεται το ρεύµα διάχυσης 240

241 Detectors Photodetectors Οι αποκρισιµότητες των φωτοφωρατών που έχουν περιγραφεί ως τώρα έχουν περιοριστεί σε µικρές τιµές (ακόµα και για τις φωτοδιόδους pin που αποτελούν βαλτίωση της απλής επαφής pn) εξαιτίας του γεγονότος ότι ένα φωτόνιο, όταν αυτό απορροφηθεί από τη φωτοδίοδο, µπορεί να παράξει ένα µόνο ηλεκτρόνιο Αν το παραγόµενο ηλεκτρόνιο υπόκειται σε πολύ υψηλό ηλεκτρικό πεδίο, µπορεί να αποκτήσει επαρκή ενέργεια ώστε να συγκρουστεί µε περισσότερα ηλεκτρόνια και να τα οδηγήσει από τη ζώνη σθένους στη ζώνη αγωγιµότητας. Τα δευτερεύοντα ζεύγη ηλεκτρονίων-οπών µπορούν να παράξουν επιπλέον ζεύγη ηλεκτρόνιων-οπών όταν επιταχυνθούν σε επαρκή επίπεδα. Αυτή η διαδικασία καλείται πολλαπλασιασµός χιονοστιβάδας (avalanche multiplication) και η αντίστοιχη φωτοδίοδος καλείται φωτοδίοδος χιονοστιβάδας (Avalanche Photo-Diode APD) Το πλήθος των δευτερευόντων ζευγών ηλεκτρονίων-οπών που παράχθηκε από τη διαδικασία του πολλαπλασιασµού χιονοστιβάδας από ένα αρχικό ηλεκτρόνιο είναι τυχαίο και η µέση τιµή αυτού του αριθµού ορίζεται ως πολλαπλασιαστικό κέρδος και δηλώνεται ως G m 241

242 Detectors Photodetectors Το πολλαπλασιαστικό κέρδος µίας APD µπορεί να γίνει σχετικά υψηλό ακόµα και απεριόριστο, µία συνθήκη που καλείται κατάρρευση χιονοστιβάδας (avalanche breakdown) Μία µεγάλη τιµή για το G m συνοδεύεται και από υψηλή διακύµανση του παραγόµενου φωτορεύµατος, που επηρεάζει δυσµενώς τις επιδόσεις της APD ως προς το θόρυβο Τίθεται θέµα συµβιβασµού µεταξύ του πολλαπλασιαστικού κέρδους και του παράγοντα θορύβου Συνήθως οι APDs σχεδιάζονται ώστε να έχουν µέτρια τιµή για το πολλαπλασιαστικό κέρδος ώστε να βελτιστοποιείται η απόδοσή τους Έγχυση ενός ηλεκτρονίου Επέστρεψαν 5 οπές x Χρόνος ιαβιβάστηκαν 6 ηλεκτρόνια Χρονοδιάγραµµα που δείχνει τις συγκρούσεις και παράγει µία χιονοστιβάδα από 5 πρόσθετα ζεύγη ηλεκτρονίων οπών Με την πρόσπτωση ενός µόνο φωτονίου, οδηγούµαστε σε ενίσχυση G m = 6 242

243 Detectors Photodetectors Συγκριτική ποιοτική απεικόνιση φωτοδιόδων pin και χιονοστιβάδας V Φωτοδίοδος pin Αντιανακλαστική Εισερχόµενο επίστρωση οπτικό σήµα V Εισερχόµενο οπτικό σήµα Τύπου p+ Φωτοδίοδος APD Αντι-ανακλαστική επίστρωση Το + δηλώνει ισχυρή νόθευση Τύπου p intrinsic intrinsic Τύπου p hf Περιοχή Απορρόφησης Περιοχή Πολλαπλασιασµού Τύπου n Τύπου n+ V V Η intrinsic περιοχή έχει χαµηλή νόθευση 243

246 Detectors Front-End Amplifiers Στα συστήµατα οπτικών επικοινωνιών χρησιµοποιούνται δύο είδη front-end ενισχυτών: Υψηλής σύνθετης αντίστασης (high-impedance) front-end ενισχυτής front-end ενισχυτής «διαντίστασης» (transimpedance) R L Ενισχυτής I p R L C + Α Φωτοδίοδος Ισοδύναµο κύκλωµα για ένα υψηλής σύνθετης αντίστασης front-end ενισχυτής Η χωρητικότητα C περιλαµβάνει τη χωρητικότητα της φωτοδιόδου τη χωρητικότητα εισόδου του ενισχυτή άλλες παρασιτικές χωρητικότητες I p C Α + Ενισχυτής Φωτοδίοδος Ισοδύναµο κύκλωµα για ένα front-end ενισχυτής «διαντίστασης» 246

247 Detectors Front-End Amplifiers Το κύριο θέµα κατά το σχεδιασµό είναι η επιλογή της αντίστασης φόρτου R L Το ρεύµα θερµικού θορύβου (thermal noise current)που εµφανίζεται εξαιτίας της τυχαίας κίνησης ηλεκτρονίων και «µολύνει» το φωτόρευµα είναι αντίστροφα ανάλογο της αντίστασης φόρτου Για την ελαχιστοποίηση του θερµικού θορύβου, πρέπει η R L να γίνει µεγάλη Το εύρος ζώνης της φωτοδιόδου, το οποίο ορίζει το άνω όριο του ρυθµού των bits, είναι αντίστροφα ανάλογο της αντίστασης φόρτου εξόδου που «βλέπει» η φωτοδίοδος, η οποία δηλώνεται ως R p Για την περίπτωση του front-end ενισχυτή υψηλής σύνθετης αντίστασης, R p = R L και επιλέγεται αρκετά µικρή R L ώστε να εξυπηρετείται ο ρυθµός bits του συστήµατος. Τίθεται θέµα συµβιβασµού µεταξύ του (ηλεκτρικού) εύρους ζώνης της φωτοδιόδου και των επιδόσεών της ως προς το θόρυβο Για την περίπτωση του front-end ενισχυτή διαντίστασης για τον οποίο R p = R L /(Α+1), όπου Α είναι το κέρδος του ενισχυτή, το εύρος ζώνης αυξάνεται κατά παράγοντα Α+1 για την ίδια αντίσταση φόρτου Ωστόσο, το ρεύµα θερµικού θορύβου είναι επίσης αρκετά υψηλότερο από αυτό ενός ενισχυτή υψηλής σύνθετης αντίστασης µε την ίδια R L, αλλά αυτή η αύξηση είναι κάπως µέτρια και είναι ένας παράγοντας συνήθως µικρότερος από 2 247

248 Detectors Front-End Amplifiers Φαίνεται ότι είναι καλύτερο να επιλεγούν οι front-end ενισχυτές διαντίστασης από τους front-end ενισχυτές υψηλής σύνθετης αντίστασης για τα περισσότερα οπτικά συστήµατα επικοινωνιών Υπάρχει και ένα άλλο θέµα στην επιλογή ενός front-end ενισχυτή και αυτό είναι η δυναµική περιοχή (dynamic range) Η δυναµική περιοχή είναι η διαφορά µεταξύ του µεγαλύτερου και του µικρότερου επιπέδου σήµατος που ο front-end ενισχυτής µπορεί να χειριστεί. Αυτός µπορεί να µην είναι σηµαντικός παράγοντας για πολλές οπτικές ζεύξεις, αφού το επίπεδο ισχύος που «βλέπουν» οι δέκτες είναι συνήθως σχεδόν σταθερό Η δυναµική περιοχή των δεκτών πρέπει να ληφθεί υπόψιν στην περίπτωση δικτύων όπου το επίπεδο του λαµβανόµενου σήµατος µπορεί να µεταβάλλεται κατά κάποιες τάξεις µεγέθους, εξαρτώµενο από τη θέση της πηγής στο δίκτυο 248

249 Detectors Front-End Amplifiers Ο front-end ενισχυτής διαντίστασης έχει σηµαντικά υψηλότερη δυναµική περιοχή από τον αντίστοιχο front-end ενισχυτή υψηλής σύνθετης αντίστασης και αυτός είναι ένας άλλος παράγοντας που ευνοεί την επιλογή του front-end ενισχυτή διαντίστασης Η υψηλότερη δυναµική περιοχή προκύπτει επειδή µεγάλες µεταβολές στο φωτόρευµα I p µεταφράζονται σε πολύ µικρότερες µεταβολές στην είσοδο του ενισχυτή, ιδιαίτερα αν το κέρδος του ενισχυτή είναι µεγάλο Μία µεταβολή I p στο φωτόρευµα προκαλεί µεταβολή στην τάση στα άκρα της R L κατά I p R L (αγνοώντας το ρεύµα που περνά από τη χωρητικότητα). Μ αυτό τον τρόπο προκαλείται µεταβολή στην τάση στην είσοδο του ενισχυτή κατά µόνο I p R L /(Α+1). Με µεγάλη τιµή για το κέρδος A η µεταβολή στην τάση είναι µικρή Στην περίπτωση του front-end ενισχυτή υψηλής σύνθετης αντίστασης, η µεταβολή στην τάση στην είσοδο του ενισχυτή θα είναι ίση µε I p R L (αγνοώντας και πάλι το ρεύµα που διέρχεται από τη χωρητικότητα C) Ένα Field-Effect Transistor (FET) έχει πολύ υψηλή σύνθετη αντίσταση εισόδου και γι αυτό το λόγο χρησιµοποιείται συχνά σαν front-end ενισχυτής Μία pin φωτοδίοδος και ένα FET ολοκληρώνονται συχνά στο ίδιο ηµιαγωγικό υπόστρωµα, µε όλη αυτή τη διάταξη να καλείται pinfet 249

250 ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ Επισκόπηση λειτουργίας φίλτρων Fabry-Perot και Fiber Bragg Grating Οπτικοί Ενισχυτές (Optical Amplifiers) Αρχή λειτουργίας Εξαναγκασµένη και Αυθόρµητη εκποµπή Erbium Doped Fiber Amplifiers (EDFAs) Ενισχυτές Raman Semiconductor Optical Amplifiers (SOAs) Φασµατική πυκνότητα ισχύος Ισχύς ενισχυµένης Αυθόρµητης εκποµπής Κόρος του κέρδους του ενισχυτή Ποµποί Lasers Βασικές έννοιες, Αρχή λειτουργίας, Κατασκευαστικές δοµές Light Emitting Diodes (LEDs) Συντονιζόµενα Lasers Laser Κβαντικού Περιορισµού (Quantum Confinement Laser) Άµεση και Εξωτερική διαµόρφωση Πηγές άντλησης για ενισχυτές Raman Φωτοφωρατές (Photo-detectors) Χαρακτηριστικά, Κατηγορίες, Ηλεκτρικοί ενισχυτές Μετατροπή µήκους κύµατος Ποιότητα λαµβανόµενου σήµατος ιάγραµµα οφθαλµού 250

252 Wavelength Converters (1/7) Ένας µετατροπέας µήκους κύµατος είναι µία διάταξη που µετατρέπει δεδοµένα από ένα εισερχόµενο µήκος κύµατος σε άλλο εξερχόµενο µήκος κύµατος Οι µετατροπείς µήκους κύµατος είναι χρήσιµοι σε WDM συστήµατα για τρεις λόγους Τα δεδοµένα µπορεί να εισέλθουν στο δίκτυο σε ένα µήκος κύµατος που να µην είναι κατάλληλο για χρήση εντός του δικτύου. Π.χ. σήµα το οποίο βρίσκεται στο παράθυρο των 1310nmδε θα είναι συµβατό µε WDM δίκτυο στην περιοχή των 1550nm. Έτσι, στις εισόδους και στις εξόδους του δικτύου, τα δεδοµένα πρέπει να µετατραπούν σε στενής ζώνης WDM σήµατα στη µπάντα των 1550nm Οι µετατροπείς µήκους κύµατος µπορεί να είναι χρήσιµοι εντός του δικτύου για τη βελτίωση της χρήση των διαθέσιµων µηκών κύµατος στις ζεύξεις του δικτύου Οι µετατροπείς µήκους κύµατος µπορεί να χρειαστούν στα όρια µεταξύ διαφορετικών δικτύων, αν τα διαφορετικά δίκτυα βρίσκονται υπό τη διαχείριση διαφορετικών οντοτήτων (παρόχων) και αυτές οι οντότητες δε συντονίζουν την ανάθεση µηκών κύµατος στα δίκτυά τους 252

253 Wavelength Converters (2/7) Οι µετατροπείς µήκους κύµατος µπορούν να κατηγοριοποιηθούν µε βάση το εύρος των µηκών κύµατος που µπορούν να χειριστούν στις εισόδους και στις εξόδους τους Μία διάταξη σταθερής εισόδου σταθερής εξόδου (fixed-input fixed output device) δέχεται ένα σταθερό µήκος κύµατος στην είσοδο και το µετατρέπει σε ένα σταθερό µήκος στην έξοδο Μία διάταξη µεταβαλλόµενης εισόδου σταθερής εξόδου (variable-input fixed output device) δέχεται ποικιλία µηκών κύµατος στην είσοδο, αλλά πάντα µετατρέπει το σήµα εισόδου σε ένα σταθερό µήκος κύµατος στην έξοδο Μία διάταξη σταθερής εισόδου µεταβαλλόµενης εξόδου (fixed-input variable output device) κάνει ακριβώς την αντίθετη λειτουργία από την προηγούµενη Μία διάταξη µεταβαλλόµενης εισόδου µεταβαλλόµενης εξόδου (variable-input variable output device) µπορεί να µετατρέψει ένα οποιοδήποτε µήκος κύµατος στην είσοδο σε οποιοδήποτε µήκος κύµατος στην έξοδο Επίσης, χρειάζεται να θεωρηθεί και το εύρος των οπτικών ισχύων στην είσοδο που ο µετατροπέας µπορεί να χειριστεί, ανεξάρτητα από το αν ο µετατροπέας είναι διαφανής στο ρυθµό των bits και στο σχήµα διαµόρφωσης των σηµάτων εισόδου και ανεξάρτητα από το αν εισάγει επιπρόσθετο θόρυβο στο πλάτος ή στη φάση του σήµατος 253

254 Wavelength Converters Optoelectronic Approach (3/7) Για τους αµιγώς οπτικούς µετατροπείς µήκους κύµατος, οι απώλειες εξαρτώµενες από την πόλωση πρέπει να διατηρηθούν σε ελάχιστη τιµή Υπάρχουν διάφοροι τρόποι για την επίτευξη µετατροπής µήκους κύµατος και ο απλούστερος είναι ο Οπτοηλεκτρονικός (Optoelectronic) Είναι η απλούστερη, πιο προφανής και πιο πρακτική µέθοδος για την επίτευξη µετατροπής µήκους κύµατος Το σήµα εισόδου πρώτα µετατρέπεται σε ηλεκτρική µορφή, αναγεννάται (regenerated) και έπειτα αναµεταδίδεται χρησιµοποιώντας ένα laser σε διαφορετικό µήκος κύµατος Συνήθως πρόκειται για µετατροπέα µεταβαλλόµενης εισόδου και σταθερής εξόδου Ο δέκτης συνήθως δεν «νοιάζεται» για το µήκος κύµατος εισόδου, αρκεί αυτό να βρίσκεται σε ένα από τα παράθυρα των 1310nm ή 1550nm Το laser είναι συνήθως σταθερού µήκους κύµατος Αν χρησιµοποιηθεί συντονιζόµενο laser, η έξοδος γίνεται µεταβαλλόµενη 254

255 Wavelength Converters Optoelectronic Approach (4/7) Οι επιδόσεις και η διαφάνεια του µετατροπέα εξαρτώνται από τον τύπο της αναγέννησης που χρησιµοποιείται 1R αναγέννηση Στην απλούστερη περίπτωση, ο δέκτης απλά µετατρέπει τα εισερχόµενα φωτόνια σε ηλεκτρόνια, τα οποία ενισχύονται από ένα αναλογικό RF ενισχυτή και οδηγούν το laser. Αυτός ο τύπος µετατροπής είναι πραγµατικά διαφανής στο σχήµα διαµόρφωσης, αρκεί να χρησιµοποιηθεί ο κατάλληλος δέκτης για τη λήψη του σήµατος Ο µετατροπέας µπορεί να χειριστεί και αναλογικά δεδοµένα Ωστόσο, προστίθεται θόρυβος στο µετατροπέα, και οι επιδράσεις των µη γραµµικοτήτων και της διασποράς δεν εξαλείφονται Σήµα µε θόρυβο Ενισχυµένο σήµα µε θόρυβο Φωτοφωρατής Ενισχυτής Οδηγός του Laser Laser 255

256 Wavelength Converters Optoelectronic Approach (5/7) Οι επιδόσεις και η διαφάνεια του µετατροπέα εξαρτώνται από τον τύπο της αναγέννησης που χρησιµοποιείται (συνέχεια) 2R αναγέννηση Αναγέννηση µε ανασχηµατισµό (reshaping) αλλά χωρίς αναχρονισµό (retiming) Μπορεί να εφαρµοστεί µόνο σε ψηφιακά δεδοµένα. Το σήµα ανασχηµατίζεται στέλνοντάς το µέσα από µία λογική πύλη, αλλά δεν αναχρονίζεται Εισάγεται επιπλέον θόρυβος φάσης (phase jitter) εξαιτίας αυτής της διαδικασίας και τελικά, θα περιοριστεί το πλήθος των σταδίων που µπορούν να τεθούν σε σειρά (cascade) Σήµα µε θόρυβο Ανασχηµατισµένο σήµα Υπάρχει jitter στη φάση Φωτοφωρατής Ενισχυτής Πύλη Οδηγός του Laser Laser 256

257 Wavelength Converters Optoelectronic Approach (6/7) Οι επιδόσεις και η διαφάνεια του µετατροπέα εξαρτώνται από τον τύπο της αναγέννησης που χρησιµοποιείται (συνέχεια) 3R αναγέννηση Αναγέννηση µε ανασχηµατισµό και αναχρονισµό Με αυτό το σχήµα εξαλείφονται πλήρως οι επιδράσεις των µη γραµµικοτήτων, της διασποράς της ίνας και του θορύβου του ενισχυτή εν εισάγεται επιπλέον θόρυβος Σήµα µε θόρυβο Ανασχηµατισµένο και αναχρονισµένο σήµα Φωτοφωρατής Ενισχυτής Ανάκτηση χρόνου Πύλη Ρολόι Έλεγχος επίδοσης, επεξεργασία Οδηγός του Laser Laser 257

258 Wavelength Converters Optoelectronic Approach (7/7) Οι επιδόσεις και η διαφάνεια του µετατροπέα εξαρτώνται από τον τύπο της αναγέννησης που χρησιµοποιείται (συνέχεια) 3R αναγέννηση Ωστόσο, ο αναχρονισµός εξαρτάται από το ρυθµό των bits,οπότε χάνεται η διαφάνεια (ανεξαρτησία από το ρυθµό και από το σχήµα διαµόρφωσης) Αν η διαφάνεια δεν είναι σηµαντική, αυτή η εναλλακτική αναγέννησης αποτελεί αρκετά ελκυστική προσέγγιση Τέτοιου τύπου αναγεννητές συχνά περιλαµβάνουν κυκλώµατα που εκτελούν έλεγχο επιδόσεων και επεξεργάζονται και τροποποιούν σχετικές πλεονάζουσες Σήµα µε θόρυβο Φωτοφωρατής πληροφορίες (overheads) διαχείρισης σχετικές µε το σήµα Ενισχυτής Ανάκτηση χρόνου Πύλη Ρολόι Ανασχηµατισµένο και αναχρονισµένο σήµα Έλεγχος επίδοσης, επεξεργασία Οδηγός του Laser Laser 258

261 Quality of The Received Signal (1/3) Μία ευρέως χρησιµοποιούµενη πειραµατική τεχνική για τον καθορισµό της ποιότητας του λαµβανόµενου σήµατος είναι το διάγραµµα οφθαλµού (eye diagram) Το όνοµα οφείλεται στην οµοιότητα µε το ανθρώπινο µάτι Ένα διάγραµµα οφθαλµού µπορεί εύκολα να παραχθεί πειραµατικά χρησιµοποιώντας ένα παλµογράφο για την απεικόνιση του λαµβανόµενου σήµατος δεδοµένου ότι έχει επιτευχθεί ο κατάλληλος συγχρονισµός στο δέκτη Έστω κυµατοµορφή ενός λαµβανόµενου σήµατος στο ηλεκτρικό επίπεδο µε χρήση NRZ διαµόρφωσης, αφού έχει φιλτραριστεί από ένα (ηλεκτρικό) φίλτρο στο δέκτη και πρόκειται να δειγµατοληπτηθεί Όρια των bits 261

262 Quality of The Received Signal (2/3) Αν η κυµατοµορφή «κοπεί» στα όρια των bits και τα τµήµατα που παράγονται υπερτίθενται (το ένα πάνω στο άλλο) προκύπτει το διάγραµµα Κατακόρυφο άνοιγµα Το κατακόρυφο άνοιγµα του οφθαλµού δείχνει την επίδραση των διαφόρων συνιστωσών θορύβου κατά τη διάδοση και στο δέκτη αλλά και τη σχέση άσου και µηδέν, δηλαδή του λόγου σβέσης, και την επίδραση των απωλειών στα δύο επίπεδα του σήµατος Το οριζόντιο άνοιγµατου οφθαλµού δείχνει τι περιθώρια υπάρχουν σε σφάλµατα χρονισµού εξαιτίας της ατελούς ανάκτησης ρολογιού, αλλά και πόσο έχουν «ανοίξει» οι παλµοί εξαιτίας της επίδρασης της χρωµατικής διασποράς Οριζόντιο άνοιγµα Η υπέρθεση µπορεί να είναι και ανά τρία bits και όχι κατ ανάγκη ανά ένα 262

263 Quality of The Received Signal (3/3) Πειραµατικό διάγραµµα οφθαλµού NRZ σήµατος ρυθµού 525 Mbit/s που έχει προκύψει µετά από διάδοση κατά µήκος µίας πλαστικής οπτικής ίνας µήκους 50 µέτρων η οποία έχει υποστεί θερµική επεξεργασία Toray Plastic Optical Fiber (POF) 50 µέτρων µε Το αριθµητικό άνοιγµα της ίνας είναι 0.5 είκτης διάθλασης ίνας Μετάδοση στα 650 nm (κόκκινο χρώµα) µε χρήση Fabry-Perot laser Χρήση φωτοδιόδου πυριτίου Ο δέκτης έχει ενσωµατωµένο ηλεκτρικό ενισχυτή (transimpedance amplifier) Laser Diode (650 nm) Silicon PiN Photodiode 263

Δείτε περισσότερα