ΕΙΔΙΚΗ ΕΠΙΣΤΗΜΟΝΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ WDM over POF τεχνολογία στο Δίκτυο Μετάδοσης Κινητής Τηλεφωνίας
ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ ΤΜΗΜΑ ΦΥΣΙΚΗΣ Π.Μ.Σ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΗ & ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑ ΤΗΣ ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΑΣ ΕΙΔΙΚΗ ΕΠΙΣΤΗΜΟΝΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ WDM over POF τεχνολογία στο Δίκτυο Μετάδοσης Κινητής Τηλεφωνίας Επιβλέπων Καθηγητής κ.γ.οικονόμου Συνεπιβλέπων Καθηγητής κ.ε.ζυγούρης Συνεπιβλέπων Καθηγητής κ.σ.φωτόπουλος 2
Ευχαριστίες Πολλές φορές για να ολοκληρωθεί μια προσπάθεια ατομική χρειάζεται και η συμβολή κάποιων ατόμων. Η ευχαριστία λοιπόν έστω και με τον τρόπο αυτό είναι η ελάχιστη, αλλά σίγουρα ειλικρινής, κίνηση που μπορώ να κάνω για τους ανθρώπους εκείνους που βοήθησαν άμεσα ή έμμεσα να διεκπεραιωθεί η Ειδική Επιστημονική Εργασία. Ευχαριστώ λοιπόν θερμά τον καθηγητή κ.γεώργιο Οικονόμου που με την βοήθεια του, την καθοδήγηση του και την πρόθυμη συνεργασία του συνέβαλε να ολοκληρώσω επιτυχώς την εργασία αυτή. Ευχαριστώ επίσης θερμά τον κ.ευάγγελο Ζυγούρη και τον κ.σπύρο Φωτόπουλο που με την άψογη οργάνωση των μαθημάτων τους και των εργαστηρίων τους και την πρόθυμη προσφορά τους, βοήθησαν πραγματικά να αποκτήσω μια πρακτική αντίληψη στο αντικείμενο της Ψηφιακής Επεξεργασίας Σήματος ενός κλάδου ιδιαίτερα χρήσιμου για τον τομέα των Τηλεπικοινωνιών και να διευρύνω τις γνώσεις μου στον Τομέα αυτό. Επίσης, οφείλω ένα μεγάλο ευχαριστώ στον καθηγητή κ.σπύρο Λούβρο που με την παροχή πολύτιμου υλικού, την εμπειρία του, και την συνεργασία με καθοδήγησε και με βοήθησε σε διάφορα πρακτικά θέματα για την ολοκλήρωση της εργασίας. Η συμβολή του ήταν καθοριστική και ανεκτίμητη. Τέλος, πρέπει να ευχαριστήσω τον καθηγητή του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών & Τεχνολογίας Υπολογιστή κ.ιωάννη Ρούδα, που μου επέτρεψε την μελέτη του αντικείμενου της Εργασίας αυτής χρησιμοποιώντας το πρόγραμμα προσομοίωσης που διαθέτει το εργαστήριο Οπτικών Τηλεπικοινωνιών και με βοήθησε να πάρω αποτελέσματα για το πιο σημαντικό ίσως κομμάτι της εργασίας αυτής. Επίσης ευχαριστώ όλους τους μεταπτυχιακούς φοιτητές του Εργαστηρίου Οπτικών Τηλεπικοινωνιών οι οποίοι με συμβούλευαν πρόθυμα και πραγματικά βοήθησαν στη σωστή διεξαγωγή των προσομοιώσεων. 3
ΕΙΣΑΓΩΓΗ Η μελέτη οπτικών συστημάτων μετάδοσης με πολυπλεξία μήκους κύματος WDM με την χρήση μιας κατηγορίας οπτικών ινών των POF αποτελεί το αντικείμενο της παρακάτω Ειδικής Επιστημονικής Εργασίας. Αναλυτικά στο 1 ο Κεφάλαιο γίνεται εκτενής αναφορά σχετικά με την διάδοση του φωτός μέσα στην οπτική ίνα και γίνεται λόγος για τα φαινόμενα επίδρασης που παρουσιάζονται. Στη συνέχεια, αναλύονται οι διάφορες πηγές φωτός, εξηγείται η λειτουργία τους, παρουσιάζονται τα χαρακτηριστικά και οι εφαρμογές τους. Καθορίζεται ο τρόπος επιλογής μιας πηγής για POF συστήματα καθώς επίσης εξηγείται αναλυτικά και η διαδικασία της λήψης με την φωτοδίοδο APD. Στο 2 ο Κεφάλαιο παρουσιάζονται εκτενώς οι Πολυμερείς Οπτικές Ίνες, και αναφέρονται τα χαρακτηριστικά τους. Επίσης γίνεται παρουσίαση των συστημάτων που έχουν υλοποιηθεί μέχρι σήμερα με GI-POF ίνες σε διάφορα Πανεπιστήμια και Ερευνητικά Ινστιτούτα. Μελετάται ακολούθως, ένα μοντέλο προσομοίωσης των POF και σχολιάζονται τα αποτελέσματα της κρουστικής απόκρισης και διασποράς που αυτό παρέχει. Στο 3 ο Κεφάλαιο η Πολυπλεξία Μήκους Κύματος WDM αποτελεί το βασικό αντικείμενο. Παρατίθενται οι τοπολογίες WDM δικτύων και τα δομικά στοιχεία που συνθέτουν ένα WDM δίκτυο. Επιπλέον, παρουσιάζονται τα WDM συστήματα με POF που έχουν υλοποιηθεί κατά καιρούς και αναφέρονται οι επιδόσεις τους. Στο 4 ο Κεφάλαιο παρουσιάζονται τα Πρωτόκολλα Ελέγχου Προσπέλασης Μέσου. Εξηγείται ο τρόπος λειτουργίας κάθε πρωτοκόλλου ξεχωριστά τόσο για πρωτόκολλα με συγκρούσεις αποδέκτη όσο και για πρωτόκολλα χωρίς συγκρούσεις αποδέκτη. Στο τέλος του κεφαλαίου παρουσιάζεται μια τεχνική σάρωσης εικεφαλίδων όπως και μια πρόταση εφαρμογής της σε ένα WDM σύστημα. Τέλος, στο 5 ο Κεφάλαιο παρουσιάζονται οι προσομοιώσεις τριων οπτικών συστημάτων μετάδοσης με POF στα 10 Gbps, παρατίθενται τα αποτελέσματα που αφορούν τα μεγέθη της ισχύος, τα διαγράμματα ματιού, ο ρυθμός εμφάνισης σφαλμάτων (BER), ο παράγοντας Q, ο αποτελεσματικός παράγοντας Q και το απόλυτο κατώφλι απόφασης. Έπειτα εξάγονται τα ανάλογα συμπεράσματα για την δυνατότητα υλοποίησης οπτικών συστημάτων με GI-POF όπως και οι συνθήκες υλοποίησης. 4
ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 ΟΠΤΙΚΕΣ ΙΝΕΣ-ΕΚΠΟΜΠΗ & ΛΗΨΗ ΦΩΤΟΣ 1.1. Περιγραφή γεωμετρικής οπτικής 10 1.2 Διάθλαση και ολική ανάκλαση 11 1.3 Οπτικές ίνες 12 1.4 Προφίλ δείκτη διάθλασης 13 1.5 Αριθμητικό άνοιγμα 14 1.6 Mετάδοση κυμάτων 15 1.7 Διασπορά στις οπτικές ίνες 16 1.8 Διασπορά χρόνου πολλαπλών διαδρομών 18 1.9 Διασπορά τρόπων 23 1.10 Χρωματική Διασπορά 26 1.11 Εξασθένιση 27 1.12 Βασικές έννοιες ημιαγωγών 28 1.13 Επαφές p-n 29 1.14 Πηγές φωτός 31 1.15 Δίοδοι εκπομπής φωτός (LED) 31 1.15.1 Λειτουργία 32 1.15.2 Δομή 32 1.15.3 Χαρακτηριστικές φωτός-ρεύματος 33 1.15.4 Χαρακτηριστικά 34 1.15.5 Εφαρμογές 35 1.16 Laser ημιαγωγών 36 1.16.1 Λειτουργία 36 1.16.2 Είδη λέιζερ 38 1.16.3 Δομή LASER & super luminescence diodes 40 1.16.4 Δομή VCSEL Laser επιφάνειας εκπομπής (Surface emitting laser) 42 1.16.5 Δομή Resonant Cavity LED 44 1.16.6 Δομή Non-resonant cavity LED 45 1.16.7 Χαρακτηριστικές φωτός-ρεύματος 46 1.16.8 Χαρακτηριστικά 49 5
1.16.9 Διαμόρφωση των λέιζερ 50 1.16.10 Εφαρμογές 51 1.17 Παραδείγματα POF-πομπών Διόδων 51 1.17.1 Κόκκινες δίοδοι λέιζερ 52 1.17.2 Πράσινες δίοδοι λέιζερ 53 1.17.3 Κάθετες δίοδοι λέιζερ και RC-LED 53 1.18 Επιλογή του τύπου της πηγής 53 1.18.1 Lasers για τα POF Συστήματα 54 1.18.2 VCSEL & RC-LED για POF συστήματα 56 1.19 Οπτικοί δέκτες 58 1.19.1 Φωτοανίχνευση 58 1.19.2 Φωτοδίοδος χιονοστοιβάδας APD 58 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 POF (Polymer Optical Fibers) 2.1 Εισαγωγή 62 2.2 Χαρακτηριστικά 63 2.3 Kαθορισμός του εύρους ζώνης 63 2.4 Χρωματική διασπορά στις πολυμερείς οπτικές ίνες 64 2.5 Οι διαβαθμιζόμενου δείκτη διάθλασης οπτικές ίνες GI POF 67 2.6 PMMA-based POF 69 2.7 Συστήματα με τις GI-POF 71 2.7.1 Συστήματα με τις PMMA-GI-POF 71 2.7.2 Υβριδικά POF συστήματα-μετάδοση τηλεοπτικών καναλιών με τις GI-POF 74 2.8 Μοντέλο Προσομοίωσης των POF 75 2.9 Αποτελέσματα 82 2.9.1 Κρουστική Απόκριση 82 2.9.2 Διασπορά 94 2.10 Συμπεράσματα 95 6
ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 ΠΟΛΥΠΛΕΞΙΑ ΜΗΚΟΥΣ ΚΥΜΑΤΟΣ WDM 3.1 Εισαγωγή 97 3.2 Δίκτυα Οπτικών Συνδέσμων 101 3.3 Δίκτυα WDM Συνδέσμων από σημείο σε σημείο 101 3.4 Δίκτυα εκπομπής και επιλογής 103 3.5 WDM Δίκτυα Εκπομπής και Επιλογής 105 3.6 Δίκτυα δρομολόγησης μήκους κύματος 108 3.7 WDM δίκτυα δρομολόγησης μήκους κύματος 109 3.8 Το πρόβλημα της δρομολόγησης και ανάθεση μηκών κύματος 113 3.9 Δομικά στοιχεία δικτύων δρομολόγησης μήκους κύματος 115 3.9.1 Γενικά ζητήματα 115 3.9.2 Εσωτερική δομή των WXC 117 3.9.3 WDM Πολυπλέκτες Αποπολυπλέκτες 121 3.10 WDM δίκτυα δρομολόγησης ζώνης μηκών κύματος 125 3.11 WDM Παθητικά Οπτικά Δίκτυα 126 3.12 Οπτικά δίκτυα μεταγωγής πακέτου 131 3.12.1 Γενικά ζητήματα 131 3.12.2 Φωτονικά Δίκτυα Μεταγωγής Πακέτου 133 3.13 WDM Συστήματα με GI-POF 134 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ΠΡΩΤΟΚΟΛΛΑ ΕΛΕΓΧΟΥ ΠΡΟΣΠΕΛΑΣΗΣ ΜΕΣΟΥ ΓΙΑ ΤΟΠΙΚΑ ΟΠΤΙΚΑ ΔΙΚΤΥΑ 4.1 Εισαγωγή 143 4.2 Πρωτόκολλα σταθερής ανάθεσης 144 4.2.1 Ι-TDMA 144 4.2.2 I-TDMA* 146 4.2.3 R-TDMA 148 4.3 Πρωτόκολλα Τυχαίας Προσπέλασης 150 4.3.1 I-SA 150 4.3.2 I-SA* 152 7
4.3.3 Πολυκαναλικό CSMA και CSMA/CD 153 4.4 Πρωτόκολλα με συντονισμό πριν τη μετάδοση 155 4.4.1 Πρωτόκολλα με συγκρούσεις αποδέκτη 155 4.4.1.1 Aloha/Aloha 155 4.4.1.2 Πρωτόκολλα τύπου θυριδωτό Aloha/θυριδωτό Aloha 155 4.4.1.3 Πρωτόκολλο θυριδωτό Αloha/θυριδωτό Αloha με καθυστέρηση 166 4.4.1.4 Πρωτόκολλα R-Aloha 168 4.4.1.5 DT-WDMA 170 4.4.1.6 Μηχανισμός Quadro 173 4.4.1.7 Πολυκαναλική αρχιτεκτονική ελέγχου για τα Aloha/Aloha με καθυστέρηση και θυριδωτό Aloha/Aloha με καθυστέρηση 175 4.4.1.8 N-DT-WDMA 177 4.4.1.9 Πρωτόκολλα τυχαίας χρονοδρομολόγησης για πολυεκπομπή 181 4.4.2 Πρωτόκολλα χωρίς συγκρούσεις αποδέκτη 184 4.4.2.1 Τροποποιημένο θυριδωτό Aloha/θυριδωτό Aloha με καθυστέρηση με χρήση μεθόδων επίλυσης συγκρούσεων LCB και LCB-CR 186 4.4.2.2 TDMA-W 190 4.4.2.3 RCA 192 4.4.2.4 WDM/SCM (NG-TDMA) 196 4.4.2.5 MAC πρωτόκολλο με κεντρική χρονοδρομολόγηση και δυνατότητα προανάγνωσης 199 4.4.2.6 MAC πρωτόκολλο με εξισορρόπηση φόρτου και κρατήσεις 201 4.4.2.7 MAC πρωτόκολλο με δυνατότητα παροχής εγγυημένου εύρους ζώνης 205 4.4.2.8 AP-WDMA 208 4.4.2.9 DAS και HTDM 212 4.4.2.10 EATS, RO-EATS και MSL 215 4.4.2.11 PDS-EAC και PDS-MSL 222 8
4.4.2.12 FATMAC, HRP/TSA OIS και POSA 225 4.5 Οπτική ASK/DPSK τεχνική αλλαγής επικεφαλίδων βασισμένη σε φαινόμενα άντλησης στους παραμετρικούς ενισχυτές (AOLS) 234 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΕΙΣ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ POF 5.1 Εισαγωγή 238 5.2 Μοντέλα προσομοίωσης 238 5.2.1 Μοντέλο πομπού 239 5.2.2 Μοντέλο ίνας 242 5.2.3 Μοντέλο δέκτη 244 5.2.4 Διάφορα μοντέλα 245 5.3 Ρυθμίσεις 247 5.4 Αποτελέσματα προσομοιώσεων 250 5.4.1 Αποτελέσματα 1ου Συστήματος μετάδοσης μέσω POF 250 5.4.2 Συμπεράσματα-παρατηρήσεις 268 5.4.3 Αποτελέσματα 2ου Συστήματος μετάδοσης μέσω POF 270 5.4.4 Συμπεράσματα-παρατηρήσεις 288 5.4.5 Αποτελέσματα 3ου Συστήματος μετάδοσης μέσω POF 289 5.4.6 Συμπεράσματα-Παρατηρήσεις 312 5.4.7 Μετρήσεις BER, Q-factor, effective Q-factor, Threshold 313 5.4.8 Συμπεράσματα-Παρατηρήσεις 318 ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ 321 ΠΡΟΓΡΑΜΜΑ 1.1 321 ΠΡΟΓΡΑΜΜΑ 1.2 321 ΠΡΟΓΡΑΜΜΑ 1.3 321 ΠΡΟΓΡΑΜΜΑ 1.4 322 ΠΡΟΓΡΑΜΜΑ 1.5 322 ΠΡΟΓΡΑΜΜΑ 1.6 323 ΠΡΟΓΡΑΜΜΑ 1.7 334 9
ΠΡΟΓΡΑΜΜΑ 1.8 334 ΠΡΟΓΡΑΜΜΑ 1.9 344 ΠΡΟΓΡΑΜΜΑ 1.10 345 ΠΡΟΓΡΑΜΜΑ 1.11 346 ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ 347 ΣΥΝΔΕΣΜΟΙ 349 10
ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 ΟΠΤΙΚΕΣ ΙΝΕΣ-ΕΚΠΟΜΠΗ & ΛΗΨΗ ΦΩΤΟΣ 1.1. Περιγραφή γεωμετρικής οπτικής Στην πιο απλή της μορφή, μια οπτική ίνα αποτελείται από έναν κυλινδρικό πυρήνα από γυαλί πυριτίου, ο οποίος περιβάλλεται από περίβλημα με δείκτη διάθλασης μικρότερο από εκείνον του πυρήνα. Εξαιτίας της απότομης αλλαγής δείκτη διάθλασης στην επιφάνεια επαφής πυρήνα-περιβλήματος, οι ίνες αυτές ονομάζονται ίνες βηματικού δείκτη. Σ ένα άλλο είδος ίνας, που είναι γνωστή ως ίνα διαβαθμιζόμενου δείκτη διάθλασης, ο δείκτης διάθλασης μειώνεται σταδιακά στo εσωτερικό του πυρήνα. Το Σχήμα 1.1 παρουσιάζει σχηματικά το προφίλ του δείκτη διάθλασης και τη διατομή για τα δυο είδη ινών. Μπορούμε να αποκτήσουμε καλή αντίληψη για τις ιδιότητες κυματοδήγησης των οπτικών ινών χρησιμοποιώντας μια εικόνα ακτίνων, βασισμένη στη γεωμετρική οπτική. Η περιγραφή της γεωμετρικής οπτικής, παρ όλο που γίνεται κατά προσέγγιση, ισχύει όταν η ακτίνα του πυρήνα α είναι πολύ μεγαλύτερη από το μήκος κύματος του φωτός λ. 11
Σχήμα 1.1 Τομή και προφίλ του δείκτη διάθλασης μιας ίνας βηματικού και μιας διαβαθμισμένου δείκτη. 1.2 Διάθλαση και ολική ανάκλαση Όταν το φως διαχέεται σε ένα μέσο όπως το πολυμερές, η ταχύτητα του φωτός μειώνεται. Tο πηλίκο της ταχύτητας του φωτός στο κενό είναι c v προς την ταχύτητα στο μέσο c m αναφέρεται ως δείκτης διάθλασης n και εκφράζεται από την εξίσωση c v n = (1.1) c m Εκτός από την ταχύτητα, το μήκος κύματος λ του φωτός που περνά μέσα από το μέσο επίσης μεταβάλλεται, ενώ η συχνότητα f και άρα η ενέργεια W παραμένουν σταθερές. Στο Σχήμα 1.2 βλέπουμε την ακτίνα φωτός να μπαίνει στο μέσο με γωνία Θ και ανακλάται με μια γωνία α με τον κατακόρυφο άξονα. Ένα μέρος του φωτός ανακλάται. Η ανάκλαση εκφράζεται με την εξίσωση sin Θ n sin a = n 2 1 (1.2) Αντιστρέφοντας το οπτικό μονοπάτι, δηλαδή διάδοση από ένα οπτικά πυκνότερο μέσο σε ένα οπτικά αραιότερο, η ακτίνα ανακλάται μακριά από τον κατακόρυφο άξονα. Αν στην περίπτωση αυτή η γωνία α αυξηθεί συνεχώς, η ακτίνα φωτός σταματά να μεταφέρεται στο άλλο μέσο όταν η γωνία α φτάσει μια συγκεκριμένη τιμή, και αντί αυτού ανακλάται πλήρως. Για την οριακή συνθήκη της ολικής ανάκλασης π.χ όταν Θ=90, ισχύει η ακόλουθη σχέση sin n 1 α τ = (1.3) n2 12
Σχήμα 1.2 Διάθλαση φωτός και ολική ανάκλαση. 1.3 Οπτικές ίνες Μια οπτική ίνα που αποτελείται από έναν υψηλά διαφανή πυρήνα έχοντας έναν δείκτη διάθλασης n core και ένα περίβλημα που έχει δείκτη διάθλασης n cladd. Για να βεβαιώσουμε ότι η ακτίνα φωτός που έχει εισέλθει μέσα στην ίνα μπορεί να διέλθει κατά μήκος της θα πρέπει να ισχύει n core >n cladd Σχήμα 1.3, έτσι ώστε κάτω από μια κρίσιμη γωνία Θmax να λαμβάνει μέρος η ολική ανάκλαση στο όριο μεταξύ πυρήνα και μανδύα. Το περιβάλλον μέσο είναι αέρας με n 0 =1. Σχήμα 1.3 Οδήγηση κύματος μέσα στην οπτική ίνα. Οι ακτίνες που χτυπούν στην επιφάνεια της ίνας με γωνία μεγαλύτερη από την γωνία Θ max δεν ανακλώνται πλήρως στην οριακή επιφάνεια πυρήνα/μανδύα αλλά μερικώς 13
διαθλώνται στον μανδύα έτσι ώστε να μην είναι διαθέσιμες για την μετάδοση του σήματος. 1.4 Προφίλ δείκτη διάθλασης Oι ικανότητες της οδήγησης κύματος μέσα στην ίνα εξαρτώνται σε ένα μεγάλο βαθμό από τον δείκτη διάθλασης του πυρήνα και του μανδύα. Σε μια ίνα βηματικού δείκτη διάθλασης, ο δείκτης διάθλασης είναι σταθερός κατά μήκος όλου του πυρήνα και του μανδύα (Σχήμα 1.4) ενώ οι ακτίνες φωτός διαδίδονται κατά μήκος ευθείων γραμμών στον πυρήνα και ανακλώνται πλήρως στην οριακή επιφάνεια πυρήνα/μανδύα. Η τιμή του δείκτη διάθλασης στον πυρήνα και στον μανδύα δίνεται παρακάτω.(w η ακτίνα του πυρήνα της ίνας). n(r)= n core n(r)= n cladd για r w για r>w Σχήμα 1.4 Μεταβολή δείκτη διάθλασης σε μία ίνα βηματικού δείκτη διάθλασης. Oι διάφορες ακτίνες καλύπτουν διαφορετικές αποστάσεις, οπότε προκύπτουν αξιοπρόσεκτες διαφορές στους χρόνους μετάδοσης. Διαλέγοντας μια ίνα με διαβαθμιζόμενο δείκτη διάθλασης μπορούμε να ελαχιστοποιήσουμε αυτές τις διαφορές. Οι ίνες με διαβαθμιζόμενο δείκτη κατασκευάζονται από πυρήνα που έχει δείκτη διάθλασης εξαρτώμενο από την ακτίνα και έναν μανδύα με σταθερό δείκτη διάθλασης. (Σχήμα 1.5). a 2 r n( r) = n Δ core, max 1 για r w (1.4) w 14
n ( r) = n cladd για r>w Όπου α είναι ο εκθετικός δείκτης, w η ακτίνα του πυρήνα της ίνας και Δ είναι σχετική διαφορά δεικτών διάθλασης 2 2 core cladd 2 2n core n n Δ = (1.5) Σχήμα 1.5 Δομή της ίνας τύπου διαβαθμιζόμενου δείκτη διάθλασης. Aυτές οι ακτίνες συγκλίνουν στην κεντρική διαδρομή με μικρότερη απόσταση, αλλά εξαιτίας του μεγαλύτερου δείκτη διάθλασης εκεί, ταξιδεύουν σε μικρότερη ταχύτητα. Από την άλλη πλευρά, ο μικρότερος δείκτης διάθλασης κοντά στον μανδύα προκαλεί τις ακτίνες που ταξιδεύουν εκεί να έχουν μια υψηλότερη ταχύτητα, αλλά έχουν μια μεγαλύτερη απόσταση να διανύσουν. Επιλέγοντας ένα κατάλληλο εκθετικό δείκτη είναι δυνατό να αντισταθμίσουμε τις διαφορές αυτές στον χρόνο μετάδοσης. 1.5 Αριθμητικό άνοιγμα Όταν το φως εισέρχεται μέσα στην ίνα με γωνία Θ max που ανακλάται με μια γωνία α max (Σχήμα 1.2). Εφαρμόζοντας τον νόμο της ανάκλασης έχουμε n 0 sinθ max =n core sinα max =n core sin(90-γ max ) n 0 sinθ max =n core cosγ max n Θ = n 2 cladd 2 0 sin max ncore 1 sin γ max,... με = sin ncore 2 γ max 15
n n 0 0 sin Θ sin Θ max max = n = core n 2 core n 1 n n cladd core 2 cladd 2... ισχ ύει.. για... n 0 = 1 sin Θ max = n 2 core n 2 cladd Tο ημίτονο της μέγιστης γωνίας Θ max της ακτίνας ορίζεται ως το αριθμητικό άνοιγμα Α Ν. Η γωνία Θmax αναφέρεται ως η γωνία υποδοχής, και δυο φορές την γωνία υποδοχής αναφέρεται ως γωνία ανοίγματος. Χρησιμοποιώντας την σχετική διαφορά δεικτών διάθλασης Δ, η τιμή του Α Ν προκύπτει από τη σχέση 2 2 Α Ν = sinθ = n n = n 2 Δ (1.6) max core Έτσι το μέγεθος του αριθμητικού ανοίγματος NA είναι εξαρτώμενο από την διαφορά ανάμεσα στους δείκτες διάθλασης πυρήνα/μανδύα. Όταν το αριθμητικό άνοιγμα της ίνας βηματικού δείκτη διάθλασης παραμένει σταθερό, η ίνα διαβαθμιζόμενου δείκτη διάθλασης παρουσιάζει μια μείωση της γωνίας υποδοχής από το κέντρο του πυρήνα προς το μανδύα [1]. Συγκριτικά με άλλους τύπους ινών, η POF έχει το μεγαλύτερο αριθμητικό άνοιγμα και την μεγαλύτερη διάμετρο πυρήνα. Αυτό είναι ένα από τα πιο σημαντικά πλεονεκτήματα της POF, έτσι η τεχνολογία σύνδεσης που μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τις POF ίνες είναι πιο οικονομική στην εφαρμογή σε σχέση με αυτή που χρησιμοποιείται στις ίνες γυαλιού. Το γινόμενο B L των POF, ωστόσο υπερβαίνει τα 2 Gb/s-Km εξαιτίας του προφίλ διαβαθμισμένου δείκτη. Σαν αποτέλεσμα μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τη μεταφορά δεδομένων σε ρυθμό μετάδοσης bit>1 Gb/s για μικρές αποστάσεις κάτω του 1 km. cladd core 1.6 Mετάδοση κυμάτων Όπως όλα τα ηλεκτρομαγνητικά φαινόμενα, η μετάδοση των οπτικών πεδίων στις ίνες διέπεται από τις εξισώσεις Maxwell. Για μη αγώγιμο μέσο χωρίς ελεύθερα φορτία, οι εξισώσεις αυτές παίρνουν την μορφή. 16
Β Ε = dt D H = (1.7) t D = 0 B = 0 όπου Ε και Η είναι τα διανύσματα του ηλεκτρικού και του μαγνητικού πεδίου αντίστοιχα, ενώ D και B είναι οι αντίστοιχες πυκνότητες ροής. Με μια μαθηματική διαδικασία προκύπτει η εξίσωση 2 0 2 2 Ε + n ( ω ) k E = 0 (1.8) ο όρος οπτικός τρόπος μετάδοσης (mode) αναφέρεται σε μια συγκεκριμένη λύση της παραπάνω κυματικής εξίσωσης που ικανοποιεί τις κατάλληλες οριακές συνθήκες κι έχει την ιδιότητα η χωρική κατανομή της να μην μεταβάλλεται ανάλογα κατά την μετάδοση [2]. 1.7 Διασπορά στις οπτικές ίνες Η διασπορά αναφέρεται αρχικά σ όλα τα φαινόμενα που προκύπτουν ως αποτέλεσμα στην διαφορά στους χρόνους μετάδοσης των διαφόρων τρόπων. Ένας τρόπος είναι άλλωστε μια συνθήκη διάδοσης του φωτός που είναι μοναδικά ορισμένο από το μήκος κύματος, την πόλωση και το μονοπάτι διάδοσης. Οι διαφορετικές καθυστερήσεις μεταξύ των διαφόρων φωτεινών ακτίνων οδηγούν σε μια μείωση στο πλάτος των υψηλότερων συχνοτήτων. Αυτό κάνει την ίνα ένα βαθυπερατό φίλτρο. Το εύρος ζώνης ενός συστήματος μετάδοσης οπτικών ινών θεωρείται συνήθως ως η συχνότητα για την οποία το οπτικό επίπεδο ενός ημιτονοειδώς διαμορφωμένου σήματος έχει μειωθεί κατά 3 db. Πιο συγκεκριμένα, αυτή η προσέγγιση εφαρμόζει ένα βαθυπερατό Gauss φίλτρο. Αυτό σημαίνει ότι ένας παλμός ασήμαντου πλάτους θα αντιστοιχεί σε συνάρτηση Gauss αφού έχει διανύσει το μήκος της ίνας. 2 f P ( f ) = P 0 ( f ) exp 2 (1.9) f 0 17
όπου P(f) είναι η ισχύς της τυχαίας συχνότητας f στο τέλος της μετρούμενης διαδρομής, P 0 (f) είναι η αρχική ισχύς και fo είναι η σταθερά που περιγράφει το εύρος ζώνης. Το Σχήμα 1.6 δείχνει την διαδικασία σχηματικά. Η καμπύλη a δείχνει το ημιτονοειδώς διαμορφωμένο σήμα εξόδου (πρέπει να σημειωθεί ότι η οπτική ισχύς μπορεί να πάρει μόνο θετικές τιμές). Η εικόνα b δείχνει πως ένας παλμός γίνεται Gauss συνάρτηση αφού ταξιδέψει μέσα στην ίνα. Για να υπολογίσουμε την μορφή ολοκλήρου του σήματος εξόδου, το σήμα εισόδου πρέπει να διαιρεθεί σε μια σειρά παλμών, όπως φαίνονται στην εικόνα c. Μετά την διάδοση στην ίνα, κάθε παλμός σχηματίζει μια συνάρτηση Gauss του ίδιου ύψους. Αυτοί πρέπει να συγκεντρωθούν μαζί για να πετύχουμε το αποτέλεσμα της καμπύλης e. Σχήμα 1.6 Επίδραση της διασποράς σε ένα ημιτονοειδές σήμα. Ένας στενός φωτεινός παλμός ευρύνεται σύντομα καθώς διανύει το μήκος της ίνας (Σχήμα 1.7) και αυτό μειώνει το εύρος ζώνης μετάδοσης. 18
Σχήμα 1.7 Διεύρυνση του παλμού μετά τη διέλευση του από την οπτική ίνα. Αν υποθέσουμε παλμούς τύπου Gauss, το αποτέλεσμα της χρονικής διεύρυνσης του παλμού Δt είναι η τετραγωνική ρίζα της διαφοράς των τετραγώνων του εύρους των παλμών εισόδου και εξόδου. 2 2 Δ t = (1.10) t out t in Η συνέπεια αυτής της διεύρυνσης είναι ότι το χρονικό χάσμα ανάμεσα στους δυο παλμούς να γίνεται μικρότερο, έτσι που οι παλμοί τελικά συγκλίνουν και ότι ο δέκτης δεν μπορεί επιπλέον να διακρίνει ανάμεσα στους δυο παλμούς. Το εύρος ζώνης μετάδοσης περιορίζεται λόγω των συναρτήσεων φωτεινής κυματοδήγησης όπως συμβαίνει σε ένα βαθυπερατό φίλτρο. Το γινόμενο του εύρους ζώνης και του μήκους χαρακτηρίζει την χωρητικότητα μετάδοσης της ίνας 0.44 Β L = L (1.11) Δt Η διεύρυνση των παλμών προκαλείται από την διασπορά τρόπων και από την χρωματική διασπορά. Για τις πολύτροπες ίνες είναι αναγκαίο να λάβουμε υπόψη τους παράγοντες των υλικών, τους τρόπους μετάδοσης και το προφίλ της διασποράς ( στις διαβαθμιζόμενες ίνες). Η διασπορά κυματοδήγησης επίσης λαμβάνει χώρα στις μονότροπες ίνες, όπου δεν έχουμε διασπορά τρόπων. 1.8 Διασπορά χρόνου πολλαπλών διαδρομών Ως γνωστόν η ταχύτητα μετάδοσης φάσης Uφ είναι ίση με 19
1 1 1 Uϕ = = = (1.12) ε ε μ μ ε μ ε μ r 0 r 0 0 0 r r είναι 1 ε μ 0 0 = c =ταχύτητα φωτός Δηλαδή είναι είναι ως γνωστόν Συνεπώς και ε μ r r = n c U φ = (1.13) n ω U φ = β ω c U φ = = (1.14) β n Στο σχήμα θεωρούμε ότι η ακτίνα με την πλέον μικρή γωνία α θα μεταδίδεται αξονικά. Έστω και η ακτίνα με γωνία α m. Σχήμα 1.8 Διαδρομή ακτίνας φωτός στον πυρήνα της ίνας H αξονική ακτίνα διανύει μήκος t 1 l σε χρόνο l l ln1 = = = (1.15) U φ c c n Η ακτίνα του σχήματος με γωνία θc διανύει το ίδιο μήκος 1 l σε χρόνο 20
Είναι t 2 = l cosφm cosφm n1l n1 U φ = l c n 1 = c cosφ n1 sinθ c = n 2 m l = csinθ c Και Επομένως sin θ c = n n 2 1 Αν ονομάσουμε Θα είναι t 2 n1l n1l = = csinθ n2 c n n1 l = n c c 2 1 ΔΤ=t 2 -t 1 2 (1.16) 2 n1 l n1l n1 ΔΤ = = n c c 2 2 l n1l n = c n 1 2 l n1 ( n1 n2 ) = c n 2 l Δn c Αν επομένως οι δυο ακτίνες, η αξονική και η υπό γωνία θc, ξεκινήσουν ταυτόχρονα από την αρχή της ίνας, φτάνουν στο πέρας με διαφορά χρόνου n1 ΔT = n 2 l Δn (1.17) c Επομένως ένας παλμός που περιέχει ακτίνες με όλες τις δυνατές γωνίες, θα διαπλατύνεται κατά τη μετάδοση σύμφωνα με τη σχέση ΔΤ n1 Δn = l n c Εάν π.χ. είναι n 1 = 1.5 n 2 =1 (αέρας) c=3 10 8 m/s Και 2 21
Θα είναι τότε ΔΤ =2.5 μs/km l Το φαινόμενο αυτό ονομάζεται διασπορά χρόνου πολλαπλών διαδρομών (multipath time dispersion). Αν αντί n 2 =1 (αέρα) έχουμε περιένδυση με n 2 >1 και n 1 >n 2, τότε μειώνεται η διασπορά χρόνου. Επειδή επίσης το πάχος της περιένδυσης είναι επαρκές για την εξουδετέρωση του ταχέως φθίνοντος κύματος, μειώνεται και η απόσβεση. Βρήκαμε τη σχέση Όπου ΔΤ n1 Δn = l n c 2 Αν Δn<<n, όπου Δn=n 2 -n 1 n 1 + n n = 2, μπορούμε να δεχτούμε n1 n2 2 n Δηλαδή n = 1 = 1 n Τότε για (Δn<<n ) θα είναι ΔΤ Δn (1.18) l c Έστω για παράδειγμα ίνα βηματικού δείκτη διάθλασης, με n 1 =1.5 και Δn=0.01 Θα είναι τότε 2 ΝΑ = 2 n Δn = 0.173 και α m =10 o 2 ( ΝΑ ) = 0.03 = 3% Δηλαδή μόνο 3% της ισχύος της φωτεινής πηγής συλλαμβάνεται από την ίνα. Επίσης είναι ΔΤ l Δn = 33ns / km c 22
Έστω Δf το πλάτος ζώνης και Β ο μέγιστος δυαδικός ρυθμός (Bitrate). Τότε για τις περισσότερες εφαρμογές ισχύει η σχέση Β 2Δf Θα έχουμε τότε σύμφωνα με τον ορισμό του Δf Και αφού Βρίσκουμε l Δf 1 = ΔΤ l 2ΔΤ ΔΤ n1 Δn = l n c 1 c l Δf (1.19) 2 Δn Και για την περίπτωση του παραδείγματος μας όπου Βρίσκουμε Δn = 33ns / km c l Δf 15ΜΗz Km Ως τώρα θεωρήσαμε τις ακτίνες που διέρχονται από τον άξονα του πυρήνα και που ονομάζονται νότιες ακτίνες (meridional rays). 2 Είναι όμως δυνατό να μεταδοθούν και ακτίνες που δεν διέρχονται από τον άξονα. Οι ακτίνες αυτές που ονομάζονται λοξές ακτίνες (skew rays) μεταδίδονται υπό πολύ οξείες γωνίες ως προς τον άξονα και διασκορπίζονται (scattered) εκτός του πυρήνα, σε κλίσεις ή ανομοιομορφίες της επιφάνειας του πυρήνα. Αν και η εξήγηση του φαινομένου δεν είναι απλή μπορούμε να πούμε ότι οι λοξές ακτίνες δεν αποτελούν ουσιώδη παράγοντα στη διασπορά χρόνου. Όπως είδαμε, οι ακτίνες με οξύτερη γωνία θ έχουν στις ίνες βηματικού δείκτη (step index) μεγαλύτερη απόσβεση. Έτσι οι ακτίνες αυτές αποσβέννυται σε μεγάλες αποστάσεις, ενώ τότε τείνουν να εξισωθούν οι γωνίες των πλέον αξονικών τροχιών. Αποτέλεσμα είναι να έχουμε μείωση της διασποράς ( dispersion), που σε μεγάλες αποστάσεις είναι ανάλογος της τετραγωνικής ρίζας του μήκους της ίνας (~ l ). 23
1.9 Διασπορά τρόπων Εφόσον τα μονοπάτια φωτός έχουν διαφορετικά μήκη, οι παλμοί που άρχισαν στιγμιαία, φτάνουν σε διαφορετικούς χρόνους στην εξόδο της ίνας, γεγονός που οδηγεί στη διεύρυνση παλμών. Το Σχήμα 1.9 δείχνει την γρηγορότερη (α=0) και την αργότερη (α=α max ) ακτίνα φωτός. Σχήμα 1.9 Διαδρομή ακτίνας για τον υπολογισμό της διαφοράς στον χρόνο διέλευσης. t t 1 2 Δt Δt n = L1 c n = L2 c mod mod = t core 2 core t L1 = 2 c n L1 n = c 1 = L 1 cladd core n c A 2 N core 1 sin γ max L1 n = c n ncore n ncladd L1 ncore Δ c cladd 2 core cladd (1.20) Το Σχήμα 1.10 δείχνει την εξάρτηση του εύρους ζώνης από το αριθμητικό άνοιγμα στο οποίο εισάγεται το φως. Για μια PMMA POF ίνα με A N =0.50, προκύπτει μια διαφορική καθυστέρηση της τάξης των Δt=25 ns για 100 μέτρα. Ο χρόνος διάδοσης είναι ανάλογος 24
με το τετράγωνο του NA. Από την προαναφερόμενη έκφραση B=0.44/Δt mod, μια τιμή των 15 MHz προκύπτει για το εύρος ζώνης. Σχήμα 1.10 Εύρος ζώνης υπολογισμένο ως συνάρτηση του αριθμητικού ανοίγματος. Η γωνία γ max της ολικής ανάκλασης καθορίζεται από τις τιμές και των δυο δεικτών διάθλασης. Έτσι ncladd γmax= arcsin (1.21) ncore Οπότε η σχέση μεταξύ των διαδρομών y και z είναι z=y/sin(α) (1.22) Το αριθμητικό άνοιγμα υπολογίζεται από την [1.6]. Για τον υπολογισμό της διασποράς τρόπων απαιτείται ο ορθός υπολογισμός του αριθμητικού ανοίγματος. Διαφορετικά ΝΑ οδηγούν σε διαφορετικά εύρη ζώνης. Για να υπολογίσουμε ορθά το θεωρητικό εύρος ζώνης, δεν είναι ορθό να θεωρήσουμε δυο διαφορετικές διαδρομές διάδοσης. Στο μοντέλο των ακτίνων, κάθε πιθανή κατεύθυνση διάδοσης μπορεί να περιγραφεί από δυο ακτίνες τις α και δ. Οι γωνίες αυτές ορίζονται στο παρακάτω σχήμα. 25
Σχήμα 1.11 Σχεδίαση γωνιών σκεδαζόμενης ακτίνας, το δεξί σχήμα δείχνει την γωνία δ. Η μεταβολή της γωνίας α για διάφορες γωνίες δ, όταν η γωνία ψ παίρνει διάφορες τιμές φαίνεται αναλυτικά στο παρακάτω σχήμα. Σχήμα 1.12 Πιθανές ακτίνες σε μία ίνα. Αν κάποιος υποθέσει ότι όλες οι πιθανές διαδρομές διάδοσης έχουν την ίδια ενέργεια (UMD-Uniform Mode Dispersion), γίνεται ορατό ότι οι διαδρομές που έχουν μια μεγάλη γωνία διασποράς είναι πιο πιθανές από τις ακτίνες που οδεύουν παράλληλα στον άξονα της ίνας. Μετρώντας το μακρινό πεδίο της ίνας, συμπεραίνουμε ότι οι μεγαλύτερες γωνίες δίνουν και μεγαλύτερες ισχύς. Η διαφορική καθυστέρηση αυξάνεται περίπου με το τετράγωνο της γωνίας σε σχέση με τον άξονα της ίνας. Αν ένας στενότερος παλμός που έχει κατανομή τρόπων 26
UMD εισάγεται μέσα στην είσοδο της ίνας, ένας περίπου ορθογώνιος παλμός δημιουργείται στην έξοδο της ίνας [1]. Η διαφορική καθυστέρηση Δt μεταβάλλεται γραμμικά συναρτήσει του μήκους μέχρι ένα συγκεκριμένο μήκος L c και μη γραμμικά για μεγαλύτερα μήκη ίνας. Πρέπει να σημειωθεί ότι ο υπολογισμός του εύρους ζώνης στις ίνες διαβαθμιζόμενου δείκτη διάθλασης είναι αρκετά πολύπλοκη διαδικασία. Η διασπορά προφίλ εμφανίζεται στις ίνες διαβαθμιζόμενου δείκτη διάθλασης. Είναι η υπενθύμιση της διασποράς τρόπων που δεν μπορεί πλέον να αντισταθμιστεί και εξαρτάται από την σχετική διαφορά δείκτη διάθλασης Δ, που με τη σειρά του είναι εξαρτώμενη από το εύρος ζώνης. Μια βελτιστοποίηση του εκθετικού δείκτη μπορεί να εφαρμοστεί για ένα συγκεκριμένο μήκος κύματος για το οποίο dδ/dλ=0. Ένας εκθετικός δείκτης α=2 προκαλεί μια προσωρινή διεύρυνση κατά 2 L1 ncore Δ Δt prof = (1.23) c 2 1.10 Χρωματική Διασπορά Η χρωματική διασπορά περιγράφει την επιρροή του φασματικού εύρους του πομπού σε μια προσωρινή διεύρυνση του παλμού εισόδου. Αυτό περιλαμβάνει την διασπορά του υλικού και τις διασπορές τύπου κυματοδήγησης. Και τα δυο φαινόμενα λαμβάνουν χώρα και στις μονότροπες ίνες. Η διασπορά κυματοδήγησης προκαλείται ωστόσο από το γεγονός ότι τα κύματα φωτός διεισδύουν στον μανδύα της ίνας σε διάφορα βάθη, ανάλογα με το μήκος κύματος του φωτεινού κύματος. Έτσι οι διαφορετικές ταχύτητες στον πυρήνα και στον μανδύα έχουν ως αποτέλεσμα την διεύρυνση των παλμών. Εφόσον μόνο ένα μικρό μέρος του φωτεινού κύματος σε υψηλότερους τρόπους μετάδοσης διαχέεται μέσα στον μανδύα, αυτή η επίδραση λαμβάνεται υπόψη μόνο στις μονότροπες ίνες. Ωστόσο, ακόμη εάν ένας τρόπος μετάδοσης είναι ικανός για μετάδοση, η διεύρυνση των παλμών προκύπτει λόγω της διασποράς υλικού. Κάθε φωτεινή πηγή έχει ένα φασματικό εύρος Δλ>0. Τα ακόλουθα εφαρμόζονται για την πρόσκαιρη διεύρυνση 2 λ d n( λ) Δt max = L Δλ = L Δλ M ( λ) (1.24) 2 c dλ 27
όπου Δλ είναι το φασματικό εύρος του πομπού. n(λ) : δείκτης διάθλασης συναρτήση του μήκους κύματος Μ(λ): Παράμετροι διασποράς υλικού συνήθως δίνεται σε ps/km. nm Το Σχήμα 1.13 δείχνει την επιρροή της διασποράς υλικού στην διεύρυνση του παλμού, χρησιμοποιώντας πολυμερείς ίνες για παράδειγμα. Ανταποκρινόμενα στην διαδικασία της διασποράς υλικού, τα μεγάλα μήκη κύματος (κόκκινο) διαδίδονται με μεγαλύτερη ταχύτητα από τα μικρότερα μήκη κύματος (μπλε). Σχήμα 1.13 Πρόσκαιρη διεύρυνση ως αποτέλεσμα της διασποράς υλικού. 1.11 Εξασθένιση Η πιο σημαντική διεργασία που λαμβάνεται υπόψη κατά τη διέλευση του φωτός μέσα στην ίνα είναι η εξασθένιση. Όταν περνά μέσα από μια οπτική ίνα μήκους L, η ισχύς του φωτός εξασθενεί. Η ακόλουθη εξίσωση περιγράφει την εξασθένιση P L =P 0 e -α L (1.25) όπου P 0 και P L είναι η ισχύς του φωτός μετά από το πέρασμα μέσα από την ίνα μήκους L σε km και η ισχύς στην αρχή της ίνας αντίστοιχα, και α είναι η τιμή της εξασθένισης σε 28
km -1. Επειδή είναι πιο εύκολο να χειριζόμαστε αριθμούς με λογαριθμική κλίμακα, εκφράζουμε τη εξασθένιση λογαριθμικά δηλαδή 10 P0 α = log (1.26) L P L 1.12 Βασικές έννοιες ημιαγωγών Κάτω από κανονικές συνθήκες όλα τα υλικά απορροφούν φως παρά το εκπέμπουν. Η διαδικασία της απορρόφησης φαίνεται στο Σχήμα 1.14 όπου τα επίπεδα ενέργειας Ε 1, Ε 2, αντιστοιχούν στη βασική κατάσταση και τη διεγερμένη κατάσταση των ατόμων του μέσου απορρόφησης. Αν η ενέργεια φωτονίου hv του προσπίπτοντος φωτός με συχνότητα v είναι περίπου ίδια με τη διαφορά ενέργειας Εg=Ε 2 -Ε 1, τότε το φωτόνιο απορροφάται από το άτομο, το οποίο καταλήγει σε κατάσταση διέγερσης. (α) (β) (γ) Σχήμα 1.14 Οι τρεις βασικές διαδικασίες που εμφανίζονται μεταξύ των δυο ενεργειακών καταστάσεων ενός ατόμου (α) απορρόφηση (β) αυθόρμητη εκπομπή (γ) διεγερμένη εκπομπή. Τα διεγερμένα άτομα τελικά επιστρέφουν στην κανονική τους βασική κατάσταση κι εκπέμπουν φως κατά τη διάρκεια της διαδικασίας. Η εκπομπή φωτός μπορεί να πραγματοποιηθεί μέσω δυο βασικών διαδικασιών γνωστές σαν αυθόρμητη εκπομπή και διεγερμένη εκπομπή. Στην περίπτωση της αυθόρμητης εκπομπής, τα φωτόνια εκπέμπονται προς τυχαίες διευθύνσεις με καμία σχέση φάσης μεταξύ τους. Η διεγερμένη εκπομπή, αντίθετα, αρχίζει με την ύπαρξη ενός φωτονίου. Το αξιοσημείωτο χαρακτηριστικό της εκπομπής αυτής είναι πως το εκπεμπόμενο φωτόνιο ταιριάζει με το αρχικό όχι μόνο ως προς την ενέργεια (ή συχνότητα), αλλά και ως προς τα άλλα του χαρακτηριστικά, όπως για παράδειγμα η διεύθυνση της μετάδοσης του. Όλα τα λέιζερ, συμπεριλαμβανομένων και των laser ημιαγωγών εκπέμπουν φως μέσω της διαδικασίας 29
διεγερμένης εκπομπής και λέγεται ότι εκπέμπουν σύμφωνο φως. Αντίθετα τα LED εκπέμπουν φως μέσω της ασύμφωνης διαδικασίας αυθόρμητης εκπομπής. 1.13 Επαφές p-n Στο εσωτερικό μιας οπτικής πηγής ημιαγωγού υπάρχει η επαφή p-n, που σχηματίζεται φέρνοντας σε επαφή έναν ημιαγωγό τύπου p μ έναν τύπου n. Ένας ημιαγωγό γίνεται τύπου p ή n, μέσω προσθήκης προσμείξεων, των οποίων τα άτομα έχουν ένα επιπλέον ηλεκτρόνιο σθένους ή ένα λιγότερο σε σχέση με τα άτομα του ημιαγωγού. Στην περίπτωση του ημιαγωγού τύπου n, τα επιπλέον ηλεκτρόνια καταλαμβάνουν τις καταστάσεις της ζώνης αγωγιμότητας, που συνήθως είναι άδεια από ανόθευτους (εγγενείς) ημιαγωγούς. Η στάθμη Fermi μετακινείται προς τη ζώνη αγωγιμότητας καθώς αυξάνεται η συγκέντρωση προσμείξεων. Παρομοίως η στάθμη Fermi μετακινείται προς τη ζώνη σθένους για τους ημιαγωγούς τύπου p και βρίσκεται στο εσωτερικό της για μεγάλες ποσότητες προσμείξεων. Σε κατάσταση θερμικής ισορροπίας, η στάθμη Fermi θα πρέπει να είναι συνεχής σε όλη την επαφή p-n. Αυτό επιτυγχάνεται με τη διάχυση των οπών και των ηλεκτρονίων στην επαφή. Οι φορτισμένες προσμείξεις που απέμειναν, δημιουργούν ηλεκτρικό πεδίο αρκετά ισχυρό, ώστε να εμποδίζει την περαιτέρω διάχυση των ηλεκτρονίων και των οπών κάτω από συνθήκες ισορροπίας. Το πεδίο αυτό ονομάζεται ενσωματωμένο ηλεκτρικό πεδίο. Το Σχήμα 1.15 (α) παρουσιάζει το διάγραμμα ενεργειακών ζωνών μίας επαφής p-n σε συνθήκες θερμικής ισορροπίας. 30
Σχήμα 1.15 Το διάγραμμα ενεργειακών ζωνών μίας επαφής p-n (α) σε θερμική ισορροπία (β) υπό ορθή πόλωση. Όταν η επαφή p-n είναι ορθά πολωμένη, με την εφαρμογή εξωτερικής τάσης, το ενσωματωμένο ηλεκτρικό πεδίο μειώνεται. Η μείωση αυτή έχει ως αποτέλεσμα τη διάχυση ηλεκτρονίων και οπών στην περιοχή της επαφής. Ηλεκτρικό ρεύμα αρχίζει να ρέει ως αποτέλεσμα της διάχυσης φορέων. Το ρεύμα I αυξάνεται εκθετικά με την εφαρμοζόμενη τάση V σύμφωνα με τη γνωστή σχέση. Ι=Ι s exp[(qv/k B T)-1] (1.27) Όπου Ι s είναι το ρεύμα κόρου και εξαρτάται από τους συντελεστές διάχυσης που σχετίζονται με τα ηλεκτρόνια και τις οπές. Όπως βλέπουμε στο Σχήμα 1.15 (β), σε μία περιοχή κοντά στην επαφή γνωστή ως περιοχή αραίωσης συνυπάρχουν ηλεκτρόνια και οπές όταν η επαφή p-n είναι ορθά πολωμένη. Τα ηλεκτρόνια αυτά και οι οπές μπορούν 31
να συνδεθούν μέσω αυθόρμητης ή διεγερμένης εκπομπής και να δημιουργήσουν φως σε μία οπτική πηγή ημιαγωγού. Η διαφορά του ενεργειακού χάσματος μεταξύ των δυο ημιαγωγών, βοηθά στο να περιορίσουμε τα ηλεκτρόνια και τις οπές στο μεσαίο στρώμα, που ονομάζεται επίσης και ενεργό στρώμα, αφού στο εσωτερικό του δημιουργείται φως σαν αποτέλεσμα επανασύνδεσης ηλεκτρονίου-οπής. 1.14 Πηγές φωτός Οι πηγές φωτός που θα χρησιμοποιηθούν σε ένα δίκτυο αποτελούν έναν από τους σημαντικότερους παράγοντες που λαμβάνονται υπόψη κατά το σχεδιασμό του εξαιτίας του μεγάλου κόστους τους. Τα χαρακτηριστικά των πηγών φωτός καθορίζουν συχνά σε μεγάλο βαθμό τη συνολική απόδοση της οπτικής γραμμής επικοινωνίας. Τα δυο είδη πηγών φωτός που χρησιμοποιούνται στα οπτικά δίκτυα είναι οι δίοδοι εκπομπής φωτός (light emitting diodes-led) και τα λέιζερ ημιαγωγού (semiconductor lasers) ή απλώς δίοδοι λέιζερ. Αυτοί οι δυο τύποι πηγών φωτός παρουσιάζουν αρκετές διαφορές. Οι δίοδοι εκπομπής φωτός που χρησιμοποιούνται για τη μετάδοση οπτικών σημάτων πρέπει να είναι μικρές σε μέγεθος, μονοχρωματικές, να έχουν σταθερή απόδοση και μεγάλη διάρκεια ζωής. Η επιλογή του είδους της πηγής φωτός που θα χρησιμοποιηθεί σε ένα οπτικό σύστημα μετάδοσης βασίζεται σε αρκετούς παράγοντες μεταξύ των οποίων είναι: (α) το μήκος κύματος στο οποίο εκπέμπει η πηγή φωτός πρέπει να είναι μέσα στο παράθυρο μετάδοσης που χρησιμοποιεί η οπτική ίνα. (β) Η ισχύς του παραγόμενου σήματος πρέπει να είναι αρκετά μεγάλη ώστε να καλύψει την απόσταση μέχρι τον πρώτο ενισχυτή ή επαναλήπτη αλλά όχι υπερβολικά μεγάλη ώστε να προκαλέσει μη γραμμικά φαινομένα στην ίνα ή στον αποδέκτη. (γ) Το εύρος μηκών κύματος στο οποίο εκπέμπει η πηγή φωτός δε θα πρέπει να έχει μεγάλο πλάτος προκειμένου να μην υπάρξουν φαινόμενα διασποράς τα οποία θα περιορίσουν την ταχύτητα μετάδοσης. (δ) Θα πρέπει να υπάρχει αποτελεσματικός τρόπος διοχέτευσης του παραγόμενου φωτός στην οπτική ίνα μετάδοσης. 1.15 Δίοδοι ημιαγωγοι εκπομπής φωτός (LED) 32
1.15.1 Λειτουργία Mια δίοδος εκπομπής είναι μια συσκευή επαφής ημιαγωγού p-n η οποία εκπέμπει ασύμφωνη οπτική ακτινοβολία όταν πολωθεί κατά την ορθή φορά. Οι δίοδοι εκπομπής φωτός χρησιμοποιούν επαφές p-n για να εισάγουν ηλεκτρόνια και οπές στην ίδια περιοχή ενός ημιαγωγού προκειμένου να ενωθούν και να παράγουν φως μέσω του φαινομένου της αυθόρμητης εκπομπής. Ακτινοβόλες επανασυνδέσεις ζευγών ηλεκτρονίων-οπών, στην περιοχή αραίωσης δημιουργούν φως. Κάποια ποσότητα αυτού του φωτός φεύγει από το εξάρτημα και μπορεί να συζευχθεί σε μία οπτική ίνα. Το εκπεμπόμενο φως είναι ασύμφωνο με σχετικά μεγάλο φασματικό εύρος (30-60 nm) και σχετικά μεγάλο γωνιακό εύρος. 1.15.2 Δομή Η απλούστερη μορφή ενός ημιαγωγού εκπομπής φωτός είναι η δίοδος εκπομπής φωτός (LED). Απαιτεί απαραίτητα δύο στρώματα του ίδιου ημιαγωγού, που σχηματιζουν την p-n επαφή, όπως φαίνεται στo Σχήμα 1.16. Σχήμα 1.16 Δομή μιας LED. Εκεί μεταδίδεται το φως. Η εσωτερική αποδοτικότητα μπορεί να είναι από 50% και άνω. Εφόσον δεν υπάρχει κάποιος οδηγός για το φως, ακτινοβολείται προς όλες τις κατευθύνσεις. Λόγω των μεγάλων δεικτών διάθλασεις των ημιαγωγών (n=1.35) μόνο ακτίνες που χτυπούν την εξωτερική επιφάνεια με σχεδόν κάθετη γωνία μπορούν να 33
εγκαταλείψουν την πηγή φωτός. Λαμβάνοντας υπόψη τη διάθλαση που προκύπτει στην επιφάνεια, ένα LED έχει περίπου τα χαρακτηριστικά ενός πομπού Lambert. Εάν χρησιμοποιηθεί ένα υπόστρωμα αγωγής, μία επαφή μπορεί να δημιουργηθεί στο βάθος και μία δεύτερη στο πακέτο στρώματος. Τα LED είναι συχνά κολλημένα στο πακέτο στρώματος βλέποντας το μεταλλικό στρώμα. Eφόσον το υπόστρωμα είναι διαφανές για το φως που εκπέμπεται, δεν επηρεάζει την ακτινοβολία. H θερμότητα που δημιουργείται λόγω του φαινομένου αυτού μπορεί να διαχυθεί καλύτερα έτσι ώστε η δυναμική οπτική ισχύς να αυξηθεί. Το κομμάτι αυτό της LED τοποθετείται σε ένα διαφανή πακέτο, έτσι ώστε ο ημιαγωγός να μην εκτείθεται στην υγρασία και επίσης να είναι προστατευόμενος έναντι μηχανικών καταπονήσεων. Δημιουργώντας έναν φακό, τα χαρακτηριστικά εκπομπής μπορούν να τροποποιηθούν με κατάλληλο τρόπο. 1.15.3 Χαρακτηριστικές φωτός-ρεύματος Είναι εύκολο να υπολογίσουμε την εσωτερική ισχύ που δημιουργείται από αυθόρμητη εκπομπή. Για δεδομένη ποσότητα ρεύματος Ι ο ρυθμός έκχυσης φορέων είναι I/q. Σε σταθερή κατάσταση, ο ρυθμός των ζευγαριών ηλεκτρονίων-οπής, που επανασυνδέονται μέσω διαδικασιών που εκπέμπουν ή όχι φως, είναι ίσος με τον ρυθμό έκχυσης φορέων I/q. Αφού η εσωτερική κβαντική απόδοση η int καθορίζει το κλάσμα ηλεκτρονίων και οπής, που θα επανασυνδεθούν με αυθόρμητη εκπομπή, ο ρυθμός δημιουργίας φωτονίου είναι απλώς η int I/q. Επομένως η εσωτερική οπτική ισχύς δίνεται από τη σχέση: P int =η int (ħω/q )I (1.28) Όπου ħω είναι η ενέργεια φωτονίου που θεωρείται σχεδόν ίδια για όλα τα φωτόνια. Αν η η ext είναι το κλάσμα των φωτονίων που φεύγει από το εξάρτημα, η εκπεμπόμενη ισχύς δίνεται από τη σχέση: P e =η ext P int = η ext η int (ħω/q )I (1.29) Η ποσότητα η ext ονομάζεται εξωτερική κβαντική απόδοση. Μπορούμε να την υπολογίσουμε αν λάβουμε υπόψη μας την εσωτερική απορρόφηση και ανάκλαση στο σημείο επαφής ημιαγωγού-αέρα [2]. Έτσι η η ext δίνεται προσεγγιστικά από τη σχέση η ext =n -1 (n+1) -2 (1.30) 34
Εξαιτίας του ότι το εκπεμπόμενο φως είναι ασύμφωνο, μία LED λειτουργεί σαν πηγή Lampert. H ικανότητα ζεύξης μιας τέτοιας πηγής είναι η c =(NA) 2. Αφού το αριθμητικό άνοιγμα ΝΑ των οπτικών ινών κυμαίνεται τυπικά μεταξύ 0.1-0.3, μόνο ένα μικρό ποσοστό της εκπεμπόμενης ισχύος θα συζευκτεί στην οπτική ίνα. Κανονικά, η ισχύς εξόδου μιας LED, είναι 100 μw η μικρότερη παρ όλο που η εσωτερική ισχύς μπορεί εύκολα να υπερβαίνει τα 10 mw. Ένα μέτρο της απόδοσης των LED είναι η ολική κβαντική απόδοση η tot, που ορίζεται σαν ο λόγος της εκπεμπόμενης οπτικής ισχύος P e προς την εφαρμοσμένη ηλεκτρική ισχύ P elec =V 0 /I, όπου V 0 είναι η πτώση της τάσης στα άκρα του εξαρτήματος. Χρησιμοποιώντας την εξίσωση (1.27), η η tot δίνεται από την η tot = η ext η int (ħω/qv 0 ) (1.31) Τυπικά, ħω qv 0 και η tot η ext η int. Η ολική κβαντική απόδοση η tot ονομάζεται και απόδοση μετατροπής ισχύος ή η καλύτερη δυνατή απόδοση, που επίσης αποτελεί μέτρο της ολικής απόδοσης του εξαρτήματος. Μερικές φορές χρησιμοποιούμε και ένα άλλο μέγεθος για να χαρακτηρίσουμε την απόδοση μιας LED, την ευαισθησία R που ορίζεται σαν ο λόγος R=P e /I. Χρησιμοποιώντας την εξίσωση (1.29), η R δίνεται από την R=η ext η int (ħω/q) (1.32) Αν συγκρίνουμε τις εξισώσεις (1.31) και (1.32) θα δούμε πως R= η tot V 0. Οι τυπικές τιμές της R είναι ~0.01 W/A. H ευαισθησία R παραμένει σταθερή όσο διατηρείται η γραμμική σχέση μεταξύ P e και Ι. Στην πράξη, η γραμμική σχέση διατηρείται μόνο για περιορισμένα πλαίσια ρεύματος. Η εσωτερική κβαντική απόδοση η int γενικά εξαρτάται από τη θερμοκρασία, εξαιτίας της αύξησης των ρυθμών εμφάνισης μη ακτινοβόλων επανασυνδέσεων σε υψηλές θερμοκρασίες. 1.15.4 Χαρακτηριστικά Οι δίοδοι εκπομπής φωτός χρησιμοποιούνται συνήθως ως πηγές φωτός για πολύτροπες ίνες με χαμηλούς ρυθμούς μετάδοσης και μικρότερες διανυόμενες αποστάσεις. Δεν επηρεάζονται τόσο από την θερμοκρασία, ενώ έχουν μικρότερο κόστος από το λέιζερ ημιαγωγού. Το φως που εκπέμπεται από μία δίοδο εκπομπής φωτός είναι ανάλογο με την τάση που εφαρμόζεται στη δίοδο κατά την ορθή φορά. Οι δίοδοι 35
εκπομπής φωτός είναι συσκευές που λειτουργούν με χαμηλή τάση και έχουν μεγαλύτερη διάρκεια ζωής από τους λαμπτήρες πυράκτωσης. Λειτουργούν με σχετικά χαμηλή ταχύτητα και είναι κατάλληλες για ρυθμούς μετάδοσης μικρότερους του 1 Gbps, ενώ έχουν ένα σχετικά ευρύ φάσμα.από την άλλη μεριά, τα λέιζερ ημιαγωγού μπορούν να χρησιμοποιηθούν για μεγαλύτερους ρυθμούς μετάδοσης, μεγαλύτερες αποστάσεις, πολύτροπες και μονότροπες ίνες. Είναι όμως πολύ ευαίσθητα στη θερμοκρασία και έχουν μεγάλο κόστος. 1.15.5 Εφαρμογές Οι κυριότερες εφαρμογές των διόδων εκπομπής φωτός είναι: (α) οθόνες, (β) λάμπες με μεγάλη φωτεινότητα (π.χ για φορητούς υπολογιστές), (γ) φωτεινές ενδείξεις και σηματοδότες, (δ) φωτισμός στερεάς κατάστασης (υπό ανάπτυξη), (ε) οπτικοί απομονωτές/συζεύκτες, (στ) υπέρυθρες ασύρματες επικοινωνίες, όπως π.χ τηλεχειριστήρια τηλεόρασης, και για σύνδεσμους επικοινωνίας ελεύθερου χρόνου και (ζ) οπτικά δίκτυα και οπτικές επικοινωνίες. Χρησιμοποιούνται συχνότερα στις οπτικές επικοινωνίες με πολύτροπες ίνες. Χρησιμοποιούνται συχνότερα στις οπτικές επικοινωνίες με πολύτροπες ίνες. Υπάρχουν δύο είδη εκπομπών φωτός : οι δίοδοι επιφάνειας και οι δίοδοι ακμής (edge LED). Στο άκρο της οπτικής ίνας που συνδέεται με τον αποδέκτη, μια φωτοδίοδος μετατρέπει το φως που πέφτει πάνω της σε ηλεκτρικούς παλμούς. Με την παρούσα τεχνολογία, ο χρόνος απόκρισης μιας φωτοδιόδου είναι περίπου 1ns. Αυτό θέτει ένα άνω όριο του 1 Gbps στο ρυθμό μετάδοσης. Οι δίοδοι εκπομπής φωτός που εκπέμπουν στην ερυθρή ή την υπέρυθρη περιοχή χρησιμοποιούνται συχνά σαν πηγές φωτός για συστήματα με ίνες μικρού μήκους. Γενικά, μια δίοδος αποτελείται από μια περιοχή P και μία περιοχή Ν οι οποίες έχουν προσμείξεις που τους δίνουν τα επιθυμητά ηλεκτρικά χαρακτηριστικά. Το μήκος κύματος στο οποίο θα εκπέμψει μία δίοδος ημιαγωγού εξαρτάται από τα εσωτερικά ενεργειακά επίπεδα της. Τα κενά διαστήματα μεταξυ των ενεργειακών επιπέδων εξαρτώνται από τη σύνθεση της περιοχής επαφής της διόδου. Οι δίοδοι εκπομπής φωτός για ίνες από γυαλί έχουν ενεργές στοιβάδες κατασκευασμένες από αρσενικούχο γάλιο (GaAs) ή από γάλλιο αλουμίνιο αρσενικό (GaAlAs). Oι δίοδοι από καθαρό GaAs εκπέμπουν κοντά στα 930 nm. To αλουμίνιο προστίθεται για να 36
μειώσει τις απαιτήσεις σε ρεύμα οδήγησης, πράγμα που θα συμβάλει και στην αύξηση του χρόνου ζωής της διόδου. Επιπλέον βοηθάει στη σμίκρυνση του ενεργειακού χάσματος οπότε η εκπομπή φωτός γίνεται στην περιοχή από 750 nm εώς 900 nm. Οι δίοδοι εκπομπής φωτός μπορούν επίσης να κατασκευαστούν από αρσενικό γάλλιο φώσφορο (GaAsP). Αυτού του τύπου οι δίοδοι εκπέμπουν σε διάφορα μήκη κύματος στην περιοχή του ορατού φωτός κοντά στα 650 nm. Χρησιμοποιούνται συνήθως σε συνδυασμό με πλαστικές ίνες οι οποίες έχουν την μεγαλύτερη διαφάνεια και δεν έχουν καλή απόδοση στα μήκη κύματος που παράγονται από διόδους GaAs. Οι δίοδοι από GaAs έχουν χειρότερη απόδοση από τις διόδους από GaAlAs αλλά έχουν μικρότερο κόστος και είναι κατάλληλες για συνδέσμους χαμηλών ταχυτήτων από πλαστικές ίνες με μικρό μήκος. 1.16 Laser ημιαγωγών 1.16.1 Λειτουργία O όρος Laser είναι το ακρωνύμιο των όρων Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation δηλαδή ενίσχυση φωτός από εξαναγκασμένη εκπομπή ακτινοβολίας. Τα λέιζερ είναι συσκευές που παράγουν σύμφωνες δέσμες οπτικής ακτινοβολίας με εξαναγκασμένες ηλεκτρονικές, ιοντικές ή μοριακές μεταπτώσεις σε υψηλότερες ενεργειακές στάθμες οι οποίες όταν επιστρέψουν στις χαμηλότερες ενεργειακές στάθμες εκπέμπουν ενέργεια. Το ενεργό μέσο μιας διόδου λέιζερ είναι μια δίοδος ημιαγωγού πολωμένη κατά την ορθή φορά. Πρέπει να σημειωθεί ότι η ακτινοβολία ενός λέιζερ μπορεί να είναι είτε χρονικά σύμφωνη είτε τοπικά σύμφωνη είτε και τα δυο. Ο βαθμός συμφωνίας της ακτινοβολίας ενός λέιζερ μπορεί να ξεπεράσει τα 0.88. Σε μία σύμφωνη ακτίνα ηλεκτρομαγνητικής ενέργειας όλα τα κύματα έχουν την ίδια συχνότητα και φάση. Στο Σχήμα 1.17 εικονίζονται σύμφωνα ηλεκτρομαγνητικά κύματα με ταυτόσημες φάσεις και παρόμοιες συχνότητες. 37
Σχήμα 1.17 Σύμφωνα ηλεκτρομαγνητικά κύματα. Όλα τα λέιζερ διαθέτουν μία διεγερμένη ουσία που μπορεί να αυξήσει την ένταση του φωτός που διέρχεται από μέσα της. Αυτή αποκαλείται μέσο ενίσχυσης ή απολαβής και μπορεί να έχει στέρεη, υγρή ή αέρια μορφή. Ανεξάρτητα από τη φυσική του κατάσταση, το μέσο ενίσχυσης μπορεί να διαθέτει άτομα, μόρια ή ιόντα ένα μεγάλο μέρος από τα οποία μπορεί να αποθηκεύσει ενέργεια η οποία στη συνέχεια απελευθερώνεται με τη μορφή φωτός. Η κοιλότητα ενός απλού λέιζερ είναι σχεδιασμένη να αντανακλά εσωτερικά τα κύματα που βρίσκονται στην υπέρυθρη (IR), στην ορατή ή στην υπεριώδη (UV) περιοχή, προκειμένου να ενισχύουν το ένα το άλλο. Η κοιλότητα μπορεί να περιέχει αέρια, υγρά ή στερεά. Τα υλικά που επιλέγονται για την κοιλότητα καθορίζουν το μήκος κύματος εκπομπής. Σε κάθε άκρο της κοιλότητας υπάρχει ένα κάτοπτρο. Το ένα κάτοπτρο αντανακλά 100% και δεν επιτρέπει τη διέλευση ενέργειας. Το άλλο κάτοπτρο επιτρέπει περίπου περίπου το 5% της ενέργειας να περάσει από μέσα του. Μια εξωτερική πηγή τροφοδοτεί την κοιλότητα με ενέργεια. Αυτή η διαδικασία ονομάζεται άντληση (pumping). Εξαιτίας της άντλησης, μέσα στην κοιλότητα του λέιζερ εμφανίζεται ένα ηλεκτρομαγνητικό πεδίο στη συχνότητα συντονισμού των ατόμων του υλικού που γεμίζει την κοιλότητα. Τα κύματα ανακλώνται από το ένα κάτοπτρο στο άλλο. Το μήκος της κοιλότητας έχει επιλεγεί κατάλληλα, έτσι ώστε οι κυματομορφές που ανακλώνται συνεχώς να ενισχύουν η μία την άλλη σε φάση στη συχνότητα συντονισμού του υλικού της κοιλότητας. Τα ηλεκτρομαγνητικά κύματα στη συχνότητα συντονισμού εξέρχονται 38
από το άκρο της κοιλότητας με το κάτοπτρο που δεν αντανακλά εξ ολοκλήρου. Η έξοδος μπορεί να εμφανίζεται ως μία συνεχής ακτίνα, ή σαν μια αλληλουχία από παλμούς μικρής διάρκειας και μεγάλης έντασης. 1.16.2 Είδη λέιζερ Υπάρχουν διάφορες κατηγορίες λέιζερ οι οποίες περιλαμβάνουν: 1. Λέιζερ που συντονίζονται με μηχανικό τρόπο. Στα λέιζερ αυτού του τύπου η απόσταση μεταξύ των δύο κατόπτρων της εξωτερικής κοιλότητας ρυθμίζεται με μηχανικά μέσα. 2. Λέιζερ που συντονίζονται με ακουστο-οπτικό ή ηλεκτρο-οπτικό τρόπο. Στα λέιζερ αυτού του τύπου, ο δείκτης διάθλασης της εξωτερικής κοιλότητας μεταβάλλεται είτε με χρήση ηχητικών κυμάτων ή με εφαρμογή ηλεκτρικού ρεύματος. 3. Πίνακες λέιζερ στους οποίους ένας αριθμός από λέιζερ ολοκληρώνεται σε ένα εξάρτημα με κάθε λέιζερ να λειτουργεί σε διαφορετική συχνότητα. 4. Λέιζερ που συντονίζονται με ρεύμα έγχυσης. Η επιλογή μήκους κύματος γίνεται με χρήση διαφορετικών φραγμάτων περίθλασης. Αυτή η κατηγορία διαθέτει δύο υποκατηγορίες: (α) τα λέιζερ κατανεμημένης ανάδρασης όπου το φράγμα περίθλασης Bragg βρίσκεται εντός της ενεργής περιοχής και (β) λέιζερ με κατανεμημένο ανακλαστήρα Bragg, όπου το φράγμα περίθλασης Bragg βρίσκεται εκτός της ενεργής περιοχής. Υπάρχουν διάφοροι τύποι λέιζερ. Αυτοί είναι Λέιζερ στερεάς κατάστασης. Τα λέιζερ στερεάς κατάστασης χρησιμοποιούν υλικά που κατανέμονται σε ένα πίνακα στερεών (όπως τα λέιζερ από Ruby ή Neodymium Yttrium-Aluminium γρανάτη-λέιζερ Yag). Tα λέιζερ Neodymium-Yag εκπέμπουν φως στην υπέρυθρη περιοχή στα 1,064 nm). Λέιζερ αερίου. Τα λέιζερ αερίου (συνήθως από ήλιο ή ήλιο και νέον-hene) έχουν ως βασική έξοδο στην ορατή περιοχή του ερυθρού. Τα λέιζερ από διοξείδιο του άνθρακα (CO 2 ) εκπέμπουν ενέργεια στην υπέρυθρη περιοχή και χρησιμοποιούνται για την κοπή δύσκαμπτων υλικών. Λέιζερ τύπου excimer. Ο όρος excimer προέρχεται από τους όρους «excited» (σε διέγερση) και «dimers» (διμερές). Αυτά τα λέιζερ χρησιμοποιούν αντιδραστικά 39
χημικά ενεργά αέρια όπως το χλώριο και το φθόριο αναμεμειγμένα με το αδρανή αέρια όπως το αργό, το κρύπτο ή το ξένο. Με τη διοχέτευση ηλεκτρικού ρεύματος παράγεται ένα ψευδομόριο (διμερές). Με τη χρήση ενός λέιζερ το διμερές παράγει φως στην υπεριώδη περιοχή. Λέιζερ βαφής (χρωστικής ουσίας). Τα λέιζερ βαφής χρησιμοποιούν σαν μέσα έναυσης (lasing) περίπλοκες οργανικές χρωστικές ενώσεις όπως η Rodamine 6G, σε υγρά διαλύματα ή αιωρήματα. Το εύρος συντονισμού εξαρτάται από τη χρωστική που χρησιμοποιείται. Για παράδειγμα, για την ουσία Rodamine 6G το παραγόμενο μήκος κύματος είναι στην περιοχή από 0.570 εώς 0.650 nm. Λέιζερ ημιαγωγού. Τα λέιζερ ημιαγωγού τα οποία αποκαλούνται και δίοδοι λέιζερ είναι ηλεκτρονικές συσκευές που έχουν γενικά μικρό μέγεθος και χαμηλές ενεργειακές απαιτήσεις. Υπάρχει δυνατότητα να ενσωματωθούν σε μεγάλες συστοιχίες. Υπάρχουν διάφορα είδη λέιζερ ημιαγωγού : (α) λέιζερ ομοιοδομής (homostructure) με ρεύμα κατωφλίου (300 Κ) 30000-50000 A/cm 2, (β) απλής ετεροδομής (single heterostructure) 300K 6000-8000 A/cm 2, (γ) διπλής ετεροδομής (double heterostructure) 300K 500 A/cm 2, (δ) GRINSCH (Graded-index separate confinement heterostructure), ρεύμα κατωφλίου ~30 ma, (ε) τύπου κατόπτρου: FP, DFB, DBR, και (στ) VCSEL( λέιζερ εκπομπής επιφάνειας με κάθετη κοιλότητα), με ρεύμα κατωφλίου περίπου 1mA. Οι δύο τύποι λέιζερ ημιαγωγού που χρησιμοποιούνται ευρέως είναι τα μονολιθικά λέιζερ Fabry-Perot και τα λέιζερ κατανεμημένης ανάδρασης (distributed feedback (DFB) lasers). O δεύτερος τύπος λέιζερ είναι ιδιαίτερα κατάλληλος για εφαρμογές DWDM, διότι εκπέμπει σχεδόν μονοχρωματικό φως. Επίσης έχει έναν ικανοποιητικό λόγο σήματος προς θόρυβο, καλή γραμμικότητα και μπορεί να χρησιμοποιηθεί για υψηλούς ρυθμούς μετάδοσης. Οι κεντρικές συχνότητες των λέιζερ DFB είναι στην περιοχή γύρω από τα 1310 nm και από τα 1520 έως τα 1565 nm. Η δεύτερη περιοχή συχνοτήτων είναι συμβατή με τους ενισχυτές ίνας με πρόσμιξη ερβίου (EDFA). Υπάρχουν και άλλοι τύποι λέιζερ όπως τα μεταβλητά λέιζερ στενού φάσματος τα οποία διαθέτουν εύρος συντονισμού περίπου 100-200 GHz. Τα μεταβλητά λέιζερ με ευρύ φάσμα είναι ακόμα υπό ανάπτυξη. Αυτός ο τύπος λέιζερ αναμένεται να έχει κεντρικό ρόλο στα οπτικά δίκτυα με δυναμική μεταγωγή. 40
Το είδος laser ημιαγωγών, γνωστό σαν laser εκπομπής-επιφάνειας κάθετης κοιλότητας (VCSEL), έχει δημιουργηθεί με πολλές δυνατότητες εφαρμογών. Τα VCSEL λειτουργούν με έναν απλό διαμήκη τρόπο μετάδοσης μέσω μιας εξαιρετικά μικρού μήκους κοιλότητας (~1 μm), στο οποίο η απόσταση των τρόπων μετάδοσης υπερβαίνει την απολαβή του εύρους ζώνης. Εκπέμπουν φως σε διεύθυνση κάθετη στο επίπεδο ενεργού στρώματος, όπως καις την περίπτωση ενός LED εκπομπής-επιφάνειας. Δυο κάτοπτρα DBR υψηλής ανακλαστικότητας (>99.5%) αναπτύσσονται επιταξιακά και στις δυο πλευρές του ενεργού στρώματος, ώστε να σχηματίσουν μια μικροκοιλότητα. Η λειτουργία με απλό εγκάρσιο τρόπο μετάδοσης γίνεται αν μικρύνουμε τη διάμετρο του VCSEL στα 2-3 μm. Παρόλο που η ισχύς εξόδου και το εύρος ζώνης των VCSEL είναι τυπικά μικρότερα των DFB laser εκπομπής-ακμής, τα VCSEL μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τοπικά δίκτυα και για εφαρμογές τοπικών βρόχων, λόγω του χαμηλού κόστους συσκευασίας τους. Επιπλέον, οι συστοιχίες των VCSEL στις οποίες λειτουργεί κάθε laser σε διαφορετικά μήκη κύματος είναι ιδανικά κατάλληλες για πολυκάναλα οπτικά συστήματα. 1.16.3 Δομή LASER & super luminescence diodes Οι δίοδοι λέιζερ έχουν πρακτικά την ίδια δομή στρωμάτων όπως τα LED, π.χ. μία p-n επαφή συνδυάζεται με μια διπλή ετεροδομή. Τα λέιζερ ωστόσο, λειτουργούν σε σημαντικά υψηλότερες συγκεντρώσεις φορέων. Αυτό κάνει αναγκαία την μείωση του εκπεμπόμενου φωτός. Πάνω από μια συγκεκριμένη ένταση ρεύματος, η διεγερμένη εκπομπή είναι τόσο δυνατή που οι απώλειες στη πηγή φωτός ξεπερνιούνται. Η τελευταία απαίτηση είναι ότι μια κοιλότητα αντήχησης πρέπει να κατασκευαστεί. Στην απλούστερη των περιπτώσεων, σχηματίζεται από δυο παράλληλα τοποθετημένες ημιαγώγιμες άκρες (Fabry-Perot laser diode). Το Σχήμα 1.16 παρουσιάζει την αρχική δομή. 41