Laser “tunabili” (1/2)

Sorgenti Ottiche,
Classificazioni e parametri
Classificazione delle sorgenti ottiche (1/5)
Ci occuperemo delle sorgenti
ottiche, cioè dei dispositivi attivi che emettono
radiazione elettromagnetica alla frequenze ottiche.
Classificazione delle sorgenti:
LED (Light Emitting Diodes)
- Banda ottica di emissione molto larga (decine
di nm)
LASER (Light Amplification by Stimulated
Emission of Radiation)
- Banda ottica di emissione stretta.
Classificazione delle sorgenti ottiche (2/5)
Dal punto di vista sistemistico, le sorgenti
ottiche sono classificate secondo il loro spettro
di emissione
Ci si riferisce qui allo spettro ottico di uscita,
senza modulazione elettrica.
Classificazione delle sorgenti ottiche (3/5)
Light Emitting Diode (LED )
Non coerente
Classificazione delle sorgenti ottiche (4/5)
Multi Longitudinal Mode (MLM) diode
Righe spettrali
coerenti
Classificazione delle sorgenti ottiche (5/5)
Single Longitudinal Mode (SLM) laser diode
Riga spettrale
coerenti
Il parametro FWHM (1/2)
I datasheet delle sorgenti ottiche indicano le
bande di emissione tramite il parametro:
Full Width at Half Maximum (FWHM)
Si tratta (per definizione) della classica banda
a –3dB.
Per laser MLM, è definita relativamente all’inviluppo delle
varie righe spettrali.
Il parametro FWHM (2/2)
Principio di funzionamento
Iniezione di
corrente
Giunzione p-n a
semiconduttore
Inversione dei
portatori
Generazione di
“luce”
Senza
feedback
ottico:
emissione
spontanea
LED
Laser
Con feedback
ottico:
emissione
controllata
Caratteristiche elettriche
Dal punto di vista elettrico, la giunzione p-n agisce come un diodo.
In particolare è necessaria:
Polarizzazione diretta per la generazione di luce (LED e Laser)
Polarizzazione inversa per la rivelazione di luce (fotodiodi).
LED
LEDs (1/2)
Si tratta di un diodo con un energy gap tale da
generare radiazione elettromagnetica alle
frequenze desiderate.
Funziona grazie al fenomeno dell’emissione
Spontanea
I fotoni sono generati in maniera casuale
in tutte le direzionie su un ampio range di
lunghezze d’onda.
LEDs (2/2)
Caratteristiche dei LED (1/2)
Per ogni portatore che transita nella giunzione, può
essere emesso un fotone per emissione spontanea con
una determinata probabilità.
Una frazione dei fotoni emessi viene accoppiata sulla
fibra di uscita.
In prima approssimazione, la potenza ottica di uscita è
proporzionale alla corrente iniettata.
Pout (t ) ≅ kI (t )
Caratteristiche dei LED (2/2)
In pratica, questa relazione è vera fino ad una certa frequenza. Più
esattamente, si deve tenere conto dell’effetto di filtraggio elettrico:
Pout (t ) ≅ khLED (t ) * I (t )
Banda di modulazione tipica (elettrica): fino
a 100-150 MHz.
Campi di applicazione dei LED (1/2)
Altre caratteristiche dei LED
FWHM elevata (da 30 a 100 nm) -> forti
limitazioni di dispersione
Lunghezze d’onda centrali: 830 nm (GaAs LED)
o 1300 nm (InGaAsP LED)
Bassa potenza di uscita (da –20 dBm a –10
dBm)
Bassa velocità di modulazione.
Campi di applicazione dei LED (2/2)
Conseguentemente, gli scenari di applicazione dei LED sono relativi alle reti
MAN o alle applicazioni Very- Short Reach (VSR)
Applicazioni a basso costo, tipicamente su fibra multimodo
Distanze inferiori a 1 Km
Bit rates fino a 155 Mbit/s.
LASER
Laser a semiconduttore (1/2)
Il funzionamento di un Laser a semiconduttore si
basa su:
generazione di fotoni in una opportuna giunzione p-n in polarizzazione
diretta (in maniera del tutto simile ai LED);
“Feedback” ottico: tramite l’equivalente di filtri parzialmente riflettenti su due
lati della struttura, i fotoni emessi transitano più volte all’interno della
struttura stessa;
durante il transito, i fotoni vengono amplificati per effetto di emissione
stimolata.
Laser a semiconduttore (2/2)
Laser Fabry-Perot (1/2)
I laser FP sono i più semplici ed i primi ad essere stati realizzati.
Sono costituiti da due semplici specchi parzialmente riflettenti ai lati del
semiconduttore.
Laser Fabry-Perot (2/2)
Principio di funzionamento di un Laser FP
Il modello di funzionamento di un laser è molto
complesso, e esula dal programma di questo
corso.
Si mettono qui in evidenza solo le
caratteristiche salienti:
Affinché ci sia interferenza costruttiva, i fotoni devono essere in fase con se
stessi dopo un giro completo nella cavità.
Il campo elettromagnetico generato sarà dunque intenso solo a quelle
frequenze alle quali si ha interferenza costruttiva.
La struttura a doppio specchio è identica a quella dei filtri Fabry-Perot
Si avranno dunque dei “picchi” di emissione identici a quelli dei filtri FP.
Principio di funzionamento di un Laser FP
Il filtraggio FP si combina con l’efficienza della
emissione stimolata, che dipende dalla
lunghezza d’onda tramite le caratteristiche del
semiconduttore.
Caratteristiche laser FP
In sostanza, i laser FP generano in
uscita una serie di righe spettrali
abbastanza strette.
In letteratura, questi laser sono
solitamente chiamati
Multi Longitudinal Mode (MLM)
lasers
FWHM tipico: da 1 a 4 nm
(sull’inviluppo delle
varie righe).
Applicazioni dei laser MLM
I laser MLM sono solitamente usati:
per trasmissioni a singola lunghezza d’onda
bit rate inferiori a 2.5 Gbit/s
distanze fino a 30-40 Km su fibra singolo modo.
I laser MLM coprono dunque un settore di costo e prestazioni superiore a
quello coperto dai LED
Tuttavia, non hanno prestazioni sufficienti per applicazioni ad alto bit rate
e elevata distanza.
SLM Laser (1/2)
Per i sistemi a prestazioni elevate, sono necessari laser a singola riga
spettrale, cioè i cosiddetti laser
Single Longitudinal Mode (SLM)
La loro caratteristica è di avere una riga spettrale con potenza molto più
elevata delle altre.
SLM Laser (2/2)
La qualità dei laser SLM è misurata tramite il Side Mode Suppression
Ratio (SMSR)
SMSR =
PMain mode
PSide mode
Pmm
=
Psm
DFB Laser (1/2)
La generazione di un singolo modo si ottiene utilizzando una struttura
filtrante più complessa dei semplici filtri FP.
Il metodo più comune è quello di generare un “grating” all’interno della
struttura attiva del semiconduttore.
Questi laser sono detti:
Distributed FeedBack (DFB) Lasers
DFB Laser (2/2)
Esempio di spettro di emissione di un laser DFB
commerciale a 1300 nm
Il picco principale
di emissione dei
laser DFB ha
tipicamente una
larghezza di riga
molto stretta,
tipicamente pari
a 1-10 MHz.
Applicazione dei laser SLM (1/2)
I laser SLM, tipicamente di tipo DFB, sono utilizzati nelle trasmissioni a
lunga distanza (>40 Km) ed elevato bit rate (>2.5 Gbit/s).
Questi dispositivi hanno oggi prestazioni estremamente stabili e ben
controllate
Potenze di uscita fino a +20 dBm
Modulabili fino a 10 Gbit/s
Disponibili su qualsiasi lunghezza d’onda sulla griglia standard ITU-T.
Applicazione dei laser SLM (2/2)
Sono tutt’ora decisamente più costosi dei laser MLM
Necessitano di circuiti di controllo di temperatura e corrente.
L’elevato costo dei laser DFB dipende non solo dalla regione attiva del
laser a semiconduttore, ma anche da svariati altri componenti che
devono essere integrati nello stesso package.
Struttura laser SLM
Laser “tunabili” (1/2)
In alcune applicazioni, sono utili laser SLM tunabili, cioè con lunghezza
d’onda centrale variabile tramite controllo esterno.
L’approccio tipico è quello a “cavità esterna”.
Laser “tunabili” (2/2)
I laser tunabili oggi disponibili commercialmente commutano tra
lunghezze d’onda su costanti di tempo dell’ordine dei decimi di secondo
Soluzione per commutazione veloce (ms o μs) esistono solo a livello di
laboratorio.
Modulazione digitale dei laser
Caratteristica Potenza-Corrente
In figura, è rappresentata la
tipica relazione tra corrente
in ingresso e potenza di
uscita per un laser.
I laser funzionano
correttamente solo per
correnti di ingresso superiori
ad una certa soglia.
Sopra questa soglia, la
relazione P-I è lineare (con
ottima approssimazione).
Modulazione diretta e CW (1/3)
I laser sono utilizzati in uno dei seguenti due modi:
in continuous-wave
(CW), cioè a corrente
(e dunque potenza)
costante;
in modulazione diretta
- In questo caso, la
corrente viene
direttamente
modulata tra due
livelli I0 e I1 per
la trasmissione dei
bit.
Modulazione diretta e CW (2/3)
Nella modalità CW su un laser DFB, l’uscita
del laser è costituita da una singola riga
spettrale pressochè ideale (segnale
sinusoidale )
In questo caso, si usa un modulatore
esterno per la trasmissione dei bit, e si
parla di modulazione esterna.
Laser in modulazione diretta
La modulazione di fase/frequenza spuria crea un notevole allargamento della
banda del segnale ottico emesso.
Valori tipici:
un laser DFB modulato direttamente a 10 Gbit/s, se non ci fosse il problema
della fase/frequenza spuria, avrebbe uno spettro di uscita su una banda di
circa 20 GHz = 0.16 nm (circa il doppio del bit rate);
a causa invece della fase/frequenza spuria (sempre presente), lo spettro
tipico in uscita risulta dell’ordine di 1-2 nm.