6 - Componenti ottici attivi

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COMPONENTI OTTICI ATTIVI
Sono quei dispositivi necessari per lo scambio di informazioni su fibra ottica ossia per la
trasmissione di impulsi luminosi.
Si distinguono in convertitori elettro-ottici, convertitori ottico-elettrici e amplificatori ottici.
Prima di entrare nel dettaglio, cerchiamo di descrivere le leggi di interazione che ci sono tra luce e
materia.
-1- L’assorbimento consiste nel passaggio di un elettrone da un livello più basso di energia E1 (stato
di valenza) a un livello più alto E2 (stato di conduzione). Affinché il salto energetico possa avvenire
è necessario che l’elettrone riceva energia che viene fornita dall’esterno. Per esempio può essere un
fotone a cedere tale energia all’elettrone. Ovviamente deve essere sempre valida, per il teorema di
conservazione dell’energia la seguente,
dove f12 è quella frequenza che mi fa
passare dallo stato E1 allo stato E2.
-2- Un altro meccanismo è quello dell’emissione spontanea. Quando un elettrone si trova nello stato
E2 si trova in uno stato instabile; tende quindi a tornare nello stato precedente cioè nello stato E1 e
quindi cede l’energia precedentemente acquistata.
-3- Il meccanismo dell’emissione stimolata consiste invece nel fatto che se un elettrone che si trova
nello stato instabile E2 viene colpito da un fotone con energia γ, allora l’elettrone tornerà nello stato
stabile E1 liberando un’energia pari alla somma di quella che precedentemente gli aveva consentito
di passare allo stato E2 più quella del fotone. In definitiva viene liberata un’energia pari a 2 γ.
Passiamo ora alla descrizione dei componenti ottici.
Gli emettitori ottici sono dei trasduttori elettro-ottici che effettuano una conversione tra la corrente
elettrica di ingresso iE (corrente di eccitazione) e la potenza ottica in uscita Po.
Nel caso ideale la potenza ottica emessa è proporzionale alla corrente elettrica di ingresso:
Dove ηo è definita resa ottica, misurata in W/A . Ovviamente il nostro obiettivo è di avere una resa
ottica quanto più alta possibile.
Poiché la potenza elettrica di ingresso è proporzionale al quadrato della corrente, la potenza ottica
emessa varia con la radice quadrata della potenza elettrica fornita.
I requisiti che deve soddisfare una sorgente ottica per lavorare in maniera ideale sono i seguenti:
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- Dimensioni compatibili con quelle delle fibra;
- La lunghezza d’onda di emissione deve corrispondere con una delle “finestre di attenuazione”
della fibra;
- Linearità delle legge che lega Po con iE;
- Larghezza spettrale della sorgente deve essere limitata per ridurre gli effetti della dispersione
cromatica
- Elevata densità di potenza
- La stabilità del punto di lavoro non deve risentire delle variazioni di temperatura
- Basso costo ed alta affidabilità (elevata vita media)
Il principio di funzionamento della sorgente ottica sfrutta il principio del confinamento con doppia
eterostruttura. Considerando una giunzione npp con drogaggi opportuni è possibile realizzare una
zona centrale con indice di rifrazione più alto rispetto a quello delle altre zone e in cui abbiamo un
gap energetico più basso rispetto agli altri: cioè quando si ha il fenomeno dell’emissione luminosa, i
fotoni emessi secondo il procedimento descritto prima, rimangono concentrati nella zona centrale
essendo l’indice di rifrazione maggiore delle altre zone.
Esistono due tipi di sorgenti luminose: diodi LED e LASER.
I LED presentano le seguenti caratteristiche:
- La radiazione viene prodotta per emissione spontanea.
- La caratteristica potenza ottica-corrente di pilotaggio ha una mediocre linearità.
- La potenza ottica viene irradiata con scarsa monocromaticità (∆λ=40 nm): si ha cioè elevata
dispersione cromatica
- La potenza ottica nominale è circa 1 mW.
Essi sono poco utilizzati poiché emettono luce incoerente e presentano una caratteristica non lineare
come descritto in precedenza e come si può vedere dai seguenti grafici.
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Nel laser a semiconduttore, invece, la radiazione viene prodotta per emissione stimolata.
- La sua caratteristica presenta una buona linearità quando si supera la corrente di soglia.
- Lo spettro di emissione è stretto (∆λ=2 nm): si ha quindi bassa dispersione cromatica
- La potenza ottica nominale molto maggiore di quella del LED (> 5 mW).
Osserviamo che:
1) La caratteristica potenza ottica-corrente varia in funzione della temperatura.
2) Lo spettro di emissione varia al variare della corrente di polarizzazione: è più largo se tale
corrente è inferiore a quella di soglia, è più stretto se la corrente è maggiore di quella di soglia.
Parliamo ora della conversione ottico-elettrica.
Il rivelatore ottico converte la potenza ottica ricevuta P’0 in una corrente elettrica secondo la
relazione:
Dove R è l’efficienza fotoelettrica (responsivity) del fotodiodo (in A/W); il suo valore è dato dalla
relazione:
Dove η è l’efficienza quantica (rapporto tra elettroni generati e fotoni pervenuti in un secondo), q la
carica dell’elettrone, h la costante di Plank, λ la lunghezza d’onda e c la velocità della luce nel
vuoto.
M è un fattore di moltiplicazione (guadagno) degli elettroni primari; M=1 per il PIN e M>1 per
l’APD.
Le caratteristiche di funzionamento desiderabili nei fonorivelatori sono:
- Elevata efficienza di conversione alle lunghezze d’onda di interesse;
- Basso rumore;
- Velocità di risposta adeguata alle applicazioni;
- Affidabilità, basso costo, semplicità di impiego;
- Buona stabilità con la temperatura;
- Compatibilità con le dimensioni fisiche della fibra.
In generale il funzionamento dei fotorivelatori si basa sul seguente principio: quando un fotone
colpisce la giunzione p-n, nel caso di fotodiodo pin, gli elettroni che si trovano nella banda di
valenza ricevono l’energia necessaria a passare nella banda di conduzione.
Il fotodiodo PIN si chiama così perché sono costituiti da due giunzioni in cui abbiamo il primo
strato con drogaggio di tipo p, un secondo strato con drogaggio di tipo intrinseco, in realtà con
drogaggio n molto basso, ed un terzo strato con drogaggio di tipo n.
La tensione di polarizzazione inversa svuota la regione “i” dai portatori.
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Quando un fotone incidente ha un’energia che supera quella della band-gap, un elettrone che
acquisisce l’energia del fotone passa dalla banda di valenza a quella di conduzione, generando
coppie elettrone-lacuna.
L’elevato campo elettrico, generato a causa dell’elevata polarizzazione che si viene a creare nella
giunzione, nella zona “i” provoca la separazione delle cariche che vengono raccolte attraverso la
giunzione. Si ha quindi un moto di elettroni che genera una corrente che è ovviamente
proporzionale alla potenza ottica all’ingresso del nostro fotorivelatore.
Questo ci fa vedere che in corrispondenza di ogni fotone si viene a generare un elettrone nella
banda di conduzione ( si ha quindi un rapporto di 1:1 ): cioè il fattore M che abbiamo descritto
prima è pari a 1.
Descriviamo ora il principio di funzionamento dei fotodiodi a valanga (APD).
La luce entra attraverso la zona p+ (drogaggio p abbastanza elevato) e viene assorbita nella zona “i”
(drogaggio molto basso)dove si generano le coppie elettrone-lacuna che vengono separate dal
campo elettrico esistente.
Gli elettroni migrano fino alla giunzione pn+ dove l’elevato campo elettrico fornisce energia
sufficiente a provocare collisione con atomi non eccitati trasferendo ad essi l’energia cinetica
accumulata e causandone la ionizzazione.
Le cariche così create vengono a loro volta accelerate dal campo elettrico dando luogo ad ulteriori
ionizzazioni per impatto e così via fino ad ottenere un fenomeno di moltiplicazione a valanga.
Quindi in presenza di un fotone si vengono a creare un numero di elettroni > 1 : è proprio questo
effetto di moltiplicazione che da il nome ai fotodiodi detti proprio a valanga.
Descriviamo ora un altro importante componente: l’amplificatore ottico.
Fino a qualche anno fa per amplificare un segnale ottico, si faceva la conversione ottico-elettrica del
segnale da amplificare che veniva mandato in ingresso ad un amplificatore elettronico, e quindi
seguiva una conversione elettro-ottica del segnale amplificato. Questa tecnica, che introduceva
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abbastanza rumore, è stata superata dall’introduzione degli amplificatori ottici che realizzano
l’amplificazione diretta del segnale ottico senza ricorrere alla conversione elettro-ottica e viceversa.
Questi amplificatori sono essenzialmente di due tipi: amplificatori a semiconduttore e amplificatori
a fibra attiva.
L’amplificazione ottica può essere realizzata quindi in due modi diversi a seconda della forma con
cui si fornisce energia al segnale da amplificare.
Negli amplificatori a semiconduttore tale energia viene fornita in forma elettrica, tramite iniezioni
di cariche nella zona attiva del componente.
Negli amplificatori a fibra attiva, invece, si utilizza un laser di pompa che fornisce l’energia
necessaria a stimolare l’effetto di emissione che genera l’amplificazione.
Gli amplificatori ottici a semiconduttore (AOS) hanno un principio di funzionamento che
assomiglia molto a quello del diodo laser. La differenza tra un laser ed un AOS è solo funzionale:
il primo produce la radiazione al suo interno e poi l’amplifica, mentre l’AOS riceve in ingresso un
certo segnale ottico e lo amplifica con gli stessi meccanismi.
A seconda della struttura della cavità, gli AOS possono essere classificati in:
- Amplificatori ad onda progressiva (TWA)
- Amplificatori di tipo FabryPerot(FPA)
Gli amplificatori che hanno avuto più successo sono quelli a fibra attiva drogata con erbio detti
anche amplificatori EDFA: abbiamo uno spezzone di fibra “di vetro” che presenta delle impurità
date da una sostanza che è proprio l’erbio. E’ stata scelta proprio questa sostanza perché presenta
uno spettro di assorbimento in corrispondenza di alcune lunghezze d’onda e uno spettro di
emissione in corrispondenza della terza finestra: cioè quando ho un laser che emette una lunghezza
d’onda pari a quella dello spettro di assorbimento della fibra drogata con erbio, la fibra assorbe
energia , mentre la emette in corrispondenza della lunghezza d’onda della terza finestra.
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La radiazione emessa dal laser di
pompa (a 980 nm) promuove gli
elettroni dello ione Erbio dal livello A
(livello stabile per gli ioni erbio) al
livello C (livello altamente instabile),
da dove decadono rapidamente al
livello B (detto metastabile). In B
stazionano
per
un
tempo
sufficientemente lungo da indurre
l’inversione di popolazione. In tali
condizioni in numero di elettroni nello
stato B è superiore a quello dello stato
A e quindi un fotone incidente su uno
ione Er ha una maggiore probabilità di
indurre una emissione stimolata di altri
fotoni (transizione da B ad A) che di
essere assorbito (transizione da A a B).
Quindi essendo lo spettro di emissione
dell’erbio corrispondente alla terza
finestra, viene emesso un flusso di
fotoni di lunghezza d’onda
1530-1560 nm. Quindi in condizione di inversione di popolazione la fibra ottica drogata amplifica
invece di attenuare.
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Il guadagno dell’ amplificatore EDFA
varia al variare della potenza di
ingresso, come si può vedere nel grafico
accanto.
Questo perché man mano che aumenta
la potenza di ingresso, si genera un
fenomeno di saturazione che fa tornare
indietro una parte del flusso luminoso.
Quindi cercheremo di utilizzare gli
amplificatori in maniera ottimale e cioè
li metteremo quando il livello del
segnale è molto basso e quindi essendo
molto bassa la potenza in ingresso
all’amplificatore, il guadagno sarà, per
quanto detto, molto elevato.
Oltre ad esserci il fenomeno dell’emissione stimolata, si verifica anche il fenomeno dell’emissione
spontanea (che avviene a tutte le lunghezze d’onda) che genera il cosiddetto rumore ottico o anche
rumore ASE (Amplified Spontaneous Emission).
Gli ioni eccitati possono anche diseccitarsi spontaneamente, senza l’intervento di fotoni del segnale.
I fotoni emessi da tale emissione spontanea sono emessi in tutte le direzioni e su tutto lo spettro di
frequenze della banda di emissione.
Parte di questi subiscono un processo di amplificazione analogo a quello del segnale utile,
generando una radiazione di sottofondo incoerente (rumore ASE) in ambedue le direzioni di
propagazione: anche per questo motivo devo limitare al minimo l’uso di amplificatori ottici!
Si può dimostrare che la potenza dell’ASE in una banda ∆f è:
dove h è la costante di Planck, ν è la frequenza centrale della banda, F è il fattore di rumore e G è il
guadagno dell’EDFA. Tale rumore si sovrappone al segnale amplificato, provocando un degrado
del rapporto segnale/disturbo ottico.
Si può dimostrare che il rapporto segnale/disturbo ottico OSNR di una serie di EDFA in cascata è
dato da:
dove:
-
P0 = potenza ottica del trasmettitore (in dB)
Nampl = numero di amplificatori ottici in cascata
Nf = cifra di rumore degli amplificatori (in dB)
G(λ0)= guadagno ottico (in dB) alla lunghezza d’onda di lavoro che bilancia l’attenuazione
della tratta di fibra.
Br = Banda elettrica del ricevitore (Hz)
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Sono stati realizzati anche degli amplificatori ottici a doppio stadio per cercare di allargare la banda
passante dell’amplificatore stesso: questo perché con i sistemi WDM abbiamo bisogno di una banda
molto elevata per andare a inserire molte lunghezze d’onda.
Questo amplificatore a doppio stadio comprende due laser di pompa, uno a 980 nm e uno a 1480
nm come si può vedere in dettaglio nella seguente figura.
In questo modo si può avere oltre a una banda C anche una banda L.
Ecco di seguito i metodi di inserimento degli amplificatori ottici.
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I principali parametri che caratterizzano le prestazioni di un EDFA sono:
- Il guadagno G (valori tipici 30-35 dB) che varia al variare della lunghezza d’onda.
- La potenza di saturazione in uscita (13-20 dBm), definita come la potenza ottica emessa per cui il
guadagno si dimezza.
- La cifra di rumore(4-5 dB) che misura di quanto l’OSNR all’uscita dell’amplificatore è peggiorato
a causa dell’ASE.
Riassumiamo e confrontiamo di seguito i valori caratteristici dei parametri degli amplificatori ottici
EDFA e a semiconduttore:
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