“Dispositivos y Medios de Transmisión Ópticos” Módulo 4. Componentes Ópticos Pasivos y Activos Autores: Carmen Vázquez García Revisado: David Sánchez Montero Colaboradores: Pedro Contreras/ Plinio Jesús Pinzón Grupo de Displays y Aplicaciones Fotónicas (GDAF) Dpto. de Tecnología Electrónica Universidad CARLOS III de Madrid 1 M4. Componentes Ópticos: Índice M4. Componentes ópticos Emisores y detectores (M1 y M3) Moduladores Acopladores Filtros, mux/demux e interleavers OADMs Amplificadores Conmutadores Otros 2 M4. Componentes Ópticos: Moduladores Conceptos básicos: ancho de banda de modulación en Comunicaciones Ópticas Ancho de banda eléctrico. eléctrico Cuando se considera el conversor O/E (Óptico / Eléctrico) necesario. Definición: “f a la cual la relación de potencia de la señal eléctrica Pe/Ps se reduce 3dB”: Pe=potencia señal de entrada ; Ps=potencia señal de salida REdB =10log10 [ Potencia eléctrica salida (detector) / Potencia eléctrica entrada (fuente)] = = 10log10 ( IS2 ⋅ RS Ie2 ⋅ Re ) = α ⋅10log10 ( IS2 Ie2 ) Ancho de banda eléctrico Ancho de banda óptico Is/Ie BWe ⇒ IS2 Ie2 = 0.5 ⇒ IS Ie = 0.707 BWO ⇒[ IS Ie ] = 0.5 ; Póptica = S ⋅ I P Láser LED I BWe BWo 0.707 0.5 Frecuencia 3 M4. Componentes Ópticos: Moduladores Modulación: codificar la información en pulsos de luz P(mW) NRZ (Non Return to Zero) RZ Return to Zero Modulation Plogic "1" Pavg Plogic "0" tiempo E= Plogic "1" Plogic "0" , E(dB)=10log10 Pavg = Plogic "1" Plogic "0" 1 ( Plogic "1" + Plogic "0" ) 2 10dB 4 M4. Componentes Ópticos: Moduladores Tipos de modulación: directa e indirecta Directa:: corriente modulación láser de 1.5Mbps a 2.5Gbps Directa Indirecta:: modulador externo, 10Indirecta 10-40Gbps y mayores Tipos de moduladores ópticos: MachMach-Zehnder Zehnder,, electro electro--absorción, acusto--óptico, etc. acusto 5 M4. Componentes Ópticos: Acopladores Dispositivos pasivos asociados División de la potencia óptica. Distribución espacial: • Acopladores 2x2 • Divisores en Y • Acopladores en estrella (passive star coupler) Divisor de potencia Combinador de señal Flujo luminoso 1 Entradas Salidas 3 por fusión 2 4 acoplador 2x2 6 M4. Componentes Ópticos: Divisores de haz Divisores de haz: objetivo 1 N puertas La información que entra por el puerto 1 se reparte entre todos los puertos de salida, normalmente de forma homogénea Potencia de salida = Potencia de entrada/N – pérdidas en exceso • IDEAL Sin pérdidas en exceso 7 M4. Componentes Ópticos: Divisores de haz División del haz Divisores (Tree Couplers) Acopladores (Star Couplers) Normalmente son 2x2 Aplicaciones:: Aplicaciones • Distribución de señales (problema: no está controlada, broadcast) • Posibilidad de realizar transmisión dúplex por una única fibra óptica • Obtención de referencias: - Emisión de fuentes - Sensores •Parte muy importante para realizar dispositivos más complejos 8 M4. Componentes Ópticos: Acopladores Parámetros: • Pérdidas en exceso, Lexc-i Flujo luminoso 1 2 • Pérdidas de inserción, Lij • Coeficiente de acoplo, Kj Entradas Salidas 3 Lexc-i i=1,…,N entradas j=1,…,M salidas 4 Pi = −10 ⋅ log10 ∑ P j Pi Lij = −10 ⋅ log10 P j • Directividad, Di Pr Kr = ∑ Pj Pi Di = 10 ⋅ log10 Pk r = puerto de salida considerado Pk = potencia que sale por la entrada k 9 M4. Componentes Ópticos: Acopladores Características componentes comerciales (Catálogos) Fabricante Lexc(dB) K SIFAM 3.6 – 3.8 5, 10, 20, 30, 40, 50 3.4 – 4.3 50/50, 40/60, 30, 20, 10, 5,1 7.5 - 15 1xN, 2xN, N=4,8,16 (2) 1x2, 2x2 E-TEK 1x2, 2x2(*) JDS Conectores λ(nm) Dimensiones (mm) 1300/1550 FC/PC, ST, FC/APC, SC 1550, 1310, 1480, 980, 830, 633 3(Ø)x40(L) 85(L)x17.5(W) 1310/1550±25nm 6x60 a 9x100 (*) 1x3, 3x3, 2x4, 4x4, 40nm, fusionados. SM, MM (2) Tecnología de integración PLC (Planar Lightwave Circuit) Otros parámetros: directividad, PDL (Polarization Dependent Loss), especificaciones ambientales,… 10 M4. Componentes Ópticos: Acopladores Ejemplo: acopladores NxM Fuente: www. oplink.com Input (i) Matriz de pérdidas 4x4 Output (j) 1 2 3 4 5 6 7 8 1 50.4 48.8 47.2 49.7 6.8 6.9 6.7 6.7 2 47.6 50.1 47.4 49.7 6.9 6.8 6.8 6.6 3 49.8 47.6 48.2 46.9 6.6 6.8 6.8 6.7 4 50.5 48.2 48.9 46.2 6.6 6.7 6.8 6.7 5 6.7 6.8 6.9 6.7 49.9 47.3 48.9 46.6 6 6.7 6.8 6.8 6.7 47.8 48.9 49.7 48.3 7 6.7 6.9 6.8 6.7 48.3 46.5 48.2 48.5 8 6.7 6.8 6.9 6.8 47.3 46.7 49.1 47.9 11 M4. Componentes Ópticos: Filtros • Selección de una determinada anchura espectral • Si son periódicos, los canales deben ubicarse dentro del FSR (Rango 1 Transmitancia Normalizada Espectral Libre) del filtro • Pueden ser sintonizables 0.8 λ2 FSR 1 λ1 0.6 0.4 FWHM 1 0.2 0 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 Longitud de onda λ (nm) • Elementos base para dispositivos más complejos como MUX/DEMUX • Diferentes tecnologías 12 M4. Componentes Ópticos: Filtros Banda de paso: paso: dBm • Pérdidas de inserción • Rizado • Longitud de onda (central, cortes) • Ancho de banda (0.5dB, 3dB,…) • Dependencia con polarización • Crosstalk … λ i-1 λ i λ i+1 … 0 -5 -10 -15 -20 -25 -30 -35 Banda eliminada: eliminada: -40 • Relación de rechazo -45 1540 1541 1542 1543 1544 1545 Longitud de onda 13 M4. Componentes Ópticos: Filtros -20 Thin--Film Filters (TFF) Thin -25 -30 dBm -35 -40 -45 Señal incidente -50 -55 -60 1547.3 1547.7 1548.1 1548.5 1548.9 1549.3 1549.7 1550.1 1550.5 1550.9 1551.3 1551.7 Wavelength (nm) Señal reflejada Señal transmitida • canal específico • banda Substrato Revestimiento dielectrico 14 1552.1 M4. Componentes Ópticos: Filtros Fiber Bragg Grating (FBG) Salida -32.5 -33 -32 -33 -33.5 Entrada -34.5 -35 dBm dBm -34 -34 Λ -35 -35.5 -36 1530 1530.2 1530.4 1530.6 1530.8 1531 1531.2 1531.4 1531.6 1531.8 1532 Wavelenght (nm) λBragg -36 -37 -38 -39 -40 1530 1530.2 1530.4 1530.6 1530.8 1531 1531.2 1531.4 1531.6 1531.8 1532 Wavelenght (nm) λB = 2neff Λ -36 -38 λB : longitud de onda de Bragg -40 -42 Λ: período de la red dBm -44 -46 -48 n eff : índice de refracción efectivo -50 λB -52 -54 -56 -58 1530 1530.2 1530.4 1530.6 1530.8 1531 1531.2 Wavelenght (nm) 15 1531.4 1531.6 1531.8 1532 M4. Componentes Ópticos: Filtros Filtros FabryFabry-Perot (FP) Cavidad resonante con múltiples reflexiones/transmisiones Si d=λ/2 las reflexiones y transmisiones interfieren constructivamente Si d=λ/4 las reflexiones y transmisiones interfieren destructivamente Lo que se corresponde con un filtro 16 M4. Componentes Ópticos: Filtros Filtros FabryFabry-Perot sintonizable Esquema FIBRA ÓPTICA MONOMODO CRISTAL PIEZOELÉCTRICO SUPERFICIES SEMIREFLECTANTES d NÚCLEO DE LA FIBRA ESTRUCTURA DE SOPORTE 17 M4. Componentes Ópticos: Filtros Filtros MachMach-Zehnder (MZI) Esquema basado en interferómetros Mach-Zehnder (MZI) λ1 , λ 2 PIN POUT-1 λ1 POUT-2 λ2 18 M4. Componentes Ópticos: Filtros Resonador en anillo Esquema POUT PIN 1.2 M FSR L 1.0 O ∏ i Txi Monitor Value (a.u.) ( 0.8 0.6 0.4 0.2 0.0 1.52 1.53 1.54 1.55 1.56 W avelength ( µ m ) 19 M4. Componentes Ópticos: Filtros Comparativa de filtros ópticos Tipo Pérdidas de inserción Espaciado entre canales / aislamiento BW (3dB) Rango de ajuste Velocidad de ajuste Mecanismo de ajuste FFP (Fabry-Perot) 2 dB 2nm / 30dB < 0.5nm ~ 10nm ms PZT FP cristal líquido 3 dB 2nm / 30dB < 0.5nm ~ 50nm µs Orientación cristal FP + micromáquina 1 dB 2nm / 30dB < 0.5nm ~ 60nm 100µs Micromáquina MZI en cascada LiNbO3: 19dB Silica: 1 dB 0.4nm / 22dB “ < 0.2nm ~ 4nm 50ns Electro-óptico FBG 0.1 dB 1.6nm / 22dB < 0.2nm < 10nm 2ms Temperatura, elongación AOTF 4 dB 4nm / 30dB ~ 1.5nm > 60nm µs Acusto-óptico EOTF 4 dB 2nm / 25dB ~ 1.5nm ~ 50nm ns Electro-óptico AWG config. sintonizable 8dB 0.8nm / 30dB < 0.2nm ~ 40nm 10ms Termo-óptico Filtro activo Con ganancia < 0.1nm / 30dB < 0.1nm < 5nm ns Inyección de corriente Resonador anillo 3 dB 2nm / 30dB ~ 0.2nm 25nm ms Temperatura (1) Acousto-Optic Tunable Filter (2) Electro-Optic Tunable Filter 20 M4. Componentes Ópticos: MUX/ DEMUX Multiplexores, demultiplexores λ2 WDM λ1+ λ2 λ1 • Multiplexan (juntan) o demultiplexan (separan) la potencia óptica de diferentes longitudes de onda • Cruce entre canales (crosstalk), aislamiento entre canales λ1 λ2 λ1 , λ2 ,..., λi −1 , λi λ i-1 λi 21 M4. Componentes Ópticos: MUX/ DEMUX Multiplexores, demultiplexores • Es el componente clave en sistemas de multiplexación por división en longitud de onda (WDM, Wavelength Division Multiplexing) Ch4 Ch3 Ch2 Ch1 In Out • Diferentes tecnologías - Filtros dieléctricos en cascada - FBGs en cascada - AWGs (Arrayed Waveguide Grating) • Resulta esencial reducir el cruce entre canales (crosstalk) 22 M4. Componentes Ópticos: MUX/ DEMUX Thin--Film Filters: Thin Filters: demux GRIN TFF TFF . . . 0 -5 -10 Thin-Film Filters (TFF) 32 canales x 100GHz -15 -20 -25 -30 -35 -40 1530 23 1535 1540 1545 1550 1555 1560 1565 M4. Componentes Ópticos: MUX/ DEMUX Demux Mach Mach--Zehnder λ1 , λ 2 PIN POUT-1 λ1 POUT-2 λ2 λ1 , λ3 , λ5 , λ7 λ1 − λ8 λ2 , λ4 , λ6 , λ8 λ1 , λ5 λ1 λ5 λ3 , λ7 λ3 λ7 λ2 , λ6 λ2 λ6 λ4 , λ8 λ4 λ8 24 M4. Componentes Ópticos: MUX/ DEMUX Redes de difracción (Diffraction Gratings) Gratings) Fuente: www. newport.com λ1 λ2 λ1 , λ2 ,..., λi λi 25 M4. Componentes Ópticos: MUX/ DEMUX Interleavers:: conforma/separa una señal DWDM en sus Interleavers respectivos canales pares e impares 26 M4. Componentes Ópticos: MUX/ DEMUX Dispositivo AWG (Arrayed Waveguide Grating) • Realizados sobre tecnología planar de silicio (PLC), los AWG representan la última generación en demultiplexores en longitud de onda Fuente: Fraunhofer, Heinrich Hertz Institute Fuente: NTT Photonics Laboratories 27 M4. Componentes Ópticos: OADM Dispositivo OADM (Optical Add-Drop Multiplexer) (I) • Aplicación Conexión de la central a diferentes estaciones de trabajo utilizando equipamiento CWDM/OADM de inserción y extracción de diferentes longitudes de onda CWDM:1271, 1291, 1311, 1331, 1351, 1371, 1431, 1451,1471, 1491, 1511, 1531, 1551, 1571, 1591, 1611 nm © ghip systems GmbH 2006 http://www.ghipsystems.com/Download/express-OADM-en.pdf 28 M4. Componentes Ópticos: OADM Dispositivo OADM (Optical Add-Drop Multiplexer) (II) • Aplicaciones: red híbrida WDM+TDM λ1 λ2 λ i-1 λ1 λi λi • OADM: FBG + 2 circuladores In Circulador óptico Circulador óptico 2 2 3 1 1 3 FBG λBragg=λ3 Drop Out Add 29 M4. Componentes Ópticos: Conmutador Óptico Conmutación Óptica Salida directa 30 Salida cruzada M4. Componentes Ópticos: MEMS Micro-ElectroMechanical Systems (MEMS) Haz de luz Fuente: Tanner Labs Fuente:Lamda Router Mirror Switch – Lucent Fuente: C.R. Giles et al., “A silicon MEMS optical switch attenuator and its use in lightwave subsystems”, IEEE Sel. Topics Quant. Electron., 5(1), 18- 25, 1999. 31 M4. Componentes Ópticos: OXC OXC: Optical Cross-Connect • Dispositivo que permite intercambiar diferentes señales ópticas a alta velocidad λ1, λ2 ,..., λi−1, λi λ1, λ2 ,..., λi−1, λi λ1 λ1, λ2 ,..., λi−1, λi λ2 λ1, λ2 ,..., λi−1, λi λi λ1, λ2 ,..., λi−1, λi λ1, λ2 ,..., λi−1, λi 32 M4. Componentes Ópticos: Conmutadores Conmutación con cristal líquido (LC, Lyquid Cristal) LC BETWEEN CROSSED POLARIZERS LC BETWEEN PARALLEL POLARIZERS INPUT LIGHT POLARIZER Principio de funcionamiento de un LC LC CELL ANALYZER OUTPUT Control y conmutación en función de la polarización de la luz LC Inputs Polarization Separation Polarization Handling Recombination Outputs 33 M4. Componentes Ópticos: Conmutadores Conmutación con cristal líquido (LC) 34 M4. Componentes Ópticos: Amplificadores • Amplificador Óptico Semiconductor (SOA, Semiconductor Optical Amplifier) • Amplificador de Fibra Dopada (DFA, Doped Fiber Amplifier) - Más común Erbium-DFA (EDFA), bandas C+L - Otros: Praseodimio (1300nm), Iterbio (1µm), Tulio (banda S) 35 M4. Componentes Ópticos: Amplificadores • Amplificador de Fibra Dopada con Erbio (EDFA, Erbium Doped Fiber Amplifier) Longitudes de onda típicas de bombeo: 980nm o 1480nm banda de bombeo Transición de bombeo Caída a nivel inferior Fotón de 980 nm Fotón de 1480 nm 1550 nm 1550 nm Emisió estimulada Absorción estimulada Emisión espontáne a Transicióm de bombeo banda metaestable 1550 nm banda de referencia 36 M4. Componentes Ópticos: Amplificadores • Diagrama de bloques EDFA Acoplador WDM Entrada Aislador Laser de bombeo Salida Filtro Fibra óptica dopada Aislador Bombeo residual • Espectro de salida -ruido ASE (Amplified Spontaneous Emission -ASE+señal amplificada 37 M4. Componentes Ópticos: Amplificadores Funciones del amplificador óptico • Según su posición en el enlace de comunicaciones ópticas, el amplificador puede operar como: - Amplificador de potencia (booster) - Amplificador en línea - Preamplificador λ1 λ2 λ1 λ2 λ i-1 λ i-1 λi λi 38 M4. Componentes Ópticos: Amplificadores Características EDFA - SOA SOA EDFA 25-30 dB 30-50 dB 5-10 dBm 13-23 dBm Factor de ruido 5-6 dB 4 dB Dimensiones < 1 mm 10-100 m 30-60 nm 20-30 nm Ganancia Potencia de saturación Banda de paso Margen (nm) Integración 1300-1600 nm posible 1530-1565 nm --39 M4. Componentes Ópticos: Amplificadores Amplificador de banda ancha, bandas C+L (I) C-EDFA WDM WDM Preamplificador L-EDFA EDFA 40 M4. Componentes Ópticos: Amplificadores Amplificador Raman • Basados en el efecto Raman, interacción no lineal entre la señal óptica y la señal de bombeo de alta potencia Fibra Óptica Aislador Acoplador Aislador λ’s de bombeo λ’s amplificadas Láser de bombeo 41 M4. Componentes Ópticos: Amplificadores Amplificador híbrido Raman + EDFA Raman EDFA 42 M4. Componentes Ópticos: Amplificadores Amplificadores para diferentes bandas Tm-Ho 1 Er (C-ZBLAN) Tm-Tb 25 Nd 20 15 0.8 Atenuación [dB/km] Pr 10 0.7 Er (C-Si) 5 0.6 Er (L) 0.5 0 0.4 -5 Er (Te) 0.3 -10 0.2 -15 Dispersión n [ps/(nm km)] 0.9 G.652 G.653 Raman 0.1 -20 0 -25 1100 1150 1200 1250 1300 1350 1400 1450 Longitud de onda [nm] 1500 1550 1600 1650 1700 43 M4. Componentes Ópticos: Otros Otros: Aislador • Función: Protección de láseres y amplificadores frente a reflexiones que provocan inestabilidades Símbolo Diagrama de bloques Fuente: Sumitomo (www. smm.co.jp) • Bajas en sentido de propagación: 0.2 – 2dB • Pérdidas elevadas en sentido contrario a la propag.: 20 – 80dB 44