Componentes Ópticos Pasivos y Activos

“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