1

Resumo aula anterior

•Conectores, acopladores e adaptadores tanto para

comunicações qto tb para outros propósitos.

•Interruptores ópticos 2x2, 4x4....

20130513

Apresentação do Jhonas sobre Óptica Para Fins Bélicos

2

Outros interruptores• Design and Simulation of Planar Electro-optic Switches in Ferroelectrics• M. Krishnamurthi, L. Tian and V. Gopalan, Appl. Phys. Lett., 93 052912 (2008). PDF ou PDF2

2

switch a light beam within a semiconductor device at speeds of 0.3 picosecond

Semiconductor optical switches reach the speed of light

April 29, 2011

Ctistis, G., Yuce, E., Hartsuiker, A., Claudon, J., Bazin, M., Gérard, J., & Vos, W. (2011). Ultimate fast optical switching of a planar microcavity in the telecom wavelength range Applied Physics Letters, 98 (16) DOI: 10.1063/1.3580615

Tarefa: como detectar? Tema para José

Interruptor de 60ns: NanonaTM High Speed & Low Loss Optical Switch

3

Diversas formas e/ou dispositivos para realizar

acoplamentos de multiplexagem

4

Multiplexagem em WDM

5

Acopladores

6

Acopladores

7

Acopladores

8

Acoplador baseado em micro-óptica

9

Acoplador bicônico e derivados

Razão de Divisão de Potência:

10

Acoplador com fibras deslocadas lateralmente

11

Acoplador com núcleo sobreposto

12

Acoplador com núcleo sobreposto

13

Acoplador com divisor de feixe

15

Acoplador em Z

16

Parte das perdas são atribuídas a diferentes tipos de acoplamentos

Lembremos

17

SMF

núcleo

SMF

núcleo∆x

Eficiência de AcoplamentoSensitividade ao desalinhamento transversal

η(∆x) = e –(∆x/ωo)2

0 0.63 1.25 1.88 2.5 3.13 3.75 4.38 50

0.63

1.25

1.88

2.5

3.13

3.75

4.38

5Coupling Eff. vs Transverse Displacement

Transverse Displacement (um)

Co

upli

ng L

oss

(d

B)

4.094

0

1db x( )

2db x( )

50 x

SMFωo = 5.15µm

SMFωo = 25µm

www.worldtechconsultants.com

18

SMF

núcleo

SMF

núcleo

Ө

Eficiência de acoplamentoSensitividade de desalinhamento angular

η(Ө) = e -(ΠӨωo/λ)2

• Modo expandido melhora a sensitividade de desalinhamento transversal, mas aumenta a sensitividade angular.

• Modo limitado pelas

dimensões da fibra -> bom compromisso

0 0.063 0.13 0.19 0.25 0.31 0.38 0.44 0.50

0.13

0.25

0.38

0.5

0.63

0.75

0.88

1Coupling Eff.vs Angular Misalignment

Misalignment Angle (degrees)

Co

upli

ng L

oss

(d

B)

0.849

0

1db ( )

2db ( )

0.50

SMFωo = 5.15µm

SMFωo = 25µm

19

SMF

núcleo

SMF

núcleo ∆z

η(z) = 1/(1+λz/(1+ Πz/2ωo2)2

Eficiência de acoplamentoSensitividade por desalinhamento longitudinal

For “large” ∆z lensing is required

0 1.5 3 4.5 60

10

20

30

40

Fiber separation (mm)

Cou

plin

g L

oss

(dB

)

33.352

6.766 107

1db z( )

2db z( )

51 10

3 z

SMFωo = 5.15µm

SMFωo = 25µm

0 25 50 75 1000

1

2

3

4

Fiber separation (um)

Cou

plin

g Lo

ss (d

B)

2.707

6.766 107

1db z( )

2db z( )

1001 z

SMFωo = 5.15µm

SMFωo = 25µm

20

Outros tipos de sistemas para acoplamento da luz com fibra para minimizar perdas

21

• O feixe Gaussiano pode ser caracterizado por sua fase e amplitude em qualquer ponto do feixe

• Para um acoplamento “perfeito” tanto a fase e amplitude devem estar casadas

Lente no feixe

Componenteóptico

22

Lentes no feixeAplicações

• Componentes passivos• isoladores• filtros• splitters• circuladores• WDM• alguns são

dispositivos com mais de 2 portas

• lasers• receptores• moduladores

• Projeção de feixe• Solda a laser• apontadores

Componentes ópticos entre fibras

Laser

Isolator

Tela

23

O que há em usar lentes discretas

• Duram bastante tempo

• Alta performance

• Oferece desenho de dispositivos mais flexíveis

• Relativamente barato

• Continua a ser ”bons amigos” na industria

• A colocação de componentes adicionais, e.g., lentes

• reduce a robustes e confiabilidade

• aumento de custos de manipulação

• Maioria das lentes discretas são grandes em relação às fibras

• Aumento no tamanho das embalagens

• Aumento no tamanho do modo – OK para algumas aplicações mas não para outras

MAS…

24

Graded-Index Lens

Fiber

GRIN Lens

Typical n(r) - Square Law

R - Radial Distance (au)0

n(R

) -R

efr

ac

tiv

e I

nd

ex

(a

u)

aa

• GRIN lens very popular - high quality & cylindrical shape• But, large and expensive

R

a

GRIN Lens

25

Imagem com sistema Fibra/Lente Grin

L > ¼ Pitch

SM FiberL=1/4 Pitch

Graded Index MMF

26

Fibra-lente

SMF

Core (SMF)

MMF Lens

Core (MMF)

Fused

“Collimated” Beam

¼ Pitch

27

Podem ser fundidas em fibras Elimina a sensitividade do desalinhamento transversal de fibras

SM Casamento de índice na interface – minimiza reflexões e perdas

Tendo o mesmo diâmetro SMFsimplificação de desenho e empacotamento

Custo da lente ~”zero”

Oferece um bom compromisso entre sensitividades transversal e angular

Altamente flexível: da expansão de modo simples para sistemas de focamento

Fibras-Lentes FundidasVantagens

28

Montagem da fibra-lente fundidaProcessos críticos

1. Fiber/Lens Fused Interface

2. Fiber Lens

3. Fiber Lens Endface

MMF SMF

• Core/core alignment• Fiber eccentricity• Core concentricity

• Reproducible fusion process• Interface diameter control

o Fiber eccentricityo Bulging/necking

• Dopant diffusion control

• Fiber lens choice:• Eccentricity• Centricity of core• Fusion compatability• Uniformity & Flexibility)

• Accurate & reproducible lens

length • Post fusion• After final polish

• Means to polish endface• Final length control• Apex control • Determination of beam

parameters vs endface contour• Relationship of endface contour

and optical performance

29

Outra opção de Fibra-Lente

• The insertion of a silica “fiber section” between the SMF and the MMF lens adds additional flexibility to fiber-lens applications

SilicaSection

SMF

Core (SMF)

MMF Lens

Core (MMF)

30

Lembrem-se aquela da lente esférica formato de bola na frente da fibra

31

Acoplamento fibra-esfera/fibra-fibra

32

Pq há necessidade de um amplificador óptico?

Atenuação do sinal.

De onde vem a atenuação do sinal?

São várias as razões: longa distância, acoplamento entre outras.

Principalmente amplificar um sinal óptico sem necessidade de converte-lo antes em elétrico.

Qual a vantagem de ter um amplificador óptico?

33

AMPLIFICADOR ÓPTICO

O QUE É

PARA QUE É

QUE TIPOS HÁ

34

Exemplo de comunicação óptica

35

Antigamente

• Tradicionais repetidores eletrônicos

36

Objetivos dos amplificadores

37

Amplificadores Ópticos

38

Diferentes tipos de Amplificadores Ópticos

• Semicondutor (SOA) (= Semiconductor Optical Amplifier)

– SOA convencional

– GC-SOA (Gain-Clamped SOA)

– LOA (Linear Optical Amplifier)

• Fibra Óptica (FOA)Fibras dopadas com Terras Raras

– Erbium-Doped Fiber Amplifiers (EDFA) : C, L-Band

– Thulium-Doped Fiber Amplifiers (TDFA) : S-Band

– Praseodymium-Doped Fiber Amplifiers (PDFA) : O-Band

Banda l(nm)

Banda C (conventional) 1525 - 1565

Banda L (long) 1570 - 1610

Banda S (short) 1450 - 1490

Conversosr de frequência comprimento de onda

http://www.ee.byu.edu/photonics/fwnomograph.phtml

39

Conversosr de frequência comprimento de onda http://www.ee.byu.edu/photonics/fwnomograph.phtml

Equation: f * λ = c

where: f = frequency in Hertz (Hz = 1/sec) λ = wavelength in meters (m) c = the speed of light and is approximately equal to 3*108 m/s

Frequency / Wavelength Calculator

If you want to convert wavelength to frequency enter the wavelength in microns (μm) and press "Calculate f". The corresponding frequency will be in the "frequency" field in GHz.

OR enter the frequency in gigahertz (GHz) and press "Calculate λ" if you want to convert to wavelength. Wavelength will be in μm.

Wavelength: (λ) [μm]

Frequency: (f) [GHz]

**see nomograph below

0 0

40

http://www.teleco.com.br/tutoriais/tutorialdwdm/pagina_4.asp desde ha um tempo

OFA:1.1. EDFA (do Inglês: E rbium D oped F ibre A mplifier ) 1.2. EYDFA ( do Inglês: E rbium Y tterbium D oped F ibre A mplifier ) 1.3. PDFFA (do Inglês: P raseodymium D oped F luoride F ibre A mplifier ) 1.4. TDFFA (do Inglês: T hulium D oped F luorid F ibre A mplifier ) 1.5. RA (do Inglês: R aman A mplifier ) 1.6 Híbridos  

OWGA2.1. EDWA (do Inglês: E rbium D oped W aveguide A mplifier ) 2.2. SOA (do Inglês: S emiconductor O ptical A mplifier ) •  LOA (do Inglês: L inear O ptical A mplifier )•  TIA (do Inglês: T ransimpedance I ntegrated A mplifier )

41

Mapa atualizado (2011?)

42

Hoje • Amplificadores a diodo laser • Amplificadores a fibra dopada (Er, operam em 1,55 m m ). O Amplificador

Óptico a Fibra Dopada com Érbio (AFDE) pode funcionar como amplificador de potência para aumentar o nível do sinal de saída do transmissor; posicionado na entrada do receptor, como pré-amplificador, para aumentar a sensitividade na recepção; ou como repetidor ou amplificador de linha para amplificar o sinal já atenuado ao longo do enlace óptico.

• TX representa o transmissor do sinal • RX representa o receptor do sinal, • SMF representa a Fibra Monomodo Padrão (Standard Monomode

Fibers) sendo o meio de transmissão, • AFDE que representa o Amplificador a Fibra Dopada com Érbio.

43

Diagrama de blocos de um repetidor regenerativo• Uma das grandes vantagens dos amplificadores ópticos está no fato de um

único amplificador poder substituir todo o complexo circuito que compõe um repetidor regenerativo.

• CAG representa o Controlador de Aumento e Ganho do repetidor regenerativo

• A conseqüência imediata é o aumento da velocidade de transmissão. Outro ponto importante é que esses amplificadores são transparentes à taxa de bits e pode-se aumentar a taxa de transmissão, por exemplo: de 155Mbps para 622Mbps, sem que seja necessário alterar o sistema de amplificação.

44

Componentes de um EDFA ou AFDE• laser semicondutor de bombeamento, operando em uma das bandas de

absorção do Érbio, 980nm ou 1480nm• por um acoplador que opera com multiplexação por divisão de comprimento

de onda (WDM), cuja função é acoplar em uma mesma fibra a potência óptica do laser de bombeamento e o sinal óptico a ser amplificado

• um trecho limitado de fibra dopada com érbio (FDE), responsável pelo processo de amplificação.

WDM

Fibra dopada Er3+Sinal deentrada

Bombeio

Sinal desaída

amplificado

45

Diagrama de níveis de energia do Er3+

46

Espectro de emissão do LiNbO3:Er3+ - parte Vis-IVP

400 500 600 700 800 900 10000,00000

0,00001

0,00002

0,00003

0,00004

0,00005

531,8535535,4541,2

555,9

563,5

969,8

975,3978,7979979,4

984,6986,7

Peak Centers Peak Centers X Y

lum

ine

scê

nci

a (

u.a

rb.)

comprimento de onda (nm)

29092006 LiNbO3:Er3+ Exc./MLVi

531,8 1,398E-5535 1,325E-5

535,4 1,325E-5541,2 1,145E-5555,9 5,55E-5563,5 2,83E-5969,8 1,49E-5975,3 2,538E-5978,7 2,293E-5

979 2,293E-5979,4 2,298E-5984,6 1,753E-5986,7 1,948E-5

47

Excitação@972nm

1300 1400 1500 1600 1700-0,002

0,000

0,002

0,004

0,006

0,008

0,010

0,012

0,014

0,016

lum

i

comp. de onda (nm)

LNE@972nm@.80Amp.Det.Ges/f c/A

20111028

48

Tipos de emissão: Estimulada e espontânea

49

Como opera o EDFA

• Um EDFA consiste de uma extensão curta de fibra(~ 10m) dopada

com uma pequena quantidade controlada de Er3+.

• Os íons de Er3+ tem vários estados de energia (meta-estados).

Quando o Er está num estado excitado, um fóton de luz poderá

estimular para que ceda algo de sua energia na forma de luz

voltando para um estado de menor energia mais estável.

• A medida que o sinal de entrada está sendo alimentado no sistema,

um laser diodo gera um sinal de bombeio (10 a 200 mW)( l = 980nm

ou 1480nm) de tal forma que os íons de Er absorverão os fótons

indo para estados excitados.

50

ERBIUM ELECTRONSIN FUNDAMENTAL STATE

PUMP PHOTON980 nm

Princípios do Amplificador Óptico 1

PUMP PHOTON980 nm

ENERGY ABSORPTION

ERBIUM ELECTRONSIN EXCITED STATE

ERBIUM ELECTRONSIN FUNDAMENTAL STATE

51

Princípios do Amplificador Óptico 2

PUMP PHOTON980 nm

TRANSITION METASTABLE STATEEXCITEDSTATE

FUNDAMENTAL STATE

NR

52

Princípios do Amplificador Óptico 3

PUMP PHOTON 980 nm

TRANSITION

METASTABLE STATE

SIGNAL PHOTON 1550 nm

STIMULATEDPHOTON1550 nm

FUNDAMENTAL STATEFUNDAMENTAL STATE

EXCITEDSTATE

53

Perfil do Ganho do Amplificador Óptico

ASE = Amplified Spontaneous Emission

54

ASE = Amplified Spontaneous Emission

• O que é ASE• Efeitos da ASE sobre sistemas em cascata• Como atenuar a ASE• Aplicações positivas da ASE

55

Amplificador Óptico:Amplificação de Multi-Comprimentos de Onda

56

Configurações de montagens de EDFA

(b) Bombeamento contra-propagado – maior potência de saída mas maior ruído

(a) Bombeamento co-propagado – baixo ruído baixa potência de saída

(c)Bombeamento dual

OI = Optical Isolator

WSC = Wavelength Selective Coupler

57

Melhor bombear com 980nm ou 1480nm?

• Com 980nm• Baixo ASE, amplificador de ruído bx

• Com 1480nm• Laser de bombeio maior• Maior potência de saída• Não tão eficiente• Grau de inversão de população é menor

58

Quais fontes de laser para bombear?

59

Outro exemplo

http://www.furukawa.co.jp/review/fr020/fr20_05.pdf

GFF = Gain-Flattening Filters

60

Em sistemas de transmissão usamos unidades de potência em dB. Assim........

61

DECIBEL (dB)– num sistema de transmissão

Sistema Potência de Saída = PoutPotência de Entrada = Pin

Transmissão do Sistema :

in

out

P

PT

Transmissão em dB:

in

outdB P

P10logT

Exemplos:

-10dB é Pout = Pin/10

-40dB é Pout = Pin10-4

dBm é a Potência em dB relativo a 1mW

1mW

P10logPdBm

Exemplos:

-10dBm é P = 0,1W

+40dB é P = 10W

62

Ganho do EDFA

O ganho do EDFA depende do comprimento da fibra. O ganho começa a decrescer após certo comprimento devido a que o bombeio não tem potência suficiente para criar a inversão de população. Assim a região não bombeada absorve o sinal

Gmax = exp(rsL)

s é a seção transversal da emissão do sinalr é a concentração de Er L é o comprimento do amplificador de fibra

63

Ganho e ruído nas configurações anteriores

64

Emissão Espontânea Amplificada (ASE)

• A fonte dominante de ruído num amplificador óptico é a Emissão Espontânea Amplificada (ASE)

• Alguns dos íons de Er excitados decaem para o estado fundamental com emissão espontânea antes que tenha tempo de se encontrar com um fóton do sinal de entrada. Assim o fóton é emitido com a fase randômica e direção

• Uma fração muito pequena dos fótons emitidos ocorrerão na mesma direção da fibra e confinados

65

Potência de saída vs comprimento de onda

Amplificação entre 1.53 e 1.56 mm.

66

Largura de banda de ganho de amplificadores ópticos

1660 nm1640162016001580156015401520150014601440 1480

1660 nm1640162016001580156015401520150014601440 1480

Fluoride EDFA 62 nm

EDFA 52 nm

EDFA ~47 nm

Tellurite EDFA 76 nm]

TDFA 37 nm

TDFA 35 nmRaman + Fluoride EDFA 80 nm

Dist. Raman + Fluoride EDFA 83 nm

Raman + TDFA 53 nm

Raman 18 nm

Raman 40 nm

Raman 100 nm

Raman 132 nm

C-Band L-BandS-Band U-BandE-Band

67

Uma das formas para atenuar ASE

68

Referências

1. Fiber-Optic Communication Systems, Govind Agrawal, 2nd Edition, 1997.

2. Erbium-Doped Fiber Amplifiers: Fundamentals and Technology, P.C. Becker, 1999.

3. Fiber Optic Test and Measurement, D. Dercikson, 1998

4. Optical Fiber Amplifiers: Materials, Devices and Applications, Sudo Shoichi, 1997.

5. Rare-Earth-Doped Fiber Lasers and Amplifiers, Michel J. F. Digonnet, 2001.

6. Semiconductor Optical Amplifier, Michael J. Connelly, 2002.

7. Advances in Optical Amplifiers, Edited by Paul Urquhart, 2011.

69

Notação de alguns AO de fibra

• EDFA (do Inglês: Erbium Doped Fibre Amplifier )

• EYDFA ( do Inglês: Erbium Ytterbium Doped Fibre Amplifier )

• PDFFA (do Inglês: Praseodymium Doped Fluoride Fibre

Amplifier )

• TDFFA (do Inglês: Thulium Doped Fluoride Fibre Amplifier )

• RA (do Inglês: Raman Amplifier )

• Híbridos

70

Notação de alguns AO de guia de onda planar – OWGA – Optical WaveGuide Amplifier

• EDWA (do Inglês: Erbium Doped Waveguide Amplifier )

• SOA (do Inglês: Semiconductor Optical Amplifier )

• LOA (do Inglês: Linear Optical Amplifier )

• TIA (do Inglês: Transimpedance Integrated Amplifier )

71

SOA

• Uma corrente elétrica passa através do dispositivo, com a finalidade de

excitar elétrons na região ativa.• Quando os fótons se propagam através da região ativa pode fazer com que

alguns destes elétrons percam energia na forma de fótons que coincidam

com os comprimentos de onda daqueles incidentes.• Assim o sinal que passa através da região ativa é amplificada e dizemos que

houve ganho.

72

Dispositivo

73

Optical Amplifiers:Internal Design

• Optical amplification is a key DWDM enabling technology

• Amplifiers use wavelength band separation (bands : BLUE,

RED, IR) to minimize gain tilt

• Optimized multi-stage amplifier design

– 1st stage optimized for low noise figure

– 2nd stage optimized for high output power

74

Multiestágios de AO

Nftotal = Nf1+Nf2/G1

Nf 1st/2nd stage = Pin - SNRo [dB] - 10 Log (hc2 / 3)

PUMP PUMP

InputSignal

OutputSignal

Er3+

Doped Fiber

OpticalIsolator

OpticalIsolator

OpticalIsolator

1st Active StageCo-pumped

2nd Active StageCounter-pumped

Er3+

Doped Fiber

75

Referências

• http://www.pad.lsi.usp.br/ipt-redes-2k3/aula10/cisco/cavanaugh1.ppt

• http://www.light.utoronto.ca/vmehta/ase.pdf

76

Distributed Raman Amplifier (DRA)

• DRA está baseado sobre espalhamento Raman.

• Um bombeamento maior é co-lançado num comprimento de onda menor daquele do sinal a ser amplificado.

77

Espectroscopia Raman

78

Complementação sobre AOERBIUM-DOPED PLANAR OPTICAL AMPLIFIERS

A. Polman Publicado em: Proc. 10th European Conference on Integrated Optics (ECIO) Paderborn, Germany, April , 2001, p. 75 (2001)

79

Transferência de energia Er - Eu

• http://kik.creol.ucf.edu/publications.html

4I11/2=> 4I15/2 = 980nm

4I13/2=>4I15/2 = 1540nm

0.19at.%Er

0.19at.%Er, 0.44at%Eu

J. Appl. Phys., Vol. 88, No. 8, 15 October 2000

80

Níveis de energia do Er3+

81

Transferência de energia de QD de Si e Er

82

83

Outros detalhes sobre EDFA

84

Fim sobre AO