89
1 Resumo aula anterior Conectores, acopladores e adaptadores tanto para comunicações qto tb para outros propósitos. Interruptores ópticos 20110523

1 Resumo aula anterior Conectores, acopladores e adaptadores tanto para comunicações qto tb para outros propósitos. Interruptores ópticos 20110523

Embed Size (px)

Citation preview

Page 1: 1 Resumo aula anterior Conectores, acopladores e adaptadores tanto para comunicações qto tb para outros propósitos. Interruptores ópticos 20110523

1

Resumo aula anterior

•Conectores, acopladores e adaptadores tanto para

comunicações qto tb para outros propósitos.

•Interruptores ópticos

20110523

Page 2: 1 Resumo aula anterior Conectores, acopladores e adaptadores tanto para comunicações qto tb para outros propósitos. Interruptores ópticos 20110523

2

Tarefas?• 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?

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

Page 3: 1 Resumo aula anterior Conectores, acopladores e adaptadores tanto para comunicações qto tb para outros propósitos. Interruptores ópticos 20110523

3

Light Cloak

• http://news.bbc.co.uk/2/hi/science/nature/7553061.stm

Page last updated at 00:53 GMT, Monday, 11 August 2008 01:53 UK

Invisibility cloak 'step closer' • http://www.sciencedaily.com/releases/2008/08/08081

1092450.htm

Invisibility Cloak One Step Closer: New Metamaterials Bend Light Backwards

• http://www.newsguide.us/education/science/Invisibility-Cloak-for-Almost-Visible-Light/

Invisibility Cloak for Almost-Visible Light

Page 4: 1 Resumo aula anterior Conectores, acopladores e adaptadores tanto para comunicações qto tb para outros propósitos. Interruptores ópticos 20110523

4

A última sobre light cloak

Presentation QTuG5 "Three-dimensional invisibility carpet cloak at 700 nm wavelength," by Joachim Fischer et al. is at 11 a.m. Tuesday, May 3. Fischer et al. will also present CML1, "Three-Dimensional Laser Lithography with Conceptually Diffraction-Unlimited Lateral and Axial Resolution," at 10:15 a.m. Monday, May 2.

Appearing in CLEO: QELS - Fundamental Science category was a paper demonstrating a full 3-D invisibility cloak in visible light by a research team from the Karlsruhe Institute of Technology in Germany.

Ainda não publicado extensivamente

Page 5: 1 Resumo aula anterior Conectores, acopladores e adaptadores tanto para comunicações qto tb para outros propósitos. Interruptores ópticos 20110523

5

AMPLIFICADOR ÓPTICO

O QUE É

PARA QUE É

QUE TIPOS HÁ

Page 6: 1 Resumo aula anterior Conectores, acopladores e adaptadores tanto para comunicações qto tb para outros propósitos. Interruptores ópticos 20110523

6

Exemplo de comunicação óptica

Page 7: 1 Resumo aula anterior Conectores, acopladores e adaptadores tanto para comunicações qto tb para outros propósitos. Interruptores ópticos 20110523

7

Antigamente

• Tradicionais repetidores eletrônicos

Page 8: 1 Resumo aula anterior Conectores, acopladores e adaptadores tanto para comunicações qto tb para outros propósitos. Interruptores ópticos 20110523

8

Objetivos dos amplificadores

Page 9: 1 Resumo aula anterior Conectores, acopladores e adaptadores tanto para comunicações qto tb para outros propósitos. Interruptores ópticos 20110523

9

Parte das perdas são atribuídas a diferentes tipos de acoplamentos

Lembremos

Page 10: 1 Resumo aula anterior Conectores, acopladores e adaptadores tanto para comunicações qto tb para outros propósitos. Interruptores ópticos 20110523

10

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

Page 11: 1 Resumo aula anterior Conectores, acopladores e adaptadores tanto para comunicações qto tb para outros propósitos. Interruptores ópticos 20110523

11

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

Page 12: 1 Resumo aula anterior Conectores, acopladores e adaptadores tanto para comunicações qto tb para outros propósitos. Interruptores ópticos 20110523

12

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

Page 13: 1 Resumo aula anterior Conectores, acopladores e adaptadores tanto para comunicações qto tb para outros propósitos. Interruptores ópticos 20110523

13

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?

Page 14: 1 Resumo aula anterior Conectores, acopladores e adaptadores tanto para comunicações qto tb para outros propósitos. Interruptores ópticos 20110523

14

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

Page 15: 1 Resumo aula anterior Conectores, acopladores e adaptadores tanto para comunicações qto tb para outros propósitos. Interruptores ópticos 20110523

15

• 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

Page 16: 1 Resumo aula anterior Conectores, acopladores e adaptadores tanto para comunicações qto tb para outros propósitos. Interruptores ópticos 20110523

16

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

Page 17: 1 Resumo aula anterior Conectores, acopladores e adaptadores tanto para comunicações qto tb para outros propósitos. Interruptores ópticos 20110523

17

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…

Page 18: 1 Resumo aula anterior Conectores, acopladores e adaptadores tanto para comunicações qto tb para outros propósitos. Interruptores ópticos 20110523

18

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

Page 19: 1 Resumo aula anterior Conectores, acopladores e adaptadores tanto para comunicações qto tb para outros propósitos. Interruptores ópticos 20110523

19

Imagem com sistema Fibra/Lente Grin

L > ¼ Pitch

SM FiberL=1/4 Pitch

Graded Index MMF

Page 20: 1 Resumo aula anterior Conectores, acopladores e adaptadores tanto para comunicações qto tb para outros propósitos. Interruptores ópticos 20110523

20

Fibra-lente

SMF

Core (SMF)

MMF Lens

Core (MMF)

Fused

“Collimated” Beam

¼ Pitch

Page 21: 1 Resumo aula anterior Conectores, acopladores e adaptadores tanto para comunicações qto tb para outros propósitos. Interruptores ópticos 20110523

21

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

Page 22: 1 Resumo aula anterior Conectores, acopladores e adaptadores tanto para comunicações qto tb para outros propósitos. Interruptores ópticos 20110523

22

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

Page 23: 1 Resumo aula anterior Conectores, acopladores e adaptadores tanto para comunicações qto tb para outros propósitos. Interruptores ópticos 20110523

23

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)

Page 24: 1 Resumo aula anterior Conectores, acopladores e adaptadores tanto para comunicações qto tb para outros propósitos. Interruptores ópticos 20110523

24

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

Page 25: 1 Resumo aula anterior Conectores, acopladores e adaptadores tanto para comunicações qto tb para outros propósitos. Interruptores ópticos 20110523

25

Acoplamento fibra-esfera/fibra-fibra

Page 26: 1 Resumo aula anterior Conectores, acopladores e adaptadores tanto para comunicações qto tb para outros propósitos. Interruptores ópticos 20110523

26

Amplificadores Ópticos

Page 27: 1 Resumo aula anterior Conectores, acopladores e adaptadores tanto para comunicações qto tb para outros propósitos. Interruptores ópticos 20110523

27

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

Page 28: 1 Resumo aula anterior Conectores, acopladores e adaptadores tanto para comunicações qto tb para outros propósitos. Interruptores ópticos 20110523

28

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

Page 30: 1 Resumo aula anterior Conectores, acopladores e adaptadores tanto para comunicações qto tb para outros propósitos. Interruptores ópticos 20110523

30

Mapa atualizado (2011?)

Page 31: 1 Resumo aula anterior Conectores, acopladores e adaptadores tanto para comunicações qto tb para outros propósitos. Interruptores ópticos 20110523

31

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.

Page 32: 1 Resumo aula anterior Conectores, acopladores e adaptadores tanto para comunicações qto tb para outros propósitos. Interruptores ópticos 20110523

32

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.

Page 33: 1 Resumo aula anterior Conectores, acopladores e adaptadores tanto para comunicações qto tb para outros propósitos. Interruptores ópticos 20110523

33

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

Page 34: 1 Resumo aula anterior Conectores, acopladores e adaptadores tanto para comunicações qto tb para outros propósitos. Interruptores ópticos 20110523

34

Diagrama de níveis de energia do Er3+

Page 35: 1 Resumo aula anterior Conectores, acopladores e adaptadores tanto para comunicações qto tb para outros propósitos. Interruptores ópticos 20110523

35

Tipos de emissão: Estimulada e espontânea

Page 36: 1 Resumo aula anterior Conectores, acopladores e adaptadores tanto para comunicações qto tb para outros propósitos. Interruptores ópticos 20110523

36

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.

Page 37: 1 Resumo aula anterior Conectores, acopladores e adaptadores tanto para comunicações qto tb para outros propósitos. Interruptores ópticos 20110523

37

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

Page 38: 1 Resumo aula anterior Conectores, acopladores e adaptadores tanto para comunicações qto tb para outros propósitos. Interruptores ópticos 20110523

38

Princípios do Amplificador Óptico 2

PUMP PHOTON980 nm

TRANSITION METASTABLE STATEEXCITEDSTATE

FUNDAMENTAL STATE

NR

Page 39: 1 Resumo aula anterior Conectores, acopladores e adaptadores tanto para comunicações qto tb para outros propósitos. Interruptores ópticos 20110523

39

Princípios do Amplificador Óptico 3

PUMP PHOTON 980 nm

TRANSITION

METASTABLE STATE

SIGNAL PHOTON 1550 nm

STIMULATEDPHOTON1550 nm

FUNDAMENTAL STATEFUNDAMENTAL STATE

EXCITEDSTATE

Page 40: 1 Resumo aula anterior Conectores, acopladores e adaptadores tanto para comunicações qto tb para outros propósitos. Interruptores ópticos 20110523

40

Perfil do Ganho do Amplificador Óptico

ASE = Amplified Spontaneous Emission

Page 41: 1 Resumo aula anterior Conectores, acopladores e adaptadores tanto para comunicações qto tb para outros propósitos. Interruptores ópticos 20110523

41

ASE = Amplified Spontaneous Emission

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

Page 42: 1 Resumo aula anterior Conectores, acopladores e adaptadores tanto para comunicações qto tb para outros propósitos. Interruptores ópticos 20110523

42

Amplificador Óptico:Amplificação de Multi-Comprimentos de Onda

Page 43: 1 Resumo aula anterior Conectores, acopladores e adaptadores tanto para comunicações qto tb para outros propósitos. Interruptores ópticos 20110523

43

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

Page 44: 1 Resumo aula anterior Conectores, acopladores e adaptadores tanto para comunicações qto tb para outros propósitos. Interruptores ópticos 20110523

44

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

Page 45: 1 Resumo aula anterior Conectores, acopladores e adaptadores tanto para comunicações qto tb para outros propósitos. Interruptores ópticos 20110523

45

Quais fontes de laser para bombear?

Page 46: 1 Resumo aula anterior Conectores, acopladores e adaptadores tanto para comunicações qto tb para outros propósitos. Interruptores ópticos 20110523

46

Outro exemplo

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

GFF = Gain-Flattening Filters

Page 47: 1 Resumo aula anterior Conectores, acopladores e adaptadores tanto para comunicações qto tb para outros propósitos. Interruptores ópticos 20110523

47

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

Page 48: 1 Resumo aula anterior Conectores, acopladores e adaptadores tanto para comunicações qto tb para outros propósitos. Interruptores ópticos 20110523

48

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

Page 49: 1 Resumo aula anterior Conectores, acopladores e adaptadores tanto para comunicações qto tb para outros propósitos. Interruptores ópticos 20110523

49

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

Page 50: 1 Resumo aula anterior Conectores, acopladores e adaptadores tanto para comunicações qto tb para outros propósitos. Interruptores ópticos 20110523

50

Ganho e ruído nas configurações anteriores

Page 51: 1 Resumo aula anterior Conectores, acopladores e adaptadores tanto para comunicações qto tb para outros propósitos. Interruptores ópticos 20110523

51

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

Page 52: 1 Resumo aula anterior Conectores, acopladores e adaptadores tanto para comunicações qto tb para outros propósitos. Interruptores ópticos 20110523

52

Potência de saída vs comprimento de onda

Amplificação entre 1.53 e 1.56 mm.

Page 53: 1 Resumo aula anterior Conectores, acopladores e adaptadores tanto para comunicações qto tb para outros propósitos. Interruptores ópticos 20110523

53

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

Page 54: 1 Resumo aula anterior Conectores, acopladores e adaptadores tanto para comunicações qto tb para outros propósitos. Interruptores ópticos 20110523

54

Uma das formas para atenuar ASE

Page 55: 1 Resumo aula anterior Conectores, acopladores e adaptadores tanto para comunicações qto tb para outros propósitos. Interruptores ópticos 20110523

55

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.

Page 56: 1 Resumo aula anterior Conectores, acopladores e adaptadores tanto para comunicações qto tb para outros propósitos. Interruptores ópticos 20110523

56

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

Page 57: 1 Resumo aula anterior Conectores, acopladores e adaptadores tanto para comunicações qto tb para outros propósitos. Interruptores ópticos 20110523

57

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 )

Page 58: 1 Resumo aula anterior Conectores, acopladores e adaptadores tanto para comunicações qto tb para outros propósitos. Interruptores ópticos 20110523

58

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.

Page 59: 1 Resumo aula anterior Conectores, acopladores e adaptadores tanto para comunicações qto tb para outros propósitos. Interruptores ópticos 20110523

59

Dispositivo

Page 60: 1 Resumo aula anterior Conectores, acopladores e adaptadores tanto para comunicações qto tb para outros propósitos. Interruptores ópticos 20110523

60

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

Page 61: 1 Resumo aula anterior Conectores, acopladores e adaptadores tanto para comunicações qto tb para outros propósitos. Interruptores ópticos 20110523

61

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

Page 62: 1 Resumo aula anterior Conectores, acopladores e adaptadores tanto para comunicações qto tb para outros propósitos. Interruptores ópticos 20110523

62

Referências

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

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

Page 63: 1 Resumo aula anterior Conectores, acopladores e adaptadores tanto para comunicações qto tb para outros propósitos. Interruptores ópticos 20110523

63

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.

Page 64: 1 Resumo aula anterior Conectores, acopladores e adaptadores tanto para comunicações qto tb para outros propósitos. Interruptores ópticos 20110523

64

Espectroscopia Raman

Page 65: 1 Resumo aula anterior Conectores, acopladores e adaptadores tanto para comunicações qto tb para outros propósitos. Interruptores ópticos 20110523

65

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)

Page 66: 1 Resumo aula anterior Conectores, acopladores e adaptadores tanto para comunicações qto tb para outros propósitos. Interruptores ópticos 20110523

66

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

Page 67: 1 Resumo aula anterior Conectores, acopladores e adaptadores tanto para comunicações qto tb para outros propósitos. Interruptores ópticos 20110523

67

Níveis de energia do Er3+

Page 68: 1 Resumo aula anterior Conectores, acopladores e adaptadores tanto para comunicações qto tb para outros propósitos. Interruptores ópticos 20110523

68

Transferência de energia de QD de Si e Er

Page 69: 1 Resumo aula anterior Conectores, acopladores e adaptadores tanto para comunicações qto tb para outros propósitos. Interruptores ópticos 20110523

69

Page 70: 1 Resumo aula anterior Conectores, acopladores e adaptadores tanto para comunicações qto tb para outros propósitos. Interruptores ópticos 20110523

70

Outros detalhes sobre EDFA

Page 71: 1 Resumo aula anterior Conectores, acopladores e adaptadores tanto para comunicações qto tb para outros propósitos. Interruptores ópticos 20110523

71

Fim sobre AO

Page 72: 1 Resumo aula anterior Conectores, acopladores e adaptadores tanto para comunicações qto tb para outros propósitos. Interruptores ópticos 20110523

72

Diversas formas e/ou dispositivos para realizar

acoplamentos de multiplexagem

Page 73: 1 Resumo aula anterior Conectores, acopladores e adaptadores tanto para comunicações qto tb para outros propósitos. Interruptores ópticos 20110523

73

Multiplexagem em WDM

Page 74: 1 Resumo aula anterior Conectores, acopladores e adaptadores tanto para comunicações qto tb para outros propósitos. Interruptores ópticos 20110523

74

Acopladores

Page 75: 1 Resumo aula anterior Conectores, acopladores e adaptadores tanto para comunicações qto tb para outros propósitos. Interruptores ópticos 20110523

75

Acopladores

Page 76: 1 Resumo aula anterior Conectores, acopladores e adaptadores tanto para comunicações qto tb para outros propósitos. Interruptores ópticos 20110523

76

Acopladores

Page 77: 1 Resumo aula anterior Conectores, acopladores e adaptadores tanto para comunicações qto tb para outros propósitos. Interruptores ópticos 20110523

77

Acoplador baseado em micro-óptica

Page 78: 1 Resumo aula anterior Conectores, acopladores e adaptadores tanto para comunicações qto tb para outros propósitos. Interruptores ópticos 20110523

78

Acoplador bicônico e derivados

Razão de Divisão de Potência:

Page 79: 1 Resumo aula anterior Conectores, acopladores e adaptadores tanto para comunicações qto tb para outros propósitos. Interruptores ópticos 20110523

79

Acoplador com fibras deslocadas lateralmente

Page 80: 1 Resumo aula anterior Conectores, acopladores e adaptadores tanto para comunicações qto tb para outros propósitos. Interruptores ópticos 20110523

80

Acoplador com núcleo sobreposto

Page 81: 1 Resumo aula anterior Conectores, acopladores e adaptadores tanto para comunicações qto tb para outros propósitos. Interruptores ópticos 20110523

81

Acoplador com núcleo sobreposto

Page 82: 1 Resumo aula anterior Conectores, acopladores e adaptadores tanto para comunicações qto tb para outros propósitos. Interruptores ópticos 20110523

82

Acoplador com divisor de feixe

Page 83: 1 Resumo aula anterior Conectores, acopladores e adaptadores tanto para comunicações qto tb para outros propósitos. Interruptores ópticos 20110523

83

Acoplador em X

Page 84: 1 Resumo aula anterior Conectores, acopladores e adaptadores tanto para comunicações qto tb para outros propósitos. Interruptores ópticos 20110523

84

Acoplador em Z

Page 85: 1 Resumo aula anterior Conectores, acopladores e adaptadores tanto para comunicações qto tb para outros propósitos. Interruptores ópticos 20110523

85

Próxima aula

Defeitos em sólidos, centros de cor e Redes

de Bragg

Page 86: 1 Resumo aula anterior Conectores, acopladores e adaptadores tanto para comunicações qto tb para outros propósitos. Interruptores ópticos 20110523

86

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

Page 87: 1 Resumo aula anterior Conectores, acopladores e adaptadores tanto para comunicações qto tb para outros propósitos. Interruptores ópticos 20110523

87

Modos numa fibra

Page 88: 1 Resumo aula anterior Conectores, acopladores e adaptadores tanto para comunicações qto tb para outros propósitos. Interruptores ópticos 20110523

88

Fiber Modes – Single-Mode vs. Multimode FibersA fiber can support one or several (sometimes even many) propagation modes the intensity distributions of which are located at or immediately around the fiber core, although some of the intensity may propagate within the fiber cladding. Other modes are not restricted to the core region and all called cladding modes. The power in these is usually lost after some distance of propagation, but can in some cases propagate over longer distances. Outside the cladding, there is typically a protective polymer coating, which gives the fiber improved mechanical strength and protection against moisture, and also determines the losses for cladding modes.An important distinction is that between single-mode and multimode fibers:Single-mode fibers usually have a relatively small core (with a diameter of only a few micrometers) and can guide only a single spatial mode (disregarding the fact that there are two different polarization directions), the profile of which in most cases has roughly a Gaussian shape. Changing the launch conditions only affects the launched power, while the spatial distribution of the light exiting the fiber is fixed. Efficiently launching light into a single-mode fiber usually requires a laser source with good beam quality and precise alignment of the focusing optics in order to achieve mode matching. There are actually also large mode area fibers with single-mode guidance, where the alignment tolerances are lower in terms of position but higher in terms of angle (which is less of a problem). Multimode fibers usually have a larger core and/or a larger index difference between core and cladding, so that they support multiple modes with different intensity distributions (see the figure below). In this case, the spatial profile of light exiting the fiber core may depend on the launch conditions, which determine the distribution of power among the spatial modes.

Page 89: 1 Resumo aula anterior Conectores, acopladores e adaptadores tanto para comunicações qto tb para outros propósitos. Interruptores ópticos 20110523

89

Fig.: Electric field contour lines for all the guided modes of a fiber with a top-hat refractive index profile (→ step index fiber). The two colors indicate different signs of electric field values. The lowest-order mode (l = 1, m = 0, called LP 01 mode) has an intensity profile

which is similar to that of a Gaussian beam. In general, light launched into a multimode fiber will excite a superposition of different modes, which can have a rather complicated shape. Long-range optical fiber communications systems usually use single-mode fibers, because the different group velocities of different modes would mess up the data at high data rates; for shorter distances, however, multimode fibers are more convenient as the demands on light sources and component alignment are lower. Therefore, local area networks (LANs), except those for highest bandwidth, normally use multimode fiber.Single-mode fibers are also normally used for fiber lasers and amplifiers. Multimode fibers are often used e.g. for the transport of light from a laser source to the place where it is needed, particularly when the light source has a poor beam quality and/or the high optical power requires a large mode area.Different modes of a fiber can be coupled via various effects, e.g. by bending, or often by irregularities in the refractive index profile. These may be unwanted or purposely introduced, e.g. as fiber Bragg gratings. Waveguide theory shows that an important factor for the coupling between different fiber modes is the difference of their wavenumbers, which for efficient coupling has to match the wavenumber of a coupling disturbance.Main ParametersThe design of a step-index fiber can be characterized with only two parameters, e.g. the core radius a and the refractive index difference Δn between core and cladding. Typical values of the core radius are a few microns for single-mode fibers and tens of microns or more for multimode fibers.Instead of the refractive index difference, one usually uses the numerical aperture, defined as                     which is the sine of the maximum acceptable angle of an incident beam with respect to the fiber axis (considering the launch from air into the core in a ray-optic picture). The NA also basically quantifies the strength of guidance. Typical values are of the order of 0.1 for single-mode fibers, even though actual values vary in a relatively large range. For example, large mode area single-mode fibers can have low numerical apertures below 0.05, while some rare-earth doped fibers have values of 0.3 and higher for a high gain efficiency. NA values around 0.3 are typical for multimode fibers. The sensitivity of a fiber to bend losses strongly diminishes with increasing NA, which causes strong confinement of the mode field to the core.Another frequently used parameter is the V number                                   which is a kind of normalized frequency. Single-mode guidance is achieved when the V number is below about 2.405. Multimode fibers often have huge V values.