Elementos de Redes Ópticas Redes Ópticas Laser, Detetor...
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Comunicações Ópticas
Elementos de Redes Ópticas
Laser, Detetor, Fibra
= Mar. 2017 =
Elementos de Elementos de Redes Redes ÓÓpticaspticas
Laser, Laser, DetetorDetetor, Fibra, Fibra
= Mar. 2017 = = Mar. 2017 =
Felipe Rudge [email protected]
http://www.dsif.fee.unicamp.br/~rudge
LTF-FEEC-Unicamp
Felipe Rudge BarbosaFelipe Rudge Barbosarudge@[email protected]
httphttp://www.://www.dsifdsif.fee.unicamp..fee.unicamp.brbr/~rudge/~rudge
LTFLTF--FEECFEEC--UnicampUnicamp
Comunicações Ópticas
Ementa
� Enlaces Ópticos
� Fontes e Detetores
� Fibras Ópticas(segue..
� Dispositivos Ópticos
� Amplificadores
� Sistemas WDM
� Efeitos N-Lineares
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Comunicações Ópticas
Enlaces Ópticose seus componentes
Enlaces Enlaces ÓÓpticospticose seus componentese seus componentes
Comunicações Ópticas
Fontes, Detetores e Fibras
• Laser Semicondutor� Fabry-Perot (FP)� Feed-back distribuído
(DFB)
• Led � ELed� SLed
� Fotodetor PIN� Fotodetetor APD
� Fibra Monomodo
� Fibra Multimodo
SistemaReceptor
DetetorFibra
Sistema Transmissor
Laser
transparênciatransparência
AmpOpt
AmpOpt
�(Amplificador Ótico)
�(Componentes passivos)
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Comunicações Ópticas
Fontes e DetetoresFontes e Fontes e DetetoresDetetores
Comunicações Ópticas
• Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation
– Abaixo limiar (espont.)
– Limiar (transparência)
– Acima limiar (oscil.)
Laser(estado sólido, liquido, ou gasoso)
� Emissão laser só é possível quando ganhosupera perdas!� Ganho ocorre pela inversão de população(ou seja, níveis de
energias mais altos mais ocupados que níveis mais baixos);� requer confinamento de portadores e fótons; � resultando na geração de emissão estimulada.
meio ativo
espelhos
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Comunicações Ópticas
Laser e Led Semicondutor
� Emissão espontânea� a partir do bombeio externo, � elétrons saltam espontaneamente
da banda condução pra valência;� recombinação radiativa; � fótons emitidos são incoerentes;
� Emissão estimulada� salto elétrons induzido por fótons
na região ativa; � condição necessária: inversão de
população – estado excitado;� fótons resultantes (emitidos) são
multiplicados e coerentes;
� mesma frequência, direção e fase.
Geração de luz nos materiais (semicondutores)
correnteeletrica
Efot = hν > Eg
n – donorsp – acceptors
Gap direto(transições com fotons)
k
E
condução
valência
EF
tipo n
tipo p
Eg
e-
h+
correnteeletrica
∆k = 0 (“sempre”)
foton
Comunicações Ópticas
Source: M.Rohlfing, P.Krüger, and J.Pollman: Quasiparticle band-structure calculations for C, Si, Ge, GaAs, andSiC using Gaussian-orbital basis sets, Phys. Rev. B48 (1993) 17791-17805 (doi: 10.1103/PhysRevB.48.17791),
Laser e Led SemicondutorEstrutura de banda completa no material -- GaAs
A direçao principal queinteressa é a orientaçao [100] representada pela direçao Γ, onde ocoorrem transiçoes ∆k= 0.
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Laser & Led Semicondutor(Fotodetetor)
Materiais semicondutores
Material Composição Tipo de gap Coef. Recomb. Radiat. B (*)
Si natural indireto 2 x 10-15 (cm3/s)
Ge natural indireto 4 x 10-14
GaAs binario direto 2 x 10-10
GaAlAs ternário direto 2 x 10-10
InP binário direto 1 x 10-10
InGaAsP quaternário direto 1 x 10-10
(*) os valores são típicos, depende da composiçãodo material, e das condições específicas.
� emissão no (invisível) infra-vermelho
absorção
emissão
Comunicações Ópticas
Material Composição Tipo de gap Coef. Recomb. Radiat. B (*)
GaN binario direto 1,5 x 10-10
InGaN ternário direto 1,5 x 10-10
InAlGaP quaternário direto 1 x 10-10
(*) typical values; exact values depend on the material, and specífic conditions
Materiais semicondutores
� emissão no visível azul até vermelho
Laser & Led Semicondutor
emissão
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Laser e Led Semicondutor
Tabela Periódica - Metais e Semicondutores
Grupos IV, III-V e II-VI
Dopantes:-- aceitadores,tipo p = S, Se, Te, Sn-- doadores, tipo n = Zn, Cd, Sn
Fe | Co | Ni
Ir | Pt
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� Laser = radiação coerente: � Fotons com mesma fase = soma de amplitudes de campo; � mesma direção = devido á direção preferencial do ganho; � mesma energia = todos fotons vêm de transições seletivas
(espectro estreito) ; potencia total = quadrado da soma das amplitudes microscopicas
• Led = emissao incoerente;– emissão espontanea => incoerente, fases aleatorias ; sem
realimentação; “sem direção”; ampla faixa de transiçoes(espectro largo); potencia total = soma das pot. microscopicas;
Laser(estado sólido, liquido, ou gasoso)
Ex,y(z,t)= Eo ei(ω t + β z + φ ) ;onde,β= n.k = (n/c) ω ; k= 2π/λ
I incoe= Σ |E|2
Icoe= | Σ E |2 λ.ν = c
h.ν = E .energia. E , cpo.eletr.
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Laser SemicondutorLaser Semicondutor
Diodo Laser
luz
luz contato n
contato p
junção p-n
Corrente (mA)
Pot. Ópt.
(mW)
Ith
Pc
Pm
Modulação RF ou digital
Im
Im - corrente de modulaçãoIth - corrente limiar do laserPm - potencia de modulaçãoPc - potencia DC sem sinal (alarme)
P = ηe I
p nh+
e -
i
100 µm
300 µm
250 µm
-
+
direta
E = hν
(-)(+)
Cat [n]
Ano [p]i
i
η é eficiência externa dada em (mW/mA)
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Laser SemicondutorLaser Semicondutor
Chip do laser = 250x300 µm
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Laser/Laser/ LedLed SemicondutorSemicondutor
Chip do laser/Led = 250x300 µm
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Laser Semicondutor
isolation channel
Substrato InP
P+p
n n
Lado P
Lado N
Active region
� um laserDCP-BHdouble-channel planarburied heterostructure
nn
=> fora de escala
Estrutura deLaser
semicondutor(InGaAsP/InP)
100 µm
3 µmP+p pn npp
InPInP
InGaAsPp
Região ativaAlt. a ≈ 0,2 µm Larg. b ≈ 2 µm
contact isolation
electric contact
ab
Current density: J = 2 kA/cm2 (threshold)
� this can burn a laser in fewµs
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Comunicações Ópticas
luz
luzcontato n
contato p
gradede Bragg (realimentação ótica)
camada A.R.
Laser DFB -- distributed feedback --
(monomodo longitudinal)
luz
luzcontato n
contato p
junção p-n
Laser FP (Fabry-Perot)(multimodo longitudinal)
fabricação mais simples
espelhosemicondutor
Laser Semicondutor
Comunicações Ópticas
R1 R2
C
j
Ln2=∆
2λλ
Popt
Laser Semicondutor
LC
j
δλ ≈ 2-3 nm
R1= R2 ≈ 32%
∆λ(laser cavity)
separação espectral
j+1
R1 ≈ 0 R2 ≈ 0
Ex.: λB = 1,55 µm <=>
p/ m=1; Λ1 = 0,2 µm(UV)
Λθm
efn
m Bm 2
=Λ λ.
Λm (senθi + senθm )= mλ/nef (cond. Bragg)m => ordem difração
Incidencia rasante θi = 90o; θm = 90o ; 1+1=2
Poptθ i
�
δλ ≈ 0,01 nm
∆λ
seleção espectral
λB
θ medido da normal
θ
.
j
Ln Cj
2=λLaser F-P
Laser DFB
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Laser F-P(multimodo longitudinal)
Largura espectral (da envoltória)δλ ≈ 3,3 nm
Laser Semicondutor
3,3 nm
Laser DFB(monomodo longitudinal)
Largura espectral (da envoltória)δλ < 0,01 nm
0,01 nm
1,2 nm0,82 nm
C
j
Ln2=∆
2λλ
separação espectral(distancia entre modos
longitudinais)
L≈ 400µm L≈ 300µm
[-20dB] 6,5nm
[-6dB]
λ∆ ∆λ∆λ
δλδλ
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Laser Semicondutor
• Tanto o laser DFB quanto laser FP são essencialmentemonocromáticos;
• Quando se olha o espectro individual dos lasers, em alta resolução (<0,2nm) aí que se vê a estrutura espectral do laser;
• Sistema WDM consiste na composição de vários lasers, propagando-se simultaneamente numa mesma fibra;
• Representa-se os sistemas WDM como “coloridos”, significando figurativamente que cada laser tem uma “cor”...
� Comentarios adicionais...
Largura espectral δλ
Separação espectral ∆λ
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Comunicações Ópticas
�Wavelength Division Multiplexing – multiplexação por divisão de comprimentos de onda (lambdas);
� cada fibra (monomodo) suporta dezenas de lambdas, até >1 centena;� cada lambda (dito canal ótico) suporta dezenas de Gb/s... � portanto, sendo 100x10=1000, UMA fibra suporta >Terabits de informação !!
� Cabos de fibras contém dezenas até centenas de fibras (36, 72, 144)� com cada fibra podendo suportar Terabits de dados !!
Sistemas Sistemas WWDDMM em Fibrasem FibrasÓÓpticaspticas
λ1λ2λ3λκλn
uma fibra
19=> gradeITU_canaisWDM-r4.doc
Comunicações Ópticas
Transmissores/Tx
Laser
Transmissores/Transmissores/Tx Tx
Laser Laser
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Fontes, Detetores e Fibras
� Laser Semicondutor� Fabry-Perot (FP)� Feed-back distribuído
(DFB)
� Transmissor-----------------
� Led � ELed� SLed
� Fotodetetor PIN� Fotodetetor APD� Receptor
� Fibra Monomodo
� Fibra Multimodo
SistemaReceptor
DetetorFibra
Sistema Transmissor
Laser
transparênciatransparência
AmpOpt
AmpOpt
Comunicações Ópticas
Laser Semicondutor/ Transmissor
• Técnicas de Modulação (detalhamento)
� Direta:� Modulação da corrente de injeção (mA);� mais econômica, aplicável em sistemas de baixa
e média capacidade, e sistemas analógicos com pré-distorção;
� efeito de alargamento espectral por chirping (dito ruído de trinado ou gorjeio)
� Externa:
� Modulação da luz emitida pelo laser;
� espectro limitado pela banda de modulação (dito limitado pela transformada)
� mais cara; necessária p/ sistemas WDM e sistemas de altas taxas
(10 Gb/s; até 40-100 Gb/s).
Corrente (mA)
Pot. Ópt. (mW)
Modulação RF ou digital
Ith
Po
Pm
Im
Pmax
PminIo
•
ModMod
im
fibra (luz modulada)
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Comunicações Ópticas
Circuito de modulação (tipo espelho corrente)
npn
Rc
Controle de Intensidade deModulação (amplit.máx.sinal, Imax)
npn
npn
Vref (Imín.)
Controle de bias (Io)[circ.realim.& estab.]
Vcc
Vcc
Vcc = + 5 V
+-
Sinal deModulação (Im)
Laser
Corrente (mA)
Pot. Ópt. (mW)
Modulação RF ou digital
Ith
Po
Pm
Im
Pmax
PminIo••
Laser Semicondutor/ Transmissor
Modulaçao Direta
Comunicações Ópticas
• Técnicas de Modulação Direta
� Digital: índice modulação M ⇔ razão de extinção
� M = 10 log (Pmax/ Pmin) , usual M = 10 dB ;
� mantém-se Po como alarme;
� utilizada em telefonia moderna e redes de computadores;
� Analógica:
� multicanal: risco de saturação (up) e “clipping” (down), devido a variação estatística amplitude modulação, devida a fases aleatórias dos N canais;
� fator de modulaçao σRMS ; índice de modulação m, por canal ;
� σRMS = (N/2)1/2. m , usual σmax = 25% , para m=4-5% ; N≈80.
� utilizada em sistemas de CATV; redes HFC;
Laser Semicondutor/ Transmissor
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Comunicações Ópticas
Sistemas WDM:: � lasers DFB (SM) tem largura espectral mais de 100 vezes menor que os
FP (MM); (mesmo modulado direto!)
� nos sistemas WDM há que se especificar os espaçamentos de canais, que não podem ser “misturados” num mesmo percurso óptico (opticalpath)
Laser Semicondutor
Espaçam. 100 Ghz (≈0,8 nm @1550nm)
20 Ghz(channel slot)
The minimum frequency slot should be more than 20 GHz when10 Gb/s is assumed as the transmission bit-rate.
ITU-T Recom.G.694.1 - dWDM grid (Fev.2012)
Separação espectral
Largura espectral do canal
Comunicações Ópticas
Sistemas WDM:: � nos sistemas DWDM conforme diminuem os espaçamentos de canais, e
aumentam as taxas de modulaçao, há que se passar a formatos de modulaçao multiniveis, a fim de acomodar banda passante e crosstalk; )
Fonte: JDSU 20 GHz
Laser Semicondutor/ Transmissor
Modulaçao Externa
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Comunicações Ópticas
Sistemas WDM:: � nos sistemas DWDM conforme diminuem os espaçamentos de canais, e
aumentam as taxas de modulação, há que se passar a formatos de modulação multiniveis, a fim de acomodar banda passante e crosstalk; )
Laser Semicondutor
Fonte: Ciena 2014
The optical spectrum of this DP-QPSK 100 Gb/s solution is shown as the center channel (b) in Fig. 2, accompanied by the spectra of single-carrier 10 Gb/s (a) and dual-polarization 40 Gb/s (c) channels. Each spectrum is centered on a 50 GHz ITU channel. Optical transmission systems running at a spectralefficiency greater than 1 bit/s/Hz, increases in allthree of these dimensions have enabled 105 Gb/s of net data transmission within a 50 GHz spectralallocation (today the standard optical channel plandefined by the ITU). Two carriers are separated by 20 GHz and operate at 14.55 Gbaud with four bits per dual-polarization symbol to transmit at 116 Gb/s.
12db
0,40 nm
a) b) c)Figure.2
Comunicações Ópticas
Resumindo... � Altissimas taxas (40Gb/s, 100Gb/s, e mais..) requerem esquemas
especiais de modulação...
� IM-DD não é aceitável qdo. se quer maior eficiencia espectral (bits/Hz) ; � Codificação de sinais em quadratura de amplitude (QAM) e quadratura
de fase (QPSK) são necessarias; � podem ser tambem lançados dois estados de polarização (DP),
nessas constelaçoes crescentes,
� Isso permite compactar altissimas taxas nos slots ampliados nas grades de frequencias óticas ; (p/ex., 100 Gb/s na grade 50 GHz)
� Ex.:: DP-QPSK, 16-QAM, e outras;
� Estas tecnologias requerem tecnicas de deteção coerente e processamento digital de sinais (DSP, na recepçao);
� Bem como correção dinâmica de erros (FEC, fwd. error correct.), conforme previsto na OTN
� OTN será vista num proximo capitulo em detalhe.
Transmissor Laser
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Comunicações Ópticas
LED Semicondutor
LED semicondutor
junção p-n
Corrente (mA)
Pot. Ópt. (µW) Pm
Modulação RF ou digital
Im
Im - corrente de modulaçãoPm - potencia de modulação)
� Led não tem limiar !!
luz
luzcontato n
contato p
luz
contato n
contato p
ELed
SLed
P = ηLed I -+
direta
Cat [n]
Ano [p] i
i
500η é eficiência externa dada em (mW/mA)
Comunicações Ópticas
LED SemicondutorEspectro de emissão
∆λ = 70 nm
=> Em 1300 ∆λ ≈ 50 nm ; no visivel ∆λ < 30 nm
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Comunicações Ópticas
Source: Philips Luxeon – 2009
Semiconductor MaterialsSemiconductor Materials
Blue-green420-440; 520-540 nm
LemonLemon--gapgap550550--580 580 nmnm
Orange-Red580-620; 640-680 nm
Comunicações Ópticas
Laser Semicondutor e Led
Comission Internationale
d'Eclairage(1931-1976)
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Comunicações Ópticas
Laser Semicondutor e Led Resumo 1 : • Operação e Caracteristicas
– Laser : emissão coerente, monocromática estreita (poucos nm), direcional; forte dependencia c/ temperatura devido á emissao estimulada e ganho;
– Led: emissão incoerente, monocromática larga (dezenas nm); pouco direcional; fraca dependencia c/ temperatura; ausencia de ganho.
– Ambos podem ter feixe de emissão vertical (surface emission) ou lateral;
– Ambos podem ter modulaçao direta (pulsada ou continua); [mod. externa só é interessant p/ lasers];
• Materiais (Laser e Led)– Emissão visível e infra-vermelho próximo;
• Comprimento onda de emissão dado pelo material região ativa; • 620 a 850 nm : InGaAlP/InP; GaAlAs/GaAs• 1300 a 1650 nm : InGaAsP/ InP
– Leds e Lasers azuis, verdes e UV, em InGaN/GaN ; (+raro SiC/Si)
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Comunicações Ópticas
Led e Laser SemicondutorResumo 2 : • Operação e Caracteristicas
– Laser : corrente operação (acima limiar – sempre!); CW ou pulso;
• Telecom: limiar=15-20mA; operaç. 25-50 mA
• Potencia/Bombeio: limiar=50mA; operaç. 200-400 mA
• High-power (really high): limiar=50-100mA; 500–2000 mA;
– Led: corrente operaçao (sem limiar – sempre!);. CW ou pulso;
• Baixa potencia (sinalizaçao) : 10-20 mA
• Alta potencia: 100-500 mA (ou mais, dependendo da configuraçao)
26
Resumo 2 : •
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Comunicações Ópticas
=> double-heterostructure Edge emitting Laser & Eled (1300 nm) [near-IR]
Electro-optic characteristics
0.5
1.0
2.0
3.0
4.0
Vo
lta
ge
(V)
Current (mA)
50 150100 200 250
Lig
ht
(m
W)
0.2
1.0
1.4
0.4 (1.0)
0.6
0.8 (2.0)
1.2 (3.0)
P
C
Eled-
InGaAsP
Laser-
InGaAsP
Light
Led e Laser Semicondutor
20 6040 80
Led (Laser)
Led
(Laser) Notice that Laser is much more sensitiveto temperature than Led
Comunicações Ópticas
Laser Semicondutor e Led
• Dependência com temperatura (operação CW)� Laser : emissão estimulada, alta sensibilidade
� Led: emissão espontânea, baixa sensibilidade
• Encapsulamento� Laser : complexo, requer malhas de controle potencia e
temperatura (dependendo da aplicação)
� Led : simples, sem controle (sempre)
Corrente (mA)
Pot. Ópt.
(mW)
T1T2T3
T3 > T2 > T1
LedLed
Corrente (mA)
Pot. Ópt.
(mW)
T1T2
LaserLaser
1
0,5
T3
Iop = 30 mA
Iop = 120 mA
2
20
Comunicações Ópticas
Led e Laser Semicondutor
Características de mercado: (ambos multibillion dollar$$$)
= Laser-- aplicaçoes em telecom, entretenimento;
medicina e fisioterapia; aplicaçoes industriais;
= LED -- aplicaçoes em iluminação, displays, entretenimento;
=> from Strategies Unlimited: (2014) The worldwide high-brightness LED market grew from $13 billion in 2012 to over $14 billion in 2013. It is forecasted to grow to nearly $18 billion in 2017. Ten companies (from Europe, Asia and America)accounted for more than 70% of the LED market. By way of comparison the worlwide laser market is just over $12 billion in 2013. LEDs are mostly used in the following applications: lighting, automotive, signs and displays, and mobile devices.
Stop here
�
Comunicações Ópticas
Fotodetetores
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Comunicações Ópticas
Diodos, Transistores e Fotodetetores
� Absorção� fótons são absorvidos;
� elétrons saltam da banda valência pra banda condução;
� condição: Efot = hν > Egi ; fótons tem que ter energia maior que o gap indireto (sempre menor que o gap direto).
Efot = hν > Egi
Si, Ge→ únicos semicondutores naturais, ambos com gap indireto.
Gap indireto(transiçoes com fotons e fonons)
k
E
condução
valência
EF
tipo n
tipo p
n – donors
p – acceptors
EgdEgi
∆k ≠ 0 (emiss)
Absorção de luznos materiais (semicondutores)
=> Gap indireto é particular/te interessante p/ circuitos integrados (eletronicos) ; e fotodetetores/fototransistors.
Comunicações Ópticas
(Laser & Led Semicondutor)Fotodetetor
Materiais semicondutores
Material Composição Tipo de gap Coef. Recomb. Radiat. B (*)
Si natural indireto 2 x 10-15 (cm3/s)
Ge natural indireto 4 x 10-14
GaAs binario direto 2 x 10-10
GaAlAs ternário direto 2 x 10-10
InP binário direto 1 x 10-10
InGaAsP quaternário direto 1 x 10-10
(*) os valores são típicos, depende da composiçãodo material, e das condições específicas.
absorção
emissão
1,5 x 10-10 diretoternárioInGaAsabsorção
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Comunicações Ópticas
Fotodetetor PIN
luz
contato p
contato n
junção p-i-n
CorrenteI (µA)
Pot.Ópt. P(mW)
Psat
Pm
Im
Ip – fotocorrente geradaIm - fotocorrente sinal moduladoIo - fotocorrente quiescencia (alarme)Pm - potencia de sinal moduladoPo - potencia DC (alarme) Po
Io
Ip = ρ P
p n (+)
h+
e -
i
+
-
reversa
E = hν
(-)
ρ é eficiência externa, ou responsividadedada em (A/W)
i
Ano [p]
Cat [n]
ip
ip
Comunicações Ópticas
Fotodetetores – fabricação
Estrutura deFotodetetor PIN(InGaAs/InP)
InP (n-)
Light
camada I (alta resistiv.)
Luz(fotons)
contato n
InGaAs (p+)
Substrato InP (n)
contato p Polyimida
Au-Sn
Au-ZnCrAl-CrAu
�fora d
e escala
!
Região de depleção* – no equilibrio, não há cargas livres nesta região; foram todas removidas pelo forte cpo. elétrico criado pela tensão de polarização entre as camadas p e n. Qdo. se polariza a junçao, ao incidir fotonsocorre geraçao de pares eletron-buraco, formando fotocorrenteIp.
*depleção=esvaziamento
camada N (bx. resistiv.)
~3 µm
100 µm
Ip
regiao ativa20 µm
Chip = 500 µm
regiao ativa
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Comunicações Ópticas
Estrutura deFotodetetor APD
(InGaAs/InP)
p+ InP
π InP (p-)
p InPabsorção
multiplicação
“isolante”(buffer)
Substrato
contato p
contato n
Fotodetetores – fabricação
Avalanche Photodiode –n-illum : light absorbed at n+/n (thinner)layers creates electron-hole pairs; electrons drift fast
(more common) to the n-p/p-π junctionswhere they are multipliedby the high electric field;
p-illum : light absorbed in the π−p (thicker) layers creates electron-hole pairs; electronsdrift to the p-n-n+ junctionswhere they are multipliedby the high electric field; also called reach-through APD.
n+ InGaAsn InGaAs
n+n
(alta resistividade)
(mais rápido)
(mais sensível)
IM=M.Ip
InP é “transparente”fator de multiplicaçaodevido ao efeito avalancheM= 10, 20, 50 -- mas cuidado...
n+n p
π
Comunicações Ópticas
FotodetetoresResposta espectral --materiais
1.0
0.8
0.6
0.4
0.2
0 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800
Si
GaAs
Ge
InGaAs
InGaAsP
Efic
iên
cia
qu
ântic
a
Comprim. Onda (nm)
Si e Ge – semicondutores naturais InP; GaAs – semicondutores fabricados
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Comunicações Ópticas
� Potência máxima recepção :
Saturação: Psat [dBm]
� Potência mínima de recepção
Sensibilidade So [dBm]
� Faixa dinâmica
FD = (Psat - So) [dB]
Fotodetetores e Receptores Ópticos
Popt
Psat
So
Ps
R
� nível de ruído R é crítico na recepção !
Instrução : deve sempre estar abaixo de So .
� Ruído é definido como potencia aleatóriaprejudicial ao sinal. Sao muitas as fontes de ruido.
� �
Ps é a pot. de sinal que
chega ao fotodetetor
Comunicações Ópticas
Fotodetetores, Receptores Ópticos; Laser
Fotodetetor (FD) e Receptor (Rx):
� Ruido de Tiro FD (shot noise) -- ocorre em todos os semicondutores, tanto na emissoa qto. recepçao, devido ao “tiro” na transiçao entre as bandas de conduçao e valencia;;
� Ruido termico Rx -- ocorre devido ao aquecimento de operaçao pela passagem de corrente no circuito; influi pq. as fotocorrentes (recepçao) são muito pequenas (µA);
� Além disso, tem ruidos que já vem c/ sinal trasnmitido:
Laser:
� Ruido de tiro -- mesmo que FD; � Ruido de emissao espontanea (ASE) -- em.espont. é aleatória e contribui
como ruido ao sinal do laser, que é bem definido em fase e frequencia;
� Ruido de modulaçao -- na mod. direta há flutuaçao de intensidade nas transiçoes dos niveis altos e baixos (situaçao pior em digital do que analógica!
� Ruido intermodal -- (laser multimodo) contribuiçao adicional devido ádiferenças distribuiçao na distribuiçao de potencia dos modos;
• Algumas fontes de ruido: (componentes e sistemas)
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Comunicações Ópticas
Taxa Bit Tipo
PIN
Tens ão Bias
- 5 V 155 622 2,5 G 10 G
Sens ibilidade (dBm) -38 -32 -24 -18
Saturação (dBm) 0 -4 -4 -6
Fx. Dinâmica (dB) 38 28 20 12
Fotodetetores
Taxa Bit Tipo
APD
Tens ão Bias
- 40 V 155 622 2,5 G 10 G
Sens ibilidade (dBm) -44 -38 -32 -24
Saturação (dBm) 0 -4 -4 -6
Fx. Dinâmica (dB) 44 34 28 18
� Sistemas de altíssima capacidade (40G & 100G) não usam deteção direta. (portanto não vale essa tabela.)
Valores típicos para sistemas de deteção direta (DD)
Comunicações Ópticas
� Fotodetetores necessitam circuitos de pré-amplificação, devido aos baixíssimos níveis de potência e corrente que operam (µW e µA)
Tipos de Receptores ópticos :
� Alta-impedância alta sensibilidade, requer equalização,
pequena faixa dinâmica
� Baixa-impedância baixa sensibilidade, não requer equalização,
grande faixa dinâmica
� Trans-impedância elevada sensibilidade, não requer equalização,
grande faixa dinâmica
� todos com baixo nível de ruído!
Receptores Ópticos
36
26
Comunicações Ópticas
Receptores Ópticos(deteçao direta)
Alta e BaixaImpedância TransImpedância
Vbias
Vout
Equal.+_
RZ
+_
Vout
Vbias
RZ
A ARC
Comunicações Ópticas
� Além dos sistemas de deteção direta (DD), p/ sistemas binarios e duo-binarios (até 10Gb/s) ; temos os sistemas de deteçao coerente (CD), p/ sistemas multi-niveis complexos (10, 40, 100Gb/s) ;
� Nestes, um oscilador local recupera frequência e fase da portadora do sinal ótico, permitindo melhor relação sinal/ruido, principalmente em sistemas de muito altas taxas, onde a densidade de fotons (bit/Hz) é baixa.
Transmissores e Receptores Ópticos
Fonte: Luiz Hecker, “Transmissão Optica a 100 Gb/s”, FeecIE-008, Junho 2012
CanalÓtico
(lambda)
Laser Laser monomodomonomodo(podeser sintonizavel)
Laser Laser monomodomonomodo(deveser sintonizavel)
Cliente A Cliente B
27
Comunicações Ópticas
Montagem,
Acoplamento e
Encapsulamento
Montagem,Montagem,
Acoplamento eAcoplamento e
Encapsulamento Encapsulamento
Tecnologia de Dispositivos
Optoeletronicos
Comunicações Ópticas
Montagem, Acoplamento com Fibras,Encapsulamento
� Lasers (emissores) e Fotodetetores, em Telecom e sistemas que usam dispositivos optoeletronicos com fibras óticas, a etapa de acoplamento ótico com fibras precisa de montagens especiais eencapsulamento hermético.
� As montagens e encapsulamentos podem ser classificados: � Herméticos -- utilizam metais e soldas, cerâmicos, semicondutores;
� Não-herméticos – utilizam metais, colas, acrilatos e resinas epoxy.
� São condiçoes necessárias aos hermeticos: � alta estabilidade e eficiencia de acoplamento ótico para menor
consumo de potencia e maior durabilidade do laser -- utilizam-se microlentes (fibra) e soldas metalicas (montagem);
� eficiente dissipação termica (inclui controle de temperatura interna da capsula) – escolha correta/adequada de metais e soldas, cerâmicos, semicondutores (nunca resinas, colas, acrilatos ou epoxy).
28
Comunicações Ópticas
� Optoelectronic Devices – etapas fabricação
� Crystal growth – epitaxy on a substrate;
� Device processing;
� masks; contact definition; diffusion; metallizations; cleavage;
� Device assembly and mounting;
� Die attach; wire-bonding;
� Testing => seleção; (& amostras p/ testes vida/confiab.)
� Packaging (may include Fiber coupling) ;
� Final tests & quality control.
� Reliability tests;
Technology
Comunicações Ópticas
Laser Semicondutor -- Emissão Acoplamento Óptico .
LaserSoldaSolda
BlocoBloco suportesuporte SiSi
Fibra c/ Microlente,e metalizada
SoldaSolda
contato n
contato p
Tecnologia Dispositivos Optoeletronicos
250 µm
Limite de difraçãoa,b ≈ λ
Região ativaAlt. a ≈ 0,2 µm Larg. b ≈ 2 µm
ab
29
Comunicações Ópticas
Montagem hermética: � todas as interfaces de montagem com solda metálica
Tecnologia Dispositivos OptoeletronicosHigh performance packaging
FotodetetorFotodetetor((monitmonit.).)
Fibra c/ Fibra c/ MicrolenteMicrolente
RefrigeradorRefrigeradorTermoelTermoeléétrico (trico (PeltierPeltier))
Placas de Si Placas de Si ((passivpassiv. & . & metalizmetaliz.).)
TermistorTermistorCCáápsula psula ButterflyButterfly ((KovarKovar))
14 pinos14 pinos
Vistaem corte
LaserLaser
Fibra c/ Fibra c/ proteproteçç..primprim..
fibra metalizada
Comunicações Ópticas
Tecnologia Dispositivos OptoeletronicosHigh performance packaging
Fibra c/ Fibra c/ MicrolenteMicrolente
LaserLaser
TermistorTermistor
FotodetetorFotodetetormonitoramonitoraçãçãoo
Si Si metalizmetaliz
Fibra c/ Fibra c/ revestimrevestim..
1
14
7
8
VistaSuperior
Pinagem1;14 -- peltier 11;10 -- termistor5;10 --terra 5;9 --Laser7;8 -- fotodet. monit
30
Comunicações Ópticas
Tecnologia Dispositivos OptoeletronicosHigh performance packaging
� Laser semicondutor – “o cara”; DFB ou laser potencia/bombeio; � Termistor -- dispositivo semicondutor com coef. térmico negativo; tb.
conhecido como NTC; serve como sensor de temperatura de alta precisão; � Fotodetetor monitoração -- fotodetetor de Ge (ou Si) de baixo
desempenho; serve apenas pra monitorar a potencia óptica CW do laser;
� Peltier -- dispositivo semicondutor composto; trata-se de refrigerador termo-elétrico de estado sólido; funciona com corrente elétrica >100 mA ;
� Placas Alumina -- Al2O3 , pode-se apresentar em forma cerâmica ou vítrea; alta condutividade térmica, isolante elétrica;
� Wafer Si (“bruto”); passivado e metalizado;
� Cápsula metalica -- peça alta precisao de material Kovar (Fe, Co, Ni) com baixo coef. exp. térmica, igual a cerâmica, p/ manter hermeticidadenos pinos de contato;
Partes e Componentes – descritivo
Comunicações Ópticas
Transmissor Laser
Circuito de modulação
npn
Rc
Controle de Intensidade deModulação (amplit.máx.sinal, Imax)
npn
npn
Vref (Imín.)
Controle de bias (Io)[circ.realim.& estab.]
Vcc
Vcc
Vcc = + 5 V
+-
Sinal deModulação (Im)
Laser
Corrente (mA)
Pot. Ópt. (mW)
Modulação RF ou digital
Ith
Po
Pm
Im
Pmax
PminIo••
* fdbk do FD monit.= Vb
=> há tb. na placa do transmissor (Tx) o circuito de controle dede temperatura:: peltier<=>termistor
31
Comunicações Ópticas
Encapsulamento Laser 2,5 Gb/s
Tecnologia
Tecnologia Dispositivos OptoeletronicosHigh performance packaging
Comunicações Ópticas
Mercado livre : Lasers, Detetorese Transceivers (Tx/Rx)
2010-2012SET- Smart Equipt Technolg (Fr)Nov. 2011
Axsun Technl. – MEOMS assembly;DFB laser package with gain control
LasertronLasertron, , IncInc. .
SPIE - PhotonWest2016
32
Comunicações Ópticas
Fotodetetores e Receptores Opticos
Optoelectronic-Microelectronic PIN-FET-TransZpackaging with metallized fiber
Tecnologia
Tecnologia Dispositivos Optoeletronicos
Comunicações Ópticas
Mercado livre : Lasers, Detetorese Transceivers (Tx/Rx)
48
Emissores (laser)Emissores (laser)
FotodetetoresFotodetetores
Emissores & FotodetetoresEmissores & Fotodetetores(baixo. Custo) (baixo. Custo)
�� �� AltissimoAltissimo desempenho (alto custo) desempenho (alto custo)
TransceiversTransceivers
33
Comunicações Ópticas
Montagem; Acoplamento com Fibras;Encapsulamento
� Além das etapas descritas, são necessários testes de resistência(robustez mecânica, elétrica e térmica) , confiabilidade e durabilidade; são chamados genericamente testes de confiabilidade, e incluem tambem testes de vida, onde as condiçoes de operaçao são “aceleradas”;
� São realizadas a nivel de sub-mount; e encapsulado.
� realizam-se em condiçoes controladas, em laboratorio, e
incluem ciclos de temperatura, stress em corrente de operaçao,
separados ou combinados;
� podem ser realizados em ambiente neutro (atmosfera N2,
pressao atm.); ou incluir condiçoes climaticas adversas --
-- humidade e salinidade, aliadas a temperatura;
Comunicações Ópticas
Elementos de Redes Ópticas
Fibras Ópticas
Elementos de Redes Elementos de Redes ÓÓpticas pticas
Fibras Fibras ÓÓpticaspticas
34
Comunicações Ópticas
Núcleo nn
Fibra Fibra ÓÓticaticarevestimento plástico
Casca nc
Vidros de altíssima pureza
multimodo
monomodo
d = 50 µm
d = 9 µm
125 µm
D
n2
n1 θ1
n1 senθ1 = n2 senθ2
θ2
Abertura numérica22cn nnAN −=
núcleo – GeO2-SiO2
casca – SiO2
Comunicações Ópticas
Fibras Óticas Guia de Onda
V= [πd / λ ] √ nn2 - nc
2
V freqüência normalizadade propagação
d diâmetro do núcleo
monomodo V≤ 2,4 ⇔ um único modo
multimodo V≈12 ⇒ dezenas modos
V
b(V)
Modos de propagação� índice propag. x freq. norm.(soluções da eq. de onda para propagação em guia de onda cilíndrico)
No. Modos: N ≈ V2/2
35
Comunicações Ópticas
Fibras Óticas Atenuação e Dispersão
Atua sobre amplitudedo sinal
Atua sobre duraçãodo sinal/pulso
Atenuação
Dispersão
tempo Ez(x,t)= Eo ei(ωt + βz + φ )
; ondeβ=nk=n/c ω ; k= 2π/λ
efeitocombinado
Comunicações Ópticas
Fibra ÓpticaEquações
• Atenuação
P(z) = P(0) e – α z⇒ α (z) = 1/z ln P(z)/P(0)
sendo, α (dB) = 10 log P(z)/P(0) , tem-se
α (dB/km) = 4,3 α (km-1), e
⇒ α (dB/km) = 10/L log P(L)/P(0) , com L = [km]
Atenuação é devida a três fatores: -- banda passante do guia, -- espalhamento da luz no material, e -- absorção da luz no material e nas impurezas.
36
Comunicações Ópticas
0.10.1
0.20.2
0.30.3
0.40.4
0.50.5
0.60.6
Ate
nuaç
ão(d
B/k
m)
16001600 17001700140014001300130012001200 150011001100
Comprimento de Onda (nm)
EDFA
160 nm� 20 THz
30 nm + 40nm
Atenuação em Fibras Ópticas
RayleighIR
OH-60 nm�10 THz
1 THz = 1000 GHz0,8nm = 100 GHz (1550nm)
C LS
SOA
O
Bandas:O = 1260-1360 nmS = 1460-1530 nmC = 1530-1560 nmL = 1560-1620 nm
850
Comunicações Ópticas
Comentários adicionais:
� Atenuação ( limites )
Regimelinear
� Rayleigh: limite fundamental espalhamento linear da radiação propagantemeio material (nível atômico, molecular, ou matriz de rede, dependendo do meio)
� Absorção IR: absorção molecular na matriz de rede do vidro -- (no caso da fibra SiO2-GeO2)
� Absorção: impurezas
Regime não-linear
� Mistura quatro-ondas, SPM, XPM: roubam potência óptica do canal, e jogam em outros canais como ruído.
� Espalhamento Raman e Brillouin estimulados: roubam potencia e criam bandas de sinal (de fato, ruído) no espectro de propagação
Fibra Óptica
37
Comunicações Ópticas
� Dispersão (1a. ordem)
Ao se propagar num meio material confinado, as componentes espectraisde um pulso luminoso terão diferentes velocidades de propagaçao; causando distorçao e atraso do pulso; isso se chama dispersãotemporal do pulso.
Temos vários tipos de dispersao, que se compoem, resultando na dispersaototal da fibra::
-- dispersao modal (fibra MM; esta é sempre a maior); Dmod
-- dispersao material (todas fibras); Dmat
-- dispersao guia-onda (fibra SM); Dgo -- dispersao de polarizaçao (todas); esta é sempre a menor); Dpmd
Fibra Multimodo (MM) : DT = Dmod+ (Dmat+ Dgo)
Fibra Monomodo (SM) : DC = (Dmat+ Dgo) cromática
Equações>>>
Fibra ÓpticaEquações
Comunicações Ópticas
� Dispersão (1a. ordem)
∆τ = D. ∆λ .L [ps] ; ou ∆τ = β2. ∆ω .L
onde, ∆λ, ∆ω, largura espectral da fonte (FWHM) ; ω= 2πν = 2πc/λ ; β= nk= 2πn/λ
Temos (def.), D = - λ/c d2n/dλ2 => D = -(2πc/λ2) β2 ; (param.GVD)
sendo, parametroβ2 = d2β/dω2 ,
e velocidade de grupo vg = 1/ (δβ/δω)
Fibra Multimodo : D = (Dmat + Dgo) + Dmod
Fibra Monomodo : D = Dmat+ Dgo cromática
sendoDmat= 1/c dn/dλ ; Dgo= -1/2πc V2 d2β/dV2 ;
dimensão D = [ps/nm.km] ;
� Atrasos na propagação são devidos a dispersão cromatica e dispersão modal ; e mais,
� PMD, devido a birefringência da fibra. (+adiante)
Fibra ÓpticaEquações
Ver: Agrawal, Fiber-Optic Comm.Syst., 3rd., 2002; pg. 38-39
38
Comunicações Ópticas
� fibras de dispersão deslocada são obtidas aumentando DGO : DS, NZD+/-� regime de dispersão normalou anomalavai depender de qual λo e qual fibra
em que está se propagando! -- (adiante) >>
Dispersão em Fibras Ópticas
SiO2/GeO2
1,1 1,2 1,3 1,4 1,5 1,6
-20
-10
0
10
20
DISPERSÃOFibra Monomodo Padrão
Dis
pers
ão (
ps/n
m.k
m)
Comprim.Onda (
(+)
(-)
λo
λS
DT
SMF
NZD+
NZD-
DS
=> dispersão modal das fibras multimodo sai da escala (D≈60-80ps/nm.km
Comunicações Ópticas
Comentário: � Dispersão
� a dispersão em meios materiais atrasa a propagação de sinais (lineares e não-lineares);
� as componentes cromáticasdo pulso de luz viajam a diferentes velocidades, pois o índice de refração n efetivo varia com λ ;e dispersão materialpode ser zeroe tb. mudar de sinal(depende da região do espectro!)
� dispersão normal(λc < λo) : λc comprim. de onda central do pulso;
� trecho espectro abaixo de lambda dispersão zero (da fibra especifica);
� compon. λ+ (+longas): enxergam n1 menor => vg mais rápida→ vai pra frente;
� compon. λ- (+curtas): enxergam n1 maior => vg mais lenta→ vai pra trás ;
Dispersão em Fibras Ópticas
Normλc λc
39
Comunicações Ópticas
Dispersão em Fibras Ópticas Comentário: � Dispersão
� anômala(λc > λo) : inverte-se situação,.. devido a inversão do sinal da
derivada; ou seja,
� λc é o comprim. de onda central do pulso;
� compon. λ- (+curtas) : enxergam n1 menor => vg mais rápida→ vai pra frente;
� compon. λ+ (+longas): enxergam n1 maior => vg mais lenta→ vai pra trás ;
=> temos que pensar nos domíniosdo tempoe da frequencia(ou de lambda)
Anomλcλc
Comunicações Ópticas
Atraso devido a dispersão cromática:
a) Fontes com largura espectral larga(∆λ > 1nm), maior que a taxa de modulação (mod. direta)::
∆τ = D.L.∆λ• para fibras padrão SMF, D=16-18 ps/nm.km @ 1550;• para fibras NZD, D=2-5 ps/nm.km.• para fibra DS @1550 ou fibra SMF @1300, adota-se D ≈ 0,5 ps/nm.km;
b) Fontes com largura espectral estreita(∆λ < 0,1nm), (modulação externa)
∆τ = (|β2|.L)1/2
• onde, β2 = − D.λ2 /2πvc [ps2/km]; vc = c/n , sendo n o índice efetivo de propagação (grosseiramente, n ≈1,5 nos vidros; em casos mais exatos, deve-se usar nm como visto acima);
=> em ambos os casos, pode-se usar atrasos permitidos de ∆τ =Tb/4 ou Tb/2, conforme
a tolerância do sistema seja 1 ou 3 dB de margem, sendo as distancias máximas
permitidas calculadas de acordo.
Dispersão em Fibras Ópticas
40
Comunicações Ópticas
• PMD� Dispersão dos modos de polarização
� devido a efeitos de tensão mecânica na estrutura do vidro da fibra, o sinal propagante experimenta diferentes índices efetivos nas componentes de polarização do campo Ex e Ey ; [birefringencia]
� daí pode se acumular atraso apreciável entre as componentes, resultando em alargamento temporal do pulso, e atraso diferencial de grupo (DGD);
� PMD de 1a. ordem é ∆τ=β √L, onde β (ps/km1/2) ; β = 0,1-0,5 ps/km1/2
Ex
Ey
Ex
Ey
[[TTxyxy (z)(z)]]
Dispersão em Fibras Ópticas
DGD = 0 DGD = ∆τ
DGD (differential group delay): is the maximum difference in arrival times of the two orthogonal polarization modes at a particular wavelength and time. Given a specific PMD coefficient, the DGD of the link varies randomly with time and wavelength .
Comunicações Ópticas
Compensação de Dispersão (cromática e PMD) :: � Fibra Standard (SMF)
� pode-se compensar a dispersão cromática acumulada ao longo de um enlace utilizando-se fibras NZD-, com elevado coeficiente D, de modo que alguns km de NZD compensam vários km de SMF; [modo “passivo”]
� Fibra DS � não há necessidade de compensar dispersão cromática em fibras DS;
� Fibra NZD� pode-se compensar dispersão cromática em fibras NZD alternando NZD+
e NZD-;
� PMD� pode-se compensar dispersão PMD utilizando compensadores de
dispersao de modos de polarizaçao (PMDC);
� pode ser em linha L-PMDC, sem conversão O-E-O; [modo ativo ótico]
� e/ou na recepção PMDC-Rx, com conversão O-E; [modo ativo OE]
Dispersão em Fibras Ópticas
Fonte: ITU-T Rec. G.655-NZD, Mar.2003; Rec.G.666-PMD, Mar.2008;
41
Comunicações Ópticas
Fibras Ópticas
Outras Fibras: � Como dito no inicio desta seção, existem muitos tipos de
fibras óticas para aplicaçoes em� Bio-imaging
� Metrologia � Sensoriamento (local e remoto) � Testes e medidas
� Processamento materiais (lasers a fibra, e/ou fibras entregando altissimas potencias)
� Entre essas estão as fibras de plástico (POF), e as fibrasfotonicas (conhecidas como PCF-- photonic crystal fiber)
� Não analizaremos essas fibras porque nosso foco é Redes Óticas eTelecom, e elas são pouco (ou nada) utilizadas nessa aplicação! (embora representem um significativo mercado emergente)...
Comunicações Ópticas
� Photonic Fibers... just a taste...
Fibras Ópticas
© Furukawa
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Comunicações Ópticas
Fibras Ópticas & Lasers
� Lasers (modos longitudinais):
� Multimodo: surgiram primeiro devido a limitações tecnologicas; apresentam multiplos comprimentos de onda compactados dentro do envelope de ganho do material; hoje são utilizados em redes locais, predios e interconexao de equipamentos; aceitam transmissao WDM mas não são otimizados pra isso;
� Monomodo: surgiram bem depois com aprimoramento das tecnologias de fabricaçao; emitem um único comprimento de onda; -- os mais utilizados em Telecom são DFB e DBR (ambos baseados em grades de Bragg); são por excelencia as fontes WDM.
� Fibras (modos transversos):
– Multimodo: nucleo maior; propaga muitos modos do guia de onda; surgiram primeiro devido a limitaçoes tecnologicas; hoje são utilizadas em redes locais e predios; banda passante limitada pela dispersao modal ; aceitam transmissao WDM, mas não são otimizadas pra isso;
– Monomodo: nucleo menor; propaga só o modo fundament. do guia de onda; surgiram bem depois com aprimoramento das tecnologias de fabricaçao; são o meio de transmissão com maior banda passante que existe; são tambemas mais adequadas p/ sistemas WDM.
Resumo Geral-- geraçãoe propagação
Comunicações Ópticas
Fibras ÓpticasCabos de Fibras
Optical Fiber Cable
Típicos 12, 16, 36,72, 144 fibras
fibra
Necessário:-- manuseio fibras; -- proteção contra ambiente; -- proteção contra rupturas; -- proteção instalação.
armadura
elementos(tubetes)
fibras
Fim deste Capitulo