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1 1 Resumo aula anterior Conectores, acopladores e adaptadores tanto para comunicações qto tb para outros propósitos. Interruptores ópticos 2x2, 4x Apresentação do Jhonas sobre Óptica Para Fins Bélicos

2 Outros interruptores 2 Design and Simulation of Planar Electro-optic Switches in Ferroelectrics M. Krishnamurthi, L. Tian and V. Gopalan, Appl. Phys. Lett., (2008). PDF ou PDF2PDFPDF2 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: / / Tarefa: como detectar? Tema para José Interruptor de 60ns: Nanona TM High Speed & Low Loss Optical Switch

3 3 Diversas formas e/ou dispositivos para realizar acoplamentos de multiplexagem

4 4 Multiplexagem em WDM

5 5 Acopladores

6 6

7 7

8 8 Acoplador baseado em micro-óptica

9 9 Acoplador bicônico e derivados Razão de Divisão de Potência:

10 10 Acoplador com fibras deslocadas lateralmente

11 11 Acoplador com núcleo sobreposto

12 12 Acoplador com núcleo sobreposto

13 13 Acoplador com divisor de feixe

14 14 Acoplador em X

15 15 Acoplador em Z

16 16 Parte das perdas são atribuídas a diferentes tipos de acoplamentos Lembremos

17 17 SMF núcleo SMF núcleo x Eficiência de Acoplamento Sensitividade ao desalinhamento transversal η(x) = e –(x/ω o ) 2 SMF ω o = 5.15µm SMF ω o = 25µm

18 18 SMF núcleo SMF núcleo Ө Eficiência de acoplamento Sensitividade de desalinhamento angular η(Ө) = e -(ΠӨω o /λ) 2 Modo expandido melhora a sensitividade de desalinhamento transversal, mas aumenta a sensitividade angular. Modo limitado pelas dimensões da fibra -> bom compromisso SMF ω o = 5.15µm SMF ω o = 25µm

19 19 SMF núcleo SMF núcleo z η(z) = 1/(1+λz/(1+ Πz/2ωo 2 ) 2 Eficiência de acoplamento Sensitividade por desalinhamento longitudinal For large z lensing is required SMF ω o = 5.15µm SMF ω o = 25µm SMF ω o = 5.15µm SMF ω o = 25µm

20 20 Outros tipos de sistemas para acoplamento da luz com fibra para minimizar perdas

21 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 Componente óptico

22 22 Lentes no feixe Aplicações 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 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 24 Graded-Index Lens Fiber GRIN Lens Typical n(r) - Square Law R - Radial Distance (au) 0 n(R) -Refractive Index (au) a a GRIN lens very popular - high quality & cylindrical shape But, large and expensive R a GRIN Lens

25 25 Imagem com sistema Fibra/Lente Grin L > ¼ Pitch SM Fiber L=1/4 Pitch Graded Index MMF

26 26 Fibra-lente SMF Core (SMF) MMF Lens Core (MMF) Fused Collimated Beam ¼ Pitch

27 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 SMF simplificação 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 Fundidas Vantagens

28 28 Montagem da fibra-lente fundida Processos críticos 1. Fiber/Lens Fused Interface 2. Fiber Lens 3. Fiber Lens Endface MMFSMF Core/core alignment Fiber eccentricity Core concentricity Reproducible fusion process Interface diameter control o Fiber eccentricity o 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 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 Silica Section SMF Core (SMF) MMF Lens Core (MMF)

30 30 Lembrem-se aquela da lente esférica formato de bola na frente da fibra

31 Acoplamento fibra-esfera/fibra-fibra 31

32 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 33 AMPLIFICADOR ÓPTICO O QUE É PARA QUE É QUE TIPOS HÁ

34 34 Exemplo de comunicação óptica

35 35 Antigamente Tradicionais repetidores eletrônicos

36 36 Objetivos dos amplificadores

37 37 Amplificadores Ópticos

38 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 (nm) Banda C (conventional) Banda L (long) Banda S (short) Conversosr de frequência comprimento de onda

39 39 Conversosr de frequência comprimento de onda 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

40 40 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 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 OWGA 2.1. 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 ) OWGA 2.1. 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?) 41

42 42 Hoje Amplificadores a diodo laser Amplificadores a fibra dopada (Er, operam em 1,55 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 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 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.

45 45 Diagrama de níveis de energia do Er 3+

46 Espectro de emissão do LiNbO3:Er3+ - parte Vis-IVP 46

47 47

48 48 Tipos de emissão: Estimulada e espontânea

49 49 Como opera o EDFA Um EDFA consiste de uma extensão curta de fibra(~ 10m) dopada com uma pequena quantidade controlada de Er 3+. Os íons de Er 3+ 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)( = 980nm ou 1480nm) de tal forma que os íons de Er absorverão os fótons indo para estados excitados.

50 50 ERBIUM ELECTRONS IN FUNDAMENTAL STATE PUMP PHOTON 980 nm Princípios do Amplificador Óptico 1 PUMP PHOTON 980 nm ENERGY ABSORPTION ERBIUM ELECTRONS IN EXCITED STATE ERBIUM ELECTRONS IN FUNDAMENTAL STATE

51 51 Princípios do Amplificador Óptico 2 PUMP PHOTON 980 nm TRANSITION METASTABLE STATE EXCITED STATE FUNDAMENTAL STATE NR

52 52 Princípios do Amplificador Óptico 3 PUMP PHOTON 980 nm TRANSITION METASTABLE STATE SIGNAL PHOTON 1550 nm STIMULATED PHOTON 1550 nm FUNDAMENTAL STATE EXCITED STATE

53 53 Perfil do Ganho do Amplificador Óptico ASE = Amplified Spontaneous Emission

54 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 55 Amplificador Óptico: Amplificação de Multi-Comprimentos de Onda

56 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? 57 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? 58

59 59 Outro exemplo GFF = Gain-Flattening Filters

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

61 61 DECIBEL (dB)– num sistema de transmissão Sistema Potência de Saída = P out Potência de Entrada = P in Transmissão do Sistema : Transmissão em dB: Exemplos: -10dB é P out = P in /10 -40dB é P out = P in dBm é a Potência em dB relativo a 1mW Exemplos: -10dBm é P = 0,1W +40dB é P = 10W

62 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 G max = exp( L) é a seção transversal da emissão do sinal é a concentração de Er L é o comprimento do amplificador de fibra

63 63 Ganho e ruído nas configurações anteriores

64 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 65 Potência de saída vs comprimento de onda Amplificação entre 1.53 e 1.56 m.

66 66 Largura de banda de ganho de amplificadores ópticos

67 67 Uma das formas para atenuar ASE

68 68 Referências 1.Fiber-Optic Communication Systems, Govind Agrawal, 2nd Edition, Erbium-Doped Fiber Amplifiers: Fundamentals and Technology, P.C. Becker, Fiber Optic Test and Measurement, D. Dercikson, Optical Fiber Amplifiers: Materials, Devices and Applications, Sudo Shoichi, Rare-Earth-Doped Fiber Lasers and Amplifiers, Michel J. F. Digonnet, Semiconductor Optical Amplifier, Michael J. Connelly, Advances in Optical Amplifiers, Edited by Paul Urquhart, 2011.

69 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 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 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 72 Dispositivo

73 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 – 1 st stage optimized for low noise figure – 2 nd stage optimized for high output power

74 74 Multiestágios de AO Nf total = Nf 1 +Nf 2 /G 1 Nf 1st/2nd stage = P in - SNR o [dB] - 10 Log (hc 2 / 3 ) PUMP Input Signal Output Signal Er 3+ Doped Fiber Optical Isolator Optical Isolator Optical Isolator 1st Active Stage Co-pumped 2nd Active Stage Counter-pumped Er 3+ Doped Fiber

75 75 Referências 2k3/aula10/cisco/cavanaugh1.ppthttp://www.pad.lsi.usp.br/ipt-redes- 2k3/aula10/cisco/cavanaugh1.ppt

76 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 77 Espectroscopia Raman

78 78 Complementação sobre AO ERBIUM-DOPED PLANAR OPTICAL AMPLIFIERS A. Polman Publicado em: Proc. 10th European Conference on Integrated Optics (ECIO) Paderborn, Germany, April, 2001, p. 75 (2001)

79 79 Transferência de energia Er - Eu 4 I 11/2 => 4 I 15/2 = 980nm 4 I 13/2 => 4 I 15/2 = 1540nm 0.19at.%Er 0.19at.%Er, 0.44at%Eu J. Appl. Phys., Vol. 88, No. 8, 15 October 2000

80 80 Níveis de energia do Er 3+

81 81 Transferência de energia de QD de Si e Er

82 82

83 83 Outros detalhes sobre EDFA

84 84 Fim sobre AO

85 85 Próxima aula Defeitos em sólidos, centros de cor e Redes de Bragg

86 86 DECIBEL (dB)– num sistema de transmissão Sistema Potência de Saída = P out Potência de Entrada = P in Transmissão do Sistema : Transmissão em dB: Exemplos: -10dB é P out = P in /10 -40dB é P out = P in dBm é a Potência em dB relativo a 1mW Exemplos: -10dBm é P = 0,1W +40dB é P = 10W

87 87 Modos numa fibra

88 88 Fiber Modes – Single-Mode vs. Multimode Fibers A 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.modescladding modes An important distinction is that between single-mode and multimode fibers: Single-mode fibersSingle-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).modebeam qualitymode matchinglarge mode area fibers Multimode fibersMultimode 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.

89 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.fiberstep index fiberGaussian beammultimode fiber 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.optical fiber communicationsgroup velocities 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.fiber lasersamplifiersbeam qualitymode 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.fiber Bragg gratingswavenumbers Main Parameters The 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.step-index fiber Instead of the refractive index difference, one usually uses the numerical aperture, defined asnumerical aperture 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.large mode arearare-earth doped fibersgain efficiencybend losses Another frequently used parameter is the V numberV number which is a kind of normalized frequency. Single-mode guidance is achieved when the V number is below about Multimode fibers often have huge V values.


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