II. SURSE DE RADIAIE OPTICII.1. SURSE OPTICE Dezvoltarea spectaculoas a comunicaiilor optice dup anul 1970 a fost posibil i datorit progreselor deosebite n realizarea surselor de radiaie optice, n particular a diodelor laser. Pentru comunicaiile optice prezint interes doar o gam relativ restrns de tipuri de astfel de surse. Intereseaz n primul rnd acele resurse de radiaie care au lrgime spectral mic (sau foarte mic), dimensiuni mici, fiabilitate ridicat, randament energetic bun, posibilitate de modulare uoar. Astfel, n timp, s-au impus prin performanele lor sursele de radiaie pe baz de jonciuni semiconductoare de tipul diodelor luminiscente i diodelor laser, cu anumite particulariti constructive. LED-urile sunt surse de radiaie necoerent, de intensitate mic i lrgime spectral mare. Ele pot fi uor construite, au fiabilitate mare, pre redus, pot fi modulate pn la frecvene de ordinul zecilor de megahertzi i se pot utiliza cu succes n sistemele de comunicaii cu fibre optice pe distane scurte i la viteze relativ mici ale informaiei. Diodele laser (DL) sunt mai greu de realizat tehnologic, sunt mai scumpe dar sunt net superioare ca performane fa de LED-uri. Ele pot fi modulate pn la viteze de ordinul gigabit/secund i sunt utilizate n sistemele de vitez i distan mari. La nceput, utilizarea diodelor laser a fost limitat din cauza fiabilitii reduse a acestora. Necesitnd un curent de comand foarte mare, primele DL funcionau fie la temperaturi foarte sczute (rcite cu azot lichid sau heliu lichid), fie n regim de impulsuri foarte scurte i cu perioada de repetiie foarte mare. Perfecionarea constructiv i tehnologic continu a permis reducerea cu trei ordine de mrime a curentului de prag, de la amperi la miliamperi, concomitent cu creterea fiabilitii. Dezavantajul surselor necoerente (LED-urilor) apare n multe aplicaii ca urmare a lrgimii spectrale mari. De asemenea, nu exist cavitate rezonant i nu exist selectivitate pentru lungimea de und a fotonilor emii. Ca urmare, acetia se vor propaga cu viteze diferite n fibra optic, ducnd la o mprtiere mai mare a timpilor de propagare. Sursele de radiaie pe baz de semiconductoare au avantajul substanial c pot fi modulate uor prin curentul de comand i au un rspuns aproape liniar. Totui n cazul DL, mai ales cnd se lucreaz la viteze mari, modularea direct n intensitate prin curentul de comand introduce zgomote suplimentare (instabiliti de funcionare la trecerea de la starea de repaus la starea de emisie peste curentul de prag). De aceea, la sistemele de mare performan se folosesc metode de modulare extern a fasciculului optic emis de dioda laser. O comparaie ntre LED-uri i LD (Laser Diode) se poate observa n tabelul II.1: Caracteristici Putere de ieire Curent Putere cuplat Vitez Lrgime de band Lungimi de und Lime spectral (spectrul radiaiei emise) Tip fibr Sensibilitate la temperatur Costuri Timp de via LED Liniar, proporional cu curentul driver Curentul driver: 50 - 100 mA Moderat ncet Moderat 0,66 1,65 m Larg (40-190 nm) Doar multimod Minor Sczut (5-300$) Lung LD Proporional cu curentul peste prag Curent de prag: 5 - 40 mA Mare Rapid Mare 0,78 1,65 m ngust (0.00001 nm la 10 nm) SM, MM Substanial Ridicat (100-10.000$) Relativ lung

Tabelul.II.1. Comparaie ntre LED i LD

Cteva caracteristici ale surselor de radiaie care determin modul de folosire a lor ntr-o anumit aplicaie: Lungimea de und de vrf (Peak Wavelength): Aceasta este lungimea de und la care sursa emite cea mai mare putere. Ea trebuie s se potriveasc cu lungimile de und care se transmit cu cea mai mic atenuare prin fibra optic. Cele mai obinuite peak wavelengths sunt 780, 850 i 1310 nm pentru LEDuri i 1310, 1550 i 1625 nm pentru laseri. Lrgimea spectral (Spectral Width): Ideal toat lumina emis de un LED sau LD ar trebui s fie pe lungimea de und de vrf dar n practic lumina este emis ntr-o gam de lungimi de und centrate pe lungimea de und de vrf. Aceast plaj este numit lime spectral a sursei. Caracteristica de emisie (Emission Pattern): Distribuia luminii emise afecteaz cantitatea de lumin care poate fi cuplat n fibra optic. Dimensiunea regiunii emisive ar trebuie s fie egal cu diametrul miezului fibrei. Puterea (Power): Cele mai bune rezultate sunt obinute prin cuplarea a ct mai mult posibil din puterea sursei n fibr. Cerina cheie este aceea ca puterea de ieire a sursei s fie destul de mare astfel nct s aplice suficient putere detectorului de la captul de recepie, lund n considerare atenuarea fibrei, pierderile la cuplaje i alte constrngeri de sistem. n general LED-urile sunt mai puin puternice fa de laseri. Viteza (Speed): O surs ar trebui s se deschid/nchid suficient de repede pentru a se ncadra n limitele benzii sistemului. Viteza este n concordan cu timpii cretere i descretere (rise i fall) ai sursei, adic timpul necesar sursei pentru a ajunge de la 10% la 90% din puterea de vrf. LED-urile au timpii de cretere/descretere mai mari dect laserii. LED-urile sunt n general mai fiabile dect laserii dar ambele surse se degradeaz n timp. Aceast degradare poate fi cauzat de cldura degajat de surs sau densiti de curent accidentale. n plus LEDurile prezint o uurin mai mare n utilizare dect laserii. LED-urile se gsesc ntr-o larg varietate de produse electronice de larg consum. Sunt utilizate ca indicatori vizibili n cele mai multe echipamente electronice, iar diodele laser sunt folosite pe scar larg n CD playere. LED-urile folosite n fibrele optice difer de LED-urile obinuite pentru indicare prin dou caracteristici: 1. Lungimea de und este n infraroul apropiat (deoarece pierderile n fibra optic sunt mai mici la aceste lungimi de und). 2. Suprafaa de emisie a LED-ului este mult mai mic n ideea de a permite o ct mai mare band de modulare i de a mbunti eficiena de cuplare cu miezurile mici ale fibrelor optice. Liniaritatea este o alt caracteristic important a surselor pentru anumite aplicaii. Liniaritatea reprezint gradul n care ieirea optic este direct proporional cu curentul electric de intrare. Multe din sursele de lumin dau puin sau deloc atenie liniaritii, fcndu-le folositoare doar pentru aplicaii digitale. Aplicaiile analogice solicit atenie mrit asupra liniaritii. Neliniaritatea n laseri cauzeaz distorsiuni armonice n semnalul analog care este transmis pe o legtur analogic pe fibr optic. II.2. EXPLICAREA N VIZIUNE SIMPLIFICAT A FUNCIONRII LASERILOR GENERALITI DESPRE ATOMI n Universul cunoscut de noi exist n jur de 100 de tipuri diferite de atomi. Tot ceea ce ne nconjoar este fcut din aceti 100 de atomi aezai ntr-un numr nelimitat de combinaii. n funcie de

modul de aranjare a lor i de cum sunt legai unii de alii, va rezulta o bucat de metal, o can de ap sau orice altceva. Atomii au o micare constant. n continuu ei vibreaz, se mic i se rotesc. Se mic pn i atomii din care sunt fcute scaunele pe care stm. Solidele sunt de fapt n micare. Atomii se pot gsi n diferite stri de excitaie. Altfel spus, ei pot avea energii diferite. Dac aplicm o anumit cantitate de energie unui atom, el poate prsi ceea ce numim nivel energetic fundamental i ajunge la un nivel excitat. Nivelul de excitaie depinde de cantitatea de energie care a fost aplicat atomului prin mijloace ca: lumin, cldur, electricitate. n figura II.1 avem o interpretare clasic a cum arat un atom:

Interiorul unui atom

Electron

Orbit NucleuFig.II.1. Un atom, n cel mai simplist model al su, se compune dintr-un nucleu i electroni orbitali.

ABSORBIA ENERGIEI Dei cele mai moderne viziuni despre atomi nu descriu orbitele electronilor ca fiind discrete, este util pentru nelegere s privim aceste orbite ca pe nivele de energie diferite ale atomului. Altfel spus, dac aplicm cldur unui atom, ne ateptm ca unii din electronii de pe orbitele de joas energie s treac pe orbite cu energie mai mare care sunt i mai deprtate fa de nucleu (figura II.2).

E

Orbita electronului Fig.II.2. Absorbia energiei: Un atom absoarbe energie sub form de lumin, cldur sau electricitate. Electronii pot migra de pe orbitele de energie joas pe orbite cu energie ridicat.

Acesta este un foarte simplificat punct de vedere dar reflect esena lucrurilor n ceea ce privete atomii. Dup ce un electron migreaz pe o orbit de nivel energetic mare, din diferite motive, natura lucrurilor l foreaz s-i doreasc revenirea pe nivelul fundamental. Cnd se ntmpl acest lucru, el i va elibera energia acumulat de pe nivelul superior n care a fost sub forma unui foton o particul de lumin. Putem vedea atomi eliberndu-i energia sub forma fotonilor tot timpul. De exemplu cnd un element al radiatorului devine incandescent, culoarea roie apare datorit atomilor care excitai de cldur elibereaz fotoni roii. Cnd privim o imagine pe ecranul televizorului, ceea ce vedem sunt atomi de fosfor, excitai de electroni cu de mare vitez, emind lumin de diferite culori. n tot ceea ce produce lumin lumini fluorescente, etc. electronii i schimb orbitele i elibereaz fotoni. CONEXIUNEA LASER/ATOM Un laser este un dispozitiv ce controleaz modul n care atomii energizai elibereaz fotoni. Laser este un acronim pentru lumina amplificat prin emisia stimulat a radiaiei, ceea ce descrie succint felul n care lucreaz un laser. Dei exist multe tipuri de laseri, cu toii au anumite caracteristici eseniale. ntr-un laser, mediul dintr-o cavitate este activat pentru a aduce atomii ntr-o stare excitat. Tipic, sclipiri foarte intense de lumin sau descrcri electrice energizeaz mediul i creeaz un mare numr de atomi cu stri excitate (atomi cu electroni de foarte mare energie). Pentru ca laserul s lucreze eficient, este necesar s existe muli atomi n starea excitat. De obicei, atomii sunt excitai pn la un nivel care este cu dou sau trei nivele peste cel fundamental. Acest lucru crete gradul de inversie a populaiei. Inversia populaiei este determinat de numrul de atomi din starea excitat fa de numrul celor de pe nivelul fundamental. Dup cum am precizat anterior, aa cum un electron a absorbit o anumit cantitate de energie pentru a ajunge la nivelul excitat, el poate de asemenea s elibereze aceast energie. Energia emis poate fi sub forma unui foton (energie luminoas). Fotonul emis are o lungime de und specific (deci o culoare specific) ce depinde de nivelul energetic al electronului la momentul la care fotonul este eliberat. Doi atomi identici cu electroni n stri identice vor elibera fotoni cu lungimi de und identice.

E

Foton de lumin

Fig.II.3. Emisia de lumin

LUMINA LASERULUI Lumina laserului este foarte diferit de lumina normal. Ea are urmtoarele proprieti: - Lumina eliberat este monocromatic. Ea conine o singur lungime de und (o singur culoare). Lungimea de und a luminii este dat de cantitatea de energie eliberat cnd electronul cade pe o orbit mai joas.

- Lumina eliberat este coerent. Aceasta nseamn c toi electronii din acelai front de und sunt lansai la unison. - Lumina este foarte direcional. Lumina unui laser are un fascicul foarte puternic i concentrat. O iluminare obinuit, pe de alt parte, elibereaz lumin n mai multe direcii, iar lumina este slab i difuz. Pentru a realiza aceste trei proprieti, este implicat aici ceea ce se numete emisie stimulat. Ea nu apare ntr-o strlucire de lumin oarecare n asemenea situaie, toi atomii i elibereaz fotonii aleator. n emisia stimulat, emisia de fotoni este organizat. Fotonul pe care orice atom l elibereaz are o anumit lungime de und, dependent de diferena de energie dintre starea excitat i starea fundamental. Dac acest foton (cu o anumit energie i faz) ntlnete un alt atom cu un electron n aceeai stare de excitare, poate aprea emisia stimulat. Primul foton poate stimula sau induce emisia atomic astfel c fotonul emis ulterior (de la al doilea atom) vibreaz cu aceeai frecven i direcie ca i fotonul incident. Cellalt element important al unui laser este o pereche de oglinzi, cte una la fiecare capt al mediului de formare a laserului. Fotonii cu lungime de und i faz specifice, se reflect de oglinzi i cltoresc nainte i napoi prin mediul respectiv. n acest proces, ei stimuleaz ali electroni s fac saltul energetic n jos i determin astfel emisia a mai multor fotoni cu aceeai lungime de und i faz. Apare un efect n cascad i curnd vom avea foarte muli fotoni de aceeai lungime de und i faz. Oglinda de la un capt al cavitii este jumtate argintat, nelegnd c aceast oglind reflect anumit o lumin i las o alt lumin s treac. Lumina care trece prin ea este de fapt lumina laserului. Se pot vedea toate aceste componente n figurile care urmeaz, ilustrnd ct de simplu poate fi modul de lucru al unui laser cu rubin. LASERII CU RUBIN Un laser cu rubin const ntr-un tub luminos (ca tubul cu neon din camer), un cilindru de rubin i dou oglinzi (una din ele este jumtate argintat).

Lumin emisFig.II.4. a) Laserul n stare neexcitat

Atom excitat

Fig.II.4. c) Unii dintre aceti atomi emit fotoni. O parte din fotoni se mic ntr-o direcie paralel cu axa rubinului, astfel c ei ricoeaz napoi din oglinzi i vor stimula emisia n ali atomi.

Fig.II.4. d) Un fascicul de lumin monocromatic, de unic faz prsete rubinul prin oglinda jumtate argintat iat lumina laserului

II.3. BAZELE EMISIEI RADIAIEI N SEMICONDUCTOARE Emisia fotonilor de ctre LED-uri i DL polarizate direct este rezultatul combinrii radiative a perechilor de purttori (electroni i goluri) injectai prin jonciunea p-n. Recombinrile radiative apar numai n semiconductoare cu band interzis direct. n orice semiconductor, fie c este intrinsec sau dopat, la o temperatur dat T exist ntotdeauna un numr oarecare de purttori liberi (electroni i goluri) care ocup niveluri energetice libere n benzile energetice libere i n benzile energetice permise ale semiconductorului. Distribuia acestor purttori dup energie (E) este dat de funcia Fermi-Dirac, conform creia probabilitatea ca un electron liber s ocupe un nivel energetic este:

Pn(E) =

1 1+ eE EF kT

,

unde (E) este energia nivelului Fermi. Ea corespunde acelui nivel energetic pentru care probabilitatea de a fi ocupat de un electron este egal cu probabilitatea de a nu fi ocupat i este 0,5. n condiii de echilibru termic, acest nivel energetic este unic n tot cristalul semiconductor. Probabilitatea ca un nivel energetic s fie liber (adic s existe un gol) este: Pp(E) = 1- Pn(E). Dac energia purttorilor este mare n comparaie cu energia termic, adic E-EF>>kT, atunci distribuiile purttorilor se pot aproxima: Pn(E) e E EF kT

i

Pp

e

EF E kT

.

Ele se aplic nivelurilor energetice situate n benzile de conducie i de valen. II.3.1. DIODE LUMINISCENTE PENTRU COMUNICAII OPTICE LED-uri cu emisie de suprafa de tip Burrus O cale simpl de a obine o radian mare este limitarea emisiei la o suprafa circular redus. Acest model a fost propus de Burrus i Dawson i sunt cunoscute sub denumirea de diode de tip Burrus. Limitarea suprafeei emisive se face prin limitarea zonei de injecie a purttorilor (a curentului de injecie), izolnd cu SiO2 prile inactive ale structurii semiconductoare. Aceast structur asigur o impedan termic mic, permind densiti mari de curent din regiunea activ. Densitatea de putere disipat de diod se poate calcula cu relaia: JU =

T , x

unde J densitatea de curent, U tensiunea pe diod, T diferena de temperatur ntre jonciune i mediul ambiant, x distana de la zona activ la radiator, - conductivitatea termic a semiconductorului. Practic s-a constatat c la creterea temperaturii jonciunii la 901000C, puterea optic scade cu aproape 50% fa de cea la temperatura normal. De aceea este foarte important s se menin temperatura jonciunii sub 60700C prin utilizarea unui radiator termic adecvat. LED-uri cu geometrie de band i cu emisie lateral Pentru reducerea pierderilor de putere prin emisie optic n alte direcii dect cea dorit, zona activ se realizeaz sub forma unui ghid dreptunghiular prin creterea indicelui de refracie n zonele adiacente. n plus, injecia de curent se face printr-o band ngust, asigurnd densiti mari de curent la cureni de injecie relativ mici. Ca urmare, se obine o densitate de putere optic mare (diode superluminiscente). Aceste diode au structur asemntoare diodelor laser, mai puin oglinzile reflectorizante. Divergena unghiular a fasciculului optic emis de aceste LED-uri este mai mic dect la cele cu emisie de suprafa, ceea ce favorizeaz mult cuplarea radiaiei n fibra optic.

II.3.2. DIODE LASER PENTRU COMUNICAII OPTICE Dioda laser este o surs de radiaie optic din categoria generatoarelor cuantice. Este format dintr-o jonciune semiconductoare puternic dopat p+ - n+, nchis ntr-o cavitate rezonant i care, polarizat direct suficient de mult, produce radiaie laser. Condiiile constructive i funcionale ale DL sunt: - existena unui rezonator cu factor de calitate foarte bun care s selecteze o anumit lungime de und din radiaia optic; - polarizarea direct foarte puternic prin care se creeaz i se ntreine inversia de populaie n zona activ; - compensarea pierderilor de radiaie prin amplificare optic intern

Condiiile de generare laser -Cavitatea rezonant. Dioda laser, fiind un oscilator cuantic, are nevoie de un rezonator n care s ia natere oscilaia. Caracteristicile rezonatorului (form, dimensiuni, selectivitate) au mare influen asupra caracteristicilor radiaiei generate. Rezonatoarele pot fi interne, ele incluznd mediul activ n care se produc tranziiile radiative, sau externe (nu includ mediul activ, ci numai cmpul optic). n rezonator iau natere unde staionare, corespunztoare modurilor de oscilaie ale cmpului optic. Diodele laser cele mai ntlnite sunt rezonatoarele Fabry-Perot (figura II.5). Ele au form de paralelipiped dreptunghic, mrginite la capete de dou oglinzi reflectoare, una cu reflexie aproape total i una semitransparent, prin care se extrage cmpul optic. Oglinzile se obin prin lefuire sau, mai uzual, prin clivaj i trebuie s fie perfect plane i paralele. Celelalte patru fee ale rezonatorului sunt mrginite de medii optice cu indici de refracie mai mici, obinnd astfel un efect de ghidare a cmpului n interiorul rezonatorului. n1 n2 n1>n2

oglind

oglind

lFig.II.5. Rezonator Fabry-Perot

Orice rezonator permite existena unui numr oarecare de moduri, fiecare avnd frecvena proprie de oscilaie. Un mod este caracterizat prin trei indici de mod (trei numere ntregi) i, j, k, acestea artnd numrul de maxime (sau de minime) ale distribuiei cmpului pe cele trei direcii perpendiculare x, y, z. Condiia de rezonan pe o direcie din cele trei este ca lungimea l a rezonatorului pe acea direcie s fie un numr ntreg de semilungimi de und ale modului de ordinul dat k :

k

k2

=n e l ,

unde k Z i n e este indicele de refracie efectiv la lungimea de und k .

Avnd n vedere legtura dintre lungimea de und i frecven, frecvena proprie a modului k va fi:

fk =

kc . 2ne l

Interferometrele Mach-Zender separ lumina n dou fascicule. Cele dou fascicule se propag pe distane uor diferite. Ele sunt apoi recombinate i se afl n faz doar pentru anumite lungimi de und.

II.4. TIPURI DE LASERI PENTRU COMUNICAII OPTICE

Un laser se prezint de obicei utilizatorului final sub forma unui modul inserabil ntr-o plac de baz destinat unei aplicaii specifice. El poate arta ca n figura II.6.

Fig.II.6. Un exemplu de cum se prezint un laser unui utilizator final

Exist dou tipuri de baz de structuri de diode laser: Fabry-Perot (FP) i Distributed Feedback (DFB). Din cele dou tipuri, laserii Fabry-Perot sunt cei mai economici dar sunt n general dispozitive zgomotoase i lente. Laserii DFB sunt dispozitive tcute (adic avnd raportul semnal/zgomot mare), au spectre de radiaie mai nguste i sunt mai rapide. Sunt dou tehnologii laser folosite pentru aproape toate aplicaiile de comunicaii pe monomod: a)- laseri F-P (Fabry-Perot) - mai ieftini, puteri mai mici; - stabilitate proast a lungimii de und. b)- laseri DFB (Distributed Feedback) - pre ridicat, puteri mari; - stabilitate excelent a lungimii de und; - stabilitate excelent a temperaturii; - modulate intern - bune pentru puteri i distane moderate - modulate extern - folosite n sistemele de azi n aplicaii de calitate pentru transmisia de band larg Mai exist: c)- laseri cu suprafa emisiv i cavitate vertical (VCSEL - Vertical Cavity Surface Emitting Lasers) - tehnologie n implementare, promite costuri sczute Laserii DFB prezint cele mai nalte nivele de performan i de asemenea au cele mai mari costuri dintre cele dou tipuri. Ei sunt aproape monocromatici (adic ei emit o singur culoare foarte pur

Lungime de und Fig.II.7. a1) Spectrul emis la FP

Lungime de und Fig.II.7. b1) Spectrul emis la DFB

de lumin) n timp ce laserii Fabry-Perot emit lumin la un numr de lungimi de und discrete (figura II.7).

Lungime de und Fig.II.7. a2) Spectrul emis la FP un exemplu

Lungime de und Fig.II.7. b2) Spectrul emis la DFB un exemplu

Mediu activa) FP

Mediu activb) DFB

Fig.II.8. Cele mai des ntlnite rezonatoare (schematic)

FPreacia optic dat de oglinzile din capete moduri multilongitudinale zgomot mare datorat competiiei modale

DFBreacia optic dat de grtarul de deasupra mediului activ un singur mod longitudinal zgomot mic

Tabelul II.2. Comparaie FP-DFB

Laserul DFB are o structur asemntoare cu a cavitii Fabry-Perot, prezentat anterior n detaliu. La DFB oglinzile sunt nlocuite cu un grtar, cu rol de reflexie a electronilor din mediul activ (figura II.9). CtigIese lumina Grtar (selecia modului i oglind distribuit) Regiune de ctigFig.II.9. DFB toate elementele combinate i distribuite pe lungime

Ca i la Fabry-Perot, lungimea de und a modului m generat se determin din relaia:

m

2

= nL

unde de data aceasta s-a notat cu L lungimea rezonatorului. Laserii DFB tind s fie folosii pentru aplicaiile digitale de mai mare vitez i pentru cele mai multe aplicaii analogice datorit vitezei lor mai bune, zgomotului mai sczut i liniaritii superioare. Laserii Fabry-Perot se mpart n dou categorii: - buried hetero (BH); - multi-quantum well (MQW). Tipul BH a fost folosit ani la rnd, dar acum variantele MQW au devenit foarte rspndite datorit performanelor mai bune n zgomot, liniaritate i stabilitate cu temperatura. Dezavantajul laserilor MQW este tendina lor de a fi mai susceptibili la reflexii napoi (ctre cavitatea rezonant) backreflections. VCSEL-urile (Vertical Cavity Surface Emitting Lasers) sunt o nou structur de laseri care emit lumina vertical la suprafaa lor. Inima VCSEL-ului este o regiune cu ctig controlat numit regiune activ care emite lumin. Straturile cu diferite materiale semiconductoare deasupra i dedesubtul regiunii active se comport ca nite oglinzi. Fiecare oglind reflect o gam ngust de lungimi de und napoi n cavitate determinnd n final emisie de lumin la o singur lungime de und. Sunt multe avantaje ale VCSEL-urilor. Dimensiunea lor mic i oglinzile cu eficien ridicat necesit un curent de prag sczut, sub 1 mA. Funcia de transfer ofer stabilitate pentru o gam larg de temperaturi. Aceste caracteristici fac VCSEL-ul ideal pentru aplicaii ce necesit o matrice de dispozitive. II.4.1. CLASIFICARE DUP MEDIUL ACTIV Exist multe tipuri de laseri. Mediul activ al laserului poate fi un solid, gaz, lichid sau semiconductor. Laserii sunt de obicei denumii dup tipul de material folosit pentru emisie: - Laserii n stare solid au materialul emisiv distribuit ntr-o matrice solid (cum ar fi neodymiul: ytriu-aluminiu-garnet, altfel spus laserii Yag). Laserii neodymiu-Yag emit lumin n infrarou la 1,064 nm. - Laserii pe gaz (heliu-neon, HeNe, sunt cei mai ntlnii laseri pe gaz) emit o lumin roie vizibil. Laserii pe CO2 emit energie n infraroul ndeprtat i sunt folosii la tierea materialelor dure. - Laserii excimeri (denumirea provine de la termenii excitat i dimeri) folosesc gaze reactive, cum ar fi clorul i fluorul amestecate cu gaze inerte ca argonul, kriptonul sau xenonul. La stimulare electric, apar legturi chimice sub forma unor pseudo-molecule, numite dimeri. Odat cu nceperea fenomenului de excitare n cascad, aceti dimeri produc lumin n spectrul ultraviolet. - Laserii colorai folosesc colorani organici compleci, ca rhodamin 6G n soluie lichid ca mediu de excitaie. Ei sunt reglabili ntr-o gam larg de lungimi de und. - Laserii semiconductori, numii i diode laser sunt de obicei foarte mici ca dimensiuni i folosesc puteri mici. Ei pot fi construii n matrice mai largi, cum sunt n sursele de imprimare din unele tipuri de imprimante laser sau CD playere. II.4.2. LUNGIMEA DE UND Un laser cu rubin (descris ntr-un subcapitol anterior) este un laser n stare solid care emite la o lungime de und de 694 nm. Alte medii de excitare se pot alege pornind de la lungimea de und de emisie dorit, puterea necesar i durata impulsului. Unii laseri pot fi foarte puternici, cum este laserul pe CO2, care poate tia oelul. Motivul pentru care laserul pe CO2 este att de periculos este c el emite lumina laser n infrarou; radiaia infraroie este foarte fierbinte i acest laser de fapt topete materialul pe care se focalizeaz.

Ali laseri, ca diodele laser, sunt foarte slabi i pot fi folosii ca simpli indicatori. Aceti laseri emit un fascicul rou de lumin cu o lungime de und ntre 630 nm i 680 nm. Laserii sunt utilizai n industrie i cercetare pentru a face multe lucruri, inclusiv de a folosi lumina laserului pentru excitarea altor molecule i a observa ce se ntmpl cu ele. Civa laseri tipici i lungimile de und de emisie se pot consulta din tabelul II.3.Tipul laserului Galiu Nitrid Albastru spre UV AlGaInP Rou, temperatura camerei, cost sczut, 10 mW AlGaAs Infrarou apropiat sau vizibil, temperatura camerei, cost sczut, 10 mW Cu cavitate vertical - Infrarou apropiat sau vizibil, temperatura camerei, cost sczut, reglabili InGaAsP laseri de comunicaii, infrarou apropiat, temperatura camerei Cu antimoniu infraroul apropiat ctre mijlociu, temperatura camerei sau rcit, 1 mW sau mai mult Cascad Quantum infrarou mijlociu, puteri mari, o singur frecven, pot necesita rcire criogenicTabelul.II.3. Laseri i lungimile de und

Lungime de und (nm) 400-480 630-690 750-1000

650-1680 1200-2000 2000-4000 4000-12000

II.4.3. LASERI SIMPLI I LASERI REGLABILI (AJUSTABILI) Laserii despre care s-a vorbit aici genereaz radiaia optic pe o singur lungime de und. Schematic, ei se pot reprezenta astfel (fig.II.10).Selecia modului Ctig Filtru Ieire

m/2 = nL Oglinda nr.1Fig.II.10. Laser cu o singur frecven posibil

Oglinda nr.2

n acest caz exist deci o cavitate rezonant fix, un mediu activ ce susine emisia stimulat i un dispozitiv de filtrare pentru un anumit mod de propagare, mod corespunztor unei anumite lungimi de und. Exist de asemenea i situaia de mai jos (figura II.11):Ctig Faza n cavitate Filtru de selecie a modului Ieire reglabil

Oglinda nr.1Fig.II.11. Laser cu frecvena reglabil

Oglinda nr.2

Lungimea de und se poate regla controlnd cei trei parametri din expresia frecvenei generate: - poziia relativ a oglinzilor (modificarea dimensiunilor cavitii - L): - indicele de refracie efectiv al cavitii (modific faza - n); - filtrul de selecie (m) II.4.4. CLASIFICAREA LASERILOR DUP SEMNELE DE AVERTIZARE Laserii sunt mprii n 4 categorii n funcie de potenialul lor de a duna sntii omului. Orice laser trebuie etichetat cu una din cele 4 clase: Clasa I Aceti laseri nu pot emite radiaie laser la nivelele obinuite de lucru. Clasa I.A. Aceasta este o denumire special care se aplic numai la laserii ce se intenioneaz a nu fi vzui, cum ar fi un scanner cu laser dintr-un supermarket. Limita superioar de putere a clasei I.A. este 4 mW. Clasa II Acetia sunt laseri vizibili de putere mic ce emit la o putere radiant ce nu depete 1 mW. Concepia este c reacia uman la vederea unei lumini puternice va proteja persoanele ce lucreaz cu astfel de echipamente. Clasa III.A Acetia sunt laserii de puteri intermediare (n und continu: 1-5 mW) care sunt riscani doar la privitul n calea fasciculului de lumin. Muli laseri de indicare tip creion se ncadreaz n aceast clas. Clasa III.B Laserii de puteri moderate. Clasa IV Aici avem laserii de puteri mari (n und continu: 500 mW) unde riscul apare la privitul lor n orice condiii (direct sau difuzie mprtiat) i sunt un pericol de producere a unui incendiu sau a unor rni pe piele. Sunt necesare controale riguroase la produsele laser din clasa IV.II.5. EMITOARE OPTICE COMPUNERE, FUNCIUNI

II.5.1. TRANSMITOR PE 1550 NM n figura II.12 este prezentat o variant de schem-bloc a unui transmitor optic pentru lungimea de und de 1550 nm destinat legturilor la mare distan, pe fibre cu dispersie modificat (DSF). Emitorul poate opera i pe sisteme clasice cu fibre la 1310 nm. Este folosit de obicei cu lungimea de und de 1550 nm pentru transmisii CATV de band larg, cu meninerea n limite foarte bune a CNR, CSO i CTB (vezi anexa pentru explicaii). II.5.2. TRANSMITOR PE 1310 NM Transmitorul pe cale direct accept semnale de intrare RF ntre 47 i 862 MHz sau 870 MHz i genereaz o lungime de und de 131010 nm, semnal optic modulat AM la modul urmtor (vezi figura II.13): - Nivelul semnalului Intrare RF este stabilit de ctre operator i depinde de ncrcarea momentan cu canale. Reglarea fin a nivelului semnalului de RF este realizat de atenuatorul intern folosind diferite acionri de pe panoul frontal. Nivelul de semnal RF poate fi de asemenea ajustat n mod automat fie pentru semnale n und continu, fie video, folosind funcia AGC (controlul automat al ctigului Automatic Gain Control). Odat ce ncrcarea cu canale a sistemului crete, operatorul va trebui s scad semnalul RF de intrare. - Un amplificator de zgomot redus i cu distorsiuni mici amplific semnalele RF de intrare. - Un alt amplificator (Post-Amp) ridic nivelul semnalului RF pentru a modula dioda laser la un OMI adecvat (indice de modulaie optic - Optical Modulation Index).

Circuitul de control

Punct de test RF

Fotodiod

Ieire optic #2 Intrare RF

AGC

Linearizor

Modulator extern

Ieire optic #1

Conector RS xxx

Plac interfa reea (NIC)

MicroprocesorTensiune c.c. de control

Intrare c.c. sau a.c.

Surs de alimentare Bloc adaptare Modulaie de faz

Afiaj (display) Oprire manualLaser driver (controlul laserului)

Laser DFB

Fig.II.12. Transmitor optic pe 1550 nm

Intrare RF

Atenuator

Amplificator

Post-Amp

Predistorsiune

RF MON RSxxxStabilizare temperatur

Ieire opticLaser

Microprocesor

DFB

Cuplor optic (opional)

Vcc

Afiaj alarme

Laser driver

APC

Fig.II.13. Transmitor CATV de cale direct - schem-bloc

- Circuitul de predistorsiune genereaz distorsiuni de al doilea i al treilea ordin pentru a compensa neliniaritatea diodei laser. - Punctul de test pentru monitorizarea RF (RF MON) ofer operatorului o modalitate de a monitoriza nivelul semnalului de RF ce se aplic la laser; se poate msura intrarea RF cnd atenuatorul intern este setat la 1 dB. - Laserul DFB (Distributed Feedback), izolat optic, transform semnalele de RF n semnale optice.

- Un rcitor termoelectric pe baz de termistor menine temperatura specificat pentru laser n timp ce Laser Driver (circuitul de atac al laserului) controleaz curentul de polarizare a diodei laser, determinnd astfel nivelul puterii optice de ieire. - Circuitele controlului automat al puterii (APC - Automatic Power Control) stabilizeaz puterea optic de ieire. - Circuitistica Afiaj alarme monitorizeaz condiiile de operare ale intrrii de RF i ale ieirii optice. - Microprocesorul situat pe acelai suport (onboard, cum ntlnim n literatur) controleaz o magistral serial intern i ofer interfaa pentru monitorizare n reea prin intermediul unui conector ce poate fi RS485, RS232, etc.. II.5.3. TRANSMITOR PE 1550 NM DE CALE DIRECT

RF MON Intrare RF

Liniarizor cu ctig controlatAtenautor variabil PreDistorsiune Amplificator

PreAmplificator

Reducere

SBSRS-232 Microcontroler

Ieire optic #1

Laser DFBDemod.CSO/ Control polarizare

ModulatorIeire optic #2

Fig.II.14. Transmitor de cale direct pe 1550 nm schem-bloc

Transmitorul pe cale direct accept semnale RF la intrare ntre 47 i 870 MHz i genereaz o lungime de und de 155010 nm, semnal optic modulat AM n felul urmtor: - Nivelul semnalului de intrare RF este stabilit de ctre operator i depinde, ca i n exemplul anterior, de ncrcarea momentan cu canale. Acest semnal de intrare este condiionat de un preamplificator i rutat la punctul de test 0dB (RF MON) i la atenuatorul variabil din cadrul circuitului de liniarizare cu control al ctigului. La punctul de test 0dB (RF MON) se msoar semnalul de RF n limitele 1dB. - Atenuatorul variabil ajusteaz nivelul RF de atac aplicat laserului i poate fi controlat manual. Acest nivel RF de atac poate fi ajustat i n mod automat, folosind funcia de control automat al ctigului (AGC - automatic gain control). La creterea ncrcrii cu canale a sistemului, operatorul trebuie s scad semnalul de intrare RF. Circuitul de predistorsionare urmrete anularea de amplitudine i faz pentru a reduce produsele CTB i CSO create de modulator. Circuitul de predistorsionare d natere la produse CTB de aceeai amplitudine dar defazate cu 1800 (antifaz) fa de cele generate de modulator, fcnd astfel ca cei doi produi CTB s se anuleze unul pe altul. n acest fel se minimizeaz CTB al transmitorului. Acest semnal este apoi ridicat de amplificatorul din circuitul de liniarizare cu controlul ctigului la nivelul

cerut pentru modularea ieirii laserului la un indice de modulaie optic adecvat (OMI - Optical Modulation Index). - Semnalul de RF de la amplificator este aplicat unui modulator extern pe baz de litiu-niobat cu dou porturi, care produce modulaia n amplitudine a ieirii laserului i tot el ofer ieirile optice ale acestui modul. - Laserul DFB (Distributed Feedback) modulat extern furnizeaz un semnal optic constant modulatorului. - Un rcitor termoelectric controlat pe baza unui termistor menine temperatura specificat pentru laser. - Circuitele de control automat al puterii (APC - Automatic Power Control) stabilizeaz puterea optic de ieire. - Microcontrolerul monitorizeaz i controleaz liniarizorul cu ctig controlat, reductorul SBS (mprtierea stimulat Brillouin - Stimulated Brillouin Scattering), laserul DFB i Demodulatorul CSO/Controlul polarizrii i de asemenea monitorizeaz condiiile de operare ale intrrii RF i ieirii laserului. Microcontrolerul poate interfaa i cu un PC cu Windows pentru monitorizare n reea. - SBS apare n cazul fibrelor de lungimi mari ce transport semnale optice de mare putere. SBS degradeaz raportul semnal/zgomot al semnalului optic recepionat prin reducerea puterii semnalului optic injectat, dar totodat i prin creterea zgomotului. Circuitul de reducere SBS lucreaz prin extinderea mprtierii (difuziei) semnalului optic prin modulaie de faz a purttoarei optice. Mrirea suprafeei pe care se transmite semnalul optic previne situaia ca puterea din orice zon a spectrului optic s depeasc un prag de la care ncep s apar efecte SBS. De asemenea SBS poate fi ajustat folosind un PC cu Windows prin intermediul unui port de interfaare. - Circuitul Demodulator CSO/Controlul polarizrii minimizeaz CSO (composite second order distorsiunea de ordinul al doilea). Acest circuit produce un ton pilot i polarizarea n curent continuu care se aplic la modulator. Tonul pilot este recuperat de la modulator i monitorizat pentru distorsiunile CSO. Polarizarea n curent continuu controleaz distorsiunile CSO ale tonului pilot care de asemenea minimizeaz CSO pentru ntreaga band de trecere. II.5.4. TRANSMITOR PE 1550 NM DE CALE DIRECT CU INTRARE DIGITAL

Intrare digitalPunct de test

Atenuator

Buffer

Atenuator Intrare analogicPunct de Detector test RF intrare

Punct de test

BufferModulul laser

Ieire laser

Buffer

Detector RF ieire

Detector RF total

MICROCONTROLER

Control polarizare Controlul sistemului de rcire

Fig.II.15. Transmitor pe 1550 nm de cale direct cu intrare digital

Se poate mpri emitorul n 3 seciuni principale: - alimentarea i interfaa de date cu restul echipamentului din headend (staia central); - microcontrollerul care controleaz diferitele funcii ale modulului emitor i integreaz modulul cu celelalte echipamente; - partea de prelucrare RF i optic ce face posibil transmisia semnalelor de band larg pe fibre optice. Ca i n exemplele anterioare, sunt folosite circuite special destinate obinerii unei puteri de ieire optice constante, un curent controlat de polarizare a laserului i un curent termoelectric de rcire (TEC) pentru controlul temperaturii laserului. Intrarea digital, elementul n plus fa de celelalte exemple, admite cel mult patru canale analogice sau fluxul de date de downstream (de la headend la clieni) existent n cazul aplicaiilor DOCSIS. Un alt element important pentru un transmitor optic l constituie interdependena dintre puterea semnalului de RF aplicat, indicele de modulaie optic (OMI Optical Modulation Index) i numrul de canale de transmis. OMI, prin analogie cu indicele de modulaie din cazul electric, este o indicaie de ct de mult este modulat (modificat) purttoarea optic, fiind exprimat ca un raport ntre puterile semnalului RF modulator i a semnalului optic purttor. Prin urmare, o cretere a nivelului semnalului RF de atac al laserului corespunde unei incrementri a valorii OMI. Ca exemplu, pentru o reea de dimensiuni medii, nivelul de RF de atac este n jur de 25 dBmV/canal, iar OMI aproximativ 4%. Facem precizarea c acest semnal RF depinde de semnalul RF de intrare, iar acesta la rndul lui de numrul de canale; cu creterea numrului de canale, nivelul RF de intrare va trebui sczut. Semnalul de intrare determin nivelul de modulaie n aa fel nct s se obin cel mai bun compromis ntre raportul semnal-zgomot (CNR) i nivelele de distorsiuni de intermodulaii de ordinul al doilea (CSO - Composite Second Order) i al treilea (CTB - Composite Triple Beat). Creterea nivelului RF de intrare ntr-un transmitor optic va determina un CNR mai bun, dar pe de alt parte vor crete distorsiunile CSO i CTB. Seciunea ce include microcontrolerul monitorizeaz tot modulul transmitor i convertete datele pentru i de la echipamentul de monitorizare central din headend. Datele respective pot fi: modelul, seria de fabricaie, nivele RF, parametri de operare ai laserului, tensiuni, cureni. n unele documentaii se recomand expres plasarea emitoarelor laser n headend astfel nct s existe spaii libere deasupra i dededubtul lor.