ΕΘΝΙΚΟ & ΚΑΠΟΔΙΣΤΡΙΑΚΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΑΘΗΝΩΝ

Παρουσίαση με θέμα: "ΕΘΝΙΚΟ & ΚΑΠΟΔΙΣΤΡΙΑΚΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΑΘΗΝΩΝ"— Μεταγράφημα παρουσίασης:

1 ΟΛΟΚΛΗΡΩΜΕΝΕΣ ΟΠΤΙΚΕΣ ΤΗΛΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΑΚΕΣ ΔΙΑΤΑΞΕΙΣ KAI KYMAΤΟΔΗΓΟΙ ΣΥΝΟΠTIKH ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ
ΕΘΝΙΚΟ & ΚΑΠΟΔΙΣΤΡΙΑΚΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΑΘΗΝΩΝ Τομέας Επικοινωνιών και Επεξεργασίας Σήματος Τμήμα Πληροφορικής & Τηλεπικοινωνιών

2 Ολοκληρωμένες οπτικές διατάξεις (OIC)
Περιεχόμενα Ολοκληρωμένες οπτικές διατάξεις (OIC) Τεχνικές επεξεργασίας οπτικού σήματος Οπτικά φίλτρα Οπτικοί συζεύκτες Οπτικοί διαμορφωτές Μετατροπείς μήκους κύματος

3 Οπτικά δίκτυα Ι Πολυπλεξία ΤDM – OTDM (Rb<=10Gbps)
Παράδειγμα οπτικού δικτύου πρώτης γενιάς. Η δρομολόγηση του σήματος γίνεται ηλεκτρονικά. Η εξέλιξη των επικοινωνιών υπήρξε Θεαματική σε όλη τη διάρκεια τον 20ού αιώνα. Ιδιαίτερα από το Β' Παγκόσμιο Πόλεμο και μετά, δόθηκε τεράστια σημασία στην τεχνολογία των συστημάτων επικοινωνώ με χρήση ηλεκτρικών σημάτων. Ανάμεσα στα πιο αξιόλογα επιτεύγματα της περιόδου αυτής επικοινωνιών το ραντάρ, τα μικροκυματικά συστήματα, το τρανζίστορ και τα ολοκληρωμένα κυκλώματα, οι ηλεκτρονικοί υπολογιστές, οι τηλεπικοινωνιακοί δορυφόροι και τα laser. Σήμερα όλος ο πλανήτης μας είναι διασυνδεδεμένος με συστήματα επικοινωνίας που μεταφέρουν ομιλία, κείμενο, εικόνες και διάφορες πληροφορίες. Κατευθυντήρια δύναμη και προϋπόθεση της εξέλιξης αυτής ήταν η αντίστοιχη εξέλιξη της Ηλεκτρονικής. Η Ηλεκτρονική σήμερα έχει αλλάξει τελείως φυσιογνωμία σε σχέση με το τί ήταν πριν 50 χρόνια. Μέχρι το 1950 ορίζαμε την Ηλεκτρονική ως τη σπονδή των φαινομένων της αγωγιμότητας στο κενό, στα αέρια, ή στους ημιαγωγούς, καθώς και τη χρήση των διατάξεων που βασίζονται στα φαινόμενα αυτά. Σήμερα, περιγράφεται η Ηλεκτρονική ως το σύνολο των τεχνικών που χρησιμοποιούν τις μεταβολές φυσικών μεγεθών (ηλεκτρομαγνητικών πεδίων, πληθυσμών φωτονίων και ηλεκτρικών φορέων) για να συλλάβουν, να διαβιβάσουν και να εκμεταλλευτούν μια πληροφορία. Η πληροφορία και η ανταλλαγή αυτής (δηλ. η επικοινωνία), γίνεται επικρατούσα μορφή-στόχος της νέας Ηλεκτρονικής. Εξετάζοντας τη φύση της πληροφορίας και τον τρόπο μετάδοσής της, διατρέχουμε ουσιαστικά και τις διάφορες όψεις της Ηλεκτρονικής ως Επιστήμης που ερευνά ή ως Βιομηχανίας που εφαρμόζει. Η ανταλλαγή πληροφορίας είναι η βάση της ανάπτυξης των επικοινωνιών. Στη χώρα μας, οι επικοινωνίες αλλάζουν με ταχύτατους ρυθμούς. Το παλιό αναλογικό τηλεφωνικό δημόσιο δίκτυο έχει σχεδόν πλήρως αντικατασταθεί με ψηφιακά δίκτυα και νέες τεχνολογίες και υπηρεσίες. Οι οπτικές ίνες είναι πλέον το απαραίτητο μέσο μετάδοσης πληροφορίας και παρόμοια ανάπτυξη γνωρίζουν οι ασυρματικές επικοινωνίες (λ.χ. δορυφορικές επικοινωνίες, κινητή τηλεφωνία). Όλες αυτές οι εξελίξεις βασίζονται στην ανάπτυξη της τεχνολογίας των: • Ολοκληρωμένων ημιαγωγικών κυκλωμάτων • Μικροκυματικών διατάξεων • Οπτικοηλεκτρονικών διατάξεων Στην ενότητα αυτή παρουσιαστούν συνοπτικά οι κυριότερες τεχνολογίες οι οποίες χρησιμοποιούνται στα συστήματα επικοινωνιών. ξεκινώντας από τα τρανζίστορ και φθάνοντας στην οπτικοηλεκτρονική ολοκλήρωση, θα μελετηθούν οι αρχές λειτουργίας και κατασκευής και οι εφαρμογές των κυριότερων δομικών στοιχείων των συστημάτων και θα σκιαγραφηθούν οι διαφαινόμενες τάσεις και προοπτικές. Παράδειγμα δικτύου δεύτερης γενιάς. Η δρομολόγηση του σήματος γίνεται οπτικά Πολυπλεξία ΤDM – OTDM (Rb<=10Gbps) Πολυπλεξία WDM (Rb<=n10Gbps), n ο αριθμός των χρησιμοποιούμενων λ

4 Οπτικά δίκτυα ΙΙ λ3 λ1 λ2 λ1,λ2, λ3 λ1,λ2, ,λ3 λ1,λ2 ,λ3 Η διαχείριση των σημάτων σε οπτική μορφή δεν είναι καθόλου απλή υπόθεση. Η χωρική μεταγωγή (space switching) που εύκολα υλοποιείται στα συμβατικά δίκτυα, δεν μπορεί να υλοποιηθεί με την ίδια ευκολία, στα αμιγώς οπτικά δίκτυα. Με την πολυπλεξία μήκους κύματος η δυνατότητα επιλογής μήκους κύματος προσφέρει έναν επιπλέον βαθμό ελευθερίας και το μήκος κύματος χρησιμοποιείται για τη δρομολόγηση των δεδομένων. Υπάρχουν δύο κατηγορίες δικτύων δεύτερης γενιάς που χρησιμοποιούν την πολυπλεξία μήκους κύματος για να επιτύχουν δρομολόγηση των σημάτων μεταξύ των κόμβων: Τα δίκτυα εκπομπής και επιλογής (Βroadcast and Select - BS) και τα δίκτυα δρομολόγησης μήκους κύματος (wavelength routing –WR) Παράδειγμα οπτικού δικτύου μετάδοσης και επιλογής (Broadcast and Select)

5 Δομικά στοιχεία σύγχρονων οπτικών συστημάτων
Οπτικά φίλτρα Μεταγωγείς χώρου Μετατροπείς μήκους κύματος Διαμορφωτές αλλά και Φωτοπηγές Φωτοδέκτες Οπτικοί ενισχυτές

6 Δομικά στοιχεία σύγχρονων οπτικών συστημάτων
Σε όλες τις περιπτώσεις η σωστή σχεδίαση των κυματοδηγών που αποτελούν τη διάταξη και τα χρησιμοποιούμενα υλικά είναι βασική προϋπόθεση για τη σωστή λειτουργία της homojunctions Heterostructures

7 Οπτικά φίλτρα και μεταγωγείς
Κάθε κόμβος του δικτύου θα πρέπει να συνδυάζει όλα τα μήκη κύματος σε ένα σήμα και να το οδηγεί σε μία οπτική ίνα (πολυπλεξία). Επίσης, κάθε κόμβος θα πρέπει να διαχωρίζει τα διάφορα μήκη κύματος τα οποία καταλήγουν σε αυτόν μέσω μίας οπτικής ίνας (αποπολυπλεξία) Φράγματα περίθλασης Φράγματα Bragg Συμβολόμετρα Mach Zenhder Φίλτρα Thin film Φίλτρο Fabry-Perot AWG –φίλτρα συστοιχίας κυματοδηγών

8 Χαρακτηριστικές παράμετροι οπτικών φίλτρων
Τα βασικά μεγέθη χαρακτηρισμού των φίλτρων είναι η ελεύθερη φασματική περιοχή (free spectral range – FSR) που αντιστοιχεί στην περιοχή συντονισμού του φίλτρου, το πλήρες εύρος στο μισό μέγιστο κάθε κορυφής (full width at half maximum – FWHM), δηλαδή το εύρος μισής ισχύος (-3dB) κάθε κορυφής και η λεπτότητα (Finesse – F).Το τελευταίο αυτό μέγεθος ισούται με το πηλίκο της FSR προς το FWHM και εκφράζει την οξύτητα του φίλτρου ως προς την περίοδο επανάληψης.

9 Οπτικά φράγματα Ο όρος φράγμα χρησιμοποιείται για να περιγράψει κάθε διάταξη της οποίας η λειτουργία στηρίζεται στο φαινόμενο της συμβολής μεταξύ δύο ή περισσοτέρων οπτικών σημάτων που προέρχονται από την ίδια πηγή και που παρουσιάζουν διαφορά φάσης μεταξύ τους. Η διαφορά φάσης που παρουσιάζεται εξαρτάται από το μήκος κύματος λ, του οπτικού σήματος. Για τα μήκη κύματος που η διαφορά φάσης μεταξύ των οπτικών σημάτων ισούται με πολλαπλάσιο του 2π, τα σήματα συμβάλλουν θετικά και μεγιστοποιείται η ένταση του συνολικού οπτικού σήματος. Αντίθετα αν η διαφορά φάσης ισούται με περιττό πολλαπλάσιο του π, τότε τα σήματα συμβάλουν καταστροφικά και η ένταση του συνολικού σήματος ελαχιστοποιείται. Επομένως η ένταση του οπτικού πεδίου εξαρτάται από το μήκος κύματός του και το φράγμα δρα σαν ένα οπτικό φίλτρο

10 Φράγματα Περίθλασης: (α) Διέλευσης και (β) Ανάκλασης
Φράγματα περίθλασης Δύο είδη φραγμάτων περίθλασης : φράγμα διέλευσης (transmission grating) φράγμα ανάκλασης (reflection grating) λ1 λ2 λ1+λ2 θd1 θd2 (α) (β) Επίπεδο Φράγματος Επίπεδο Εικόνας Φράγματα Περίθλασης: (α) Διέλευσης και (β) Ανάκλασης

11 Φράγματα περίθλασης διαφορά φάσης Δφ μεταξύ των κυμάτων που προέρχονται από δύο γειτονικές σχισμές θα είναι : B A D θd Προς Επίπεδο Εικόνων C α θi Υπολογισμός της γωνίας θd κατά την οποία η ένταση του φωτεινού σήματος είναι μέγιστη Η ένταση του οπτικού σήματος λαμβάνει τη μέγιστη τιμή της όταν Δφ=m2π

12 Φράγματα περίθλασης m: Τάξη του φράγματος
Αν τοποθετήσουμε μία οπτική ίνα κατά την διεύθυνση της γωνίας θd(λ1) τότε το φως το οποίο θα προσπέσει στην οπτική ίνα θα βρίσκεται συγκεντρωμένο κατά κύριο λόγο γύρω από το μήκος κύματος λ1. Επομένως, το φράγμα περίθλασης στην ουσία δρα ως ένας αποπολυπλέκτης μήκους κύματος. Με παρόμοιο τρόπο μπορούμε να δείξουμε πως εάν οπτικά σήματα με μήκη κύματος λ1,…,λΝ προσπίπτουν στο φράγμα υπό γωνίες θd(λ1),…,θd(λΝ) τότε κατά τη διεύθυνση θi τα μήκη κύματος θα συνδυαστούν. Επομένως το φράγμα δρα και ως πολυπλέκτης μήκους κύματος. x log10(I(x)) Κατανομή της έντασης του φωτεινού κύματος που παράγεται από ένα φράγμα περίθλασης

13 Φράγματα Bragg Εν γένει, κάθε περιοδική διαταραχή στο μέσο διάδοσης ονομάζεται φράγμα Bragg Η περιοδική διαταραχή στο μέσο διάδοσης, συνήθως επιτυγχάνεται με μεταβολή του δείκτη διάθλασης του μέσου Εξαιτίας της περιοδικής διαταραχής του μέσου, λαμβάνει χώρα σύζευξη μεταξύ των τρόπων διάδοσης του μέσου Η ανταλλαγή ενέργειας μεταξύ δύο τρόπων μεγιστοποιείται αν ισχύει η συνθήκη Bragg:

14 Φράγματα Bragg Στα φράγματα Bragg που χρησιμοποιούνται για πολυπλεξία και αποπολυπλεξία μήκους κύματος οι τρόποι στους οποίους λαμβάνει ανταλλαγή ενέργειας έχουν την ίδια σταθερά διάδοσης αλλά αντίθετη κατεύθυνση διάδοσης (β1=-β0). Το μήκος κύματος λ0 στο οποίο η ανταλλαγή ενέργειας μεγιστοποιείται υπολογίζεται χρησιμοποιώντας το γεγονός ότι β0=2πneff/λ0 Γύρω από το μήκος κύματος λ0 το φως ανακλάται από το φράγμα επειδή η ισχύς από τον τρόπο που διαδίδεται στην κατεύθυνση +z μεταφέρεται στον τρόπο που διαδίδεται στην κατεύθυνση –z Επομένως το φράγμα Bragg μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να επιλεγεί ένα συγκεκριμένο μήκος κύματος λ=λ0

15 Bragg Reflectors Portion of the light is reflected at each interface.
Only for one wavelength can a coherent addition be performed. Wavelength satisfying the Bragg Condition, λB: 2Λneff=λB neff is the effective index of the waveguide core. Very narrow bandwidths are possible.

16 Η συνάρτηση μεταφοράς ισχύος ενός ομοιογενούς φράγματος Bragg
κL=2 κL=8 Η συνάρτηση μεταφοράς ισχύος ενός ομοιογενούς φράγματος Bragg Κ σταθερά σύζευξης, L μήκος φράγματος

17 Αdd drop multiplexer

18 Οπτικοί συζεύκτες Ο κατευθυντικός συζεύκτης αποτελεί μια πολύ ευέλικτη διάταξη. Χρησιμοποιείται σαν διαιρέτης οπτικής ισχύος, σαν φίλτρο μηκών κύματος, σαν επιλογέας ή και μετατροπέας καταστάσεων πόλωσης και σαν μεταγωγός για τη δρομολόγηση του οπτικού σήματος Στην συνήθη μορφή του, ο κατευθυντικός συζεύκτης αποτελείται από ένα ζεύγος παράλληλων, όμοιων, μονότροπων κυματοδηγών, σε πολύ κοντινή απόσταση μεταξύ τους. Η οπτική ισχύς που εισάγεται στον ένα κυματοδηγό μεταφέρεται τελικά στον άλλο, σαν αποτέλεσμα της επικάλυψης των “αποσβενύμενων” πεδίων των τρόπων διάδοσης των δύο κυματοδηγών.

19 Οπτικοί συζεύκτες

20 Οπτικοί συζεύκτες Η λειτουργία των διατάξεων αυτών, περιγράφεται προσεγγιστικά με τη βοήθεια του μοντέλου των υπερτρόπων (supermodes). Θεωρώντας ότι οι κυματοδηγοί του συζεύκτη είναι μονότροποι, ο θεμελιώδης ή μηδενικής τάξης υπερτρόπος του συστήματος των δύο κυματοδηγών, προσεγγίζεται από το άθροισμα των πεδίων των αδιατάρακτων τρόπων διάδοσης του κάθε κυματοδηγού, ενώ ο υπερτρόπος πρώτης τάξης από τη διαφορά τους Οι δύο αυτοί υπερτρόποι παρουσιάζουν άρτια και περιττή συμμετρία ως προς τη διεύθυνση διάδοσης z και έχουν σταθερές διάδοσης βe και βο αντίστοιχα Η συμβολή τους σε κάθε σημείο z περιγράφει τη διάδοση κατά μήκος του συζεύκτη και είναι προφανώς συνάρτηση της διαφοράς φάσης τους Δφ = (βe - βο)z. Ολική μεταφορά της οπτικής ισχύος από τον ένα κυματοδηγό στον άλλο, έχουμε στο μήκος Lc για το οποίο ισχύει: (βe - βο) Lc = π Lc το μήκος σύζευξης, κ η σταθερά σύξευξης των κυματοδηγών

21 Οπτικοί συζεύκτες

22 Οπτικοί συζεύκτες λ=1.53μm λ=1.3μm

23 Συμβολόμετρα Μach Zehder
Στο συμβολόμετρο Mach-Zehnder το οπτικό σήμα συμβάλει με μία καθυστερημένη έκδοση του εαυτού του. Όπως και στο φράγμα περίθλασης, η ένταση του πεδίου συμβολής εξαρτάται από το μήκος κύματος. Το συμβολόμετρο Mach-Zehnder κατασκευάζεται συνήθως σε ολοκληρωμένη μορφή, χρησιμοποιώντας τεχνικές ολοκληρωμένης οπτικής Συνίσταται σε δύο συζεύκτες, ένας εκ των οποίων διαμοιράζει την οπτική ισχύ μεταξύ δύο οπτικών δρόμων με διαφορετικό μήκος Σχήμα 2-20: Συμβολόμετρο Mach Zehnder Τi(λ) T2(λ) T1(λ) λ

24 Συμβολόμετρα Μach Zehder

25 Συμβολόμετρα Μach Zehder

26 Συμβολόμετρο Mach Zehnder πολλαπλών τμημάτων
Τtot(λ) λ

27 Φίλτρα λεπτών υμενίων –Thin films
Τα φίλτρα πολλαπλών λεπτών διηλεκτρικών υμενίων (multilayer thin film filters) βασίζονται στις ιδιότητες της ανάκλασης του φωτός από διαδοχικά τοποθετημένα στρώματα διηλεκτρικού υλικού Καθώς το οπτικό κύμα διέρχεται δια μέσου των διηλεκτρικών στρωμάτων ένα τμήμα της οπτικής ισχύος ανακλάται στις επαφές μεταξύ διηλεκτρικών στρωμάτων ενώ ένα άλλο τμήμα συνεχίζει να διαδίδεται προς τα θετικά z Το ποσοστό ισχύος που ανακλάται εξαρτάται από το μήκος κύματος του οπτικού σήματος και επομένως η διάταξη λειτουργεί ως οπτικό φίλτρο Εμπρόσθιο Κύμα Τ(λ0/λ) (dB) Ανακλώμενο Κύμα Μετάδοση ενός οπτικού κύματος μέσα από μία σειρά λεπτών διηλεκτρικών υμενίων λ0/λ Συνάρτηση μεταφοράς ισχύος του διαδιδόμενου κύματος μέσω τριών διηλεκτρικών στρωμάτων με δείκτες διάθλασης n1=n3=1.47 και n2=2.3. To μεσαίο διηλεκτρικό στρώμα έχει πάχος l=λ0/2/n2.

28 Συνάρτηση Μεταφοράς Ισχύος ενός φίλτρου Fabry Perot με Α=0
Φίλτρα Fabry Perot I Η αρχή λειτουργίας των φίλτρων Fabry-Perot συνίσταται στην πολλαπλή διέλευση ενός οπτικού κύματος μέσα από μία κοιλότητα στα άκρα της οποίας υπάρχουν ανακλαστικές επιφάνειες Τα κύματα που εξέρχονται από την άλλη άκρη της διάταξης συμβάλλουν και η ένταση του μεταδιδόμενου κύματος εξαρτάται από το μήκος κύματος του οπτικού σήματος Συνάρτηση Μεταφοράς Ισχύος ενός φίλτρου Fabry Perot με Α=0 R=0.04 R=0.2 R=0.9 φ/2π Τ(λ) Φίλτρο Fabry-Perot

29 Φίλτρα Fabry Perot II

30 Απόκριση Φίλτρων Fabry Perot

31 Anti reflection coatings
T01 = 1-R01 και T1S = 1-R1S The use of an intermediate layer to form an antireflection coating can be thought of as analoguous to the technique of impedance matching of electrical signals

32 Φράγμα συστοιχίας κυματοδηγών AWG
Οι AWG κατασκευάζονται πάνω σε υποστρώματα πυριτίου ή ημιαγωγικού υλικού InP και χρησιμοποιούνται συχνά στα δίκτυα WDM ως πολυπλέκτες, αποπολυπλέκτες και δρομολογητές μήκους κύματος Ένας ADM μπορεί να κατασκευαστεί ολοκληρώνοντας ένα AWG με ημιαγωγικούς ενισχυτές στο ίδιο υπόστρωμα

33 Φράγμα Συστοιχίας Κυματοδηγών
AWG Μία συστοιχία κυματοδηγών με διαφορετικά μήκη δρα ως οπτικό φίλτρο, κατά παρόμοιο τρόπο με το φράγμα περίθλασης. Το WDM σήμα στους κυματοδηγούς εισόδου εισέρχεται στο συζεύκτη αστέρα εισόδου που αποτελείται από έναν επίπεδο διηλεκτρικό κυματοδηγό Στο εσωτερικό του συζεύκτη αστέρα η οπτική δέσμη αρχίζει να διευρύνεται και προσπίπτει στη συστοιχία των κυματοδηγών που αποτελούν το φράγμα. Το μήκος του κάθε κυματοδηγού διαφέρει κατά μία σταθερή ποσότητα ΔL από το μήκος του γειτονικού του κυματοδηγού. Τα οπτικά κύματα που διαδίδονται μέσα στους κυματοδηγούς της συστοιχίας φτάνουν στο συζεύκτη αστέρα εξόδου, με μία διαφορά φάσης που εξαρτάται και από το μήκος κύματος Ο συζεύκτης εξόδου εστιάζει την οπτική δέσμη στους κυματοδηγούς εξόδου ανάλογα με τη διαφορά φάσης που έχουν μεταξύ τους τα οπτικά κύματα και η οποία είναι συνάρτηση του μήκους κύματος Η εστίαση είναι διαφορετική για κάθε συνιστώσα του WDM σήματος, με αποτέλεσμα οι διάφορες συνιστώσες να διαχωρίζονται στην έξοδο της διάταξης Φράγμα Συστοιχίας Κυματοδηγών

34 Μέθοδοι ελέγχου οπτικού σήματος
Εξωτερικός έλεγχος

35 Μέθοδοι ελέγχου οπτικού σήματος
Ακουστοοπτικός έλεγχος. Εδώ, μέσω επιφανειακών ελαστικών κυμάτων (ακουστικών) μεταβάλλεται ο δείκτης διάθλασης ενός κατάλληλου κρυστάλλου (ZnO, LiNbO3). Ως πηγή αυτών των κυμάτων ελέγχου χρησιμοποιούνται πιεζοηλεκτρικά υλικά διεγειρόμενα από ηλεκτρικό σήμα [Dixon 1967, Lean 1976]. Λόγω του ότι τα ηχητικά κύματα παρουσιάζουν στη δομή τους περιοδικά πυκνώματα και αραιώματα, η μεταβολή στο δείκτη διάθλασης του κρυστάλλου, παρουσιάζει ανάλογη περιοδικότητα. Η μέθοδος χρησιμοποιείται κυρίως στην τεχνολογία του LiNbO3 για την κατασκευή φραγμάτων περίθλασης (grating) με μεγάλο πλήθος εφαρμογών. Θερμοοπτικός έλεγχος. Η εξάρτηση του δείκτη διάθλασης ορισμένων υλικών από τη θερμοκρασία είναι αρκετά ισχυρή. Για παράδειγμα ο δείκτης διάθλασης του LiNbO3 αυξάνει κατά όταν η θερμο­κρασία του κρυστάλλου μεταβάλλεται από 25 οC σε 100 οC. Το φαινόμενο αυτό, γνωστό και ως θερμοοπτικό φαινό­­μενο παρατηρείται σε όλα τα διαφανή διηλεκτρικά αλλά και στα υπόλοιπα υλικά της ολοκληρωμένης οπτικής [Haruna et al 1984]. Στις ημιαγωγικές διατάξεις της ομάδας III-V εντοπίζεται στην κατασκευή συστοιχιών μεταγωγέων. Όμως οι ταχύτητες μεταγωγής που επιτυγχάνονται, περιορίζονται στο 1 ms κυρίως εξαιτίας της μη μηδενικής θερμοχωρητικότητας των αντιστοίχων διατάξεων [Keil et al 1994]. Μαγνητοοπτικός έλεγχος. Βασίζεται στο μαγνητοοπτικό φαινόμενο στο οποίο ο δείκτης διάθλασης του κρυστάλλου μεταβάλλεται υπό την επίδραση μαγνητικού πεδίου. Στην περίπτωση αυτή ο διηλεκτρικός τανυστής χάνει τη συμμετρία του και για το υλικό παύει να ισχύει η αρχή της αντιστρεπτότητας (reciprocity) της πορείας του φωτός. Χρησιμοποιείται κυρίως για την κατασκευή οπτικών απομονωτών (isolator) [Shirasaki M. et al 1984]. Ηλεκτροοπτικός έλεγχος. Εδώ ο δείκτης διάθλασης του κρυστάλλου μεταβάλλεται ακολουθώντας τις μεταβολές εξωτερικού ηλεκτρικού πεδίου. Το ηλεκτροοπτικό φαινόμενο χρησιμοποιείται στις υβριδικές διατάξεις του LiNbO3, όπου είναι αρκετά ισχυρό, αλλά και σε παρόμοιες μονολιθικά ολοκληρωμένες διατάξεις. Ηλεκτροοπτική απορρόφηση (Electrooptical absorption). Η επίδραση εξωτερικού ηλεκτρικού πεδίου στην διαζωνική απορρόφηση και για ενέργειες των φωτονίων πολύ κοντά στην ενέργεια χάσματος του ημιαγωγού, εκφράζεται με τα φαινόμενα Franz-Keldysh και Stark

36 Οπτική διαμόρφωση Direct modulation on semiconductor lasers:
Output frequency shifts with drive signal carrier induced (chirp) temperature variation due to carrier modulation Limited extinction ratio à because we don’t want to turn off laser at 0-bits Επίδραση στο γινόμενο distance*bit-rate External modulation Electro-optical modulation Electroabsorption (EA) modulation Chirp can still exist (αλλά είναι μικρότερη) Facilitates integration Always incur 6-7 dB insertion loss

37 Πλεονεκτήματα -μειονεκτήματα

38 Οπτικοί διαμορφωτές ΕΟ
Επαφή Shottky 001 z y x n- GaAs n+ GaAs n+ GaAs LiNbO3, ηλεκτροοπτικά υλικά

39 Λειτουργία του ΙΜ modulator

40 Συνάρτηση μεταφοράς

41 Παράμετροι λειτουργίας
Η εξέλιξη των επικοινωνιών υπήρξε Θεαματική σε όλη τη διάρκεια τον 20ού αιώνα. Ιδιαίτερα από το Β' Παγκόσμιο Πόλεμο και μετά, δόθηκε τεράστια σημασία στην τεχνολογία των συστημάτων επικοινωνώ με χρήση ηλεκτρικών σημάτων. Ανάμεσα στα πιο αξιόλογα επιτεύγματα της περιόδου αυτής επικοινωνιών το ραντάρ, τα μικροκυματικά συστήματα, το τρανζίστορ και τα ολοκληρωμένα κυκλώματα, οι ηλεκτρονικοί υπολογιστές, οι τηλεπικοινωνιακοί δορυφόροι και τα laser. Σήμερα όλος ο πλανήτης μας είναι διασυνδεδεμένος με συστήματα επικοινωνίας που μεταφέρουν ομιλία, κείμενο, εικόνες και διάφορες πληροφορίες. Κατευθυντήρια δύναμη και προϋπόθεση της εξέλιξης αυτής ήταν η αντίστοιχη εξέλιξη της Ηλεκτρονικής. Η Ηλεκτρονική σήμερα έχει αλλάξει τελείως φυσιογνωμία σε σχέση με το τί ήταν πριν 50 χρόνια. Μέχρι το 1950 ορίζαμε την Ηλεκτρονική ως τη σπονδή των φαινομένων της αγωγιμότητας στο κενό, στα αέρια, ή στους ημιαγωγούς, καθώς και τη χρήση των διατάξεων που βασίζονται στα φαινόμενα αυτά. Σήμερα, περιγράφεται η Ηλεκτρονική ως το σύνολο των τεχνικών που χρησιμοποιούν τις μεταβολές φυσικών μεγεθών (ηλεκτρομαγνητικών πεδίων, πληθυσμών φωτονίων και ηλεκτρικών φορέων) για να συλλάβουν, να διαβιβάσουν και να εκμεταλλευτούν μια πληροφορία. Η πληροφορία και η ανταλλαγή αυτής (δηλ. η επικοινωνία), γίνεται επικρατούσα μορφή-στόχος της νέας Ηλεκτρονικής. Εξετάζοντας τη φύση της πληροφορίας και τον τρόπο μετάδοσής της, διατρέχουμε ουσιαστικά και τις διάφορες όψεις της Ηλεκτρονικής ως Επιστήμης που ερευνά ή ως Βιομηχανίας που εφαρμόζει. Η ανταλλαγή πληροφορίας είναι η βάση της ανάπτυξης των επικοινωνιών. Στη χώρα μας, οι επικοινωνίες αλλάζουν με ταχύτατους ρυθμούς. Το παλιό αναλογικό τηλεφωνικό δημόσιο δίκτυο έχει σχεδόν πλήρως αντικατασταθεί με ψηφιακά δίκτυα και νέες τεχνολογίες και υπηρεσίες. Οι οπτικές ίνες είναι πλέον το απαραίτητο μέσο μετάδοσης πληροφορίας και παρόμοια ανάπτυξη γνωρίζουν οι ασυρματικές επικοινωνίες (λ.χ. δορυφορικές επικοινωνίες, κινητή τηλεφωνία). Όλες αυτές οι εξελίξεις βασίζονται στην ανάπτυξη της τεχνολογίας των: • Ολοκληρωμένων ημιαγωγικών κυκλωμάτων • Μικροκυματικών διατάξεων • Οπτικοηλεκτρονικών διατάξεων Στην ενότητα αυτή παρουσιαστούν συνοπτικά οι κυριότερες τεχνολογίες οι οποίες χρησιμοποιούνται στα συστήματα επικοινωνιών. ξεκινώντας από τα τρανζίστορ και φθάνοντας στην οπτικοηλεκτρονική ολοκλήρωση, θα μελετηθούν οι αρχές λειτουργίας και κατασκευής και οι εφαρμογές των κυριότερων δομικών στοιχείων των συστημάτων και θα σκιαγραφηθούν οι διαφαινόμενες τάσεις και προοπτικές.

42 Modulator Basics switching curve modulation response
Insertion loss (dB) = 10 log10 (Imax/I0) Extinction ratio (dB) = -10 log10 (Imin/Imax)

43 Typical Electrooptic Modulator
Electrooptic effect Optical phase shift = DF = DbO L = kODneoL Local change in index of refraction = Dneo = -(n3r/2)Ea Effective change of index = DNeo = -(n3r/2)G (V/G)

44 Electroabsorption (EA) Modulator
EA modulator is a semiconductor device Typically has the same structure as the laser diode. Use an applied electric field (reverse bias) to change the absorption spectrum. Absorption spectrum changes with applied electric field Franz -Keldysh Effect Extinction ratio enhancement in quantum well structures Quantum confined Stark effect

45 Schematics of an EA modulator
Μεταβολή του συντελεστή εξασθένισης λογω μεταβολής εξωτερικού ηλ. πεδίου

46 Πλεονεκτήματα ΕΑ διαμορφωτών
Zero biasing voltage Low driving voltage Low/negative chirp High speed Integrated with DFB

47 Μετατροπείς μήκους κύματος
Οπτικό-ηλεκτρονική μετατροπή. Στους οπτικό-ηλεκτρονικούς μετατροπείς το οπτικό σήμα μετατρέπεται σε ηλεκτρικό το οποίο διαμορφώνει ένα LASER που είναι συντονισμένο στο επιθυμητό μήκος κύματος. Διαμόρφωση Απολαβής σε SOA. Η διαμόρφωση απολαβής σε ένα SOA: η απολαβή του SOA εξαρτάται από την ισχύ του σήματος που το διατρέχει. Εξαιτίας των μεταβολών της απολαβής του ενισχυτή, ένα μονοχρωματικό κύμα σε ένα μήκος κύματος λ1 διαμορφώνεται κατά πλάτος από ένα άλλο σήμα που βρίσκεται σε ένα άλλο μήκος κύματος λ2, οπότε η πληροφορία του σήματος στο λ2 μεταφέρεται στο μήκος κύματος λ1. Διαμόρφωση Φάσης σε SOA. Ένα κύμα το οποίο διαδίδεται μέσα στον ενισχυτή στο μήκος κύματος λ2 επηρεάζει την τιμή του δείκτη διάθλασης του SOA, που με την σειρά του επηρεάζει τη φάση ενός μονοχρωματικού κύματος σε ένα άλλο μήκος κύματος λ1. Με κατάλληλη συμβολομετρική συνδεσμολογία δύο SOA, οι μεταβολές της φάσης μετατρέπονται σε μεταβολές πλάτους, οπότε το μονοχρωματικό κύμα στο λ1 διαμορφώνεται κατά πλάτος από το σήμα του λ2. Μίξη Κυμάτων σε SOA. Κατά τη μέθοδο αυτή, δύο οπτικά κύματα που διαδίδονται μέσα στον ενισχυτή γεννούν λόγω του φαινομένου της μίξης τεσσάρων κυμάτων ένα άλλο κύμα, με μήκος κύματος που εξαρτάται από τα μήκη κύματος των δύο αρχικών κυμάτων. Αν το ένα από τα αρχικά σήματα είναι διαμορφωμένο τότε η διαμόρφωση αυτή μεταφέρεται και στο παραγόμενο κύμα με αποτέλεσμα την μετατροπή μήκους κύματος.

48 MEMS for Optical Switching
3D for port counts >32 2D for port counts <32 AT&T Labs Advantage: Simple digital control Disadvantage: Optical beam traveling limited to 2-D plane, need N2 mirrors for N port. 32-port is probably the limit for single stage Advantage: Optical beam traveling in 3-D space, need 2N mirrors for N port, potentially scalable to 4000-port in single stage Disadvantage: Needs precise analog control - servo feedback required in general

49 2N – 3 Dimensional Optical Switch
Lucent