Integrované prvky pro systémy WDM a OTDM

Átírás

1 Integrované prvky pro systémy WDM a OTDM Ing.Vítězslav Jeřábek, CSc SIS 2009 jerabek@fel.cvut cvut.czcz

2 Integrované prvky pro WDM a OTDM systémy rozdělen lení Optické a optoelektronické prvky pro multiplexní přenosové systémy WDM a DWDM integrovaná laserová pole, multifrekvenční lasery, vlnové multiplexory a demultiplexory, fotodetektorová pole, optické zesilovače e a.p. Optické a optoelektronické prvky pro multiplexní přepojovací systémy WDM a DWDM vlnové routery,, přepp epínací matice, vlnové konvertory a.p. Optické a optoelektronické prvky pro multiplexní přenosové systémy OTDM časové multiplexory a demultiplexory, pikosekundové generátory a.p.

3 Integrované optické přenosové systémy Multiplexní přenosové systémy ETDM - elektrický časový multiplex.. Modulační metoda kódující jednotlivé kanály do sledu sériových s časových elektrických impulsů WDM (DWDM) - vlnový mutliplex ( hustý vlnový multiplex). Modulační metoda kódujk dující jednotlivé kanály do více v optických kmitočtů OTDM časový multiplex.. Modulační metoda jednotlivé kanály do sledu sériových s časových optických impulsů

4 Integrované optické WDM přenosovp enosové systémy Výhody: Dobré využit ití přenosové kapacity optických vlnovodů ( pro WDM desítky kanálů spektráln lní šířky 4 nm,, pro DWDM stovky kanálů spektráln lní šířky 0,4 nm ) Úspora optických vláken Transparentnost nezávislost na typu kódovk dování Pružné rozšiřov ování přenosové kapacity přidp idáním m vlnové délky Snížen ení požadavk adavků na přenosovou p rychlost a tím t m prodloužen ení opakovacích ch úseků Nevýhody: Vložný útlum optických multiplexerů zvyšuje útlum optického spoje Velký rozptyl dosahu optického spoje daný OZ Velmi technologicky náron ročné součástky stky

5 Integrované optické OTDM přenosovp enosové systémy Výhody: Úspora optických vláken Systém m nevyžaduje velmi úzkou spektráln lní čáru nenastávaj vají problémy s přeslechy a optickými nelinearitami Možnost využit ití čistě optických prvků,, a tím t m dosažen ení vysokých přenosových rychlostí Nevýhody: Velké nároky na dynamické vlastnosti optoelektronických součástek stek Nedochází k úspoře e modulační šířky pásma p snížen ením m přenosovp enosové rychlosti a použit itím m více v vlnových kanálů Nutnost využit ití spacielních ch optických prvků pro generaci optických impulsů a jejich demultiplexování

6 Integrované optické přenosové systémy Porovnání informační kapacity různých systémů s intenzitní modulací

7 Integrované optické systémy WDM a DWDM Blokové schéma přenosového systému WDM

8 Integrované laserové vysilače e pro WDM Obecné požadavky Velký optický výkon Teplotně a proudově stabilní vlnová délka resp. vlnové délky ve III. optickém m okně Velká a rychlá přeladitelnost vlnové délky Úzká spektráln lní čára Malý podíl l spontánn nní emise zářenz ení Malé rozměry ry a dobrá sériovost Základní typy laserů pro WDM Soustava diskrétn tních laserů Monolitické multivlnové lasery Laserové diody s vnější ším m rezonátorem

9 Integrované laserové vysilače e pro WDM Řízení optické frekvence integrovaného LD

10 Integrované laserové vysilače e pro WDM Vlastnosti Přeladitelné DBR LD emitují záření pouze na jedné vlnové délce, jsou přelap elaďované změnou indexu lomu ve fázovacf zovací sekci PS nebo v DBR. PřeladP eladění s PS aža 10nm s SG-DBR ( sampled gratings-dbr ) aža 40nm ( 50 kanálů ). Při P i použit ití integrovaného SOA je optický výkon aža 4 mw.. Elektronické řízení přelaďování je nutné a značně složit ité. Laserové pole využívá DFB jedné nebo více v optických mřížek. m ek. MůžM ůže emitovat aža 8 vlnových délek d současn asně,, každá LD ve 3 různých r λ,, které jsou dolaďov ovány teplotou s přeladp eladěním m 5 nm.. Toto řešení má 24 kanálů s využit itím m SOA lze dosáhnout 10 aža 20 mw optického výkonu

11 Integrované laserové vysilače e pro WDM Přeladitelný SG-DBR laserový vysilač s EA modulátorem a SOA od fy. Agility Com. [ 1 ]

12 Integrované laserové vysilače e pro WDM

13 Integrované laserové vysilače e pro WDM DFB laserové pole s integrovaným vlnovým multiplexorem

14 Integrované laserové vysilače e pro WDM DFB LD pole s vlnovým výběrem s tepelným přelaďováním od fy. NEC [ 2 ]

15 Integrované laserové vysilače e pro WDM Vlastnosti MFL s fázovou f mřížkoum kou umožň žňuje dosažen ení největší šířky pásma, aža 65 nm ( odpovídá 80 kanálům m ) při p i výkonu 1mW. MFL s fázovou f mřížkou, m nelze individuáln lně přelaďovat, pouze skupinově s teplotou. Výhodou je menší technologická náročnost. VCSEL s vnější ším m rezonátorem - využívá individuáln lního přelaďování laserů s využit itím m pohyblivého ho reflektoru a difrakční mřížky s mikro-mechanickým mechanickým ovládáním. Možnost přeladění je kolem 30 nm (odpovídá 40 kanálům) při p i výkonu až 200 μw,, s optickým čerpáním m aža 20 mw.

16 Integrované laserové vysilače e pro WDM Schematické provedení MFL lit. [ 3 ]

17 Integrované laserové vysilače e pro WDM Optické spektrum MFL [ 3 ]

18 Integrované laserové vysilače e pro WDM Integrovaný MF laserový vysilač vnitřní uspořádání modulu

19 Integrované laserové vysilače e pro WDM VCSELaser přeladitelný mikromechanickými elementy lit. [ 4 ]

20 Integrované laserové vysilače e pro WDM Laser s mikroopticky integrovanou vláknovou Braggovou optickou mřížkoum kou-(fgl-ecl fiber Bragg grating external cavity laser) je tvořen SOA se zadním m reflektorem a vláknovou optickou mřížkou ve formě ferrule,, která tvoří druhé zrcadlo ECL Laser s hybridně integrovanou Braggovou optickou mřížkou-(hi-ecl hybrid integrating external cavity laser ) je tvořen SS-LD (spot-size size LD) navázanou na planárn rní optický vlnovod realizovaný jako PLC (planar( lightwave circuit) ) na Si s Braggovskou mřížkou vytvořenou UV zářenz ením

21 Integrované laserové vysilače e pro WDM Mikrooptický integrovaný laser s Braggovým rezonátorem lit. [ 5 ]

22 Integrované laserové vysilače e pro WDM FEC-LD natsavení spektrálního maxima lit. [ 5 ]

23 Integrované laserové vysilače e pro WDM Multivlnový SS - LD laser s hybridně integrovanou Braggovou optickou mřížkou [6]

24 Integrované laserové vysilače e pro WDM Porovnání vlastností některých WDM integrovaných vysílačů osazených DFB-LD a FGL-LD

25 Integrované laserové vysilače e pro WDM Použit ití monolitických integrovaných vysíla lačů pro WDM Pro menší počet vlnových délekd je výhodnější integrované DFB laserové pole - malé rozměry, ry, přesnp esnější vlnová délka s malou závislostz vislostí na teplotě. Pro větší počet vlnových délekd lek,, kde nevadí větší rozměry ry čipu a nemožnost nost individuáln lního přelap elaďování jsou výhodnější MFL. Pro dosažen ení velkého přeladp eladění až 40 nm je možné požít t integrovaný systém SG BFR laser nebo VCSEL.. Systémy mají velkou výrobní náročnost a pro VCSEL i pomalé přelaďování mikromechanickým způsobem. Pro dosažen ení velmi úzké spektráln lní charakteristiky a nízkn zkého šumu (řádově stovky khz), nízký n šum RIN < -160 db/hz, nízkn zká teplotní závislost vlnové délky kolem 10 pm/k dané použit itím m vnější šího rezonátoru využijeme LD s vnější integrovanou Braggovou optickou mřížkou. Nevýhodou je nemožnost nost přelap elaďování a náročné mechanické provedení ( rozdíln lná teplotní závislost ). Použit ití zdroje zářenz ení pro optické přenosové systémy DWDM se vzdálenost leností kanálů méně než 25 GHz.

26 Integrované optické zesilovače Princip optického zesilování

27 Integrované optické zesilovače Optické zesilovače vlnová pásma [ 7 ]

28 Integrované optické zesilovače - rozdělen lení Lineárn rní integrovaní vlnovodné optické zesilovače: e: - II.optické okno ( nm ) PDFA (praseodymium-dopeddoped fiber amplifiers) - III.optické okno ( nm ) TDFA ( thulium-doped fiber amplifiers), S + pásmo - III.optické okno ( nm ) GS-TDFA ( gain shifted TDFA ), S pásmop - III.optické okno ( nm ) EDFA ( erbium-doped fiber amplifiers), C pásmop - III.optické okno ( nm ) EDFA ( gain shifted EDFA ), L pásmop Ramanovy nelineárn rní integrovaní vlnovodné optické zesilovače: e: - II. a III.optické okno ( nm ) FRA (fiber Raman amplifiers ), S, S +,C,L pásma p

29 Integrované optické vlnovodové zesilovače Vláknový zesilovač EDFA blokové schéma, princip

30 Integrované optické vlnovodové zesilovače Realizovaný optický planárn rní vlnovodový zesilovač pro 1,54 μm, čerpání je 1,48 μm [ 19 ]

31 Integrované optické zesilovače Polovodičov ové zesilovače e SOA-( semiconductor optical amplifier ) využívaj vají stimulované emise zářenz ení, generovaného na technologické struktuře e LD, kde na přední,, nebo zadní fasetě případně na obou jsou antireflexní povlaky, které zabraňuj ují reflexi zářenz ení.. Pro vlnové délky 1310 aža 1550 nm se využívá InP/InGaAsP InGaAsP, pro 780 aža 850 nm GaAs/ GaAlAs Ramanovy polovodičov ové zesilovače e SRA-( semiconductor Raman amplifier ) využívaj vají optické nelineárn rních vlastností čerpaného optického vlnovodu, na kterém m při p i optických výkonech > 50 mw dochází k zesilování optického zářenz ení vlivem stimulovaného Ramanova rozptylu.. Páskový P vlnovod GaP je obklopen pláš áštěm m z AlGaP.. Délka D vlnovodu je 5 aža 10 mm

32 Integrované optické zesilovače Polovodičový InP/ InGaAsP zesilovač lit.[ 3 ]

33 Integrované optické zesilovače Ilustrace zesílení a disperzních a absorpčních nelinearit SOA

34 Amplitudová křížová zisková konverze na SOA

35 Integrované optické zesilovače Optický polovodičový zesilovač SOA s QW tečkami v aktivní oblasti [20]

36 Integrované optické zesilovače Závislost zisku, saturačního optického výkonu a šumu SOA QW na vlnové délce [20]

37 Integrované optické zesilovače Ramanův polovodičový zesilovač realizovaný technologií GaP/GaAlP [ 10 ]

38 Integrované optické zesilovače Příčný řez strukturou Ramanova polovodičového zesilovače [ 10 ]

39 Integrované optické zesilovače Závislost zisku Ramanova polovodičového zesilovače na impulsním čerpacím výkonu [ 10 ]

40 Integrované optické zesilovače Závislost zisku Ramanova polovodičového zesilovače na CW čerpacím výkonu [ 10 ]

41 Integrované optické zesilovače Polovodičov ové optické zesilovače e SOA - Zářivý výkon 3 aža 20 mw - Optický zisk 25 aža 35 db - Šum F = 5 aža 10 db - Dynamika saturace zisku 0,1 aža 0,01ns - malé rozměry, ry, malé energetické nároky Ramanovy polovodičov ové zesilovače e SRA - CW zisk < 3,55 db s čerpacím m výkonem do 200 mw - Impulsní zisk aža 20 db s čerpacím m impulsním výkonem do 25 W - Velmi dobrá dynamika zasahující do terabitové oblasti

42 Integrované optické přijímače e pro WDM Obecné požadavky Výborná selektivita ~ 1 nm a frekvenční stabilita vstupního vlnového demultiplexoru Velká citlivost a dobrá linearita WDM přijp ijímače Minimáln lní šum a velký zisk WDM přijp ijímače Velká rychlost přelap elaďování < 1 μs u vlnových paketových systémů

43 Integrované optické přijímače e pro WDM Porovnání vlastností různých systémů optických DEMUX pro WDM přijímače lit. [ 3]

44 Integrované optické přijímače e pro WDM AWG s integrovaným fotodetektorovým polem od fy. NTT lit. [ 12 ]

45 Integrované optické přijímače e pro WDM PIN FET s vlnovodným fotodetektorem integrovaný ve WDM OE přijímači

46 Integrované optické přijímače e pro WDM Širokopásmové zesilovače pro WDM OE přijímače lit. [ 12] a) Transimpedanční zesilovač b) Zesilovač s rozprostřenými parametry

47 Monolitická integrovaná optoelektronika Nárys a řez strukturou integrovaného transcieveru 40 Gb/s [23]

48 Optické systémy WDM Optická WDM páteřní síť s OADM - Marconi

49 Integrované optické systémy OTDM Digitální přenosový systém TDM přepínaný a zpožďovaný

50 Integrované optické systémy OTDM Blokové schéma OTDM vysílače lit.[ 15]

51 Integrované optické systémy OTDM Princip OTDM přijímače lit. [16 ]

52 Integrované optické součástky stky OTDM Struktura TOAD terabitový optický asymetrický demultiplexor lit.[ 17 ]

53 Integrované optické součástky stky OTDM Časový spína nač TOAD - ( Terahertz optical asymmetric demultiplexer) Prvek využívá Sagnacova interferometru. Prvek pracuje na principu krátkodob tkodobého optického přesycenp esycení SOA, které způsob sobí posun fáze f optické vlny šířící se v obou směrech kruhového interferometru. Posun umíst stění SOA vůčv ůči i ose interferometru způsob sobí vznik časového okna, ve kterém m se generuje na výstupu TOAD interferometru optický impuls. Využit ití: Základní prvek OTDM vysíla lače e a přijp ijímače e pracující jako spinač impulsů pro komunikační rychlosti desítek aža stovek Gb/s Velmi rychlá dynamická paměť

54 Integrované optické součástky stky OTDM Optické generátory impulsní modulace lit. [ 18 ]

55 Integrované optické součástky stky OTDM Pikosekundové generátory OTDM Přímá modulace ziskové spínání využívá polovodičov ové LD bez nelinearit v optickém m rezonátor torů Nevýhody nesymetrický impuls s relativně pomalými náběžn ěžnými hranami, dochází k parazitní frekvenční modulaci optického spektra Externí modulace intenzitní modulace Nevýhody laserové efekty, které mohou zlepšit dynamiku impulsů se neuplatňuj ují Výhody nedochází k parazitní frekvenční modulaci Q spínání - LD obsahuje dělenou d lenou aktivní vrstvu s generační a absorpční oblastí.. Podmínka pro Q spínání rychlost saturace zisku v generační oblasti je pomalejší ší,, než saturace absorpce v absorpční oblasti Nevýhoda - relativně pomalé týlové hrany impulsů,, vznikající dlouhou dobou rekombinace nosičů v absorpční oblasti Výhoda ke generaci krátkých impulsů může e dojít t spontánn nně u LD bez vnější šího spouštěcího impulsu

56 Integrované optické systémy OTDM Architektura optického terabitového přepojovacího uzlu

57 Integrované optické systémy OTDM OTDM paketové směrování

58 Integrované optické systémy OTDM Experimentální uspořádání optického paketového systému lit. [ 16 ]

59 Literatura [ 1 ] Y.A.Akulova Akulova,G.A.,G.A.Fish at all: : IEEE J. of Selected Topics in QE, N 6, 2002, p [ 2 ] H.Hatakeyama Hatakeyama : IEEE J. of Selected Topics in QE, N 6, 2002, p [ 3 ] M.Zirngibl Zirngibl: : IEEE Communications Magazine,, vol.36, N 12, 1998, p [ 4 ] E.Bruce: IEEE Spectrum, February 2002, p [ 5 ] J.I.Hashimoto,T.Takagi: IEEE J. of Lightwave Technology, vol.21,n 9, 2003, p [ 6 ] T.Tanaka,Z.Hibino: IEEE J. of Lightwave Technology, vol.20,n 9, 2002, p [ 7 ] T.Kasamatsu,Y.Yano: IEEE J. of Lightwave Technology, vol.20,n 1, 2002, p [8]M.Potenza: IEEE Communications Magazine,, vol.34, N 82, 1996, p [ 9 ] J.Hansryd. P.A.Anderson: IEEE LEOS Newsletter, vol.16, N 4, 2002,p [10] S.Saito, T.Kimura at all.: IEEE J.of Lightewave Technology, vol.21, N 1, 2003, p [11] J.Lam, L.Zhao: Laser Focus World, WDM Solutions, October 2000,p [12] K.Takahata at all.: IEEE J.of Selected Topics in QE,vol. 6, No. 1, 2000, p [13] J.D.Ash,S.P.Ferguson: IEE Electronics Communication Journal,, vol.13, No.1,2001, p [14] M.Berger at all.: IEEE Communications Magazine,, vol.35, N 4, 1997, p [15] A.E.Willner: IEEE Spectrum, April 1997, p [16]P.Toliver, I.Glesk at all.: IEEE J.of Lightewave Technology, vol.16, No. 12, 1998, p [17]P.R.Prucnal, I.Glesk at all.: IEEE LEOS Newsletter, vol.16, No. 4, 2002,p [18]E.Hashimoto, A.Takada at all.: IEEE Transactions on MTT, vol.47, No. 7, 1999, p [19]P.G.Kik, A.Polman: MRS Bulletin, April, 1998, p [20] T.Akiyama at all.: IEEE LEOS News, vol.20, No. 1, 2006, p.11-13