Comunicazioni ottiche

TRASDUTTORI ELETTRO-OTTICI

servono a convertire una corrente elettrica in una radiazione elettromagnetica a frequenze ottiche.

• Le sorgenti di segnale ottico devono poter raggiungere un'alta velocità di modulazione in modo da sostenere un flusso di dati ad alta frequenza di bit.

Per fare questo, le sorgenti necessitano di alcune caratteristiche:

• devono avere un elevata radianza _RA è una densità di potenza emessa per unità di superficie e unità di angolo solido (_{10 W/sr·cm² - 1000 W/sr·cm²}).
• servono superfici foto-emittenti dell'ordine di alcuni μm in modo da facilitare l'accoppiamento con una fibra ottica.

Per ottenere queste caratteristiche viene impiegata una modulazione di intensità della radiazione ottica detta "on-off".

COME SONO USATI?

Tradizionalmente servono per illuminare lo spazio circostante e sono alimentati con energia elettrica.

Se si pensa ad una lampadina essa rappresenta un convertitore → corrente → lampadina → luce.

Con il tempo dalle lampadine a filamento, si è passati a quelle ad arco, a gas ionizzanti per poi arrivare sino ai LED.

All'inizio anni 60 -> LASER

• sfruttano 2 principi

1. inversione di popolazione che si verifica quando una quantità di energia di alcuni materiali le quali bande, separandosi, fissano la lunghezza d'onda emessa
2. la risonanza che nasce all’interno di una cavità costituita da determinate pareti riflettenti proprio questa cavità, ha una dimensione longitudinale lungo cui la radiazione viene estratta andando così a formare il fascio (apertura angolare)caratteristica che distingue il LASER dal LED

• materiali impiegati sono:
  • miscela elio-neon: 1.633 nm
  • rubino, 694 nm
  • arseniuro di Gallio, 850 nm

Tipi di trasduttori impiegati nei sistemi ICT sono, appunto:

• LED:
• DIODO LASER:

Lavorano secondo un emissione spontanea; ovvero la ricombinazione di elettroni e lacune, nella zona intorno alla giunzione, dovuta dal passaggio di corrente, provoca un’emissione di FOTONI

• i quali vengono, normalmente, riassorbiti dal materiale

PERÒ adottando opportune strutture geometriche, i fotoni possono essere condotti all’esterno del dispositivo

oltre all’emissione spontaneasi va ad aggiungere un’emissione stimolata; ovvero nasce come conseguenza di un forte pompaggio di energia in uno spazio confinato

• il quale è, a sua volta, il risultato di un’alta concentrazione di radiazione emessa all’interno di una cavità risonante

Emissione Stimolata e Laser a Semiconduttore

Diodo Laser:

• Dal punto di vista geometrico è identico ad un LED side-emitting
• La differenza tra i 2 dispositivi sta

• nella lunghezza L
  • LED = 2 mm
  • LASER 300 a 500 μm

e soprattutto, nel LASER, questa lunghezza deve essere uguale ad un numero intero di λ della radiazione emessa

in modo che si possa creare una Cavità Risonante

chiamata "Cavità di Fabry-Perot"

è costituita da 2 pareti semiriflettenti che devono essere lavorate in modo tale che risultino perfettamente perpendicolari alla direzione di propagazione

in quanto, esse, costituiscono degli specchi semitrasparenti attraverso i quali viene rimbalzata la radiazione

Pareti

• Sono caratterizzate da
  • coefficiente di riflessione R_a = E_r / E_d
  • trasmittanza T_a = E_t / E_d

da cui avremo che il

Campo elettrico emesso dal laser = E_t = E_d T_a

Campo elettrico riflesso = E_r = E_d R_a

Laser a semiconduttore DFB e DBR

questo sfruttano guido tra 2 modi longitudinali

può esprimere matematicamente come:

^{Δν = c/_2nL}

• capacità luminosa
• lunghezza della cavità

→ valore di riferimento del materiale ≈ 3.1

quindi più lunga è la cavità, minore sarà la spaziatura in frequenza

per cui si riuscirà ad isolare un solo modo → più stretta sarà Δλ

assumendo L = 1 mm avremo

Δν ≈ 100 GHz

cioè Δλ ≈ 0.7 nm

Come faccio ad ottenere valori più bassi?

devo impiegare un semiconduttore costruito in modo diverso

avere

anziché avere 2 riflessioni terminali concentrate

sfrutto una riflessione distribuita

mediante l'uso di un reticolo di Bragg

realizzato con una corrugazione longitudinale dell'interfaccia fra la regione attiva e una delle 2 regioni tra le quali è inserita

tipicamente in λ si ha un andamento che cresce lentamente e poi decresce rapidamente

bisogna tenere presente che lo spettro della radiazione solare si estende nell'infrarosso

quindi più ampia è questa curva maggiore sarà la % di energia convertitaSi 20%, GaAs 27%

oltre a questo fenomeno vi è anche:

• % di coppie elettrone-lacuna assorbite dal materiale
• perdita di potenza dissipata in calore
• la riflettività della superficie che risulta essere tanto maggiore quanto è più alto l'indice di rifrazione del materiale

distinguamo 2 tipi di celle solari

SURFACERICEVE DIRETTAMENTE LA RADIAZIONE

• non è indispensabile usare un sistema ad inseguimento
• ne consegue che la perdita di efficienza di conversione all'aumentare dell'angolo rispetto alla verticale può essere considerevole

SURFACE RICEVEINDIRETTAMENTE LA RADIAZIONE

• è indispensabile il sistema ad inseguimento in quanto l'apparato ottico deve essere sempre puntato verso il sole per concentrare la luce incidente

resistenza di carico

con una R_L dell'ordine di 1 Ω

si ha una RISPOSTA nella FREQUENZA DI MODULAZIONE f

di tipo passa-basso

la cui banda passante

la cui frequenza di taglio superiore

è dell'ordine di 1 GHz

HA la divisione di tempo ⇒ tutti i segnali passano sull'unica via comune in tempi diversi

per moltiplicazione TDM a 2.5 o 10 Gbit/s, questa banda passante è troppo stretta

SOLUZIONE: il fotoricettore PIN viene fatto seguire da un pre-amplificatore a trans-impedenza

in cui l'impedenza costituita dal parallelo R_L e C_L

viene vista dal fotodiodo come se fosse ridotta dal guadagno G_a dell'amplificatore operazionale

Assumendo G_a dell'ordine di alcuni dB

si vuole ottenere una banda passante di 10GHz

continuando comunque ad avere la R_L = 1 Ω

in questo modo si ha la stessa tensione fotogenerata

V(t) · R_L[I(t) - I_D] che si aveva con l'accoppiamento diretto

CODICE A BLOCCO

si hanno → n cifre totali di cui

• k cifre di informazione
• r=n-k cifre di ridondanza

si considerano quelle binarie → bit

quindi i blocchi diversi che il codice può ammettere

sono in numero di 2^k definiti come PAROLE DI CODICE

poi abbiamo → DISTANZA TRA DUE PAROLE

• di CODICE → numero di posizioni in cui esse differiscono

SOMMA EX-OR → una parola di codice generata dall’unione di due parole

DISTANZA MINIMA

• d → la distanza che separa le due sue parole più vicine

PESO DI UNA SEQUENZA

• bINARIA → il numero delle cifre "1"

CODICE LINEARE

• [n,k,d] dove
• n/k → fattore di espansione banda
• k/n → code rate

è rappresentato con

è tanto migliore quanto più alti sono i valori di “d” e “k/n”

costituisce una protezione contro gli errori