ricevitori ottici tradizionali e coerenti

CORSO DI OPTOELETTRONICA
RICEVITORI OTTICI
TRADIZIONALI E COERENTI
Paolo Emilio Bagnoli
IL RICEVITORE CONVENZIONALE ASK
Lo schema di principio del ricevitore convenzionale ASK, in cui la fibra illumina direttamente il
fotodiodo PIN (o SAM-APD) è riportato in figura.
Schema del ricevitore convenzionale ASK
Il segnale di corrente entra direttamente nel pre-amplificatore a trans-impedenza di banda base
(filtro passa basso) e viene poi mandato al demodulatore e quindi all'utente.
La foto-corrente all'ingresso del pre-amplificatore è data da
Ip= R * PS
Dove PS è la potenza di segnale che contiene l'informazione e R è la responsivity del
fotodiodo. Nel caso dell'uso di un rivelatore SAM-APD la foto-corrente è
Ip= R * PS * M
dove M è il valore medio della foto-moltiplicazione.
COMPONENTI DI RUMORE NELLA FOTORIVELAZIONE
La Potenza di Segnale nella rivelazione convenzionale S con rivelatore SAM-APD con guadagno
medio M è
S= IP2 * M2 = (R PS)2 M2
Le densità spettrali di potenza di corrente dovute alle varie componenti di corrente in un
rivelatore SAM-APD in condizioni di moltiplicazione dovuta alla valanga hanno spettri bianchi
essendo rumori di Poisson.
N1 = 2 q IP * M2 * F(M)
Dovuto alla Foto-rivelazione
N2 = 2 q IDB * M2 * F(M)
Dovuto alla corrente di buio di Bulk che
subisce valanga
N3 = 2 q IL
Dovuto alla corrente di buio di Leakage che
non subisce valanga.
N4 = 4 KT / RL
Rumore di corrente sulla resistenza di
ingresso dell'amplificatore.
VALORE OTTIMALE DEL FATTORE DI MOLTIPLICAZIONE M IN UN SAM_APD
In un rivelatore a valanga SAM-APD il fattore di moltiplicazione medio è impostabile scegliendo
la tensione di polarizzazione inversa del dispositivo. Data la presenza del Fattore di rumore in
eccesso F(M) è problematico scegliere un valore di M che massimizzi il rapporto segnale-rumore.
In figura è riportato il grafico bi-logaritmico delle potenze di segnale e di rumore dovute ai vari
contributi di cui sopra in funzione del fattore M.
Si vede che l'S/N è massimo per il valore di M in cui le potenze di rumore dovute alla resistenza
ed alla corrente di buio di leakage e indipendenti da M eguagliano la potenza di rumore di fotorivelazione più quella dovuta alla corrente di buio di bulk.
Valore ottimale di M per un SAM-APD
LIMITE QUANTICO di S/N NEI RIVELATORI CONVENZIONALI.
Data B la banda equivalente di rumore di ingresso dell'amplificatore, il rapporto segnale-rumore
sul front-end del foto-rivelatore è dato da
S
--N
(R PS)2 M2
= ----------------------------------------------------------------------------------------- = (S/N) O
2 q IP * M2 * F(M) B + 2 q IDB * M2 * F(M) B + 2 q IL B + 4 KT B/ RL
Questo è il valore esatto del rapporto segnale rumore all'ingresso, valido per tutte le condizioni
intensità del segnale ottico di ingresso.
Facciamo ora delle maggiorazioni dovute al caso specifico che il segnale ottico dia luogo ad una
foto-corrente molto maggiore della corrente di buio (IP >> IDB + IL) (non accade se la fibra è
molto lunga), che il fattore di rumore in eccesso del SAM APD sia unitario e che il rumore della
resistenza sia trascurabile. Allora si ha:
(R PS)2 M2
R PS
(S/N)O << -------------------------- = --------2 q IP * M2 * F(M) B
2qB
= LIMITE QUANTICO DEL S/N (Convenz.)
Il limite quantico del S/N è il valore massimo che si può ottenere con la foto-rivelazione
convenzionale all'ingresso del pre-amplificatore a trans-impedenza. Meglio di così non si può
fare. Va detto che per un rivelatore convenzionale è una condizione che non si verifica mai
perché la fibra è la più lunga possibile ed il segnale ottico che arriva è appena sufficiente da
essere distinguibile dalla corrente di buio. Naturalmente il S/N peggiora a causa del fatto che
l'amplificatore introduce ulteriore rumore ed anche il demodulatore fa la sua parte.
RICEVITORE COERENTE
Al fine di migliorare le prestazioni del ricevitore, soprattutto dal punto di vista del rapporto
segnale-rumore, viene introdotto il ricevitore coerente che è l'equivalente ottico del ricevitore
eterodina. Il nome deriva dal fatto che le sorgenti ottiche in gioco devono essere estremamente
coerenti, i loro spettri non devono avere righe laterali.
Schema del Ricevitore Coerente
Al segnale di ingresso dalla fibra (generalmente poco intenso) viene miscelata la luce di un laser
locale ad alta intensità costante. La pulsazione ottica del locale ωL differisce di poco da quella
del segnale ωS in modo che la loro differenza (pulsazione di battimento) ωS – ωL = ωIF ricada
nel range della radiofrequenza. Il pre-amplificatore a trans-impedenza è ora un filtro passa-banda
selettivo a radiofrequenza centrato sulla pulsazione ωIF , a banda molto più stretta di quello che si
riesca a fare con filtri totalmente ottici.
Ip= R * P
Ip= R [ S cos[ωSt + φ(t)] + L cos[ωLt] ]2 =
= R [ S2 cos2[ωSt + φ(t)] + L2 cos2[ωLt] + 2 SL cos[ωSt + φ(t)] cos[ωLt] ]
si ricordi che
cos(a)*cos(b) = ½ [cos(a+b) + cos(a-b)]
quindi
Ip= R [S2/2 * cos[2ωSt + 2φ(t)] + S2/2 +L2/2 * cos[2ωLt] + L2/2 + SL * cos[ωSt + ωLt+ φ(t) +
SL * cos[(ωS - ωL)t+ φ(t) ]
Si ponga ωS – ωL = ωIF
frequenza intermedia o di battimento.
Inoltre i termini modulati a frequenza doppia o frequenza somma vanno eliminati in quanto
vengono filtrati dalla capacità del foto-rivelatore.
Per cui si ha
Ip= R [ S2/2 +L2/2 SL*cos[ωIF t+ φ(t) ] ;
S2/2 = PS
;
L2/2 = PL
Ip= R * [ PS + PL + 2√ PSPL *cos[ωIF t+ φ(t)]]
;
SL = 2√ PSPL
(1)
Nella formula sopra (1) si vede che la foto-corrente Ip è data da due termini costanti (che non
contengono più l'informazione) più un termine di battimento che contiene nel modulo 2√ PSPL
una eventuale modulazione ASK e nella fase φ(t) una eventuale modulazione di fase. Tale
termine è centrato alla frequenza differenza tra quella del segnale e quella del laser locale che
rientra nel range delle radiofrequenze dove è più agevole costruire dei filtri selettivi a banda
stretta.
LIMITE QUANTICO di S/N NEI RIVELATORI COERENTI.
Nel caso dei rivelatori coerenti la potenza del segnale è data dal quadrato dell'ampiezza del
termine di battimento, dimezzata visto che tale termine è oscillante alla frequenza intermedia.
S = (½) * ( 2√ PSPL)2 = 2 R 2 PS PL * M2
Nel caso del rivelatore coerente la potenza del laser locale PL è sempre molto maggiore della
potenza di segnale e da luogo da sola sempre ad una foto-corrente molto maggiore della corrente
di buio. Per cui trascurando i termini trascurabili ed imponendo F(M) unitario, la potenza di
rumore è:
N = 2 q IL * M2 * B = 2 q R PL * M2 * B
Il Limite quantico del S/N è quindi
2 R 2 PS PL* M2
R PS
(S/N)O << -------------------------- = ---------- = LIMITE QUANTICO DEL S/N (Coerente)
2 q R PL * M2 * B
qB
Si faccia attenzione che dalla formula precedente sembrerebbe che nel caso del ricevitore
coerente il limite quantico raddoppi rispetto al convenzionale. NON E' COSI' !!
Il limite quantico è lo stesso per le due configurazioni di ricevitore. Infatti nel caso del coerente la
Banda equivalente di Rumore B è doppia del caso precedente, essendo una doppia banda laterale
attorno alla frequenza intermedia, mentre per il convenzionale la banda B è quella del segnale di
banda base.
Bande del segnale nel ricevitore convenzionale e nel ricevitore coerente
RICEVITORE COERENTE A DOPPIO PIN BILANCIATO
Nella formula (1) che rappresenta la foto-corrente in un ricevitore coerente si vede che ci sono
due termini costanti PS e PL, rispettivamente le potenze medie del segnale e del laser locale
con PL >> PS. Il filtro selettivo a frequenza intermedia elimina questi due termini costanti
lasciando passare solo il termine di battimento che contiene l'informazione.
Nella realtà al termine PL si associa anche un pesante termine di rumore. Infatti l'intensità
luminosa del laser locale, essendo un fenomeno granulare, si porta appresso un rumore di
Poisson, bianco, la cui densità spettrale di potenza è tanto maggiore quanto maggiore è l'intensità
luminosa.
Quindi in uscita avrò una potenza di rumore data dal prodotto di tale densità spettrale per la
banda equivalente di rumore dell'amplificatore, come esplicato nella figura seguente.
Potenza di rumore dovuta al rumore del Laser Locale
Questo fatto, se non eliminato, rischia di vanificare il vantaggio del ricevitore coerente dal punto
di vista del rumore.
Per eliminare questo inconveniente si utilizza il ricevitore coerente a doppio pin bilanciato.
Ricevitore a doppio pin bilanciato
L'accoppiatore ottico fa in modo di ripartire a metà le due intensità luminose del segnale e del
laser locale. Le due uscite sono tra loro in fase per il segnale, mentre sono in opposizione di fase
per il laser locale.
Il segnale di ingresso all'amplificatore è la differenza tra le due foto-correnti sui due pin.
I1 = R * [ PS/2 + PL/2 + √ PSPL *cos[ωIF t+ φ(t)]]
I2 = R * [ PS/2 + PL/2 - √ PSPL *cos[ωIF t+ φ(t)]]
I1-I2 = R * [2√ PSPL *cos[ωIF t+ φ(t)]]
Quindi la quantità PL, compresa la sua componente di rumore , vengono eliminate prima di
entrare nell'amplificatore. Si noti che il termine di rumore scorrelato di foto-rivelazione è rimasto
uguale: infatti, pur essendoci due pin, le due intensità luminose sono dimezzate rispetto a prima.
Caso mai raddoppia il termine di rumore dovuto alla corrente di buio che però è ancora
trascurabile.
Si noti ancora che per avere una perfetta reiezione del rumore laser bisogna che i due pin abbiano
identica responsivity R , ovvero i due pin devono fare parte dello stesso chip integrato.
VANTAGGI E SVANTAGGI DELLA RICEZIONE COERENTE RISPETTO ALLA
RICEZIONE CONVENZIONALE
In ordine di importanza, i vantaggi della rivelazione coerente sono:
V1 – S/N SEMPRE AL MASSIMO. Il rapporto segnale rumore è sempre a ridosso del limite
quantico, in quanto la potenza in ingresso è sempre molto elevata e quindi la foto-corrente è
sempre molto superiore alla corrente di buio.
V2 – PIN TECNOLOGICAMENTE NON COMPLICATO. Essendo la foto-corrente nel pin
sempre molto elevata, il pin stesso non ha bisogno di essere particolarmente curato dal punto di
vista della minimizzazione della corrente di buio, cosa che richiederebbe complicati accorgimenti
tecnologici.
V3 – MODULAZIONI DI FASE. La ricezione coerente, avendo entrambe le sorgenti laser assai
coerenti, consente di effettuare anche modulazioni di frequenza (FSK) di fase (PSK) e di
polarizzazione (PolSK polarizz. Verticale =1 ; polarizz. orizzontale =0) queste ulteriori
modulazioni consentono di guadagnare da 3 a 9 dB di rapporto segnale-rumore di
DEMODULAZIONE rispetto caso della modulazione di ampiezza ASK.
V4 – WDM. Poiché i filtri di ricezione sono a radiofrequenza ed a banda stretta, è possibile
realizzare la multiplazione WDM (wavelenght division multiplexing) ovvero collocare all'interno
della terza finestra di attenuazione delle fibre numerose portanti ottiche ciascuna con la sua
banda base costituita da un segnale multiplexato TDM (time division multiplexing). Per cui la
capacità di informazione trasmessa in fibra è grandemente aumentata.
Multiplazione WDM
Gli svantaggi della ricezione coerente rispetto alla convenzionale sono:
SV1 – Necessità di sorgenti molto coerenti e quindi di dispositivi laser molto più costosi
SV2 – Per ottenere dei vantaggi dalla rivelazione coerente è necessario che entrambe le sorgenti
abbiano la stessa polarizzazione. Questo obbliga a complicare il front-end di ricezione o
introdurre tipi di ricevitori più complicati (a diversità di polarizzazione) che siano insensibili ad
una moderata diversità di angolo di polarizzazione tra luce di degnale e luce locale.
SV3 – I demodulatori FSK, PSK, PolSK sono molto più complessi del demodulatore ASK.
I RICEVITORI COERENTI IN ….. < CASSA INTEGRAZIONE >
Da quanto detto sembrerebbe che oggi i ricevitori coerenti abbiano sostituito i convenzionali.
In realtà oggi i coerenti sono in disuso (ma pronti ad essere riutilizzati per altre applicazioni
diverse dalle comunicazioni in fibra) perché due recenti innovazioni tecnologiche li hanno messi
in “cassa integrazione”.
Queste due innovazioni sono a) Introduzione degli amplificatori ottici a fibra di erbio EDFA che
amplificano il segnale ottico in fibra e b) nuove sofisticate tecniche di gettering delle fibre monomodali che eliminano completamente i residui di acqua.
Gli EDFA, che hanno reso possibili i cavi ottici trans-oceanici di fatto, assicurano che il segnale
sul rivelatore del ricevitore sia sempre intenso e quindi il rapporto segnale-rumore è sempre a
ridosso del limite quantico. Questo ha vanificato i vantaggi V1, V2 e V3.
Posizione degli amplificatori EDFA in una tratta della rete di transito
L'eliminazione dei radicali OH residui nelle fibre, responsabili dei picchi di assorbimento che
separano le tre finestre tradizionali, ha consentito di ottenere un'unica grande finestra di
attenuazione all'interno della quale si può ancora applicare la tecnica WDM dove però in
ricezione le varie portanti ottiche vengono separate da filtri ottici interferenziali. Questo ha
vanificato il vantaggio V4.
WDM con filtri ottici in ingresso

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