Optische technieken op de afdeling elektronica Overzicht Laserpuls bewerker voor triggersysteem van Emin Uitlijnsysteem mbv een led, optica en CCD chip (rasnik) S-link Highspeed Optical Link for Atlas Antares data GbE communicatie systeem gekochte fiber point to point verbindingen voor 1GbE, RS232 Fiber verbindingen en behandeling Fusion splices (voorbeelden) Connectoren (voorbeelden) Het werken met van fibers Meetapparatuur Instrumentatie (voorbeelden) opnemers Fiber Bragg grating Toekomstige ontwikkelingen single photon generatie en detectie, scintillating fibers FOM netwerkdag elektronica 10-05-2005

Optische data communicatie Voordelen ten opzichte van een conventionele koper verbinding Enorme potentiele bandbreedte per fiber (groot “afstand * bandbreedte” product) Lage transmissie verliezen Hoge betrouwbaarheid en lage onderhoudskosten Klein van afmeting en laag in gewicht en power consumptie Ongevoelig voor interferentie en overspraak Signaal integriteit, moeilijk om ongewenst af te tappen Grote mate van standaardisatie door ITU, Bellcore, EIA etc. Nadelen: Korte afstanden zijn duur Aan de mechanische protectie van de glasvezel moet veel aandacht worden besteed. Ontwikkeling en onderhoud eisen gespecialiseerde en vaak dure apparatuur FOM netwerkdag elektronica 10-05-2005

ANTARES optische GbE data links Algemene eis: zo weinig mogelijk elektronica in de zee 1GbE 90m (5 X 18 m) 1GbE 90m 1GbE 100MbE 90m DEMUX 1GbE 5 x per string 90m 45km 1GbE Master 1GbE 90m 12 x 350m MUX 12 X 100 MbE FOM netwerkdag elektronica 10-05-2005

Datacommunicatie basis verbinding Laser drive circuit direct modulated injection laser Photo diode TIA limiting amplifier Id PECL Optical power Optical power PECL t t t t t FOM netwerkdag elektronica 10-05-2005

Datacommunicatie basis verbinding Laser drive circuit direct modulated injectie laser Photo diode TIA limiting amplifier Id PECL Optical power Optical power PECL t t t t t continuous wave injection laser Optical modulator Photo diode TIA limiting amplifier FOM netwerkdag elektronica 10-05-2005

FOM netwerkdag elektronica 10-05-2005 Multimode fibers 1 cladding core brekings index Low order mode High order mode n1 n2 modal dispersie step index multimode fiber t t t t Modal dispersion FOM netwerkdag elektronica 10-05-2005

FOM netwerkdag elektronica 10-05-2005 Multimode fibers 2 cladding core brekings index Low order mode High order mode n1 n2 modal dispersie step index multimode fiber t t t t n1 n2 n3 n4 n5 Modal dispersie reductie nX n1 brekings index graded index multimode fiber t t FOM netwerkdag elektronica 10-05-2005

FOM netwerkdag elektronica 10-05-2005 Single mode fiber cladding core reflective index Low order mode High order mode n1 n2 modal dispersie step index multimode fiber t t one (mono) mode t t Chromatische Dispersie waarde: golflengte 1550 nm <18 ps/(nm.km) Chromatische dispersie Verschillende golflengtes propagate verschillende snelheid n2 n1 reflective index single mode fiber t t FOM netwerkdag elektronica 10-05-2005

Glasfiber demping spectrum 5 4 3 2 1 first window Optical loss dB/Km demping third window “C” band totale absorptie second window fourth window “L” band Raleigh scattering 0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8 1.9 2.0 Wavelength (μmeters) zichtbaar licht step index fiber mono mode fiber graded index fiber FOM netwerkdag elektronica 10-05-2005

Halfgeleider injectie lasers eigenschappen LED Lasers,Vcsel Uncooled laser DFB laser Output power lineair propotioneel tov stuurstroom proportioneel tov stuurstroom boven de drempelstroom Stroom 50 tot 100 mA piek drempel stroom 5 tot 40 mA Snelheid trager sneller Bandbreedte bescheiden hoog Golflengtes 0.66 tot 1,65 μm 0.78 tot 1.65 μm Spectrum breedte (FWHM) breed 40 – 190 nm small 0.00001 nm - 10 nm Fiber soort multi mode multi mode en single mode MTBF langer lang voorbeeld: 5mW (7dBm) optical output Id Ilaser led Optische output Id Laser diode chip fiber fiber Ith Spiegel (feedback fotodiode) lens I Laser: Light Amplification by Stimulated Emission Radiation FWHM: Full-Width Half-Maximum FOM netwerkdag elektronica 10-05-2005

FOM netwerkdag elektronica 10-05-2005 Foto diodes eigenschappen PIN APD Materiaal Si, Ge, InGaAs Si, Ge, InGaAs Bandbreedte Dc tot 40+ GHz Dc tot 40+ GHz Golflengte 0.6 tot 1.8 μm 0.6 tot 1.8 μm Conversie efficientie 0.5 tot 1.0 A/W 0.5 tot 100 A/W Versterking -24 dB -34 dB Extra circuit geen hoogspanning, temperatuur correctie Id hole P I N fiber dark current Vd electron electron-hole pair licht intensiteit FOM netwerkdag elektronica 10-05-2005

Optische response van een fotodiode 5 4 3 2 1 100 % first window response Optical loss dB/Km demping third window “C” band totale absorptie second window fourth window “L” band Raleigh scattering Si InGaAs 0 % 0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8 1.9 2.0 Wavelength (μmeters) zichtbaar licht step index fiber mono mode fiber graded index fiber FOM netwerkdag elektronica 10-05-2005

Demping van het passieve optische netwerk Antares dient hier als voorbeeld 90m 90m 90m 90m 90m 350m 43km 3km DEMUX MUX fiber verliezen 0.1 0.1 10 0.1 3.6 = 11.8 dB passieve optische componenten 3.6 1.5 3.6 = 7.2 dB maximale fiber verbinding bevat 30 splices 30 * 0.05 = 1.5 dB 8 connectoren 8 * 0.5 = 4.0 dB Splitter 80/20% = 0.2 dB fiber Corning SMF28e 0.02 dB per km Fiberlas 0.05 dB passief component Totaal 24.7 dB Door fiber beknelling en/of overschrijden minimale buig radius kan de demping terplaatse sterk toenemen en de fiber kan daardoor zelfs breken FOM netwerkdag elektronica 10-05-2005

Dense Wavelengths Division Multiplexing APD 1 Gemoduleerde Laser 1 Optical power APD 2 Gemoduleerde Laser 2 l1 wavelength l2 MUX DEMUX ln APD n Gemoduleerde Laser n Antares 6 kanalen per string 400Ghz spacing (1 GbE / kanaal) telecom: OC 192: 160 kanalen 50GHz spacing ( 10 Gbit / kanaal) FOM netwerkdag elektronica 10-05-2005

FOM netwerkdag elektronica 10-05-2005 Optische bouwstenen Laser 1 Nu 1570 -- 1630 nm L-band APD 1 Laser 2 l1 APD 2 l2 MUX DEMUX EDFA ln Laser n dispersion compensating fiber APD n Erbium doped fiber Optical device dat energie gebruikt van een pomp laser om alle golglengtes te versterken die op de ingang staan. Het bestaat uit een erbium gedoopte fiber die energie omzet van een separate photonen pomp naar de ingekomen golflengtes tussen 1525 1565 nm non uniform spectral gain Nu 1570 naar 1630 nm L-band EDFA Photons from pump laser Erbium Doped Fiber Amplifier FOM netwerkdag elektronica 10-05-2005

Optische bouwstenen II Laser 1 APD 1 Laser 2 l1 APD 2 l2 MUX DEMUX EDFA ln Photons from pump laser Laser n dispersion compensating fiber APD n l1 l2 lx l1 l2 lx SOA splitter Isolator “optische diode” l1 l2 lx l1 l2 Dropped channel OADM Inserted channel lx mirror circulator FOM netwerkdag elektronica 10-05-2005

Optische fiber kabel mechanica Opp: 0.01 mm2 9 μm 50 μm 62.5 μm 125 μm 125 μm 125 μm PVC Jacket (non-plenium) or Fluoride Co-Polymer Glass fiber, cladding and core Thermo plastic Over coating or buffer Mono mode glass Multi mode glass Fiber coating Aramide trek ontlasting Loose tube Keyword: Corning single mode cable: SMF28e FOM netwerkdag elektronica 10-05-2005

Fiber behandeling Micro bending Permanente knik R < 40 mm Scherpe bochten veroorzaken verlies Cracks Fiber kan (tenslotte) breken door er (weer) aan te trekken, door vibratie, torsie, temperatuursschommelingen en of invloed van H2O ions FOM netwerkdag elektronica 10-05-2005

FOM netwerkdag elektronica 10-05-2005 Optical connector Iedere ideale connector lost de uitlijning van fiber toleranties zelf niet op (E2000 type nog het best) F = 90 N Reflecties (met APC beter) FOM netwerkdag elektronica 10-05-2005

Optical connector typen FC/PC of FC/APC ST (met bajonet slot) MT-RJ duplex connector SMA SC/PC of SC/APC E2000 (meest nauwkeurige) FOM netwerkdag elektronica 10-05-2005

Arc Fusion Splice machine Fiber uitlijning supports X en Y richting beweegbaar FOM netwerkdag elektronica 10-05-2005

FOM netwerkdag elektronica 10-05-2005 Arc Fusion Splice II FOM netwerkdag elektronica 10-05-2005

Optische meetapparatuur 1 Optische vermogensmeter Optische scoop probe Optische verzwakkers Fiber microscoop FOM netwerkdag elektronica 10-05-2005

Optische meetapparatuur 2 Optical Spectrum Analyzer demping Optical Time Domain Reflection meter afstand FOM netwerkdag elektronica 10-05-2005

FOM netwerkdag elektronica 10-05-2005 Fiber Bragg grating P P Periodieke brekings index modulatie (aangebracht mbv sterke UV straling) l l Breedband input spectrum uitgetreden spectrum P lB=2neff L Voorbeeld: temperatuur sensor l lB(T) = 2neff L = lB(T0) + KT (T-T0) L Grating periode Neff effectieve brekings index lB(T0) Bragg golgflengte gemeten op de referentie temperatuur KT temperatuurs gevoeligheid Gereflecteerde Bragg piek FOM netwerkdag elektronica 10-05-2005

FOM netwerkdag elektronica 10-05-2005

Dense Wavelengths Division Multiplexing APD 1 Gemoduleerde Laser 1 Optical power APD 2 Gemoduleerde Laser 2 l1 wavelength l2 MUX DEMUX ln l11 l21 l31 l12 l22 l32 l13 l23 l33 APD n Gemoduleerde Laser n lengte1 = lengte2 l11 l12 l13 l21 l22 l23 l31 l32 l33 Twee single mode fibers waarvan de cladding is samen gesmolten en gestrekt over een voor afbepaalde lengte met gecontroleerde diameter, dit brengt de verschillende golflengtes samen (of scheiden) Samen met mach zehnder interferometer, fase shift door verschil in weglengte Van de twee armen input output 1 output 2 Mach Zehnder interferometer DWDM (de)multiplexer fused biconic tapered device FOM netwerkdag elektronica 10-05-2005

FOM netwerkdag elektronica 10-05-2005 Fiber Bragg gratings FOM netwerkdag elektronica 10-05-2005

FOM netwerkdag elektronica 10-05-2005 zender Laser light Amplification by Stimulated Emission Radiation LED, Laserdiode, Vcsel, ILD Injector laser diode veel voor multimode fiber toepassingen DFB laser: op centrale golflengte afgestemde laser output monomode fiber toepassingen (DBF distributed feedback) LED LASER DIODE FABRY PERROT RESONATOR amplifier mirror FOM netwerkdag elektronica 10-05-2005

FOM netwerkdag elektronica 10-05-2005 Diode karakteristiek FOM netwerkdag elektronica 10-05-2005

Trans Impedance Amplifier FOM netwerkdag elektronica 10-05-2005 ontvanger Photodiode (pin diode of APD) TIA Trans Impedance Amplifier Limiting Amplifier Optical power in Id Id PECL Vout 1010110010 Fotodiodes: gevoeligheid Planar PN - ………….. Schottky barrier -15 dBm Pin -24dBm APD -34dBm FOM netwerkdag elektronica 10-05-2005

FOM netwerkdag elektronica 10-05-2005 meer fotodiode Responsibility % 200 nm 450 nm wavelength PN (schottky) foto diode Responsibility A/W 800 nm 1800 nm Pin diode 1310 nm 1500 nm wavelength FOM netwerkdag elektronica 10-05-2005

DBF communicatie laser monitor diode TE cooler laser diode single mode fiber termistor Distibuted feedback laser System in which the feedback used to make certain modes in the resonator oscillate more strongly than others. In a semiconductor laser, a periodic corrugation (ribbel) in the active layer replaces the cleaved end mirrors and the grating space is chosen to distribute the feedback in both directions, creating a condition that can approach single mode oscillation. FOM netwerkdag elektronica 10-05-2005