Scribd Download.com Sisteme De Comunicatii Optice Metode De Modulare A Purtatoar [625619]

SISTEME DE COMUNICA II OPTICE. Ț
METODE DE MODULARE A PURTĂTOAREI
LASER
1 din 24

CUPRINS
INTRODUCERE…………………………………………………………………………………………………………… 5
1.SISTEME DE COMUNICA II OPTICE Ț…………………………………………………………………. 7
1.1.Sistemul de comunicații optice …………………………………………………………………………….. 7
1.2.Structura sistemului de comunicații optice …………………………………………………………….. 8
1.3.Senzori cu fibre i ghiduri optice de undă ș ……………………………………………………………. 10
1.3.1.Principii funcționale și constructive ale senzorilor cu fibră optică ……………………..11
2. METODE DE MODULARE A PURTĂTOAREI LASER ……………………………………….. 15
2.1.Modularea electrică …………………………………………………………………………………………… 16
2.2.Modularea optică……………………………………………………………………………………………… 16
2.3.Modularea mecanică …………………………………………………………………………………………. 18
2.4.Metode experimentale de modulare pentru doi laseri cupla i ț………………………………….. 18
ANALIZĂ COMPARATIVĂ ………………………………………………………………………………………… 21
BIBLIOGRAFIE…………………………………………………………………………………………………………. 25
2 din 24

3 din 24

INTRODUCERE
Apariția și dezvoltarea puternică a sistemelor de comunicații optice a constituit o trecere
firească spre domeniul frecvențelor tot mai înalte, impusă printre altele de cererea de canale de
bandă tot mai largă și de un număr tot mai mare de canale. Dezvoltarea fără precedent a
sistemelor de culegere, prelucrare și transmitere la distanță a informației, crearea unor sisteme
informaționale în care abonații au acces la diverse tipuri de informații, (telefonie, TV pe cablu,
video, programe muzicale, informații din bănci dedate, etc) necesită un număr foarte mare de
canale de comunicații. Acestea nu mai pot fi realizate pecabluri electrice sau în microunde din
cauza lărgimii limitate de frecvență a acestora, precum și din altecauze legate de atenuare,
costuri, etc. La ora actuală sistemele de comunicații pe fibre optice constituie mijlocul cel mai
eficient de transmitere prin cabluri a semnalelor informaționale de bandă largă.
În era “tehnologiei informa ției“ (secolul ΧΧI) stocarea, prelucrarea și transmiterea
informației vor avea un rol foarte important în societate. Informația va fi numerică, de mare
viteză și transmisă, în general, pe purtătoare optică. Deși comunicațiile pe fibră optică sunt de
dată recentă, ideea propagării ghidate a luminii nu este atât de nouă. Încă din 1870 Tyndall arată
că lumina poate fi ghidată în interiorul unui jet de apă . Zece ani mai târziu, Bell studia
posibilitatea transmiterii vorbirii pe un flux luminos. În 1910 se făceau primele studii teoretice
asupra ghidurilor dielectrice, iar în 1950 au fost realizate primele ghiduri optice asemănătoare
celor utilizate astăzi. Era comunicațiilor optice moderne începe cu invenția laserului (1958) și
realizarea primului laser (1960). LASER este un acronim pentru Light Amplification
By Stimulated Emission of Radiation -Amplificarea luminii prin emisia stimulate de radiație; o
sursă care produce lumină aproape monocromatică și coerentă, folosind emisia stimulată. În anii
’70 s-a lucrat mult la perfecționarea diodei laser, astfel încât la sfârșitul deceniului al 8-lea era
rezolvată și problema sursei de radiație optică fiabilă, cu generare continu la temperatura
obișnuită. În paralel s-au studiat și perfecționat și receptoarele optice (fotodiode cu Si,Ge, InP
etc), care însă nu au ridicat probleme tehnologice deosebite.
Procesoarele pe siliciu se apropie de limitele lor fizice, date de viteza purtătorilor și
problemele de disipare a căldurii. Prin contrast, folosind tehnologiile actuale de fibre optice,
banda de frecvență care poate fi atinsă este mai mare de 50 Tbps și sunt mulți oameni care caută
materiale mai performante. Limita practică actuală de aproximativ 1Gbps este o consecință a
imposibilității de a converti mai rapid semnalele electrice în semnale optice. Sunt deja
4 din 24

în exploatare fibre optice de 2,5 și 10 Gbps și sunt în curs de cercetare și experimentare fibre
optice la 40 Gbps. În laborator sunt posibile rate de 100 Gbps pe distanțe scurte și chiar 1 Tbps.
5 din 24

1.SISTEME DE COMUNICA II OPTICE Ț
1.1.Sistemul de comunicații optice
Scopul oricărui canal de comunicații este de a transmite informații pe o anumită distanță.
Performanțele canalului de comunicații sunt determinate atât de distanța la care se pot transmite
informațiile fără repetori intermediari, cât și de cantitatea de informații transmisă și de lipsa
erorilor. Aceste caracteristici sunt determinate de natura informației și de modul în care aceasta
este cuantificată. Schema bloc generală a unui canal de comunicații optice este identică ca formă
cu cea din sistemul de comunicații radio și este prezentată în figura 1.1.
Fig. 1.1 Schema bloc a unui canal de comunicații optice.
Diferența constă în faptul că frecvența purtătoarei optice este cu câteva ordine de mărime
mai mare decât cea utilizată în sistemul de comunicații prin unde radio sau microunde.
În cazul general informația implică existența unor parametri fizici care variază continuu
în timp și pot lua orice valoare într-un anumit domeniu (de exemplu, presiunea undelor sonore
care caracterizează vorbirea sau intensitatea luminoasă a unei imagini optice). Traductoarele
convertesc informația într-un semnal electric care variază continuu, semnalul numindu-se în
acest caz analog (de exemplu, microfoanele sau camerele TV).
6 din 24

1.2.Structura sistemului de comunicații optice
Componentele de bază ale unui sistem de comunicații optice (fig. 1) sunt următoarele:
-sursa optică;
-dispozitivul pentru modularea semnalului optic la ieșirea din sursă cu semnalul care
trebuie transmis;
-mediul de transmisie;
-fotodetectorul care transformă semnalul optic în semnal electric;
-dispozitivele electronice pentru amplificarea și procesarea semnalelor în vederea obținerii
semnalului transmis.
În cazul utilizării ca mediu de transmisie a fibrelor optice numai laserele și diodele
semiconductoare luminiscente (LED-urile), ca surse optice, sunt compatibile cu acest sistem și
fotodiodele semiconductoare ca detectoare.
Există mai multe combinații posibile ale surselor și respectiv ale detectoarelor care sunt
compatibile cu sistemul optic de transmisie a informației prin fibre optice.
Lărgimea benzii semnalului transmis este determinată de:
-viteza la care sursa poate fi modulată;
-modulatorul însuși;
-mediul de transmisie;
-detector;
-componentele receptorului.
În practică LED-urile pot fi modulate fără dificultăți până la frecvențe de ordinul 100
MHz, iar laserele până la 1 GHz.
Semiconductoarele p-i-n și diodele în avalanșă prezintă răspuns la semnale modulate în
frecvență de aproximativ 10 GHz.
Una dintre aplicațiile practice cele mai răspândite ale fibrelor optice care a revoluționat
domeniul telecomunicațiilor este legată de utilizarea acestora la transmisia optică a informației.
Această revoluție a fost acompaniată și de dezvoltarea Internetului care în ultimul timp are un
număr foarte mare de utilizatori.
Întrucât fibrele optice acționează ca medii dispersive acestea sunt caracterizate mai bine
de produsul dintre lărgimea benzii și distanță cuprins între 10 MHz.km și 100 GHz.km și
depinzând de tipul fibrei și de caracteristicile sursei folosite. Coeficientul de absorbție în cazul
fibrelor optice cu pierderi scăzute este de aproximativ 0,2 dB/km. Până recent, metoda clasică de
7 din 24

compensare pentru pierderile de-a lungul liniei de transmisie a implicat folosirea repetorilor.
Repetorul este un dispozitiv bazat pe tehnologia hibridă ce include ambele componente,
electronică și optică. Acesta detectează semnalul luminos, egalează unda sau emite un puls
electronic și apoi regenerează semnalul optic modulat care este ulterior reinjectat în fibră.
Capacitatea rețelei sau lungimea liniei de transmisie care utilizează acest tip de repetor este
limitat de caracteristicile componentelor electronice. Începând cu ultimul deceniu, repetorii pierd
teren în fața fibrelor optice amplificatoare, mult mai rentabile decât aceștia.
De asemenea, în aceeași perioadă de timp, sistemele clasice de comunicații s-au dovedit a
fi învechite pentru transmisia la distanță, continuând totuși, să fie folosite în rețelele locale de
telecomunicații.
Aceste sisteme au fost înlocuite cu cele din generația a II-a ce utilizează fibră monomod
și surse având lungimile de undă cuprinse între 1300 și 1500 nm, care asigură capacitate mai
mare de transmisie și mai puțini repetori. Sistemele cu fibră monomod au început să joace un rol
primordial în comunicațiile pe uscat sau submarine, așa cum se poate observa și în figura 1.2.
Fig. 1.2 Re ea transoceanică de cabluri opticeț
Avantajele sistemelor de comunica ii optice sunt: ț
-atenuare și dispersie scăzute;
-repetori pentru distanțe mai mari de 100 km și rată mare de transmisie (> 1Gb/s);
-flexibilitatea sistemului permite modernizări la prețuri scăzute;
-diametrul mic al canalului fibrei;
-nu emite radiații, absența interferențelor electromagnetice;
-greutate scăzută, costuri de construcție scăzute;
8 din 24

-flexibilitate de bandă;
-securitate ridicată pentru comunicațiile militare, comerciale.
Cu toate acestea ele prezintă i dezavantaje: ș
-dificultăți de îmbinare a fibrelor;
-susceptibilitatea fibrei de a reacționa cu H 2 la imersia în apă a cablului;
-sursele au eficiență relativ scăzută și de asemenea limitări de putere;
-este susceptibilă la ionizări;
-neliniaritățile laserelor și led-urilor;
-fibrele nu pot fi direct cuplate pentru acces multiplu;
-zgomot cuantic ridicat;
-nu sunt robuste din punct de vedere mecanic.
1.3.Senzori cu fibre i ghiduri optice de undă ș
Senzorii cu fibre și ghiduri optice de undă sunt dispozitive ghidate, pe baza unor principii
și legi din optică permit monitorizarea unor fenomene fizice, chimice, biomedicale etc. (fig. 1.3).
Astfel, variația unor parametri fizici, chimici, biologici, medicali etc. este transformată cu
ajutorul modulatorului optic în mărimi electrice (tensiuni, curenți) care apoi sunt detectate și
măsurate.
Fig. 1.3 Schema bloc a senzorului cu fibră optică
Lumina incidentă provenită de la o sursă optică (care este în general un laser) este
transmisă utilizând o fibră optică într-un dispozitiv (modulator) în care are loc modularea
acesteia printr-un fenomen fizic, chimic sau biologic. Lumina modulată (emergentă) este
transmisă înapoi tot printr-o fibră optică la un receptor, detectată și demodulată. Receptorul poate
9 din 24

fi astfel construit încât să existe o corelație unu-la-unu (one-to-one) între fenomenul studiat și
semnalul demodulat.
1.3.1.Principii funcționale și constructive ale senzorilor cu fibră optică
Un senzor este un dispozitiv care preia valorile unei mărimi fizice (temperatură, presiune
etc.) i le transformă în mărimi electrice (curen i sau ș ț tensiuni) direct utilizabile printr-un sistem
de control sau achiziție de date. Un traductor este un dispozitiv care preia valoarea unei mărimi
fizice și o transformă în mărime electrică. Diferența dintre un senzor și un traductor constă în
prezența acelei părți a sistemului care furnizează la ieșire un semnal electric normalizat, direct
proporțional cu mărimea măsurată și cu cât mai puține erori posibil.
Senzorii bazați pe fibră optică ( Fibre Optic Sensor-FOS) au fost subiectul unor mari
eforturi de cercetare în ultimii ani. Senzorii de acest tip oferă multe avantaje față de tehnicile de
detecție convenționale, incluzând o sensibilitate mare la măsurarea unor parametri fizici (ca de
exemplu temperatura, presiunea, vibrațiile etc.). Senzorii cu fibră optică sunt construiți din
materiale dielectrice, deci pot fi utilizați la tensiune mare, câmpuri electric și magnetic mari,
temperatură mare etc. În ultimii ani au fost dezvoltate mai multe tipuri de senzori cu fibră optică.
Componentele de bază ale senzorilor cu fibre i ghiduri optice de undă având o ș
construc ie în general simplă permit reducerea pre ului de cost al fabricării acestora. ț ț
Clasificarea senzorilor cu fibră optică. Senzorii cu fibră optică pot fi clasifica i în mai ț
multe categorii în func ie de diverse criterii. Pe baza tehnologiei actuale senzorii cu fibră optică ț
pot fi configurați să opereze în modul distribuit în care parametrul de interes care urmează a fi
măsurat este monitorizat în mai multe puncte de-a lungul fibrei optice. Există două tipuri de
sisteme de senzori distribuiți:
-senzori distribuiți intrinseci , în care parametrul de măsurat poate fi evaluat în orice punct
al fibrei optice, rezoluția spațială fiind determinată în general de constrângerile
optoelectronice. În acest caz, fibra acționează ca senzor de-a lungul întregii sale lungimi.
Funcționarea acestui tip de senzori se bazează pe împrăștierile Rayleigh, Raman și
Brillouin;
-senzori cvasidistribuiți , în care parametrul (câmpul) de măsurat este determinat, într-un
anumit număr de regiuni (senzor) predefinite. În acest caz fibra acționează ca senzor
numai pe anumite porțiuni, iar funcționarea acestora se bazează în general pe fenomenele
de retroîmprăștiere.
10 din 24

De asemenea, dacă fibra ac ionează ca senzor pe o por iune mare se ob ine un dispozitiv ț ț ț
(senzor) cu pas de integrare extins de tip transmis. Fibra senzor mai poate fi plasată la unul din
capete, obținându-se senzori de tip reflectant și respectiv cu pas de integrare extins.
O mare parte din dispozitivele utilizate pentru măsurarea diferi ilor parametri, ț
temperatura, presiunea, deplasarea, câmpul magnetic i agen ii chimici fac parte din categoria ș ț
senzorilor de intensitate . Func ionarea acestora se bazează pe: absorb ia diferen ială/atenuarea ț ț ț
(colometrici), emisia (corpului negru), fluorescen ă/luminiscen ă, cavită i etalon. ț ț ț
Senzorii cu fibră optică mai pot fi clasifica i i după schema următoare: ț ș
1.pe baza procesului de modulare și demodulare un senzor poate fi numit ca fiind un
senzor de intensitate, un senzor de fază, un senzor de frecvență sau un senzor de
polarizare. Deoarece detecția fazei sau frecvenței în optică necesită tehnici
interferometrice, acest tip de senzor poate fi numit senzor interferometric;
2.din punctul de vedere al detecției , există tehnica interferometrică care implică detecția
heterodină/detecția coerentă și respectiv incoerentă. Senzorii de intensitate sunt
caracterizați de o detecție incoerentă. Avantajul senzorilor modulați în intensitate este
construcția simplă și compatibilă cu tehnologia fibrelor multimod, în timp ce senzorii
interferometrici cu detecție coerentă sunt mai complecși, dar oferă o mai bună
sensibilitate și rezoluție. Din categoria senzorilor modulați în intensitate fac parte senzorii
optici cu reflexie (Optical Reflection Sensors ).
Senzorii interferometrici au avantajul că măsurătoarea este legată de o proprietate
intrinsecă ca de exemplu viteza, lungimea de undă sau frecvența. Acești senzori sunt caracterizați
în general, de o construcție mai complexă decât senzorii de intensitate. Pentru a face măsurători
cu acest tip de senzor este nevoie de o aliniere de mare precizie a componentelor optice ce
constituie interferometrul. Într-o fibră monomod proprietățile coerente ale fasciculului propagat
sunt menținute, deci este posibil să se construiască un interferometru dintr-o singură fibră optică
monomodală. Aceasta permite interconexiuni flexibile în sistemul de detecție al senzorului și
elimină problemele legate de instabilitatea geometrică a interferometrelor convenționale. Lumina
emisă de sursa optică (laser) este cuplată într-o fibră, apoi fasciculul luminos este injectat în
senzorul interferometric, iar în final acesta ajunge printr-o altă fibră optică la un detector optic,
de obicei o fotodiodă, pentru procesarea semnalului.
Ținând seama de aplicațiile lor, senzorii cu fibră optică pot fi clasifica i în: ț
1.senzori fizici (pentru măsurarea temperaturii, presiunii etc.);
2.senzori chimici (de exemplu pentru măsurarea pH-ului, analiza unui gaz, studii
spectrometrice);
11 din 24

3.senzori bio-medicali (de exemplu senzori spectroscopici biomedicali, senzori ce măsoară
simultan pH-ul, CO 2, O2, senzori ce monitorizează curgerea sângelui).
Senzorii mai pot fi clasifica i în țsenzori intrinseci i respectiv șextrinseci.
Această clasificare este considerată ca fiind cea mai generală. Un senzor este considerat
intrinsec dacă se utilizează un mecanism traductor ( senzor) care face parte din fibra optică,
partea relevantă ce servește ca senzor, de obicei neputând fi distinsă de restul fibrei optice. Spre
deosebire de acesta, un senzor extrinsec utilizează o fibră optică pentru a conduce lumina la
elementul de detectare sau dispozitiv, și o altă fibră, identică sau nu cu prima, este utilizată
pentru a conduce lumina procesată la un sistem fotodetector. Pe scurt, în cazul senzorilor
intrinseci interacțiunea are loc în fibră, iar în cazul senzorilor extrinseci interacțiunea are loc în
afara fibrei optice. Totuși există o categorie de senzori cu fibre optice intrinseci la care mărimea
de măsurat nu interacționează direct cu radiația optică. În acest caz are loc o transformare
intermediară a mărimii de intrare într-o mărime mecanică (presiune, deplasare etc.). Definim în
acest caz două tipuri de senzori intrinseci: senzori intrinseci direcți în care mărimea de măsurat
interacționează direct cu radiația optică și senzori intrinseci indirecți în care mărimea de măsurat
suferă o transformare intermediară. Senzorii intrinseci sunt realizați în general cu fibre optice
monomod, acestea oferind avantajul realizării de configurații cu sensibilități și precizii ridicate.
Senzorii cu fibră optică se pot clasifica și ținând cont de proprietățile luminii afectate de
traductor. Astfel, există:
1.senzori interferometrici ;
2.senzori cu modulația intensității ;
3.senzori spectrometrici ;
4.senzori polarimetrici .
12 din 24

13 din 24

2. METODE DE MODULARE A PURTĂTOAREI LASER
Modularea sistemelor optice și în particular a sistemelor laser este o tehnică complexă
datorită caracteristicilor speciale ale acestor sisteme. Trebuie avut în vedere că radiația optică
care este emisă sau absorbită de astfel de sisteme are o lungime de undă de ordinul 400-800 nm,
corespunzîndu-i o frecvență de ordinul a 1014 Hz. Timpul de răspuns al unor astfel de sisteme este
în general foarte rapid. Emisia laserilor cu semiconductori în undă continuă depinde de ratele de
emisie stimulată și recombinare a purtătorilor de sarcină în mediul activ al joncțiunii
semiconductorului dar și de densitatea acestor purtători. În mod normal laserul se află într-o stare
dinamică de echilibru unde procesele menționate mai sus sunt staționare, iar emisia este stabilă
în timp (“CW laser”). În cazul în care există feedback optic ce provine de exemplu de la o
oglindă sau rețea de difracție situată în calea fascicolului emis, atunci funcționarea laserului are o
dinamică mult mai complexă ce depinde de nivelul de radiație injectată înapoi in mediul activ
laser precum și de lungimea cavității extinse. Modularea laserului este realizată atunci cînd unul
din parametrii sistemului diodă laser cu cavitate extinsă are o variație periodică în timp. Se pot
diferenția mai multe tipuri de modulări. Pe de o parte se poate modula numai emisia optică, fără
a perturba dinamica laserului. O astfel de modulare este des folosită în comunicațiile optice
digitale unde semnalul ce urmează a fi transmis de către dioda laser modulează purtătoarea
optică. Astfel, în locul unei emisii constante în timp se obține un tren de unde în care alternează
doua niveluri de emisie ce corespund valorii 0 și respectiv 1 în semnalul digital. De asemenea o
astfel de modulare este utilă mai ales atunci când detecția radiației emise de laser se face cu un
photodetector ce lucrează în radio-frecvență. Pe de altă parte, se poate modula laserul astfel încît
să îi fie afectată dinamica. Funcționarea laserului se modifică trecînd în spațiul fazelor dintr-o
stare temporal stabilă într-una instabilă. Depinzînd de modulare, se pot obține o multitudine de
stări dinamice caracterizate fie de oscilații periodice, haotice sau regimuri de oscilații
intermediare între periodic și haotic. Prin modulare se modifică atît frecvența oscilatiilor
neliniare dar și amplitudinea acestora. Un avantaj al modulării este reducerea dimensiunii
fractale a traiectoriei laserului modulat în spațiul fazelor și posibilitatea unei sincronizări haotice
totale mai bune între 2 laseri cuplați, dintre care unul este modulat.
14 din 24

2.1.Modularea electrică
Cea mai simplă este modularea emisiei diodei laser, fără a-i fi modificată dinamica.
Astfel, un semnal periodic cu o frecventa de pînă la 1 MHz se poate introduce ca input în driver-
ul diodei laser încât emisia să fie sincronizată cu acest semnal, ca în fig. 2.1.
Fig. 2.1 Modularea emisiei laser
O tehnică de modulare care are ca scop modificarea dinamicii diodei laser este injecția
unui semnal electric de înaltă frecvență în mediul activ laser prin suprapunere peste curentul
continu (dc) nominal de injecție al driverului diodei. Astfel, peste curentul de 50-100 mA dc prin
care se alimentează dioda laser se adaugă un curent RF de ordinul mA, cu o frecvență de pînă la
5 GHz. Modularea curentului de injecție la frecvențe RF combinată cu un feedback optic obținut
într-o cavitate externă are un efect puternic asupra oscilațiilor emisiei laser, așa cum rezultă din
simulări. În practică se pot controla atît frecvența cît și amplitudinea oscilațiilor neliniare ale
laserului, prin modificarea frecvenței curentului de modulare, începînd de la cîțiva MHz. Dioda
laser este termostatată cu un controler și cu o montură dedicată care permite stabilizarea
temperaturii joncțiunii cu o precizie de 0.1 grade. În realizarea cavității externe fascicolul diodei
laser este focalizat cu o lentilă cu o distanță focală de 5 mm. De asemenea, dioda este montată pe
un stativ mecanic care se poate deplasa micrometric pe cele 3 axe de coordonate .
2.2.Modularea optică
Modulararea optică a unui laser cu semiconductor cu cavitate extinsă este în principiu
mai complicată deoarece acționează asupa fazei luminii emise de laser. Prin folosirea unui
modulator electro-optic a carui funcționare se bazează pe modificarea proprietă ilor optice ale ț
unui cristal neliniar alcătuit din LiNbO 3 sau KDP, la aplicarea unui potențial RF de înaltă
15 din 24

tensiune, faza vectorului câmp electric asociat luminii din cavitate se modifică cu un factor
proporțional cu faza modulatorului, Ω m ·t [30-31]. Este de asemenea posibilă folosirea unui
modulator electro-optic ce produce modularea intensității luminoase. În acest caz, amplitudinea
vectorului cîmp electric este variată în timp. Această tehnică este însă probabil mai puțin
eficientă, deși în principiu poate avea un oarecare efect asupra dinamicii laserului datorită
variaților în feedbackul optic. Un modulator optic ce poate fi înglobat în sistem este de tipul
celor fabricate de New Focus sau ThorLabs, cu frecvențe de modulare între 1 MHz și 1 GHz.
Pentru asigurarea unui cuplaj optim între feedback și mediul activ laser este utilă introducerea în
cavitatea externă a unui izolator optic spațial ce permite propagarea unidimensională a
fascicolului laser. De asemenea, un fotodetector ultra-rapid cu o bandă largă de funcționare de 5-
12 GHz trebuie folosit pentu detectarea și măsurarea oscilațiilor rapide ale cîmpului electric, de
ordinul pico-secundelor.
Fig. 2.2 Trenuri de oscila ii haotice în emisia laserului ț
În fig. 2.2 sunt arătate oscilațiile “low frequency fluctuations” (sau LFF) ale laserului cu
cavitate externă și feedback optic moderat, la un curent I=51 mA, apropiat de cel de prag. Se
disting clar trenurile periodice ce se succed la intervale de 100-300 ns în interiorul cărora se
observă oscilații rapide de ordinul ps. Fiecare tren de oscilații este urmat de o cădere accentuată
în putere, după care emisia se restabilește la nivelul inițial. În Fig. 2.3 se distinge trecerea
sistemului laser de la un regim haotic la altul, caracterizată prin oscilații cu amplitudini diferite.
Temperatura joncțiunii este de 20°C pentru emisia din figura 2.1 și de 21°C pentru cea din figura
2.2. Este bine cunoscut că o dată cu variația temperaturii apar salturi ale λ L pe modurile cavității
externe.
16 din 24

Fig. 2.3 Dinamica neliniară cu comutare între 2 regimuri diferite de haos
2.3.Modularea mecanică
O altă tehnică de modulare a sistemului de diodă laser cu cavitate extinsă este bazată pe
variația rapidă și periodică a lungimii cavității prin plasarea rețelei de difracție pe un element
piezo electric ce vibrează cu o frecvență ridicată, de pînă la cîteva sute de kHz. Dinamica
laserului este astfel afectată prin modificarea periodică a drumului optic al radiației. Componenta
de bază a acestei tehnici de modulare este o celulă de tip piezo-transducer alimentată de la un
generator ultrasonic de putere. Prin controlul frecvenței celulei piezo se realizează o ajustare a
ratei de variație a drumului optic din cavitatea externă. Faptul ca modificări microscopice ale
lungimii cavității produc schimbări în dinamica laserului este demonstrat de oscilațiile sistemului
arătate în figurile 2.1 și 2.2. Diferența de temperatură de un singur grad celsius poate produce
deplasări microscopice în lungimea mediului activ laser ca urmare a dilatării termice a acestuia.
2.4.Metode experimentale de modulare pentru doi laseri cupla i ț
Pentru cuplarea a 2 laseri identici cu semiconductori sunt introduse 2 beam splittere în
cavitățile extinse ale acestor laseri. Acestea au rolul de a transmite o fracțiune (de ordinul a 1-10
%) din intensitatea luminoasă ce se propagă în prima cavităte în interiorul celei de-a doua
cavități. Se obține o configurație de tip “master-slave”, în care unul din laseri “conduce” din
punct de vedere dinamic cel de-al doilea laser. Astfel, laserul “slave” primește feedback optic de
la laserul “master”. Pentru un anumit nivel al feedbackului se poate realiza o sincronizare totală a
traiectorilor celor 2 laseri în spațiul fazelor, cu condiția ca parametrii de funcționare a acestora
17 din 24

precum temperatura, curentul prin joncțiune și lungimea cavității să fie apropiați ca valoare în
limita a 5-10%. Ambii laseri sunt operați la un curent foarte apropiat de pragul emisiei laser.
Modularea laserului master prin metodele menționate mai sus duce la controlul haosului
în acest laser și implicit în laserul slave, prin feedbackul optic. În funcție de valoarea
feedbackului dintre acești doi laseri, sincronizarea lor poate fi totală sau numai în fază. Astfel,
cel de-al doilea laser, slave, este practic modulat de haosul laserului master. În cazul folosirii
unui izolator optic, schema de cuplaj și deci de control este unidirecțională, de la master la slave.
Este interesant de analizat dinamica celor doi laseri cuplați cînd feedbackul optic este
bidirecțional. În acest caz laserii se influențează reciproc, fapt ce poate duce la observarea de
“bătăi” ale oscilațiilor haotice.
18 din 24

19 din 24

ANALIZĂ COMPARATIVĂ
Tehnicile de modulare a laserilor haotici în general depind de frecven a oscila iilor de ț ț
relaxare din mediul activ laser sau din cavitatea laser. Astfel, de exemplu, laserii cu mediu activ
corp solid precum Nd:YAG oscilează haotic la frecven e de circa 50-200 kHz pentru feedback ț
slab de 1-5 %, în timp ce pentru laserii cu semiconductori frecvența este de ordinul sutelor de
MHz sau chiar GHz. Astfel modularea acestora cât i sincronizarea haosului în laseri cu solid se ș
realizează mult mai simplu, în timp ce controlul haosului în laserii cu semiconductori este mai
complicată. Laserii cu corp solid sunt exemplifica i aici datorită răspindirii lor pe scară largă în ț
cercetare.
Compara i cu laserii cu semiconductori laserii cu corp solid au lungimea cavită ii cu cel ț ț
pu in două ordine de mărime mai mare: zeci de centimetri fa ă de zeci sau sute de micrometri aiț ț
unei diode laser. De asemenea, o altă caracteristică ce define te oscila iile de relaxare într-un ș ț
sistem laser cu feedback este timpul de relaxare a stărilor metastabile care sunt dezexcitate
simultan prin emisie stimulată. Dacă la un laser cu corp solid acesta este de ordinul a 100 μs, la
laserii cu semiconductori este sub 1 ns. Astfel, tehnicile de modulare la laserii cu semiconductori
pot utiliza frecven e de cel pu in câ iva MHz, însă cele care au un efect pronun at asupra ț ț ț ț
dinamicii neliniare sunt de ordinul sutelor de MHz până la GHz. În cazul nostru interesul pentru
tehnicile de modulare i de control a haosului sunt legate de distribu ia căderilor de putere din ș ț
emisia laserului (LFFs), lungimea temporală a acestor căderi, precum i sincronizarea a doi laseri ș
haotici, dintre care unul este controlat prin aceste tehnici de modulare.
Modulare în curent . Printre tehnicile de control a haosului dintr-un sistem laser cu
semiconductor cu cavitate extinsă, cea mai la îndemână este modularea în curent a diodei laser.
Un astfel de cuplaj a fost realizat de Sukow et al care a folosit o dioda laser de tipul Spectra
Diode, model SDL-5401-G1, cu emisie la 789 nm si curent de prag de 17 mA. Dioda este
montată într-o cavitate extinsă cu o lungime de 71 cm i este stabilizată în temperatură. Un ș
modulator de curent alimentează dioda cu un semnal sinusoidal de înaltă frecven ă RF prin ț
intermediul unui bias tee. Acesta are ca output suma semnalelor RF de la generator i DC de la ș
sursa de alimentare a diodei laser. La o frecven ă a modulării de 30 MHz, la cre terea intensită ii ț ș ț
curentului de modulare de la valori de 0,7 % până la 13,8 % raportat la nivelul curentului DC se
poate observa cum căderile de putere LFFs ale emisiei laserului devin periodice, toate cu aceea i ș
lungime temporală, fie de 100 ns în cazul unei modulări de 8 %, fie de 50 ns pentru 13,8 %. În
aceste condi ii, laserul continuă să aibe oscila ii de relaxare care sunt aproximativ periodice însă ț ț
20 din 24

între două astfel de căderi care se repetă la intervale regulate când laserul este modulat, varia ia ț
în timp a emisiei este tot haotică. Practic laserul func ionează într-un regim haotic controlat, ț
dimensionalitatea haosului scăzând dramatic în acest regim de “control”.
Buldu et al generalizează această tehnică folosind două diode laser haotice identice cu cavitate
extinsă care sunt cuplate, sincronizate în timp i controlate prin modularea în curent doar a uneia. ș
Diodele folosite sunt de tipul index-guided AlGaInP, Roithner RLT6505G i emit la 657 nm. ș
Laserii sunt alimenta i la 17,8 respectiv 17,7 A. Aceste valori corespund curentului de prag al ț
emisiei laser care datorită feedbackului optic este redus cu 1,5-2 % fa ă de cazul func ionării fără ț ț
feedback. Un semnal sinusoidal cu o frecven ă de 10 MHz ob inut de la un generator de semnal ț ț
este introdus în al doilea laser. Prin cre terea amplitudinii de modulare la o frecven ă constantă ș ț
se observă cum căderile de putere LFFs devin regulate în laserul modulat, iar apoi i în primul ș
laser datorită func ionării acestuia în regim de sincronizare. Periodicitatea cu care LFFs au loc ț
este direct afectată de amplitudinea modulării. O tehnică matematică simplă de evaluare a
modificărilor care apar în căderile de putere ca urmare a modulării parametrilor laserului este
bazată fie pe o statistică simplă a acestora în func ie de probabilitatea cu care sunt înregistrate ț
PDF=(Smax-S)/Smax
unde Smax este distribu ia plată, atunci când numărul total ț N de căderi de putere în emisia laserului
sunt repartizate uniform în M coloane ale unei histograme, pk=Nk/N este probabilitatea de a
umple o coloană din histograma cu Nk evenimente din totalul N, iar S este entropia Shannon:
Astfel, când toate căderile de putere sunt similare, adică au aceea i durată PDF=1, pe ș
când atunci când sunt relativ uniform distribuite în histogramă i total necorelate PDF=0. ș
O caracterizare se poate face prin raportul de căderi în amplitudine
unde <Pmin> i <șPmax> sunt mediile valorilor minime sau maxime ale amplitudinilor emisiei
laser. Astfel, amplitudinea unei singure căderi de putere este data de A=Pmax-Pmin.
Crescând feedbackul optic la valori mari, căderile de emisie devin din ce în ce mai mici în
amplitudine astfel că <Pmin> tinde spre <Pmax> iar laserul începe oarecum să se stabilizeze.
Modularea electro-optică. Modularea electro-optică este mai sofisticată în sensul că
func ionarea unui modulator de acest tip este mai preten ioasă. Modulatorul este inserat înț ț
21 din 24

cavitatea optică i aliniat cu fascicolul laser. Func ionarea lui se bazează pe efectul neliniar al ș ț
unui cristal care atunci când este polarizat la o tensiune înaltă de ordinul sutelor sau miilor de
vol i drumul optic al radia iei care străbate cristalul este modificat. Timpul total de propagare alț ț
fascicolului în cavitatea extinsă este făcut să variaze, inducând stări diferite în dinamica
laserului. Un astfel de dispozitiv experimental este prezentat în figura 3.
Fig. 3 Modulare electro-optică a unei diode laser cu cavitate extinsă
O dioda de 50 mW care emite la 850 nm este inserata într-o cavitate externă cu o lungime
de 31,7 cm. Curentul de prag al laserului solitar este de 25 mA i redus la 20 mA în prezen a ș ț
feedbackului. Dioda este modulată la o frecven ă de 292 MHz, cu puteri diferite. Emisia optică ț
trece din monomode în multimode, observându-se apoi o largire a spectrului de emisie i ș
transformându-se într-un spectru cu zgomot. În spa iul fazelor atractorul traiectoriei este o elipsă, ț
după care devine neregulată i haotică. Această varietate de stări dinamice este indusă de ș
modularea intensită ii fascicolului din cavitate la o frecven ă constantă. În cazul în care este ț ț
modificată frecven a de modulare, de ex. între 400 MHz i 2 GHz, se pot ob ine de asemenea ț ș ț
LFFs corelate cu această frecven ă de modulare, precum i zone periodice sau stabile. Pentru ț ș
oscilatiile periodice de mai sus, dinamica este dată de competi ia dintre semnalul periodic al ț
modulatorului i modurile de oscila ie ale cavită ii externe. Între regimurile caraterizate prin ș ț ț
controlul LFFs de către modulator i modularea în frecven ă de tip FM, există o regiune îngustă ș ț
în care laserul este stabilizat i are o dinamică periodică. O comportare asemănătoare a fost ș
observată în simulări ale func ionării unei diode laser în cavitate extinsă modulată electro-optic, ț
realizate de Ticos et al. Aici statistica modificărilor induse de modulator în lungimea temporală a
căderilor de putere este demonstrată prin reprezentarea într-o histogramă. Când modulatorul este
setat pe 1,97 GHz se observă pentru anumi i parametri ai sistemului laser cum aproape toate ț
22 din 24

căderile de putere se încadrează în intervalul 5-13 ns, în timp ce în lipsa modulării acestea au
lungimi de 5 până la 40 ns.
Modularea mecanica a cavită ii. țO altă metodă de control mai pu in răspândită este ț
realizată prin modificarea rapidă a lungimii cavită ii extinse a laserului. Această modificare poate ț
fi o varia ie micrometrică a cavită ii cu o anumită periodicitate în timp sau pur i simplu o ț ț ș
modificare rapidă solitară. Pentru astfel de mi cări mecanice extrem de fine, însă foarte rapide, ș
se folosesc celule piezoelectrice care pot vibra cu frecven a de până la câteva sute de MHz la ț
aplicarea unei tensiuni înalte pe cristalul piezo. Pe astfel de dispozitive piezo se poate monta
etan re eaua de difrac ie care alcătuie te cavitatea extinsă a laserului. La pornirea celulei piezoș ț ț ș
drumul optic al radia iei variază propor ional cu mi carea periodică micrometrică a re elei, ț ț ș ț
suficient cât să aibe un efect asupra dinamicii mediului activ laser i să influen eze emisia optică. ș ț
O realizare experimentală folosind această tehnică de control a dinamicii laserului a fost realizată
de Ikuma et al. O diodă laser ce emite 5mW la 780 nm este stabilizată în temperatură i introdusă ș
într-o caviate externă a cărei lungime poate fi modificată de celula piezo cu câ iva microni, ț
depinzând de tensiunea aplicată. Cu ajutorul unui beam-splitter o mică frac iune (~2%) din ț
fascicol este trimisă la un interferometru pentru a monitoriza schimbările din spectrul optic. Se
vede cum puterea oscilează i trece prin maxime i minime consecutive atunci când lungimea ș ș
cavită ii variază cu valori de ordinul zecilor de microni. Un experiment asemănător este cel unde ț
un laser DFB este stabilizat prin metoda piezoelectrică. Laserul trece printr-o bifurca ie de tip ț
Hopf când faza câmpului optic ce depinde de drumul optic din cavitate atinge o anumită valoare
i intră în regimul de oscila ii de relaxare. Prin varia ia lungimii cavită ii faza câmpului optic seș ț ț ț
schimbă i stările de func ionare instabile devin stabilizate. ș ț
BIBLIOGRAFIE
23 din 24

1.Doicaru, N. i Pârvulescu, M. (1994). ș Transmisii prin fibre optice. Bucure ti. Editura ș
Militară
2.Voiculescu, E. i Mari a, T. (2001). ș ț Optoelectronică. Cluj-Napoca. Editura Albastră
3.http://referate.bubble.ro/comunicatii/com_fibre_optice/
4.http://documents.tips/documents/1-evolutia-comunicatiilor-optice.html
5.http://www.inscc.ro/index.php?
option=com_content&view=category&id=108&Itemid=486&lang=ro
6.http://www.physics.pub.ro/Cursuri/Niculae_Puscas_-_Optica integrata si materiale optice
7.http://www.matrixrom.ro/romanian/editura/domenii/cuprins.php?cuprins=SCB0
8.http://www.scritub.com/stiinta/informatica/COMUNICATII-PRIN-FIBRE-OPTICE
43116.php
9.http://ro.scribd.com/doc/112861101/Comunicatii-optice#scribd
10.http://www.diploma.ro/licente/sisteme-de-comunicatii-optice-4996
24 din 24