Sorgenti, rilevatori e ricevitori

1) Luce :

Presenta sia natura corpuscolare che ondulatoria, dal punto di vista corpuscolare è costituita da un insieme di fotoni mentre dal punto di vista ondulatorio è un'onda elettromagnetica.

2) Interazione luce - materia :

La materia viene vista come un insieme di elettroni aventi livelli energetici stabiliti dalla struttura atomica della materia di cui fanno parte, le interazioni luce - materia sono pertanto scambi energetici tra elettroni e fotoni. In particolare un fotone può consentire ad un elettrone di passare dallo stato fondamentale allo stato eccitato a patto che la sua energia sia maggiore del gap. Nel ritorno dell'elettrone allo stato fondamentale vi può essere emissione di un fotone, in maniera spontanea o stimolata come pure vi può essere soltanto emissione di energia termica.

3) Emissione spontanea e stimolata :

Nell'emissione spontanea i fotoni sono emessi in direzioni e con fasi casuali, è il caso dei led, nella emissione stimolata invece i fotoni sono caratterizzati tutti dalla stessa direzione, energia e fase ciò avviene in quanto un fotone stimola l'emissione di un altro fotone, è questo il caso dei Laser.

4) Materiali utilizzati per la realizzazione di fotodiodi :

• Germanio (. Ge) gap indiretta
• Silicio (. Si) gap indiretta
• Arseniuro di Gallio (. GaAs)
• Fosfuro di Indio, Gallio ed Arsenico (. InGaAsP)

5) Semiconduttori a gap diretta :

Sono semiconduttori per i quali il massimo della banda di valenza si ha in corrispondenza dello stesso momento per il quale si ha il minimo della banda di conduzione, per essi è massima la probabilità di emissione radiativa al contrario di quanto avviene nei semiconduttori a gap indiretta dove occorre anche un fonone.

6) Pompaggio :

Si intende il passaggio di elettroni dallo stato fondamentale allo stato eccitato, può essere sia pompaggio elettrico mediante una corrente di polarizzazione che pompaggio ottico mediante fotoni ad energia sufficiente.

7) Emissione stimolata :

In condizioni di inversione di popolazione il numero di elettroni in banda di conduzione è maggiore del numero di elettroni in banda di valenza, questo fa si che gli elettroni che tornano in banda di valenza non vengono assorbiti ma danno origine ad emissione stimolata, ciò da luogo ad una emissione coerente ed intensa.

8) ASE :

Amplified Spontaneous Emission.

9) LED :

Sono sorgenti ottiche dei quali si sceglie la gap in modo che sia pari alla lunghezza d'onda della radiazione luminosa desiderata. Sono semiconduttori molto drogati in modo da agevolare la realizzazione dell'inversione di popolazione.

Il pompaggio è di tipo elettrico e l'emissione conseguente è spontanea. L'accoppiamento con la fibra avviene per accostamento e c'è un basso rendimento, si riescono a iniettare potenze dell'ordine dei decimi di mW a fronte di potenze generate pari a decine di mW. I led ad emissione di superficie hanno una larghezza spettrale molto maggiore rispetto ai led ad emissione laterale sono pertanto adatti a lunghezze di tratta inferiori o data rate inferiori.

10) LASER :

Sono basati sull'emissione stimolata conseguentemente generano potenze ottiche di centinaia di mW, hanno un migliore accoppiamento in fibra ed una larghezza spettrale inferiore ai led, ciò ne consente l'utilizzo sino a 10Gbit/s.

Drogando intensamente e polarizzando si ha inversione di popolazione e conseguentemente un guadagno ottico, affinché si mantenga però questa generazione occorre vi sia una oscillazione il che si ottiene ponendo il dispositivo attivo in una cavità formata da due specchi o semplicemente con due pareti lucidate, le attenuazioni che ne conseguono sono elevate pertanto occorre un elevato guadagno per innescare l'oscillazione. In genere vi è un modo dominante ma in sua prossimità altri modi possono accaparrarsi parte della potenza. Confinando la regione attiva sia verticalmente che lateralmente con un salto d'indice si riesce a tener bassa la corrente di soglia come pure l'angolo del cono luminoso.

11) Tipologie di LASER :

Fabry-Perot : ha uno spettro di emissione esteso ed un rendimento del 25%

Singolo modo longitudinale : il profilo di attenuazione della cavità è differente per i possibili modi longitudinali, ciò avviene grazie a discontinuità del reticolo ottenute con tecniche oleografiche.

o  DFB (Distribuited Feed Back) : la riflessione avviene nella cavità

o  DBR (Distributed Bragg Reflector) : la riflessione avviene esternamente alla cavità

12) Chirp del LASER :

La variazione del numero di portatori oltre a variare il guadagno del dispositivo ne cambia anche l'indice di rifrazione conseguentemente alla modulazione di ampiezza è associata anche una modulazione di fase (frequenza) che determina un allargamento dell'impulso già dopo tratte di 100Km.

13) Rumore di intensità :

Fluttuazioni della potenza ottica emessa determinate dalle fluttuazioni quantiche della densità di elettroni, è espressa tramite il RIN, Relative Intensity Noise.

14) Potenza di emissione ottimale per un LASER :

Il rumore diminuisce all'aumentare della potenza ottica emessa mentre l'indice di modulazione diminuisce al crescere della potenza ottica.

15) Fotodiodo :

Se un fotone con energia maggiore della band gap investe un fotorivelatore si ha la creazione di una coppia elettrone - lacuna, nel caso di più fotoni si ha la generazione di una corrente la cui intensità è pari al prodotto della potenza ottica per la responsività del dispositivo la quale a sua volta è funzione dell'efficienza quantica dello stesso.

16) Fotodiodo PIN :

Si ha un semiconduttore intrinseco situato tra la regione p e la regione n, una elevata differenza di potenziale si stabilisce ai capi del semiconduttore intrinseco dando luogo ad una regione di svuotamento molto estesa, in tal modo si ottiene una responsività di circa 0,8 ed una larghezza di banda fino a 50GHz.

17) Fotodiodo APD :

E' come il diodo PIN ma si ha una zona detta strato di moltiplicazione dove le cariche generate nella regione intrinseca sono accelerate da un elevato campo elettrico sino a provocare una moltiplicazione a valanga. Oltre ad un aumento del guadagno si ha anche un aumento del rumore ed una riduzione della banda. Il guadagno vale circa 100.

18) Modulatori ad elettroassorbimento :

Si basano sul fatto che il valore della gap di un semiconduttore diminuisce se gli viene applicato un campo elettrico. Di solito vengono integrati con LASER DFB.

19) Modulatori ottici di tipo Mach Zehnder :

Uno splitter separa il fascio tra due guide d'onda nelle quali degli elettrodi cambiano la fase reciproca, un combiner poi riaccoppia i fasci ottici.