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Da quando i visi pallidi avevano cominciato a vendere le schegge di cielo ai Sioux, i nostri guerrieri avevano imparato a trasmettere segnali luminosi tra una cima e l’altra, facendo riflettere la luce del sole ed usando lo stesso linguaggio dei segnali di fumo.

Da “Alce Nero racconta”

TRASMETTITORI OTTICI

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LE PATOLOGIE DELLA CARATTERISTICA DEL LASER

I dispositivi optoelettronici a semiconduttore (i laser in particolare) soffrono in generale di due diverse patologie che danno luogo agli stessi effetti sulla caratteristica Potenza-Corrente : l’aumento di temperatura e l’invecchiamento.Infatti l’aumento di temperatura tende a modificare la curva del guadagno ottico facendone diminuire il valore massimo e spostandolo a frequenza maggiore, mentre con l’invecchiamento e l’usura si vengono a creare difetti cristallografici nell’area attiva che fanno aumentare le ricombinazioni non-radiative e quindi l’efficienza quantica del dispositivo tende a diminuire.Mentre per l’aumento di temperatura le modifiche della curva P-I sono reversibili, quelle dovute all’invecchiamento sono permanenti.Nella figura seguente si vede la caratteristica P-I di un laser a semiconduttore per diverse temperature e/o gradi di invecchiamento.

Modifiche della caratteristica in funzione della temperatura e/o gradi di invecchiamento.Si può notare dalla figura che i “movimenti” della curva sono la sovrapposizione di due distinti effetti: a) l’aumento della corrente di soglia per la superradianza (i punti angolosi delle curve) e b) diminuzione della pendenza del tratto rettilineo (efficienza quantica).La modifica della curva provoca il degrado dei livelli di potenza massimo e minimo nel caso di una modulazione diretta di ampiezza, come mostra la figura seguente.

Degrado dei livelli del segnale ottico

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IL MODULO TRASMETTITORE PER LA LINEA DI TRANSITO

Il modulo trasmettitore laser è un sistema progettato per fare in modo che il laser a semiconduttore possa trasmettere i dati in fibra in modo stabile ed affidabile. E’ composto da moduli di elettronica per il controllo della stabilità del laser, da elementi di meccanica per l’allineamento con la fibra e da moduli per il controllo termico del chip necessari vista l’estrema dipendenza delle caratteristiche di emissione laser dalla temperatura.La figura che segue illustra un modulo meccanico progettato in CSELT negli anni 90 adatto per un laser a emissione laterale che deve pilotare una fibra monomodo.

Parte meccanica del modulo trasmettitore.

1. CHIP del laser ad emissione laterale.

2. Reofori di collegamento elettrico al chip, sia per la polarizzazione del laser sia per la modulazione diretta dei dati. Il laser emette su entrambe le facce.

3. PIN di controllo interno che consente di monitorare localmente la potenza di emissione del laser.

4. Fibra ottica.

5. Meccanismo di micro posizionamento che consente di massimizzare l’allineamento tra laser e nucleo della fibra. Il massimo dell’allineamento si ottiene monitorando la potenza ottica alla fine della fibra.

6. SUBMOUNT di rame. Essendo di rame che ha il migliore coefficiente di trasmissione termica; consente di smaltire il calore in eccesso facilmente e garantisce robustezza all’insieme.

7. Proprio sotto il chip, (il più vicino possibile) viene fatto un piccolo foro per allocare un sensore di temperatura (termocoppia) per monitorare la temperatura del chip, o almeno una parte di essa.

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8. Allargatore di flusso in ceramica. In alcuni casi, al fine di diminuire la resistenza termica complessiva, si inserisce una lastrina di ceramica elettricamente isolante ma termicamente conduttiva (generalmente di ossido di Berillio BeO che però è in disuso perché le polveri sono tossiche, oppure di diamante oppure di nitruro di silicio). Il suo ruolo sarebbe quello di allargare le linee del flusso termico proveniente dall’area attiva del laser in modo da diminuire la resistenza termica. Tuttavia la presenza di un ulteriore strato di incollaggio tra lastrina e submount rischia di introdurre una resistenza termica di contatto ulteriore che di fatto tende a vanificare i benefici della lastrina stessa.

9. Parte del contenitore esterno generalmente in alluminio.

10. Viene introdotta una cella Peltier che funziona da refrigerante. Impone cioè un salto termico negativo tra submount (lato freddo) e case esterno (lato caldo) se la cella è percorsa da corrente elettrica.

11.Ingresso per la corrente della cella Peltier.

All’interno del modulo viene allocata l’elettronica per il pilotaggio in corrente del laser e per il controllo della stabilità di emissione.

Foto (CSELT)

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L’ELETTRONICA DI PILOTAGGIO DEL LASER

La corrente di pilotaggio del dispositivo laser deve essere erogata da un transistor che funge da generatore di corrente controllato. Si possono avere molteplici schemi realizzativi più o meno complessi a seconda delle esigenze di velocità necessarie (bit-rate).Lo schema che viene qui presentato è quello che massimizza il problema della velocità di pilotaggio per segnali che devono viaggiare sulle linee di transito con un maggiore bit-rate.

Driver del Laser o LED per la modulazione diretta ad alto bit-rate.

Lo schema principale ricorda la struttura delle porte logiche ECL, ora in disuso perché, a fronte della velocità di commutazione, presentavano il massimo del consumo di potenza elettrica. La struttura è quella di un amplificatore differenziale in cui i transistor lavorano permanentemente nella zona attiva e non vanno mai in zona di saturazione che potrebbe rallentare la commutazione.Si noti che la corrente nel laser è composta dalla sovrapposizione di due componenti erogate da due diverse parti del circuito: IBIAS (corrente media di polarizzazione) e IDATI (fornita dalla sezione differenziale). Questo per consentire il controllo separato delle due componenti di corrente.Per massimizzare la velocità, i dispositivi attivi vanno scelti tra quei componenti che possiedono un’alta frequenza di taglio come transistori bipolari al Si-Ge oppure i transistori veloci Mesfet a semiconduttori composti o altri tipi più complessi.Il ruolo dei due diodi Schottky (metallo-semiconduttore) posti sugli emettitori dei transistors è quello di diminuire la capacità di ingresso vista dal generatore dei dati e quindi di aumentare la banda di modulazione. Infatti la capacità del diodo, che è piccola, è posta in serie alla capacità della giunzione base-emettitore. Nella serie prevale dunque la capacità minore.

L’ELETTRONICA DI CONTROLLO DEI LIVELLI OTTICI

Al fine di garantire l’invarianza dei livelli ottici massimo e minimo della modulazione di ampiezza a fronte della modifica della caratteristica esterna del laser, è necessario implementare un sistema elettronico di controllo che pilota il circuito del driver. La strategia per effettuare il controllo è duplice: controllo PMAX-PMIN e controllo PMED-PPICCO-PICCO.

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Come si vedrà, la differenza di queste due strategie riguarda da una parte il problema della reiezione del rumore e dall’altra dalla forma stessa della codifica dei dati digitali di ingresso.

I dati digitali di una sequenza possono essere codificati secondo varie forme. Le principali sono illustrate nella figura seguente.

Varie forme di codifica della sequenza dei dati digitali.

• Il codice NRZ (not return to zero) è il più semplice e quello che implica una minore occupazione di banda base. Vengono trasmessi sull’intera casella temporale il livello alto per 1 e quello basso per 0.

• Nel codice RZ (return to zero) la trasmissione di 1 implica il livello alto per la sola prima metà della casella temporale.

• NRZ BIPOLARE: è a tre livelli: livello intermedio per 0 logico, mentre per gli uni logici viene trasmesso alternativamente il livello alto e quello basso.

• RZ BIPOLARE: uguale al precedente ma i livelli rappresentanti l’1 logico durano solo la prima metà della casella temporale.

• BIFASE : ha due soli livelli. All’interno della casella temporale viene trasmessa la sequenza 1-0 (alto-basso) nel caso dell’1 logico, mentre viene trasmesso 0-1 (basso-alto) nel caso dello 0 logico. Ha la maggiore occupazione di banda base.

La ragione di questa molteplicità di codici risiede nella necessità di prevenire in ricezione gli errori di riconoscimento del dato nella singola casella temporale.Infatti in ricezione il dato deve venire campionato per essere ricostruito. Nel caso della NRZ il campionamento deve avvenire a metà della casella temporale. In ricezione il clock di campionamento deve essere uguale al clock di trasmissione ma di fatto le due cadenze sono sempre asincrone. In più i segnali di cadenza sono affetti dal rumore temporale detto Jitter: in pratica la durata della singola casella temporale è una variabile aleatoria per cui può durare più del dovuto o meno del dovuto. In queste condizioni può capitare che il clock di ricezione sia in ritardo o in anticipo di uno o più bit rispetto al clock di trasmissione; il che provoca un riconoscimento fallace in ricezione.Proprio per ovviare a questo problema si usano gli altri quattro codici che sono, chi più chi meno, immuni al Jitter temporale.

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Ora, tornando al problema del controllo dei livelli del laser, si può notare che nel caso dei codici NRZ ed RZ il valore medio dei dati calcolati su una certa lunghezza di bit dipende dai dati stessi (si consideri la trasmissione di tutti 1 oppure tutti 0). Nelle altre tre codifiche invece il valore medio dei dati, sempre calcolati su una certa lunghezza di bit, risulta sostanzialmente indipendente dalla tipologia dei dati trasmessi.In base a questa considerazione, quindi in base alla codifica, si scelgono le due strategie di controllo: PMAX-PMIN per la NRZ e la RZ e la strategia PMED-PPICCO-PICCO per le altre tre codifiche.

CONTROLLO PMAX-PMIN

Il sistema di controllo prevede l’uso del rivelatore PIN interno al modulo trasmettitore.L’amplificatore a trans-impedenza di tipo passa-basso ricostruisce in tensione la forma dei dati. Due circuiti a valle fissano rispettivamente il malore massimo ed il minimo dei dati che vengono confrontati con i valori di riferimento creando segnali errori che pilotano rispettivamente i due ingressi del circuito di pilotaggio. Il valore minimo pilota l’ingresso BIAS, mentre il valore massimo pilota l’ampiezza del generatore dei dati.Questo controllo possiede un difetto. Poiché il trasmettitore è specifico per le linee di transito quindi con un’alta frequenza di bit, la durata del singolo bit è corta. Quindi il transitorio di salita o di discesa del segnale all’uscita dell’amplificatore deve essere decisamente più corto della durata del singolo bit per fare in modo che si fissino i veri valori minimo o massimo. Per il legame che esiste tra tempo di salita e banda dell’amplificatore, ciò implica che l’amplificatore deve essere a larga banda e quindi fa passare in uscita una grande quantità di rumore. Quindi questa strategia ha il principale difetto nell’essere molto sensibile al rumore.

CONTROLLO PMED-PPICCO-PICCO

Questa strategia, sebbene più lenta, aggira totalmente il problema del rumore. E’ adatta alle codifiche Bipolari ed alla Bifase. Lo schema a blocchi è riportato nella figura seguente.

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Il segnale ricostruito proveniente dal PIN viene dapprima inviato ad un filtro passa-basso a banda stretta (a trans-impedenza) che seleziona il solo valore medio del segnale col cui segnale errore rispetto al riferimento viene pilotato l’ingresso BIAS del circuito di pilotaggio.Il segnale viene inoltre mandato ad un filtro selettivo a banda molto stretta (e quindi con risposta lenta) accordato sulla frequenza di clock. Ovvero si opera una ricostruzione del clock a partire da una sequenza casuale di bit. Il segnale in uscita dal filtro avrà ampiezza pari all’ampiezza picco-picco dei dati.Successivamente per mezzo di un mixer moltiplicatore, si miscela il segnale da un generatore sincrono con il clock dei dati. In pratica si opera una rivelazione di tipo OMODINA:

A cos(ωp *t) Segnale proveniente dal filtro selettivo

B cos(ωp *t + φ) Segnale sincrono con il clock TX

(AB)/2 * cos( φ ) + (AB)/2 * (2ωp*t + φ) Segnale in uscita dal mixer

Lo sfasamento φ non pone problemi perché è costante nel tempo (siamo nell’ambiente TX) e può essere facilmente annullato con uno sfasatore di correzione. Una volta eliminata la frequenza doppia con un filtro passa basso, il segnale utile per il controllo (AB)/2 contiene l’ampiezza picco-picco del segnale ottico da controllare e con il suo segnale errore viene pilotato l'ingresso DATI del driver del laser.

Si tenga presente che questa strategia NON può essere usata con il codice NRZ.Infatti la figura successiva illustra la densità spettrale di potenza del segnale digitale casuale codificato con la NRZ e con una Bipolare. Si vede che lo spettro NRZ si annulla proprio in corrispondenza della frequenza di clock, per cui la strategia di estrarre un segnale di clock con il filtro selettivo NON FUNZIONA!

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NECESSITA’ DEL CONTROLLO TERMICO

Le due strategie di controllo elettrico del segnale ottico di fatto non correggono la modifica della caratteristica P-I del laser, bensì tendono a modificare i livelli di modulazione di corrente in modo da adattarli alla nuova curva e mantenere costanti i livelli di potenza ottica in fibra.Quindi l’aumento della temperatura interna del laser provoca in ultima analisi un aumento dei livelli di corrente di pilotaggio. In questo meccanismo c’è il serio pericolo che il sistema vada in FUGA TERMICA. Si segua il seguente ragionamento:La temperatura del laser aumenta; la caratteristica P-I si deforma diminuendo la pendenza e aumentando la corrente di soglia; il controllo elettrico fa aumentare i livelli della corrente di pilotaggio del laser; l’aumento di corrente implica l’aumento della potenza dissipata all’interno del dispositivo per effetto Joule; tramite la resistenza termica tale aumento si traduce in un incremento della temperatura interna del laser; e così via…Per evitare questo loop positivo, è necessario inserire anche il controllo termico per mezzo della cella Peltier. Non appena il sensore registra un aumento indesiderato di temperatura, la cella tende a raffreddare il sistema e la curva P-I si riporta quindi alle condizioni di normale funzionamento.