Implementação de WDM com dispositivos semicondutores

Este trabalho utiliza uma estrutura pin empilhada, baseada numa liga de siliceto de carbono amorfo hidrogenado (a-Si:H e/ou a-SiC:H), que funciona como filtro óptico na zona visível do espectro electromagnético. Pretende-se utilizar este dispositivo para realizar a demultiplexagem de sinais ópticos e desenvolver um algoritmo que permita fazer o reconhecimento autónomo do sinal transmitido em cada canal. O objectivo desta tese visa implementar um algoritmo que permita o reconhecimento autónomo da informação transmitida por cada canal através da leitura da fotocorrente fornecida pelo dispositivo. O tema deste trabalho resulta das conclusões de trabalhos anteriores, em que este dispositivo e outros de configuração idêntica foram analisados, de forma a explorar a sua utilização na implementação da tecnologia WDM. Neste trabalho foram utilizados três canais de transmissão (Azul – 470 nm, Verde – 525 nm e Vermelho – 626 nm) e vários tipos de radiação de fundo. Foram realizadas medidas da resposta espectral e da resposta temporal da fotocorrente do dispositivo, em diferentes condições experimentais. Variou-se o comprimento de onda do canal e o comprimento de onda do fundo aplicado, mantendo-se constante a intensidade do canal e a frequência de transmissão. Os resultados obtidos permitiram aferir sobre a influência da presença da radiação de fundo e da tensão aplicada ao dispositivo, usando diferentes sequências de dados transmitidos nos vários canais. Verificou-se, que sob polarização inversa, a radiação de fundo vermelho amplifica os valores de fotocorrente do canal azul e a radiação de fundo azul amplifica o canal vermelho e verde. Para polarização directa, apenas a radiação de fundo azul amplifica os valores de fotocorrente do canal vermelho. Enquanto para ambas as polarizações, a radiação de fundo verde, não tem uma grande influência nos restantes canais. Foram implementados dois algoritmos para proceder ao reconhecimento da informação de cada canal. Na primeira abordagem usou-se a informação contida nas medidas de fotocorrente geradas pelo dispositivo sob polarização inversa e directa. Pela comparação das duas medidas desenvolveu-se e testou-se um algoritmo que permite o reconhecimento dos canais individuais. Numa segunda abordagem procedeu-se ao reconhecimento da informação de cada canal mas com aplicação de radiação de fundo, tendo-se usado a informação contida nas medidas de fotocorrente geradas pelo dispositivo sob polarização inversa sem aplicação de radiação de fundo com a informação contida nas medidas de fotocorrente geradas pelo dispositivo sob polarização inversa com aplicação de radiação de fundo. Pela comparação destas duas medidas desenvolveu-se e testou-se o segundo algoritmo que permite o reconhecimento dos canais individuais com base na aplicação de radiação de fundo.

Fotodetector e dispositivo WDM integrados

Ao longo deste trabalho é apresentada a caracterização optoelectrónica de uma estrutura semicondutora empilhada de fotodíodos PIN (Positive-Intrinsic-Negative), baseados em silício amorfo hidrogenado (a-Si:H - Hydrogenated Amorphous Silicon) e siliceto de carbono amorfo hi-drogenado (a-SiC:H - Hydrogenated Amorphous Silicon Carbide), em que ambos funcionam como filtros ópticos na zona visível do espectro electromagnético e cuja sensibilidade espectral na região do visível é modulada pelo sinal de tensão eléctrico aplicado e pela presença de polarização óptica adicional (radiação de fundo). Pretende-se utilizar a característica de sensor de cor destes dispositivos semicondutores para realizar a demultiplexagem de sinais ópticos e desenvolver um algoritmo que permita fazer o reco-nhecimento autónomo do sinal transmitido em cada canal, tendo em vista a utilização de vários ca-nais para a transmissão de sinais a curta distância. A transmissão destes sinais deverá ser suportada no meio de transmissão fibra óptica, que constituirá uma importante mais-valia na optimização do sistema WDM (Wavelength Division Mul-tiplexing), permitindo optimizar a transmissão de sinais. Pelas suas capacidades intrínsecas, as fi-bras ópticas de plástico (POF - Plastic Optical Fibers) são uma solução adequada para a transmis-são de sinais no domínio visível do espectro electromagnético a curtas distâncias. Foi realizada uma sucinta caracterização optoelectrónica da estrutura semicondutora sob diferentes condições de iluminação, variando o comprimento de onda e a iluminação de fundo que influencia a resposta espectral do dispositivo semicondutor, variando as cores dos fundos inciden-tes, variando o lado incidente do fundo sobre a estrutura semicondutora, variando a intensidade des-ses mesmos fundos incidentes e também variando a frequência do sinal de dados. Para a transmissão dos sinais de dados foram utilizados três dispositivos LED (Light-Emitting Diode) com as cores vermelho (626nm), verde (525nm) e azul (470nm) a emitir os respec-tivos sinais de dados sobre a estrutura semicondutora e onde foram aplicadas diversas configurações de radiação de fundo incidente, variando as cores dos fundos incidentes, variando o lado incidente do fundo sobre a estrutura semicondutora e variando também a intensidade desses mesmos fundos incidentes. Com base nos resultados obtidos ao longo deste trabalho, foi possível aferir sobre a influên-cia da presença da radiação de fundo aplicada ao dispositivo, usando diferentes sequências de dados transmitidos nos vários canais. Sob polarização inversa, e com a aplicação de um fundo incidente no lado frontal da estrutura semicondutora os valores de fotocorrente gerada são amplificados face aos valores no escuro, sendo que os valores mais altos foram encontrados com a aplicação do fundo de cor violeta, contribuindo para tal, o facto do sinal do canal vermelho e canal verde serem bastan-te amplificados com a aplicação deste fundo. Por outro lado, com a aplicação dos fundos incidentes no lado posterior da estrutura semi-condutora, o sinal gerado não é amplificado com nenhuma cor, no entanto, a aplicação do fundo de cor azul proporciona a distinção do sinal proveniente do canal azul e do canal vermelho, sendo que quando está presente um sinal do canal vermelho, o sinal é fortemente atenuado e com a presença do sinal do canal azul o sinal gerado aproxima-se mais do valor de fotocorrente gerada com a estru-tura no escuro. O algoritmo implementado ao longo deste trabalho, permite efectuar o reconhecimento au-tónomo da informação transmitida por cada canal através da leitura do sinal da fotocorrente forne-cida pelo dispositivo quando sujeito a uma radiação de fundo incidente violeta no lado frontal e uma radiação de fundo incidente azul no lado posterior. Este algoritmo para a descodificação dos sinais WDM utiliza uma aplicação gráfica desenvolvida em Matlab que com base em cálculos e compara-ções de sinal permite determinar a sequência de sinal dos três canais ópticos incidentes. O trabalho proposto nesta tese é um módulo que se enquadra no desenvolvimento de um sistema integrado de comunicação óptica a curta distância, que tem sido alvo de estudo e que resulta das conclusões de trabalhos anteriores, em que este dispositivo e outros de configuração idêntica foram analisados, de forma a explorar a sua utilização na implementação da tecnologia WDM den-tro do domínio do espectro visível e utilizando as POF como meio de transmissão.

Implementação de WDM com 4 canais no espetro do visível

Trabalho Final de Mestrado para obtenção do grau de Mestre em Engenharia de Electrónica e Telecomunicações

Atribuição e encaminhamento de comprimento de onda em redes IP sobre WDM energeticamente eficiente

Trabalho Final de Mestrado para obtenção do grau de Mestre em Engenharia Electrónica e Telecomunicações

Sistema WDM de 4 canais

Trabalho Final de Mestrado para obtenção do grau de Mestre em Engenharia de Electrónica e Telecomunicações

Energy-Aware Routing And Grooming For IP Transport Over WDM MLR Networks

In this work a mixed integer optimization linear programming (MILP) model was applied to mixed line rate (MLR) IP over WDM and IP over OTN over WDM (with and without OTN grooming) networks, with aim to reduce network energy consumption. Energy-aware and energy-aware & short-path routing techniques were used. Simulations were made based on a real network topology as well as on forecasts of traffic matrix based on statistical data from 2005 up to 2017. Energy aware routing optimization model on IPoWDM network, showed the lowest energy consumption along all years, and once compared with energy-aware & short-path routing, has led to an overall reduction in energy consumption up to 29%, expecting to save even more than shortest-path routing. © 2014 IEEE.

Five channel WDM communication using a single a:SiC-H double pin photo device

Amorphous SiC heterostructures built as a double pin device has a non linear spectral gain which is a function of the signal wavelength that impinges on its front or back surface. Illuminating the device with several single wavelength data channels in the visible spectrum allows for Wavelength Division Multiplexing (WDM) digital communication. Using fixed ultra-violet illumination at the front or back surfaces enables the recovery of the multiplexed channels. Five channels, each using a single wavelength which is modulated by a Manchester coded signal at 12,000 bps, form a frame with 1024 bits with a preamble for signal intensity and synchronisation purposes. Results show that the clustering of the received signal enables the successful recovery of the five channel data using the front and back illumination of the surfaces of the double pin photo device. (C) 2015 Elsevier B.V. All rights reserved.

Desmultiplexagem óptica controlada por tensão (DOV)

Este trabalho apresenta a caracterização optoelectrónica de uma estrutura p-i-n baseada em a-Si:H e/ou a-SiC:H que funciona como sensor de cor no espectro visível. O estudo do sensor tem como objectivo a multiplexagem e desmultiplexagem de um sinal óptico (WDM Wavelengthdivision multiplexing). A caracterização do processo de WDM tem em vista a utilização de vários canais para a transmissão de sinais a curta distancia. Este modelo deverá integrar como meio de transmissão a fibra óptica, que constituirá uma importante mais valia na optimização do sistema WDM. Aliada as características do sensor cuja sensibilidade espectral na região do visível é modulada pelo sinal de tensão eléctrico aplicado. O facto destes dispositivos funcionarem como filtros de cor controlados por tensão, permite controlar a selectividade espectral no canal de transmissão, o que regula a regeneração do sinal óptico transmitido. O sistema do processamento de sinal para a desmultiplexagem foi feito para três sinais ópticos com os respectivos comprimentos de onda (Vermelho-626 nm, Verde-525 nm e Azul- 470 nm).

Redução das emissões de CO2 em redes ópticas

Num mundo em que as redes de telecomunicações estão em constante evolução e crescimento, o consumo energético destas também aumenta. Com a evolução tanto por parte das redes como dos seus equipamentos, o custo de implementação de uma rede tem-se reduzido até ao ponto em que o maior obstáculo para o crescimento das redes é já o seu custo de manutenção e funcionamento. Nas últimas décadas têm sido criados esforços para tornar as redes cada fez mais eficientes ao nível energético, reduzindo-se assim os seus custos operacionais, como também a redução dos problemas relacionados com as fontes de energia que alimentam estas redes. Neste sentido, este trabalho tem como objectivo principal o estudo do consumo energético de redes IP sobre WDM, designadamente o estudo de métodos de encaminhamento que sejam eficientes do ponto de vista energético. Neste trabalho formalizámos um modelo de optimização que foi avaliado usando diferentes topologias de rede. O resultado da análise mostrou que na maioria dos casos é possível obter uma redução do consumo na ordem dos 25%.

Non-selective optical wavelength-division multiplexing devices based on a-SiC:H multilayer heterostuctures

In this paper we present results on the optimization of multilayered a-SiC:H heterostructures for wavelength-division (de) multiplexing applications. The non selective WDM device is a double heterostructure in a glass/ITO/a-SiC:H (p-i-n) /a-SiC:H(-p) /a-Si:H(-i')/a-SiC:H (-n')/ITO configuration. The single or the multiple modulated wavelength channels are passed through the device, and absorbed accordingly to its wavelength, giving rise to a time dependent wavelength electrical field modulation across it. The effect of single or multiple input signals is converted to an electrical signal to regain the information (wavelength, intensity and frequency) of the incoming photogenerated carriers. Here, the (de) multiplexing of the channels is accomplished electronically, not optically. This approach offers advantages in terms of cost since several channels share the same optical components; and the electrical components are typically less expensive than the optical ones. An electrical model gives insight into the device operation.

Optical demultiplexer device operating in the visible spectrum

In this paper, we present results on the use of multilayered a-SiC:H heterostructures as a device for wavelength-division demultiplexing of optical signals. These devices are useful in optical communications applications that use the wavelength division multiplexing technique to encode multiple signals into the same transmission medium. The device is composed of two stacked p-i-n photodiodes, both optimized for the selective collection of photo generated carriers. Band gap engineering was used to adjust the photogeneration and recombination rate profiles of the intrinsic absorber regions of each photodiode to short and long wavelength absorption in the visible spectrum. The photocurrent signal using different input optical channels was analyzed at reverse and forward bias and under steady state illumination. A demux algorithm based on the voltage controlled sensitivity of the device was proposed and tested. An electrical model of the WDM device is presented and supported by the solution of the respective circuit equations.

Semiconductor Device as Optical Demultiplexer for Short Range Optical Communications

In this paper we present results on the use of a multilayered a-SiC:H heterostructure as a wavelength-division demultiplexing device for the visible light spectrum. The proposed device is composed of two stacked p-i-n photodiodes with intrinsic absorber regions adjusted to short and long wavelength absorption and carrier collection. An optoelectronic characterisation of the device was performed in the visible spectrum. Demonstration of the device functionality for WDM applications was done with three different input channels covering the long, the medium and the short wavelengths in the visible range. The recovery of the input channels is explained using the photocurrent spectral dependence on the applied voltage. An electrical model of the WDM device is proposed and supported by the solution of the respective circuit equations. Short range optical communications constitute the major application field, however other applications are also foreseen.

Optoelectronic Digital Capture Device Based on Si/C Multilayer Heterostructures

Combined tunable WDM converters based on SiC multilayer photonic active filters are analyzed. The operation combines the properties of active long-pass and short-pass wavelength filter sections into a capacitive active band-pass filter. The sensor element is a multilayered heterostructure produced by PE-CVD. The configuration includes two stacked SiC p-i-n structures sandwiched between two transparent contacts. Transfer function characteristics are studied both theoretically and experimentally. Results show that optical bias activated photonic device combines the demultiplexing operation with the simultaneous photodetection and self amplification of an optical signal acting the device as an integrated photonic filter in the visible range. Depending on the wavelength of the external background and irradiation side, the device acts either as a short- or a long-pass band filter or as a band-stop filter. The output waveform presents a nonlinear amplitude-dependent response to the wavelengths of the input channels. A numerical simulation and two building-blocks active circuit is presented and gives insight into the physics of the device.

Measurement of Photo Capacitance in Amorphous Silicon Photodiodes

This paper discusses the photodiode capacitance dependence on imposed light and applied voltage using different devices. The first device is a double amorphous silicon pin-pin photodiode; the second one a crystalline pin diode and the last one a single pin amorphous silicon diode. Double amorphous silicon diodes can be used as (de)multiplexer devices for optical communications. For short range applications, using plastic optical fibres, the WDM (wavelength-division multiplexing) technique can be used in the visible light range to encode multiple signals. Experimental results consist on measurements of the photodiode capacitance under different conditions of imposed light and applied voltage. The relation between the capacitive effects of the double diode and the quality of the semiconductor internal junction will be analysed. The dynamics of charge accumulations will be measured when the photodiode is illuminated by a pulsed monochromatic light.

Optoelectronic Logic Functions Based on Reconfigurable SiC Multilayer Devices

WDM multilayered SiC/Si devices based on a-Si:H and a-SiC:H filter design are approached from a reconfigurable point of view. Results show that the devices, under appropriated optical bias, act as reconfigurable active filters that allow optical switching and optoelectronic logic functions development. Under front violet irradiation the magnitude of the red and green channels are amplified and the blue and violet reduced. Violet back irradiation cuts the red channel, slightly influences the magnitude of the green and blue ones and strongly amplifies de violet channel. This nonlinearity provides the possibility for selective removal of useless wavelengths. Particular attention is given to the amplification coefficient weights, which allow taking into account the wavelength background effects when a band needs to be filtered from a wider range of mixed signals, or when optical active filter gates are used to select and filter input signals to specific output ports in WDM communication systems. A truth table of an encoder that performs 8-to-1 multiplexer (MUX) function is presented.