Волоконно-оптические системы передачи

Учебное пособие

Часть 1

Конспект лекций по дисциплине ВОСП

для студентов специальности 210404

«Многоканальные телекоммуникационные системы»

 

 

Хабаровск

 

Е.М. Некрасова. Конспект лекций по дисциплине «Волоконно-оптические системы передачи» (часть 1) для студентов среднего профессионального образования специальности 210404 «Многоканальные телекоммуникационные системы» - г. Хабаровск, ХИИК ГОУ ВПО СибГУТИ, 2007г

 

 

В первой части учебного пособия рассматриваются преимущества и недостатки «Волоконно-оптических систем передачи», характеристики оптических волокон, источники излучения, приёмники излучения, модуляторы оптических сигналов, оптические усилители.

 

Рецензент – заведующая кафедрой МТС ХИИК ГОУ ВПО «СибГУТИ» Кудашова Л.В, рассмотрено на методическом совете ХИИК ГОУ ВПО «СибГУТИ» СПО и рекомендовано к изданию.

г. Хабаровск, 2007г.

СОДЕРЖАНИЕ

Стр.

Введение. Преимущества ВОСП и недостатки ВОСП……………….………4

1 СТРУКТУРНАЯ СХЕМА ВОСП………….…………..……………….……7

2 ХАРАКТЕРИСТИКИ ОПТИЧЕСКИХ ВОЛОКОН.………………….…...9

2.1 Распространение света по волокну…….………………………..…….….9

2.2 Типы оптических волокон..……………………………………..……...…12

2.3 Затухание сигнала в волокне. Виды потерь в волокне ……………......17

2.4 Дисперсия и полоса пропускания…………………………………..…...24

3 ОПТОЭЛЕКТРОННЫЕ КОМПОНЕНТЫ ВОСП……………....………...32

3.1 Природа излучения света. Источ­ники оптиче­ского излучения………..32

3.2 Принцип работы СИД ……..………………………………….……..…...35

3.3 Конструкции светодиодов для оптической связи………..……….…..….37

3.4 Основные характеристики СИД ….………………………………..…….39

3.5 Полупроводниковые лазеры (ППЛ)……….………………………..…….42

3.6 Модуляция оптических колебаний….…………………………….….…..52

 

3.7 Приемники оптиче­ского излучения…………………………..…….….…62

3.8 Технические характеристики фотоприёмников……..……………..…….67

3.9 Оптические усили­тели……….……………………………..………..……72

3.10 Полупроводниковые оптические усилители ППЛУ……………….……..……..75

3.11 Волоконные оптические усилители, легированные редкоземельными

элементами………………………………………………………….……...…..79

3.12 Основные технические параметры оптических усилителей…………...85

3.13 Нелинейные оптические усилители……………………..………….…...90

ПЕРЕЧЕНЬ ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ.…………………….…...…94

ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ ПЕРЕДАЧИ

 

ВВЕДЕНИЕ

Главная задача XXI столетия – глобальная информатизация. Решение столь великой задачи потребует создания сетей связи и передачи данных, покрывающих всю Землю. Сюда будут вовлечены все известные средства связи: космические, наземные эфирные, включая быстро развивающиеся сотовые, кабельные. Основы таких сетей закладываются уже сегодня. Опорной частью всепланетарной системы связи стали волоконно-оптические линии. Стремительное внедрение в информационные сети оптических линий связи обусловлено рядом преимуществ, которыми обладает передача информации по оптическому волокну.

Преимущества ВОСП

1) Широкая полоса пропускания - обусловлена чрезвычайно высокой частотой несущей 10¹⁴Гц. Это дает потенциальную возможность передачи по одному оптическому волокну потока информации в несколько терабит в секунду. В настоящее время по одному волокну возможно организовать передачу до 50 миллионов телефонных каналов. Большая полоса пропускания - это одно из наиболее важных преимуществ оптического волокна над медной или любой другой средой передачи информации.

2) Малое затухание светового сигнала в волокне. Выпускаемое в настоящее время отечественными и зарубежными производителями промышленное оптическое волокно имеет затухание 0,2-0,3 дБ на длине волны 1,55 мкм в расчете на один километр. Малое затухание и небольшая дисперсия позволяют строить участки линий без ретрансляции протяженностью до 100 км и более.

3) Высокая помехозащищенность. Поскольку волокно изготовлено из диэлектрического материала, оно невосприимчиво к электромагнитным помехам со стороны окружающих медных кабельных систем и электрического оборудования, способного индуцировать электромагнитное излучение (линии электропередачи, электродвигательные установки и т.д.). В многоволоконных кабелях также не возникает проблемы перекрестного влияния электромагнитного излучения, присущей многопарным медным кабелям.

4) Малый вес и объем. Волоконно-оптические кабели (ВОК) имеют меньший вес и объем по сравнению с медными кабелями в расчете на одну и ту же пропускную способность.

5) Высокая защищенность от несанкционированного доступа. Поскольку ВОК практически не излучает в радиодиапазоне, то передаваемую по нему информацию трудно подслушать, не нарушая приема-передачи. Такие системы особенно необходимы при создании линий связи в правительственных, банковских и некоторых других специальных службах, предъявляющих повышенные требования к защите данных.

6) Взрыво- и пожаробезопасность. Из-за отсутствия искрообразования оптическое волокно повышает безопасность сети на химических, нефтеперерабатывающих предприятиях, при обслуживании технологических процессов повышенного риска.

7) Экономичность. Волокно изготовлено из кварца, основу которого составляет двуокись кремния, широко распространенного, а потому недорогого материала, в отличии от меди.

8) Длительный срок эксплуатации. Со временем волокно испытывает деградацию. Это означает, что затухание в проложенном кабеле постепенно возрастает. Срок службы ВОК составляет примерно 25 лет. За это время может смениться несколько поколений/стандартов приемо-передающих систем.

Недостатки ВОСП

Несмотря на многочисленные преимущества перед другими способами передачи информации волоконно-оптические системы имеют также и недостатки, главным образом из-за дороговизны прецизионного монтажного оборудования и надежности лазерных источников излучения. Многие из недостатков вероятнее всего будут нивелированы с приходом новых конкурентоспособных технологий в волоконно-оптические сети.

1) Высокая стоимость интерфейсного оборудования. Электрические сигналы должны преобразовываться в оптические и наоборот. Цена на оптические передатчики и приемники остается пока еще довольно высокой. При создании оптической линии связи также требуются высоконадежные специализированное коммутационное пассивное оборудование, оптические соединители с малыми потерями и большим ресурсом на подключение-отключение, оптические разветвители, аттенюаторы.

2) Монтаж и обслуживание оптических линий. Стоимость работ по монтажу, тестированию и поддержке волоконно-оптических линий связи также остается высокой. Если же повреждается ВОК, то необходимо осуществлять сварку волокон в месте разрыва и защищать этот участок кабеля от воздействия внешней среды. Производители тем временем поставляют на рынок все более совершенные инструменты для монтажных работ с ВОК, снижая цену на них.

3) Требование специальной защиты волокна. Прочно ли оптическое волокно? Теоретически да. Стекло как материал выдерживает колоссальные нагрузки с пределом прочности на разрыв выше 1ГПа (109 Н/м²). Это, казалось бы, означает, что волокно в единичном количестве с диаметром 125 мкм выдержит вес гири в 1 кг. К сожалению, на практике это не достигается. Причина в том, что оптическое волокно, каким бы совершенным оно не было, имеет микротрещины, которые инициируют разрыв. Для повышения надежности оптическое волокно при изготовлении покрывается специальным лаком на основе эпоксиакрилата, а сам оптический кабель упрочняется, например нитями на основе кевлара (kevlar). Если требуется удовлетворить еще более жестким условиям на разрыв, кабель может упрочняться специальным стальным тросом или стеклопластиковыми стержнями. Преимущества от применения волоконно-оптических линий связи настолько значительны, что, несмотря на перечисленные недостатки оптического волокна, дальнейшие перспективы развития технологии ВОЛС в информационных сетях более чем очевидны.

 

СТРУКТУРНАЯ СХЕМА ВОСП

 

Типовая схема системы связи, использующей ВОЛС, показана на рисунке 1.1

Аналоговый сигнал от телефонного аппарата поступает через абонентскую линию на узел коммутации, где аналого-цифровой преобразователь (кодер) оцифровывает его в битовый поток. Цифровой сигнал от компьютера преобразуется в аналоговый с помощью модема и также поступает на узел коммутации.

Рисунок 1.1- Структурная схема ВОСП

Мультиплексор объединяет в общий цифровой поток оцифрованный телефонный сигнал, данные от компьютеров, сигналы цифрового вещания, телевидения, видео, телеграфные, факсимильные сигналы и т. д. Роль мультиплексора выполняет оборудование многоканальной системы передачи: синхронные (SDH) или плезиохронные (PDH) ЦСП. Цифровой электрический сигнал от мультиплексора поступает в оптический передатчик, где он преобразуется в оптический сигнал и поступает в оптическое волокно. Для увеличения дальности связи в оптическом тракте могут быть использованы оптические усилители и (или) повторители. Повторитель состоит из оптического приёмника, электрического регенератора и оптического передатчика.

При этом происходит не только усиление сигнала, а также восстановление формы сигнала и очищение его от помех. Оптический усилитель усиливает оптический сигнал, не преобразуя его в электрический, при этом не происходит восстановление формы импульсов.

На приёме импульсы света преобразуются обратно в электрический сигнал при помощи оптического приёмника.

Демультиплексор распределяет многоканальный сигнал по потребителям. Декодер преобразует цифровой электрический сигнал обратно в аналоговый сигнал. Часто кодеры и декодеры, мультиплексоры, а также оптические передатчики и приёмники совмещаются в одном устройстве и носят название оптического мультиплексора.

 

 

Типы оптических волокон

Некоторые свойства оптического волокна как световода напрямую зависят от диаметра сердцевины. По этому параметру оптоволокно делится на две категории:

многомодовое (MMF) и одномодовое (SMF).

Многомодовые волокна подразделяются на ступенчатые и градиентные.

Одномодовые волокна подразделяются на ступенчатые одномодовые волокна или стандартные волокна (SF), на волокна со смещённой дисперсией (DSF), и на волокна с ненулевой смещённой дисперсией (NZDSF).

Многомодовое оптоволокно.

У этой категории оптоволокна диаметр сердцевины относительно большой по сравнению с длиной волны света, излучаемого передатчиком. Диапазон его значений составляет 50--1000 мкм при используемых длинах волн около 1 мкм. Однако наиболее широкое распространение получили волокна с диаметрами 50 и 62,5 мкм. Передатчики для такого оптоволокна излучают импульс света в некотором телесном угле, т. е. лучи (моды) входят в сердцевину под разными углами. В результате лучи проходят от источника к приемнику неравные по длине пути и, следовательно, достигают его в разное время. Это приводит к тому, что ширина импульса на выходе оказывается больше, чем на входе. Такое явление называется межмодовой дисперсией. В ступенчатом ОВ, более простом для изготовления, коэффициент преломления изменяется ступенчато на границе сердцевины с оболочкой. Ход лучей в таком волокне показан на рисунке 2.3.

Рисунок 2.3 – Ход лучей света в волокне

 

В градиентном ОВ коэффициент преломления плавно понижается от центра границе. Лучи света, пути которых проходят в периферийных областях с меньшим коэффициентом преломления, распространяются быстрее, чем те, которые проходят вблизи центра, что в итоге компенсирует разницу в длинах путей. В таком оптоволокне эффект межмодовой дисперсии намного ниже, чем в ступенчатом (рисунок 2.3).

Уширение сигнала устанавливает предел числу передаваемых в секунду импульсов, которые все еще могут быть безошибочно распознаны на принимающем конце канала. Это, в свою очередь, ограничивает полосу пропускания многомодового волокна.

 

 

Рисунок 2.4 – Конструкции различных волокон

 

Очевидно, что величина дисперсии на приемном конце зависит также и от длины кабеля. Поэтому пропускная способность для оптических магистралей определяется на единицу длины. Для оптоволокна со ступенчатым профилем коэффициента преломления она в типичном случае составляет 20-30 MГц на километр (MГц/км), в то время как для градиентных ОВ она находится в диапазоне 100-1000 MГц/км.

Многомодовое оптоволокно может иметь стеклянный стержень и пластиковую оболочку. Такому оптоволокну присущи ступенчатый профиль коэффициента преломления и полоса пропускания 20-30 MГц/км.
Одномодовое оптоволокно

Основным отличием такого волокна, во многом определяющим его свойства как световода, является диаметр сердцевины. Он составляет всего от 7 до 10 мкм, что уже сравнимо с длиной волны светового сигнала. Малая величина диаметра позволяет сформировать только один луч (моду), что и нашло отражение в названии (рисунок 2.4).

Достоинства многомодовых ОВ по сравнению с одномодовыми:

1) Из-за большого диаметра сердцевины многомодового ОВ снижаются требования к источникам излучения, так как для ввода излучения могут применяться более дешевые и вместе с тем более мощные полупроводниковые лазеры, и даже светодиоды. Для электропитания светодиодов применяют очень простые схемы, что упрощает устройство, и уменьшает стоимость ВОСП.

2) В приемном оптическом модуле могут применяться фотодиоды с большим диаметром фоточувствительной площадки. Такие фотодиоды имеют низкую стоимость.

3) При сращивании многомодовых ОВ требуемая точность совмещения торцов на порядок ниже, чем в случае сращивания одномодовых ОВ.

4) Оптические разъемы для многомодовых ОВ по тем же причинам имеют на порядок менее жесткие требования, чем оптические разъемы для одномодовых ОВ.

Недостатки многомодовых ОВ:

1) В многомодовых ОВ распространяются сотни мод, минимальное затухание имеют центральные моды и моды низких порядков, а с повышением порядка затухание мод увеличивается, в результате затухание многомодовых ОВ больше, чем одномодовых (от 0.6 до 5 дБ на км).

2) В процессе распространения импульсы света расплываются и даже начинают перекрывать друг друга. Такое уширение импульсов называется дисперсией.

Дисперсия многомодового ОВ много больше, чем одномодового. Чем меньше значение дисперсии, тем больше поток информации может быть передан по ОВ.

Вывод: Повышенное затухание и малая полоса пропускания являются причиной того, что на основе многомодовых ОВ строятся, главным образом, местные, локальные и внутриобъектовые относительно низкоскоростные ВОСП.

Достоинства одномодовых ОВ:

1) Малое затухание (от 0,22 до 0,35 дБ/км)

2) Небольшая дисперсия, а значит, широкая полоса пропускания.

Вывод: Одномодовые ОВ применяют в подавляющем большинстве современных ВОСП, работающих чаще всего на базе аппаратуры SDH, благодаря чему имеется возможность создавать высокоскоростные высоконадежные магистральные и местные цифровые сети.

Волоконные световоды характеризуются двумя важнейшим параметрами: затуханием и дисперсией. Чем меньше затухание (потери), и чем меньше дисперсия распространяемого сигнала в волокне, тем больше расстояние между повторителями (длина регенерационного участка). Кроме того, дисперсия приводит к ограничению полосы передачи по световоду.

 

Рисунок 2.8 – Зависимость затухания оптического волокна от длины волны света

 

На длинах волн 0,95 и 1,39 мкмвозникают всплески затухания, которые обусловлены резонансными явлениями в гидроксильных группах ОН («водные пики»).

Между пиками затухания находятся три области с минимальными оптическими потерями, которые получили название окон прозрачности. С увеличением номера окна затухание уменьшается.

Так первое окно прозрачности наблюдается на длине волны 0,85 мкм. Второе окно прозрачности соответствует длине волны 1,3 мкм. Третье окно прозрачности наблюдается на длине волны 1,55 мкм, на которой затухание сигнала в ОВ минимально и составляет 0,22 дБ/км. Таким образом, целесообразно, чтобы оптические системы передачи по волоконным световодам работали именно на указанных длинах волн, которые получили название рабочих. В настоящее время наибольший интерес вызывают два последних окна прозрачности, которые обеспечивают наименьшее затухание и максимальную пропускную способность волоконных световодов.

Внедрение технологий «плотного» частотного уплотнения (DWDM) вкупе с использованием эрбиевых оптических усилителей привело к разработке нового типа оптических волокон. При использовании технологии DWDM в оптическом волокне одновременно вводится большое количество (до 300) оптических сигналов на близких длинах волн, каждый из которых несет свой, независимый от других информационный поток.

 

Рисунок 2.9 – Спектральная зависимость затухания в волокне TrueWave RS

Фирма Lucent выпускает усовершенствованные оптического волокна - TrueWave RS (рисунок 2.9), в котором несколько расширен в дальней области рабочий спектральный диапазон, при этом возникает четвёртое окно прозрачности, что дополнительно увеличивает пропускную способность оптического кабеля.

На рисунке 2.10 представлена спектральная зависимость затухания в волокне AllWave. В отличие от стандартного одномодового волокна данное оптическое волокно, производимое фирмой Lucent не имеет так называемого «водяного пика», т. е. увеличения поглощения на длине волны 1,385 мкм, соответствующей спектру поглощения ионов OH. На этой длине волны поглощение составляет 0,31 дБ/км, т.е. появилось пятое окно прозрачности.

Рисунок 2.10 – Спектральная зависимость затухания в волокне AllWave

 

Спектральная область оптического волокна с малыми потерями (< 0,3 дБ/км) расширилась до 500 нм и лежит в диапазоне длин волн 1200-1700 нм. Использование всего спектрального диапазона волокна позволяет резко увеличить информационную ёмкость волоконно-оптических систем со спектральным уплотнением каналов.

Кроме выше перечисленных потерь необходимо учитывать потери, возникающие при вводе излучения в ОВ, к ним относятся:

а_ап - апертурные потери, обусловленные несовпадением апертур излучателя и световода;

а_фр - френелевские потери на отражение от торцов световода и т. д.

В качестве излучателей в ВОСП используют светоизлучающие диоды СИД полупроводниковые лазеры ППЛ. СИД излучают свет в телесном угле 30-60°, а ППЛ – в телесном угле от 3 до 30°. Если апертура излучателя больше апертуры ОВ, то часть оптического сигнала теряется ещё при вводе в ОВ. Это и есть аппертурные потери. Для уменьшения апертурных потерь для ввода излучения в ОВ используют фокусирующие линзы.

Для уменьшения френелевских потерь торцы ОВ покрывают специальными антиотражающими плёнками толщиной кратной λ/4.

Требования к источникам излучения.

1) Высокая эффективность преобразования энергии возбуждения в энергию излучения;

2) Узкая спектральная полоса излучения, при этом излучение должно вестись на длине волны одного из окон прозрачности волокна, в которых достигаются наименьшие потери света при распространении;

3) Источник излучения должен обладать узкой диаграммой направленности, чтобы большая часть излучения источника попадала в ОВ с минимальными потерями;

4) Быстродействие при модуляции, т.е. быстрое возникновение и гашение излучения;

5) Источник излучения должен иметь достаточно большую выходную мощность, чтобы сигнал можно было передавать на большие расстояния, но не настолько, чтобы излучение приводило к нелинейным эффектам или могло повредить волокно или оптический приёмник;

6) высокая устойчивость к различным перегрузкам (механическим, тепловым, радиационным);

7) надежность и длительный срок службы (не менее 10⁵ часов);

8) миниатюрность и жёсткость исполнения;

9) высокая технологичность и низкая стоимость и т. д.

Источники света и приёмники света, как правило, выполняются из полупроводниковых материалов. Наиболее часто используются полупроводники, принадлежащие к III, IV, V группам таблицы Менделеева:

III группа – Бор (B), Алюминий (Al), Галлий (Ga), Индий (In), Таллий (Tl);

IV группа – Кремний (Si), Германий (Ge);

V группа– Азот (N), Фосфор (Р), Мышьяк (As), Сурьма (Sb), Висмут (Bi).

Природа излучения света

 

Не зная, как устроен атом, невозможно объяснить излучение света. Согласно знаменитой атомной модели датского физика Нильса Бора вокруг тяжелого положительного ядра на определенных орбитах вращаются легкие, отрицательно заряженные элементарные частицы – электроны. Если к атому подвести внешнюю энергию, то электрон может быть поднят на следующую, более высокую орбиту. При этом для каждого скачка между двумя орбитами требуется энергия, точно соответствующая кванту Планка. Количественное значение кванта излучения было найдено Максом Планком в 1900 г. Квант представляет собой порцию энергии hf, где f – частота энергии излучения, h – так называемая постоянная Планка – это универсальная постоянная величина; Удаленные от ядра орбиты не являются для электрона стабильными. Он может пребывать там короткое время и затем возвращается на первоначальную орбиту – прямо или “по ступенькам”. И подобно тому, как электрон забирает энергию, чтобы попасть на более высокую орбиту, он отдает энергию при возвращении на стабильную орбиту, при этом только целочисленными порциями, которые зафиксированы стабильными орбитами (которые соответствуют определенным энергетическим уровням) в модели атома. Вращаясь на стационарных орбитах, электроны не излучают. Нильс Бор в 1913 году сформулировал в виде постулатов свои представления о механизме поглощения и излучения света.

Согласно второму постулату Бора: излучение происходит только при переходе электрона с удаленной от ядра орбиты, которой соответствует высокий энергетический уровень, на более близкую к ядру орбиту, т.е. на более низкий энергетический уровень, являющийся основным.

Излучение является следствием возбуждения атомов, т.е. перехода электрона с основной орбиты на более удаленную орбиту от ядра.

В полупроводниках концентрация электронов велика, поэтому энергетических уровней много и расположены они плотно, образуя энергетические зоны (Рисунок 3.1).

Валентную зону образуют электроны внешней оболочки атома. Зона проводимости образована электронами, которые совершают беспорядочное движение внутри тела, переходя от одних атомов к другим. Между ними находится запрещённая зона, соответствующая уровням энергии, на которых электроны не могут находиться. Ширина запрещённой зоны для каждого полупроводника различна (см таблицу 3.1).

Рисунок 3.1

Возбуждение атома приводит к переходу электронов из валентной зоны в зону проводимости, это может происходить: при поглощении света, или под влиянием температуры, или при ударе в атом внешнего электрона, или при химических реакциях и т.д.

Для того, чтобы излучение света происходило в течении необходимого промежутка времени, надо все это время к данному веществу, называемому активной средой подводить тем или иным способом энергию. Такой процесс получил название накачки.

Полупроводники классифицируются на собственные (СПП) и примесные (ППП). В СПП количество свободных электронов зависит от внешних факторов, а у ППП определяется концентрацией примесей.

В качестве источников света в современных ВОСП используются светоизлучающие диоды (СИД) и полупроводниковые лазеры (ППЛ). Материалом для них служат примесные полупроводники, в которых созданы n и p области (рисунок 3.2). Полупроводник будет «n» типа, если к первому полупроводнику добавляется второй полупроводник, имеющий большую валентность. Например, к германию (4-х валентный) добавляется сурьма (5-ти валентная), их атомы взаимодействуют четырьмя электронами, а пятый оседает в зоне проводимости. Полупроводники «p» типа получают, например, добавлением к 4-х валентному германию 3-х валентного индия. Атомы индия отбирают электроны германия, и он становится дырочной проводимости.

Принцип работы светодиода

 

СИД представляет собой кристалл полупроводника с p-n переходом (рисунок 3.2), протекание электрического тока через который вызывает интенсивное спонтанное излучение. Принцип работы полупроводникового СИД основан на возбуждении атомов, проходящих через диод, электрическим током.

 

Рисунок 3.2 – Светоизлучающий диод

Вследствие подачи прямого напряжения на СИД носители заряда (электроны и дырки) проникают в активный слой из прилегающих пассивных слоёв (p и n слоя), а затем испытывают спонтанную рекомбинацию, сопровождающуюся излучением света. При рекомбинации электронов и дырок в активном слое электроны переходят из нижних уровней зоны проводимости на верхние уровни валентной зоны. Возвращение электронов в основное состояние сопровождается излучением фотонов света с частотой:

f = (E₂-E₁)/h, (3.1)

где E₁ – энергия основного энергетического уровня в валентной зоне; E₂ – энергия энергетического уровня в зоне проводимости; h – постоянная Планка

(h = Дж•с). Частота излучения:

; (3.2)

где с – скорость света (с = м/с), поэтому длина волны излучения: определяется с помощью формулы 3.3, называемой частотное условие Бора:

. (3.3)

Таким образом, частота излучения (длина волны) зависит от материала, из которого изготовлен активный слой СИД, так как каждое вещество характеризуется своей шириной запрещённой зоны ΔW. = E₂-E_1. Внесение в полупроводник некоторых примесей позволяет получить свечение различного света. Например, красный цвет свечения имеют СИД из тройного соединения GaAsP, зелёный цвет свечения – у СИД из фосфида галлия GaP.

В ВОСП в качестве источников излучения применяют СИД и лазерные диоды инфракрасного излучения. Устройства на основе арсенида галлия с добавлением алюминия (GaAlAs) излучают свет длинной 0,8-0,9 мкм (1 ОП). Устройства на основе арсенида фосфида индия-галия (InGaAsP) излучают свет длинной 1,0-1,6 мкм (2 и 3 ОП).

Таблица 3.1–Материалы, используемые для изготовления СИД

Материал	Ширина запрещённой зоны, эВ	λ, мкм
Ga P	2.24	0.55
Al As	2.09	0.59
Ga As	1.42	0.87
In P	1.33	0.93
In As	0.34	3.6

 

Основные характеристики СИД

1) Ватт-амперная характеристика светодиодов показывает зависимость излучаемой мощности от тока, протекающего через СИД.

Характеристика имеет линейный и нелинейный участки, Нелинейность обусловлена предельными возможностями СИД по спонтанной рекомбинации электронов и дырок и их ограниченным числом, зависящим от насыщенности примесями и общего объёма активного слоя. Из рисунка 3.5 видно, что при одном и том же токе накачки мощность излучения поверхностного светодиода в два с лишним раза меньше, чем мощность излучения торцевого светодиода.

Рисунок 3.5 – Ваттамперная характеристика СИД и СЛД

 

2) Спектральная характеристика светодиодов показывает зависимость излучаемой мощности от длины волны излучения.

 

Рисунок 3.6 – Спектральная характеристика СИД и СЛД

 

При спонтанном излучении электроны переходят с любого уровня в зоне проводимости на любой уровень в валентной зоне.

Поэтому спектр излучения оказывается размытым, это следует из формулы: По спектральной характеристике можно определить ширину спектра излучения на уровне половинной от максимальной мощности излучения. Ширина спектра СЛД ∆λ1 (около 10-30 нм), для поверхностного СИД ∆λ2 (около 30-60 нм). Более узкий спектр излучения СЛД объясняется наличием кроме спонтанного излучения небольшого числа стимулированных фотонов.

Одномодовые лазеры

Для преодоления недостатков многомодовых ППЛ были разработаны одномодовые гетеролазеры, имеющие только одну моду излучения.

В одномодовых ППЛ одна из поверхностей резонаторов выполнена в виде дифракционной решетки ДР, то есть эта поверхность является гофрированной. Существуют два вида ППЛ, содержащих гофр:

1) с распределённой обратной связью (РОС-лазеры), (DFB – Distributed Feedback);

2) с распределённым брэговским отражением (РБО-лазер), (DBR – Distributed Bragg Reflector);

В лазерах РОС положительная обратная связь, необходимая для генерации лазерного излучения, создаётся не за счёт зеркал, локально расположенных на торцах резонатора, а образуется внутри самого лазера. В лазерах с РОС такая связь образуется благодаря распределённой структуре – «гофр». Это граница между резонатором и другим диэлектрическим слоем (рисунок 3.14).

 

Рисунок 3.14 – Вариант конструкции POC-лазера

Здесь гофр расположен вблизи активного слоя. Резонатор образован между подложкой n InP и слоем p InGaAsP. Свет дифрагирует на щелях решётки под углом j. Оптическое излучение из активного слоя попадает на ДР, преломляется ею под углом j, отражается от слоя n InP, затем через щели поступает к слою p InGaAsP, отражается от него и т.д. Из курса физики известно, что для дифракционной решётки: sinj = m × / d, где m – любое целое число, d - период ДР. Таким образом, дифракционная решётка по-разному преломляет свет с различными длинами волн . Поэтому в таком резонаторе стоячая волна образуется только для главной моды. При этом побочные моды подавляются на 20÷40 дБ по отношению к основной. Для повышения мощности излучения в одномодовый лазер РОС может быть встроено с одного из торцов зеркало.

 

 

Рисунок 3.15 – РБО-лазер

 

Лазер с распределёнными брэговскими отражателями, (РБО-лазер) содержит пассивные области, выполненные в виде световодов с гофрированными поверхностями и активную (накачиваемую) область.

Отражение происходит из-за периодического изменения показателя преломления вдоль пути света. Основной частотой генерации будет та, при которой будет наибольшее усиление за счёт интерференции отражённых волн.

Торец одной из пассивных областей выполняется с большим коэффициентом отражения, торец другой области имеет сравнительно низкую отражательную способность и лазер излучает со стороны только одного этого торца. РБО-лазеры используются для создания ВОСП со спектральным уплотнением (многоволновых систем WDM).

Достоинством одномодовых лазеров является малая ширина спектра излучения Δλ = 0,1- 0,4 нм (рисунок3.16). Обычно ширина спектра излучения одномодовых ППЛ оценивается на уровне минус 20 дБ от максимального значения излучаемой мощности.

 

Рисунок 3.16 – Спектр излучения одномодового лазера

 

Характеристики этих лазеров мало зависят от температуры (рисунок 3.17). Основным недостатком этих лазеров является сложная технология изготовления и, как следствие, более высокая цена.

 

Рисунок 3.17 – Ваттамперная характеристика одномодового ППЛ

Для улучшения характеристик одномодовых и многомодовых лазеров используют уменьшение толщины активной области - «полосковую геометрию». Такие лазеры (рисунок 3.18) называют «полосковыми».

 

Рисунок 3.18 – Конструкция полоскового гетеролазера Фабри-Перо

 

В конструкциях этих лазеров активную область ограничивают узкой полосой вдоль резонатора шириной менее 1 мкм, заключённой внутри значительно более широкой пассивной части кристалла. Преимуществами этих ППЛ являются: лучший теплоотвод, так как активная область, в которой выделяется тепло, находится внутри более холодного неактивного полупроводника; излучение выходит через площадку малой площади, что упрощает согласование лазера со с ветоводом; уменьшается рабочий ток лазера.

Рисунок 3.21 – Прямая модуляция со смещением

 

Для реализации прямой модуляции интенсивности необходимо подать постоянное смещение (рисунок 3.21), которое позволяет получить линейный процесс. При этом выбирается линейный участок ваттамперной характеристики излучателя, чтобы избежать возникновение нелинейных. искажений.

 

 

Рисунок 3.22 – Эквивалентная схема модулятора с СИД

 

На рисунке 3.22 представлена эквивалентная электрическая схема модулятора с СИД, где:

C1 – ёмкость между электродами СИД;

L1 – индуктивность выводов СИД;

R1 – потери на безизлучательные рекомбинации;

C2(u) – ёмкость p-n перехода;

R2(u) – сопротивление открытого p-n перехода.

Рисунок 3.23 – Временные диаграммы работы СИД

 

Если ток накачки I_н изменяется по импульсному закону, то входящий скачок тока заряжает ёмкость С2 за время τ_з. После заряда конденсатора до напряжения Um (рис.37) происходит рекомбинация, то есть излучение начнётся спустя время τ_е. Время τ_{з +} τ_e называют временем включения СИД, или его быстродействием.

τ_e - задержки на рекомбинацию, определяемые временем жизни электрона ≈ 1÷10 нс. Для уменьшения времени τ_з на СИД подают смещение, близкое к контактной разности потенциалов. Для получения узких световых импульсов необходимо, чтобы импульсы тока накачки не растягивались во времени за счёт паразитных ёмкостей С1 и индуктивности L1. Чтобы их уменьшить выводы СИД делают короткими, а выходное сопротивление источника модулирующих сигналов согласуют с низким R_вх СИД. Недостаточное быстродействие СИД ограничивает полосу частот модуляции частотой 100 МГц.