Непосредственная модуляция оптического излучения

В цифровых ВОСП в настоящее время применяется непосредственная (прямая) модуляция интенсивности оптического излучения путем управления током накачки ПЛД или СИД двоичным сигналом, представляющего случайную последовательность «1» и «0». Этим элементарным сигналам будет соответствовать мощность излучения равная P (t) = P _и при передаче «1» и P (t) = 0 (пауза)при передаче «0».

Характеристики непосредственной модуляции в значительной степени определяются рядом специфических явлений, которые являются ключевыми при выборе системы модуляции.

Релаксационные колебания. Скорость непосредственной модуляции (т. е. переход от P (t) = P _и к P (t) = 0 и наоборот) определяется временем жизни спонтанного излучения t _сп, а именно временем затухания излучения, вызванного рекомбинацией носителей, и временем жизни фотонов резонатора t _ф, т. е. временем затухания световой волны резонатора(см. рис. 3.4), которое определяется прозрачностью отражательных зеркал и поглощением в материале (3.6), а также отношением тока смещения I _см и порогового значения инжектированного тока I _п:

g = I _см/ I _п. (3.18)

Время жизни спонтанного излучения составляет от долей до нескольких наносекунд, что обеспечивает возможность быстрого «включения/выключения» модулятора, а, следовательно, обеспечения модуляции частотами в несколько гигагерц. Пример переходной характеристики многомодового ПЛД (реакция на скачок тока инжекции I), отражающий процесс установления стационарного режима, показан на рис. 3.22. Как следует из рис. 3.22 переходной процесс сопровождается релаксационными колебаниями с частотой f _р, физический смысл которой поясняется ниже.

I

t з

Р и

t

Р, I

Рисунок 3.22 - Переходная характеристика многомодового ПЛД

При возбуждении лазера скачком тока I наблюдается задержка генерации на время t _з, необходимое для возрастания плотности носителей до порогового уровня:

t _з, = t _{сп ×}20lg[ I /(I - I _п)]. (3.19)

Величина t _з, может быть несколько уменьшено, если на

ПЛД подать ток смещения I _см. В этом случае время задержки будет равно

t _з = t _{сп ×}20lg[ I /(I - I _п + I _cv)].(3.20)

Релаксационные колебания переходного процесса нежелательны, так как приводят к тому, что огибающая изменения выходного светового потока отличается от формы модулирующего сигнала.

Явление резонанса. При возникновении временной задержки t _з и ее совпадении с периодом модулирующего сигнала глубина модуляции резко возрастает и возникает явление резонанса (рис. 3.23). Как следует из рис. 3.23, при непосредственной модуляции ее мощность излучения практически не зависит от частоты вплоть до частоты, близкой к резонансной. При превышении частоты f _р мощность излучения на выходе модулятора резко уменьшается и модуляция становится невозможной.

f макс

f,

Р

Рисунок 3.23 - Частотная характеристика одномодового ПЛД

f р

Частота резонанса f _р в идеальном одномодовом ПЛД приближенно равна

. (3.21)

Релаксационные колебания переходной характеристики ПЛД соответствуют резонансной частоте.

Можно считать, что при импульсной модуляции током накачки длительностью t _н >> в каждый момент времени интенсивность принимает стационарное значение согласно статической ватт-амперной характеристики ПЛД.

 

При t _н = 2 p и f» f _р существенное влияние начинают оказывать переходные процессы.

Релаксационные колебания можно подавить с помощью оптической накачки обратной связью по выходному световому потоку.

Импульсная генерация на частотах, близких к резонансной. Модуляционная характеристика ПЛД имеет значительную нелинейность на частотах, близких к резонансной (релаксационной) и поэтому даже при модуляции монохроматическим сигналом на выходе генерируется импульсный световой сигнал.

Эффект Патана. Даже после того как импульс тока инжекции (накачки) достигает нулевого значения, инжектированные носители продолжают существовать в течение времени t _н и, накапливаясь, вызывают спонтанное излучение света (лазер работает как СИД). Такое накопление носителей приводит к изменениям модуляционной характеристики, поскольку при подаче следующего импульса к образующимся носителям добавляются те, что были накоплены в течение предыдущего, что является причиной возникновения так называемого эффекта Патана. Однако если по окончании основного импульса тока инжекции приложить импульс отрицательной полярности, то накопленные носители вызывают излучение и эффект Патана не возникает. Ширина импульса при этом сокращается, что и позволяет осуществлять импульсную модуляцию с высокой скоростью.

Непосредственная модуляция ПЛД отвечает требованиям импульсной модуляции. Если выбрать ток смещения I _cм больше порогового I _п, то обеспечивается возможность модуляции небольшой мощностью с высоким достаточным быстродействием частотами, достигающими десятков гигагерц. Однако при этом существует недостаток: при длинной серии «1» создаются благоприятные условия для возникновения эффекта Патана, приводящего, в частности, к тому, что вместо «0» возникает импульс «1».

Модуляторы для непосредственной модуляции оптического излучения ПЛД реализуются с использованием управляемых источников оптического излучения (УИОИ), построенных по принципу непрерывного сравнения входного сигнала с выходным сигналом, который предварительно преобразуется в сигнал, однородный входному. Простейшая схема такого модулятора приведена на рис. 3.24, где приняты следующие обозначения:

U 2

U 1

ВУ

УИТ

ПЛД

ОО

ФП

Рисунок 3.24 - Модулятор на основе УИОИ

ВУ - вычитающее устройство; УИТ - управляемый источник тока; ПЛД - полупроводниковый лазерный диод; ОО - оптический ответвитель, формирующий сигнал оптической обратной связи; ФП – фотоприемник.

Модулирующий сигнал U ₁ поступает на вход вычитающего

 

устройства, на второй вход которого поступает сигнал

обратной связи U ₂. Последний формируется фотоприемником

цепи обратной связи, который воспринимает часть полезного светового потока, излучаемого ПЛД, преобразует его в электрический сигнал U ₂ и подает на ВУ. Устройства ОО, ФП и ВУ представляют цепь отрицательной обратной связи, которая, как известно, обладает стабилизирующими свойствами и позволяет значительно уменьшить уровень релаксационных колебаний.

Демодулятор оптического сигнала, промодулированного по интенсивности двоичным цифровым сигналом, представляет классический приемник оптического сигнала, рис. 3.25. Оптический сигнал (ОС), с модуляцией интенсивности (МИ) поступает на фотодетектор (ФД), где преобразуется в электрический - фототок, который усиливается усилителем фототока (УФТ), затем высокочастотные помехи отфильтровываются фильтром

нижних частот (ФНЧ) и сигнал поступает на схему принятия решения - пороговое устройство (ПУ), на выходе которого формируется электрический цифровой двоичный сигнал (ЭДВС).

Рисунок 3.25 - Демодулятор оптического сигнал МИ

Выход СС

ЭДВС

ОС

ФД

УФТ

ФНЧ

ПУ

УВСИ

Принятие решений осуществляется с помощью устройства восстановления синхроимпульсов (УВСИ), поступающих на вход ПУ и в устройства синхронизации гененераторного оборудования.

Оценка помехозащищенности рассмотренного вида

модуляции будет дана при рассмотрении приемников

оптического излучения.