Элементы оптических систем связи

Размещено на http://www.allbest.ru/

Контрольная работа

Элементы оптических систем связи



Содержание

Введение

1. Структура и основные компоненты ВОЛС

2. Передающие оптоэлектронные модули

3. Лазерные диоды

4. Модуляторы и физические принципы работы

5. Электрооптические модуляторы

6. Основные элементы ПОМ

7. Приемные оптоэлектронные устройства

8. Технические характеристики фотоприемников

9. Электронные элементы ПРОМ

10. Оптический гетеродинный прием

11. Усилители фотоприемных устройств

Литература



Введение

Фундаментальным отличием оптических систем связи и, в частности, волоконно-оптических систем связи (ВОСС), от систем радиотехнической связи, является использование световых волны несущих информацию, которые по своим физическим свойствам и характеру распространения существенно отличаются от традиционных систем электросвязи.

Главным технологическим отличием является использование вместо медных проводов и кабелей - оптического волокна и оптического кабеля на их основе. Последнее позволяет уже сегодня обеспечить суммарную скорость передачи информации по одному оптическому волокну до нескольких десятков Тбит/с.

В радиодиапазоне для повышения скорости передачи информации используются самые короткие длины волн, что в оптическом диапазоне не является ограничением. Основным фактором, ограничивающим скорость в ВОЛС (передача информации по одному каналу величиной порядка 40 Гбит/с достигнута), является конечное быстродействие электроники, входящей в состав оптических передатчиков и приемников.

Для увеличения передаваемого потока информации применяют методы уплотнения либо с временным разделением (OTDM), либо со спектральным разделением (WDM) информационных каналов. Определяющим факторами при выборе длины волны являются величина затухания и наличие эффективных источников излучения. Поскольку при повышении частоты (в четвертой степени) увеличиваются потери, в ВОЛС обычно применяются инфракрасные световые волны, а в качестве материала волокна используется кварцевое стекло, причем ВОСС работают в трех спектральных диапазонах с центральными длинами волн 850 нм, 1300 нм и 1550 нм - окнах прозрачности волокна (рис.1 спектральная зависимость коэффициента затухания одномодового волокна, где пунктир - волокно без водородного пика затухания).

Рис. 1

Оптическое излучение видимого диапазона ( = 600 нм) применяется для коротких трасс и в используется более дешевое и удобное полимерное (пластиковое) оптическое волокно.

Подавляющее большинство ВОСС является цифровыми бинарными системами, в которых информация представлена в виде некоторой последовательности нулей (0) и единиц (1). Для их передачи в ВОСС чаще всего используется импульсно-кодовая модуляция (ИКМ).

При этом последовательность двоичных символов может быть по-разному представлена в виде последовательности оптических импульсов. Форматы представления двоичной информации в цифровых системах связи с импульсно-кодовой модуляцией (РСМ): без возвращения к нулю (NRZ), с возвращением к нулю (RZ), двухфазный, или Манчестер (Bi-Phase), CMI-код (CMI) приведены на рис. 2.

Рис. 2



Наиболее часто применяются первые два формата: амплитудная модуляция без возвращения к нулю (NRZ) и амплитудная модуляция с возвращением к нулю (RZ). В обоих случаях используется простейшая интуитивно естественная кодировка, при которой ноль (0) соответствует отсутствию сигнала, а единица (1) - наличию сигнала. Отличие заключается в том, что в NRZ-формате импульс, обозначающий 1, занимает весь выделенный для ее передачи период, а в RZ-формате только некоторую часть периода, например 50%. В системах передачи нового поколения, использующих оптическое временное уплотнение информации (OTDM), нашли применение также двухфазный формат, или «Манчестерский код», и формат CMI.

Кроме импульсно-кодовой модуляции (ИКМ), используется также аналоговая модуляция, нашедшая применение в основном в кабельном телевидении.



1. Структура и основные компоненты ВОЛС

Известно, что простейшая оптическая система связи передает информацию между двумя точками. Связь типа «точка-точка» на основе оптического волокна называется волоконно-оптической системой связи (ВОСС). В состав ВОСС входят:

- передатчик - устройство, преобразующее входные управляющие электрические сигналы U_i(t) в выходные световые сигналы;

- физическая среда передачи информационных сигналов - оптическое волокно, свободное пространство;

- регенераторы и/или оптические усилители;

- приемник - устройство, преобразующее входные оптические сигналы в выходные электрические сигналы.

Рис. 3

В настоящее время источниками световых сигналов являются полупроводниковые лазеры или светодиоды. Световые сигналы, выходящие из передатчика либо излучаются в свободное пространство (лазерные атмосферные системы связи ЛАСС), либо вводятся в снабженное разъемом волокно и передаются по волоконно-оптической линии. В конце канала связи свет поступает в фотоприемник, преобразующий его в электрические сигналы, которые затем обрабатываются и используются в приемном оборудовании. Таким образом, обязательными элементами системы оптической связи являются передатчик, среда распространения сигнала (оптическое волокно) и приемник. Для увеличения дальности передачи информации в ВОСС используются регенераторы или оптические усилители сигналов, а ЛАСС строятся с учетом уравнения дальности оптической связи. Схема ВОЛС, используемой для передачи информации на большое расстояние, приведена на рис.

2. Передающие оптоэлектронные модули

Передающие оптоэлектронные модули (ПОМ), применяемые (лазерных атмосферных системах связи) ЛАСС и в волоконно-оптических системах, предназначены для преобразования электрических сигналов в оптические. Последние должны быть переданы оптической антенной либо введены в волокно с минимальными потерями. Производятся разнообразные ПОМ, отличающиеся по конструкции и типу источника излучения, работающие от телефонных скоростей с расстоянием до нескольких метров до скоростей передают в сотни и даже тысячи мегабит в секунду при расстоянии в несколько десятков километров.

Типы и характеристики источников излучения

Главным элементом ПОМ является, источник излучения к которому предъявляются следующие основные требования:

- излучение должно вестись на длине волны одного из окон прозрачности атмосферы либо волокна. В традиционных, оптических волокнах существует три окна, в которых достигаются меньшие потери света при распространении: 850, 1300; 1550 нм;

- источник излучения должен выдерживать необходимую частоту модуляции для обеспечения передачи информации на требуемой скорости;

- источник излучения должен быть эффективным, в том смысле, что большая часть излучения источника достигала антенны фотоприемника либо попала в волокно с минимальными потерями;

- источник излучения должен иметь достаточно большую мощность, чтобы сигнал можно было передавать на требуемое расстояние, но и не на столько, чтобы излучение приводило к нелинейным эффектам или могло повредить волокно или оптический приемник;

- температурные вариации не должны сказываться на функционировании источника излучения;

- стоимость производства источника излучения должна быть относительно невысокой.

Два основных типа источников излучения, удовлетворяющие перечисленным требованиям, используются в настоящее время - светодиоды (LED) и полупроводниковые лазерные диоды (LD).

Главное отличие между ними - ширина спектра излучения. У светодиодов (рис. 4 а) широкий спектр излучения, в то время как лазерных диодов (рис. 4 б, в) значительно более узкий спектр [1, 2]. Разработанные сегодня источники компактны хорошо сопрягаются со стандартными электронными цепями. Выпускаются светоизлучающие диоды со спектральной полосой излучения менее 25 мм и инжекционные лазеры со спектральной полосой излучения около 1...2 мм, с высокой эффективность преобразования энергии возбуждения в энергию излучения, высокой направленностью излучения, значительным сроком службы (10⁵ - 10⁶ часов), температурной и радиационной стойкостью, высоким быстродействием (выше 10⁹ сек), высоко технологичные и доступные по цене.

а б в

Рис. 4

Светодиоды - это источники излучения для линий связи со скоростью передачи информации до 200 Мбит/с. Лазерные диоды по своим параметрам наиболее полно удовлетворяют большинству требований, предъявляемых к источникам излучения и они могут обеспечивать безретрансляционную передачу данных на расстояния более сотен километров со скоростью, превышающей 10 Гбит/с.

Светоизлучающие диоды

Благодаря своей простоте и низкой стоимости, светодиоды распространены значительно шире, чем лазерные диоды.

Диодные гетерогенные структуры могут создаваться на основе разных полупроводниковых материалов. Обычно в качестве подложки используются GaAs и InP. Соответствующий композиционный состав активного материала выбирается в зависимости от длины волны излучения и создается посредством напыления на подложку, табл. 1 [2].

Длину волны излучения , определяют как значение, соответствующее максимуму спектрального распределения мощности, а ширину спектра излучения _0,5 -- как интервал длин волн, в котором спектральная плотность мощности составляет половину максимальной.

Таблица 1

Активный материал	Подложка	Диапазон возможных значений Еg, эВ	Диапазон излучаемых длин волн , нм
Ga(1-х)AlxAs	GaAs	2,02…..1,42	610…870
In(1-x)GaxAsyP(0,-y)1	InP	0,95	1100…1700
In0,73Ga0,27As0,58P0,42	InP	0,95	1310
In0,58Ga0,42As0,9P0,1	InP	0,80	1550

Следует отметить, что все излучающие полупроводниковые приборы характеризуются энергетическими и световыми параметрами. Излучение имеет определенный спектральный состав, который в функции от длины волны излучения определяется плотностью потока излучения

= dФ_е/d, [Вт/мкм] (1)



причем полный лучистый поток при непрерывном спектре

.[Вт] (2)

В световых параметрах, за единицу (сила света - кандела) принимается сила света, испускаемая стандартной площадью абсолютно черного тела при температуре 2042 К. За единицу светового потока принимается Ф-люмен (лм) - поток, испускаемый силой в 1 канделу (кд) в телесный угол равный 1 стерадиану (ср).

Светодиод - полупроводниковый прибор, на основе выпрямляющего контакта (вырожденных полупроводников, одинарных и двойных гетероструктур), который дает некогерентное излучение и работает на прямой ветви, при протекании прямого тока (рис. 5а), вызывающего инжекцию неосновных носителей в базовую область диодной структуры. Инжектированные носители заряда рекомбинируют либо вблизи р-n-перехода, либо в области объемного заряда с испусканием фотона. При этом носители переходят с более высокого энергетического уровня на более низкий, а избыточная энергия излучается в виде электромагнитной волны. При рекомбинации, для излучения кванта, необходимо чтобы выполнялся как закон сохранения энергии, так и закон сохранения импульса (т.е. используются прямозонные полупроводниковые материалы).

Длина волны излучения (мкм) связана с шириной запрещенной зоны (рис. 5б, энергетическая диаграмма при прямом смещении) активного слоя Е_g (эВ) законом сохранения энергии

=1,24/Е_g (3)

Показатель преломления активного слоя выше показателя преломления ограничивающих пассивных слоев, благодаря чему рекомбинационное излучение может распространяться в пределах активного слоя, испытывая многократное отражение, что значительно повышает КПД источника излучения.

а б

Рис. 5

Основным параметром светодиода является его внешний квантовый выход:

= N_Ф/N_Э = n_ф/N_ЭК_п = _ВК_п, (4)

где N_Ф - число излученных квантов,

N_э - число проходящих через светодиод за то же время носителей заряда.

Очевидно

N_Ф = n_фК_п,

где n_ф - число рожденных квантов;

= n_ф/N_Э - внутренний квантовый выход;

К_п - коэффициент потерь при выводе излучения.

Потери (природа которых ясна из рассмотрения схематической конструкции светодиода, рис. 6) при выводе излучения определяются четырьмя причинами: - потери за счет полного внутреннего отражения (кванты 2), так при выводе квантов из GaAs не испытывают полного внутреннего отражения лишь те кванты, которые падают на поверхность раздела под углом, меньшим 17^о (показатель преломления GaAs: n 3,3 - 3,8); - потери за счет просто отражения от поверхности основных идущих к ней квантов 1; - потери на самопоглощение в кристалле (кванты 3); - потери за счет рассеяния излучения в объеме (кванты 4 и 5). Для уменьшения указанных потерь необходимо чтобы кванты генерировались на всей глубине полупроводника только одного типа, причем глубина должна быть малой, чтобы кванты генерировались ближе к выходу. Кроме того, используются гетеропереходы в которых n-область сильно легирована, а p-область - слабо, что обеспечивает одностороннюю инжекция электронов в p-область и люминесцентное излучение идет по всей p-области, которая называется базовой областью светодиода.

Рис. 6

Структуры светодиодов диапазона 0,8 - 0,9 мкм, обычно, представляют систему AlGaAs/GaAs, а для диапазона 1,2 - 1,7 мкм - GaInAsP, сочетающие высокий квантовый выход электролюминесценции, малое поглощение излучения при выводе его из кристалла и высокое быстродействие. В настоящее время распространение получили две основные модификации приборов: с выводом излучения в направлении, перпендикулярном плоскости p-n-перехода - поверхностные светодиода и с торцевым выводом, параллельно плоскости p-n-перехода - торцевые светодиоды. Оба вида светодиодов работают при управляющих токах 100...200 мА и обеспечивают Р_вых = 2...6 мВт. Поверхностные светодиоды обычно излучают в окружающее пространство большую (примерно в 3 раза) мощность, чем торцевые.

Частотная характеристика светодиодов определяются соотношением

P(f) = P(0) [1+(f)]^-0,5, (5)

где - время жизни неосновных носителей;

f - частота вариации излучения.

Наибольшее распространение получили светодиоды с поверхностными излучателями в которых для расширения полосы частот выполняется сильное легирование активного слоя при большом различии концентраций носителей в активной и прилегающих областях, однако это снижает внешнюю эффективность диода.

Для получения большей мощности излучения применяют суперлюминесцентные диоды, занимающие промежуточное положение между лазерными диодами и светодиодами. Такие диоды представляют собой торцевые излучатели и изготовляют в виде обычной четырехслойной лазерной гетероструктуры. По сравнению со светодиодами суперлюминесцентный диод характеризуется более высоким дифференциальным квантовым выходом излучения и меньшей спектральной шириной излучения.

Однако достижение таких характеристик требует увеличения тока накачки до уровня, сравнимого с током накачки лазерного диода. Дифференциальный внешний квантовый выход излучения на суперлюминесцентном диоде выше, чем у обычных светодиодов, а сигнал претерпевает минимальные искажения при модуляции. В этом случае спектральное положение и ширина полосы излучения, а также диаграмма направленности излучения меняются с изменением I_нак незначительно. Мощность излучения таких диодов возрастает при увеличении длины диода. Снижение времени жизни носителей благодаря эффекту стимулированного излучения позволяет увеличить частоту модуляции суперлюминесцентных диодов до 1 ГГц.

Следует отметить, что по сравнению с лазерными диодами суперлюминесцентные диоды отличаются большим сроком службы, меньшей чувствительностью к деградации, более слабой температурной зависимостью излучаемой мощности и более высокой линейностью характеристик. Однако суперлюминесцентный диод проигрывают лазерным источникам по таким параметрам как ширина спектра излучения, эффективность ввода излучения в ВОЛС и выходная мощность. Тем не менее, он сохраняют свои позиции из-за низкой стоимости и простоте эксплуатации.

3. Лазерные диоды

По смыслу своего названия лазер является усилителем света. При возбуждении лазера световой или электрической энергией световые колебания соответствующей частоты, входящие в резонатор лазера, усиливаются таким образом, что выходная волна находится в фазе со входной. Лазеры редко используются в качестве усилителей, так как их внутренние шумы, называемые спонтанной эмиссией, сравнительно велики. Кроме того, существуют определенные трудности в изготовлении лазера с высоким коэффициентом усиления и без обратной связи, вызывающей генерацию. В подавляющем большинстве случаев лазеры используются как осцилляторы - генераторы когерентного света.

Особенность когерентного излучения лазерных источников существенно отлично от некогерентных, т.к. их световой поток может быть сфокусирован на площади, сравнимой с длиной волны, тогда как для светодиодов этот размер не меньше источника излучения.

Принцип генерации излучения лазера можно рассмотреть на основе энергетической диаграммы вещества, проявляющего лазерный эффект. На рис. 7 показана такая диаграмма для вещества с тремя энергетическими уровнями. Энергия возбуждения, подводимая к активному веществу лазера, переводит атомы с основного энергетического уровня на 3-й энергетический уровень. Затем атомы очень быстро переходят спонтанно на 2-й энергетический уровень без излучения.

Рис. 7

Разность энергии между 2 и 3-м уровнями идет на нагревание кристаллической решетки вещества лазера. Со 2-го энергетического уровня частицы спонтанно переходят на основной уровень, и излучается энергия с частотой f, определяемой по формуле

f = (E₂ - E₁)/h, (6)

где E_i - энергия i-го уровня (i = 1, 2, 3); h - постоянная Планка.

Если разность энергий (E₂ - E₁) достаточно велика, то излучение энергии будет происходить на оптической частоте. Акты спонтанной эмиссии происходят в случайные моменты времени. Следовательно, излучение не будет когерентным. Если возбуждать вещество с достаточно высокой интенсивностью, то число частиц на 2-м энергетическом уровне будет больше, чем число частиц на 1-м энергетическом уровне.

В этом случае получается так называемая «инверсная населенность». При этом поглощение энергии веществом становится отрицательным (т.е. происходит усиление), и первоначальное спонтанное излучение стимулирует излучение с одинаковой фазой. В результате генерируется относительно узкая спектральная полоса когерентного излучения. Для высокостабильных лазеров ширина линии может составлять от 10 до 100 Гц. Положительная обратная связь, необходимая для перевода лазера из режима усиления в режим генерации, достигается при помещении активного вещества в оптический резонатор, представляющий собой две отражающие поверхности на концах активного вещества. Одно зеркало изготовляется частично пропускающим излучение из полости резонатора (рис. 8).

Рис. 8

Излучение вдоль оси резонатора усиливается при каждом проходе через активное вещество. Неосевое излучение имеет малую энергию, так как оно не подвергается многократному усилению. Частота излучения определяется несколькими факторами. Генерация может происходить только на тех частотах внутри спектрального интервала, для которых резонансное усиление достаточное и превышает потери на поглощение. Центральная частота этого спектрального интервала определяется средним значением энергии стимулированного перехода. Спектральный интервал возможных частот генерации расширяется вследствие теплового движения атомов вещества (допплеровское уширение) и вследствие столкновений атомов.

Рис. 9

На рис. 9 приведена кривая относительного усиления с учетом уширения лазерного вещества в зависимости от частоты. Ширина огибающей кривой усиления по точкам половинной амплитуды обычно составляет величину порядка 1 ГГц.

Резонансные свойства резонатора определяют точные значения частоты или моды генерации внутри линии излучения.

Вдоль оси резонатора могут существовать те колебания, для которых расстояние между зеркалами равно целому числу полудлин волн. Для осевых мод условие резонанса следующее:

n_c/2 = L_c, (7)

где L_c - расстояние между зеркалами (часто это длина активного вещества);

_с - генерируемая длина волны;

n - целое число. Таким образом, возможные частоты мод будут

f_R = 0,5nc/L_c ,(8)

где с - скорость света,

Частотное разделение осевых мод

F = 0,5c/L_c (9)

Pиc. 10

Для примера в одномодовом резонаторе частотное разделение осевых мод составляет 150 МГц. На рис. 10. показан частотный спектр аксиальных мод лазера.

Во многих случаях наличие многих осевых мод нежелательно. Например, в гетеродинном приемнике моды смешиваются друг с другом так же, как и с излучением гетеродина, приводя к потере полезной мощности.

Работа на одной моде может быть достигнута путем уменьшения длины резонатора. Это приводит к тому, что моды слабой интенсивности находятся ниже порога генерации. Однако во многих типах лазеров это приводит к уменьшению мощности лазера. Сегодня разработаны методы перекачки энергии лазера в одну моду путем использования частотной модуляции.

Лазер может также генерировать на поперечных модах. Несколько поперечных мод низкого порядка показано на рис. 11. Стрелки указывают направление ЭП. Обозначение TEM_mn фиксирует номер поперечных электромагнитных мод. Структура поперечных мод лазера зависит от типа зеркал резонатора и их юстировки. При соответствующем конструировании и настройке можно выделить ТЕМ₀₀-моду. Распределение интенсивности в поперечном сечении луча для этой моды совпадает с гауссовой кривой. При другой модовой структуре апертура передатчика формирует луч в дальней зоне, далекий от дифракционного предела. В настоящее время наиболее широко используются три основных типа лазеров: газовые, полупроводниковые и твердотельные, которые находят применение как в ВОСС так и в ЛАСС.

Рис. 11



Ниже кратко описаны принципы работы каждого типа лазеров и указаны их преимущества и недостатки с точки зрения использования в системах связи. В газовых лазерах (рис. 12) наиболее широко используются такие газы, как аргон, гелий-неон или двуокись углерода. Газы или смесь газов находятся в стеклянной колбе, в которой осуществляется электронный разряд.

Рис. 12

В результате разряда электроны бомбардируют атомы газа, переводя их на более высокий энергетический уровень. В большинстве случаев применяют разряд постоянным током, но возможна также и работа с разрядом переменного тока. Концевые зеркала стеклянной колбы обычно располагают под углом Брюстера ( ~ 57°), чтобы получить линейную поляризацию выходного луча. Есть два основных вида электронного возбуждения: непосредственно электронное и ударное атомное возбуждение.

В первом случае электроны разряда в результате столкновений с атомами вызывают заселенность верхних атомных уровней. Атомные ударные возбуждения обеспечивают возбуждение для лазеров, содержащих смесь газов, например, гелия и неона. Один из газов возбуждается прямыми электронными ударами. Возбужденные атомы этого газа затем ударяют невозбужденные атомы другого газа, имеющего такие же энергетические уровни, и обеспечивают инверсную заселенность во втором газе. Атомы гелия возбуждаются электронными ударами. Энергетические состояния гелия являются метаcтабильными и не имеют «разрешенного» перехода к более низкому энергетическому уровню. Когда атом гелия в метастабильном состоянии сталкивается с невозбужденным атомом неона, появляется большая вероятность энергетического перехода. В этом случае верхний энергетический уровень, неона оказывается заселенным и обеспечивает излучательную рекомбинацию.

Рис. 13

Находят применении в ЛАСС и ВОСС и твердотельные лазеры на рубине. Основные элементы рубинового лазера показаны на рис.1 Рубиновый стержень (длиною в несколько сантиметров) помещается внутри спирали кварцевой лампы-вспышки, обеспечивающей световую накачку. Для образования резонатора отражающие поверхности наносятся на концах стержня. Рубиновые лазеры обычно работают в импульсном режиме, с относительно невысокой частотой следования световых импульсов, что определяется теплоотводящими свойствами лампы-вспышки.

Лазерные полупроводниковые диоды (упрощенная конструкция приведена на рис. 14), наиболее широко используемые в системах телекоммуникации и связи являются сегодня оптимальными источники когерентного оптического излучения и имеют два основных конструктивных отличия от светодиодов.

Во-первых они обычно содержат встроенный оптический резонатор, а во-вторых, они работают при значительно больших значениях токов накачки, что позволяет при превышении некоторого порогового значения получить режим индуцированного излучения. Именно такое излучение характеризуется высокой когерентностью, благодаря чему лазерные диоды имеют значительно меньше ширину спектра излучения (1-2 нм) против 30-50 нм у светодиодов, рис. 4.

Рис. 14

Для ЛАСС находят применение лазеры в режиме коммутации добротности резонатора. С помощью оптической коммутации в резонатор вносятся большие потери, даже когда достигнута инверсная населенность. Как только добротность резонатора становится большой (вносимые потери малы), запасная энергия выделяется в одном гигантском импульсе. В режиме коммутации добротности (Q-коммутации) можно получить импульсные мощности, исчисляемые мегаваттами и даже гигаваттами. В настоящее время разработаны твердотельные лазеры с активным веществом на основе неодима и других редкоземельных элементов. Однако лишь немногие из них являются перспективными для использования в системах связи из-за низкой частоты следования световых импульсов и низкой эффективности. Повысить эффективность таких лазеров можно, используя накачку неодимового кристалла полупроводниковым лазером, КПД которого намного больше КПД лампы-вспышки.

Оптимальные, с точки зрения их использования в ЛАСС и ВОСС переходы можно получить в гетероструктурах используемых в инжекционных лазерах. Гетеролазеры имеют в десятки и даже сотни раз меньшую пороговую плотность тока, и значительно более высокий КПД, чем гомолазеры. Это вызвано, в частности, тем, что в гетеролазере нет необходимости лигировать полупроводник до вырождения (т.к. высокая концентрация носителей в рабочей области перехода достигается большой инжекцией электронов в базу), а это способствует уменьшению потерь на безызлучательную рекомбинацию при взаимодействии электронов с легирующими примесями.

Если толщины узкозонного и широкозонного полупроводников уменьшать до долей микрона, то можно создавать квантовые ямы - аналоги потенциальных ям (ядер) одиночных атомов, а уровни энергии такой ямы строго квантованы. Поэтому если, пропуская ток через такую структуру, так подобрать напряжение U, определяющего их энергию проходящих через потенциальные барьеры (AlGaAs) электронов, чтобы эта энергия соответствовала разрешенному уровню энергии в яме GaAs, когда U = U_раз, то электроны путем туннельного эффекта будут проникать в яму на эти уровни зоны проводимости, создавая инверсную населенность по отношению к дискретным уровням ям для дырок, имеющимся в валентной зоне GaAs. Это позволяет реализовать стимулированное излучение в такой яме. На этом принципе основана работа наиболее перспективных в настоящее время лазеров на квантовых ямах. Для повышения мощности таких лазеров используется не одна яма, а целая последовательность ям, образующих так называемую сверхрешетку, в которой отдельные уровни расплываются в узкие разрешенные зоны энергии (минизоны).

Обладая высокой диэлектрической проницаемостью, от качественно полированной поверхности получают отражение более 30%. Резонатор выделяет те типы колебаний, на которые он настроен, при этом поток будет усиливаться, если число индуцированных переходов с испусканием фотонов будет больше числа переходов с поглощением фотонов той же частоты. Для этого необходимо, чтобы число атомов на верхнем уровне превосходило число атомов на нижнем уровне, т.е. чтобы система находилась в состоянии инверсной заселенности.

Есть несколько вариантов конструктивного и технологического выполнения двойных гетеропереходов. Одной из наиболее распространенных является конструкция типа «зарощенной гетероструктуры» (рис.15) в которой волноводный канал образуется слоем p-GaAs имеющим высокий показатель преломления (n = 3,7), тогда как «заращивающие» его слои GaAlAs имеют более низкий показатель преломления, а световая волна в таких случаях, как известно, стремится в среду с большим показателем преломления. В таких структурах ширина полоски может быть доведена до 2 мкм и за счет этого пороговый ток при комнатной температуре может быть снижен до 10 мА при излучаемой мощности 1-2 мВт. В инжекционных лазерах есть три типа отражающих структур, которые являются частично отражающими зеркалами лазерных резонаторов Фабри-Перо.

Рис. 15

Во-первых, это обычная плоская граница p-GaAs и воздуха (торцевые ИЛ), которая дает коэффициент отражения

Г = (n - 1)²/(n + 1)² = 0,33, (10)

причем угол расхождения выходного луча в плоскости параллельной излучающему слою равен в этом случае 1030^о, а в перпендикулярной плоскости 3060^о.

Во-вторых, это - дифракционная решетка, которая в виде гофрированной поверхности наносится на участки длины h диэлектрика, являющегося продолжением слоя p-GaAs, там где этот слой не закрыт ограничивающим и контактным слоями.

Такие отражатели используют распределенное брэгговское отражение и называются РБО-отражателями. Шаг гофра обычно бывает 0,15 - 0,45 мкм. Этот шаг и угол ввода и вывода света, если свет выводится из РБО системы, обычно выбирается так, чтобы дифракционный максимум был направлен внутрь слоя p-GaAs (резонатора). И, наконец, ввод и вывод излучения может производиться с помощью призмы, которая располагается на расстоянии 0,2 от пленки p-GaAs, и хотя идущий снаружи луч, отражающийся от нижней грани призмы, испытывает полное внутреннее отражение, он все же частично (за счет эффекта оптического туннелирования) проникает в пленку и возбуждает в ней волну, причем КПД перехода луча бывает до 80 - 90% при согласованной призме.

Кроме того, в лазерных диодах часто используются резонаторы с распределенной обратной связью, работа которых основана на отражении волн от периодической серии неоднородностей, образованных в волноводе, являющемся обычно активной средой.

Инерционность лазерных диодов (при модуляции тока) определяется емкостями и сопротивлениями распределенных структур и бывает порядка 10^-10 - 10^-9с, а полный КПД излучения может достигать 45%.

Таким образом, резюмируя, можно отметить, что газовый лазер в настоящее время является наилучшим источником мощного непрерывного высококогерентного оптического излучения (ЛАСС), твердотельные лазеры предпочтительнее для работы в импульсном режиме (аналоговые ВОСС). Полупроводниковые лазерные диоды, разработанные сегодня для различных применений, являются основой построения как ВОСС, так и ЛАСС и представляют для нас основной интерес.

Зависимость мощности излучения лазерных диодов Р_ЛИ от тока накачки I_нак описывается ватт-амперной характеристикой. При малых токах накачки лазер испытывает слабое спонтанное излучение, работая как малоэффективный светодиод. При превышении некоторого порогового значения тока накачки I_порог, излучение становится индуцированным, что приводит к резкому росту мощности излучения и его когерентности, рис. 16 (ватт-амперные характеристики 1 - лазерного диода, 2 - светодиода).

Рис. 16

Мощность выходного излучения Р_вых или выходная мощность излучения светодиода (output power) отражает мощность вводимого в волокно излучения или излучаемую в свободное пространство. Наряду с традиционной единицей измерения Вт она может измеряться в дБм. Мощности Р_вых, измеренной в мВт (10^-3 Вт), будет соответствовать мощность р_вых = 101g Р_вых (дБм). Использование единицы измерения дБм упрощает энергетический расчет бюджета линий. Мощность излучения, приводящаяся в характеристиках оптического передатчика, может варьироваться в некотором диапазоне. В таких случаях указывают диапазон мощности излучения (output power range). Например, -19/-14 дБм означает, что р_{вых мин} = -19 дБм, а р_{вых макс} = -14 дБм.

В магистральных ВОСС используются два окна 1,3 и 1,55 мкм. Поскольку наименьшее затухание в волокне достигается в окне 1,55 мкм, на сверхпротяженных безретрансляционных участках (L 100 км) эффективней использовать оптические передатчики именно с этой длиной волны. В то же время на многих магистральных ВОЛС в состав BOK входят только ступенчатые одномодовые волокна, имеющие минимум хроматической дисперсии в окрестности 1,3 мкм (волокон со смещенной дисперсией нет). На длине волны 1,55 мкм удельная хроматическая дисперсия у SMF составляет 17 пс/нмкм. А поскольку полоса пропускания обратно пропорциональна ширине спектра излучения, то увеличить полосу пропускания можно только уменьшая ширину спектра излучения лазера. Как будет показано далее, при ширине спектра = 4 нм полоса пропускания на 100 км составляет 63 МГц, а при = 0,2 нм соответственно 1260 МГц, то есть, для того чтобы оптические передатчики на длине волны 1,55 мкм могли в равной степени использоваться на протяженной линии не только с одномодовым волокном со смещенной дисперсией (DSF), но и со ступенчатым волокном (SMF), необходимо делать ширину спектра излучения передатчиков как можно меньше.

Наибольшее распространение сегодня получили следующие типы лазерных диодов: с резонатором Фабри-Перо; с распределенной обратной связью; с распределенным брэгговским отражением; с внешним резонатором.

Лазерные диоды с резонатором Фабри-Пера (FP лазеры, Fabry-Perot). Резонатор в таком лазерном диоде образуется торцевыми поверхностями, окружающими с обеих сторон гетерогенный переход. Одна из поверхностей отражает свет с коэффициентом отражения, близким к 100%, другая является полупрозрачной, обеспечивая, таким образом, выход излучения наружу.

На рис. 4 б показан спектр излучения промышленного лазерного диода с использованием резонатора Фабри-Перо. Из рисунка следует, что наряду с главным пиком, в котором сосредоточена основная мощность излучения, существуют побочные максимумы. Причина их возникновения связана с условиями образования стоячих волн. Для усиления света определенной длины волны необходимо выполнение двух условий. Первое, длина волны должна удовлетворять соотношению 2D = N, где D -- диаметр резонатора Фабри-Перо, а N - некоторое целое число. Второе, длина волны должна попадать в диапазон, в пределах которого свет может усиливаться индуцированным излучением. Если этот диапазон достаточно мал, то имеет место одномодовый режим с шириной спектра меньше 1 нм. В противном случае в область _0,5 могут попасть два или более соседних максимумов, что соответствует многомодовому режиму с шириной спектра от одного до нескольких нм. FP лазер имеет далеко не самые высокие технические характеристики, но для тех приложений, где не требуется очень высокая скорость передачи данных, он, в силу более простой конструкции, наилучшим образом подходит с точки зрения цена-эффективность.

Следует отметить, что даже в том случае, когда соседние максимумы малы, то есть когда реализуется одномодовый режим излучения и мало, с ростом скорости передачи у FР лазера наблюдается перераспределение мощности в модах, которое приводит к паразитному эффекту - динамическому уширению спектра (до 10 нм при частоте модуляции 1-2 ГГц).

Этот эффект отсутствует у перечисленных трех других более совершенных типов лазерных диодов, отличающихся способом формирования оптического резонатора, и являющихся в некоторой степени модернизацией простого резонатора Фабри-Перо [2].

Лазерные диоды с распределенной обратной связью (DFB лазер) и с распределенным брэгговским отражением (DBR лазер). Резонаторы этих, конструктивно схожих типов представляют собой модификацию плоского резонатора Фабри-Перо, в которой добавлена периодическая пространственная модуляционная структура. В DFB лазерах периодическая структура совмещена с активной областью (рис. 17а), а в DBR лазерах периодическая структура вынесена за пределы активной области (рис. 17б).

Периодическая структура влияет на условия распространения и характеристики излучения. Так, преимуществами DFB и DBR лазеров по сравнению с FP лазером являются: уменьшение зависимости длины волны лазера от тока инжекции и температуры, высокая стабильность одномодовости и практически 100-процентная глубина модуляции. Температурный коэффициент /Т для FР лазера порядка 0,5-1 нм/^oС, в то время как для DFB лазера порядка 0,07-0,09 нм/^oС. Основным недостатком DFB и DBR лазеров является сложная технология изготовления и, как следствие, более высокая цена.

а

б

в

Рис. 17

Лазерный диод с внешним резонатором (ЕС лазер). В EC лазерах один или оба торца покрываются специальным слоем, уменьшающим отражение, и соответственно, одно или два зеркала ставятся вокруг активной области полупроводниковой структуры. На рис.17 в показан пример ЕС лазера с одним внешним резонатором. Антиотражающее покрытие уменьшает коэффициент отражения примерно на четыре порядка, в то время как другой торец активного слоя отражает до 30% светового потока благодаря френелевскому отражению. Зepкало, как правило, совмещает функции дифракционной решетки. Для улучшения обратной связи между зеркалом и активным элементом устанавливается линза.

Увеличивая или уменьшая расстояние до зеркала, а также одновременно разворачивая зеркало-решетку (эквивалентно изменению шага решетки), можно плавно изменять длину волны излучения, причем диапазон настройки достигает 30 нм. В силу этого, ЕС лазеры являются незаменимыми при разработке аппаратуры волнового уплотнения и измерительной аппаратуры для BOСC [3]. По характеристикам они схожи с DFB и DBR лазерами.

Основное преимущество лазерных диодов, как отмечалось выше, состоит в том, что они допускают непосредственную модуляцию простым изменением тока возбуждения. В соответствии с длиной волны излучения источники подразделяют на «коротковолновые», работающие в диапазоне 0,8...0,9 мкм, и «длинноволновые», излучающие на длинах волн от 1,2 до 1,7 мкм.

Ширина линии излучения лазерных диодов на основе р-n-перехода в GaAs не превышает 0,0017? и переход в этот режим осуществляется путем повышения тока накачки выше порогового значения, как показано на рис.18. Обладают они и высоким КПД 70-80%. Такие лазерные диоды могут быть созданы буквально микронных габаритов, причем время установления в них излучения порядка 10^-12-10^-13 секунды. Это позволяет использовать их не только в ЛАСС и ВОСС, но и для создания сверхбыстродействующих схем и отдельных элементов для ЭВМ, сопрягаемых с оптическими системами связи.

В заключении отметим, что в лазерных диодах возможна также реализация и двухквантовых переходов, т.е. если имеется инверсия заселенности между двумя уровнями с разностью энергий hн, то возможна генерация на двух частотах н₁ и н₂ удовлетворяющих условию н₁ + н₂ = н.

Такие лазерные диоды могут обеспечить более быстрый рост плотности поля, чем в обычных лазерных диодах, а также должен реализовать практические возможности получения любой частоты н в пределах соблюдения приведенного условия.

При использовании оптической накачки для лазерных диодов обычно применяют рубиновый лазер. Так как глубина проникновения света в кристалле GaAs велика (? 0,3 - 0,4 мкм) возбуждается большой объем полупроводника, что позволяет получать значительную выходную мощность (? 200 кВт). Лазерные диоды с оптической накачкой можно использовать как преобразователи излучения одной длины волны в когерентное излучение другой длины волны.

Важными характеристиками источников излучения являются: быстродействие источника излучения; деградация и время наработки на отказ.

Быстродействие источника излучения. Экспериментально измеряемым параметром, отражающим быстродействие источника излучения, является максимальная частота модуляции. Предварительно устанавливаются пороги на уровне 0,1 и 0,9 от установившегося значения мощности светового излучения при низкочастотной модуляции прямоугольными импульсами тока. По мере роста частоты модуляции, т.е. при переходе на меньшие масштабы по временной шкале, форма световых фронтов становится более пологой. Для описания фронтов вводят времена нарастания _н и спада _с мощности излучения, определяемые как временные интервалы, за которые происходит нарастание от 0,1 до 0,9 и, наоборот, спад светового сигнала от 0,9 до 0,1. Максимальная частота модуляции определяется как частота входных электрических импульсов, при которой выходной оптический сигнал перестает пересекать пороговые значения 0,1 и 0,9, оставаясь при этом во внутренней области. Для светодиодов эта частота может достигать до 200 МГц, а у лазерных диодов -- значительно больше (несколько ГГц). Времена нарастания и спада предоставляют информацию о полосе пропускания В. Если предположить, что они равны между собой (а это не всегда так), то полосу пропускания можно определить

В = 0,35/_н (11)

Деградация и время наработки на отказ. По мере эксплуатации оптического передатчика его характеристики постепенно ухудшаются - падает мощность излучения, и, в конце концов, он выходит из строя. Это связано с деградацией полупроводникового слоя. Надежность полупроводникового излучателя определяется средней наработкой на отказ или интенсивностью отказов.

Лазерные диоды, выпускаемые десять лет назад, обладали значительно меньшей надежностью по сравнению со светодиодами. Однако в настоящее время, благодаря совершенствованию конструкций и технологии изготовления, удалось значительно повысить надежность лазерных диодов и приблизить их к светодиодам по времени наработки на отказ, которое составляет до 50000 часов и более (5-8 лет).

Для организации передачи информации в ВОСС и ЛАСС кроме источника излучения требуются ряд устройства, без которых работа ПОМ невозможна. Наиболее сложными их них является модулятор.

4. Модуляторы и физические принципы работы

Чтобы сигналы могли нести с собой информацию, их необходимо модулировать. В современных оптических системах используется весьма простой тип модуляции, а именно - амплитудная манипуляция с переключением (on-off keying), при которой сигнал либо присутствует (единица), либо отсутствует (нуль). Проблема заключается в том, чтобы сделать этот переход достаточно быстрым, чтобы его можно было использовать для передачи данных на предельно высоких скоростях.

Для модуляции оптического излучения используется большое количество физических принципов. Многие из этих принципов были развиты до появления лазеров, а некоторые являются результатами исследования физических явлений в связи с необходимостью конструирования широкополосных малогабаритных модуляторов с малым потреблением мощности для лазерных систем связи.

При непосредственной модуляции (direct modulation) управление включением и выключением светового источника может осуществляться путем изменения проходящего через него тока. В случае высоких скоростей передачи применение этого подхода сопряжено с определенными трудностями:

- Уровень выходной мощности, которую лазеры способны развивать, ограничен, что налагает свои ограничения на величину расстояния между усилителями либо между передатчиком и приемником.

- Скорость модуляции также оказывается ограниченной, что приводит к ограничениям на производительность сети.

- Непосредственная модуляция снижает различимость сигналов, т.е. разницу между высокоуровневым (единичный бит - ON) и низкоуровневым (нулевой бит - OFF) световыми сигналами, в результате чего величина допустимого расстояния между приемником и передатчиком также снижается.

- Возникающие нелинейные эффекты могут приводить к искажению аналоговых сигналов, используемых в сетях кабельного телевидения.

- Наконец, непосредственная модуляция увеличивает паразитную модуляцию длины волны, дополнительно увеличивая отрицательное влияние различных видов дисперсии, которые обсуждались выше. Паразитная модуляция длины волны проявляется в быстром изменении длины центральной световой волны лазера, вызванном изменением показателя преломления с увеличением или уменьшением пропускаемого через лазер тока.

Одним из основных потенциальных преимуществ лазерных систем связи является высокая частота оптического излучения. Это свойство позволяет реализовать передачу сверхширокополосной информации. Разумеется, использование такой потенциальной возможности требует исследования и разработки широкополосных оптических модуляторов.

На скоростях свыше 1 Гбит/с провайдеры используют внешние модуляторы. Так, принцип действия электрооптических модуляторов основан на электрооптическом эффекте, суть которого заключается в изменении показателя преломления некоторых материалов под воздействием приложенного к ним ЭП. Уменьшение RI (показателя преломления - refractive index) повышает скорость распространения света, увеличение RI - снижает.

В этих модуляторах свет расщепляется на два световодных канала. Если необходимо послать сигнал (ON), к обоим каналам прикладывается одинаковое напряжение. Если же необходимо выключить сигнал (OFF), то напряжение к ним прикладывается таким образом, чтобы в результате изменения показателя преломления RI фаза сигнала в одном канале оказалась смешенной по отношению к фазе сигнала в другом канале на 180^о. При объединении сигналов происходит их деструктивная интерференция, они взаимно погашают друг друга, результатом чего является отсутствие сигнала (OFF). Действительная картина процесса гораздо сложнее и включает в себя использование электрического напряжения различной полярности, однако общие закономерности приведенное описание передает правильно.

При конструировании модуляторов наиболее широко используются пять основных физических принципов модуляции: изменение мощности накачки, вариации спектра излучения, изменение поглощения излучения, оптико-механический и электрооптический эффекты. Некоторые из этих принципов неразрывно связаны с генерацией оптического излучения лазером, другие реализуются отдельными модулирующими блоками, помещенными, вне генерирующего лазера. В соответствии с этим методы модуляции можно разделить на внешние и внутренние (в зависимости от того, где расположен модулятор - внутри резонатора лазера или вне его). Внутренние модуляторы по сравнению с внешними выгодно отличаются более низкой подводимой мощностью, однако широкополосная модуляция в них ограничена полосой пропускания резонатора лазера. Кроме того, внутренние модуляторы уменьшают усиление резонатора лазера.

Модуляция изменением мощности накачки. При превышении некоторого порога мощности накачки лазер начинает генерировать когерентный свет, далее с увеличением мощности накачки линейно увеличивается мощность когерентного излучения. Таким образом, модуляция интенсивности излучения лазера может быть осуществлена путем амплитудной модуляции мощности накачки. При непрерывной аналоговой модуляции любая нелинейность между мощностью накачки и мощностью излучения лазера вызывает искажения.

Газовый лазер возбуждается постоянным током или радиочастотным электронным разрядом в газе, любой из этих способов может быть использован для амплитудной модуляции. Независимо от вида возбуждения процесс столкновения электронов определяет граничную частоту модулирующего сигнала значением около 100 кГц. В случае радиочастотного возбуждения частота модуляции должна быть меньше, чем частота возбуждающего напряжения.

В полупроводниковых лазерах модуляция может быть осуществлена накачкой амплитудно-модулированным источникам тока. Граничная частота модуляции в этом случае такая же, как граничная частота обычных полупроводниковых диодов. Однако на практике граничная частота модуляции часто зависит от конструкции внешней цепи, подводящей модулирующий сигнал к диоду (требуемые плотности токов обычно высоки).

Модуляция, основанная на явлении поглощения. Полоса поглощения оптического излучения в определенных кристаллах, таких, как, например, селенид кадмия, характеризуется резкой отсечкой в области низких частот. Этой отсечкой можно управлять путем приложения электрического поля. Этот эффект носит название эффекта Франца-Келдыша. Незначительный сдвиг края полосы поглощения приводит к значительному изменению в коэффициенте пропускания кристалла.

Оптическое поглощение p-n-перехода полупроводникового материала также можно изменять путем вариации ЭП (см. рис. 18). Как для кристаллов, так и для полупроводников граничная частота модуляции может простираться вплоть до частот СВЧ-диапазона. Недостатком модуляторов, основанных на эффекте поглощения, является низкая выходная мощность передатчика, поскольку имеет место значительное ослабление мощности оптического излучения в поглощающих материалах.

Рис. 18

Модуляция спектра излучения (частотная модуляция). Частота колебаний лазера может изменяться в узком диапазоне частот путем изменения длины резонатора. Одним из удобных способов изменения длины резонатора является установка концевых зеркал резонатора на магнитострикционном материале, который изменяет свою длину пропорционально приложенному электрическому полю. Резонансная частота f_R резонатора равна

f_R = nc/2L_c, (12)

где n - целое число;

с - скорость свата;

L_c - длина резонатора.

Изменение длины резонатора L вызывает изменение резонансной частоты

(13)



При небольших изменениях длины

(14)

Ширина полосы модуляции для многомодового лазера ограничивается частотным расстоянием между модами (например, 150 МГц при длине резонатора 1 м). Случайные механические смещения зеркал газового лазера могут легко привести к случайным сдвигам частоты до значений в 100 кГц, ограничивая нижний предел частотной модуляции. Частотный сдвиг в 1 МГц при длине волны 0,5 мкм (610¹⁴ Гц) требует относительного изменения длины резонатора L_c/L_c = l,6710^-9, что вполне достижимо магнитострикционными материалами. Максимальная скорость, с которой может смещаться линия излучения, ограничивается значением около 100 МГц (эта цифра определяется инерционностью магнитострикционного материала).