Характеристики джерел оптичних випромінювачів

Контрольна робота з теми:

Характеристики джерел оптичних випромінювачів

Характеристики джерел оптичних випромінювачів

У таблиці 1 представлені характеристики лазерів і світловипромінювальних діодів.

Таблиця 1 - Порівняльні характеристики лазерів і СВД

Рис. 1

Вихідною потужністю називається потужність випромінювання при Рисунок 1 - Залежність вихідної потужності від сили струму визначеному значенні керуючого струму. Як показано на рис. 1, СВД випромінює велику потужність у порівнянні з лазером, що працює нижче порогу генерації.

Вище порогу генерації потужність лазера різко зростає і безупинно збільшується разом із силою керуючого струму. У залежності від потужності джерела світла можуть бути розставлені в такому порядку: лазери, діоди з виходом випромінення через бічну грань кристала, діоди з виходом випромінення через усю поверхню кристалу.

Вихідна діаграма світла є важливою характеристикою для волоконно-оптичних систем. Після виходу світла з джерела починається розширення світлового пучка, і тільки мала його частина в дійсності попадає у волокно. Чим вужче вихідна діаграма, тим велика частина світла може потрапити у волокно. Якісні джерела повинні мати малі діаметри вихідних пучків світла і малу числову апертуру (NA). Діаметр вихідного пучка визначає величину його поперечного перерізу. Апертура NA визначає діапазон кутів, у яких відбувається випромінення світла. Якщо діаметр вихідного чи пучка його апертура перевищують відповідні характеристики волокна, у яке вводиться випромінювання, певна частина випромінювання втрачається і не попадає у волокно. На рис. 2 подані типові кутові діаграми випромінювання діодів і лазерів.

Коли вихідний діаметр джерела не відповідає діаметру ядра волокна, то втрати випромінення, зв'язані з неузгодженістю даних характеристик, можуть бути визначені на основі наступного виразу:

(1)

Втрати відсутні, коли діаметр ядра волокна перевершує діаметр джерела.

Коли апертура NA джерела більше, ніж NA волокна, то втрати, ви- кликані цією неузгодженістю, дорівнюють

(2)

Втрати відсутні в протилежному варіанті, коли більшої є NA волокна.

Розглянемо, наприклад, джерело з вихідним діаметром 100 мікронів NA=0,3 і підключене до нього волокно з діаметром ядра 62,5 мікронів і NA=0,275. У даному випадку втрати через неузгодженість характеристик дорівнюють

,

Загальні втрати складають 4.9 дБ. Якщо вихідна потужність джерела складає 800 мкВт, то тільки близько 260 мкВт потраплять у волокно.

В одномодовому волокні необхідне використання лазера. Лазер забезпечує вузький пучок світла високої інтенсивності, порівнюваний з малим розміром ядра одномодового волокна. Кутова діаграма лазерного випромінення ближче до еліптичної форми, ніж до сферичного.

Випромінення з різними довжинами хвиль має у волокні різні швидкості поширення. Ця дисперсія обмежує ширину робочої смуги пропускання. Як лазери, так і діоди не є ідеально монохромними, вони випромінюють у певному кінцевому діапазоні довжин хвиль. Цей діапазон відомий як спектральна ширина джерела. Він визначається 50% рівнем потужності щодо максимуму, що відповідає центральній довжині хвилі. Наприклад, якщо джерело має центральну довжину хвилі 820 нм і спектральну ширину 30 нм, його вихідне випромінювання займає діапазон від 805 до 835 нм.

На довжині хвилі 850 нм молекулярна дисперсія приблизно дорівнює 0.1 нс/км на один нанометр спектральної ширини джерела. Використання СВД зі спектральною шириною 30 нм приводить до дисперсії на відстані 1 км.

Спектральна ширина лазера складає від 2 до 5 нм, у той час як аналогічна характеристика СВД дорівнює десятки нанометрів. Як правило, спектральна ширина не позначається на якості лінії довжиною в декілька кілометрів, що працює на частотах до 100 МГц. Спектральна ширина є критичним параметром для високошвидкісних і довгих одномодових оптичних систем. У цьому випадку спектральна ширина обмежує швидкість передачі інформації. Ширина смуги пропущення одномодового волокна визначається величиною дисперсії і вимірються в пікосекундах на кілометр, на нанометр спектральної ширини джерела (псек/км/нм).

Оскільки спектральна ширина лазерного джерела є характеристикою, що лімітує, для високошвидкісних довгих одномодових оптичних ліній, то останнім часом багато зусиль було спрямовано на створення монохромних лазерних діодів, придатних для таких систем. Такого роду пристрою мають удосконалену структуру, що підсилює випромінення на центральній довжині хвилі і зменьшує випромінення на бічних довжинах хвиль. Можна привести два приклади подібних пристроїв: лазери з розподіленим позитивним зворотним зв'язком і лазери з просторово синхронізованою генерацією (ПСГ). У лазері з розподіленим позитивним зворотним зв'язком використовуються убудовані дифракційні решітки, що дозволяють підсилювати фотони (що потерпають повне відбиття на обох дзеркалах резонатора) тільки на резонансній довжині хвилі. Таким чином, стимульоване випромінення стає монохромним. У лазері (ПСГ) використовується лазерний діод, кристал якого розділений на двх секції малим зазором. Кожна секція працює незалежно, при цьому випромінення від кожної секції має взаємну інтерференцію, що приводить до придушення одних довжин хвиль і до посилення сигналу на інших довжинах хвиль.

Швидкість включення і вимикання джерела повинна бути достатньо високою, щоб відповідати вимогам ширини робочої смуги пропускання оптичної системи. Швидкість джерела визначається часом наростання і спаду сигналу. Лазери мають час наростання менш 1 нс, у той час як час наростання СВД - декілька наносекунд. Залежність ширини робочої смуги від часу наростання визначається наближеною оцінкою

(2)

де час наростання, виражений у наносекундах, призводить до значень ширини смуги пропускання в гігагерцах. Наприклад, час наростання в 1 нс дозволяє працювати в смузі 350 МГц, а в 5 нс - 70 МГц.

Гарантований час експлуатаційної служби джерела випромінення вимірюється мільйонами годин. Після цього вихідна потужність джерела починає зменшуватися через збільшене число дефектів у кристалічній структурі напівпровідникового кристала. Гарантований час служби джерела визначається рівнем 50% (3 дб) зменшення вихідної потужності. Вважається, що СВД, що має первинна вихідну потужність 1 мВт, закінчує свою службу при рівні потужності у 500 мкВт.

Лазер має кращі оптичні характеристики в порівнянні із СВД але він складніше, дорожче і менш надійний в експлуатації. Термін експлуатаційної служби лазерів, у порівнянні із СВД, менше. Лазери вимагають більш складного керуючого устаткування. Наприклад, вихідна потужність лазера може помітно змінюватися при коливаннях температури. Підтримка вихідної потужності лазера в заданому температурному діапазоні вимагає спеціального устаткування, що регулює силу керуючого струму, наприклад, установки фотодіода на заднім дзеркалі резонатора. При цьому струм від фотодіода залежить від потужності падаючого на нього випромінення. Варіації струму фотодіода через контур зворотного зв'язку впливають на величину керуючого струму.

Рис. 3 - Пристрої узлагодження

При підключенні варто забезпечити максимальну передачу енергії у волокно. На рис. 3 зображено різні типи пристроїв узлагодження випромінювачів і волокна.

Центральним моментом у підключенні джерела до оптичної системи є забезпечення максимально можливого рівня потужності, переданого від джерела до оптичного волокна. Оптичні характеристики джерела і волокна повинні бути при цьому погоджені.

У СВД, що випромінює через бічну поверхню, розмір випромінюючої поверхні достатньо великий. При цьому лише мала частина випромінення передається волокну. Крім того, кутова діаграма даного випромінення достатньо широка, і пучок світла швидко розширюється зі збільшенням відстані від випромінюючої поверхні. У зв'язку з цим важливо, що вихідна потужність напівпровідникового кристала і потужність, передана оптичному волокну, можуть істотно розрізнятися.

Модернізація структури напівпровідникового кристала (використання діодів, що випромінюють через вузьку бічну грань, чи лазерів) призводить до поліпшення вихідної картини випромінювання. Вкрай важливим є гарний контакт джерела з оптичним волокном. На рис. 4 представлено декілька методів поліпшення вихідної потужності випромінювання.

Рис. 4 - СВД з мікролінзою і з'єднувачем

Так використовуються джерела з мікролінзами, приклеєними за допомогою епоксидного клею (або безпосередньо до кристалу). Лінза фокусує світло в практично однорідну пляму на виході джерела. Звичайно розмір цієї плями перевищує розмір волокна. Волокно може міститися в будь-якім місці світлової плями, приймаючи при цьому ту саму оптичну потужність.

Лінза може також розміщатися на деякій відстані від поверхні кристала і фокусувати світло. Лінза на рис. 7 є компонентом прийомної частини джерела і служить для підключення з'єднувача. При цьому лінза фокусує світло безпосередньо у волокно, закріплене в корпусі з'єднувача.

Параболічна форма прийомної частини джерела і лінза дозволяють збирати пучок світла, звужуючи розмір випромінюючої плями і кутову діаграму випромінення. При збиранні світлові промені стають односпрямованими і перестають розходитися.

У пристроях, називаних пігтейлами (pigtail), використовується короткий відрізок оптичного волокна. В світлодіоді Барра волокно клейовим способом закріплюється безпосередньо на полірованій поверхні кристала Перевага даного способу полягає в максимальному наближенні волокна до поверхні активного середовища кристала. В інших пристроях встановлюють пігтейл у безпосередній близькості від поверхні кристала. Пігтейли мають дві переваги. По-перше, закріплення пігтейла поблизу кристала дозволяє вводити світло у волокно до того, як пучок світла встигне розширитися. Чим далі від кристала розташоване волокно, тим більше встигає розширитися пучок світла і тим менша його частка попадає у волокно. По-друге, вихідна потужність джерела з підключеним пігтейлом визначається значенням потужності на виході з пігтейла. Це полегшує проектування оптичної системи в цілому, оскільки випромінювання, що виходить з пігтейла, достатньо легко визначається.

Значимість підключення джерела побічно підтверджується широким спектром різ'ємів вихідних рознімань, пропонованих виробниками. Як правило, той самий СВД пропонується з трьома різними модифікаціями вихідного роз'єму. Специфіковані вихідні потужності для кожного з варіантів підключення джерела є такими:

без пігтейла 300 мкВт;

підключення пігтейла з волокном 100/140 250 мкВт;

підключення пігтейла з волокном 50/125 50 мкВт.

Різниця в двох останніх випадках пояснюється малим розміром волокна 50/125 і неможливістю усунення втрат при введенні світла у волокно з малою апертурою і розміром.

Джерела дуже часто комплектуються вихідними роз'ємами у вигляді приймальних частин для різного типу оптичних з'єднувачів. Комплект приймальних пристроїв відкриває перед користувачем більш широкі можливості використання джерела. По-перше, виробник може визначити характеристики волокна для кожного з приймальних пристроїв, що рятує від необхідності оцінювати втрати з'єднання волокно - джерело. По-друге, це спрощує процес виготовлення, оскільки дозволяє легко установити будь-як прийомну частину на корпусі джерела. До кожного виду розповсюджених оптичних з'єднувачів можуть бути підібрані відповідні приймальні частини.

У таблиці 1 представлені типові характеристики СВД і лазерів.

Таблиця 1 - Типові характеристики СВД і лазерів