 |
|
Джерела оптичного випромінювання
Оптоелектронні елементи ВОСП
Джерело оптичного випромінювання (ДОВ) -це оптоелектронний пристрій, що перетворює електричну енергію в оптичне випромінювання і є головним елементом оптичного передавального пристрою. У волоконно-оптичному зв'язку застосовуються напівпровідникові ДОВ на основі p-n переходу: світло діоди (СД) та лазерні діоди (ЛД). До джерел оптичного випромінювання ставляться такі вимоги:
-довжина хвилі випромінювання повинна збігатися з одним з вікон прозорості світловода;
-достатня потужність випромінювання, що забезпечує передачу інформації на необхідну відстань;
-вузька ширина спектру випромінювання необхідна для зменшення хроматичної дисперсії у світловоді при поширенні ним оптичних імпульсів;
-вузька діаграма спрямованості забезпечує введення світла у волокно з мінімальними втратами;;
-висока частота модуляції потрібна для забезпечення передачі інформації на необхідній швидкості;
-висока температурна стабільність параметрів, температурні варіації не повинні позначатися на функціонуванні джерела випромінювання;
-можливість інтеграції з іншими компонентами ВОСП;
-стабільність параметрів у процесі експлуатації;
-великий термін експлуатації, висока надійність.
Лазерні діоди та світлодіоди відповідають цим вимогам.
Характеристики та параметри випромінювачів такі:
– ват-амперна характеристика (ВтАХ)–залежність оптичної потужності від струму накачування;
– спектральна характеристика–залежність оптичної потужності від довжини хвилі оптичної носійної;
– діаграма спрямованості–залежність потужності, що випромінюється від напрямку;
– lmax – максимум спектрального розподілу, нм;
– Dlx–ширина спектру випромінювання за рівнем половинної потужності, нм;
– Dj–ширина діаграми спрямованості за рівнем половинної потужності, град;
– Ір пороговий струм–струм, з якого починається генерація оптичної потужності, мА;
– Р – середня або імпульсна потужність випромінювача, мВт або в дБм;
– Fmax – верхня гранична частота модуляції випромінювача, Гц.
Принцип дії випромінювачів заснований на рекомбінації носіїв зарядів у напівпровіднику при протіканні через нього струму, внаслідок чого виникає випромінювання (рис.3.25). У напівпровідникових випромінювачах форма вихідних оптичних сигналів з великою точністю відповідає формі струму накачування, тобто формі вхідних сигналів. Таким чином здійснюється пряма або безпосередня модуляція оптичного випромінювання.
Випромінювачі поділяють на дві групи: джерела когерентного та некогерентного випромінювання. До першої групи ДОВ відносяться всі типи лазерів, до другої – інші випромінювачі (світлодіоди, лампи розжарювання, люмінесцентні, тощо). Джерела когерентного випромінювання мають меншу ширину спектра випромінювання, менший розкрив діаграми спрямованості, більшу швидкодію, що й зумовило їх переважне застосування у ВОСП.
Довжина хвилі СД визначається тільки матеріалом напівпровідника, а ЛД–ще й розмірами резонатора. Випромінювачі виробляють з арсеніду галію з різними легуючими добавками, які визначають довжину хвилі випромінювання.
Найбільш поширеними є лазерні діоди з напівпровідниковим резонатором Фабрі-Перо (FP-лазери, Fabry-Регоt). Резонатор у такому лазерному діоді утворюється торцевими поверхнями, що оточують по обидва боки p-n перехід. Одна з поверхонь відбиває світло з коефіцієнтом відбиття, близьким до 100%. Світлові хвилі, багатократно відбиваючись від стінок резонатора інтерферують між собою. Інтерферують тільки ті хвилі, для яких сумарне фазове зрушення, що виникає внаслідок розповсюдження уздовж резонатора та відбиття від його стінок кратне 2РІ,при цьому хвилі розповсюджуються строго перпендикулярно до стінок резонатора, виникає лазерний дефект, амплитуда хвилі зростае, втрати в резонаторі компенсуються струмом накачування таким чином в резонаторі накопичується енергія. Інша поверхня є напівпрозорою, забезпечуючи, таким чином, вихід випромінювання назовні (рис. 3.26), світлодіод резонатора не має. Потужність ЛД завдяки накопичуванню енергії вища, ніж СД. Конструктивні відмінності СД та ЛД обумовлюють відмінності їх характеристик (рис.3.27).
Характеристики випромінювачів наведені на рис 3.27. На рис. 3.27б показаний спектр випромінювання лазерного діода з резонатором Фабрі-Перо; поряд з головним піком, у якому зосереджена основна потужність випромінювання, існують побічні максимуми. Причина fi۷їхнього виникнення пов'язана з умовами утворення стоячих хвиль. Для посилення світла певної довжини хвилі необхідне виконання двох умов. Перше, довжина хвилі повинна задовольняти співвідношенню 2D= 
, де D - діаметр резонатора Фабри-Перо, а N--деяке ціле число. Друга, умова визначається формулою Ейнштейна
∆Е=hν,
де ∆Е-ширина забороненої зони, h- постійна Планка, ν-- частота оптичної хвилі.
Якщо, в резонаторі збуджується тільки одна хвиля, то має місце одномодовый режим із шириною спектра менше 1 нм. У протилежному випадку виникає багатомодовий режим лазерної генерації із шириною спектра від одного до декількох нм. FР-лазер має далеко не найвищі технічні характеристики, але він є прийнятним для систем, де не потрібна дуже висока швидкість передачі, оскільки в нього досить проста конструкція і він відносно недорогий.
Слід зазначити, що навіть у тому випадку, коли сусідні максимуми малі, тобто коли реалізується одномодовий режим випромінювання та 
, мала, з ростом швидкості передачі у FР-лазера спостерігається перерозподіл потужності в модах, що приводить до паразитного ефекту--динамічному розширенню спектра (до 10 нм при частоті модуляції 1-2 ГГц).
Рисунок 3.27 – Характеристики випромінювачів: а) ват-амперні; б) спектральні; в) діаграми спрямованості.Вставить б) из 4.1б
Ват-амперна характеристика ЛД суттєво нелінійна (рис.3.27 а), ЛД має вузьку ширину спектру випромінювання (рис.3.27 б), це суттєва перевага у порівнянні з СД, тому що ширина спектра випромінювання визначає хроматичну дисперсію у ВС. ЛД менш інерційний, має значно вищу, ніж СД граничну частоту модуляції та більшу потужність випромінювання. Інерційність випромінювача призводить до спотворення оптичних імпульсів та міжсимвольної інтерференції. Недоліком лазерного діоду є наявність порогового струму накачування (рис.3.27а). Якщо струм накачування менше порогового, ЛД діє як малопотужний СД. Діаграма спрямованості СД більш широка, ніж у лазера (рис.3.27в), що знижує ефективність введення світла усвітловод, діаграма спрямованості ЛД не має осьової симетрії, у відмінності від СД, що потребує більш складних пристроїв введення світла у ВС.
Також важливими характеристиками джерел випромінювання є: швидкодія джерела випромінювання; часова деградація й час наробітку на відмову.
Параметром, що характеризує швидкодію джерела випромінювання, є максимальна частота модуляції. низькочастотній модуляції прямокутними імпульсами струму. Для опису фронтів уводять часи наростання 
й спаду 
потужності випромінювання, обумовлені як часові інтервали за які відбувається наростання від 0,1 до 0,9 і, навпаки, спад світлового імпульсу від 0,9 до 0,1. Максимальна частота модуляції визначається як частота вхідних електричних імпульсів, при якій вихідний оптичний сигнал перестає перетинати граничні значення 0,1 і 0,9, залишаючись при цьому у внутрішній області. Для світлодіодов ця частота може досягати до 200 МГц, а в лазерних діодів - значно більше (до 10 ГГц). Часи наростання й спаду надають інформацію про смугу пропускання W= ВСТАВИТЬ из КНИГА, стр33
0,35/ .
Суттєвим недоліком ЛД є залежність оптичної потужності від температури оточуючого середовища, та зменшення її у процесі експлуатації--температурна та часова деградація (рис.3.28). У передавальних оптичних пристроях лазери обов’язково вміщуються у мікрохолодильник, що запобігає їх температурній деградації. Завдяки сучасним технологіям, створені ЛД, що мають великий термін експлуатації – до 50000 годин.
Рисунок 3.28 – Вплив на ВтАХ лазерних діодів температури а) та часу експлуатації б)
ЛД використовуються у високошвидкісних системах передачі, призначених для магістрального та зонового зв’язку. Світловоди ж використовуються у низькошвидкісних ВОСП, що призначені для роботи на невеликих відстанях (наприклад для з’єднувальних ліній міської телефонної мережі, локальних мереж).Світлодіоди поділяються на поверхневі та торцеві.В поверхневих СД випромінювання відбувається перпендикулярно до площини p-n-переходу, а в торцевих--з торця переходу, за своїми характеристиками вони наближаються до FР-лазерів.
Навіть досить вузький спектр випромінювання ЛД не дозволяє використовувати їх у лініях на основі систем SDH. Для цих систем розроблені одночастотні лазери: лазери з розподіленим зворотнім зв’язком (РЗЗ, або DFB-лазери), з розподіленим брегівським відбиттям (РБВ або DBR-лазери) та лазери з зовнішнім резонатором(LC-лазери), схеми яких наведені на рис. 3.29. Ширина спектру випромінювання цих лазерів не перевищує 0,2 нм, що дозволяє збільшити швидкість передачі та довжину лінії. В цих лазерах відсутній ефект перерозподілу потужності між модами та динамічне розширення ширини спектру випромінювання.
Рис. 3.29. Три основних типи лазерних діодів:а)лазер з розподіленим зворотним зв'язком;б)лазер з розподіленим брэггівским відбиттям;в)лазер з одним зовнішнім резонатором.
Резонатори DBR та DFB-лазерів являють собою модифікацію резонатора Фабрі-Перо, у якій додана періодична просторова модуляційна структура. В DFB лазерах періодична структура сполучена з активною областю (рис. 3.29а), а в DBR лазерах періодична структура винесена за межі активної області (рис.3.29б). Періодична структура впливає на умови поширення й характеристики випромінювання. Так, перевагами DFB і DBR лазерів у порівнянні з FР лазером є: зменшення залежності довжини хвилі лазера від струму накачування й температури, висока стабільність одномодовости та практично 100-процентна глибина модуляції. Температурний коефіцієнт / 
для FР лазера має порядок 0, 5-1 нм/°С, у той час як для DFB лазера він складає 07-0,09 нм/°С. Основним недоліком DFB і DBR лазерів є складна технологія виготовлення та, як наслідок, більш висока ціна.
У LС-лазерах один або обидва торці покриваються спеціальним шаром, що зменшує відбиття, і відповідно, одне або два дзеркала ставляться навколо активної області напівпровідникової структури. На рис.3.29в наведена схема LС- лазера з одним зовнішнім резонатором. Антивідбивне покриття зменшує коефіцієнт відбиття приблизно на чотири порядки, у той час як інший торець активного шару відбиває до 30% світлового потоку завдяки френелевському відбиттю. Дзеркало, виконує також функції дифракційних ґраток, на яких відбувається додаткова селекція хвиль. Для поліпшення зворотного зв'язку між дзеркалом і активним елементом ставиться лінза.
Збільшуючи або зменшуючи відстань до дзеркала, а також одночасно повертаючи дзеркало-ґратку,--це еквівалентно зміні кроку ґратки--можна плавно змінювати довжину хвилі випромінювання, причому діапазон настроювання досягає 30 нм. LС-лазери незамінні в апаратурі хвильового мультиплексування та вимірювальної апаратури для ВОЛС. За характеристиками вони схожі з DFB і DBR лазерами.
Вихідний промінь наведених типів лазерів, в поперечному перетині являє еліпс, отже при введенні променя до циліндричної серцевини волокна виникають значні втрати. Нециліндричний промінь часто вимагає додаткової оптики для стикування із круглим поперечним перерізом осердя оптоволокна.
Розроблені лазери типу VCSEL, в яких вихідний промінь в поперечному перетині є круговим (рис3.30). Лазери цього типу являють собою вертикальну структуру з ряду шарів p-типу, активної області й ряду шарів n-типу. Кількість шарів залежить від бажаної довжини хвилі випромінювання.
Лазери VCSEL працюють в одномодовому (поздовжня мода) режимі, використовуючи резонатор дуже малої довжини--близько1мкм. Вони випромінюють світло в напрямку, перпендикулярному площині активного шару, аналогічно світлодіодам з поверхневим випромінюванням. Вихідна потужність і ширина смуги лазерів типу VCSEL, як правило, нижче за аналогічні показники DFB-лазерів. Лазери типу VCSEL застосовуються у ВОСП, локальних мережах, а також у лазерних масивах (кожний лазер працює на своїй довжині хвилі), які використовується в системах з оптичним мультиплексуванням.
DBR – розподілений брегівський відбивач
Рис.3.30 Схема лазерного випромінювача типу VCSELУБРАТЬ ПОЛОВИНУ СЛОЕВ
Типові параметри випромінювачів наведені таблиці .3.2
Таблиця 3.2 – Параметри випромінювачів
| Параметр | Тип випромінювача | ||
| СД | ЛД | ЛД-РЗЗ | |
| Пороговий струм, мА | –– | 20 – 40 | |
| Робочий струм накачування, мА | 50 – 300 | 30 – 50 | 30 – 50 |
| Ширина спектру випромінювання, нм | 10 – 50 | 2 – 5 | 0,1 |
| Ширина смуги частот модуляції, МГц | 500 – 5000 |