Передающие и принимающие оптические модули

17.1. Передающие оптические модули Основные характеристики пом

Передающий оптический модуль (ПОМ) состоит из оптической головки и электронной схемы, основным назначением которой является модуляция излучаемого света. В оптической головке с СИД размещаются диод и модулятор, а в оптической головке с ЛД должны находиться лазер, модулятор, фотодиод и электронная схема, с помощью которой стабилизируется режим работы лазера. Необходимый для стабилизации сигнал поступает на вход схемы от фотодиода, регистрирующего интенсивность излучения лазера.

Основными характеристиками ПОМ являются:

• диапазон рабочих температур;

• мощность излучения;

• пиковое значение длины волны излучения;

• ширина спектральной полосы (на половине высоты пика);

• время нарастания импульса;

• срок службы;

• напряжение в цепи питания;

• пространственное распределение мощности излучения на выходе.

Большинство ПОМ работает при температуре 0...80 ⁰С, но имеются модули, рассчитанные на работу при температуре -40...+70 ⁰С. Необходимо отметить, что пиковое значение длины волны оптического излучения указывается обычно для температуры +25 ⁰С. При повышении температуры длина волны увеличивается. Нормированная мощность излучения (т. е. отнесенная к мощности при +25 ⁰С, принятой за 100%) на выходе модуля также нарастает с повышением температуры.

Передающий оптический модуль с СИД

Принципиальная схема простейшего ПОМ с СИД приведена на рис. 17.1.

Диод установлен на теплоотводящем радиаторе, излучение выводится из оптической головки наружу через отрезок 0В, к которому, в свою очередь, присоединяется внешнее 0В. Модулятор смонтирован в общем корпусе с оптической головкой и представляет собой микроэлектронную схему - преобразователь «напряжение - код», управляющую током в цепи питания светодиода.

Передающий оптический модуль с лд

С труктура ПОМ с ЛД сложнее, чем с СИД. На рис. 17.2 приведена принципиальная схема модуля с ЛД, используемого в ВОСП. В оптической головке модуля находятся ЛД с двойным геропереходом и фотодиод обратной связи, детекти-рующий излуче-ние, выходящее через заднюю грань лазера.

Управление лазером, стабилизация его работы и защита от действия слишком высокого входного сигнала осуществляются током в цепи обратной связи по среднему значению мощности излучения.

Схема управления и защиты лазера содержит: цепи обратной связи для поддержания постоянства мощности излучения лазера и защиты диода от воздействия слишком высокого входного сигнала; схему защиты, обеспечивающую защиту лазера от воздействий, связанных с неисправностями в цепи питания и паразитными электрическими колебаниями.

Одна из основных задач, которую необходимо решать при разработке ПОМ, - это стабилизация выходной мощности полупроводниковых лазеров. Кроме рассмотренного выше известны параметрический и импульсный способы, а также способ с использованием НЧ подмодуляции.

Параметрический способ основан на том, что учитывается скважность входного сигнала. Входной сигнал нормируется, интегрируется и вычитается из проинтегрированного сигнала с фотодиода обратной связи. Разница сигналов измеряется и поддерживается неизменной регулировкой тока смещения лазера. Этот способ обладает некоторыми недостатками:

• ток модуляции устанавливается при регулировке и в дальнейшем не изменяется;

• ток модуляции имеет температурную зависимость, индивидуальную для каждого лазерного диода;

• способ не учитывает снижение эффективности полупроводникового лазера в процессе старения, в результате которого импульсная мощность будет уменьшаться.

И мпульсный способ основан на сравнении параметров ВЧ импульсов фотодиода обратной связи с эталонными. Для реализации этого способа необходимы быстродействующий фотодиод обратной связи, а также тракт усиления и измерения параметров ВЧ импульсов, что существенно усложняет задачу.

Способ с использованием НЧ подмодуляции основан на том, что ВЧ входные импульсы модулируются НЧ вспомогательным сигналом. На фотодиоде обратной связи ВЧ сигнал интегрируется и по величине НЧ составляющей регулируются токи смещения и модуляции полупроводникового лазера.

Способ стабилизации выходной мощности с использованием НЧ подмодуляции является наиболее предпочтительным, поскольку здесь осуществляется регулировка тока смещения и тока модуляции в зависимости от температуры среды и старения лазера.

На рис. 20.3 приведена принципиальная схема ПОМ с НЧ подмодуляцией для стабилизации выходной мощности лазера. В этой схеме используется двухконтурная система стабилизации выходной мощности.

Первый контур стабилизирует среднюю мощность излучения, регулируя постоянный ток смещения I_п.см ЛД, второй контур регулирует ток модуляции I_пм таким образом, чтобы результирующая разница НЧ составляющих лазерного излучения была равна нулю.

Фототок, пропорциональный излучаемой мощности с фотодиода обратной связи подается на усилитель-преобразователь А₁, где преобразуется в соответствующее напряжение. Коэффициент преобразования устанавливается резистором R_ос. Напряжение с усилителя А₁ сравнивается с опорным напряжением U_о. Компаратором А₂, через интегратор  задается управляющее напряжение на транзистор Т_з, которым регулируется постоянный ток смещения ЛД. Таким образом регулируется средняя мощность излучения.

Генератор Г генерирует прямоугольные НЧ импульсы с частотой 10 кГц. На транзисторах Т₄ и Т₅ собран генератор тока НЧ подмодуляции. Генератор Г управляет ключом К₃, формирует импульсы тока НЧ подмодуляции с амплитудой, пропорциональной напряжению на базах транзисторов Т₄ и Т₅, деленному на сопротивление резисторов R_i1, R_i2. Соотношение токов I_пм и I_п.см задается отношением сопротивлений резисторов R_i1 и R_i2. При этом глубина модуляции полезного сигнала НЧ сигналом определяется отношением сопротивлений R_i1/ R₃. Результирующий НЧ сигнал с фотодиода обратной связи усиливается усилителем А₁ и через конденсатор С₂, усилитель А₃ и конденсатор С₃ подается на ключ К₁, который управляется генератором Г. Ключ К₁ и генератор Г составляют синхронный детектор. Если I_пм - I_п.см >0, то сигнал на выходе К₁ отрицательный и интегратор - компаратор R₅, С₄, А₄ увеличивает ток модуляции, если I_пм - I_п.см <0 - уменьшает. Таким образом осуществляется автоматическая регулировка тока модуляции.

В устройстве предусмотрен детектор входного сигнала Д, который отключает регулировку тока модуляции, если входной сигнал отсутствует.

На транзисторах Т₁, Т₂ и Т₃ выполнена схема регулируемых источников тока смещения и тока модуляции. С помощью дифференциального усилителя (Т₁ и Т₂) происходит формирование импульсов тока модуляции полупроводникового лазера. Изменяя напряжение на входах 2 и 3, можно управлять токами модуляции и смещения ЛД соответственно. При этом модулирующий входной сигнал подается на вход 1.