Передающие оптоэлектронные модули

Передающие оптоэлектронные модули (ПОМ), применяемые в волоконно-оптических системах, предназначены для преобразования электрических сигналов в оптические. Последние должны быть введены в волокно с минимальными потерями. Производятся весьма разнообразные ПОМ, отличающиеся по конструкции, а также по типу источника излучения. Одни работают на телефонных скоростях с максимальным расстоянием до нескольких метров, другие передают сотни и даже тысячи мегабит в секунду на расстояния в несколько десятков километров.

Типы и характеристики источников излучения

Главным элементом ПОМ является источник излучения. Перечислим основные требования, которым должен удовлетворять источник излучения, применяемый в ВОЛС:

- излучение должно вестись на длине волны одного из окон прозрачности 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 попадала в волокно с минимальными потерями;

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

Главная отличительная черта между светодиодами и лазерными диодами -это ширина спектра излучения. Светоизлучающие диоды имеют широкий спектр излучения, в то время верные диоды имеют значительно более узкий спектр, см. рис 1. Оба типа устройств весьма компактны и хорошо сопрягаются со стандартными электронными цепями.

Приёмные оптоэлектронные модули.

Приемные оптоэлектронные модули (ПРОМ) являются важными элементами волоконно- оптической системы. Их функция — преобразование оптического сигнала, принятого из волокна, в электрический. Последний обрабатывается далее электронными устройствами.

Основные элементы приемных оптоэлектронных модулей

Основными функциональными элементами ПРОМ являются:

• фотоприемник, преобразующий полученный оптический сигнал в электрическую форму

• каскад электрических усилителей, усиливающих сигнал и преобразующих его в форму,

пригодную к обработке;

• демодулятор, воспроизводящий первоначальную форму сигнала.

На практике функциональные элементы могут несколько отличаться у разных ПРОМ. Например, детектор типа лавинный фотодиод обеспечивает внутреннее усиление, в результате чего собственные шумы последующего электронного усилителя становятся не столь заметными по сравнению с уровнем полезного сигнала. В некоторых ПРОМ отсутствует демодулятор, или цепь принятия решения, поскольку электрический сигнал с выхода каскада усилителей приемлем для непосредственной обработки другими электронными устройствами. Иногда для более эффективной работы ПРОМ перед детектором устанавливается оптический усилитель.

На рис. 4.6 приведены функциональные элементы аналогового (а) и цифрового (б) ПРОМ. Аналоговые ПРОМ принимают аналоговый оптический сигнал и на выходе также выдают аналоговый электрический сигнал. К аналоговым приемникам предъявляются требования высокой линейности преобразования и усиления сигнала при минимуме вносимых шумов — в противном случае возрастают искажения сигнала. На протяженных с большим количеством приемо-передающих узлов искажения и шумы накапливаются, что снижает эффективность аналоговых много ретрансляционных линий связи.

Физические основы модуляции лазерного излучения. Наи­большее применение в модуляционных устройствах когерентной оптоэлектроники нашли электрооптические эффекты и магнитооптический эффект Фарадея, а также различные фотоэффекты.

Электрооптические эффекты характеризуются возникновением опти­ческой анизотропии (неравномерности) в веществе под воздействием внешнего электрического поля, в результате чего изменяется показатель преломления вещества; Появление оптической анизотропии- следствие изменения диэлектрической проницаемости вещества под действием электрического поля.

Электрооптические эффекты сопровождаются обычно явлением двойного лучепреломления, т. е. расщеплением проходящего света на два луча. Эти лучи (называемые обыкновенным и необыкновенным) распространяются с различными скоростями и по-разному поляризова­ны. Если в таких кристаллах выделить два взаимно-перпендикулярных направления х, у, то показатели преломления света вдоль каждого из этих направлений будут, вообще говоря, различными. Обозначим пока­затели преломления по каждой из осей n_x и n_y. Тогда кристаллы, в ко­торых показатели преломления по каждой из осей различны (n_x ≠ n_y), будем называть двухосными. Кристаллы, в которых направления х и у оказываются оптически однородными, т. е. n_x = n_y=n_o , называются одноосными. 

При распространении луча вдоль оси z в одноосном кристалле скорость света не зависит от характера поляризации. Если же к кри­сталлу прикладывается электрическое поле, то равенство n_x= n_y на­рушается и кристалл становится двуосным. При этом скорости распро­странения световых волн, поляризованных по осям х и у, также начи­нают различаться.

Показатель преломления для обыкновенной волны по оси г изме­няется линейно с напряженностью электрического поля:

n_o(E) =n_o+ r_ПE

где r_П - электрооптическая постоянная Поккельса;

Е - напряженность электрического поля;

n_o -показатель преломления в отсутствие поля.

Это изменение показателя преломления, пропорциональное напря­женности электрического поля, и составляет суть эффекта Поккельса, называемого линейным электрооптическнм эффектом. 

По мере проникновения излучения в глубь кристалла изменяется разность фаз между сигналами с различной поляризацией. В результате поляризация выходных и входных сигналов оказывается различной. В зависимости от длины пути в кристалле и, соответственно, получив­шейся разности фаз поляризация выходного сигнала будет изме­няться так, как это показано в табл. .

Тонкопленочные и полупроводниковые модуляторы.

Для при­менения в микрооптоэлектронике наиболее перспективны тонкопленоч­ные модуляторы, в которых используются те же физические эффекты, что и в объемных модуляторах. В качестве материалов, использующих электрооптический эффект, применяют ниобат и танталат лития и твер­дые растворы на их основе. При создании магнитооптических тонко­пленочных модуляторов удается повысить граничную частоту по сравнению с объемным аналогом прибора (до 108 Гц). Оба вида модуляторов в тонкопленочном исполнении характеризуются низким на­пряжением управления (единицы вольт), что делает их совместимыми с микроэлектронными устройствами.

Исключительно перспективны для развития микрооптоэлектроники полупроводниковые модуляторы. Линейный электрооптический эффект в полупроводниковых р-п переходах возникает в связи с тем, что при приложении обратного напряжения в области объемного заряда пере­хода изменяется концентрация свободных носителей. Это ведет к мо­дуляции диэлектрической проницаемости, а следовательно, и пока­зателя преломления п. Для объемных модуляторов этот эффект труд­но применять, так как излучение было бы необходимо вводить в узкую зону вдольр-п перехода. В тонкопленочных структурах такое требо­вание легко обеспечивается. При использовании таких полупроводни­ков, как GaAs, GaP,

Дефлекторы.

Дефлектор представляет собой устройство, предназначенное для изменения пространственного положения лазерно­го луча. Наибольшее применение, особенно в голографических системах хранения и обработки информации, нашли электрооптические и акусто-оптические дефлекторы.

Типичный электрооптический дефлектор представлен на рис.16. Он представляет собой многокаскадное устройство.

Общее число положе­ний луча в пространстве, достижимое в электрооптическом дефлекторе, определяется соотношением

N=φD/λ, (18)

где N -число положений луча; φ максимальный угол отклонения луча; D -апертура дефлектора; λ - длина волны.

Пространственновременные модуляторы (ПВМ). 

Различают ПВМ с электрическим и оптическим управлением. Пространственно-вре­менной оптический модулятор, у которого закон изменения во времени пространственного распределения одного из параметров лазерного излу­чения задается подаваемыми на его входы электрическими сигналами, называется ПВМ с электрическим управлением. Для ПВМ с оптическим управлением изменение параметров лазерного излучения" задается подаваемым на его вход пучком оптического излучения.

Быстродействие ПВМ характеризуется временем релаксации tрел — интервалом времени, в течение которого завершается переходный про­цесс изменения оптического параметра после подачи управляющего сиг­нала. Если действие управляющего сигнала прекращается, то происхо­дит восстановление оптических свойств веществ модулятора с той или иной скоростью. Длительность этого процесса характеризуют временем восстановления tвoc.