1.3. Беруші және қабылдаушы оптикалық модульдер

Беруші оптикалық модульдер. ВОСП оптикалық передатчиктері мен қабылдағыштары модульдер түрінде жасалады. Модуль құрамына оптикалық сәуле шығапу көздері мен қабылдағыштары, электр сигналдарын өңдейтін электрондық схемалар кіреді.

Оптикалық сәуле шығару көздеріне мынадай талаптар қойылады: сәуле толқындарының ұзындығы оптикалық талшықтың спектральдық шығынының минумумдерінің біреуіне дәл келуі тиіс. Сәуле шығару көзінің конструкциясы сәуле шығарудың шығарудың айтарлықтай жоғары қуаты және сәуленің оптикалық талшыққа енуінің тиімділігін қамтамасыз етуі тиіс; сәуле шығару көзі сенімді болып, қызмет ету мерзімі ұзақ болуы тиіс; габариттік өлшемдері, массасы, тұтынатын қуаты мүмкіндігінше минимальдық болуы тиіс; дайындау технологиясы оның құнының аса жоғары болмауын және сипаттамасының жоғары дәрежеде қайта қалпына келуін қамтамасыз ететін болуы тиіс. ВОСП үшін оптикалық сәуле шығару көздерінің планарлық жартылай өткізгіш, талшықтық және көлемдік микрооптикалық (микролазерлер) сияқты үш класы болатыны белгілі. Бұлардың үшуі де белгілі бір дәрежеде жоғарыда келтірілген талаптарды қанағаттандырады. Бірақ тек планарлық жартылай өткізгіштік сәуле шығару көздеріне жататын - жарық шығарушы (СИД) және лазерлік диодтар (ЛД) реальдық схемаларда кеңінен қолданылады. Олар оптикалық талшықтың минимальдық шығынымен сипатталатын және оптикалық талшыққа жеткілікті болатындай үлкен қуат ( Вт) енгізуге мүмкін болатын мккм толқын ұзындықтары диапазонында жұмыс істейді.

СИД -те тура өтулі жартылай өткізгіштік материалдағы Р-П өту аймағына оң ығысу берілген жағдайда спонтандық эмиссияның пайда болу есебінен сәуле шығарылады. Кез келген электрон бір энергетикалық деңгейден басқа энергетикалық деңгейге өткенде спонтандық оптикалық сәуле пайда болады. F - сәуле шығару жиілігі энергетикалық деңгейлер айырмашылығымен (Еq), яғни тыйым салынған энергетикалық зона кеңдігімен анықталады:

. Мұндағы һ - Планк тұрақтылығы; с- вакуумдегі жарық жылдамдығы.

Барлық элекрондардың бір энергетикалық деңгейден екінші энергетикалық деңгейге өту уақыттары бір - біріне дәл келмейтін болғандықтан сәулелердің бір - біріне үстемеленуі (наложения) орын алады және амплитудалары мен фазаларының бірдей еместігі пайда болады. Осы себептен сәуленің жиілік бойынша бір текті еместігі орын алады. Сонымен қатар Еq энергияның өте әлсіз тербелісі де сәуленің жиіліктік бойынша шашыранды болуына ықпал етеді. Бұл функциялар сәуле шығару спектрінің белгілі бір кеңдігіне ие болуына апарып соғады (8.14-сурет). мағынасы сәуле шығару көзінің монохроматикалық қасиетін сипаттайтын параметр ретінде пайдаланылады. Спонтандық сәуле шығару төменгі монороматикалық когеренттік емес сәуле шығаруға ие болады.

f f f

Р, мВТ 8 1 2 6 4 2 0 100 200 300 400 Іи , мА

1.14-сурет СИД сәуле шығару спектрі 1.15-сурет Беттік (1) сәуле шығарушы СИД үшін сәуле шығару қуатының инжекция тогына тәуелділігі:

Сәуле шығару спектрінің кеңдігімен қатар сәуле шығару көзінің негізгі сипаттамаларының қатарынан ВАТТ-амперлік сипаттама, модуляциялау жиілігінің максимальдық мағынасы, қызмет ету мерзімі және сенімділігі жатады.

Р/F₀ Р/F₀ 20

1

1 15

0,5 0,5 10

0

0,8 0,85 0,9 , мкм 1,25 1,3 1,35 , мкм 100 200 300 400 I, мА

а) б)

Іп Іп Іп

1.16-сурет 1.17-сурет.

а) мкм болғандағы беттегі Әртүрлі температурадағы

сәуле шығару және б) мкм ПЛ сәуле шығару қуатының

болғанда бүйірлі сәуле шығару кезіндегі тогына тәуелділігі

СИД сәуле шығарурының спектральдық (Ватт-амперлік сипаттама)

таралуы.

Сәуле шығару қуатының инжекциясы тогына тәуелділігі 1.15-сутерте көрсетілген. Бұл сипаттамалардың ерекшелігі тәуелділіктің іс жүзінде сызықтылығы . Мұның өзі оптикалық сәуле шығаруды модуляциялау үшін берудің аналогтық жүйесін пайдалануға мүмкіндік береді.

1.16-суретте СИД сәуле шығаруының спектральдық таралуы көрсетілген. Әдетте беттік сәуле шығарушы СИД үшін сәуле шығару сызығы шамамен мкм болғанда енділігі 0,04 мкм-ге дейінгі гаусстық формада, ал мүйістік (торцевого) сәуле шығарушы үшін 1,3мкм болғанда енділігі мкм-ге дейінгі гаусстық формаға ие болады.

Модуляциялаудың максимальдық жиілігі . Zвн - жартылай өткізгіш материалының ішкі кванттық тиімділігі; Ги - сәуле шығарушылық өтуден туындайтын негізгі тасмалдаушы еместердің өмір сүру уақыты.

Мүмінкіндігінше сәуле шығару уақытының (Ги) азайту керек. Сонда модуляциялаудың төменгі жиіліктерінде де, жоғары жиілік шекарасында да Гвн мағынасы артады. Гвн мағынасын шынықтыру (лечирование) дәрежесін және инжекция деңгейін жоғарылату арқылы да арттыруға болады. Мысалы, мүйістік типтегі СИД-те кванттық тиімділігін төмендетпенстен беттік сәуле шығару типтегі СИД-пен салыстырғанда 4 есе артық модуляциялау алабын (100мГц) алуға болады.

СИД-тің барлық параметрлеріне ұзақ пайдалану нәтижесінде сәуле шығару қуатының біртіндеп азаю қасиеті тән. Тәжірибе арқылы жұмыс істей бастағаннан кейінгі бір шама уақыттан соң қуат әдеттегідей экспоненциальдық заң бойынша төмендейтіні дәлелденген:

, мұндағы - СИД-тің қызмет ету (деграциялық) мерзімі. А және m шамалары тұрақты шамалар, олар СИД материалдарымен және құрылымымен анықталады. Әдетте болады да, токтың артуына байланысты арта түседі. Есл - активациялық энергиясы температура -ға артқанда қызмет ету мерзімін ғ_сл екі есе төмендетеді. ВОСП-да пайдалану үшін СИД қызмет ету мерзімі жер бетіндегі кабельдер үшін - 10⁵ сағат, су асты кабельдері үшін - 10⁶ сағат болуы тиіс.

Жартылай өткізгіштік лазерлік диодтар когеренттік жарық көзі болып табылады. Олардың жұмысы жартылай өткізгіштің көлемдік резонатормен қамылған спонтандық сәуле шығаруына негізделген. Ток тығыздығын төмендетуге және басқа да сипаттамаларын жақсартуға бір жақты (ОГС) және екі жақты (ДТС) шектеулер қолданылатын көп қабатты жартылай өткізгіштер гетереструктураларды пайдалану арқылы қол жеткізіледі. Оларда Jп шамасын -ге дейін төмендетуге мүмкіндік болады.

Егер кең контактты ОГС немесе ДГС қолданылатын лазерлік диодтың (ЛД) инжекция тогын барлық бет бойынша арттырса, онда алдымен кеңдігі бар шағын ауданда генерация пайда болады. Сосын токтың артуына байланысты ондай "жанатын" аймақтар көбейіп, олардың әрқайсысы өзбетінше генерацияланатын аймаққа айланатын сияқты болады. Мұның өзі шуылдың және шығынның артуына апарып соғады, сәуле шығарудың тұрақсыздығы пайда болады.

Практикада бір генерациялау каналының болғаны дұрыс. Оған активті аймақты резонатор бойында тар жолақпен шектеу арқылы қол жеткізуге болады. Мұндай ЛД-ларды жолақтық геометриялы лазерлер деп атайды. Оларда Jп-ны 500 мА/см² шамасына дейін азайтуға болады және сәуле шығарушы аймақтың ауданын оптикалық талшыққа тиімді түрде сәуле енгізуге болатындай шамада жасауға болады. Сонда NA апертуралар саны азайып, сәуле шығару тұрақтылығы артады.

Лазерлік диодтардың байланыс жүйесінде және ақпарат беруде пайдалану мүмкіндігін анықтайтын негізгі сипаттамаларына мыналар жатады: сәуле шығару қуаты және оның инжекция тогын тәуелділігі, сәуле шығаруға бағытталуының диаграммасы, сәуле шығару спектрі және қызмет ету мерзімі.

Инжекция тогының аз шамасында (1.17-сурет) спонтандық сәуле шығару рекомбинациясы орын алып, спонтандық сәуле шығару байқалады. Құрылымдағы шығын күшейтумен салыстырылатындай дәрежеге жеткенде лазерлік құбылыс орын алады да, қоздырырылатын оптикалық қуат күрт артады, мәжбүрлік сәуле шығару әрекеті байқалады. Суреттен көретініміздей Ваттамперлік сипаттама айтарлықтай сызықтық емес. Сондықтан ватт-амперлік сипаттаманы сызықтық түрге келтірілген арнайы шара қолданбастан лазердің инжекциялау тогын аналогтық сигналды өзгерту көмегімен шығыстық сәуле шығаруды модуляциялау іс жүзінде пайдаланылмайды.

Әдетте лазердің инжекциясы тогын, оған сәйкес шығыстық оптикалық қуатты импульстік әдістермен модуляциялайды. Тек лазерлік диодтарға тән мұнадай бір қасиетті атап көрсеткен жөн: қоршаған орта температурасы өзгергенде ЛД ватт-амперлік сипаттамасында ығысу орын алады. Бұл құбылыс табалдырықтық токтың және шығыс қуатының өзгеруіне апарып соғады. Бұл кемшілікті жою үшін толықтыру (компенсация) схемалары, сондай-ақ микротоңазытқыштар жұмысын басқаратын термокомпенсация схемалары пайдаланылады. (ЛД) бар сақина ішіне - лазер, модулятор кері байланыс фотодиоттары, лазер жұмысын тұрақтандыратын электрон схемасы орналасады. ПОМ жасау кезінде шешілуге тиісті басты мәселе - жартылай өткізілетін лазерлердің шығыстық қуатын тұрақтандыру.

х Р/Рt

В=20t 1

В=40t у Z

0,75

0,5

0,25

-40 -20 0 20 40 Ө, t 0 836 838 840 ,нм

а ) б)

1.18-сурет. СИД қолданылатын 1.19-сурет. Терманий және

қарапайым оптикалық модуль кремний фотодиодтарының

схемасы кванттық тиімділіктерінің

толқын ұзындығына тәуелділігі

Жарық сәулесін шығарушы диод жылулықты ажырататын радиаторға орналасады (1.20-сурет), оптикалық сақинадан сәуле сыртқа оптикалық талшық кесіндісі арқылы шығарылады, сосын ол модулятор оптикалық сақинаның корпусына орналасады. Ол жарық диодының қоректендіру тізбегіндегі токты басқаратын микроэлектрондық схема ("кернеу - код" өзгерткіші) түрінде болады.

Қабылдаушы оптикалық модульдер

Қабылдаушы оптикалық модульдің (ПрОМ) негізгі бөлігі - фотодетектор қызметін атқаратын фотодиод болып табылады. ВОСП фотодетекторының қызметі - кірістегі оптикалық сигналды оптикалық сигналға қайта өзгерту. Қайта өзгертілген сигнал фотоқабылдағыштың электрондық схемасында өңделеді. Фотодетектор оптикалық сигнал пішінін оған ешқандай қосымша шуғыл енгізбей қайта қалпына келтіруі тиіс, яғни талапқа сай келетін кең алаптылығы, динамикалық диапазоны сезгіштілігі, аса үлкен емес - бірақ талшыққа сенімді түрде қосуға орта параметрлерінің өзгеруіне тәуелсіз, сондай-ақ қызмет ету мерзімі ұзақ және бағасы төмен болуы тиіс. Жартылай өткізгіштік фотодиодтар, айтылған талаптарға толығырақ сәйкес келеді.

Жартылай өткізгіштік фотодиодтың жұмысы ішкі фотоэффект құбылысына негізделген. Жұтылған фотон жаңа екі заряд тасмалдағышты - электорнды және саңылауды туғызады. Басқаша айтқанда атомда жұтылған фотон-электронды қоздырып, оны валенттік зонаға немесе қоспалық деңгейден өткізгіштік зонаға ауыстырады. Мұндай өтулер жартылай өткізгіштің электрлік сипаттамасын өзгертіп, электрлік сигналдардың құрылуына жағдай жасайды. Жартылай өткізгіштің жоғары тез әрекеттілігі және өзіне түсетін сәулені тиімді жұтушылығы қоспалық жұтушылық құбылысымен байланысты, сол себептен қазіргі кезде ВОСП-ға арналған фотодетекорлар қоспалық жұтушы жартылай өткізгіштер негізінде жасалады. Hf энергиялы жарық квантын жұту қорытындысында диодтың сыртқы тізбегінде ток импульсі жүретін болады. Егер әрбір жұтылған квант электрон - саңылау парын тұрғызатын болса және заряд тасымалдаушылар Р-П өту қабатынан өтетін болса, онда оптикалық сәуле шығару қуатының (N) энергия квантына (hf) қатынасының тасмалдаушы зарядының (q) шамасына көбейтіндісімен анықталатын тасмалдаушылар саны - жүк арқылы өтетін орташа токты анықтайды: .

Әдетте жұтылатын барлық жарық кванттары ток импультерінің пайда болуына себеп бола бермейді. Сондықтан фотондардың электр тогына өзгерту тиімділігін сипаттайтын коэффицентін ескеру қажет. Бұл коэффицент фотодетектордың кванттық тиімділік коэффиценті деп аталады.

Сонымен жалпы жағдайда жүк арқылы өтетін орташа ток мына қатынаспен анықталады.

(1.1).

8.21-суретте германий және кремний фотодиодтарының кванттық тиімділігінің стлқын ұзындығына тәуелділігі көрсетілген. Электрондық - саңылаулық пар жасалу үшін жұтылатын кванттың энергиясы электронды валенттік зонадан өткізгіштік зонаға ауыстыра алатын шамада болуы тиіс, яғни шарты орындалуы тиіс.

Германийден жасалған фотодиод-1,8 мкм, кремнийден жасалған фотодиод-1,2 мкм, галий арсенидінен жасалған фотодиод -0,87 мкм ұзындықтағы толқындарда жұмыс істейді.

Кванттық тиімділігімен қатар фотодиодтардың негізгі сипаттамаларына уақыт тұрақтылығы және сезгіштілігі жатады.

Фотоқабылдағыштың уақыт тұрақтылығы оның тез әрекеттеілігін сипаттайды және мынадай көптеген параметрлерге тәуелді болады: заряд тасымалдаушылардың қозғалғыштығына, жұтаң зоналардың еніне (кеңдігінен), жарық толқынының ұзындығына, сондай-ақ заряд тасымалдаушылар электр өрісінің әсерімен қозғала ма немесе диффузия әсерімен қозғала ма - соған да тәуелді болады. Фотоқабылдағыштың уақыт тұрақтылығын білу арқылы фотодетектордың өткізу алабының кеңдігін анықтауға болады: Бұдан аз болған сайын өткізу алабының кеңейе түсетінін көреміз.

Фотодиодтың уақыт тұрақтылығы диффузия уақытына және жұтаң зонаның өту уақытына тәуелді болады. Сондықтан Р-қабатының және Р-П өту қабатының қалыңдықтары маңызды параметрлер болып табылады. Жалпы бағыт бойынша П және Р аймақтар қалыңдығын артыруға ұмтылады. Бұл мақсат орындалғанда кванттық тиімділікте артады.

Қалың жұтаң қабат әртүрлі әдістермен жасалынады. Көбінесе Р немесе П аймақтары арнайы шынықтырылған (легированный) і-қабаты арқылы қалыңдатылады немесе і-қабаты орнына жартылай өткізгіштің өзінің қабаты пайдаланылады.

Фотоқабылдағыштың сезгіштігі - жарық қуатын электр тогына айналдырудың толық пайдалы әсер коэффициенті болып табылады ( фототоктың орташа мағынасының оптикалық қуаттың оташа мағынасына қатынасы): 8.1- формуланы ескерсек . Бұдан - кванттық шығыс артқан сайын фотоқабылдағыш сезгіштігінің арта түсетінін көреміз, яғни, активтік зонада жұтылатын жарық ағының үлесі артқан сайын қабылдағыш сезгіштігі артады. Талшықтық оптикалық беру жүйесінде Р-і-П негізіндегі фотодетекторлар - PJN фотодиодтары және қарқынды (лавинный) фотодиодтар шығысында 1.1-формуласымен анықталатын оптикалық сигналдың қуатына сәйкес фототок жүреді. Жалпы алғанда фототок q зарядтары бар жеке тасымалдаушылардан тұрады. Әрбір заряд тасмалдаушы өзінің электродтар арасында жүріп өтетін уақытына тең болатын импульстер туғызады. Сондықтан тұрақты немесе айнымалы оптикалық сигналмен фототокқа тұрақсыз тербеліс қосылады. Оның В аймағындағы модуляция жиілігіндегі спектральдық құраушылар орташа квадраттық мағынаға ие болады: Мұндағы көбейткіші тасымалдаушылар дрейфінің есебінен тербелістің әлсірейтінін көрсетеді. Ол дрейф уақытына сәйкес мына формуламен анықталады:

Осылайша тұрақсыз тербеліс бөлшектік (дробовым) шуылдар туғызады. Бұл шуылдардың спектральдық таралуы жиілігіне дейін бірқалыпты болады, тек жоғарғы жиіліктерде дрейф уақытының аяқталуына байланысты олар азаяды. Бұл құбылыс сондай дәрежеде сигналдың да әлсіруіне ықпал етеді.

Бөлшектік шуылдар қабылданатын оптикалық ағынның J фототогына ғана емес, онымен бір мезгілде берілетін шуылдық (фоновый) түрдегі Jр - шашыраушы (рассеяние) фототокқа да әсер етеді сонымен қатар заряд тасымалдаушылардың термиялық қоздырылуынан пайда болатын Jт - қараңғылық тогынан да бөлшектік шуылдар туындайды.

Тұтас алғанда бөлшектік шуылдың флуктуациялық тогының орташа квадраты:

Қарқындық (лавинный) фотодиодтарда ток М раз күшейтілсе, оның флуктуациясы да сол шамаға артады. Мұндай жағдайда флуктуация квадратының орташа квадраттық шамасы:

Мұндағы М( ) айнымалы токтың күшейтілуін белгілейді, қарқындық фотодиодтар үшін ол: коэффициенті заряд тасымалдаушылардың көбеюінің тұрақсыздығы себебінен бөлшектік шуылдың көбеюін ескеретін коэффициент.

Токтың күшейтілуі уақыт бойынша тұрақты болып қалмайды, көбейту процесінің түріне қарай флуктуация әрекеті жүре береді. Фотодиодтарда қарқындық (лавинный) көбейту процесі жүргенде артқан сайын ток флуктуациясы да артады. Осыған байланысты ток артуымен бірге қосымша шуыл да артады. Қарқындық фотодиодтар үшін F(M) функциясы F = M^X дәрежелік заңымен жақсы апроксимацияланады. Экспонент көрсеткіші диапазонында орналасады. Егер қарқындық зонаға электрондардың инжекциялануы басым болатын болса, ондагерманийлік диод үшін х = 1, және кремнийлік диод үшін х = 0,5. Қарқындық зонаға саңылаулар инжекцияланатын болса кремнийлік диод үшін экспоненттік көрсеткіш х = 1 шамасына дейін көрсетіледі. Осылайша оптикалық қабылдағыштар фотодиодтардың қолданылуы шуыл мағыналарының сигналға тәуелді болатынын көрсетеді. Бұл ерекшелік ВОСП қабылдағыштарының классикалық беру жүйелерінің қабылдағыштарынан түбегейлі түрде өзгеше болатынын білдіреді.

 +

0,75

+ Si

- Ge

0,5



0,25

0,7 1,5 2,3

, мкм

1.20-сурет. фотодетектор 1.21-сурет. Қажетті оптикалық күшейткішке қосылатын (а) қуаттың аналогтық сигналды (1)

және транспеданстық және цифрлық сигналды

күшейткіші бар (б) ПрОМ қабылдаудағы алаптың кеңдігіне

принципиальдық схемасы тәуелділігі

Қабылдағыш оптикалық модуль-ПрОМ бір қорапқа жиналған фотодетектордан (р-і-п түріндегі немесе қарқындық түрдегі) және шуылы аз алдынала күшейткішінен тұратын құрылғы. 1.22-суретте екі типтен құратын ПрОМ принципиальдық схемалары келтірілген. Біріншісінде (а) фотодетектор күшейткішке тікелей қосылса ("тура желі" схемасы), екіншісінде R_ос, кедергісі арқылы кері байланыс пайдаланылған.

ЛФД (қарқындық) пайдаланылғанда фотодетектор ретінде оған берілетін кері ығысу (смещение) кернеуін өзгертуге болады, осылайша фотодиодтың қарқындық көбейту коэффициенті реттеледі. Мұның өзі модульдің динамикалық диапазонын айтарлықтай кеңейтуге мүмкіндік береді, бірақ модульде күшейтуді автоматты түрде реттейтін блок орналастыруға тура келеді. Үйлестіруді өзгерту (рассогласования) кернеуі ЛФД-ге және күшейткіштің күшейту коэффициентерін бір мезгілде өзгертетін схемаға берілуі тиіс.

Фотодетектор ретінде р-і-п диоды қолданылғын жағдайда алдынала күшейту электрондық схемасы қарапайым болады. Ол екі қайтаралық (реттік) амплитудалық детекторға - салыстыру және фильтр схемасы түрінде айналады. Бірақ мұнда модульдің динамикалық диапазоны АРУ блогы бар қарқындық диод қолданған модульдің динамикалық диапазонынан айтарлықтай аз болады.

Қолданылатын оптикалық талшыққа аналогтық немесе цифрлық сигналдың берілуіне қарай фотодетектор қабылдайтын сигнал қуаты да әртүрлі болуы тиіс (1.23-сурет).