7.2.3 Особенности прямой модуляции полупроводникового лазера

Рабочую точку на ваттамперной (ВАХ) лазера выбирают несколько выше тока порога I_п (рисунок 7.6), так как при больших токах накачки наблюдаются изгибы и изломы ВАХ (рисунок 7.6), что резко уменьшает значения затуханий нелинейности излучателя. Частотная характеристика прямого модулятора с ППЛ определяется особенностью физических процессов в нем и является зависимостью коэффициентов модуляции (m=P_m/P₀) от частоты модулирующего сигнала (рисунок 7.7).

Рисунок 7.6

Рисунок 7.7

На рисунке 7.7 частотные характеристики модуляции ППЛ содержат резонансные всплески на некоторых частотах F₀. Наличие пиков объясняется двумя временными задержками. Первая из них вызвана конечным временем жизни электрона τ_е (это время проходит от приложения модулирующего сигнала в точке смешения I₀ до излучения в активном слое). Время жизни электрона τ_е=(1 10)нс. Вторая задержка является временем прошедшем от момента образования фотона внутри резонатора до выхода его из резонатора (время жизни в резонаторе) τ_ф=(1 5)нс. На низких модулирующих частотах, когда период колебаний Т=1/F >> τ_ф, коэффициент модуляции m не зависит от частоты. С увеличением частоты начинают сказываться обе задержки, и на некоторой частоте F₀ наступает резонанс между сигналами, сдвинутыми за счет τ_е и τ_ф. Этот процесс иллюстрируется на рисунке 7.8, где показано изменение тока накачки (рисунок 7.8а), модулированная мощность излучения в резонаторе (рисунок 7.8б) и мощность излучения на выходе резонатора (рисунок 7.8в).

Рисунок 7.8

Резонансную частоту можно определить по формуле

(7.9)

где k=1 3

Семейство частотных характеристик оптического модулятора при разных значениях отношения (где ) приведено на рисунке 7.7. F_m – граничная частота полосы пропускания модулятора (обычно F_m<F₀) с увеличением F₀ полоса расширяется, но увеличиваются и частотные искажения.

Так как лазер содержит резонатор с высокой добротностью, то при формировании оптического импульса возникает затухающий переходный процесс (рисунок 7.9).

Рисунок 7.9

В оптическом импульсе появляются колебания, которые экспоненциально убывают с постоянной времени . Это явление называют «звоном» лазера. Применение в технике оптической связи узкополосных лазеров, одномодовых лазеров РОС со специальными поглощающими добавками на основе титана позволяют в значительной степени исключить влияние «звона».

7.2.4 Шумы модуляции лазера

Шумы, возникающие при модуляции тока накачки лазера, подразделяются:

• шумы, обусловленные спонтанным излучением,

• шумы, обусловленные изменением температуры и тока (дробовой шум),

• шумы, обусловленные отраженным излучением от стыка с оптическим волокном,

• шумы перескока мод,

• шумы частотной модуляции.

Шумы спонтанного излучения присутствуют во всех без исключения полупроводниковых лазерах. Они обусловлены флуктуациями коэффициента усиления в активном слое из-за флуктуаций спонтанного излучения. При этом максимум шума может быть распределен в частотном интервале от 1 гГц до 100гГц.

Шумы изменения температуры и тока накачки обусловлены изменением смещения из-за изменения температуры и модулирующих составляющих тока накачки. При этом изменения могут составлять до 50мкВт/К (К – один градус Кельвина), а относительные колебания мощности до 10^-4.

Шумы отражения оптического сигнала от стыка с поверхностью световода (торец ОВ) связаны с возвратом отраженного света, который имеет произвольную фазу. При этом изменяются условия генерации, которые приводят к изменению резонансной длины волны, числа генерируемых мод, изменению формы ваттамперной характеристики и так далее. Для борьбы с шумами отражения используется оптические изоляторы.

Шумы перескока мод возникают из-за малого спектрального расстояния между модами. При ширине спектра моды около 1 2 нм расстояние между модами составляет около 0,8 нм. По этой причине и недостаточно высокой добротности резонатора в процессе модуляции возникают возможности генерации лазера на соседних модах (рисунок 7.10)

Рисунок 7.10

Перескоки моды приводят к значительным колебаниям мощности излучения лазера. Для устранения шумов применяется режим с высоким смещением (около или выше порогового тока). Лазеры тапа РОС благодаря регулировке не имеют перескока мод.

Шумы частотной модуляции сходны по природе с шумами мод, обусловленными флуктуациями спонтанного излучения, колебаниями температуры электрического тока, обратным светом, перескоком моды. Эффективным средством борьбы с шумом модуляции лазера считается отрицательная обратная связь с широкой полосой частоты. Стабилизирующая схема с обратной связью обеспечивает высокую линейность модуляции, что чрезвычайно необходимо для сигналов, чувствительных к нелинейным искажениям (рисунок 7.11). Схема (модуль) стабилизирует излучение ППЛ. Небольшая часть выходной мощности захватывается местным фотодиодом (ФД), совмещенным с ППЛ, преобразуется в ток, усиливается и сравнивается с информационным сигналом. Отклонение мощности излучения компенсируется изменением тока накачки.

Рисунок 7.11

Лазерные модули представляют собой излучатели размещенные в корпусах, сопряженных со стандартными оптическими соединителями. Передающие модули, помимо согласующих устройств имеют встроенные фотодиоды обратной связи, терморезисторы, термоохладители.