2.5.10. Источники и приемники оптических излучений

Дальность непосредственной связи по ВОЛП, так же, как и длина регенерационного участка, зависит от параметров оптических волокон и энергетических характеристик приемопередающих устройств.

Источник светового излученияпредставляет собой прибор, преобразующий электрическую энергию возбуждения в энергию оптического излучения заданного спектрального состава и пространственного распределения.

Работа различных источников оптического излучения основана на инверсной заселенности энергетических уровней. Создание инверсной заселенности уровней называется накачкой.

При переходе атома с более высокого энергетического уровня (Е₂) на более низкий (Е₁) происходит излучение на частоте, гдеh=6,62^.10^-34Джс - постоянная Планка. Переходы с верхнего уровня на нижний могут быть спонтанными (самопроизвольными), что характерно для обычных светоизлучающих диодов (светодиодов), а также спонтанными и вынужденными (суперлюминесцентные светоизлучающие диоды) и только вынужденными (лазеры).

К источникам излучения предъявляют следующие требования:

• высокая эффективность преобразования энергии возбуждения в энергию оптического

излучения;

• узкая спектральная полоса излучения (ширина спектральной линии);

• направленность излучения;

• быстродействие, т.е. быстрое возникновение и гашение излучения;

• совместимость с интегральными микросхемами;

• высокая технологичность и низкая стоимость;

• высокие эксплуатационные характеристики и в первую очередь устойчивость к жестким

механическим, температурным, радиационным воздействиям, а также долговечность;

• когерентность генерируемого излучения.

В волоконно-оптических системах передачи (ВОСП) с использованием фотоприёмников прямого детектирования требуются лишь косвенные проявления когерентности, такие как узкий спектр и направленность излучения.

Система параметров источников излучения следует из их функционального назначения и из физических принципов работы, а именно:

- интенсивность излучения - характеризует мощность излучения Р_изл, мВт (лазерных диодов и светоизлучающих диодов);

- спектральные характеристики излучения - определяют длину волны, соответствующей максимуму спектра излучения _макс, мкм, (нм); ширину спектральной линии, нм, определяемой по 50%-ному уровню спада интенсивности; модовым составом излучения (у лазеров).

• быстродействие источника излучения - обычно определяется импульсными параметрами: временем нарастания (спада) импульса излучения при скачкообразном включении (выключении) импульса тока накачки t _нр(сп), нс, и временем задержки импульса излученияt_зд, нс. Эти параметры измеряются, как принято в радиотехнике, по уровням 0,1 и 0,9 фронта и среза.

Ресурс работы лазеров, используемых в ВОСП, составляет 500000 часов и более. Скорость передачи информации составляет до 10Гбит/с. Основные типы и характеристики отечественных лазеров и передающих оптических модулей (ПОМ) для применения в ВОСП приведены в табл.2.11.

Таблица 2.11

Тип модуля	ТСД	ПОМ- 13	ПОМ- 14	ПОМ- 14М	ПОМ- 14-2	ПОМ- 17	ПОМ- 18	ПОМ- 18-2	ПОМ- РБЗ-21,22,23
Р,мВт	0,05	1,5	1,5	3	1,5	3	1,5	1,5	3-5
Длина волны, нм	1300	1550	1300	850	1300	1300	1550	1550	1060, 1300, 1550
Ширина линии, нм	40	0,1	3	3	3	3	3	3	0,01
Пороговый ток, мА		40	30	20	30	30	30	30	50-70
Рабочий ток, мА	100	100	70	50	70	70	70	70	150
Рабочее напряжение,В	2	2	2	2	2	2	2	2	2
Фототок обр.связи, мкА	40	40	40	40	40	40	40	40	40
Напряжение фотодиода, В	5	5	5	5	5	5	5	5	5
Ток термохо- дильника,мА	300	300	300	300			300		500
Напряжение термохоло- дильника, В	3	3	3	3			3		4

Приемник светового излученияпредставляет собой прибор, в котором под действием оптического излучения происходят изменения, позволяющие обнаружить это излучение и измерить его характеристики.

В качестве приемника оптических излучений используют pin-фотодиоды и лавинные фотодиоды. Известно, что вp-nпереходе, на который подано обратное смещение, существует зона, в которой нет свободных носителей заряда (обедненная зона). Поглощение фотона в этой зоне сопровождается возникновением пары носителей зарядов - электрона и дырки, которые под действием постоянного электрического поля, созданного внешним источником напряжения смещения, перемещаются к противоположным зажимам фотоприемника, образуя ток во внешней цепи. Этот ток и является сигналом на выходе фотодиода, его значение пропорционально мощности принимаемого светового излучения.

К фотоприёмникам дискретных световых сигналов предъявляются два основных требования:

- высокая чувствительность на заданной длине волны;

- высокое быстродействие. Режим высокоскоростного переключения автоматически ведёт к использованию достаточно низкоомных нагрузочных резисторов ( в противном случае перезарядка паразитных ёмкостей оказывается слишком инерционной), а это не позволяет работать с минимальным отношением сигнал-шум.

Система параметров и характеристик. К основным параметрам фотодиода, описывающим его как приёмник оптических сигналов и как элемент электрической цепи, относятся:

• монохроматическая чувствительность Sф, А/Вт,_, равная отношению фототока (I) к полной мощности излучения с длиной волны, (Р_изл()) падающей на чувствительную площадку фотодиода:

Sф = I /Pизл () (10.1)

• темновой ток I_,равный току утечки фотодиода при полном затемнении и при заданном обратном напряжении;

• максимально допустимое обратное напряжение Uобр.макс.доп, характеризующее предельные возможности фотодиода при включении в электрическую цепь;

• время нарастания (спада) t_нр(сп) фототока, определяемое по фронту (срезу) фотоответа (обычно по уровням 0,1 и 0,9 амплитуды импульса фототока) при воздействии на фотодиод идеально прямоугольного импульса излучения; иногда в качестве характеристического времени используют параметр_рел – постоянную времени релаксации фотоотклика, при экспоненциальном нарастании и спаде фототока справедливоt_ир(сп) = 2,2_рел.;

• граничная частота f_гр, определяемая при изменении частоты модуляции оптического излучения по спаду чувствительностиS_ф до значения 0,707 от чувствительности при немодулированном излучении;

• ёмкость фотодиода С_фд, равная сумме зарядной ёмкости активной структуры и паразитной ёмкости корпуса; во многих режимах работы именно параметрС_фд, а не t_ир(сп) - определяет инерционность прибора.

Типовые характеристики фотоприемников приведены в табл.2.12.

Таблица 2.12

Тип фотоприемника	Диапазон длин волн, мкм	Монохроматическая чувствительность, А/Вт	Темновой ток, нА	Время нарастания, нс
p-i-n (InGaAs)	1,0- 1,7	0,8	0,1 – 3	0,01 – 5
p-i-n (Si)	0,4 – 1	0,5	10	0,1 – 5
Лавинный (InGaAs)	1,0 – 1,7	20 – 60	30	0,3
Лавинный(Gе)	0,6 – 1,6	20 – 60	400	0,3 – 1

Пример расчета ширины спектральной линии лазерного диода в Гц при длине волны излученияl₀= 1,3мкм и симметричной относительно неё ширины спектральной линииDl_0,5= 1нм.

Максимальная и минимальная длины волн излучения составят:

l_max = l₀ + 0,5Dl_0,5 = 1,310^-6 + 0,5110^-9 = 1,300510^-6, м;

l_min = l₀ - 0,5Dl_0,5 = 1,310^-6 - 0,5110^-9 = 1,299510^-6, м.

Соответствующие этим длинам волн минимальная f_minи максимальная f_maxчастоты излучения равны:

f _min = c /l_max = 310⁸ /1,300510^-6 = 2,306810¹⁴, Гц;

f _max = c/l_min = 310⁸ / 1,299510^-6 = 2,308610¹⁴, Гц.

Ширина спектральной линии равна:

Df_0,5 = f _max - f _min =2,308610¹⁴ - 2,306810¹⁴ = 0,0018 10¹⁴ Гц = 180 ГГц.

Пример расчета фотоприемника. Определить уровень оптической мощности в дБм на входе фотоприёмника системы передачи 155 Мбит/с, работающей на длине волныl=1,285 мкм, если для обеспечения коэффициента ошибок р=10^-9требуется 1200 фотонов на бит передаваемой информации.

Длине волны l=1,285 мкм в оптическом волокне соответствует частота (f), равная

f = v/l = 20000010⁹ /1,285 = 1,55610 ¹⁴ , Гц

и энергия фотона (E) равна

E = hf =6,6210^-34  1,55610¹⁴ = 1,0310^-19, Дж,

где v – скорость распространения света в оптическом волокне (200000км/с);

h – постоянная Планка (6,6210^-34 Джс).

Требуемое число фотонов (n) на входе фотоприёмника для обеспечения р=10^-9 равно

n = 15510⁶  1200= 18610⁹.

Требуемый уровень мощности на входе фотоприёмника в дБм равен

P = 10lg nE10³= 10lg (18610⁹ 1,0310^-19  10³ ) = 10lg (1,915810^-5)= - 47,18 дБм