PRACTICE / ОПТИЧЕСКИЕ ЦИФРОВЫЕ ТЕЛЕКОММУТАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ

Лекция 20

Тема 8. Цифровые волоконно – оптические линейные тракты (ОЛТ)

Введение.

Как отмечалось ранее, ОЛТ является составной частью любой системы передач. В его состав входят оптические передатчики, оптические приемники, волоконно – оптический кабель и ретрансляторы .ОЛТ могут уплотнятся различными методами. Ниже рассматриваются перечисленные выше узлы ОЛТ, методы уплотнения и д.р.

Раздел 8.1. Оптический линейный тракт (ОЛТ) (продолжение)

Светоизлучающие диоды. Светодиоды являются примером некогерентного оптического излучения. Основой такого источника служит полупроводник с прямым переходом (GaAs и т. п.). В нем электрон в зоне проводимости не сталкивается с узлами кристаллической решетки, т. е. при сохранении количества энергии переходит в зону валентных электронов и воссоединяется с дыркой. При таком переходе возникает спонтанное излучение. Так как время перехода всех электронов не совпадает, то происходит наложение излучения, и возникают оптические волны с неодинаковой амплитудой и фазой, а вследствие этого наблюдается неоднородность и по частоте. Ширина спектра используется как параметр, характеризующий монохроматичность источника излучения. Спонтанное излучение обладает низкой монохроматичностью. Его называют некогерентным светом.

В настоящее время разработаны два основных типа светодиодов: с поверхностным излучением и торцевого типа. Структура светодиода с поверхностным излучением показана на рисунке 29.1.

Рис. 20.1. Структура светоизлучающего диода с поверхностным излучением

Для предотвращения сильного поглощения света и физического сопряжения с ОВ в подложке из GaAs протравливается ямка. Для такого диода характерно практически ламбертовское распределение интенсивности с шириной диаграммы направленности 120 . Размеры излучающей области определяются размерами металлического контакта и подбираются в соответствии с диаметром ОВ. Потери на ввод без применения согласующих устройств зависят от NA волокна и составляют 14. . .20 дБ. Применение согласующих устройств позволяет уменьшить эти потери.

101

Структура СИД торцевого типа показана на рисунке 20.2. В торцевом СИД используется двойная гетероструктура. Гетероструктурой или гетеропереходом называются полупроводники с p-n–переходом из различных материалов.

На рисунках 20.3, а и б показаны гетероструктуры соответственно с одно- (ОГС) и двусторонним (ДГС) ограничениями. В СИД с ОГС под действием прямого смещения электроны инжектируются через прямой p-n- переход, а затем удерживаются (рисунок 20.3, а ) потенциальным барьером перехода p(GaAs) – p(AlxGa1-xAs). Излучательная рекомбинация происходит преимущественно в активной области толщиной d. Возникшее излучение распространяется в волноводе, образовавшемся из-за разных коэффициентов преломления слоев структуры. Мощность излучения возрастает за счет локализации излучения (в данно м случае – справа) .

Рис. 20.2. Структура светоизлучающего диода торцевого типа

а) б)

Рис. 20.3. Гетероструктуры с ОГС (а) и ДГС (б)

Гораздо лучшими свойствами обладает ДГС. В такой структуре активная излучательная рекомбинация (рисунок 20.3, б) наблюдается в p-области (GaAs) благодаря имеющимся слева и справа от нее потенциальным барьерам. Образовавшийся плоский симметричный волновод способствует локализации излучения практически в пределах активной области d.

102

Использование ДГС в СИД торцевого типа позволяет уменьшить расходимость излучения в плоскости, нормальной p-n-переходу, примерно до 30 , а в плоскости, параллельной переходу, где нет волноводного эффекта, излучатель остается ламбертовским с шириной диаграммы направленности = 120 . Мощность излучения у торцевого СИД оказывается в 2-5 раз меньше, чем у поверхностного СИД. Однако потери на ввод излучения в ОВ благодаря меньшей угловой расходимости также оказываются меньше и в зав исимости от NA составляют 10 . . . 16 дБ.

Выводы

1.Светодиоды являются примером некогерентного оптического излучения. Основой такого источника служит полупроводник с прямым переходом (GaAs и т. п.).

2.В настоящее время разработаны два основных типа светодиодов: с поверхностным излучением и торцевого типа.

3.В структуре ДГС активная излучательная рекомбинация наблюдается в p-области (GaAs) благодаря имеющимся слева и справа от нее потенциальным барьерам. Образовавшийся плоский симметричный волновод способствует локализации излучения практически в пределах активной области d.

Контрольные вопросы.

1.Объясните принцип работы СИД с поверхностным излучением.

2.Объясните принцип работы СИД торцевого типа.

3.Поясните, что такое ОГС и ДГС?

103

Лекция 21

Тема 8. Цифровые волоконно – оптические линейные тракты (ОЛТ)

Введение.

Как отмечалось ранее, ОЛТ является составной частью любой системы передач. В его состав входят оптические передатчики, оптические приемники, волоконно – оптический кабель и ретрансляторы .ОЛТ могут уплотнятся различными методами. Ниже рассматриваются перечисленные выше узлы ОЛТ, методы уплотнения и д.р.

Раздел 8.1. Оптический линейный тракт (ОЛТ) (продолжение)

Лазерные диоды. Лазерные диоды являются когерентными источниками света, которые в отличие от некогерентных излучают синфазные оптические волны. В осн ове их работы лежит спонтанное излучение полупроводника, охваченное объемным резонатором.

Рассмотрим принцип работы простейшего ЛД, выполненного на основе одного вида полупроводника GaAs или InP, представляющего собой параллелепипед с p-n- переходом (рис. 21.1), перпендикулярным двум противоположным торцам кристалла.

Излучение Рис. 21.1 Структура лазерного диода

Рекомбинация носителей происходит вблизи плоскости перехода и в самом переходе, положительная обратная связь создается за счет параллельных отражающих торцевых поверхностей, образующих резонатор Фабри – Перо (он получается путем шлифования торцевых поверхностей до зеркального блеска). Отражение от торцов обусловлено разницей показателей преломления n полупроводника и воздуха. Поверхность неизлучающих граней подвергают загрублению, добиваясь их шероховатости, чтобы исключить возможность генерации в нежелательных направлениях.

Наличие резонатора создает условия существования синфазных оптических волн и спектр излучения становится дискретным или когерентным.

При малых уровнях инжекции присутствует только спонтанное излучение. Когда плотность тока инжекции Iи (накачки) возрастает, достигая порогового значения Iп, полное оптическое усиление в структуре становится равным полным потерям и возникает генерация, или лазерный эффект.

Для гомолазера, чтобы достичь порога генерации при комнатной температуре, пороговая плотность Iп должна быть 30 . . . 100 А/см2. Столь большие плотности токов

104

приводят к перегреву кристалла и быстрому его разрушению. При уменьшении температуры кристалла до температуры жидкого азота возможна длительная работа лазера.

На примере гомолазера удобно лишь рассмотреть механизм вынужденного излучения, но использовать его в ОЦТС практически невозможно. Лазерный диод для ОЦТС должен устойчиво работать при нормальных внешних условиях с модулирующими токами, не требуя внешнего охлаждения. Уменьшение плотности тока и улучшение других характеристик достигнуто за счет использования многослойных полупроводников – гетероструктур. В ЛД с ДГС удается снизить величину Iп до 1 . . . 2 А/см2.

Если увеличивать ток накачки в ЛД с ОГС или ДГС с широким контактом по всей поверхности, то генерация сначала возникает в малой области шириной 3 . . . 5 мкм. По мере увеличения тока “загорается” все больше таких областей, каждая из которых является как бы самостоятельно генерирующей. Это приводит к увеличению шума, расходимости и нестабильности излучения.

На практике желательно иметь один канал генерации. Этого можно добиться ограничением активной области узкой полоской вдоль резонатора. Такие ЛД называются лазерами с полосковой геометрией. Ток Iп в них уменьшается до 500 мА/см2, излучающую поверхность можно изготовить до размеров, обеспечивающих эффективный ввод излучения в ОВ с малой числовой апертурой NA, и повысить стабильность излучения. Полосковый контакт можно выполнить следующими методами:

лазер мезаполосковой структуры, получающийся стравливанием нескольких, их последующей изоляцией и напылением металлического контакта;

полосковый контакт образованный протонной бомбардировкой, которая разрушает активную область вне полоски; лазер с так называемой погруженной структурой, создаваемой путем “погружения”

мезаструктуры в слой AlGaAs типа n. У ЛД с погруженной структурой наблюдаются низкие значения Iп (5 . . 10 мА/см2) и малые выходные мощности (0, 5 . . . 2 мВт) из-за малых размеров излучающей площадки, не превышающей 1 . . . 2 мкм.

Рисунок 21. 2. Лазеры с полосковой геометрией

Для систем оптической связи используются лазеры, у которых с одного торца резонатора излучается 5 . . . 20 мВт при ширине полоскового контакта 10 . . . 20 мкм. Такое значение мощности является разумным компромиссом между величиной тока накачки, требуемыми мощностью излучения и сроком службы излучателя.

105

Несмотря на использование полосковой геометрии в ЛД, число генерируемых мод все-таки достаточно велико. Для уменьшения числа возбуждаемых мод в резонаторе лазера создается периодическая неоднородность показателя преломления, приводящая к периодическим изменениям оптической толщины активного слоя, в котором распространяется световая волна. В результате дифракции на такой решетке останутся только те моды, длина волны которых кратна периоду решетки (только для этих типов волн наблюдается синфазное сложение волн дифракции). Такой излучатель получил название

лазера с распределенной обратной связью (РОС) и показан на рис. 21.3.

Необходимый период решетки lр можно определить из соотношения lр = / 2n, где - порядок дифракции. Изготовление решетки внутри кристалла представляет собой сложную задачу.

Другой реализацией идеи селекции мод явилось создание лазера с распределенным брегговским отражением (РБО). В этих лазерах (рис.21.4) дифракционные решетки располагаются вне области накачки.

Рис. 21.4 Структура лазера РБО

Требуемая в этом случае точность обработки сопоставима с точностью формирования активного слоя, но зато для полученной таким образом структуры в отличие от лазеров с РОС генерация единственной продольной моды – обычное явление. Лазеры с такой структурой не имеют перескока моды даже при высокоскоростной модуляции и генерируют только одну продольную моду, что делает их удобными для использования в качестве источников излучения при работе по одномодовому волокну и в системах передачи со спектральным разделением каналов.

Основными характеристиками источников оптического излучения являются: ваттамперная характеристика Wo=f(Iн),описывающая зависимость мощности оптического излучения Wo от тока возбуждения Iв, (или тока инжекции — Iu); примерные ватт-амперные характеристики СИД и ЛД приведены на рис. 13.4; спектральная характеристика излучения

106

при различных величинах тока возбуждения (инжекции), показывающая зависимость относительной мощности оптического излучения W/Wo от длины волны оптического излучения, т.е. W/Wo = f( , Iв), ( здесь Wo — мощность оптического излучения на номинальной длине волны o и W— на текущей длине волны в пределах соответствующего окна прозрачности оптического волокна) типичная спектральная характеристика источников оптического излучения приведена на рис. 21.5; диаграмма направленности, представляющая пространственную характеристику излучения. После выхода света из источника начинается расширение светового пучка, и только малая его часть в действительности попадает в оптическое волокно. Чем уже диаграмма направленности, тем большая часть света может попасть в волокно.

Хорошие источники излучения должны иметь малые диаметры выходных пучков света и малую апертуру (NA). Диаметр выходного пучка определяет величину поперечного сечения пучка излучения, а апертура NA — диапазон углов, в которых происходит излучение света. Если диаметр выходного пучка или его апертура превышают соответствующие параметры волокна, в которое вводится излучение, часть излучения не попадает в волокно. На рис.21.6 представлены типичные диаграммы направленности для светоизлучающих и лазерных диодов.

Рис. 21.6. Диаграмма направленности источников оптического излучения

Диаграмма направленности лазерного диода ближе к эллиптической форме, а светоизлучающего диода — к сферической.

Когда выходной диаметр источника du, не соответствует диаметру сердцевины волокна dв то потери излучения, связанные с рассогласованием данных параметров Ад, могут быть определены из следующего выражения:

107

Потери отсутствуют, когда диаметр сердцевины волокна превосходит диаметр источника излучения.

Когда апертура NАи, источника больше, чем NAв, волокна, то потери, вызванные этим рассогласованием Ад, равны:

Ad 20lg NAu

NAв

Потери отсутствуют, если апертура волокна больше апертуры источника излучения. Рассмотрим, например, источник излучения с выходным диаметром dи = 100 микрон и апертурой NAи = 0,3, и подключенное к нему волокно с диаметром dв, = 62,5 микрон и NАв,

= 0,275. Потери из-за рассогласования параметров волокна и источника излучения будут равны:

Общие потери составляют Ап=4,08+0,76=4,84 дБ. Если выходная мощность источника излучения составляет 1 мВт, то только 0,328 мВт попадет в волокно.

Существенным недостатком источников оптического излучения является температурная зависимость мощности излучения (рис.21.7).

Рису. 21.7. Колебания длин волн неохлаждаемого лазера с распределенной обратной связью (длина волны – 1.55 нм)

Выводы.

1.С целью селекции мод в источниках излучения используют полосковую геометрию, лазеры с распределенной обратной связью

(РОС) и с распределенным брэгговским отражением (РБО).

2.Существенным недостатком источников оптического излучения является температурная зависимость мощности излучения.

3.Источник оптического излучения выполняются в виде модулей

(ПОМ).

108

Лекция 22

Тема 8. Цифровые волоконно – оптические линейные тракты (ОЛТ)

Введение.

Как отмечалось ранее, ОЛТ является составной частью любой системы передач. В его состав входят оптические передатчики, оптические приемники, волоконно – оптический кабель и ретрансляторы .ОЛТ могут уплотнятся различными методами. Ниже рассматриваются перечисленные выше узлы ОЛТ, методы уплотнения и д.р. Приемники оптического излучения выполняются в виде единого приемного оптоэлектронного модуля (ПРОМ) . Основным элементом ПРОМ являются фотодиоды: p-i-n и лавинные ФД.

Раздел 8.1. Оптический линейный тракт (ОЛТ) (продолжение)

Приемные оптические модули Обобщенная структурная схема оптического приемника, реализуемого в виде единого приемного оптоэлектронного модуля (ПРОМ), представлена на рис. 22.1, где приняты следующие обозначения:

ОК — оптический кабель; ОС — оптический соединитель; ФД — фотодиод или фотодетектор; ПМШУ — предварительный малошумящий усилитель; МУ с АРУ — мощный усилитель с автоматической регулировкой усиления; ФК — фильтр-корректор.

Оптический сигнал с выхода оптического кабеля (ОК) через оптический соединитель (ОС) поступает на фотодетектор (ФД), где происходит его преобразование в электрический сигнал. На выходе ФД электрический сигнал весьма мал и сопровождается различного вида шумами. Для его усиления без существенной потери в шумозащищенности используется предварительный малошумящий усилитель (ПМШУ). Усиленный электрический сигнал далее усиливается мощным усилителем с автоматической регулировкой усиления (МУ с АРУ) и затем с помощью фильтра-корректора (ФК) осуществляется отфильтровывание помех и коррекция формы электрического сигнала, который и подается на оборудование сопряжения тракта приема ВОСП .

Базовым элементом оптического приемника ВОСП является фотодетектор — оптоэлектронный прибор, преобразующий оптический сигнал в электрический сигнал соответствующей формы.

Фотодетектор реализуется на основе полупроводниковых фотодиодов (ФД) с р-n обратносмещенными переходами, работающих на принципах внутреннего фотоэффекта.

В технике ВОСП широкое применение находят два типа фотодиодов: р-i-n и лавинный ФД.

Сущность внутреннего фотоэффекта в полупроводниковом материале заключается в поглощении фототока, энергия которого hf = hс/более ширины запрещенной зоны материала Еg полупроводникового материала, а длина волны оптического излучения не превышает критического значения кр=1,24/Eg , и сопровождается переходом электрона из валентной зоны в зону проводимости, а дырок — из зоны проводимости в валентную зону (генерация пар «электрон-дырка»). Фотоны с энергией, меньшей ширины запрещенной зоны,

110