2.Передающие и приёмные оптоэлектронные модули

Передающие оптоэлектронные модули (ПОМ) - преобразование электрических сигналов в оптические и введение их в волокно с минимальными потерями. (большое разнообразие ПОМ) .

Главный элемент ПОМ - источник излучения. Основные требования: излучение на длине волны одного из окон прозрачности; быстродействие для обеспечения передачи информации на требуемой скорости; ввод излучения в волокно с минимальными потерями; достаточную для передачи на большие расстояния мощность; выдерживать изменения температуры в заданных пределах; стоимость относительно невысокая; деградация и время наработки на отказ.

Светодиоды (LED) и полупроводниковые лазерные диоды (LD). Главное отличие - ширина спектра излучения. СИД широкий, ЛД узкий. Они компактны и хорошо сопрягаются со стандартными электронными цепями.

Сид ( простоты, дёшевы, сильно распространены)

Излучательная рекомбинация носителей в активной области гетерогенной структуры при пропускании через нее тока. Электроны и дырки – проникают в активный слой (гетеропереход) из прилегающих пассивных слоев (р- и n- слоя) вследствие подачи напряжения на p-n структуру, где испытывают спонтанную рекомбинацию, сопровождающуюся излучением света. Длина волны излучения

ПП активного слоя выше ПП ограничивающих пассивных слоев, рекомбинационное излучение распространяется в пределах активного слоя, испытывая многократное отражение, повышает КПД источника излучения.

Гетерогенные структуры создаются из разных п/п материалов, в зависимости от необходимой длины излучения (GaAs и InP - подложки). по максимальному значению спектрального распределения мощности, ширина спектра излучения - спектральная плотность мощности составляет половину максимальной.

Лазерные диоды

Имеет встроенный оптический резонатор и работает при больших значениях тока накачки. Режим индуцированного излучения - высокая когерентность (ширину спектра излучения (1-2 нм) (30-50 нм СИД).

Малые токи накачки - спонтанное излучение. Высокие токи – индуцированное.

Мощность излучения измеряется в мВт или дБм. =10lg (дБм).

В магистральных ВОСП два окна 1,3 и 1,55 мкм. Наименьшее затухание в окне 1,55 мкм, эффективней использовать. Если в магистрали только стандартные одномодовые волокна, то величина хроматической дисперсии на 1,55 мкм составляет 17 пс/нм.км. (Поскольку полоса пропускания обратно пропорциональна ширине спектра излучения) (при Δλ=4 нм полоса пропускания на 100 км составит 63 МГц, Δλ= 0,2 нм - 1260 МГц). Необходимо уменьшать спектр источника для стандартных волокон.

Типы ЛД: с резонатором Фабри – Перо, с распределенной обратной связью, с распределенным брэгговским отражением и с внешним резонатором.

ЛД с резонатором Фабри – Перо (FP лазеры). Резонатор - сколотые торцевые грани. (отражение от граней 100%, и 5о %). Спектр излучения ФП ЛД (рис.1.11 б.) Несколько пиков, побочных максимумов. (связано с условиями обр. стоячих волн. выполнение двух условий для излучения. Выполняется условие 2D=Nλ, где D – диаметр резонатора, а N – некоторое целое число. И длина волны должна попадать в диапазон, в пределах которого свет может усиливаться индуцированным излученимем. диапазон мал – одномодовый лазер, (1 нм - спектр). либо многомодовый режим (3 нм). Низкая скорость, дёшев и прост.

ЛД с распределенной обратной связью (DFB лазер) и с распределенным брэгговским отражением (DBR лазер). Есть периодическая пространственная модуляционная структура. В DFB эта структура совмещена с активной областью (рис.1.14 а), в DBR структура вынесена за пределы активной области (рис.1.14 б). Структура влияет на условия распространения и на характеристики излучения. Уменьшение зависимости длины волны излучения лазера от тока инжекции и температуры, высокая стабильность одномодовости и практически 100% глубина модуляции. Температурный коэффициент Δ/ΔТ для FP лазера порядка 0,5-1 нм/ С, в то время как для DFB лазера порядка 0,07-0,09 нм/ С. Сложная технология изготовления, высокая цена.

ЛД с внешним резонатором (EC лазер). Один или оба торца покрываются специальным слоем для уменьшения коэффициента отражения, уменьшающим отражение, зеркала ставятся вокруг активной области. (один торец мало отражает, другой 30 %) Зеркало совмещает функции дифракционной решетки.

Изменяя расстояние до зеркала, разворачивая зеркало-решетку,(изменение шага решетки) можно плавно изменять длину волны излучения, диапазон настройки 30 нм. Используются в аппаратуре спектрального уплотнения и измерительных приборах. По характеристикам они схожи с DFB и DBR лазерами.

Основные элементы ПОМ

В конструкции ПОМ есть специальный держатель, позволяет закрепить и защитить составные элементы передатчика: источник излучения, узел электрического интерфейса и место сопряжения с волокном. Важным элементом ПОМ является цепь тока накачки с поддержанием уровня выходной мощности и система контроля температуры.

Приемные оптоэлектронные модули. Функция ПРОМ - преобразование опт. сигнала в электрический. Основными функциональными элементами ПРОМ являются: фотоприемник (оптический сигнал в электрическую форму); электрический усилитель, усиливающий сигнал до уровня, пригодного к обработке; регенератор, воспроизводящий первоначальную форму сигнала. Аналоговые приемники - требования высокой линейности преобразования и усиления сигнала при минимуме вносимых шумов.

Цифра не требуется восстановление точной формы импульсов. Регенератор - решающее устройство с порогами на распознавание 0 и 1. Регенератор распознает, устраняет шумы и восстанавливает необходимую амплитуду. Если требуется точное восстановление временных соотношений между импульсами, то добавляют выделитель тактовой частоты (таймер), задает РУ моменты принятия решения о приходе 0 или 1.

Принципы работы фотоприемника

Основной элемент ПРОМ – п/п фотоприемник. Явление внутреннего фотоэффекта, в результате поглощения фотонов с энергией, превышающей энергию запрещенной зоны, генерация ЭДП. При наличии электрического потенциала с появлением электронно-дырочных пар от воздействия оптического сигнала появляется электрический ток, обусловленный движением электронов в зоне проводимости и дырок в валентной зоне.

Регистрация генерируемых ЭДП обеспечивается путем разделения носителей заряда. Из фотоприемников, применяемых в ВОСП, наибольшее распространение получили p-i-n фотодиоды.

p-i-n фотодиод ( i-слой слаболегированный, обеднённый – нет свободных носителей, n-тип, между и - типа. Напряжение обратного смещения . Сильное легирование крайних слоев делает их проводящими, максимальное значение электрического поля в i-слое. Падает излучение на i-слой, генерация ЭДП, под действием элект. поля разделяются и двигаются в противоположных направлениях к своим электродам, образуя электрический ток. Эффективным является взаимодействие излучения только с i-слоем, при попадании фотонов в и -слои возникает диффузионный ток, имеющий большую инерционность, ухудшает быстродействие.

Эффективность (квантовая) обедненной области 80-100%. Приемную поверхность покрывают антиотражающим слоем для борьбы с френелевским отражением.