Лекция № 14 Основные узлы волоконно-оптических систем передачи

14.1 Передающие оптические модули.

Оптические передатчики и приемники ВОСП выполняются в виде модулей, в состав которых входят источники и приемники оптического излучения и электрон­ные схемы обработки электрических сигналов.

К источникам оптического излучения предъявляются следую­щие требования:

длина волны излучения должна совпадать с од­ним из минимумов спектральных потерь оптических волокон;

кон­струкция источника должна обеспечивать достаточно высокую мощность выходного излучения и эффективный ввод его в опти­ческое волокно;

источник должен иметь высокую надежность и большой срок службы;

габаритные размеры, масса и потребляе­мая мощность должны быть минимальными;

простота технологии должна обеспечивать невысокую стоимость и высокую воспроиз­водимость характеристик.

Известны три класса источников оптического излучения для ВОСП:

- пленарные полупроводниковые;

- волоконные;

- объемные микрооптические (микролазеры).

Все они в той или иной мере удовлетворяют изложенным выше требованиям, однако только пленарные полупроводниковые источники светоизлучающие (СИД) и лазерные диоды (ЛД) — широко используются в реаль­ных системах. Они работают в диапазоне волн 0,8... 1,6 мкм, ко­торый характеризуется минимальными потерями в ОВ, и позво­ляют вводить в волокно достаточно большую мощность (0,05... ...2 мВт)..

В СИД оптическое излучение происходит в результате спон­танной эмиссии, когда к области р—л-перехода в полупроводни­ковом материале с прямыми переходами приложено положитель­ное смещение. Спонтанное оптическое излучение возникает при переходе любого электрона с одного энергетического уровня на другой. Частота излучения / определяется разностью энергетиче­ских уровней т. е. шириной запрещенной энергетической зоны где —постоянная Планка; с — скорость света в вакууме.

Основными характеристиками источников излучения наряду с шириной спектра излучения являются ватт-амперная характеристика, максимальное значение частоты модуляции, срок службы и надежность.

Зависимость мощности излучения от тока инжекции (накач­ки) показана на рис. 8.15. Особенностью этих характеристик яв­ляется практически линейная зависимость Это позволя­ет использовать аналоговые системы передачи для модуляции оп­тического излучения.

На рис. 8.16 приводится спектральное распределение излуче­ния СИД. Как правило, линия излучения для СИД с поверхност­ным излучением имеет примерно гауссовскую форму с шириной до 0,04 мкм при =0,85 мкм, а для СИД торцевого типа 0,09 мкм при =1,3 мкм.

Полупроводниковые лазерные диоды являются когерентными источниками света. В основе их работы лежит спонтанное излу­чение полупроводника, охваченное объемным резонатором. Умень­шение плотности тока и улучшение других характеристик достиг­нуто за счет использования многослойных полупроводников-гетероструктур с односторонним (ОГС) и двусторонним (ДГС) ог­раничением, в которых удается снизить величину до 1 ... 2

Если увеличить 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 «загораются» 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 лазерные диоды называются лазера­ми с полосковой геометрией. В них уменьшается до 500 , излучающую поверхность можно изготовить до размеров, обеспечивающих эффективный ввод излучения в оптиче­ское волокно с малой числовой апертурой NA, и повысить ста­бильность излучения.

К числу основных характеристик лазерных диодов, определяю­щих возможность их использования в системах связи и передачи информации, относятся: мощность излучения и ее зависимость от тока накачки, диаграмма направленности излучения, спектр из­лучения и срок службы.

Передающий оптический модуль (ПОМ) конструктивно состо­ит из оптической головки и электронной схемы, основным назна­чением которой является модуляция излучаемого света. В опти­ческой головке с СИД размещаются диод и модулятор, а в го­ловке с ЛД — лазер, модулятор, фотодиод обратной связи и элек­тронная схема, с помощью которой стабилизируется режим рабо­ты лазера. Одна из основных задач, которую необходимо решать при разработке ПОМ, — стабилизация выходной мощности полу­проводниковых лазеров.