1.4. Оптоэлектронные компоненты восп.

1.4.1. Передающие оптоэлектронные модули.

Передающие оптоэлектронные модули (ПОМ), применяемые в ВОСП, предназначены для преобразования электрических сигналов в оптические, которые должны быть введены в волокно с минимальными потерями. Производится большое разнообразие ПОМ, отличающихся по конструкции и по типу источника излучения. Одни работают на низких скоростях и на малые расстояния, другие передают сотни и даже тысячи мегабит в секунду на расстояния в десятки километров.

Типы и характеристики источников излучения.

Главным элементом ПОМ является источник излучения. К основным требованиям, которым он должен удовлетворять, относятся:

• излучение должно вестись на длине волны одного из окон прозрачности;

• источник излучения должен обладать соответствующим быстродействием для того, чтобы обеспечивать передачу информации на требуемой скорости;

• источник должен обеспечивать ввод излучения в волокно с минимальными потерями;

• источник излучения должен иметь достаточную для передачи на большие расстояния мощность, но и не настолько, чтобы излучение приводило к нелинейным эффектам или могло повредить волокно или оптический приемник;

• источник должен выдерживать изменения температуры в заданных пределах;

• стоимость источника излучения должна быть относительно невысокой.

В настоящее время используются два основных типа источников излучения, которые удовлетворяют этим требованиям – светодиоды (LED) и полупроводниковые лазерные диоды (LD).

Главное отличие между светодиодами и лазерными диодами – это ширина спектра излучения. Светоизлучающие диоды имеют широкий спектр излучения, в то время как лазерные диоды имеют значительно более узкий спектр. Оба типа устройств весьма компактны и хорошо сопрягаются со стандартными электронными цепями.

Относительная

мощность

Светодиод Многомодовый Одно-

(Δλ= 30-50нм) лазер (Δλ=1-3нм) модовый

лазер

(Δλ=0,1-

0,3нм)

Длина волны, λ

Рис. 1.11. Спектры излучения светодиодов и лазерных диодов

Светоизлучающие диоды

Благодаря своей простоте и низкой стоимости, светодиоды распространены значительно шире, чем лазерные диоды.

Принцип работы светодиода основан на излучательной рекомбинации носителей в активной области гетерогенной структуры при пропускании через нее тока, рис 1.11,а. Носители заряда – 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 λ (мкм) связана с шириной запрещенной зоны активного слоя (эВ) законом сохранения энергии , рис. 1.11 б.

Показатель преломления активного слоя выше показателя преломления ограничивающих пассивных слоев, благодаря чему рекомбинационное излучение может распространяться в пределах активного слоя, испытывая многократное отражение, что значительно повышает КПД источника излучения.

Гетерогенные структуры могут создаваться на основе разных полупроводниковых материалов. Обычно в качестве подложки используются GaAs и InP. Соответствующий композиционный состав активного материала выбирается в зависимости от длины волны излучения и создается посредством напыления на подложку.

n-слой р р-слой

или

n

инжекция

0,1-0,2мм электронов

-

- +

+

инжекция

а) б) дырок

Рис.1.12. Двойная гетероструктура: а) гетероструктура;

б) энергетическая диаграмма при прямом смещении

Длину волны излучения определяют как значение, соответствующее максимуму спектрального распределения мощности, а ширину спектра излучения - как интервал длин волн, в котором спектральная плотность мощности составляет половину максимальной.

Лазерные диоды

У лазерного диода по сравнению со светодиодом есть два главных отличия. Во-первых, лазерный диод имеет встроенный оптический резонатор, и, во-вторых, он работает при значительно больших значениях тока накачки, чем светодиод. Это позволяет при превышении некоторого порогового значения получить режим индуцированного излучения. Именно такое излучение характеризуется высокой когерентностью, благодаря чему лазерные диоды имеют значительно меньшую ширину спектра излучения (1-2 нм) по сравнению (30-50 нм) со светодиодами, рис. 1.11.

Зависимость мощности излучения от тока накачки описывается ватт-амперной характеристикой. При малых токах накачки лазер испытывает слабое спонтанное излучение, работая как малоэффективный светодиод. При превышении некоторого порогового значения тока накачки излучение становиться индуцированным, что приводит к резкому росту мощности излучения и его когерентности, рис.1.13.

Мощность

светового

излучения 1

Рис. 1.13.

Ватт-амперные характеристики

1 – лазерного диода

2 - светодиода

2

Ток накачки

Мощность излучения светодиода или лазерного диода , вводимая в волокно, измеряется в мВт или дБм. Мощности, измеренной в мВт, будет соответствовать мощность =10lg (дБм). Использование единицы измерения дБм упрощает расчет энергетического бюджета волоконно-оптической линии.

В магистральных ВОСП используются два окна 1,3 и 1,55 мкм. Поскольку наименьшее затухание в волокне достигается в окне 1,55 мкм, на сверхпротяженных регенерационных участках (порядка 100 км) эффективней использовать оптические передатчики именно с этой длиной волны. Однако, если на магистральной ВОСП в состав ВОК входят только ступенчатые одномодовые волокна без смещенной дисперсии с минимумом хроматической дисперсии в окрестности 1,3 мкм, то величина их хроматической дисперсии на длине волны 1,55 мкм составляет 17 пс/нм.км. А поскольку полоса пропускания обратно пропорциональна ширине спектра излучения, то увеличить полосу пропускания можно только уменьшая ширину спектра излучения лазера. Так при ширине спектра Δλ=4 нм полоса пропускания на 100 км составит 63 МГц, а при Δλ= 0,2 нм соответственно 1260 МГц. Поэтому для того, чтобы оптические передатчики на длине волны 1,55 мкм могли использоваться не только на протяженных линиях с одномодовым волокном со смещенной дисперсией (DSF), но и с обычным ступенчатым волокном (SMF), ширину спектра излучения необходимо делать как можно меньше.

Наибольшее распространение получили четыре типа лазерных диодов: с резонатором Фабри – Перо, с распределенной обратной связью, с распределенным брэгговским отражением и с внешним резонатором.

Лазерные диоды с резонатором Фабри – Перо (FP лазеры). В таком лазерном диоде резонатор образуется торцевыми поверхностями, окружающими с обеих сторон гетеропереход. Одна из поверхностей отражает свет с коэффициентом отражения, близким к 100%, другая является полупрозрачной, обеспечивая, таким образом, выход излучения наружу.

Спектр излучения промышленного лазерного диода с использованием резонатора Фабри – Перо показан на рис.1.11 б. Как видно, наряду с главным пиком, в котором сосредоточена основная мощность излучения, существуют побочные максимумы. Их появление связано с условиями образования стоячих волн. Для усиления света определенной длины волны необходимо выполнение двух условий. Первое, длина волны должна удовлетворять соотношению 2D=Nλ, где D – диаметр резонатора Фабри – Перо, а N – некоторое целое число. Второе, длина волны должна попадать в диапазон, в пределах которого свет может усиливаться индуцированным излученимем. Если это диапазон достаточно мал, то имеет место одномодовый режим с шириной спектра меньше 1 нм. В противном случае в область могут попасть два или более соседних максимумов, что соответствует многомодовому режиму с шириной спектра от одного до нескольких нм. FP лазер имеет далеко не самые высокие технические характеристики, но, когда не требуется очень высокая скорость передачи, он, вследствие более простой конструкции, наилучшим образом подходит с точки зрения цена – эффективность.

Лазерные диоды с распределенной обратной связью (DFB лазер) и с распределенным брэгговским отражением (DBR лазер). Резонаторы у этих двух довольно схожих типов представляют собой модификацию плоского резонатора Фабри – Перо, в которой добавлена периодическая пространственная модуляционная структура. В DFB лазерах периодическая структура совмещена с активной областью (рис.1.14 а), а в DBR лазерах периодическая структура вынесена за пределы активной области (рис.1.14 б). Периодическая структура влияет на условия распространения и тем самым на характеристики излучения. Так, преимуществами DFB и DBR лазеров по сравнению с FP лазером являются: уменьшение зависимости длины волны излучения лазера от тока ижекции 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. Основным недостатком DFB и DBR лазеров является сложная технология изготовления и, как следствие, более высокая цена.

периодическая структура

ограничивает излучение

до одной длины волны

а) выходной луч

ток инжекции

б)

активный слой

антиотражающее покрытие

отражающая

дифракционная линза

решетка

в)

резонатор

длину волны излучения, причем диапазон настройки достигает 30 нм. В силу этого, ЕС лазеры используются в аппаратуре спектрального уплотнения и измерительных приборах. По характеристикам они схожи с DFB и DBR лазерами.

К другим важным характеристикам источников излучения относятся быстродействие источника излучения, деградация Рис.1.14. Три основных типа лазерных диодов с узкой шириной спектральной линии:

а) лазер с распределенной обратной связью, DFB лазер;

б) лазер с распределенным брэгговским отражением, DBR лазер;

в) лазер с одним внешним резонатором, EC лазер

Лазерный диод с внешним резонатором (EC лазер). В ЕС лазерах один или оба торца покрываются специальным слоем, уменьшающим отражение, и соответственно, одно или два зеркала ставятся вокруг активной области полупроводниковой структуры. На рис. 1.14 в) показан пример ЕС лазера с одним внешним резонатором. Антиотражательное покрытие уменьшает коэффициент отражения примерно на четыре порядка, в то время как другой торец активного слоя отражает до 30% светового потока благодаря френелевскому отражению. Зеркало, как правило, совмещает функции дифракционной решетки. Для улучшения обратной связи между зеркалом и активным элементом устанавливается линза.

Увеличивая или уменьшая расстояние до зеркала, а также одновременно разворачивая зеркало-решетку, что эквивалентно изменению шага решетки, можно плавно изменять и время наработки на отказ.

Основные элементы ПОМ

Драйвер

лазера

Оптический

мониторинг

Ток

накачки

Источник

излучения

Температурный

мониторинг

Микро-

охладитель

Для организации передачи оптических сигналов не достаточно иметь только источник излучения. В любой конструкции ПОМ есть специальный держатель, который позволяет закрепить и защитить составные элементы передатчика: источник излучения, узел электрического интерфейса и место сопряжения с волокном. Важным элементом передающего модуля является цепь тока накачки с поддержанием уровня выходной мощности и система контроля температуры. Общая схема конструкции передающего оптического модуля, в которой не все элементы являются обязательными, приведена на рис. 1.15.

Электрические Оптические

интерфесы интерфейсы

Оптический

выход

Рис. 1.15. Составляющие элементы передающего оптического модуля ПОМ