Лекция 15

Тема 11. 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 11.1. Оптический линейный тракт (ОЛТ) (продолжение)

Оптический передатчик. Оптические передатчики ОЦТС реализуются в форме единого передающего оптического модуля (ПОМ) - электронно-оптического преобразователя, осуществляющего преобразование электрических сигналов в оптические сигналы. Обобщенная структурная схема передающего оптоэлектронного модуля (ПОМ) приведена на рис. 15.1, где приняты следующие обозначения:

Рис. 15.1 Обобщенная структурная схема оптического передатчика

ФМС — формирователь модулирующего сигнала, осуществляющий преобразование сигнала, поступающего с выхода оборудования сопряжения, к виду, обеспечивающему оптимальный режим работы оптического модулятора или источника оптического излучения; МОИ – модулятор оптического излучения, здесь осуществляется модуляция одного из параметров оптического излучения (интенсивности, частоты, фазы, поляризации и др.); ИОИ — источник оптического излучения; ОР – оптический разветвитель, обеспечивающий отвод оптического сигнала на СРРИОИ – стабилизатор режима работы источника оптического излучения; ЛОС – линейный оптический сигнал (модулированное оптическое излучение, передаваемое по оптическому кабелю; СВД – схема встроенной диагностики, предназначенная для контроля работоспособности ПОМ; СУ и ОС – согласующее устройство и оптический соединитель, обеспечивающие ввод оптического сигнала в оптический кабель; ОВ – оптическое волокно. Основным блоком, определяющим качество функционирования ПОМ, является источник оптического излучения. К источникам оптического излучения предъявляются следующие требования: длина волны оптического излучения должна совпадать с одним из окон прозрачности оптического волокна: достаточно большая мощность выходного излучения и эффективность его ввода в оптическое волокно; возможность модуляции оптического излучения различными способами; достаточно большой срок службы; минимальное потребление электрической энергии или высокая эффективность; минимальные габариты и вес; простота технологии производства, обеспечивающая невысокую стоимость и высокую воспроизводимость параметров и характеристик.

Известны три класса источников оптического излучения для ОЦТС: планарные полупроводниковые; волоконные; объемные микрооптические источники (микролазеры).

Все они в той или иной мере удовлетворяют изложенным выше требованиям, однако только планарные полупроводниковые источники – светоизлучающие диоды и лазеры – широко используются в реальных системах. Интенсивное развитие полупроводниковых источников света связано, в первую очередь, с уникальным сочетанием важных для ВОСП положительных свойств, таких как непосредственное преобразование энергии электрического тока в оптическое излучение с высокой эффективностью, возможность прямой модуляции параметров излучения током накачки с высокой скоростью, малые масса и габаритные размеры.

Принцип действия некогерентных и когерентных источников излучения.

Как известно из квантовой механики, значения приобретаемой электронами энергии не являются непрерывными, а носят дискретный характер. Дискретность энергетических состояний дает основание говорить, что электрон находится на том или ином энергетическом уровне. В полупроводниках (рис. 15.2) плотность электронов значительна и поэтому многочисленные энергетические уровни расположены плотно, образуя зоны. Имеется два типа таких зон – верхняя зона – проводимости с энергией Е_с и нижняя зона – валентных электронов с энергией E_v ^. Между этими зонами находится запрещенная зона с энергией Е_q.

Рис. 15.2 Энергетические уровни в полупроводнике

Считается, что зона валентных электронов соответствует базовому (минимальному) энергетическому уровню. При тепловом равновесии почти все электроны находятся именно в этой зоне, т.е. сосредоточены в определенных местах кристаллической решетки полупроводника. Что же произойдет с электронами, если добавить энергию извне? Если к p-n переходу полупроводника приложить напряжение смещения в прямом направлении, то через переход потечет электрический ток. Если количество добавляемой энергии значительно, то некоторые электроны, находящиеся на низком энергетическом уровне, приобретая добавочную энергию, переходят на более высокий уровень. Таким образом, часть электронов из валентной зоны переходит в зону проводимости. Это приводит к появлению свободных электронов, которые могут свободно перемещаться внутри полупроводника. При этом в зоне валентных электронов на освободившихся местах появляются положительно заряженные дырки. Дырки и свободные электроны являются носителями тока в полупроводнике. Свободные электроны в полупроводнике, сталкиваясь с узами кристаллической решетки или с другими электронами «падают» в зону валентных электронов, и пара «электрон-дырка» исчезает.

Если падение на нижний энергетический уровень или в зону валентных электронов происходит без соударения, в таких случаях энергия, теряемая электроном, выделяется в виде фотона. Подобный процесс излучения называется спонтанным.

Частота f определяется разностью энергетических уровней E_q (равна E_c-E_v), т.е. шириной запрещенной энергетической зоны:

(15.1)

Эта формула называется частотным условием Бора. Интенсивность света зависит от числа пар «электрон-дырка».

Спонтанное оптическое излучение возникает при переходе любого электрона с одного энергетического уровня на другой. Так как время перехода всех электронов не совпадает, то происходит наложение излучения, и возникают оптические волны одинаковой амплитудой и фазой, а вследствие этого наблюдается неоднородность и по частоте. Кроме того, мельчайшие колебание энергии E_q тоже, пусть и не в такой мере, влияют на частотный разброс излучения.

Напряженность электрического поля оптического излучения изменяется во времени по следующему закону:

где a(t) – колебания амплитуды (шумы амплитудной модуляции);

j(t) – колебания частоты (шумы частотной модуляции).

Если бы все колебания представляли собой синфазные синусоиды и отсутствовали бы частотные отклонения, то спектр состоял бы из единственной линии с частотой f. Поскольку в нашем случае имеются флуктуации частоты, то спектр приобретает некоторую ширину Df, определяемую этими флуктуациями. Ширина спектра используется как параметр, характеризующий монохроматичность источника излучения. Спонтанное излучение обладает низкой монохроматичностью. Его называют некогерентным светом.

Когерентными источниками света называются такие источники, которые в отличие от описанных выше излучают синфазные оптические волны. В основе их лежит спонтанное излучение полупроводника, охваченное объемным резонатором. Широкое распространение получил резонатор Фабри – Перо, который представляет собой два зеркала, установленные перпендикулярно оси z (рис 15.3).

Рис. 15.3 Общая структура резонатора Фабри – Перо

Зеркала исполняют роль положительной обратной связи. Данная конструкция препятствует распространению лучей вдоль оси z, а, следовательно, уменьшается число поперечных мод. Наличие резонатора создает условия существования синфазных оптических волн и спектр излучения становится дискретным или когерентным.

В соответствии с законами квантовой механики в таких структурах с положительной обратной связью происходит не только спонтанное излучение, но и еще один процесс – индуцированное (вынужденное) излучение. Суть вынужденного излучения состоит в том, что если на электрон, находящийся в зоне проводимости падает свет с частотой f₀, примерно равной частоте f, определяемой (15.1), то возникает излучение с частотой f₀ и направлением падающего света. Таким образом, к спонтанному добавляется вынужденное излучение. При каждом переходе возникшего вынужденного излучения между зеркалами оно усиливается средой полупроводника, так как вызывает все новые и новые вынужденные излучательные рекомбинации носителей.

Если потери в такой структуре меньше, чем усиление, то возникает лазерный эффект, характеризующийся появлением генерации вынужденного излучения. Стоит убрать зеркала, обеспечивающие положительную обратную связь, генерация прекратится, хотя спонтанное излучение можно по-прежнему наблюдать. Механизмы спонтанного и вынужденного излучений используются в лазерных диодах.

Вынужденное или индуцированное излучение приводит к значительному снижению числа излучаемых продольных мод.

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 15.4.

Рис. 15.4. 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.

Структура СИД торцевого типа показана на рисунке 15.5. В торцевом СИД используется двойная гетероструктура. Гетероструктурой или гетеропереходом называются полупроводники с p-n–переходом из различных материалов.

На рисунках 15.6, 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 15.6, а) потенциальным барьером перехода p(GaAs) – p(Al_xGa_1-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 данном случае – справа).

Рис. 15.5. Структура светоизлучающего диода торцевого типа

а) б)

Рис. 15.6. Гетероструктуры с ОГС (а) и ДГС (б)

Гораздо лучшими свойствами обладает ДГС. В такой структуре активная излучательная рекомбинация (рисунок 15.6, 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.

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 q = 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 зависимости от NA составляют 10... 16 дБ.

Лазерные диоды. Лазерные диоды являются когерентными источниками света, которые в отличие от некогерентных излучают синфазные оптические волны. В основе 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. 15.7), перпендикулярным двум противоположным торцам кристалла.

Рис. 15.7 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 I_и (накачки) возрастает, достигая порогового значения I_п, 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 I_п должна быть 30... 100 А/см². Столь большие плотности токов 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 I_п 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 I_п 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 I_п (5.. 10 мА/см²) и малые выходные мощности (0, 5... 2 мВт) из-за малых размеров излучающей площадки, не превышающей 1... 2 мкм.

Рисунок 15. 8. 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.

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. 15.9.

Рис. 15.9 Структура лазера РОС

Необходимый период решетки l_р можно определить из соотношения l_р = k l / 2n, где k - 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.15.10) дифракционные решетки располагаются вне области накачки.

Рис. 15.10 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: ватт-амперная характеристика W_o=f(Iн), описывающая зависимость мощности оптического излучения W_o от тока возбуждения I_в, (или тока инжекции — I_u); примерные ватт-амперные характеристики СИД и ЛД приведены на рис. 13.4; спектральная характеристика излучения при различных величинах тока возбуждения (инжекции), показывающая зависимость относительной мощности оптического излучения W/W_o от длины волны оптического излучения, т.е. W/W_o = f(l, I_в), (здесь W_o — мощность оптического излучения на номинальной длине волны l_o и W — на текущей длине волны в пределах соответствующего окна прозрачности оптического волокна) типичная спектральная характеристика источников оптического излучения приведена на рис. 15.11; 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.15.12 представлены типичные диаграммы направленности для светоизлучающих и лазерных диодов.

Рис. 13.10. Ватт-амперная характеристика Рис. 15.11. Типичная спектральная

источника оптического излучения характеристика источника оптического излучения

Рис. 15.12. Диаграмма направленности источников оптического излучения

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

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

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

Когда апертура NА_и, источника больше, чем NA_в, волокна, то потери, вызванные этим рассогласованием А_д, равны:

Потери отсутствуют, если апертура волокна больше апертуры источника излучения.

Рассмотрим, например, источник излучения с выходным диаметром d_и = 100 микрон и апертурой NA_и = 0,3, и подключенное к нему волокно с диаметром d_в, = 62,5 микрон и NА_в, = 0,275. Потери из-за рассогласования параметров волокна и источника излучения будут равны:

Общие потери составляют А_п =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.15.13).

Рису. 15.13. 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).

Контрольные вопросы.

1. Нарисуйте схемы выполнения полосковых контактов.

2. Нарисуйте схему СИД торцевого типа и поясните принцип работы

3. Нарисуйте схему СИД с поверхностным излучением и поясните принцип работы.

4. Поясните принцип работы ЛД.

Дата добавления: 2014-01-07