Конспект лекций по дисциплине восп для студентов специальности 210404 Многоканальные телекоммуникационные системы
 Скачать 4.71 Mb.
|
Рисунок 2.8 – Зависимость затухания оптического волокна от длины волны светаНа длинах волн 0,95 и 1,39 мкм возникают всплески затухания, которые обусловлены резонансными явлениями в гидроксильных группах ОН («водные пики»). Между пиками затухания находятся три области с минимальными оптическими потерями, которые получили название окон прозрачности. С увеличением номера окна затухание уменьшается. Так первое окно прозрачности наблюдается на длине волны 0,85 мкм. Второе окно прозрачности соответствует длине волны 1,3 мкм. Третье окно прозрачности наблюдается на длине волны 1,55 мкм, на которой затухание сигнала в ОВ минимально и составляет 0,22 дБ/км. Таким образом, целесообразно, чтобы оптические системы передачи по волоконным световодам работали именно на указанных длинах волн, которые получили название рабочих. В настоящее время наибольший интерес вызывают два последних окна прозрачности, которые обеспечивают наименьшее затухание и максимальную пропускную способность волоконных световодов. Внедрение технологий «плотного» частотного уплотнения (DWDM) вкупе с использованием эрбиевых оптических усилителей привело к разработке нового типа оптических волокон. При использовании технологии DWDM в оптическом волокне одновременно вводится большое количество (до 300) оптических сигналов на близких длинах волн, каждый из которых несет свой, независимый от других информационный поток.  Рисунок 2.9 – Спектральная зависимость затухания в волокне TrueWave RS Фирма Lucent выпускает усовершенствованные оптического волокна - TrueWave RS(рисунок 2.9), в котором несколько расширен в дальней области рабочий спектральный диапазон, при этом возникает четвёртое окно прозрачности, что дополнительно увеличивает пропускную способность оптического кабеля. На рисунке 2.10 представлена спектральная зависимость затухания в волокне AllWave. В отличие от стандартного одномодового волокна данное оптическое волокно, производимое фирмой Lucent не имеет так называемого «водяного пика», т. е. увеличения поглощения на длине волны 1,385 мкм, соответствующей спектру поглощения ионов OH. На этой длине волны поглощение составляет 0,31 дБ/км, т.е. появилось пятое окно прозрачности.  Рисунок 2.10 – Спектральная зависимость затухания в волокне AllWave Спектральная область оптического волокна с малыми потерями (< 0,3 дБ/км) расширилась до 500 нм и лежит в диапазоне длин волн 1200-1700 нм. Использование всего спектрального диапазона волокна позволяет резко увеличить информационную ёмкость волоконно-оптических систем со спектральным уплотнением каналов. Кроме выше перечисленных потерь необходимо учитывать потери, возникающие при вводе излучения в ОВ, к ним относятся: аап - апертурные потери, обусловленные несовпадением апертур излучателя и световода; афр - френелевские потери на отражение от торцов световода и т. д. В качестве излучателей в ВОСП используют светоизлучающие диоды СИД полупроводниковые лазеры ППЛ. СИД излучают свет в телесном угле 30-60°, а ППЛ – в телесном угле от 3 до 30°. Если апертура излучателя больше апертуры ОВ, то часть оптического сигнала теряется ещё при вводе в ОВ. Это и есть аппертурные потери. Для уменьшения апертурных потерь для ввода излучения в ОВ используют фокусирующие линзы. Для уменьшения френелевских потерь торцы ОВ покрывают специальными антиотражающими плёнками толщиной кратной λ/4. 2.3 Дисперсия и полоса пропусканияИмпульсы света, последовательность которых определяет информационный поток, в процессе распространения расплываются. При достаточно большом расширении импульсы начинают перекрываться, так что становится невозможным их выделение на приёме. Дисперсия τ - это рассеяние во времени спектральных и модовых составляющих оптического сигнала, приводящее к расширению длительности импульса на приёме. Дисперсия определяется как квадратичная разность длительности импульсов на выходе и входе кабеля: τ(l) =  , пс/км. (2.8)Чем меньше значение дисперсии, тем больше ширина полосы пропускания ОВ, тем больший поток информации можно передать по ОВ. Максимальная ширина полосы пропускания на 1 километр кабеля обратно пропорциональна дисперсии и приближённо равна:  F = 0, 44/ τ , Гц (2.9)Дисперсию классифицируют по причинам происхождения следующим образом:  Рисунок 2.11 – Виды дисперсии Результирующая дисперсия определяется из формулы:  (2.10)
Материальная дисперсия обусловлена зависимостью показателя преломления оптического волокна от длины волны λ. Волноводная дисперсия обусловлена зависимостью коэффициента распространения моды  от длины волны λ. Волноводная дисперсия возникает из-за ограничения света направляющей структурой (волокном). Тогда как почти вся энергия в многомодовом ОВ сконцентрирована в относительно большой сердцевине, в одномодовых ОВ свет распространяется и в сердцевине и в оболочке. Единственная направляемая мода может рассматриваться как распространяющаяся со скоростью, определяемой эффективным показателем преломления, большим чем показатель преломления оболочки, но меньшим показателя сердцевины. С ростом длины волны всё больше энергии распространяется в оболочке с малым показателем преломления. В результате получается расширение импульса, зависящее от структуры волокна, т. е. волноводная дисперсия.
 Рисунок 2.12 – Поляризационно-модовая дисперсия Наличие ПМД приводит к тому, что результирующий выходной импульс света уширяется по сравнению с входным. Луч света от источника излучения попадает на вход ОВ. При этом возникает явление двойного лучепреломления. Это означает, что внутри ОВ образуется две волны (моды), которые поляризуется в двух ортогональных (взаимно-перпендикулярных) плоскостях и распространяется в виде двух мод одной волны. Из-за физической асимметрии показателя преломления ОВ эти моды одной волны движутся с разной скоростью. ПМД также может быть возникать в местах соединения волокон или изгибах. ПМД влияет на работу ВОЛС так же, как и хроматическая дисперсия, но механизм уширения импульсов в этих случаях различен. Существенным отличием ПМД от хроматической дисперсии является тот факт, что влияние хроматической дисперсии в линии можно компенсировать, в то время как методов компенсации влияния ПМД в настоящее время не существует. В прошлом (лет 15 назад) влияние ПМД не принималось во внимание, поскольку скорости передачи, а также расстояния между регенераторами в ВОЛС были относительно невелики. В настоящее время, когда скорости передачи достигают сотен Гбит/с, а расстояния между оптическими регенераторами в ВОЛС - сотен километров, ПМД становится ограничивающим фактором при разработке ВОЛС. Вмногомодовых ступенчатых волокнах определяющей является межмодовая дисперсия, которая обусловлена наличием большого числа распространяющихся мод и различиями времен их распространения по волокну, обычно в многогодовом ОВ τ =20÷50 нс/км. В градиентных ОВ происходит выравнивание времени распространения различных мод и определяющей является материальная дисперсия, τ =3÷5 нс/км. В ступенчатых одномодовых ОВ проявляется хроматическая(волноводная и материальная) дисперсия, но они почти равны по абсолютной величине и противоположны по фазе в широком спектральном диапазоне (Рис.13) при λ = 1,2 ÷ 1,7 мкм. В одномодовых ОВ τ = 5 -17 пс/км. Возникновение хроматической дисперсии в материале световода обусловлено тем, что оптический источник, возбуждающий вход ОВ (светоизлучающий диод – СИД или лазерный диод – ЛД), формирует световые импульсы, имеющие непрерывный волновой спектр определенной ширины (например, для СИД это примерно 35-60 нм, для многомодовых лазерных диодов (ММЛД) – 2-5 нм, для одномодовых ЛД (ОМЛД) – 0,01-1нм). Различные спектральные компоненты импульса распространяются с разными скоростями и приходят в определенную точку (к концу волокна) в разное время, приводя к уширению импульса на выходе. В области от 800 нм до 1270 нм более длинные волны (более красные) движутся по ОВ быстрее по сравнению с более короткими (более голубыми) длинами волн (рисунок 2.13). Например, волны длиной 860 нм распространяются быстрее по стеклянному волокну, чем волны длиной 850 нм. Это связано с тем, что коэффициент преломления стекла в диапазоне от 800 нм до 1270 нм уменьшается с ростом длины волны, (этим же самым явлением объясняется возникновение радуги). Такая дисперсия называется положительной.  В области от 1270 нм до 1700 нм ситуация меняется: более короткие волны движутся быстрее по сравнению с более длинными; волна 1560 нм движется медленнее, чем волна 1540 нм, т.е. коэффициент преломления стекла в диапазоне от 1270 нм до 1700 нм увеличивается с ростом длины волны. Это явление называют аномальной (отрицательной) дисперсией. Отрицательная дисперсия выражается в том, что более «медленные» спектральные составляющие импульса ускоряются, а «быстрые», наоборот замедляются. В некоторой точке спектра происходит совпадение, при этом более голубые и более красные длины волн движутся с одной и той же скоростью. Это совпадение скоростей происходит на длине волны примерно 1270 нм, на этой длине волны материальная дисперсия равна нулю (См. рисунок 2.13 и таблицу 2.1). Из рисунка 2.13 видно, что на определённой длине волны материальная и волноводная дисперсия противоположны по знаку и равны по величине, т. е. взаимно компенсируются. На этой длине волны хроматическая дисперсия, являющаяся суммой материальной и волноводной дисперсий, равна нулю. Для ОВ эта длина волны - порядка 1312 нм, её называют длиной волны нулевой дисперсии, Таким образом, для одномодового кварцевого волокна хроматическая дисперсия положительна для длин волн λ<1312 нм и отрицательна для длин волн λ>1312 нм, а в окрестности λ = 1312 нм она нулевая. Таблица 2.1 – Типичные значения удельной материальной дисперсии одномодового ОВ
Материальная и волноводная дисперсии ОВ пропорциональны ширине спектра излучения источника Δλ.Значения этих дисперсий можно определить через удельную дисперсию по формулам:  ; (2.11) (2.12)где М(λ) – удельная материальная дисперсия, значения которой представлены в таблице 2.1, В(λ) – удельная волноводная дисперсия, значения которой представлены в таблице 2.1, Δλ – ширина спектральной линии источника излучения. Измеряется хроматическая дисперсия в единицах: пс/км. Известно, что для кварцевых ОВ минимум затухания соответствует длине волны 1,55 мкм и дальность связи на этой длине волны ограничивается хроматической дисперсией. Как следует из рисунка 2.13, обычное одномодовое волокно не обеспечивает минимум дисперсии для λ=1,55 мкм, поэтому были разработаны ОВ со смещенной (Dispersion Shifted) дисперсией, которые отличаются конфигурацией профиля показателя преломления (треугольный профиль).  Рисунок 2.14 – Зависимость материальной, волноводной и результирующей дисперсии от длины волны для ОВ со смещённой дисперсией На рисунке 2.14 представлены зависимости материальной, волноводной и результирующей дисперсии от длины волны для ОВ со смещённой дисперсией. При изменении профиля преломления ОВволноводная дисперсия увеличивается, икомпенсация дисперсии осуществляется на другой длине волны – 1,55 мкм, благодаря чему можно оптимизировать ОВ для работы в третьем окне прозрачности, где затухание ОВ минимально. В результате исследований волокон со смещенной дисперсией было показано, что наилучшие показатели обеспечивают волокна с треугольным профилем, так как они обладают самофокусирующими свойствами и удерживают распространяющиеся лучи в небольшом объеме, прилегающем к оси ОВ. Хроматическая дисперсия выбрана международным союзом связистов (INU) в качестве критерия для классификации одномодовых оптических волокон. Согласно этому критерию, существует три типа одномодовых оптических волокон:
3 ОПТОЭЛЕКТРОННЫЕ КОМПОНЕНТЫ ВОСП 3.1 Источники оптического излучения Требования к источникам излучения.
Источники света и приёмники света, как правило, выполняются из полупроводниковых материалов. Наиболее часто используются полупроводники, принадлежащие к III, IV, V группам таблицы Менделеева: III группа – Бор (B), Алюминий (Al), Галлий (Ga), Индий (In), Таллий (Tl); IV группа – Кремний (Si), Германий (Ge); V группа– Азот (N), Фосфор (Р), Мышьяк (As), Сурьма (Sb), Висмут (Bi). 3.1.1 Природа излучения светаНе зная, как устроен атом, невозможно объяснить излучение света. Согласно знаменитой атомной модели датского физика Нильса Бора вокруг тяжелого положительного ядра на определенных орбитах вращаются легкие, отрицательно заряженные элементарные частицы – электроны. Если к атому подвести внешнюю энергию, то электрон может быть поднят на следующую, более высокую орбиту. При этом для каждого скачка между двумя орбитами требуется энергия, точно соответствующая кванту Планка. Количественное значение кванта излучения было найдено Максом Планком в 1900 г. Квант представляет собой порцию энергии hf, где f – частота энергии излучения, h – так называемая постоянная Планка – это универсальная постоянная величина;  Удаленные от ядра орбиты не являются для электрона стабильными. Он может пребывать там короткое время и затем возвращается на первоначальную орбиту – прямо или “по ступенькам”. И подобно тому, как электрон забирает энергию, чтобы попасть на более высокую орбиту, он отдает энергию при возвращении на стабильную орбиту, при этом только целочисленными порциями, которые зафиксированы стабильными орбитами (которые соответствуют определенным энергетическим уровням) в модели атома. Вращаясь на стационарных орбитах, электроны не излучают. Нильс Бор в 1913 году сформулировал в виде постулатов свои представления о механизме поглощения и излучения света. Согласно второму постулату Бора: излучение происходит только при переходе электрона с удаленной от ядра орбиты, которой соответствует высокий энергетический уровень, на более близкую к ядру орбиту, т.е. на более низкий энергетический уровень, являющийся основным. Излучение является следствием возбуждения атомов, т.е. перехода электрона с основной орбиты на более удаленную орбиту от ядра. В полупроводниках концентрация электронов велика, поэтому энергетических уровней много и расположены они плотно, образуя энергетические зоны (Рисунок 3.1). Валентную зону образуют электроны внешней оболочки атома. Зона проводимости образована электронами, которые совершают беспорядочное движение внутри тела, переходя от одних атомов к другим. Между ними находится запрещённая зона, соответствующая уровням энергии, на которых электроны не могут находиться. Ширина запрещённой зоны для каждого полупроводника различна (см таблицу 3.1).  Рисунок 3.1 Возбуждение атома приводит к переходу электронов из валентной зоны в зону проводимости, это может происходить: при поглощении света, или под влиянием температуры, или при ударе в атом внешнего электрона, или при химических реакциях и т.д. Для того, чтобы излучение света происходило в течении необходимого промежутка времени, надо все это время к данному веществу, называемому активной средой подводить тем или иным способом энергию. Такой процесс получил название накачки. Полупроводники классифицируются на собственные (СПП) и примесные (ППП). В СПП количество свободных электронов зависит от внешних факторов, а у ППП определяется концентрацией примесей. В качестве источников света в современных ВОСП используются светоизлучающие диоды (СИД) и полупроводниковые лазеры (ППЛ). Материалом для них служат примесные полупроводники, в которых созданы n и p области (рисунок 3.2). Полупроводник будет «n» типа, если к первому полупроводнику добавляется второй полупроводник, имеющий большую валентность. Например, к германию (4-х валентный) добавляется сурьма (5-ти валентная), их атомы взаимодействуют четырьмя электронами, а пятый оседает в зоне проводимости. Полупроводники «p» типа получают, например, добавлением к 4-х валентному германию 3-х валентного индия. Атомы индия отбирают электроны германия, и он становится дырочной проводимости. 3.2 Принцип работы светодиода СИД представляет собой кристалл полупроводника с p-n переходом (рисунок 3.2), протекание электрического тока через который вызывает интенсивное спонтанное излучение. Принцип работы полупроводникового СИД основан на возбуждении атомов, проходящих через диод, электрическим током.  Рисунок 3.2 – Светоизлучающий диод Вследствие подачи прямого напряжения на СИД носители заряда (электроны и дырки) проникают в активный слой из прилегающих пассивных слоёв (p и n слоя), а затем испытывают спонтанную рекомбинацию, сопровождающуюся излучением света. При рекомбинации электронов и дырок в активном слое электроны переходят из нижних уровней зоны проводимости на верхние уровни валентной зоны. Возвращение электронов в основное состояние сопровождается излучением фотонов света с частотой: f = (E2-E1)/h, (3.1) где E1 – энергия основного энергетического уровня в валентной зоне; E2 – энергия энергетического уровня в зоне проводимости; h – постоянная Планка (h =  Дж•с). Частота излучения:  ; (3.2)где с – скорость света (с =  м/с), поэтому длина волны излучения: определяется с помощью формулы 3.3, называемой частотное условие Бора:  . (3.3)Таким образом, частота излучения (длина волны) зависит от материала, из которого изготовлен активный слой СИД, так как каждое вещество характеризуется своей шириной запрещённой зоны ΔW.= E2-E1. Внесение в полупроводник некоторых примесей позволяет получить свечение различного света. Например, красный цвет свечения имеют СИД из тройного соединения GaAsP, зелёный цвет свечения – у СИД из фосфида галлия GaP. В ВОСП в качестве источников излучения применяют СИД и лазерные диоды инфракрасного излучения. Устройства на основе арсенида галлия с добавлением алюминия (GaAlAs) излучают свет длинной 0,8-0,9 мкм (1 ОП). Устройства на основе арсенида фосфида индия-галия (InGaAsP) излучают свет длинной 1,0-1,6 мкм (2 и 3 ОП). Таблица 3.1–Материалы, используемые для изготовления СИД
3.3 Конструкции светодиодов для оптической связи В технике оптической связи наибольшее применение получили две конструкции СИД: поверхностный и торцевой. В поверхностном СИД (рисунок 3.3) волоконный световод присоединяется к поверхности излучения через специальную выемку в полупроводниковой подложке. Такой способ стыковки СИД и ОВ обусловлен необходимостью ввода максимальной мощности спонтанного излучения в стекловолокно.  Рисунок 3.3 – Конструкция поверхностного СИД Знак «+», находящийся рядом с типом проводимости указывает на область с более высокой концентрацией примеси, т.е. с более высокой проводимостью. Недостатком поверхностного светодиода является то, что фотоны, рождающиеся в его активном слое, разлетаются во все стороны от активного слоя. Лишь малая часть фотонов (около 2  ) достигают оптического волокна. Поэтому поверхностные светодиоды не используют в качестве источников излучения в приёмопередатчиках ВОСП. Рисунок 3.4 – Конструкция торцевого СИД (СЛД) В конструкции торцевого светодиода (рисунок 3.4) предусмотрен вывод оптической мощности излучения через один из торцов. При этом другой торец выполнен в виде зеркала, которое отражает фотоны в активный слой. В этом СИД применяются дополнительные слои полупроводникового материала GaAlAs, которые отличаются от активного слоя показателем преломления и шириной запрещённой зоны. Это создаёт в активном слое оптический волновод, способствующий увеличению мощности излучения и его концентрации в пространстве. В этом СИД, как и большинстве лазеров, имеются гетеропереходы. Гетеропереходами называются переходы между различными полупроводниками, имеющими различную ширину запрещённой зоны. Из рисунка 3.4 видно, что показатель преломления активного слоя n1 чуть меньше показателей преломления прилегающих к нему пассивных слоёв n2, благодаря чему внутри СИД создаётся структура, аналогичная оптическому волокну. Эта структура не даёт фотонам вылетать в пассивные слои СИД, что приводит к уменьшению потерь света и более мощному и направленному излучению. Светоизлучающий торец СИД согласуется с ОВ линзовой системой. Соединения Ga1-хAlхAs получаются путём замещения в кристалле арсенида галлия GaAs части атомов галлия алюминием. Чем больше молярная доля вещества (х), тем шире запрещённая зона. Излучение СИД является спонтанным, это значит, что атомы излучают кванты в различные моменты времени, в различных направлениях, с различной поляризацией и с различной энергией, то есть излучение происходит беспорядочно. Работа лазеров основана на другом виде излучения, открытом Эйнштейном, и называемом стимулированным. При стимулированном излучении подавляющее большинство фотонов излучается в одном направлении, с одинаковой энергией и в одно время, т.е. излучение является когерентным. Благодаря некоторым выше перечисленным особенностям конструкции торцевого СИД в нём может происходить образование небольшого числа стимулированных фотонов. По этой причине торцевые СИД называют слабокогерентными источниками света – суперлюминесцентными диодами (СЛД). 3.4 Основные характеристики СИД 1) Ватт-амперная характеристика светодиодов показывает зависимость излучаемой мощности от тока, протекающего через СИД. Характеристика имеет линейный и нелинейный участки, Нелинейность обусловлена предельными возможностями СИД по спонтанной рекомбинации электронов и дырок и их ограниченным числом, зависящим от насыщенности примесями и общего объёма активного слоя. Из рисунка 3.5 видно, что при одном и том же токе накачки мощность излучения поверхностного светодиода в два с лишним раза меньше, чем мощность излучения торцевого светодиода.  Рисунок 3.5 – Ваттамперная характеристика СИД и СЛД 2) Спектральная характеристика светодиодов показывает зависимость излучаемой мощности от длины волны излучения.  Рисунок 3.6 – Спектральная характеристика СИД и СЛД При спонтанном излучении электроны переходят с любого уровня в зоне проводимости на любой уровень в валентной зоне. Поэтому спектр излучения оказывается размытым, это следует из формулы:  По спектральной характеристике можно определить ширину спектра излучения на уровне половинной от максимальной мощности излучения. Ширина спектра СЛД ∆λ1 (около 10-30 нм), для поверхностного СИД ∆λ2 (около 30-60 нм). Более узкий спектр излучения СЛД объясняется наличием кроме спонтанного излучения небольшого числа стимулированных фотонов.3) Диаграмма направленности излучения СИД показывает распределение энергии излучения в пространстве.  Рисунок 3.7 – Диаграмма направленности светодиодов Угловая расходимость излучения оценивается на уровне уменьшения мощности в пространстве в два раза (Рмакс /2), что отмечено на рисунке точками на пересечении лучей и кривых распределения мощности. Для поверхностного СИД величины φx = φy и могут составлять 110-180º. Для СЛД величины φx и φy не равны и примерно составляют: φx = 60º , φy =30º. 4) Внешняя квантовая эффективность СИД показывает долю выводимой мощности излучения от полученной в результате спонтанной рекомбинации.  Ризл/Ррекомб. (3.4)Для СИД эта доля не превышает 2-10  , что обусловлено большими потерями из-за рассеяния мощности внутри СИД и отражением фотонов на границе «полупроводник-воздух» и «полупроводник-световод» из-за различных показателей преломления полупроводника (n=3,5) и среды (n=1,5).3.5 Полупроводниковые лазеры (ППЛ) Лазер – это оптический квантовый генератор. Термин «лазер» LASER (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) является аббревиатурой английской фразы: «Усиление света стимулированным излучением». Работа лазеров основана на открытом Эйнштейном виде излучения, называемом вынужденным, индуцированным или стимулированным. Этот вид излучения заключается в том, что столкновение фотона с возбужденным атомом может вызвать переход атома в невозбужденное состояние, то есть переход электрона на основную менее удаленную от ядра орбиту. А избыток энергии излучается в виде нового фотона (близнеца) с точно такой же энергией, направлением распространения и поляризацией, как и у первичного фотона, вызвавшего этот процесс. При прохождении света через вещество одновременно может происходить три процесса:
Эти три процесса, сопровождающие переходы атомов в возбужденные состояния и обратно, были постулированы А. Эйнштейном ещё в 1916 г. Для того, чтобы мощность светового излучения увеличивалась после прохождения через вещество, больше половины атомов вещества должно находиться в возбуждённом состоянии. То есть число электронов в зоне проводимости N2 должно быть больше, чем число электронов в валентной зоне N1. Состояние вещества, в котором меньше половины атомов находится в возбуждённом состоянии, называется состоянием с нормальной населённостью энергетических уровней. Состояние, при котором больше половины атомов вещества находится в возбуждённом состоянии, называется состоянием с инверсной населённостью уровней (рисунок 3.8).  Рисунок 3.8 В веществе с инверсной населённостью уровней на пути фотонов чаше встречаются возбуждённые атомы, чем атомы в основном состоянии, поэтому индуцированное излучение фотонов происходит чаще, чем их поглощение. В результате при прохождении света нужной частоты через вещество с инверсной населённостью уровней поток света усиливается, а не ослабляется. Экспериментальное явление усиления света при его прохождении через среду с инверсной населённостью уровней было открыто в 1951 году советскими учёными В.А. Фабрикантом, М.М. Вудынским и Ф.А. Бутаевой. Система атомов с инверсной населённостью уровней способна не только усиливать, но и генерировать электромагнитное излучение. Для работы в режиме генератора необходима положительная обратная связь, при которой часть сигнала с выхода устройства подаётся на его вход. Для этого активная среда, в которой создаётся инверсная населённость уровней, располагается в резонаторе, состоящем из двух параллельных зеркал. Принцип действия полупроводникового лазера Простейшим лазером является лазер с резонатором Фабри-Перо, представленный на рисунке 3.9. ППЛ имеет такой же излучающий PN переход, как и СИД, но структура его отличается тем, что кристалл полупроводника полируют с торцов, чтобы получить зеркальные стенки, между которыми образуется оптический резонатор (так называемый резонатор Фабри-Перо).  Рисунок 3.9 – Лазер с резонатором Фабри-Перо Одно из зеркал резонатора отражает свет с коэффициентом отражения близким к 100% , а другое зеркало является полупрозрачным (коэффициент отражения К=0,3), обеспечивая тем самым выход излучения наружу.  Рисунок 3.10 – Резонатор Фабри-Перо На ППЛ подается прямое напряжение, под действием которого в активном слое происходит рекомбинация электронов с дырками, при этом электроны переходят из зоны проводимости в валентную зону, и возникает лазерное излучение. Кристалл ППЛ имеет приблизительно следующие размеры: L=100-500 мкм; W=10 мкм; d=1 мкм (рисунок 3.9). Что же происходит внутри резонатора? В пространстве между двумя плоскими зеркалами (рисунок 3.10), одно из которых 2 полупрозрачное, движется поток излучаемых атомами фотонов от зеркала 1 к зеркалу 2. Большая часть этого потока проходит через полупрозрачное зеркало 2 и излучается наружу, а небольшая часть потока отражается, движется обратно, затем отражается от зеркала 1, снова движется к зеркалу 2, где отражается частично, снова движется обратно и т.д. Фотон, отразившийся от зеркала 2, при движении обратно сталкивается с возбужденным атомом из-за чего тот излучает фотон-клон, с той же энергией и направлением излучения, что и первый фотон. Один из этих фотонов ударит следующий атом, который даст излучение ещё одного фотона и т.д. В результате цепной реакции размножения фотонов световой поток усиливается, и между зеркалами будет двигаться целая армия фотонов - близнецов, имеющих одинаковую энергию (а значит, длину волны), одинаковое направление движения и одинаковую поляризацию. Так на выходе лазера появляется когерентное излучение.  Рисунок 3.11 – Ватт-амперная характеристика лазера При малых токах накачки (рисунок 3.11) меньше половины атомов активного слоя находится в возбуждённом состоянии, поэтому количество вынужденных фотонов мало, лазер испытывает слабое спонтанное излучение, работая как слабоэффективный светодиод. При увеличении тока накачки возрастает инверсная населённость и при N2>N1 происходит полное поглощение спонтанного излучения вынужденным. Ток, при котором это происходит, называется пороговым(рисунок 3.9). После порогового тока резко нарастает мощность излучения и его когерентность. Такой режим работы называется лазерной генерацией При одновременном рождении (принципиально это возможно) большого числа спонтанно испущенных фотонов возникает большое число лавин, каждая из которых будет распространяться в своем направлении, заданном первоначальным фотоном соответствующей лавины. На рисунке 3.8 видно, что спонтанно родившиеся фотоны, направление распространения которых не перпендикулярно плоскости зеркал, создают лавины фотонов, выходящие за пределы резонатора. В то же время фотоны, направление распространения которых перпендикулярно плоскости зеркал, создадут лавины, многократно усилившиеся в среде вследствие многократного отражения от зеркал. При правильно подобранном пропускании зеркал, точной их настройке относительно друг друга и относительно продольной оси среды с инверсной населенностью обратная связь может оказаться настолько эффективной, что излучение "вбок" можно будет полностью пренебречь по сравнению с излучением, выходящим через зеркала. Лазерная генерация возникает только при определённой длине L резонатора, кратной целому числу полуволн L = m   /2, где m = 1, 2, 3…- число полуволн. При этом условии разность хода между вышедшей волной и волной, испытавшей отражение от двух зеркал, оказывается равной целому числу длин волн и на выходе лазера происходит сложение амплитуд световых волн, т. е. в резонаторе образуется стоячая волна. Рисунок 3.12 – Спектр многомодового лазера Лазеры имеют значительно меньшую ширину спектра излучения, чем СИД. Лазер Фабри-Перо называют многомодовым, т.к. в его спектре излучения (рисунок 3.12) наряду с главным пиком, в котором сосредоточена основная мощность излучения, существуют побочные максимумы (моды). Причина их возникновения связана с условиями образования стоячих волн в резонаторе: L = m /2. В резонаторе Фабри-Перо это условие выполняется не только для главной моды, но и для побочных мод. Ширина спектра многомодового лазера и СИД определяется на уровне минус 3дБ от максимальной мощности (P макс/2). Широкий спектр лазерных мод приводит к появлению хроматической дисперсии в ОВ.Для ППЛ Фабри-Перо величина угла расходимости составляет: φx =5-10 град., и φy =15-30 град. Величина порогового тока ППЛ Фабри-Перо сильно зависит от температуры тела лазера. При повышении температуры лазера кривая смещается вправо, а величина порогового тока быстро возрастает (рисунок 3.13). Если ток накачки остаётся прежним, то выходная мощность уменьшается. Для восстановления прежней величины излучаемой мощности необходимо увеличивать ток накачки. А сильное увеличение тока накачки может привести к разрушению активного слоя ППЛ, что приводит к необходимости применения схем термостабилизации параметров лазера.  Рисунок 3.13–Зависимость порогового тока ППЛ Фабри-Перо от температуры ППЛ Фабри-Перо, представленный на рисунке 3.9, является гомолазером, так как состоит из одного вида полупроводников (AsGa). Этот ППЛ имеет большой ток накачки, необходимый для генерации и сильную зависимость тока накачки от температуры тела кристалла. Для преодоления недостатков гомолазеров Фабри-Перо разработаны различные конструкции гетеролазеров. В 1967 г. Жорес Алферов создал первые полупроводниковые гетеролазеры Фабри-Перо, имеющие гетеропереходы, подобно торцевому СИД (Рисунок 3.18). Для их работы требуется меньший ток накачки при той же выходной мощности. Недостатком лазеров Фабри-Перо является то, что они многомодовые. Такие лазеры имеют далеко не самые высокие технические характеристики, но для тех приложений, где не требуются очень высокая скорость передачи и дальность связи, они, в силу более простой конструкции, наилучшим образом подходит с точки зрения критерия “цена – эффективность”. Одномодовые лазеры Для преодоления недостатков многомодовых ППЛ были разработаны одномодовые гетеролазеры, имеющие только одну моду излучения. В одномодовых ППЛ одна из поверхностей резонаторов выполнена в виде дифракционной решетки ДР, то есть эта поверхность является гофрированной. Существуют два вида ППЛ, содержащих гофр: 1) с распределённой обратной связью (РОС-лазеры), (DFB – Distributed Feedback); 2) с распределённым брэговским отражением (РБО-лазер), (DBR – Distributed Bragg Reflector); В лазерах РОС положительная обратная связь, необходимая для генерации лазерного излучения, создаётся не за счёт зеркал, локально расположенных на торцах резонатора, а образуется внутри самого лазера. В лазерах с РОС такая связь образуется благодаря распределённой структуре – «гофр». Это граница между резонатором и другим диэлектрическим слоем (рисунок 3.14).  Рисунок 3.14 – Вариант конструкции POC-лазера Здесь гофр расположен вблизи активного слоя. Резонатор образован между подложкой n  InP и слоем p InGaAsP. Свет дифрагирует на щелях решётки под углом j. Оптическое излучение из активного слоя попадает на ДР, преломляется ею под углом j, отражается от слоя n InP, затем через щели поступает к слою p InGaAsP, отражается от него и т.д. Из курса физики известно, что для дифракционной решётки: sinj = m ×/ d, где m – любое целое число, d - период ДР. Таким образом, дифракционная решётка по-разному преломляет свет с различными длинами волн. Поэтому в таком резонаторе стоячая волна образуется только для главной моды. При этом побочные моды подавляются на 20÷40 дБ по отношению к основной. Для повышения мощности излучения в одномодовый лазер РОС может быть встроено с одного из торцов зеркало.  Рисунок 3.15 – РБО-лазер Лазер с распределёнными брэговскими отражателями, (РБО-лазер) содержит пассивные области, выполненные в виде световодов с гофрированными поверхностями и активную (накачиваемую) область. Отражение происходит из-за периодического изменения показателя преломления вдоль пути света. Основной частотой генерации будет та, при которой будет наибольшее усиление за счёт интерференции отражённых волн. Торец одной из пассивных областей выполняется с большим коэффициентом отражения, торец другой области имеет сравнительно низкую отражательную способность и лазер излучает со стороны только одного этого торца. РБО-лазеры используются для создания ВОСП со спектральным уплотнением (многоволновых систем WDM). Достоинством одномодовых лазеров является малая ширина спектра излучения Δλ = 0,1- 0,4 нм (рисунок3.16). Обычно ширина спектра излучения одномодовых ППЛ оценивается на уровне минус 20 дБ от максимального значения излучаемой мощности.  Рисунок 3.16 – Спектр излучения одномодового лазера Характеристики этих лазеров мало зависят от температуры (рисунок 3.17). Основным недостатком этих лазеров является сложная технология изготовления и, как следствие, более высокая цена.  Рисунок 3.17 – Ваттамперная характеристика одномодового ППЛ Для улучшения характеристик одномодовых и многомодовых лазеров используют уменьшение толщины активной области - «полосковую геометрию». Такие лазеры (рисунок 3.18) называют «полосковыми».  Рисунок 3.18 – Конструкция полоскового гетеролазера Фабри-Перо В конструкциях этих лазеров активную область ограничивают узкой полосой вдоль резонатора шириной менее 1 мкм, заключённой внутри значительно более широкой пассивной части кристалла. Преимуществами этих ППЛ являются: лучший теплоотвод, так как активная область, в которой выделяется тепло, находится внутри более холодного неактивного полупроводника; излучение выходит через площадку малой площади, что упрощает согласование лазера со с  ветоводом; уменьшается рабочий ток лазера. 3.6 Модуляция оптических колебаний Модуляцией называют изменение параметров оптической несущей в зависимости от изменений исходного (модулирующего) сигнала С(t). Демодуляцией называют процесс восстановления исходного сигнала из модулированного колебания. В ВОСП чаще всего используют два вида модуляции: прямую модуляцию и внешнюю модуляцию.  Рисунок 3.19 –Прямая модуляция При прямой модуляции модулирующий сигнал управляет интенсивностью оптической несущей за счёт изменения тока накачки. В результате мощность излучения изменяется по закону изменения модулирующего сигнала.  Рисунок 3.20 –Внешняя модуляция При внешней модуляции для изменения параметров несущей используют модуляторы, выполненные из материалов, показатель преломления которых зависит от воздействия либо электрического, либо магнитного, либо акустического полей. Изменяя исходными сигналами параметры этих полей можно модулировать параметры оптической несущей. 3.6.1 Прямая модуляция со смещением При прямой модуляции СИД или ППЛ за счёт изменения тока накачки изменяется мощность оптического сигнала на выходе излучателя, излучение выходит импульсами.  |
