6.2. Классификация оптоэлектронных модулей
6.4.1. Лазерный диод с резонатором Фабри-Перо (FPR)
6.4.2. Лазерный диод с распределенной обратной связью (DFB лазер)
6.1. Общие сведения
Передающий оптоэлектронный модуль (ПОМ) или оптический передатчик обеспечивает преобразование входного электрического (цифрового или аналогового)сигнала в выходной оптический сигнал.
Передающие оптоэлектронные модули включают в себя источник излучения, электронные схемы для стабилизации режимов работы источника излучения (дазерного диода), оптический соединитель или отрезок оптического кабеля. Выполнены в едином конструктивном блоке.
Обобщенная структурная схема ПОМ показана на рис.25.
Главным элементом передающего оптоэлектронного модуля (ПОМ) является источник излучения, к которому предъявляются следующие основные требования :
· излучение должно вестись на длине волны одного из окон прозрачности волокна, где достигаются меньшие потери света при распространении,
· источник должен выдерживать необходимую частоту модуляции для обеспечения передачи информации на требуемой скорости,
· источник должен быть эффективным, т.е. большая часть излучения источника должна попадать в ОВ с минимальными потерями,
· должен иметь большую мощность, чтобы сигнал можно было передавать на большие расстояния, но не на столько, чтобы излучение приводило к нелинейным эффектам или могло повредить ОВ или оптический приемник,
· температурные вариации не должны сказываться на функционировании источника излучения,
· стоимость производства источника излучения должна быть относительно невысокой.
6.2. Классификация оптоэлектронных модулей
Используются два типа источников излучения: светодиоды и лазерные диоды (рис.16). Главное их отличие — в ширине спектра излучения.
Рис.16. Лазерный диод и светодиод
Принцип работы полупроводниковых источников основан на явлении электролюминесценции—излучении света материалом, через который протекает электрический ток, вызванный электрическим полем. Излучение вследствие электролюминесценции (в отличие от теплового) характеризуется сравнительно узким спектром шириной в 10…50 нм для светодиодов и 0,1…3 нм для лазерных диодов.
6.3. Светоизлучающие диоды
Светодиоды — это приборы на основе p-n перехода, которые при прямом напряжении смещения могут испускать спонтанное излучение в УФ, видимой (используют в качестве индикаторов) или ИК (используют в оптронах и ВОСП) областях электромагнитного спектра.
Другими словами, принцип работы основан на излучательной рекомбинации носителей заряда в активной области гетероструктуры при пропускании через нее тока. Носители заряда—электроны и дырки—проникают в активный слой (гетеропереход) из прилегающих пассивных слоев (p- и n-слоя) вследствие подачи напряжения на p-n структуру и затем испытывают спонтанную рекомбинацию, сопровождающуюся излучением света. Излучение некогерентное, происходит непосредственно в области p-n перехода и равномерно распространяется по всем направлениям.
Длина волны l (мкм) связана с шириной запрещенной зоны активного слоя Ез (эВ) законом сохранения энергии l = 1,24/Ез.
Показатель преломления активного слоя выше ограничивающих пассивных слоев, благодаря чему рекомбинационное излучение может распространяться в пределах активного слоя, испытывая многократное отражение, что значительно повышает кпд источника излучения.
Основной материал
для  = 0,85 мкм ( 0,5 = 35 нм) |
- GaAs - арсенид галлия, |
| для =1,3 мкм (0,5 = 110 нм) |
- GaInAsP - четырехэлементные полупроводники. |
| и для =1,55 мкм (0,5=150 нм) |
Длину волны излучения 0 определяют как значение, соответствующее максимуму спектрального распределения мощности. 0,5 - ширина спектра излучения на уровне половины максимальной мощности излучения источника.
Гетерогенные структуры могут создаваться на основе разных полупроводниковых материалов. Обычно в качестве подложки используются GaAs и InP. Состав активного материала выбирается в зависимости от длины волны излучения и создается посредством напыления на подложку.
Существуют светоизлучающие диоды бокового излучения, когда свет излучается перпендикулярно поверхности перехода
(
поскольку энергия запрещенной зоны в обоих слоях оболочки больше энергии активного слоя, излучаемый свет не поглощается электронами валентной зоны оболочек, а проходит наружу беспрепятственно)
и светоизлучательные диоды торцевого излучения (повышенной яркости), которые излучают свет параллельно поверхности перехода и имеют более высокую мощность излучения.
6.4. Лазерные диоды
Полупроводниковые лазерные диоды (ЛД) – генераторы излучения, когерентного в пространстве и во времени, т.е. излучение ЛД монохроматично и сосредоточено в узком пучке.
ЛД существенно отличаются от лазеров других типов.
1. В обычных лазерах квантовые переходы происходят между дискретными энергетическими уровнями, тогда как в ЛД переходы осуществляются между энергетическими зонами.
2. Полупроводниковые ЛД имеют очень малые размеры (около 0,1 мм в длину) и так как активная область у них очень узкая (около 1 мкм и меньше), расхождение лазерного луча значительно больше, чем у обычного лазера.
3. Пространственные и спектральные характеристики излучения ЛД сильно зависят от свойств материала, из которого сделан переход (структура запрещенной зоны и коэффициент преломления).
4. В лазере с p-n переходом излучение возникает непосредственно под действием тока, протекающего через прямо смещенный диод. В результате легко осуществлять модуляцию интенсивности излучения путем изменения силы тока накачки пропорционально модулирующему сигналу.
5. Модуляция ЛД-ов может производиться на очень высоких частотах, т.к. они характеризуются очень малым временем стимулированного излучения.
Работа ЛД связана с тремя основными процессами, обусловленными переходами носителей: поглощением, спонтанной эмиссией и стимулированным излучением.
Лазерные диоды (ЛД) в отличие от светодиодов имеют 2 главных конструктивных отличия:
1. ЛД имеет встроенный оптический резонатор,
2. Работает при больших токах накачки, что позволяет при превышении порогового значения получить режим индуцированного излучения (рис.17). Такое излучение характеризуется высокой когерентностью (ширина спектра ЛД 1-2нм, СД 30-50нм).
Рис.17
При создании лазерных передатчиков надо решить ряд задач, обусловленных следующими особенностями лазера:
1. Для уменьшения времени задержки, то есть увеличения быстродействия лазерного передатчика, рабочая точка (РТ) в состоянии покоя должна быть вблизи излома энергетической характеристики (І нач смещения » І пороговое),
2. Величина І порог (ток, при котором начинается лазерная генерация) сильно зависит от температуры кристалла излучателя и возрастает с течением времени из-за эффектов его старения,
3. Большая крутизна энергетической характеристики при токах, превышающих пороговое значение, в сочетании с низкой стойкостью лазера к перегрузкам требует контроля выходной мощности излучения.
Выходная мощность излучения отражает мощность вводимого в ОВ излучения. Измеряется в Вт и дБм.
На длине волны 1,55 мкм удельная хроматическая дисперсия у SMF составляет 17 пс/нм*км. А так как полоса пропускания обратно пропорциональна ширине спектра излучения, то увеличить полосу пропускания можно только уменьшая ширину спектра излучения лазера. При Dl = 4нм полоса пропускания на 100км составляет 63 МГц, а при Dl = 0,2нм 1260 МГц. Поэтому, чтобы использовать оптические передатчики на 1,55 мкм с SMF, надо делать ширину спектра излучения как можно меньше.
Ввод излучения для одномодового оптоволокна осуществляется узким лучом точно вдоль оси сердечника оптоволокна. В качестве оптического источника излучения здесь применим только лазерный диод. Для многомодовых волокон может использоваться и более дешевый светодиодный излучатель, имеющий более широкую диаграмму направленности излучения.
В настоящее время стало возможным также применение новых, более дешевых излучателей, но имеющих более узкую диаграмму направленности с большой интенсивностью излучения. Таким источником оптического излучения является VCSEL (Vertical Cavity Surface Emitting Laser) — Лазер поверхностного излучения с вертикальным объемным резонатором (рис.18), работающий на длине волны 850 нм и 1300 нм. Применение данного источника излучения будет особенно экономически выгодным на длине волны 850 нм.
Рис. 18. Лазер поверхностного излучения с вертикальным объемным резонатором (VCSEL)
Достоинствами VCSEL являются: технологичность производства излучателя; снижение цены по сравнению с лазерным диодом; узконаправленный и интенсивный спектр оптического излучения.
Наибольшее распространение в качестве источников излучения получили лазерные диоды (ЛД):
· ЛД с резонатором Фабри-Перо (FPR),
· ЛД с распределенной обратной связью (DFB),
· ЛД с распределенным брэгговским отражением (DBR),
· с внешним резонатором.
6.4.1. Лазерный диод с резонатором Фабри-Перо (FPR)
В этом ЛД (рис.19) резонатор образуется торцевыми поверхностями, окружающими с обеих сторон гетеропереход. Одна из поверхностей отражает свет с коэффициентом отражения около 100 %, другая является полупрозрачной, обеспечивая выход излучения наружу.
Рис.19
В спектре наряду с главным пиком, в котором сосредоточена основная мощность излучения, существуют побочные максимумы. Причина связана с условиями образования стоячих волн. Для усиления света надо выполнить 2 условия:
1. должна удовлетворять условию 2D = Nl, где D- диаметр резонатора Фабри-Перо, N- некоторое целое число.
2. должна попадать в диапазон, в пределах которого свет может усиливаться индуцированным излучением. Если этот диапазон достаточно мал, то имеет место одномодовый режим с шириной спектра меньше 1 нм. В противном случае в область Dl0,5 могут попасть 2 и более соседних максимума (многомодовый режим).
FP лазер имеет не самые высокие технические характеристики и используется в силу простоты конструкции, где не требуется очень высокая скорость передачи и подходит с точки зрения цена-эффективность.
Когда реализуется ОМ режим, с ростом скорости передачи у этого ЛД происходит перераспределение мощности в модах, которое приводит к паразитному эффекту- динамическому уширению спектра (до 10 нм при частоте модуляции 1-2ГГц).
Спектральные характеристики многомодового и одномодового лазерных диодов показаны на рис.20,21,22.
6.4.2. Лазерный диод с распределенной обратной связью (DFB лазер). Лазерный диод с распределенным брэгговским отражением (DBR лазер)
Эти лазерные диоды представляют собой модификацию плоского резонатора Фабри-Перо, в которой добавлена периодическая пространственная модуляционная структура. Она в DFB (рис.23) лазерах совмещена с активной областью, а в DBR вынесена за пределы активной области. Периодическая структура влияет на условия распространения и характеристики излучения.
Рис.23
Преимущества этих лазеров в сравнении с FPR :
· уменьшение зависимости l лазера от тока инжекции и температуры (температурный коэффициент Dl/DT для FPR порядка 0,5-1 нм/°С. в то время как для DFB порядка 0,07-0,09 нм/°С )
· высокая стабильность одномодовости
· практически 100%-ная глубина модуляции.
Недостатки:
· Сложная технология изготовления и, значит, более высокая цена.
6.4.3. Лазерный диод с внешним резонатором
В ЛД с внешним резонатором (EC лазер) (рис.24) один или оба торца покрываются слоем, уменьшающим отражение, и одно или два зеркала ставятся вокруг активной области полупроводниковой структуры. Антиотражающее покрытие уменьшает коэффициент отражения примерно на 4 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.
Рис.24
Изменяя расстояние до зеркала и одновременно разворачивая зеркало-решетку (это эквивалентно изменению шага решетки), можно плавно изменять l излучения, причем диапазон настройки достигает 30 нм. Поэтому ЕС лазеры незаменимы при разработке аппаратуры волнового уплотнения и измерительной аппаратуры для ВОЛС. По характеристикам схожи с DFB и DBR лазерами.
Другими важными характеристиками источников излучения наряду с рабочей длиной волны и шириной спектра излучения являются:
- быстродействие
Экспериментально измеряемым параметром, отражающим быстродействие источника излучения, является максимальная частота модуляции. Она определяется как частота входных электрических импульсов, при которой выходной оптический сигнал перестает пересекать пороговые значения 0,1 и 0,9 . оставаясь при этом во внутренней области. Для светодиодов эта частота может достигать до 200МГц, а для ЛД единицы-десятки ГГц. Времена нарастания и спада (t) предоставляют информацию о полосе пропускания W. Если положить, что они равны, то полосу можно определить W = 0,35/t.
- деградация и время наработки на отказ
По мере эксплуатации падает мощность излучения и в конце концов ЛД выходит из строя. Это связано с деградацией полупроводникового слоя. Среднее время наработки на отказ составляет до 150 000часов и более 5-8 лет.
Обобщенная структурная схема передающего оптического модуля показана на рис.25.
Рис.25
Основным элементом является лазерный диод (ЛД).
Система, обеспечивающая работоспособность ЛД, включает функциональные элементы управления электрическим режимом работы лазера и управления температурным режимом работы лазера, а также элементы индикации системы управления состояния лазерного диода.
При малых токах накачки ЛД работает как СИД—ширина спектра большая (рис.16). Чтобы обеспечить необходимый режим работы ЛД, надо задать ток смещения и выбрать рабочую точку (РТ). При подаче управляющих импульсов нужно, чтобы РТ не попала в область недопустимой мощности.
ЛД излучает и в линию, и на фотоприемник схемы контроля и управления током ЛД. При выходе тока смещения за пределы рабочего режима будет выработан сигнал «Авария тока смещения», который идет к системе контроля и управления (светодиод сигнализации на плате ОЛТ, локальный менеджер и сетевой). Одновременно формируется сигнал «Авария мощности излучения».
Система стабилизации работы ЛД основана на обратной связи.
В системе термостабилизации имеется термистор—датчик температуры. Напряжение с термистора поступает на схему контроля и управления температурой ЛД, оттуда на термоэлектромикроохладитель (на эффекте Пельтье — обратимом) и на формирователь сигнала «Авария температуры».
Информация и синхросигналы от мульдексного оборудования поступают на интерфейс, который управляет модулятором (генератором накачки).
Автоматическое отключение ЛД происходит при его аварийном состоянии режима работы и при обрыве волокна.