4.2.1. Модуляционные характеристики светоизлучающего диода

4.2.2. Модуляционные характеристики полупроводникового лазера

4.2.3. Шумы модуляции лазера

4.2.4. Схемотехнические решения для прямой модуляции излучения СИД и ППЛ

4.2.5. Светодиодные, лазерные и интегральные передающие оптические модули

Выходное излучение полупроводникового светодиода или лазера можно непосредственно модулировать изменением характеристик активного слоя (тока накачки/инжекции, объема резонатора лазера) так, чтобы получить модуляцию мощности излучения или оптической частоты, или импульсную модуляцию. Чаще всего при прямой модуляции изменяется выходная мощность или излучение выходит импульсами за счет изменения величины силы тока, протекающего через прибор.

Для реализации прямой модуляции интенсивности (мощности) необходимо подать постоянное смещение (рисунок 4.3), которое позволяет получить линейный процесс.

Интенсивность излучения – средняя мощность, переносимая волной за одну секунду через волновую поверхность площадью один квадратный метр. Однако для описания процесса модуляции часто применяется просто параметр мощности (4.1, 4.2).

(4.1) где Р₀ – постоянная или максимальная мощность излучения в зависимости от выбора величины тока смещения, М – параметр глубины модуляции, который определяется соотношением [24]

(4.2)

где Р_Р – пиковая мощность оптического излучения, Р_min – минимальная мощность оптического излучения.

Изменение мощности излучения может происходить импульсно или по закону сигнала с непрерывным во времени изменением, как показано на рисунке 4.3. Непрерывные (аналоговые) сигналы при модуляции могут искажаться. Поэтому при модуляции интенсивности выбирается линейный участок ваттамперной характеристики излучателя. Достижимой является величина М до 90%, но при этом начинают проявляться нелинейные искажения. Для их оценки и нормирования применяется степенная аппроксимация.

Рисунок 4.3. Прямая модуляция со смещением

Степенная аппроксимация ваттамперной характеристики с нелинейностями в окрестностях некоторой рабочей точки (ток смещения) можно представить в виде зависимости мощности излучения[14]:

(4.3)

где а₀, а₁, а₂... – коэффициенты аппроксимации.

Полагая, что ток, проходящий через прибор (СИД или ППЛ), подчиняется закону

(4.4)

После подстановки 4.4 в 4.3 и перехода к мощности получится:

P_s = P₀ + P₁cos_s t + P₂cos2_s t + P₃cos3_s t + ….. (4.5)

Таким образом, нелинейные искажения приводят при модуляции к искажению формы сигнала и изменению его спектра, т.е. появлению гармоник сигнала P₂cos2_st, P₃cos3_st и т.д. Изменение спектра опасно образованием переходных помех в многоканальных системах. По этой причине на искажения введены показатели для оценки нелинейности: затухание нелинейности по мощности второй и третьей гармоник

(4.6)

Минимально допустимые значения:

а_н2 = 55 дБ, а_н3 = 60 дБ.

Для достижения указанных значений ан2 и ан3 могут применяться различные методы уменьшения нелинейных искажений: предискажение, использование отрицательной обратной связи, фазовая компенсация и другие.

Введение предискажений в информационный сигнал S(t) до модуляции, обратных тем, которые при модуляции вносит источник излучения, позволяет выполнить требование по минимальной величине а2г и а3г, однако в этом методе реализация модулятора чувствительна к возможным изменениям ваттамперной характеристики [8].

Метод отрицательной обратной связи широко применяется для компенсации нелинейных искажений в усилителях аналоговых систем. Однако при реализации в оптическом модуляторе имеет место особенность в использовании оптического канала (рисунок 4.4).

Излучаемая мощность Р_s будет пропорциональна параметрам передачи сигнала в цепи обратной связи, образованной фотодиодом и усилителем 1 (4.7).

Ps ~ Rx[S(t) - KxI_ос] (4.7)

где R – коэффициент, учитывающий передачу в усилителе 2.

Рисунок 4.4. Схема модулятора с компенсацией нелинейных искажений в цепи обратной связи

Рисунок 4.5. Подавление второй гармоники при фазовой компенсации

Необходимо отметить, что кроме компенсации нелинейных искажений в схеме с обратной связью стабилизируется величина средней излучаемой мощности и поддерживается рабочий режим источника излучения.

Идея метода фазовой компенсации отражена на рисунке 4.5.

При фазовой компенсации продуктов нелинейности модуляции (второй гармоники) применяется одновременная модуляция двух близких по характеристикам приборов. При этом модулирующие сигналы S(t) сдвинуты по отношению друг к другу на 90° (/2). Фазы вторых гармоник будут сдвинуты на величину (180°), т.е. будут интерферировать в общем пути в противофазе.

Для уменьшения влияний нелинейных искажений на качество передачи информации в аналоговых системах применяют предварительную модуляцию на поднесущей частоте. При этом модулированный сигнал преобразуется в формат импульсного двухуровнего сигнала с частотно-импульсной, широтно-импульсной, время-импульсной модуляцией (ЧИМ, ШИМ, ВИМ).

4.2.1. Модуляционные характеристики светоизлучающего диода

Частотная характеристика модуляции СИД имеет ограниченную верхнюю частоту, определяемую временем жизни инжектированных носителей зарядов в активном слое _S:

(4.8)

где f – частота модулирующего сигнала S(t). Полоса частот модуляции СИД определяется по частоте, на которой обнаруживается уменьшение средней квадратичной мощности модулированного сигнала в два раза (4.9).

(4.9)

Это возможно в случае

(4.10)

В логарифмическом масштабе это изменение мощности будет соответствовать

На рисунке 4.6 представлен график частотной характеристики модуляции СИД.

Рисунок 4.6. Частотная характеристика модуляции СИД

Реальная полоса частот модуляции СИД зависит от конструкции прибора и, как правило, не превышает 100 МГц.

Эквивалентная электрическая схема модулятора с СИД представлена на рисунке 4.7.

Рисунок 4.7. Эквивалентная схема модулятора с СИД

Заметное отличие имеют характеристики модуляции СИД в высокочастотном непрерывном и импульсном режимах модуляции.

Высокочастотный непрерывный режим предполагает большой ток прямого смещения , на который накладывается гармоническое воздействие

(4.11)

где

В таком случае задержки рекомбинации определяются временем жизни носителей заряда в активном слое ts и внутренней квантовой эффективностью. Достижимая полоса частот модуляции может быть расширена до 200 МГц.

Рисунок 4.8. Характеристика быстродействия СИД при модуляции

В импульсном режиме модуляции, когда происходит включение и выключение прибора большим сигналом, скорость релаксации зависит не только от _s, но и от таких процессов, как перезарядка барьерной емкости p - n перехода (Сд = 10 ? 100 пФ), установлением распределения концентрации носителей зарядов во всей области излучения. При этом наблюдается задержка включения

(4.12)

где Uд – напряжение на диоде, - амплитуда модулирующего импульса. Кроме того, наблюдается время нарастания импульса t_НР (рисунок 4.8).

Общее время включения СИД при импульсной модуляции составит

(4.13)

В результате этого полоса частот модуляции СИД не достигает и 100 МГц. Только в короткозамкнутом режиме, когда выключается и замыкается цепь СИД, полосы частот модуляции малым и большим сигналом могут быть равными.

4.2.2. Модуляционные характеристики полупроводникового лазера

Частотная характеристика модуляции ППЛ имеет ограниченную верхнюю частоту, определяемую спонтанным временем жизни фотона в активном слое внутри резонатора [8, 24]:

(4.14)

где - пороговый ток лазера, - ток модулирующего сигнала.

Частотные характеристики модуляции ППЛ зависят и от добротности резонатора

(4.15) где с – скорость света; n – показатель преломления активного слоя ППЛ; L – длина резонатора; а Р – потери на рассеяние; R1 и R2 - коэффициенты отражения зеркал резонатора.

Кроме того, выбор величины тока смещения относительно порогового позволяет изменять полосу частот модуляции (рисунок 4.9).

Приведенные модуляционные характеристики имеют явно выраженный резонансный характер. В основе резонансного характера лежит процесс взаимодействия между избыточными носителями и оптическим излучением в резонаторе. В зоне генерации возникают два своеобразных резервуара (носители заряда и кванты – фотоны), между которыми происходит обмен энергией. Наиболее наглядно резонансное явление наблюдается при импульсной модуляции тока накачки (рисунок 4.10).

Рисунок 4.9. Частотные характеристики модуляции ППЛ

При возбуждении лазера скачком тока I_S наблюдается задержка начала генерации на время _S , которое необходимо для возрастания плотности носителей зарядов до порогового уровня:

(4.16)

Резкое увеличение концентрации носителей заряда в свою очередь вызывает возрастание рекомбинационного излучения, которое опять с задержкой увеличивает вынужденную рекомбинацию, что приводит к падению концентрации носителей заряда и уменьшению излучаемой мощности. Наличие задержек приводит к колебательному процессу, называемому "пичковым" или "звоном лазера". Пичковый режим ограничивает частотный диапазон модуляции многомодового лазера. Применение в технике оптической связи узкополосковых лазеров, лазеров зарощенного типа, одномодовых лазеров РОС со специальными поглощающими противопичковыми добавками на основе титана исключили в значительной степени влияние "звона".

Рисунок 4.10. Импульсная модуляция ППЛ

Рисунок 4.11. Динамическое уширение спектра лазера при модуляции

Другой проблемой прямой модуляции лазерного прибора стало динамическое уширение спектра. Если ППЛ работает в режиме постоянного тока, то легко возникает одна продольная мода. Однако если осуществить непосредственную гармоническую модуляцию, то число генерируемых продольных мод возрастает. Это связано с тем, что одновременно с модуляцией происходит резкое изменение усиления в активном слое, и при большом числе продольных мод усиление постепенно превышает потери в резонаторе. Это уширение спектра называется динамическим или другое название чирпинг-эффекта, т.е. паразитной частотной модуляции.

Динамическое уширение спектра зависит от частоты модуляции и становится серьезной проблемой в случае, когда полоса передачи ограничена шириной спектра источника оптического излучения, например, хроматической дисперсией в одномодовом стекловолокне (рисунок 4.11) т.к. это явление приводит к дополнительным искажениям оптических импульсов. Кроме того, в процессе прямой модуляции образуются дополнительные шумовые составляющие, которые также ограничивают возможности передачи по волоконным световодам.

4.2.3. Шумы модуляции лазера

Шумы, возникающие при модуляции тока накачки лазера, подразделяются:

• шумы, обусловленные спонтанным излучением;

• шумы, обусловленные изменением температуры и тока (дробовый шум);

• шумы, обусловленные отраженным излучением от стыка с оптическим волокном;

• шумы перескока моды;

• шумы частотной модуляции.

Шумы спонтанного излучения присутствуют во всех без исключения полупроводниковых лазерах. Они обусловлены флуктуациями коэффициента усиления в активном слое из-за флуктуаций спонтанного излучения. При этом максимум шума может быть распределен в частотном интервале от 1 ГГц до 100 ГГц.

Шумы изменения температуры и тока накачки – обусловлены изменением смещения из-за изменения температуры и модулирующих составляющих тока накачки. Сказывается влияние частот ниже 10 МГц.

Шумы отражения оптического сигнала от стыка с поверхностью световода связаны с возвратом отраженного света, который имеет произвольную фазу. При этом изменяются условия генерации, которые приводят к изменению резонансной длины волны, числа генерируемых мод, изменению формы ватт-амперной характеристики и т.д. Для борьбы с шумами отражения используются оптические изоляторы [6, 10].

Шумы перескока моды возникают из-за малого спектрального расстояния между модами. При ширине спектра моды около 1-2 нм расстояние между модами составляет около 0,8 нм. По этой причине и недостаточно высокой добротности резонатора в процессе модуляции возникают возможности генерации лазера на соседних модах. Перескок моды приводит к значительным колебаниям мощности излучения лазера. Для устранения шумов перескока применяется режим с высоким смещением (около или выше порогового тока). Лазеры типа РОС благодаря регулировке не имеют перескока мод.

Шумы частотной модуляции сходны по природе с шумами мод, обусловленными флуктуациями спонтанного излучения, колебаниями температуры, электрического тока, обратным светом, перескоком моды. Эффективным средством борьбы с шумом модуляции лазера считается отрицательная обратная связь с широкой полосой частот.

4.2.4. Схемотехнические решения для прямой модуляции излучения СИД и ППЛ

Простейшая схема (рисунок 4.12) применяется для модуляции СИД. Схема требует больших токов включения источника сигнала. В схеме могут возникать большие искажения информационного сигнала. В схеме сложно выполнить предварительное смещение.

Рисунок 4.12. Простейшая схема модулятора

Схема модулятора с логическим затвором и предварительным смещением (рисунок 4.13) позволяет обеспечить высокие скорости передачи сигналов с двумя уровнями передачи.

Транзистор VT1 с резистором R образуют логический затвор, который управляется информационным сигналом.

Рисунок 4.13. Схема модулятора с логическим затвором

Стабилизирующая схема модулятора с обратной связью позволяет обеспечить высокую линейность модуляции, что чрезвычайно необходимо для сигналов, чувствительных к нелинейным искажениям (рисунок 4.14). Схема стабилизирует излучение ППЛ.

Рисунок 4.14. Стабилизирующая схема модуляции с обратной связью

Небольшая часть выходной мощности захватывается местным фотодиодом (ФД), совмещенным с ППЛ, преобразуется в фототок, ток усиливается и сравнивается с током информационного сигнала. Отклонение мощности излучения компенсируется изменением тока накачки.

Рассмотренные схемы модуляторов могут входить в состав передающих оптических модулей, которые представлены двумя видами [28, 68]: светодиодными или лазерными модулями и интегрированными передающими модулями.

4.2.5. Светодиодные, лазерные и интегральные передающие оптические модули

Светодиодные и лазерные модули представляют собой излучатели, размещенные в корпусах, сопряженных со стандартными оптическими соединителями. Передающие модули помимо согласующих устройств имеют встроенные фотодиоды обратной связи, терморезисторы, термоохладители. Конструктивное оформление модулей способствует выполнению требований по характеристикам и удобству в эксплуатации. На рисунке 4.15 приведен пример схемы модуля. Схема требует применения навесного монтажа, управления охладителями и формирователя тока модуляции.

Рисунок 4.15. Структурная схема лазерного модуля

В таблице 4.1 указано назначение выводов.

Таблица 4.1 Назначение выводов на корпусе лазерного модуля

№ вывода	Назначение вывода
1	Термисторный датчик
2	Термисторный датчик
3	Анод лазерного диода
4	Анод фотодиода
5	Катод фотодиода
6	Термоохладитель
7	Термоохладитель
8	Анод модулятора
Корпус	Катод лазерного диода и модулятора

Рисунок 4.16. Схема передающего интегрированного модуля

Интегральные передающие модули вырабатывают излучение с длинами волн 1510 ... 1564 нм. Они состоят из лазера со схемой управления, системы автоматической регулировки уровня мощности, устройства наблюдения за лазерным лучом и сигнализатора неисправности.

Охладитель со схемой управления размещен в корпусе. Необходимо заметить, что охладитель (микрохолодильник) потребляет электрический ток 300-700мА, что существенно превышает ток накачки при прямой модуляции лазера (10 - 150мА).

Входы данных и тактовой частоты – дифференциальные, на основе схем положительной эмиттерно-связанной логики.

Эти интегральные модули не требуют навесных элементов. Для их применения нужно подвести только напряжение питания.

На рисунке 4.16 представлен пример схемы передающего интегрированного модуля.

В таблицах 4.2 и 4.3 приведены назначение выводов и характеристики [68].

Таблица 4.2 Назначение выводов интегрального модуля

№ вывода	Назначение вывода
2	отключение лазера
3	напряжение питания лазера
4	выход измерителя мощности лазера
5	подстройка частоты лазера
7	сигнал превращения выходной мощности
9	выход датчика температуры
11	напряжение питания охладителя
12	выход сигнала "Температура ниже нормы"
13	выход сигнала "Температура выше нормы"
16	напряжение питания охладителя
17, 18, 22, 28	корпус
23	инвертирующий вход данных
24	неинвертирующий вход данных
25	напряжение питания схем ЭСЛ
26	вход сигнала модулятора
27	напряжение питания схемы управления
Остальные выводы не используются

Таблица 4.3. Характеристики модуля

Параметр	Ед. изм.	Номиналы
Оптические характеристики
Длина волны	нм	1502 ... 1564
Скорость передачи	Мбит/с	2 ... 622
Выходная мощность	дБм	-3 ... +2
Подавление боковых мод	дБ	> 30
Электрические характеристики
Напряжение питания	В	4,7 ... 5,3
Потребляемый ток	мА	200
Напряжение питания охладителя	В	3,0 ... 5,3
Ток охладителя	мА	650
Тип данных	-	эмиттерно-связанная логика (ЭСЛ)
Другие типы вх/вых	-	КМОП