Источники оптического излучения

Лекция 7

Детекторы и пассивные элементы светового излучения

План:

1. Источники оптического излучения;

2. Приемники оптического излучения;

3. Пассивные и волоконно-оптические элементы;

4. Применение оптических разветвителей.

Пассивные оптические компоненты включают в себя оптические соединители, розетки, шнуры, распределительные панели, кроссо­вые шкафы, соединительные муфты, оптические разветвители, ат­тенюаторы, системы спектрального уплотнения и т.д., то есть всё что необходимо для обеспечения передачи оптического сигнала по волоконно-оптическому кабелю от передатчика к приёмнику.

По мере роста сложности и увеличения протяжённости волокон­но-оптической кабельной системы роль пассивных компонентов возрастает. Практически все системы волоконно-оптической связи, предназначенные для магистральных информационных сетей, ло­кальных вычислительных сетей, а также для сетей кабельного те­левидения, охватывают сразу всё многообразие пассивных воло­конно-оптических компонентов

Источники оптического излучения

Формирование цифрового сигнала для передачи информации и его обратное преобразование при приеме осуществляются в стандартном оконечном оборудовании цифровой системы передачи каналогруппо-образования. Сформированный на передающей станции сигнал пере­дается на приемную станцию в виде световой энергии через обору­дование волоконно-оптического линейного тракта.

Преобразование электрических сигналов в оптические происходит в оптическом передающем устройстве. Основным его элементом является источник оптического излучения.

Оптическое передающее устройство является одним из важнейших элементов, обеспечивающих качественные показатели ЦВОЛП. Оно предназначено для преобразования электрических импульсов в оптические и состоит из источника излучения, схемы управления и узла оптического сопряжения.

Источник излучения, используемый в оптической системе переда­чи, должен удовлетворять ряду требований:

— иметь излучение на волне длиной, соответствующей минимуму затухания ОВ;

— эффективно преобразовывать электрический сигнал в оптичес­кий;

— иметь малый собственный шум, достаточно малую ширину спектра излучения, большой срок службы и высокую надежность;

— обеспечивать требуемые высокие линейность и скорость моду­ляции.

В наибольшей степени таким требованиям удовлетворяют источни­ки излучения, построенные на основе светоизлучающих диодов и инжекционных лазерных диодов, рисунок 7.1.

Рисунок 7.1 – Виды источников излучения

Как светоизлучающие, так и лазерные диоды состоят из несколь­ких слоев полупроводниковых материалов, обладающих различными свойствами и образующих п-р переходы. Генерация излучения в та­ких структурах обусловлена рекомбинацией (перемещением) элект­ронов и дырок под воздействием напряжения, приложенного к п-р переходу и смещающего его в прямом направлении. В результате этого в так называемой активной зоне, расположенной возле п-р пе­рехода, образуются фотоны, распространяющиеся в различных на­правлениях.

Основными материалами, из которых изготавливаются СИД и ЛД, служат арсениды и фосфиды галия, индия и алюминия.

СИД, предназначенные для оптических систем передачи, имеют конструкцию, обеспечивающую вывод и распрост­ранение генерируемого излучения перпендикулярно плоскости п-р перехода, расположенного между слоями полупроводников с прово­димостью различного типа. Важным при этом является эффективность ввода излучения СИД в ОВ. Ее можно увеличить сферической линзой, рисунок 7.2.

Существуют СИД, конструкция которых обес­печивает вывод генерируемого излучения параллельно поверхности п-р перехода, то есть через боковую грань устройства. Это позволяет уменьшить площадь излучающей поверхности, по­высить эффективность ввода генерируемого излучения в ОВ. Такая кон­струкция хорошо приспособ­лена для работы с линзовым согласующим устройством. Однако в СИД с торцевым излучением труднее осуществить теплоотдачу, чем в СИД с поверхностным излуче­нием.

Рисунок 7.2 - Структурная схема светоизлучающего диода

Одной из важнейших характе­ристик СИД является ватт-амперная характери­стика, отражающая за­висимость излучаемой мощности (Р) от тока смещения (инжекции) (I).

Другая важная характеристика СИД — ширина спектра излучения.

Инжекционные ЛД, используемые в оптических сис­темах передачи, по устройству подобны СИД с торцевым излучением. Они также состоят из нескольких слоев полу­проводниковых материалов с различными свойствами, рисунок 7.3.

Рисунок 7.3 - Структурная схема лазерного диода

Для создания эффекта лазерного (стимулированного) излучения необходимо:

— обеспечение достаточного усиления потока фотонов, образу­ющихся в активной области полупроводникового лазера;

— создание резонансной структуры для поддержания вынужден­ного (стимулированного) излучения.

Первое условие выполняется благодаря соответствующему выбо­ру тока смещения, а второе — ограничению активной зоны полупро­водникового лазера полупрозрачными гранями, получающимися при сколе кристалла.

Мощность излучения, генерируемого ЛД, в значи­тельной степени зависит от его температуры. Так, при повышении температуры ЛД от 20 до 40°С при постоянном токе смещения, превышающем пороговый ток, излучаемая им мощность снижается на 25%. Если ток смещения ЛД выбран близ­ким к пороговому, то увеличение температуры приводит к режиму спонтанного излучения, характеризуемому малой мощностью и ши­роким спектром излучения.

Для обеспечения надежной работы источника излучения необходи­мо стабилизировать его режим (ток смещения и температуру). С этой целью к излучателю подключается схема автоматического регулиро­вания тока смещения, а температурный режим стабилизируется мик­рохолодильным устройством.

Важными показателями пригодности источников излучения раз­личных типов для использования в оптических системах передачи являются их модуляционные характеристики. Как СИД, так и ЛД могут модулироваться путем изменения пита­ющего электрического тока (прямая модуляция). Достижимые часто­ты прямой модуляции составляют от 20 МГц до 1 ГГц (для СИД различных типов) и от 5 до 10 ГГц (для наиболее быстродействующих ЛД).

Для ВОСП в качестве источни­ков излучения чаще используются инжекционные ЛД. Они имеют ряд преимуществ перед СИД по ряду параметров (излучаемой мощности, быстродействию и др.).

В условиях эксплуатации весьма важной задачей является обеспе­чение максимально возможного срока службы источников излуче­ния. Это связано с тем, что СИД и ЛД присуще явление деградации.

У современных СИД средний срок службы составляет 10⁶ часов при температуре 25°С и зависит от режима работы: непрерыв­ный при высокой температуре и/или электрические перегрузки. Уве­личение температуры и перегрузки сокращают срок их службы в среднем в 1,5 раза.

Средний срок службы ЛД на порядок меньше, чем у СИД.

При этом деградационные процессы в ЛД протекают значительно быстрее, чем в СИД. Скорость про­текания процессов деградации в ЛД зависит непосред­ственно от режимов его работы. С увеличением наработки ЛД происходит снижение излучаемой мощности. Для ее компен­сации приходится увеличивать ток смещения, что в свою очередь, приводит к еще большему ускорению деградационных процессов.

Деградационные процессы в ЛД протекают быстрее при электрических перегрузках — скачках и импульсах тока. Меха­низм повреждения при кратковременных скачках тока обычно заклю­чается в мгновенном перегреве поверхности лазера. Поэтому задача обеспечения оптимального режима работы источника излучения явля­ется чрезвычайно важной.