Материал: Элементы оптических систем связи

В заключении отметим, что в лазерных диодах возможна также реализация и двухквантовых переходов, т.е. если имеется инверсия заселенности между двумя уровнями с разностью энергий hν, то возможна генерация на двух частотах ν₁ и ν₂ удовлетворяющих условию ν₁ + ν₂ = ν.

Такие лазерные диоды могут обеспечить более быстрый рост плотности поля, чем в обычных лазерных диодах, а также должен реализовать практические возможности получения любой частоты ν в пределах соблюдения приведенного условия.

При использовании оптической накачки для лазерных диодов обычно применяют рубиновый лазер. Так как глубина проникновения света в кристалле GaAs велика (≈ 0,3 - 0,4 мкм) возбуждается большой объем полупроводника, что позволяет получать значительную выходную мощность (≈ 200 кВт). Лазерные диоды с оптической накачкой можно использовать как преобразователи излучения одной длины волны в когерентное излучение другой длины волны.

Важными характеристиками источников излучения являются: быстродействие источника излучения; деградация и время наработки на отказ.

Быстродействие источника излучения. Экспериментально измеряемым параметром, отражающим быстродействие источника излучения, является максимальная частота модуляции. Предварительно устанавливаются пороги на уровне 0,1 и 0,9 от установившегося значения мощности светового излучения при низкочастотной модуляции прямоугольными импульсами тока. По мере роста частоты модуляции, т.е. при переходе на меньшие масштабы по временной шкале, форма световых фронтов становится более пологой. Для описания фронтов вводят времена нарастания t_н и спада t_с мощности излучения, определяемые как временные интервалы, за которые происходит нарастание от 0,1 до 0,9 и, наоборот, спад светового сигнала от 0,9 до 0,1. Максимальная частота модуляции 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 200 МГц, а у лазерных диодов - значительно больше (несколько ГГц). Времена нарастания и спада предоставляют информацию о полосе пропускания В. Если предположить, что они равны между собой (а это не всегда так), то полосу пропускания можно определить

В = 0,35/t_н (11)

Деградация и время наработки на отказ. По мере эксплуатации оптического передатчика его характеристики постепенно ухудшаются - падает мощность излучения, и, в конце концов, он выходит из строя. Это связано с деградацией полупроводникового слоя. Надежность полупроводникового излучателя определяется средней наработкой на отказ или интенсивностью отказов.

Лазерные диоды, выпускаемые десять лет назад, обладали значительно меньшей надежностью по сравнению со светодиодами. Однако в настоящее время, благодаря совершенствованию конструкций и технологии изготовления, удалось значительно повысить надежность лазерных диодов и приблизить их к светодиодам по времени наработки на отказ, которое составляет до 50000 часов и более (5-8 лет).

Для организации передачи информации в ВОСС и ЛАСС кроме источника излучения требуются ряд устройства, без которых работа ПОМ невозможна. Наиболее сложными их них является модулятор.

. Модуляторы и физические принципы работы

Чтобы сигналы могли нести с собой информацию, их необходимо модулировать. В современных оптических системах используется весьма простой тип модуляции, а именно - амплитудная манипуляция с переключением (on-off keying), при которой сигнал либо присутствует (единица), либо отсутствует (нуль). Проблема заключается в том, чтобы сделать этот переход достаточно быстрым, чтобы его можно было использовать для передачи данных на предельно высоких скоростях.

Для модуляции оптического излучения используется большое количество физических принципов. Многие из этих принципов были развиты до появления лазеров, а некоторые являются результатами исследования физических явлений в связи с необходимостью конструирования широкополосных малогабаритных модуляторов с малым потреблением мощности для лазерных систем связи.

При непосредственной модуляции (direct modulation) управление включением и выключением светового источника может осуществляться путем изменения проходящего через него тока. В случае высоких скоростей передачи применение этого подхода сопряжено с определенными трудностями:

Уровень выходной мощности, которую лазеры способны развивать, ограничен, что налагает свои ограничения на величину расстояния между усилителями либо между передатчиком и приемником.

Скорость модуляции также оказывается ограниченной, что приводит к ограничениям на производительность сети.

Непосредственная модуляция снижает различимость сигналов, т.е. разницу между высокоуровневым (единичный бит - ON) и низкоуровневым (нулевой бит - OFF) световыми сигналами, в результате чего величина допустимого расстояния между приемником и передатчиком также снижается.

Возникающие нелинейные эффекты могут приводить к искажению аналоговых сигналов, используемых в сетях кабельного телевидения.

Наконец, непосредственная модуляция увеличивает паразитную модуляцию длины волны, дополнительно увеличивая отрицательное влияние различных видов дисперсии, которые обсуждались выше. Паразитная модуляция длины волны проявляется в быстром изменении длины центральной световой волны лазера, вызванном изменением показателя преломления с увеличением или уменьшением пропускаемого через лазер тока.

Одним из основных потенциальных преимуществ лазерных систем связи является высокая частота оптического излучения. Это свойство позволяет реализовать передачу сверхширокополосной информации. Разумеется, использование такой потенциальной возможности требует исследования и разработки широкополосных оптических модуляторов.

На скоростях свыше 1 Гбит/с провайдеры используют внешние модуляторы. Так, принцип действия электрооптических модуляторов основан на электрооптическом эффекте, суть которого заключается в изменении показателя преломления некоторых материалов под воздействием приложенного к ним ЭП. Уменьшение RI (показателя преломления - refractive index) повышает скорость распространения света, увеличение RI - снижает.

В этих модуляторах свет расщепляется на два световодных канала. Если необходимо послать сигнал (ON), к обоим каналам прикладывается одинаковое напряжение. Если же необходимо выключить сигнал (OFF), то напряжение к ним прикладывается таким образом, чтобы в результате изменения показателя преломления RI фаза сигнала в одном канале оказалась смешенной по отношению к фазе сигнала в другом канале на 180^о. При объединении сигналов происходит их деструктивная интерференция, они взаимно погашают друг друга, результатом чего является отсутствие сигнала (OFF). Действительная картина процесса гораздо сложнее и включает в себя использование электрического напряжения различной полярности, однако общие закономерности приведенное описание передает правильно.

При конструировании модуляторов наиболее широко используются пять основных физических принципов модуляции: изменение мощности накачки, вариации спектра излучения, изменение поглощения излучения, оптико-механический и электрооптический эффекты. Некоторые из этих принципов неразрывно связаны с генерацией оптического излучения лазером, другие реализуются отдельными модулирующими блоками, помещенными, вне генерирующего лазера. В соответствии с этим методы модуляции можно разделить на внешние и внутренние (в зависимости от того, где расположен модулятор - внутри резонатора лазера или вне его). Внутренние модуляторы по сравнению с внешними выгодно отличаются более низкой подводимой мощностью, однако широкополосная модуляция в них ограничена полосой пропускания резонатора лазера. Кроме того, внутренние модуляторы уменьшают усиление резонатора лазера.

Модуляция изменением мощности накачки. При превышении некоторого порога мощности накачки лазер начинает генерировать когерентный свет, далее с увеличением мощности накачки линейно увеличивается мощность когерентного излучения. Таким образом, модуляция интенсивности излучения лазера может быть осуществлена путем амплитудной модуляции мощности накачки. При непрерывной аналоговой модуляции любая нелинейность между мощностью накачки и мощностью излучения лазера вызывает искажения.

Газовый лазер возбуждается постоянным током или радиочастотным электронным разрядом в газе, любой из этих способов может быть использован для амплитудной модуляции. Независимо от вида возбуждения процесс столкновения электронов определяет граничную частоту модулирующего сигнала значением около 100 кГц. В случае радиочастотного возбуждения частота модуляции должна быть меньше, чем частота возбуждающего напряжения.

В полупроводниковых лазерах модуляция может быть осуществлена накачкой амплитудно-модулированным источникам тока. Граничная частота модуляции в этом случае такая же, как граничная частота обычных полупроводниковых диодов. Однако на практике граничная частота модуляции часто зависит от конструкции внешней цепи, подводящей модулирующий сигнал к диоду (требуемые плотности токов обычно высоки).

Модуляция, основанная на явлении поглощения. Полоса поглощения оптического излучения в определенных кристаллах, таких, как, например, селенид кадмия, характеризуется резкой отсечкой в области низких частот. Этой отсечкой можно управлять путем приложения электрического поля. Этот эффект носит название эффекта Франца-Келдыша. Незначительный сдвиг края полосы поглощения приводит к значительному изменению в коэффициенте пропускания кристалла.

Оптическое поглощение p-n-перехода полупроводникового материала также можно изменять путем вариации ЭП (см. рис. 18). Как для кристаллов, так и для полупроводников граничная частота модуляции может простираться вплоть до частот СВЧ-диапазона. Недостатком модуляторов, основанных на эффекте поглощения, является низкая выходная мощность передатчика, поскольку имеет место значительное ослабление мощности оптического излучения в поглощающих материалах.

Рис. 18

Модуляция спектра излучения (частотная модуляция). Частота колебаний лазера может изменяться в узком диапазоне частот путем изменения длины резонатора. Одним из удобных способов изменения длины резонатора является установка концевых зеркал резонатора на магнитострикционном материале, который изменяет свою длину пропорционально приложенному электрическому полю. Резонансная частота f_R резонатора равна

f_R = nc/2L_c, (12)

где n - целое число;

с - скорость свата;

L_c - длина резонатора.

Изменение длины резонатора DL вызывает изменение резонансной частоты

(13)

При небольших изменениях длины

(14)

Ширина полосы модуляции для многомодового лазера ограничивается частотным расстоянием между модами (например, 150 МГц при длине резонатора 1 м). Случайные механические смещения зеркал газового лазера могут легко привести к случайным сдвигам частоты до значений в 100 кГц, ограничивая нижний предел частотной модуляции. Частотный сдвиг в 1 МГц при длине волны 0,5 мкм (6×10¹⁴ Гц) требует относительного изменения длины резонатора DL_c/L_c = l,67×10^-9, что вполне достижимо магнитострикционными материалами. Максимальная скорость, с которой может смещаться линия излучения, ограничивается значением около 100 МГц (эта цифра определяется инерционностью магнитострикционного материала).

При приложении магнитного поля (МП) к определенным твердым или газообразным материалам, через которые проходит луч лазера, происходит расщепление спектральной составляющей несущей частоты на составляющие, отличные от несущей на ± разностную частоту. Значение разностной частоты пропорционально интенсивности поля. Этот эффект называется эффектом Зеемана, и математически он выражается в виде

 (15)

где m - масса электрона и Н - напряженность МП в Эрст.

Расщепление частоты излучения лазера также происходит, когда луч лазера проходит через некоторые газообразные или твердые вещества, находящиеся под действием ЭП (эффект Штарка). Сдвиг частоты в этом случае равен

 (16)

где Е - напряженность электрического поля (В/см).

Для получения значительных частотных сдвигов требуются большие МП и ЭП. Ширина модуляционной полосы ограничивается скоростью изменения полей. Наиболее целесообразно использовать эффекты Зеемана или Штарка для медленной перестройки колебаний лазера в методе приема с гетеродинированием.

Оптико-механическая модуляция. В некоторых кристаллах и жидкостях наблюдается изменение коэффициента преломления вещества при механических деформациях. Изменение коэффициента преломления при приложении механических напряжений называется эффектом фотоупругости. Изменение коэффициента преломления может происходить также за счет пьезоэлектрического эффекта, в этом случае ЭП, приложенное к материалу, вызывает его механическую деформацию. Акустооптический эффект состоит в том, что три прохождении в веществе ультразвуковых колебаний в нем появляются области с механическими напряжениями, это приводит к изменению коэффициента преломления среды. Вызванные механическим путем изменения коэффициента преломления среды образуют центры дифракции для падающего света. Интенсивность и частота дифрагированного света пропорциональна механическому напряжению, которое, в свою очередь, пропорционально модулирующему сигналу. Модуляторы, основанные на эффекте фотоупругости и пьезоэлектрическом эффекте, имеют ограниченную полосу пропускания, что обусловлено механической инерционностью материала модулятора. Граничная частота акустооптического модулятора определяется временем прохождения ультразвуковой волны через сечение светового луча. Фокусируя луч лазера, можно обеспечить большую ширину полосы модуляции. Акустооптический модулятор представляет значительный интерес, так как в лазерных системах связи он может найти применение для перестройки частоты лазерного гетеродина.