МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ГОСУДАРСТВЕННАЯ КОРПОРАЦИЯ «РОССИЙСКАЯ КОРПОРАЦИЯ НАНОТЕХНОЛОГИЙ» ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ РАДИОТЕХНИКИ, ЭЛЕКТРОНИКИ И АВТОМАТИКИ» М. Е. Белкин КОМПОНЕНТНАЯ БАЗА ТЕЛЕКОММУНИКАЦИОННЫХ ВОСП УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ МОСКВА 2011 2 ББК (32.852+32.854.2) я7 Б43 УДК (621.382+621.953) (075) Рецензенты: д.т.н. П. А. Арсеньев, д.т.н. М. Г. Васильев Б43 Белкин М.Е. Компонентная база телекоммуникационных ВОСП: Учебное пособие / Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московский государственный технический Университет радиотехники, электроники и автоматики» – М., 2011. – 136 с. Описываются принципы и схемы построения, достоинства и недостатки, критические параметры, характеристики и современный уровень развития принципиальных компонентов телекоммуникационных волоконно-оптических систем. Учебное пособие соответствует рабочей программе по направлению 4: «Инженер - разработчик телекоммуникационной аппаратуры и волоконно-оптических систем связи», модуль 4.2 «Компонентная база телекоммуникационных ВОСП» программы Роснано опережающей профессиональной переподготовки, ориентированной на инвестиционные проекты по созданию индустрии волоконного лазеростроения. Оно может быть полезным также при изучении дисциплин, читаемых на факультетах электроники и радиотехнических и телекоммуникационных систем МГТУ МИРЭА: «Квантовые и оптоэлектронные приборы и устройства», «Волоконно-оптические устройства и системы». Приведенные в пособии данные по параметрам современных компонентов ВОСП могут быть использованы при выполнении квалификационных и дипломных работ. Табл. 8. Ил. 69. Библиогр.: 35 наим. Печатается по решению редакционно-издательского совета МГТУ МИРЭА. © М.Е. Белкин, 2011 3 Оглавление ВВЕДЕНИЕ ....................................................................................... 4 1. Волоконный световод ............................................................... 6 1.1. Физические явления, положенные в основу канализации света в волоконном световоде ...................................................... 7 1.2. Основные типы и конструкции световодов ...................... 13 1.3. Ключевые характеристики .................................................. 21 1.4. Волоконно-оптические кабели ........................................... 42 2. Излучатель ................................................................................. 44 2.1. Физические основы работы лазера ..................................... 44 2.2. Основные структуры и конструкции.................................. 52 2.3. Ключевые параметры полупроводниковых лазерных излучателей .................................................................................. 67 2.4. Устройство лазерного модуля ............................................. 90 3. Фотоприемник ........................................................................... 95 3.1. Физические основы работы полупроводникового фотоприемника ............................................................................ 96 3.2. Типы и основные структуры фотодиодов ....................... 102 3.3. Ключевые параметры pin фотодиодов ............................. 108 3.4. Устройство фотодиодного модуля ................................... 122 ЗАКЛЮЧЕНИЕ ............................................................................. 126 Библиографический список ......................................................... 127 Приложение 1 ................................................................................ 130 Приложение 2 ................................................................................ 133 4 ВВЕДЕНИЕ В настоящее время после немногим менее 40-летнего развития волоконно-оптические системы передачи (ВОСП) заняли ведущее положение среди различных средств электросвязи. Основные преимущества волоконного световода: малые потери и дисперсия (т. е. широкополосность), превосходные массогабаритные и стоимостные характеристики, нечувствительность к электромагнитным наводкам - реализованы на практике, и на базе цифровых ВОСП уже построены транспортные наземные линии протяженностью десятки тысяч километров, а также трансокеанские подводные линии, соединившие все континенты. Основной тенденцией современного развития телекоммуникационных систем является повышение пропускной способности каналов передачи, и в цифровой ВОСП (ЦВОСП) это стандартно осуществляется в виде так называемого временного разделения каналов (ВРК), приводящему к повышению скорости передачи сигналов в линейном волоконно-оптическом тракте. Так на сегодня за рубежом реализована аппаратура ЦВОСП, обеспечивающая за счет ВРК скорость передачи до 40 Гбит/с. Цифровые ВОСП благодаря известным преимуществам цифрового способа передачи сигналов нашли исключительное применение в транспортных телекоммуникационных сетях. Однако в локальных сетях и сетях доступа различного назначения наряду с ними также развиваются многоканальные аналоговые ВОСП (АВОСП) с частотным разделением каналов (ЧРК) на поднесущих ВЧ и СВЧ диапазонов. Причиной этому являются более жесткие требования к величине отношения сигнала к шуму, а также к параметрам оптоэлектронной компонентной базы, приемопередающих устройств и волоконно-оптическому тракту. Тем не менее, именно они дали в конце прошлого столетия новый импульс развития распределительных сетей кабельного телевидения (КТВ) и в настоящее время занимают в информационно развитых странах достаточно обширную нишу в мультисервисных сетях абонентского доступа (МСАД) воло- 5 конно-коаксиальной структуры1. Другое важное направление развития аналоговых ВОСП относится к радиолокационным системам СВЧ диапазона, где они могут эффективно использоваться в различных трактах многоэлементных фазированных антенных решеток и в устройствах имитации целей. Помимо этого, ВОСП данного типа считаются перспективными для целого ряда других телекоммуникационных и радиолокационных применений. Одним из таких направлений является интенсивно исследуемая в последнее время за рубежом волоконно-эфирная технология построения локальных сетей: RoF (radio-over-fiber), когда высокоскоростные цифровые каналы передаются на поднесущих СВЧ диапазона по аналоговой ВОСП, а затем распределяются с помощью радиолиний. Основой для построения аппаратуры, как цифровых так и аналоговых ВОСП служат одни и те же компоненты: полупроводниковые излучатели, фотодетекторы и волоконные световоды. В настоящее время они подробно описаны в переводных и оригинальных отечественных книгах, специально посвященным этим компонентам, а также волоконно-оптическим системам в целом [1-15]. Вынужден отметить их солидный возраст и, в связи с этим, преимущественное рассмотрение уже устаревших для ВОСП материалов, структур и потерявших свою критичность характеристик. Однако в современных локальных телекоммуникационных сетях необходимость одновременного повышения достоверности (качества) и пропускной способности каналов передачи привела к изменению уровня требований к известным параметрам вышеуказанной компонентной базы и к появлению новых критических параметров, которых не было либо не уделялось внимания в ВОСП, разработанным в прошлом столетии. В качестве примеров можно указать такие эффекты, как шумы интенсивности (RIN) и интермодуляционные искажения (CSO, CTB) излучателя и фотодетектора, отражения и нелинейные свойства волокна и т.д. Различия в требованиях выразились, как в параметрической, 1 Иностранная аббревиатура HFC (Hybrid Fiber Coaxial). 6 схемотехнической и конструктивной модернизации существующих элементов, например, в разработке специальных типов лазерных и фотодиодных модулей, оптических разъемов с малым уровнем отражения типа хх/APC, так и появлении новых, до тех пор не применяемых в ВОСП, компонентов, например, оптических изоляторов, спектральных фильтров и т.д. В свете этого главными задачами данного пособия являются рассмотрение и анализ принципиальных компонентов ВОСП: излучателей, оптического волокна, фотодетекторов с учетом их характеристик и особенностей применения для цифровых и аналоговых ВОСП. Для улучшения восприятия материала изложение проводится по единой схеме: кратко рассматриваются физические основы работы, далее следует описание принципов построения, типов и конструкций, основных параметров и характеристик, достигнутых на современном уровне развития ВОСП. Типичные параметры современных компонентов ВОСП приведены в Приложении 1, контрольные задания – в Приложении 2. Учебное пособие соответствует рабочей программе по направлению 4: «Инженер - разработчик телекоммуникационной аппаратуры и волоконно-оптических систем связи», модуль 4.2 «Компонентная база телекоммуникационных ВОСП» программы Роснано опережающей профессиональной переподготовки, ориентированной на инвестиционные проекты по созданию индустрии волоконного лазеростроения. Оно может быть полезным также при изучении дисциплин, читаемых на факультетах электроники и радиотехнических и телекоммуникационных систем МГТУ МИРЭА: «Квантовые и оптоэлектронные приборы и устройства», «Волоконно-оптические устройства и системы». Приведенные в пособии данные по параметрам современных компонентов ВОСП могут быть использованы при выполнении квалификационных и дипломных работ. 1. ВОЛОКОННЫЙ СВЕТОВОД Оптическое волокно в ВОСП служит в качестве среды, связывающей излучатель и фотоприемник. С этой точки зрения ос- 7 новные требования к волокнам и кабелям для цифровых и аналоговых ВОСП идентичны. Однако отличие параметров излучателя и фотоприемника вызывает, как количественную и качественную трансформацию общих характеристик, так и появление дополнительных специфичных требований. В связи с тем, что в современных телекоммуникационных ВОСП гораздо более широкое применение нашли так называемые одномодовые волокна, им будет уделено основное внимание. 1.1. Физические явления, положенные в основу канализации света в волоконном световоде Факт распространения оптического сигнала в волоконном световоде основывается на законе преломления или законе Снелля, открытом им в 1620 г. Закон гласит, что при падении оптического луча на границу двух сред с различной оптической плотностью (т. е. с различными показателями преломления) возникают отраженный и преломленный лучи (см. рис. 1). При этом справедливо следующее соотношение: n1 sin 0 n2 sin 1 (1) где n1 и n2: соответствующие показатели преломления оптических сред, о – угол падения и 1 – угол преломления луча. Из этого закона вытекает явление полного внутреннего отражения при переходе света из оптически более плотной в оптически менее плотную среду. Данное явление проиллюстрировано на рис. 1, б и в. Из закона Снелля можно определить т.н. критический угол падения луча, при котором возникает полное отражение. 0 крит arcsin(n2 n1 ) (2) Таким образом, канализация и распространение света в оптически прозрачной среде будут принципиально возможны, если создать структуру в виде двухслойного оптического «провода», у которого показатель преломления центрального слоя выше показателя преломления периферийного слоя. Для такого проводника света установилось название «волоконный световод». 8 Рис 1. Иллюстрация явления полного внутреннего отражения Ввод и распространение лучей в световоде с позиций геометрической оптики В качестве оптически прозрачного материала с самого начала использовался кристаллический кварц: SiО2 – показатель преломления в районе 1,45. Область прозрачности 0,4-1,8 мкм. Волоконный световод представляет собой двухслойную кварцевую нить. Ее центральную часть, называемую сердцевиной, для повышения показателя преломления легируют добавками, например, окиси германия (GeO2). Периферийную часть, называемую оболочкой, для понижения показателя преломления легируют, например, окисью бора (B2O5). Процесс ввода и распространения излучения в волоконном световоде иллюстрируется на рис. 2. На рисунке лучи, выходящие из точечного источника, вводятся через центральную часть торца световода под определенным углом . Луч преломляется на границе воздухдиэлектрик и падает на границу сердцевина-оболочка под углом о. При достаточно малых углах ввода луч полностью отражается от этой границы и так, посредством многократных отражений от границы сердцевина-оболочка, распространяется внутри сердцевины световода. На рисунке – это луч 1. Такие лучи называют меридиональные. При превышении угла определенного значения, когда угол о становится меньше критического, появляется преломленный луч 2, и часть энергии выходит в оболочку. Однако угол падения на границу оболочка- 9 воздух еще больше критического, и луч остается в пределах световода. Теоретически он может вернуться в сердцевину и стать помехой для меридиональных лучей. В реальности – принимаются меры для его затухания еще в оболочке. Такие волны называют оболочечными. При дальнейшем увеличении угла ввода луч преломляется на границе оболочка-воздух и выходит за пределы световода. На рисунке – это луч 3. Такие волны называют излучаемые. Рис. 2. Ввод и распределение излучения в двухслойном световоде. – угол ввода излучения, 0 – угол падения на границу сердцевина-оболочка, nc – показатель преломления сердцевины, n0 – показатель преломления оболочки, а – радиус сердцевины Из предыдущего рассмотрения следует, что в световоде существует пространственный угол ввода излучения , в пределах которого все лучи способны распространяться в сердцевине. Этот угол называется числовой апертурой световода NA и является его важной характеристикой. Числовая апертура определяется из закона Снелля и геометрических соображений как: (3) NA sin nc2 no2 Как следует из (3), апертура определяется разностью показателей преломления сердцевины и оболочки. В реальных световодах обычно n = nc–nо 1%. При такой малой разнице n выражение для расчета апертуры упрощается: NA 2n n (4) 10 где n=(nc+no)/2. Фактически - это показатель преломления беспримесного кварца. Модовая структура оптических волн в световоде с позиций волновой оптики Предыдущее объяснение процесса направленного распространения света в волоконном световоде основывалось на законах геометрической оптики и не учитывало свойств света как электромагнитной волны. Учет волновой природы оптического излучения позволил установить, что из всего континиума световых лучей в пределах угла полного внутреннего отражения для данного световода только ограниченное число лучей с дискретными углами падения может образовывать т.н. направляемые волны, которые также называют волноводными модами. Процесс их распространения в круглом световоде описывается уравнениями Максвелла в цилиндрических координатах, а процесс переотражения от границ - формулами Френеля. Волновой анализ световода достаточно полно рассмотрен в специальной литературе, например, в [1-4]. Мы лишь воспользуемся его результатами. Расчеты волновых процессов показали, что набег фазы распространяющейся волны после переотражения от границы сердцевина-оболочка должен составлять целое число полуволн. Другими словами, чтобы волны при интерференции не гасили друг друга, они должны быть в фазе после двух последовательных переотражений. Каждая волноводная мода, удовлетворяющая вышеуказанному условию, обладает характерной для нее структурой электромагнитного поля, фазовой и групповой скоростями распространения. В соответствии с теорией поля в цилиндрическом диэлектрическом волноводе возможно распространение мод с круговой симметрией поля, которые называются поперечными электрическими (обозначение ТЕ0m) и поперечными магнитными (обозначение ТМ0m), а также так называемых гибридных мод, которые обозначаются НЕnm либо ЕНnm. Здесь n представляет собой число вариаций поля по азимуту сердцевины, а m – по радиусу. Пример структуры поля в поперечном сечении световода для мод низших 11 порядков n и m приведен на рис. 3. Число волноводных мод N для однородного двухслойного световода [3] примерно равно: (5) N V 2 2 где параметр V называется нормированная рабочая частота и определяется из выражения: 2 a (6) V NA - длина волны. Рис. 3. Картины электромагнитного поля в поперечном сечении сердцевины ступенчатого волокна для четырех мод самых низших порядков Из вышеприведенных выражений следует, что для уменьшения числа волноводных мод требуется уменьшать диаметр сердцевины 2a. Условия распространения мод в световоде можно определить с помощью рис. 4, где по оси абсцисс отложена величина параметра V. Из рисунка следует, что для распространения в световоде только одной моды самого низшего порядка параметр V не должен превышать 2,405, а для распространения четырех самых низших мод, структура которых показана на рис. 3, V 3,8. 12 Рис. 4. Типичные характеристики распространения мод в волоконном световоде Наглядное подтверждение существования волноводных мод можно получить в виде так называемой спекл-картины (рис. 5), которую при исследовании отполированного торца световода можно визуализировать, например, с помощью инфракрасного микроскопа. Источником ее является интерференция при распространении большого числа мод в оптическом волокне. Данная картина претерпевает непрерывные изменения во времени, образуя так называемый модовый шум (см. ниже). Рис. 5. Спекл-картина в многомодовом волокне 13 1.2. Основные типы и конструкции световодов А) Традиционное волокно с однородной оболочкой Из предыдущего рассмотрения понятно, что в зависимости от числа распространяющихся мод волокна можно классифицировать как одномодовые и многомодовые. При этом, как отмечалось выше, число мод определяется диаметром сердцевины. Поперечные сечения наиболее широко применяемых типов волоконных световодов показаны на рис. 6. Для характеристики световода большое значение имеет так называемый профиль распределения показателя преломления в поперечном сечении. Среди них наиболее распространенными являются ступенчатый, который широко применяется как для одномодовых (а), так и для многомодовых (б) световодов, и градиентный или параболический (в), с плавно изменяющимся показателем преломления, в основном применяемый в многомодовых световодах. а) б) в) Рис. 6. Поперечные сечения и профили распределения показателя преломления для наиболее распространенных типов волоконных световодов Возможные пути луча в градиентном световоде показаны на рис. 7. Как следует из рисунка, в данном типе световода, кроме уже упомянутого меридионального луча, возможны также цен- 14 тральный луч и луч, идущий по спиральной траектории вокруг продольной оси световода. Рис. 7. Возможные пути луча в градиентном световоде Оптимизация формы профиля распределения позволяет получить в градиентном световоде минимальную задержку высшей волноводной моды относительно осевой, примерно соответствующую [3]: nl 2 (7) m n 2c где l – длина волокна, с – скорость света в вакууме. Величина этой задержки в 1/Δn раз меньше, чем в волокне со ступенчатым профилем, что значительно расширяет его полосу пропускания. Об этом подробнее – в следующем параграфе. Отметим, что благодаря этому же эффекту число мод N (см. (5)) в многомодовом градиентном световоде в два раза ниже, чем в ступенчатом. Одномодовое волокно в основном выпускается со ступенчатым профилем показателя преломления вида рис. 6,а. Также согласно рекомендации ITU-T1 для снижения потерь пропускания и потерь на излучение вследствие изгибов вид профиля может быть усовершенствован, представляя собой двойную ступеньку. Это волокно имеет ряд наименований, наиболее распространенное среди которых - волокно с W-образным профилем показателя преломления. Таким образом, основными конструктивными 1 Международный союз электросвязи, секция телекоммуникаций 15 элементами световода являются сердцевина и оболочка, которые в повсеместно применяемых для связи световодах выполнены из монолитного кварца. Кроме того, для механической защиты световод покрывают обычно полимерным покрытием. Схематически конструкция световода показана на рис. 8. Рис. 8. Конструкция волоконного световода Типичные диаметры сердцевины для современных световодов в кабелях связи составляют 8-11 мкм в одномодовых световодах и 50, 62,5 мкм в многомодовых световодах. Типичный диаметр оболочки 125 мкм, защитного покрытия – 250 мкм. Б) Структурированное волокно Рассмотренные выше волокна относились к одному и тому же типу, характеризующемуся центральной симметрией поперечного сечения и использованием эффекта полного внутреннего отражения за счет увеличенного показателя преломления сердцевины. Данный тип кварцевого световода благодаря предельно низкому затуханию повсеместно используется с самого начала развития ВОСП как в транспортных, так и в локальных телекоммуникационных сетях. Однако в конце прошлого столетия началось интенсивное исследование волокон со структурированной оболочкой, направленное на улучшение некоторых важных характеристик традиционного волокна. Ниже будут кратко описаны их типичные представители: волокна с сохранением плоскости поляризации и фотонно-кристаллическое волокно. 16 Волокно с сохранением плоскости поляризации. При распространении оптической волны в одномодовом кварцевом оптическом волокне стандартного типа, несмотря на центрально-симметричную конструкцию, обычно возникает явление двулучепреломления, поскольку на практике всегда присутствуют эффекты, нарушающие его симметрию, например, механическая деформация, температурный градиент и т. д. Как следствие, ее поляризация будет изменяться случайным образом во времени, формируя на выходе волокна циркулярнополяризованное излучение с двумя когерентно связанными ортогональными составляющими. Из-за неодинаковых постоянных распространения составляющие отличаются по длине волны, что вызывает дополнительную дисперсию (подробней см. следующий параграф). То есть на самом деле в стандартном волокне, получившем название одномодовое, распространяются две моды. Эта проблема может быть решена с помощью оптического волокна, сохраняющего состояние поляризации, то есть волокна с сильным встроенным двулучепреломлением, которое намеренно создается за счет нарушения центральной симметрии его поперечной структуры. Типичные варианты конструкций волокна с сохранением плоскости поляризации распространяющегося излучения представлены на рис. 9. Как следует из рисунка, на практике используются два метода. В первом случае (а) оболочка разделяется на две части: внешнюю 2 и внутреннюю 3. Причем для формирования эффекта двулучепреломления сердцевина 1 либо внутренняя, так называемая депрессированная оболочка 2 имеет эллиптическое поперечное сечение. Во втором случае (б) механическая деформация в сердцевине 1 создается за счет того, что внутренняя оболочка 3 образуется с помощью двух, так называемых стержней напряжения с измененным материальным составом, например, с другой степенью теплового расширения. Эти стержни могут быть различной формы, давая фирменное название самому волокну, например, типа «панда» либо «галстук-бабочка» (см. рис. 9, б). 17 Волокно данного типа применяется в устройствах, где нежелательно изменение состояния поляризации. Примерами являются волоконные датчики и интерферометры и некоторые волоконные лазеры. В телекоммуникационных ВОСП волокна с сохранением поляризации получили наибольшее распространение на стыке между лазером и внешним оптическим модулятором на базе интерферометра Маха-Цандера, требующим наличия на входе поляризованного света Рис. 9. Поперечные сечения волокна с сохранением поляризации: а – с эллиптической сердцевиной либо внутренней оболочкой; б – волокно типа "панда" и волокно типа «галстук-бабочка» Важный недостаток таких волокон заключается в обычно требуемом точном выравнивании направлений поляризации, что делает производство более сложным. Кроме того, они характеризуются более высокими потерями на распространение, например, вносимые потери волокна типа «панда» производства фирмы Fujikura, Япония составляет 0,5-1 дБ/км в третьем окне прозрачности, что существенно выше по сравнению с традиционным волокном (см. следующий параграф). Специфичным параметром 18 качества данного волокна является коэффициент гашения (экстинкции) поляризации, определяющийся (в дБ) как разность интенсивностей на выходе волокна поддерживаемой и подавляемой поляризаций. Недостаточный уровень гашения проявляется в телекоммуникационной ВОСП в виде переходных помех, относительный уровень которых не должен превышать -30 дБ. Фотонно-кристаллическое волокно1 Фотонное кристаллическое волокно (ФКВ) – (иначе, микроструктурированное волокно) - новый тип оптического волокна, оболочка которого содержит периодически расположенные продольные отверстия (капилляры) на протяжении всей длины волокна. При этом, сердцевина может быть также полой, отсюда волокна данного типа получили еще одно название: дырчатые. Внутренняя периодическая структура представляет собой в поперечном сечении гексагональную или квадратную решетку. Отверстия в решетке могут быть круглыми или почти произвольной формы. Манипулирование типом решетки, ее шагом, формой воздушных каналов и показателем преломления стекла позволяет управлять свойствами ФКВ, что является его несомненным преимуществом, поскольку позволяет конструировать волокно с заданными характеристиками. Как описано 1.1, в современных телекоммуникационных ВОСП используется свойство волокна направлять световые пучки, удерживая их в сердцевине, за счет явления полного внутреннего отражения. С этой целью она изготавливается из кварца, содержащего легирующие добавки, увеличивающие показатель преломления. В то же время данное явление на границе «сердцевина–оболочка» не является единственным механизмом удержания световой волны в пределах волновода, а легирование – единственным способом управления показателем преломления. ФКВ в зависимости от своей структуры могут иметь два режима работы согласно их направляющим свет механизмам: направление света показателем преломления и направление света благодаря механизму фотонных запрещенных зон. 1 Раздел написан совместно с аспиранткой Бахваловой Т. Н. 19 Волокна ФКВ с сердцевиной, имеющей более высокий групповой показатель преломления, чем микроструктурированная оболочка, могут работать по тому же принципу как обычные волокна, т.е. в соответствии с механизмом направления света показателем преломления. ФКВ с микроструктурированной оболочкой и с пустым (воздушным) каналом направляют свет преобладающе через этот канал в результате действия механизма фотонных запрещенных зон, который заключает свет в сердцевине с более низким показателем преломления и даже в полой сердцевине. На рис. 10 [33] представлены поперечное сечение, профиль показателя преломления и ход световых лучей в сердцевине ФКВ со структурно зависимым показателем преломления. Сравнение его с рис. 2 показывает, что принцип удержания света в ФКВ соответствуют традиционному волокну. Однако управление показателем преломления в нем осуществляется путем создания микроотверстий в оболочке, а не путем введения примесей. Если характерный размер структуры отверстий, который удобно характеризовать расстоянием между их центрами d, меньше длины волны λ, то групповой показатель преломления определяется усредненным значением показателей преломления двух сред с учетом отношения их поперечных сечений. Поскольку показатель преломления воздуха равен 1, то групповой показатель преломления оболочки может быть существенно меньше показателя преломления кварца. Напротив, короткие световые волны (λ < d) мало проникают в отверстия (из-за эффекта полного внутреннего отражения на границе отверстий), и групповой показатель преломления для них близок к показателю преломления чистого кварцевого стекла. Таким образом, в области (λ ≈ d) эффективный показатель преломления оболочки ФКВ обладает сильной спектральной зависимостью и увеличивается для коротких длин волн. Такая спектральная зависимость показателя преломления оболочки позволяет реализовать в ФКВ одномодовый режим в очень широкой спектральной области. А именно, как следует из 1.1, для обеспечения одномодового режима значение нормированной рабочей частоты V≤2,4. Данный параметр определяется согласно (6) и пропорционален квадратному корню из разностей 20 квадратов групповых показателей преломления сердцевины и оболочки. В традиционном волокне оба вышеуказанных параметра – почти константы, и длина волны отсечки1 четко определяется из (6). В фотонно-кристаллическом волокне, как ясно из предыдущего рассмотрения, разность показателей преломления сердцевины и оболочки уменьшается, что ведет к расширению области существования одномодового режима. Рис. 10. Поперечное сечение, профиль показателя преломления и ход световых лучей в фотонно-кристаллическом волокне Если фотонно-кристаллическое волокно имеет очень маленькую сердцевину и низкий показатель преломления оболочки (изза экстремально высокой доли заполнения пустыми каналами), они имеют очень маленькую эффективную область распространения света и большие значения нелинейных коэффициентов. Таким образом, уникальные свойства ФКВ позволяют значительно улучшить ряд ключевых параметров традиционного волокна. В частности, позволяют реализовать: • Высокое значение числовой апертуры, например, 0,6 или 0,7 для многомодовых волокон; • Бесконечный одномодовый режим (при минимальной разнице между размером отверстий и расстоянием между ними); • Низкие потери на изгиб; • Управление светом в полом ядре, поскольку более высокий 1 Минимальная длина волны, при которой обеспечивается одномодовый режим. 21 коэффициент преломления в сердцевине больше не требуется; • Возможность заполнения отверстий газами или жидкостями; • Высокое значение коэффициента двулучепреломления для описанных выше волокон с сохранением поляризации (при асимметричном расположении отверстий); • Сильную зависимость затухания от состояния поляризации (поляризационные волокна); • Необычные свойства хроматической дисперсии, например, аномальная дисперсия в видимом спектральном диапазоне; Благодаря своим свойствам и возможностям ФКВ находит применение, как в аппаратуре телекоммуникационных ВОСП, так и в чувствительных датчиках, в нелинейных оптических устройствах и других областях, где традиционно используются другие типы оптоволокна. Его основной недостаток, помимо технологической сложности, заключается в гораздо больших потерях. В частности, ФКВ с сохранением поляризации марки LMA-PM-15, выпускаемое германско-датской фирмой NTK Photonics, имеет потери около 10 дБ/км на волне 1,55 мкм. 1.3. Ключевые характеристики Общими критическими параметрами световода как среды для передачи сигналов ВОСП являются характеристика передачи (потери), ширина полосы пропускания. Основной причиной ограничения полосы пропускания, приводящей, например, к расширению передаваемых импульсов в цифровых ВОСП, считается явление дисперсии волокна. В АВОСП к этим параметрам добавились такие эффекты, как модовый шум, обратные отражения, нелинейность и т.д. Ниже будут описаны их источники, характер воздействия и количественные значения в наиболее широко используемых в телекоммуникационных ВОСП волокнах центрально-симметричной структуры с использованием эффекта полного внутреннего отражения. Потери при передаче В волоконных световодах можно отметить две основные причины потерь, существующих даже при малых интенсивностях 22 передаваемого оптического сигнала: поглощение и рассеяние оптического излучения. Потери на поглощение главным образом определяются собственным поглощением кварцевого стекла и поглощением вследствие наличия ионов гидроксилов ОН-. Собственное поглощение наблюдается на обоих краях полосы прозрачности кварцевого волокна, в УФ и ИК областях оптического спектра. При небольших мощностях оптического излучения, что типично для современных цифровых ВОСП, основным видом рассеяния (переизлучения) энергии является т.н. рэлеевское рассеяние, возникающее в результате флуктуаций показателя преломления. Рассеяние (и его частный случай: обратное отражение) также возникает из-за нарушения геометрии световодов, наличия изгибов, микротрещин и других неоднородностей волноводного тракта. Таким образом, для идеального световода фундаментальное (т.е. теоретическое) затухание определяется ИК и УФ поглощением и рэлеевским рассеянием. Источниками собственного поглощения в УФ и ИК областях спектра считаются электронные и атомные резонансы в кристаллической решетке среды распространения. Эти эффекты достаточно полно рассмотрены и описаны [см. напр. 13]. Расчетные значения теоретических потерь на 1 км длины световода при различных длинах волн излучения [13] приведены на рис.11. Рассмотрим подробнее этот график. Здесь на оси ординат отложены т.н. погонные потери в волокне в дБ на 1 км. На оси абсцисс – длина волны излучения в мкм либо соответствующая ей энергия фотона в эВ. Уже упоминалось, что областью прозрачности кварцевого стекла примерно считается 0,4-1,8 мкм. Теперь мы имеем возможность уточнить это для случая легирования окислом германия, что типично для волокон с малым затуханием. На рисунке показаны: характеристики потерь вследствие УФ поглощения, вследствие ИК поглощения и за счет рэлеевского рассеяния. Сумма этих потерь и определяет минимальное затухание сигнала в световоде на данной длине волны. Из графика следует, что спектральная область, в которой минимальное затухание менее 10 дБ/км, занимает от 0,62 до 2 мкм. 23 Рис. 11. Фундаментальные потери в кварцевом стекле, легированном окислом германия В общем, согласно рекомендации ITU-T затухание A(λ) на волне длиной λ между двумя поперечными сечениями 1 и 2 волокна на расстоянии l друг от друга определяется как: A 10lg P1 P2 , дБ (8) где P1(λ), P2(λ) – мощность оптического излучения, проходящего соответственно через сечения 1 и 2 на волне λ. В случае использования однородного волокна можно ввести не зависящий от его длины коэффициент затухания a. a A l , дБ/ед. длины (9) Отметим, что длина волокна обычно определяется в километрах. На рис. 12 приведена экспериментальная спектральная кривая затухания в кварцевом одномодовом волокне производства конца 80-х годов прошлого столетия. Отмечу, что пики затухания на волнах в районах 0,95, 1,25 и 1,4 мкм связаны с влиянием поглощения на гидроксильных примесях. Они не являются принципиальными, их величина по мере совершенствования технологии 24 изготовления волокон постоянно уменьшалась. Например, в современных волокнах затухание на самом большом пике характеристики 1 в районе 1,4 мкм уменьшилось до 1-2 дБ, и есть решения по его дальнейшему уменьшению. На кривой затухания четко видны три достаточно широких минимума, в которых и сосредоточена деятельность по ВОСП. Они называются «окна прозрачности кварцевого световода» и находятся в полосах вблизи 0,85 мкм, 1,3 мкм и 1,55 мкм. В современных световодах на этих длинах волн достигнуты следующие типичные значения коэффициента потерь: на волне 0,85 мкм – 2,4…3 дБ/км, на волне 1,3 мкм – 0,3…0,4 дБ/км, на волне 1,55 мкм – 0,2…0,3 дБ/км. При сравнении этих цифр с фундаментальными кривыми рис. 11 (см. также кривые 2 и 3 на рис. 12) можно сделать вывод, что характеристики потерь современных световодов почти достигли своих теоретических значений, т.е. световоды по геометрии и степени очистки от паразитных примесей близки к идеальным. Рис. 12. Типичная экспериментальная кривая затухания в одномодовом световоде. 1 – кривая затухания; 2 – суммарные коротковолновые потери из графика рис. 9; 3 – длинноволновые потери за счет ИК-поглощения 25 В соответствие с уровнями потерь основная деятельность по разработке и применению ВОСП в настоящее время сосредоточена во втором и третьем окнах прозрачности, поэтому рассмотрим данную полосу более подробно. Спектральная характеристика затухания для типичного современного одномодового волокна в полосе 1200...1700 нм представлена на рис. 13. Сопоставление его с рис. 10 показывает, что произошло увеличение ширины окон прозрачности и сокращение числа и уменьшение величины «водяного» пика. А именно, в документах ITU-T рекомендуется использовать полосу 1260...1360 нм во втором окне прозрачности и полосу 1430...1580 нм в третьем окне. Последние разработки источников и приемников излучения для ВОСП позволили работать в еще более длинноволновом диапазоне 1580-1650 нм. На более длинных волнах согласно рис. 12 затухание будет резко возрастать из-за фундаментальных потерь на ИК-поглощение. Следовательно, по мере того, как удастся еще больше ослабить технологический пик в районе 1,4 мкм, рабочая полоса одномодового волокна по уровню затухания менее 0,5 дБ/км будет составлять 390 нм (1260...1650 нм), т.е. более 25% в относительном выражении. Рис. 13. Спектральная характеристика современного одномодового волокна во втором и третьем окнах прозрачности Дисперсия Как известно, при распространении в прозрачной среде электромагнитной волны длиной одного порядка с размерами ее молекул возникает не только затухание, но и явление дисперсии, 26 проявляющееся в зависимости скорости распространения от частоты. Одновременно учесть оба эффекта можно введением комплексного показателя преломления: c (10) n n jn ' j где β – постоянная распространения, α – коэффициент поглощения, ω – угловая частота распространяющейся волны. В диэлектрике, коим является оптическое волокно, эти процессы связывают с поляризацией. А именно, электрическое поле распространяющейся волны поляризует молекулярные, атомные или электронные структуры материала, заставляя их колебаться с частотой этой волны. Взаимодействие волны со средой происходит в виде последовательности затухающих гармонических резонансов. На частоте выше либо ниже резонансной среда уже не поляризуется описанным выше образом, что приводит к частотной (спектральной) зависимости ее показателя преломления. Данное утверждение наглядно иллюстрируется с помощью рис. 14. Рис. 14. Зависимость показателя преломления сердцевины одномодового кварцевого световода от длины волны 27 При распространении волны дисперсия вызывает рассеяние спектральных или модовых составляющих оптического сигнала, которое, например, приводит к увеличению длительности оптического импульса по мере прохождения его по волоконному световоду. В общем виде уширение импульса τ определяется следующим выражением: 2 (11) tвых tвх2 где tвх и tвых - длительность на уровне половины амплитуды соответственно входного и выходного импульса. Между уширением импульса τ и полосой пропускания световода ΔF существует однозначная связь: F 1/ (12) Отмечу, что при этом обычно используются так называемые погонные единицы измерения, нормированные на единицу длины волокна. Например, уширение, как правило, определяется в пс/км, а полоса пропускания – в МГц·км. Понятно, что дисперсия не только ограничивает полосу пропускания световода, но и существенно снижает дальность передачи ВОСП, поскольку, чем длиннее линия, тем она больше проявляется. Поэтому полоса оптического волокна обычно определяется с помощью специального параметра, называемого коэффициентом широкополосности. Известны три вида дисперсии: модовая, хроматическая и так называемая поляризационная модовая (polarization mode dispersion, PMD). Из них первый относится только к многомодовым волокнам, второй – проявляется в волокнах любого типа, а третий - только в одномодовом волокне. Модовая дисперсия возникает вследствие рассмотренного выше существования в световоде большого числа распространяющихся мод и обусловлена различием их групповых скоростей. В рассмотренной нами геометрической интерпретации принципа распространения света в волоконном световоде соответствующие модам лучи идут под разными углами, проходя различные пути в сердцевине, и, следовательно, попадают в приемник излучения с различной задержкой. Значения модовой дисперсии в первом окне прозрачности достигают единиц нс/км 28 для световода со ступенчатым профилем показателя преломления и сотен пс/км для градиентного световода. Согласно (12) коэффициенты широкополосности получаются соответственно на уровне 200-500 и 800-1200 МГц·км. Хроматическая дисперсия, в свою очередь, подразделяется на т.н. материальную и волноводную дисперсию. Материальная дисперсия обусловлена свойствами материала, а именно: зависимостью показателя преломления кварцевого световода от длины волны (см. рис. 14). При этом более длинные волны распространяются быстрее. Волноводная дисперсия обусловлена частотной зависимостью постоянной распространения моды. Причиной возникновения дисперсии данного вида является частотная некогерентность (немонохроматичность) реального источника излучения ВОСП, выражающейся в появлении спектра линий излучения, а также во временном изменении этого спектра. Принято считать, что результирующее значение уширения импульсов (общая дисперсия световода) τ за счет модовой τмод, материальной τмат и волноводной τвв дисперсий определяется по формуле: 2 (13) мод ( мат вв )2 Отсюда сразу следует вывод, что дисперсия в одномодовом волокне принципиально меньше, чем в многомодовом, т.е. оно широкополоснее. Как следует из рис. 14, отклонение показателя преломления во всей спектральной полосе прозрачности кварца не превышает 0,7%, что говорит о небольшой величине материальной дисперсии в световоде. Конкретно, она составляет во втором окне прозрачности кварцевого световода не более 2-3 пс/(нм·км). Общее значение хроматической дисперсии одномодового световода в различных окнах прозрачности можно определить из рис. 15 [13]. Обращаю ваше внимание, что здесь по оси ординат отложены значения, соответствующие т.н. коэффициенту хроматической дисперсии, который, как следует из его единицы измерения пс/(нм·км), определяет расширение импульса в пс в зависимости от ширины спектра источника излучения в нм и от длины воло- 29 конного тракта в км. На рисунке показаны уже знакомые нам три области прозрачности кварцевых световодов. Как следует из рисунка, в окне 0,85 мкм значение дисперсии составляет порядка 100 пс/(нм·км), в окне 1,3 мкм дисперсия близка к нулевой, а в окне 1,55 мкм – она порядка 20 пс/(нм·км). Рис. 15. Теоретическая и экспериментальная зависимости хроматической дисперсии кварцевого световода Согласно (12) и рекомендациям ITU-T коэффициент широкополосности стандартного1 одномодового волокна по хроматической дисперсии при типичной ширине спектра полупроводникового лазера 3 нм (см. гл. 2) имеет примерные значения: 3 ГГц·км в окне 0,85 мкм, 1000 ГГц·км в окне 1,3 мкм и 15 ГГц·км в окне 1,55 мкм. Здесь и далее термин «стандартное волокно» подразумевает волокно с характеристиками согласно рекомендации ITU-T G.652. 1 30 Понятно, что в первом окне прозрачности, где преимущественно используются многомодовые волокна, указанное значение дисперсии реализовать невозможно, поскольку согласно (13) ее результирующая величина будет определяться модовой дисперсией. Таким образом, если сопоставить эти результаты с результатами рис. 10 по затуханию в световоде, можно сделать вывод, что в окне прозрачности 0,85 мкм кварцевый световод обладает наибольшими затуханием и дисперсией, что ограничивает длину ВОСП. В окне прозрачности 1,3 мкм при использовании стандартного волокна получаются близкое к минимальному затухание и практически нулевая дисперсия, поэтому в настоящее время ВОСП преимущественно работают в этом диапазоне. В ВОСП, где нужно обеспечить максимально возможную длину регенерационного участка, а также наиболее широкую спектральную полосу, используют окно 1,55 мкм с наименьшим затуханием. Однако там длина участка регенерации может быть ограничена влиянием дисперсии, поэтому в таких случаях применяют специальные волоконные световоды с нулевой дисперсией, смещенной в область 1,55 мкм либо световоды с так называемой сглаженной дисперсией, в которых значения хроматической дисперсии примерно одинаковые в обоих окнах [13]. Это обеспечивается за счет различного вида профилей изменения показателя преломления в сердцевине и прилегающей части оболочки, наиболее типичные из которых представлены на рис. 14. Для волокна со смещенной дисперсией наиболее часто используются треугольный, трапецеидальный, выпуклый либо двухступенчатый профили (рис. 16,а). При этом на волне 1,55 мкм хроматическая дисперсия получается на уровне 0,5...3 пс/(нм·км) при затухании 0,2...0,3 дБ/км. Волокна со сглаженной дисперсией, типичные профили которых показаны на рис. 16,б, изготавливаются путем формирования вокруг сердцевины дополнительной депрессированной (т. е. с меньшим значением показателя преломления) оболочки. Их дисперсионные параметры во втором окне примерно соответствуют стандартным одномодовым волокнам. С увеличением длины 31 волны излучение проникает в депрессированную оболочку, что приводит к увеличению волноводной дисперсии, компенсирующей отрицательную по знаку (см. рис. 15) материальную дисперсию. В результате, значения хроматической дисперсии в обоих окнах находятся в пределах от -6 до +2 пс/(нм·км) при несколько увеличенном затухании, составляющем в среднем 0,4-0,6 дБ/км. а) б) Рис. 16. Типичные профили показателей преломления одномодового волокна со смещенной (а) и сглаженной (б) дисперсией Отмечу, что волокна данного типа гораздо реже применяются в современных ВОСП. Основная причина этого заключается в их существенно худших экономических характеристиках по сравнению со стандартными одномодовыми волокнами. Рассмотренные выше эффекты являются общими для цифровых и аналоговых ВОСП, однако при разработке сверхвысокоскоростных ЦВОСП и АВОСП необходимо также учитывать специфичные параметры волокна такие, как поляризационные эффекты: поляризационные потери и поляризационная модовая дисперсия, оптические обратные потери, шумы и нелинейность. Ниже будет проведено их краткое описание. Поляризационные эффекты В ходе предыдущего анализа предполагалось, что сердце- 32 вина и оболочка волокна имеют идеальную круглую геометрию, т.е. среда обладает свойством оптической изотропности. Понятно, что в реальных волокнах будут присутствовать технологические отклонения, например, эллиптичность и взаимная неконцентричность сердцевины и оболочки. Вследствие относительно больших размеров это не играет существенной роли в многомодовом волокне, однако для применяемых в ВОСП волн длиной менее 2 мкм даже незначительные отклонения формы поперечного сечения сердцевины вызывают эффект оптической анизотропии в одномодовых волокнах. Другими источниками нарушения изотропности одномодового световода являются различные механические напряжения при изготовлении и прокладке кабелей, температурные изменения, воздействие внешних электрических и магнитных полей. Ранее отмечалось, что при выполнении условия V<2,405 в световоде может распространяться только одна мода самого низшего порядка НЕ11. В действительности, в данном случае уравнения Максвелла дают два решения. А именно, в волокне с равной вероятностью могут распространяться две моды с взаимно ортогональными плоскостями поляризации E║, E . В изотропной среде обе они имеют идентичные постоянные распространения: (14), = β = 2πn/λ ║ и результирующая волна обладает циркулярной поляризацией. В случае нарушения осевой симметрии волокна из-за изменения показателя преломления n возникает явление двулучепреломления, и вышеуказанные постоянные распространения становятся различными. А именно, показано, что волна E проникает в оболочку глубже, чем E║ и испытывает большие потери при распространении, что приводит к уменьшению интенсивности общего потока на входе фотоприемника, т.е. к появлению поляризационных потерь (polarization dependent loss, PDL). По определению поляризационными потерями называется разность в дБ между максимальным и минимальным значениями потерь (затухания) вследствие изменения состояний поляризации распространяющегося света. Согласно данным различных производи- 33 телей волокна типичная величина этого вида потерь в стандартном световоде составляет 0,1 дБ/км в третьем окне прозрачности. Разность траекторий волн E║, E приводит не только к дополнительным потерям, но и к разным скоростям их распространения, что вызывает поляризационную модовую дисперсию (polarization mode dispersion, PMD) передаваемого сигнала. По определению [16] PMD называется дисперсия света, вызывающая задержку между двумя принципиальными состояниями поляризации при распространении в среде вследствие ее анизотропных свойств. Разность времен распространения этих двух состояний, как и в линиях передачи СВЧ диапазона, называется дифференциальной групповой задержкой (DGD), спектральная неравномерность которой вызывает искажения в АВОСП. При распространении эти моды могут на различных участках волокна преобразовываться одна в другую, причем факт преобразования и его уровень носят статистический характер. Поэтому для оценки PMD принято [16], что ее общая величина PMDTOT соответствует: PMDTOT PMD 2 k k 1 2 (15) где PMDk – поляризационная модовая дисперсия k-го участка. Величина поляризационной модовой дисперсии измеряется в пс/км½. Согласно данным различных производителей волокна типичная величина этого параметра в стандартном световоде составляет 0,5 пс/км½ в третьем окне прозрачности. Отмечу, что для устранения вышеописанных поляризационных эффектов разработаны специальные волокна с сохранением состояния поляризации, однако пока они находят ограниченное применение из-за чрезмерно большого затухания. Оптические обратные потери Как известно, при прохождении света через границу двух реальных сред с различными показателями преломления его интенсивность уменьшается за счет эффектов поглощения и отражения. В волокне эти эффекты возникают по технологическим причинам: неоднородность состава, например, пузырчатость, 34 воздушные включения и др., микротрещины, неидеальность геометрии, а также из-за механических и температурных градиентов при изготовлении, прокладке и эксплуатации кабеля. По аналогии с линиями передачи радиотехнического диапазона они названы оптические обратные потери (optical return loss, ORL) и определяются в дБ как: Pотр ORL 10lg (16) Рпад где Рпад, Ротр – уровни соответственно падающей и отраженной оптической мощности. Особенностью этого вида потерь по сравнению с рассмотренным выше рэлеевским рассеянием является локальность. Согласно экспериментальным данным величина ORL в нормально спроектированной и проложенной линии передачи на основе одномодового кабеля даже с учетом сварных стыков превышает 40 дБ, т.е. потери при передаче увеличиваются незначительно. Гораздо более сильное мешающее воздействие отражения от неоднородностей, а также от стыков оптических соединителей оказывают при попадании в резонатор источника излучения, вызывая значительное увеличение его шума, что будет подробно рассмотрено в соответствующих главах. Шумы В волоконно-оптическом тракте современных ВОСП обычно учитываются две разновидности шума: модовый шум и шум вследствие многолучевой интерференции (Multipath interference, MPI). Сначала кратко охарактеризуем модовый шум. Как следует из названия, он возникает в волокне при распространении большого числа волн, т.е. преимущественно в многомодовом волокне. Там модовый шум проявляется в непрерывном хаотическом изменении уже упоминавшейся спекл-картины (см. рис. 5). Основными причинами флуктуаций спекл-картины служат локальные и распределенные неоднородности волоконно-оптического тракта и температурные вариации. Полоса частотного спектра модовых шумов составляет от десятков Гц до 200-300 МГц. В одномодовом волокне источником шума являются хаотические преобразо- 35 вания описанных выше двух состояний поляризации при распространении света в реальном волоконно-оптическом тракте большой протяженности. Явление многолучевой интерференции возникает при взаимодействии многократных отражений от сосредоточенных неоднородностей длинного волоконно-оптического тракта. Наиболее заметные помехи передаваемому оптическому сигналу формируются от двух расположенных на близком расстоянии неоднородностей, образующих так называемый резонатор Фабри-Перо1. Нелинейность В общем случае, как известно, эффект нелинейности заключается в непропорциональной зависимости уровня выходной мощности от входной. При этом на выходе нелинейного устройства появляются дополнительные сигналы (в случае волокна – уровни энергии) на частотах, отсутствующих во входном сигнале: гармоники, интермодуляционные искажения и т.д. Высшие гармоники будут естественным образом ослабляться в кварцевом световоде за счет рассмотренных ранее фундаментальных процессов (см. рис. 11): УФ-поглощения и рэлеевского рассеяния. Следовательно, наибольшую опасность представляют паразитные сигналы в рабочей полосе современного волокна. Физика нелинейных явлений в оптическом волокне достаточно подробно для разработчиков ВОСП рассмотрена в [17]. Наша задача в данном разделе – их определение и классификация. Все известные в настоящее время нелинейные эффекты в волоконно-оптическом тракте можно разделить на две группы: эффекты, связанные с нелинейной зависимостью показателя преломления от падающей мощности, и эффекты, связанные с дополнительным рассеянием света. К первой группе относятся: четырехволновое смешение, ЧВС (Four Wave Mixing, FWM), фазовая самомодуляция, ФСМ (Self-phase modulation, SPM) и фазовая кросс-модуляция, ФКМ (Cross-phase Modulation, XPM). Во вторую группу входят: вынужденное Рамановское (комбинационное) рассеяние, ВКР (Stimulated Raman Scattering, SRS) и 1 Резонатор с двумя параллельными отражателями 36 вынужденное рассеяние Мандельштама-Бриллюэна, ВРМБ (Stimulated Brillouin Scattering, SBS). Кратко рассмотрим каждый вид нелинейности. Для первой группы зависимость электрического поля распространяющейся волны от падающей мощности Р (в Вт) можно учесть введением в (10) нелинейного показателя преломления n″. (17) n n jn ' n '' В (17) n″ определяется как: n'' k P / Aeff (18) где k – нормирующий параметр нелинейного показателя преломления, величина которого для кварцевого световода соответствует 2,35·10-8 мкм2/Вт; Aeff – эффективная площадь сечения сердцевины одномодового волокна в мкм2, равная: 2 (19) Aeff MFD где MFD – диаметр так называемого модового пятна, зависящий от поперечного распределения интенсивности излучения. Из (18) и (19) следует, что наиболее очевидным способом уменьшения нелинейности является увеличение Aeff, т.е. диаметра модового пятна. Отмечу, что поскольку поперечное распределение обычно принимается гауссовским, то эффективный диаметр модового пятна меньше, чем геометрический. Так в стандартном одномодовом световоде с геометрическим диаметром сердцевины около 10 мкм MFD примерно равен 4 мкм. При этом эффективная площадь сечения в полтора раза меньше геометрической. Для ее увеличения при изготовлении современных волокон для передачи излучения большой мощности применяется оптимальный выбор легирующих присадок и формы профиля изменения показателя преломления, что позволило увеличить Aeff более, чем в три раза при сохранении основных параметров передачи волокна. Типичная зависимость показателя преломления стандартного кварцевого волокна в третьем окне прозрачности от уровня падающей мощности приведена на рис. 17. Как видно из рисунка, отклонение от линейности совсем небольшое при типичных мощностях в современных АВОСП до 20 мВт, однако эффект усиливается из-за влияния дисперсии. 37 Четырехволновое смешение наблюдается в многоволновых АВОСП при передаче большого числа сравнительно близко расположенных на регулярных расстояниях оптических несущих. Механизм образования дополнительных нелинейных продуктов аналогичен интермодуляционным искажениям в многоканальных радиотехнических системах. Рис. 17. Зависимость показателя преломления стандартного одномодового волокна от уровня мощности В качестве иллюстрации рассмотрим простой пример взаимодействия трех несущих в третьем окне прозрачности на волнах λ1 = 1551,72 нм, λ2 = 1552,52 нм и λ3 = 1553,32 нм с постоянным шагом 0,8 нм. Вследствие ЧВС образуется девять продуктов интермодуляционных искажений третьего порядка в следующих комбинациях. λ1 + λ 2-λ 3= 1550,92 нм 2λ1- λ2=1550,92 нм 2λ2- λ3= 1551,72 нм λ1-λ2 + λ3= 1552,52 нм 2λ1- λ3= 1550,12 нм 2λ2- λ1= 1553,32 нм λ2+ λ3- λ1= 1554,12 нм 2λ3- λ1=1554,92 нм 2λ3 - λ2= 1554,12 нм Спектральное положение основных несущих и комбинаци- 38 онных продуктов при четырехволновом смешении представлено на рис. 18. Как видно из рисунка, три паразитных составляющих располагаются на тех же волнах, что и основные несущие, т.е. представляют собой помехи, которые невозможно устранить при помощи фильтрации. Остальные продукты нелинейности могут быть ослаблены посредством спектральных фильтров. Рис. 18. Спектр комбинационных продуктов третьего порядка при четырехволновом смешении трех несущих (шаг 0,8 нм) Из теории интермодуляции известно, что число интермодуляционных помех третьего порядка NП быстро растет при увеличении числа взаимодействующих несущих V. (20) N П 0,5 V 3 V 2 Результаты расчета NП на основе (20) представлены на рис. 19. Зависимость от мощности комплексного показателя преломления (см. (17)) приводит не только к изменению интенсивности, но и фазы (и, следовательно, частоты) распространяющегося оптического сигнала. При этом более длинноволновые составляющие его спектра передаются с большей скоростью по сравнению с коротковолновыми. В многоволновых ВОСП с большим числом близко расположенных несущих возникает эффект фазовой кросс-модуляции, в широкополосных одноволно- 39 вых – эффект фазовой самомодуляции, проявляющийся как влияние временных изменений интенсивности оптического сигнала на его фазу. Рис. 19. Зависимость числа помех от числа оптических несущих при ЧВС В случае ФКМ, порог заметности которой в зависимости от канального промежутка, уровня дисперсии, эффективной площади сечения и т.д. составляет порядка 10-15 мВт, воздействие паразитной фазовой модуляции распространяется не только на данный, но и на соседние оптические каналы. В случае ФСМ, порог заметности которой наиболее низкий и составляет по некоторым данным 5-8 мВт в зависимости от тех же параметров, происходит искажение формы спектра распространяющего сигнала, что вызывает, например, появление осцилляций на заднем фронте передаваемого короткого импульса либо искажений группового времени задержки (ГВЗ) аналогового сигнала. Второй механизм возникновения нелинейных искажений определяется рассеянием, т.е. дифракцией оптической волны на неоднородностях среды, при взаимодействии мощной оптической волны с материалом кварцевого волокна. А именно, в результате взаимодействия изменяющихся во времени электрических полей с микрочастицами вещества в последнем создаются и 40 распространяются бегущие упругие волны, т.е. формируются источники вторичного излучения. При этом, помимо уже рассмотренного линейного рэлеевского рассеяния возникают нелинейные виды рассеяния с образованием в спектре сигнала новых частот [17]: вынужденное рассеяние Мандельштама-Бриллюэна (взаимодействие с акустическими фононами) и вынужденное Рамановское (комбинационное) рассеяние (взаимодействие с оптическими фононами). Оба явления характеризуются при рапространении монохроматической волны появлением ее спектре двух симметрично расположеных боковых компонент: так называемых стоксовой с более низкой частотой и антистоксовой с более высокой частотой. Относительная интенсивность стоксовой компоненты в кварцевом волокне, как правило, составляет 10-5...10-6, антистоксовой на два порядка меньше, поэтому последней в большинстве случаев пренебрегают. Для возбуждения ВРМБ необходимо сосредоточить оптическую энергию в узком частотном спектре шириной 50-100 МГц, что в реальной ВОСП можно обеспечить только с помощью так называемого динамически одночастотного лазера (см. 2). Пороговый уровень заметности ВРМБ составляет 6-10 мВт в стандартном одномодовом волокне на волне 1,55 мкм, полоса с учетом эффекта Допплера расширяется в 5-6 раз. Данный вид рассеяния фактически определяет верхнюю границу мощности, которая может быть эффективно введена в оптическое волокно. При превышении ее появляются значительные обратные отражения, в результате чего не только уменьшается уровень мощности на входе фотоприемника, но и, главное, резко увеличиваются шумы лазера, нарушая работоспособность ВОСП, что более подробно рассматривается в следующем параграфе. Уровень возбуждения ВРМБ примерно пропорционален ширине спектра источника излучения, и уменьшается по мере повышения его монохроматичности. Рамановское рассеяние отличается широким спектром возбуждаемых комбинационных частот, и для кварцевого световода стоксовый сдвиг частоты примерно составляет -13 ТГц в третьем окне прозрачности. Для современных волокон этот вид рассеяния 41 является меньшей проблемой, чем ВРМБ, поскольку порог его заметности близок к 1 Вт. Тем не менее, его необходимо учитывать в ВОСП с применением волоконных усилителей, уровень выходной мощности которых уже достиг 500 мВт. Эффект усиливается при каскадировании усилителей. Для наглядности характеристика и влияние рассмотренных выше нелинейных эффектов в волокне представлены в табл. 1. Таблица 1 Нелин. эффект Порог Влияние на харакмощности теристики передав ОВС чи ВОСП Причина Характеристика ФСМ, ФКМ Зависимость показателя преломления сердцевины волокна от оптической мощности Фазовый сдвиг, проявляющийся как: паразитная фазовая модуляция в данном оптическом канале; паразитная фазовая модуляция в соседних каналах; расширение спектра излучения Рс>~8 мВт Ограничение полосы пропускания (скорости передачи) вследствие увеличения влияния дисперсии; деформация (сжатие или растяжение) передаваемого импульса; внятные переходные помехи в многоволновой системе; ограничение качества передачи ИКМФМ сигналов вследствие амплитуднофазовой конверсии. ЧВС Та же Комбинационные продукты: λijk= λi± λj± λk, j≠k Рс>~10 мВт (зависит от канального интервала, расстояния от несущих и др.) Внятные переходные помехи в многоволновой системе; ограничение динамического диапазона; ухудшение отношения сигнал/шум. 42 Нелин. эффект ВРМБ ВКР Причина Характеристика Взаимодействие фотонов и акустических фононов Дополнительная спектральная линия на стоксовой частоте f-Δf Δf≈13 ГГц (1310 нм) Δf≈11 ГГц (1550 нм) Порог Влияние на харакмощности теристики передав ОВС чи ВОСП Рс>~5 мВт (для источника с высокой монохроматичностью) Pc увеличивается с расширением спектра излучения Нестабильность оптического сигнала; увеличение потерь в волокне; Оптические переходные помехи в дуплексной многоканальной ВОСП Взаимо- Дополнительные Рс>~1 Вт Увеличение потерь действие спектральные (для однов волокне; фотонов линии на гармо- волновой Оптические и оптиче- никах стоксовой системы) переходные помехи ских фочастоты f-nΔf Рс>~1 мВт в ВОСП с СРК; нонов Δf≈13 TГц для рама ухудшение отноΔλ≈70 нм (1310 новского шения сигнал/шум нм) усиления в Δλ≈102 нм (1550 ВОСП с нм) СРК 1.4. Волоконно-оптические кабели Как известно, в реальных условиях работы ВОСП волокна для защиты от механических, климатических, электромагнитных и других внешних воздействий монтируются в виде кабелей. Число волокон в кабеле может составлять от 1-2 для внутриобъектовых кабелей до до нескольких сотен для городских магистральных кабелей. Конструкция волоконно-оптического кабеля зависит от его назначения и условий применения, способа прокладки, конструктивных и технологических требований. Например, для кабелей, предназначенных для прокладки в специальных коробах внутри помещений, достаточной защитой являются кевларовые нити и пластиковая трубка, а для магистральных кабелей, прокладывающихся в грунте либо в во- 43 де, используется несколько видов защитных покрытий, в том числе металлическая броня [18]. Принятые меры обеспечивают срок службы современных оптических кабелей связи не менее 25 лет. Основными требованиями к волоконно-оптическим кабелям, связанными с качеством передаваемых сигналов являются следующие: Механические и температурные напряжения при изготовлении и прокладке не должны превышать уровней, при которых в волокне могут образоваться неоднородности, увеличивающие обратные отражения. В ходе прокладки кабеля необходимо соблюдать минимально допустимый радиус изгиба, что гарантирует отсутствие отражений и дополнительных потерь на излучение из волокон. При монтаже линейного тракта для АВОСП помимо общих требований к низким потерям при сварке волокон1 должен дополнительно обеспечиваться и контролироваться требуемый в системе уровень оптических обратных потерь. Следует отметить, что различные аспекты разработки, изготовления и применения волоконно-оптических кабелей наиболее полно по сравнению с другими компонентами ВОСП описаны в отечественной технической литературе, что делает нецелесообразным их более подробное изложение в рамках данной книги. В частности, классификация, конструкции и характеристики основных типов отечественных и зарубежных кабелей, выпускаемых в начале 90-х годов рассмотрены в [14]. Современные волоконно-оптические кабели отечественного и иностранного производства подробно описаны, например, в [18]. Для примера конкретные параметры современных волоконно-оптических кабелей отечественного производства представлены в табл. 1 Приложения 2. Отметим, что при использовании современных сварочных аппаратов автоматического действия потери при сварке двух одномодовых волокон обеспечиваются на уровне 0,02 дБ, т.е. затухание после каждого стыка будет увеличиваться примерно на 0,5%. 2 Составлена по данным, опубликованным в сети ИНТЕРНЕТ на сайте фирмы «Москабель-Фуджикура». 1 44 2. ИЗЛУЧАТЕЛЬ В подавляющем большинстве современных ВОСП в качестве источника сигналов используется полупроводниковый лазерный излучатель. В этом оптоэлектронном приборе осуществляется так называемое электрооптическое преобразование сигнала, который затем вводится в волоконный световод. Часто это наиболее дорогой структурный элемент приемо-передающей аппаратуры, и его параметры в значительной степени определяют общие характеристики ВОСП. 2.1. Физические основы работы лазера Лазер - это прибор, служащий источником направленного монохроматического когерентного излучения на частоте, лежащей в видимой либо инфракрасной области спектра. Название «лазер» произошло от первых букв фразы: «Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation», что означает: «усиление света с помощью вынужденного излучения». В основе работы лазеров положена квантовая теория, развитая А. Эйнштейном, Н. Бором, М. Планком и другими выдающимися учеными прошлого века. Основополагающим в этой теории является постулат о непрерывном движении атомов в любом физическом теле. Внутри атомов движутся электроны, перескакивая с орбиты на орбиту. При этом они обмениваются энергией. Согласно законам квантовой механики энергия электрона, связанного в атоме, а следовательно, энергия всего атома в целом, не произвольна. Она может иметь лишь определенный дискретный ряд значений, называемых уровнями. Набор разрешенных значений энергии называется энергетическим спектром атома. В веществе при переходе электрона с одного уровня энергии на другой может происходить излучение или поглощение электромагнитной волны. Частота ее определяется известным соотношением [19]: m,n Em En / h (21) где: Еm, Еn – энергетические уровни, между которыми происходит переход; h – постоянная Планка. 45 Чем больше разность энергий двух состояний, между которыми происходит переход, тем больше частота либо меньше длина электромагнитной волны, испускаемой или поглощаемой при таком переходе. Излучение или поглощение электромагнитной энергии атомом происходит отдельными порциями – квантами или фотонами, величина которых равна hν. При поглощении фотона энергия атома увеличивается, и он переходит на верхний уровень, а при излучении фотона атом совершает обратный переход на нижний уровень. Для иллюстрации сказанного на рис. 20 показана схема двухуровневой энергетической системы. Энергию частиц, находящихся на нижнем уровне, обозначим как Е1, а на верхнем уровне как Е2. Тогда согласно выражению (21) частота излучения определится из соотношения: Е2-Е1= hν21. Процесс проиллюстрирован на рис. 20,б. Аналогично можно сказать, что частота поглощения связана с энергетическими уровнями как: Е2- Е1= hν12. Этот процесс проиллюстрирован на рис. 20,а. а) б) Рис. 20. Схема двухуровневой энергетической системы Из вышеприведенных рассуждений можно сделать вывод, что свет имеет дуальную природу: волновую и квантовую, то есть его можно охарактеризовать и как волну, и как частицу. Обычное состояние атомной системы вещества, когда число частиц на верхнем уровне меньше, чем на нижнем, характеризуется распределением Больцмана [19]: 46 E hc n2 (22) exp exp n1 k T k T Б Б где n1 и n2 – концентрация частиц соответственно на нижнем и верхнем уровнях (также принято говорить – о населенности уровней); ΔЕ – разность уровней Е2 и Е1; kБ – постоянная Больцмана; Т – абсолютная температура, с – скорость света, λ длина волны. Такое состояние системы носит название равновесного, иначе говорят, что система находится в тепловом равновесии. Если в выражении (22) формально допустить Т 0, то знак в показателе степени изменится на противоположный. Это будет справедливо лишь для случая, когда n2 > n1, т.е. населенность верхнего уровня будет выше, чем нижнего. Данный эффект называется инверсией населенности. Вследствие того, что инверсия была формально получена за счет изменения знака температуры, это состояние системы называют состоянием с отрицательной температурой. Квантовая система, находящаяся в таком состоянии может стать источником энергии, т. е. оптическим генератором. Доказано, что, если система обладает инверсной населенностью, имеется определенная вероятность того, что через некоторый промежуток времени она перейдет в равновесное состояние с испусканием энергии. Эта вероятность имеет две составляющие: постоянную и переменную. Первая составляющая зависит от свойств самой системы и перехода, вторая - от плотности энергии внешнего поля, действующего на систему на частоте перехода. То есть наличие внешнего поля на частоте перехода повышает вероятность излучения системы с инверсной населенностью. При отсутствии внешнего поля процесс перехода, сопровождаемый испусканием фотона, дает так называемое спонтанное излучение. При воздействии внешнего поля спонтанное излучение остается. Однако внешнее поле на частоте перехода повышает его вероятность, вызывая излучение, находящееся с ним в определенном неизменном фазовом соотношении. Этот процесс называется вынужденным или стимулированным из- 47 лучением. Отметим, что процесс хаотического спонтанного излучения существует всегда, а процесс стимулированного излучения – только при инверсии населенностей уровней. Иллюстрацией характера взаимодействия излучения со средой служит рис. 21. В левой части рисунка показан процесс поглощения энергии средой с равновесной населенностью, в правой – процесс ее усиления при прохождении излучения в среде с инверсией населенности. В общем виде эти процессы описываются выражением: J J 0 e l (23) где J0 - интенсивность падающего светового потока, J - интенсивность прошедшего светового потока, l - длина пути света в среде, α - коэффициент усиления либо поглощения света средой, величина которого пропорциональна разности населенностей уровней: n1 n2 (24) Рис. 21. Взаимодействие излучения со средой Отношение интенсивностей J/J0 позволяет произвести количественную оценку прошедшего в среде излучения. В частности, из (23) и (24) видно, что для повышения коэффициента усиления света средой необходимо увеличивать инверсию населенности и длину пути l. Для увеличения пути было предложено располагать среду между системой из двух параллельных зеркал. При этом будет использоваться эффект многократного прохождения излучения сквозь среду за счет отражения от зеркальных поверхностей (рис. 22). 48 Рис. 22. Иллюстрация эффекта многократного прохождения излучения в оптическом генераторе Еще одной важной особенностью применяемой в лазерах системы параллельных зеркал является образование открытого высокодобротного резонатора (так называемого резонатора Фабри-Перо). А именно, при многократном отражении наибольшего усиления достигнут только волны, распространяющиеся перпендикулярно поверхности зеркал. Следовательно, если одно из зеркал сделать полупрозрачным, то энергия на выходе резонатора будет распределяться в узком почти параллельном пучке с малой расходимостью. Она может быть оценена по формуле дифракционной расходимости [19]: 2 L (25) где: L - расстояние между плоскими зеркалами. Таким образом, для получения лазерного излучения необходимо обеспечить следующие условия: иметь среду, в которой возможно обеспечение инверсной населенности; создать эту инверсную населенность с помощью внешнего поля; выполнить условие самовозбуждения l Re 1 (26) где R – коэффициент потерь на зеркалах. вывести энергию из резонатора. 49 Лазерное излучение характеризуют следующие особенности по сравнению, например, с тепловым излучением: 1. Узконаправленность, обусловленная тем, что испускаются лишь волны, многократно отраженные от стенок резонатора без существенного отклонения от его оптической оси. 2. Монохроматичность, обусловленная тем, что выходное излучение является следствием резонансного процесса, связанного с переходом с какого-либо одного энергетического уровня. 3. Значительная выходная мощность, обусловленная практически одновременным участием в процессе большого числа возбужденных частиц с совпадающими фазами колебаний. 4. Пространственная когерентность, обусловленная тем, что все волновые фронты плоские и перпендикулярны направлению распространения волн. 5. Временная когерентность, обусловленная монохроматичностью и синфазностью излучения. Особенности работы полупроводникового лазера для телекоммуникационной ВОСП Все вышесказанное относилось к лазерам любых типов: жидкостных, газовых, твердотельных, полупроводниковых. Задача, стоявшая перед создателями первых ВОСП, была в выборе оптимального источника излучения. В предыдущем параграфе были рассмотрены характеристики волоконных световодов. Из этого рассмотрения и вытекает специфичный набор требований к источнику излучения (передатчику): – рабочий диапазон должен соответствовать окнам прозрачности кварцевого световода: в окрестности 0,85; 1.3 и 1,55 мкм (см. рис. 15); – должна быть обеспечена высокая энергетическая яркость в сравнительно узкой полосе частот; – площадь излучающей поверхности не должна быть больше размеров сердцевины волокна (напомню, что диаметр сердцевины составляет 50 мкм для многомодового световода и 810 мкм – для одномодового световода); – угловое распределение излучения должно согласовы- 50 ваться с апертурой волокна. Кроме того, должны удовлетворяться требования, общие для аппаратуры связи: простота модуляции оптической несущей; высокая надежность; сравнительно низкая стоимость; высокие массогабаритные характеристики; стабильность параметров излучения. Лучше других удовлетворяют этим требованиям полупроводниковые источники, излучающие свет из р–n перехода в процессе так называемой инжекционной люминесценции [9]. Принцип работы полупроводникового лазера может быть кратко объяснен следующим образом. Согласно квантовой теории в полупроводнике имеют место так называемые вырожденные уровни, и носители могут занимать две сравнительно широкие энергетические полосы [13], что показано на рис. 23. Рис. 23. Схема энергетических уровней полупроводникового лазера 51 Нижняя представляет собой валентную зону, а верхняя – зону проводимости. Область между ними называется запрещенной зоной. В чистом полупроводнике при низкой температуре все электроны связаны и занимают энергетический уровень, расположенный в пределах валентной зоны. Если на полупроводник подействовать внешним электрическим полем, то при достаточной его силе часть электронов преодолеет запрещенную зону и перейдет в зону проводимости. В результате в валентной зоне окажутся свободные места, называемые дырками, которые играют роль положительного заряда. Произойдет перераспределение электронов между уровнями валентной зоны и зоны проводимости и, при определенных условиях, может возникнуть перенаселенность носителей в верхней энергетической зоне. В некоторых полупроводниках группы А3В5, например, арсениде галлия или фосфиде индия, в результате обратного перехода электронов из зоны проводимости в валентную зону и соединения их с дырками, т.е. в результате процесса рекомбинации носителей заряда, происходит излучение фотонов. Как уже говорилось, чтобы создать оптический генератор, активное вещество нужно поместить в открытый резонатор, обеспечивающий положительную обратную связь. В полупроводниковых лазерах зеркалами служат грани полупроводникового кристалла, сколотые вдоль естественных кристаллографических плоскостей р-n перехода. Отражение от граней получается за счет разности показателей преломления на границе кристаллвоздушная среда. Для уменьшения ширины запрещенной зоны, что повышает вероятность излучательной рекомбинации, в полупроводник вводят примеси, создающие отдельные местные энергетические зоны. Отметим, что в ВОСП помимо лазерных излучателей используются также светоизлучающие диоды (СИД). Излучение СИД некогерентно и имеет большую расходимость, сравнительно широкую спектральную полосу и небольшую выходную мощность [20]. Краткое феноменологическое сравнение основных параметров современных полупроводниковых лазерных излучателей (ПЛИ) и СИД проведено в табл. 2. 52 Таблица 2 Характеристика Выходная мощность Ток накачки (смещения) Эффективность ввода в световод Быстродействие Диаграмма излучения Полоса модуляции СИД Прямо пропорциональна току накачки Рабочее значение 50-100 мА Средняя: мощность в волокне 0,05...0,5 мВт Низкое Широкая ПЛИ Пропорциональна току только выше порога Пороговое значение 5-40 мА Высокая: мощность в волокне 0,5...25 мВт Высокое Узкая Средняя (до 100...300 Широкая (до 20 ГГц) МГц) Спектральный диа- 0,66...1,65 мкм 0,78...1,65 мкм пазон Спектр излучения Широкий: 40-190 нм* Узкий: 0,00001-10 нм* Используемое во- Только многомодовое Любой тип локно Использование в со- Простое Сложное, т.к. требуются ставе передающего дополнительные схемы устройства Долговечность Более высокая Высокая Стоимость Низкая: $5…$100 Высокая: $100…$1000 * По полуширине (т.е. полной ширине по уровню 0,5 от максимума, FWHM) Вышеприведенные параметры ограничивают применение СИД в ВОСП системами с низкой пропускной способностью. Здесь же мы будем рассматривать только лазерные излучатели. 2.2. Основные структуры и конструкции А) Традиционные лазерные структуры Поясняющая принцип построения и функционирования конструкция полупроводникового лазерного диода на основе GaAs и его спектральные характеристики представлены на рис. 24. Он представляет собой полупроводниковый кристалл с типичными размерами: длина 100-500 мкм, ширина 100-300 мкм, высота 100-200 мкм. В диодной структуре между p-областью 53 (сверху) и n-областью (снизу) расположен так называемый активный слой. В качестве материала активного слоя используется, например, арсенид галлия с примесями n-типа, концентрация которых составляет 10 17–1018 1/см3. Чтобы обеспечить электрический контакт, в р- и n-области впаиваются металлические электроды. Роль зеркал играют торцы чипа, которые для уменьшения потерь полируются. Для создания инверсной населенности в активном слое к верхнему и нижнему контактам просто подводится напряжение постоянного тока, смещающее диод в прямом направлении. Первоначально, пока величина тока еще невелика, прибор работает в светодиодном режиме со сравнительно широкой спектральной полосой излучения (см. рисунок). При превышении током некоторого порогового значения диод переходит в лазерный режим, о чем свидетельствует резкое сужение его спектральной характеристики. Отметим весьма важное достоинство полупроводникового лазерного диода: для управления его излучением по закону информационного сигнала достаточно просто промодулировать его ток прямого смещения. Рис. 24. Упрощенная конструкция полупроводникового инжекционного лазерного диода и его спектральные характеристики В показанной на рис. 24 лазерной структуре p-n переход состоит из одного вида полупроводникового материала, и такой диод называется гомолазером. Он может принципиально работать только при температуре жидкого азота, поэтому лазеры 54 данного типа не нашли применение в телекоммуникационных ВОСП, и рис. 24 приведен только, чтобы упростить объяснение принципа работы. Практическое применение нашли работающие при комнатной температуре гетеролазеры – инжекционные лазеры на основе гетеропереходов. В этих лазерах для образования p-n перехода используют два вида полупроводников с различной шириной запрещенной зоны. В окне 0,85 мкм – это обычно арсенид галлия и соединение на основе арсенида галлия с примесью алюминия, в окнах 1,3 и 1,55 мкм – это фосфид индия и соединение на основе фосфида индия с примесью галлия и мышьяка. Для повышения эффективности работы в современных лазерных структурах применяют двойной гетеропереход. Пример лазерного диода с двойным гетеропереходом, так называемой узкополосковой конструкции [13] показан на рис. 25. Рис. 25. Узкополосковая конструкция лазерного кристалла с двойным гетеропереходом В структуре активная p-область на основе GaAs находится между р- и n-слоями GaAlAs. Эпитаксиальные слои формируются на подложке из GaAs с электронной проводимостью. Сверху для обеспечения качественного электрического контакта помещается высоколегированный слой GaAs с дырочной проводимостью. Таким образом, если сравнить рис. 24 и 25, «пирог» уже получается не трехслойным, а пятислойным. И это 55 не предел. Для понимания сложности структуры современного полупроводникового лазера для ВОСП на рис. 26 показан пример поперечной наноструктуры высокоскоростного лазера с использованием, так называемой многоквантоворазмерной (QW) активной области, полученной методом газофазной эпитаксии [21]. Как видите, в этом «эпитаксиальном пироге» уже 12 слоев. Обращаю внимание на наноразмерную толщину активной области и на наличие отдельных волноводных слоев для улучшения характеристик излучения. С целью оптимального использования в ВОСП различного назначения в настоящее время разработаны самые разнообразные конструкции полупроводниковых лазеров. Три из них [21] приведены на рис. 27. 0.2 μm P- In0,53 Ga0,47 As 0.2 μm P-InP 2.0 μm P-InP 0.025 μm P-InGaAsP 0.2 μm P-InP 0.05 μm P-In0,52 Al 0,48As 0.05 μm Волновод 6-10 nm 5~6QW/6~7 Barrier (активная область) 0.1 μm Волновод 0.1 μm N- In0,52 Al0,48 As 0.5 μm N-InP Буфер 100-200 μm N-InP Подложка Рис. 26. Пример поперечной наноструктуры современного полупроводникового лазера для ВОСП с использованием многоквантоворазмерной активной области [21] Конструкция лазерного кристалла, показанная на рис. 27, а, отличается повышенной мощностью излучения. Для этого кристалл перевернут так, чтобы на металлическом основании нахо- 56 дился слой p-типа, что улучшает условия отвода тепла при работе прибора. Структура, показанная на рис. 27, б, обладает улучшенной частотно-модуляционной характеристикой в области высоких частот. Для обеспечения этого, слои p-типа вытравлены в виде так называемой мезы, что существенно уменьшает влияющую на высоких частотах паразитную емкость диода. На рис. 27, в показана упрощенная конструкция наиболее популярного в современных цифровых и аналоговых ВОСП одночастотного лазерного излучателя с распределенной обратной связью (РОС). Его особенностью является использование в волноводном слое оптически неоднородного волновода на основе отражательной дифракционной решетки брэгговского типа с периодом Λ, кратным длине волны в волноводе λв, что осуществляется по планарной технологии путем гофрирования поверхности волноводного слоя [22]. Разберемся в принципе работы лазера с РОС. В общем, при падении плоской волны на брэгговскую решетку, образованную совокупностью периодических отражателей, расположенных на расстоянии d друг от друга, справедливо следующее соотношение [1.30]: (27) 2d sin k в где θ – угол падения луча, k – порядок решетки, k=1, 2, 3,… Условием обеспечения фазовой когерентности фронта распространяющей вдоль плоской решетки лазера с РОС волны является предотвращение интерференции лучей, отраженных от соседних отражателей. При этом их разность хода должна отличаться на λв, то есть сдвиг фаз должен составлять π±2πn, где n=0, 1,… Для случая лазера с РОС в (27) d= Λ, θ= π/2, и данное выражение принимает следующую форму: (28) 2 k в Согласно (28) решетка может обеспечивать когерентность множества продольных мод в соответствии с различными значениями k, однако обычно лишь одна из них поддерживается за счет селективного лазерного усиления. Отмечу, что на практике по технологическим соображениям, как правило, используется решетка третьего порядка [22], период которой для лазера с центральной длиной волны 1,55 мкм получается согласно (28) примерно 0,6 мкм. 57 а) Полупроводниковый лазер с повышенной мощностью излучения б) Полупроводниковый лазер с улучшенной частотномодуляционной характеристикой в области верхних частот в) Динамически одночастотный лазер с распределенной обратной связью Рис. 27. Примеры конструкций современных полупроводниковых лазеров для ВОСП 58 Б) Лазерные структуры с улучшенными характеристиками Общее требование к современным и перспективным системам и сетям телекоммуникаций состоит в постоянном повышении их экономичности. Одним их основных технических подходов к решению данной проблемы является увеличение энергетического потенциала приемо-передающего оборудования, что для ВОСП, главным образом, означает увеличение мощности лазерного излучателя и чувствительности фотодетектора. Однако подход, связанный с повышением мощности лазерного излучателя, нецелесообразен для сверхвысокоскоростных транспортных систем с протяженностью волоконно-оптического линейного тракта сотни и тысячи километров из-за описанных в предыдущем параграфе нелинейных искажений, возникающих в одномодовом кварцевом волокне. С другой стороны, проблема нелинейных искажений в волокне не является столь принципиальной для локальных распределительных сетей на базе ВОСП вследствие сравнительно малой протяженности линейного волоконно-оптического тракта, составляющей от десятков метров до единиц километров. Топологическая особенность применяемых в данных сетях ВОСП состоит в том, что требуемое увеличение энергетического потенциала оборудования будет определяться потерями не в волокне, а в многополюсных пассивных оптических разветвителях, необходимых для распределения сигнала передатчика в большое число абонентских точек. К типичным представителям таких сетей в сфере телекоммуникаций относятся интенсивно внедряемые пассивные оптические сети типа PON [28], в которых доставка различных услуг абоненту осуществляется посредством «разреженного» спектрального разделения каналов (CWDM). Задачи одновременного повышения мощности и быстродействия оптического передающего устройства в не меньшей степени актуальны для широко исследуемых в последние годы за рубежом систем распределения волоконно-эфирной структуры (RoF), позволяющих удовлетворить еще одну важную потребность современных гражданского и военного сообществ: посто- 59 янную доступность абонента для связи, а также для развивающихся в настоящее время оптически управляемых радиолокационных систем СВЧ диапазона на основе многоэлементных фазированных антенных решеток. Исследования показали, что в последних применение волоконно-оптических средств должно привести к значительному улучшению таких важных показателей, как массогабаритные характеристики, помехозащищенность, имитостойкость. В ходе проводимых исследований и опытных разработок вышеуказанных ВОСП задача повышения мощности оптического передатчика преимущественно решается за счет введения дополнительного эрбиевого волоконно-оптического усилителя, что значительно ухудшает экономические характеристики системы передачи. Из данного рассмотрения можно сделать вывод, что эффективность лазерных излучателей для современных и перспективных ВОСП телекоммуникационного и радиолокационного назначений определяется не столько их мощностью и к.п.д., сколько таким количественным показателем, как произведение средней мощности на полосу модуляции. Вышесказанное особенно важно для ВОСП, работающих в спектральной полосе в районе 1,3 мкм, в которой отсутствуют эффективные волоконно-оптические усилители. Таким образом, создание активных элементов для передающих устройств ВОСП телекоммуникационного и радиолокационного назначений с максимально возможным значением произведения средней мощности на полосу модуляции является на сегодняшний день важной и актуальной научнотехнологической проблемой. Решение ее определяет необходимость научного поиска и технологической отработки с помощью современного оборудования эпитаксиального выращивания наноразмерных приборно-ориентированных многослойных гетероструктур на основе новых или усовершенствованных полупроводниковых соединений, среди которых наиболее перспективными считаются лазерные структуры на, так называемых квантовых ямах и точках. Уже более 40 лет тому назад в лабораториях ФТИ имени 60 А.Ф. Иоффе РАН было показано, что потенциальные барьеры на границах гетеропереходов позволяют обеспечить жесткую локализацию носителей заряда. Благодаря этому эффекту электронного ограничения можно уменьшать размеры активной области лазерных структур, снижая тем самым пороговую плотность тока лазерных диодов. Уменьшение размеров активной области до значений порядка длины волны электрона приводит к размерному квантованию, что кардинально меняет энергетический спектр носителей заряда и существенно улучшает основные характеристики лазерных излучателей. Современный прогресс полупроводниковых лазеров в большой степени связан с развитием технологии квантоворазмерных структур. Уровень современной технологии наногетероструктур позволяет использовать для решения поставленной задачи структуры различной размерности. В отличие от трехмерного (3D) случая, когда поперечные размеры активного слоя существенно превышают длину волны электрона и размерное квантование отсутствует, различают три типа квантоворазмерных структур - 2D, 1D и 0D. В двумерном случае (2D) активная область представляет собой квантовую яму (КЯ) - сверхтонкий слой, в котором носители пространственно ограничены в одном (поперечном) направлении, а в двух других направлениях (в плоскости ямы) движутся свободно. В одномерном (1D) случае, когда активная область представляет собой квантовые проволоки (нити), носители ограничены в двух (поперечных) направлениях, а в третьем направлении (вдоль длины проволоки) движутся свободно. И только в нульмерном случае (0D), когда активная область активная область представляет собой квантовые точки (КТ), движение носителей ограничено во всех трех направлениях. Вектор современного мирового развития полупроводниковых лазеров достаточно четко направляется в сторону лазерных наногетероструктур на самоорганизующихся КТ, основными теоретическими преимуществами которых являются: низкий порог лазерной генерации, повышенная квантовая эффективность, высокая температурная стабильность, широкая полоса прямой модуляции, высокий к.п.д., улучшенные деградационные свойства, 61 повышенная устойчивость к радиации. А именно, лазеры с КТ, работающие в спектральном диапазоне 1,3…1,6 мкм, по таким важным параметрам, как пороговый ток, температурная стабильность рабочих характеристик и слабая чувствительность к паразитным отражениям при стыковке с оптическим волокном, в принципе превосходят лазеры на КЯ. Это делает естественным применение их в экономичных передающих оптоэлектронных модулях, где не требуется использование устройств стабилизации температуры и оптических изоляторов. Однако, как показали эксперименты, частотный отклик современных лазерных структур на КТ ограничен (~6-8 ГГц) малым дифференциальным усилением (~1015 cm-2) и большим К-фактором (1-4 нс), что обусловлено медленными процессами захвата и релаксации носителей. Полосу модуляции можно расширить, работая на начальном участке усиления, характеризующимся несколько большим значением дифференциального усиления. Эта возможность была использована в [29], где авторы продемонстрировали модуляцию оптического сигнала на частоте 10 ГГц, сместив рабочую точку лазера за счет нанесения на зеркала покрытий с высоким коэффициентом отражения. Однако значения достигнутой в этом случае средней мощности модулированного оптического сигнала были меньше 3 мВт, что не соответствует описанным выше требованиям. Таким образом, несмотря на потенциальные преимущества лазеров на КТ, реальными кандидатами для использования в аппаратуре сверхскоростных цифровых ВОСП и многоканальных аналоговых ВОСП с полосой модуляции в СВЧ диапазоне в настоящее время считаются уже достаточно отработанные инжекционный лазер на КЯ, а также объемный гетеролазер специальной конструкции, которые будут описаны ниже. Примером объемного гетеролазера, в котором обеспечивается высокое произведение средней мощности на полосу модуляции, является лазерный диод с серповидной активной областью (Buried Crescent, BC), поперечная структура которого представлена на рис. 28 [30]. В структуре сформированная на подложке 1 p-типа узкозонная активная область 2 на основе InGaAsP со всех 62 сторон окружена широкозонным InP (слои 3-5, 8-9), благодаря чему обеспечивается предельное оптическое ограничение. По обе стороны от нее сформирована ограничивающая электрические токи утечки структура типа p-n-p-n. Кроме того, активная область располагается против p-InP блокирующего слоя с тем, чтобы увеличить последовательное сопротивление каналов токов утечки. Рис. 28. Поперечная структура лазерного диода с серповидной активной областью на основе InGaAsP/InP: 1 – подложка p-InP; 2 – активная область, InGaAsP; 3 – буферный слой, p-InP; 4 – блокирующий слой n-InP; 5 – блокирующий слой p-InP; 6 – заращивание ZnSe; 7 – N-контакт; 8 – эмиттер n-InP; 9 – эмиттер p-InP; 10 – P-контакт Основными технологическими особенностями данной структуры с точки зрения одновременного получения высоких средней мощности и полосы модуляции являются [30]: формирование структуры на подложке InP р-типа, что улучшает теплоотвод; двухэтапный процесс изготовления: на первом этапе формируется блокирующий активную область в поперечном направлении n-p переход, на втором – вытравливается стреловидная канавка, в которой в процессе последующего эпитаксиального наращивания формируется активная область на основе четверного раствора InGaAsP, автоматически получающаяся в виде серпа. Другой перспективной интегральной лазерной структурой с 63 точки зрения получения высокого произведения средней мощности на полосу модуляции является лазер с многоквантоворазмерной активной областью. Пример такой мезаструктуры с заращиванием селенидом цинка представлен на рис. 29 [30]. Активная область 2 сформирована на основе 6 КЯ и 7 барьерных слоев. Расширение полосы модуляции обеспечивается за счет мезаструктуры подобно рис. 27, б. Лазерный диод на основе данной структуры может быть реализован как с помощью резонатора Фабри-Перо, так и резонатора с РОС. Рис. 29. Поперечная структура многоквантоворазмерного лазерного диода: 1 – подложка, n-InP; 2 - активная область; 3 – эмиттер, p-InP; 4 – буферный слой, InGaAsP; 5 – P-контакт, Au/Cr; 6 – заращивание ZnSe; 7 – буферный слой, n-InP; 8 – N-контакт В) Поверхностно-излучающий лазер с вертикальным микрорезонатором Все рассмотренные выше лазерные конструкции по характеру вывода излучения относились к одному и тому же типу, названному лазером с торцевым излучением. Данный тип лазерного диода повсеместно использовался с самого начала развития ВОСП как в транспортных, так и в локальных телекоммуникационных сетях. Однако в 90-х годах прошлого столетия началось интенсивное развитие поверхностно-излучающих лазерных диодов с вертикальным микрорезонатором (VCSEL), специально предназначенных для применения в локальных се- 64 тях различного назначения. Их основными достоинствами являются [31]: низкий пороговый ток генерации (1,3-1,5 мА), малая мощность потребления (в 5-10 раз меньше по сравнению с лазером с торцевым излучением), простота обеспечения одночастотного режима вследствие на два порядка меньшей длины резонатора, относительно широкая полоса непрерывной перестройки длины волны (5-10 нм) и экономичность за счет возможности тестирования в процессе производства на пластине. Квантоворазмерная активная область формируется как на основе КЯ, так и на основе КТ. Современные тенденции развития локальных телекоммуникационных ВОСП состоят в дальнейшем снижении энергопотребления на 1 бит переданной информации, увеличении пропускной способности сети до Тбит/с и совершенствовании технических и экономических показателей аппаратуры. В этом плане полупроводниковые технологии с использованием лазеров с поверхностным излучением предлагают уникальные возможности создания не только компактных, но также весьма эффективных устройств. В последние годы наблюдается интенсивное развитие VCSEL на базе двух материальных систем. Первая – это лазеры на основе AlGaAs/GaAs, работающие в первом окне прозрачности кварцевого световода в районе 0,85 мкм: так называемые коротковолновые VCSEL. Устройства с использованием лазеров данного типа уже нашли широкое применение в экономичных ВОСП для локальных сетей передачи данных, компьютерных оптических интерфейсах и компьютерных оптических «мышах». В лазерах второго типа, так называемых длинноволновых VCSEL, используются материалы на основе InP, благодаря чему они могут функционировать в более перспективных для телекоммуникационных систем втором (в районе 1,3 мкм) и третьем (в районе 1,55 мкм) окнах прозрачности. Внедрение данного типа лазеров происходит сравнительно медленно, в основном, из-за технологических трудностей. Кроме того, важной проблемой является обеспечение надежного функционирования VCSEL при требуемых для телекоммуникационных систем повышенных температурах окружающей среды. Анализ различ- 65 ных лазерных гетероструктур показывает, что при разработке длинноволновых VCSEL во втором окне прозрачности преимущественно используются системы с активной областью на основе InAlGaAs, а в третьем – на основе InGaAsP [32]. Современные лазерные структуры в длинноволновом диапазоне строятся по планарно-эпитаксиальной технологии с использованием двух конструкций: полностью эпитаксиальной, когда активная область и зеркала формируются посредством одних и тех же материалов, и сплавной с отдельно изготавливаемыми брэгговскими зеркалами на базе AlGaAs/GaAs и последующим сплавлением их при определенных температурах и давлении с гетероструктурой активной области. Достоинством первого способа является сравнительная простота технологического процесса, важным недостатком – худший отвод тепла из активной области из-за относительно низкого коэффициента теплопроводности применяемого в этом случае для формирования многослойного отражателя четверного твердого раствора. Этот недостаток устраняется в сплавной конструкции за счет того, что зеркала так же, как в коротковолновых VCSEL, формируются посредством чередующихся слоев AlGaAs/GaAs. Однако данный технологический прием увеличивает объем операций и, следовательно, стоимость изготовления. Тем не менее, именно длинноволновый VCSEL сплавной конструкции считается наиболее перспективным источником излучения для аппаратуры современных и перспективных локальных телекоммуникационных сетей [31]. Пример современной поперечной структуры лазерного кристалла с вертикальным резонатором для ВОСП второго окна прозрачности [31] представлен на рис. 30. Ее основными элементами являются гетероструктура, содержащая сильно легированные p- и n-слои на основе InP и многоквантоворазмерную активную область 2 на основе InP/InAlGaAs, и два брэгговских отражателя 1 и 3 на основе GaAs/AlGaAs. Данные элементы в процессе изготовления сплавляются между собой по плоскостям 4. Для оптического и токового ограничения используется туннельный переход 5. 66 Рис. 30. Поперечная структура VCSEL сплавной конструкции Типичная конструкция кристалла VCSEL с так называемым внутрирезонаторным расположением электрических контактов представлена на рис. 31. Как следует из рисунка, в отличие от лазера с торцевым излучением, канал излучения лазера типа VCSEL расположен вертикально. Для обеспечения лазерной генерации активная область так же, как и в стандартном лазере, находится между двумя зеркалами, которые в данном случае выполняются в виде распределенных брэгговских отражателей (РБО). Однако длина резонатора VCSEL почти на два порядка меньше, поэтому для создания эффективной лазерной генерации требуется: (1) максимально увеличить оптическое усиление в активной области; (2) обеспечить высокий (близкий к 1) коэффициент отражения зеркал. Первое условие реализуется при помощи квантоворазмерной структуры активной области с использованием до 10 нанослоев толщиной несколько нанометров на основе квантовых ям либо квантовых точек. Для реализации второго условия применяется многослойная структура зеркал с числом слоев более 30. При этом общее число эпитаксиальных слоев в структуре превышает 100, что создает значительные трудности при ее физическом моделировании. 67 Рис. 31. Конструкция кристалла длинноволнового VCSEL В заключение данного раздела хочу еще раз вернуться к вопросу выбора оптимального источника излучения для ВОСП. Теперь уже совершенно очевидно, что в не очень упорной конкурентной борьбе все-таки победили полупроводниковые лазеры, хотя степень их монохроматичности, расходимость выходящего пучка, мощность излучения значительно уступают, например, твердотельным лазерам. Решающую роль здесь сыграли три отличительные черты полупроводниковых лазеров: миниатюрность; простота способа создания инверсной населенности (иначе, накачки); простота и высокая достижимая скорость модуляции. 2.3. Ключевые параметры полупроводниковых лазерных излучателей Согласно ГОСТ Р 51106-97 полупроводниковый лазерный излучатель характеризуется комплексом взаимосвязанных электрических, энергетических, модуляционных, спектральных, пространственных, преобразовательных и шумовых параметров. Например, электрические параметры: падение напряжения на открытом переходе, максимальное обратное напряжение и т.д. определяются, как и для обычного диода, по вольт-амперной характеристике. Кратко рассмотрим ключевые характеристики ПЛИ на примере наиболее широко используемого в телекоммуникационных ВОСП лазера с торцевым излучением. 68 Энергетическая характеристика Энергетические характеристики или, как их называют, ваттамперные характеристики реальных лазерных излучателей показаны на рис. 32. Здесь по оси абсцисс отложен постоянный ток смещения лазера в мА, по оси ординат – выходная оптическая мощность в мВт. Характерным для всех лазеров является наличие порогового тока1, при котором начинается лазерная генерация. При меньших значениях прибор работает в светодиодном режиме с очень малым уровнем выходной мощности. Рис. 32. Ватт-амперные характеристики современного лазерного излучателя Отмечу, что однозначное определение порогового тока отсутствует. Обычно его характеризуют как точку пересечения продолжения ватт-амперной характеристики и оси абцисс, как это показано на рис. 31, а. Более корректным является расчет величины порогового тока по минимуму третьей производной реальной ватт-амперной характеристики, но это достаточно трудно сделать с приемлемой точностью. 1 69 На графиках видно, что увеличение температуры окружающей среды приводит к увеличению значения порогового тока и уменьшению крутизны электрооптического преобразования, называемой квантовой эффективностью η лазера. P (27) , Вт/А I где Р – излучаемая мощность, I – ток лазера. Типичные значения порогового тока при комнатной температуре составляют 15-30 мА, выходной мощности при рабочем токе накачки: 3-8 мВт квантовой эффективности – 0,2-0,4 Вт/А. Из данного графика можно оценить к.п.д. лазерного диода, считая падение напряжения на лазере 2 В. Он составляет порядка 5%. Модуляционная характеристика Принципы прямой модуляции интенсивности (или мощности) излучения полупроводникового лазера, применяемые в АВОСП (а) и ЦВОСП (б), показаны на рис. 33. Из сравнения рисунков сразу следует, что в АВОСП лазер должен работать в непрерывном режиме, а не в ключевом, как в цифровых ВОСП. Причем для уменьшения нелинейных искажений передатчик АВОСП должен работать в режиме класса А, т.е. рабочая точка Io (ток прямого постоянного смещения лазера) должна выбираться в середине линейного участка ватт-амперной характеристики. Опять же для минимизации характерных для аналоговых систем передачи нелинейных искажений передаваемого сигнала минимальный ток модуляции лазера Imin должен превышать его пороговый ток Iпор, что приводит к существенному уменьшению глубины модуляции по сравнению с передатчиком цифровой ВОСП, где она близка к 100%. Из рис. 31, а глубину модуляции оптического сигнала по аналогии с радиотехническими передатчиками с АМ можно определить как: Р P P M опт max min e (28) 2 P0 P0 где Ро – средняя мощность излучения в отсутствие модуляции; Рmax и Рmin – соответственно максимальное и минимальное значе- 70 ния мощности излучения; ΔРе – амплитуда переменной составляющей оптической мощности. а) б) Рис. 33. Принцип прямой модуляции интенсивности (или мощности) излучения полупроводникового лазера аналоговым (а) и цифровым (б) сигналами Отметим, что в аналоговых ВОСП глубина модуляции является критическим параметром, требующим тщательного определения, поскольку от нее в очень сильной степени зависят отноше- 71 ние сигнал/шум, нелинейные искажения и, в конечном итоге, протяженность линии передачи и пропускная способность системы. Частотно-модуляционной характеристикой лазерного излучателя называется зависимость выходной мощности от частоты модуляции в режиме малого управляющего сигнала. Пример такой характеристики [13] показан на рис. 34. Здесь по оси абсцисс отложена частота модуляции в ГГц, по оси ординат – оптическая мощность в дБ, нормированная к мощности на частоте 100 МГц. Цифрами 1…4 на рисунке показаны характеристики при мощности излучения от 1 до 5 мВт. Рис. 34. Частотно-модуляционные характеристики лазерного излучателя: мощность излучения: 1 мВт (1), 2мВт (2), 3 мВт (3), 5 мВт (4) Как следует из рисунка, частотно-модуляционная характеристика практически равномерна до частоты 1 ГГц. . Спектральная характеристика Из принципа работы полупроводникового инжекционного лазера следует, что при отсутствии пространственной и частотной селекции его выходной спектр будет содержать множество линий. В применяемых в настоящее время для ВОСП лазерных структурах излучение усиливается в отдельном волноводном слое (см. рис. 24), который представляет собой объемный резонатор. При этом, как следует из теории волноводов, если не 72 принять мер по ограничению поперечного сечения этого резонатора, в нем, кроме продольных типов колебаний (мод), может также существовать несколько поперечных мод, каждая из которых характеризуется своей частотой. На этих частотах (длинах волн) может также возбуждаться лазерная генерация, что отразится в расширении спектра излучения. В резонаторе [4] каждая мода характеризуется тремя индексами, соответствующими числу максимумов распределения электромагнитного поля по трем взаимно перпендикулярным направлениям: длине, ширине и высоте. Не учитывая краевых и локальных температурных эффектов, условие резонанса определяется целым числом полуволн, укладывающихся вдоль соответствующего направления. А именно, справедливо выражение: l ,w,h ng Ll ,w,h (29) 2 где Ml,w,h – число мод в направлении соответственно длины, ширины и высоты резонатора, λl,w,h – длина волны соответствующей моды в свободном пространстве, ng – групповой показатель преломления полупроводника на центральной длине волны (для упрощения считаем волновод изотропным), Ll,w,h – размер резонатора в соответствующем направлении. Высота лазерного резонатора (индекс h) будет определяться толщиной волноводного слоя, которая, как видно из рис. 24, существенно меньше половины длины рабочей волны даже в первом окне прозрачности. Это означает, что в резонаторе в направлении высоты может возбуждаться только низшая поперечная мода. Обеспечение одномодового режима в направлении ширины (индекс w) обычно осуществляется путем формирования соответствующего профиля показателя преломления и применения конструкции с узким полоском в зоне верхней контактной площадки (см. рис. 23). Исследования показали [13], что для этого ширина полоска должна быть менее 10 мкм. Режим работы, при котором в спектре лазера присутствует одна поперечная мода, получил название одномодовый [8]. При указанной выше типичной длине лазерного кристалла в его резонаторе согласно (31) должно существовать множество продольных мод. Чтобы опреM l , w ,h 73 делить расстояние между ними, преобразуем (31) с учетом известной связи между длиной волны и частотой νl излучения. (30) l M l c 2ng Ll Отсюда разность частот двух соседних спектральных мод: (31) l l l 1 c 2ng Ll Если в (33) принять во внимание, что Δνl«νl, то межмодовое расстояние можно определить следующим образом: (32) l l2 2ng Ll Для получения численного значения определим межмодовое расстояние в лазерном излучателе с длиной волны доминирующей моды λl=1,31 мкм и длиной резонатора на основе InP (ng≈3,75) Ll=200 мкм. Подставив эти значения в (34), получим Δλl=1,15 нм. В современных полупроводниковых лазерах благодаря введению в их конструкции т.н. токового и оптического ограничений удалось исключить из спектра излучения поперечные моды, т.е. обеспечить его работу в режиме одномодовой генерации. Однако, в наиболее экономичных лазерах с резонатором ФабриПеро одна спектральная линия (режим одночастотной генерации1) сохраняется только в статическом режиме (без модуляции) либо при малой глубине модуляции. На рис. 35 приведены статические спектры полупроводниковых лазеров различных широко применяемых в ВОСП структур [13]. В ранних ВОСП, работающих в окне 0,85 мкм (а), использовались лазеры, у которых активный слой одновременно служил как волноводный. При их изготовлении не применялись меры по токовому и оптическому ограничению, поэтому их спектр был многочастотным с низкой монохроматичностью. При переносе деятельности по ВОСП во второе окно (б) в конструкции лазеров с целью повышения монохроматичности излучения были разделены активный и волноводный слои и введено оптическое и токовое ограничение (см. рис. 27, б). В третьем окне лазеры имеют неПо определению [6] при этом относительный уровень побочных мод не должен превышать -20 дБ. 1 74 сколько отличный материальный состав и при аналогичной рис. 27, б конструкции получаются худшие спектральные характеристики (в). Общим свойством лазера с резонатором Фабри-Перо является расширение спектра1 при увеличении тока инжекции, что проиллюстрировано на рис. 36 [13]. Рис. 35. Статические спектральные характеристики полупроводниковых лазеров различных типов: а – широкополосковый GaAs лазер; б – InGaAsP лазер планарной зарощенной структуры с гребневым волноводом; в – InGaAsP лазер с металлизированным гребневым волноводом; г – InGaAsP лазер с распределенной обратной связью, планарной зарощенной структуры с гребневым волноводом Данное свойство нельзя безоговорочно назвать недостатком. Например, оно дает возможность ослабить нелинейные искажения в волокне вследствие ВРМБ (см. 1.3). 1 75 Рис. 36. Эволюция спектра полоскового GaAs лазера с резонатором Фабри-Перо при повышении тока инжекции Также его спектр расширяется с увеличением частоты модуляции, что показано на рис. 37, а [13]. Чтобы предотвратить вышеуказанные явления, которые в большинстве случаев негативно влияют на общие характеристики ВОСП, разработаны так назы- 76 ваемые динамически одночастотные лазеры с встроенными высокодобротными резонаторами. Наиболее широко распространенным среди них является лазер с РОС (см. рис. 27, в), работающий в одночастотном режиме не только в отсутствие модуляции (см. рис. 35, г), но и при модуляции глубиной до 100% на частотах до нескольких ГГц (рис. 37, б). Рис. 37. Спектры излучения при различных верхних частотах модуляции (fм): а – лазерный излучатель с резонатором Фабри-Перо; б – лазерный излучатель с РОС В итоге, при работе в составе ВОСП ширина спектра обычного лазера с резонатором Фабри-Перо составляет 3-8 нм, лазера с РОС – 0,1…0,2 нм. Пространственная характеристика Пространственная характеристика лазера по аналогии с теорией антенных устройств определяется диаграммой излучения в дальней зоне. Из поперечной структуры рис. 26 следует, что толщина расположенного вокруг активной области волноводного слоя современного лазера составляет порядка 0,15 мкм. Так что с учетом мер по пространственному оптическому ограничению, чтобы обеспечить одномодовый режим работы 77 (см. выше), размеры излучающей площадки не превышают 0,1...0,2 мкм по высоте и 2-4 мкм по ширине [5]. Понятно, что при такой конфигурации источника на его диаграмму излучения будут оказывать влияние дифракционные эффекты, причем согласно (25) угол расходимости в поперечном направлении будет больше, чем в продольном . Вышесказанное иллюстрируется на рис. 38. Рис. 38. Типичные пространственные характеристики излучения полупроводникового лазера: 1 – в продольной плоскости, 2 – в поперечной плоскости Как следует из рисунка, угол излучения по полуширине в перпендикулярной плоскости составляет 38°, а в параллельной – примерно 8,5°, что, тем не менее, дает возможность обеспечить достаточно эффективный ввод излучения даже в одномодовое волокно. Шумовая характеристика Еще одним параметром, особенно важным в АВОСП, является шумовая характеристика. Главной причиной дополнительных шумов в полупроводниковом лазере является хаотическое 78 спонтанное излучение [23], которое, как уже говорилось, присутствует и в светодиодном, и в лазерном режимах. Спонтанное излучение вызывает флуктуации интенсивности (амплитуды) и фазы оптического поля лазера. Мгновенное значение частоты излучения при волновом подходе соответствует [6]: 1 (33) t 0 d dt 2 где ν0 – средняя частота, φ – мгновенная фаза. Отсюда следует, что фазовый шум преобразуется в частотный шум, т.е. определяет ширину линии излучения лазера в одночастотном режиме, которая изза малого времени жизни фотонов в резонаторе и сильной аномальной дисперсии показателя преломления волноводного слоя в полупроводниковых лазерах на несколько порядков больше, чем в лазерах других типов. Ширина линии в сильной степени зависит от температуры и уровня превышения порогового тока Iсм/Iпор в рабочем режиме. Значения ширины линии генерации для типичных конструкций одномодовых лазеров с резонатором Фабри-Перо можно оценить с помощью рис. 39 [6]. Как следует из рисунка, типичная ширина линии в рабочем режиме ВОСП составляет от сотен кГц до единиц МГц. Уменьшение ширины линии крайне важно для перспективных когерентных ВОСП, где она должна быть примерно на три порядка ниже верхней частоты модуляции. Для же повсеместно используемых в настоящее время ВОСП с прямым детектированием критическим параметром является шум интенсивности. Количественной мерой этого вида шума лазера является так называемый относительный шум интенсивности (Related Intensity Noise, RIN), который определяется, как [23]: Pe2 (34) RIN 2 , 1/Гц Pe 0 где Ре0 – средняя мощность излучения, δРе – мощность шума оптического излучения. В ВОСП RIN проявляется в виде дополнительного дробового шума на выходе фотоприемника и при некоторых условиях может превысить уровень тепловых шумов и стать преобладаю- 79 щим, что ухудшит отношение сигнал/шум (ОСШ) на выходе системы. Уровни и частотную зависимость RIN в рабочей полосе ВОСП можно достаточно просто и корректно измерить при помощи широкополосного фотодиода и радиотехнического анализатора спектра. Значение RIN в сильной степени зависит от температуры лазерного кристалла, мощности излучения, и на разных частотах модуляции преобладающий вклад вносится различными источниками. Поэтому в соответствие с типичным подходом, принятым при анализе шумов в радиотехнических устройствах, разделим полосу частотно-модуляционной характеристики лазера на три области: низких, средних и высоких частот. Рис. 39. Зависимость ширины линии генерации лазеров с резонатором Фабри-Перо от тока смещения (Цифры в скобках указывают длину резонатора, точки - экспериментальные данные) 80 В низкочастотной области в лазере, как и в любом активном электронном приборе, преобладает фликкер-шум. Его особенностью является слабая зависимость от тока накачки. При этом RIN в соответствие с (36) будет обратно пропорционален квадрату средней мощности излучения. Типичные экспериментальные характеристики RIN для наиболее широко применяемых в ВОСП типов лазеров с резонатором Фабри-Перо приведены на рис. 40. Рис. 40. Экспериментальные характеристики RIN лазера в низкочастотной области 81 Как следует из рисунка, уровни RIN на частотах до 10 кГц близки для различных излучателей и составляют в полосе 1 Гц от 10-10 до 10-14 в относительных единицах или, если их выразить в форме, общепринятой при анализе шумов радиотехнических устройств, -100...-140 дБ/Гц. В среднечастотной области в одномодовых лазерах существенное влияние будет оказывать шум переключения мод (Mode Switching Noise), источником которого является конкуренция и взаимное преобразование генерируемых мод в спектре излучения [23]. Графики, позволяющие оценить уровни шумов данного типа (в полосе 300 кГц) и их зависимость от тока накачки и частоты, приведены на рис. 41. На рисунке видно, что каждому факту перескока мод, возникающему при изменении тока накачки, (обозначены А, В, С) соответствует шумовой всплеск и что в полосе 1-20 МГц их средний уровень примерно постоянен. Рис. 41. Характеристика ОСШ с учетом шума переключения мод лазерного излучателя 82 Для сопоставления результатов рис. 41 и рис. 40 воспользуемся соотношением между RIN и ОСШ в идеальном фотоприемнике [23]: 2 M опт RIN (35) 2 ОСШ f где Мопт – глубина оптической модуляции (см. (30)); Δf – полоса измерения. Согласно (37) при значениях ОСШ рис. 41 и типичном значении для АВОСП Мопт=0,7 относительная интенсивность шума переключения мод в полосе 1-20 МГц составляет -135...-140 дБ/Гц и может возрасти до -120 дБ/Гц на частотах ниже 1 МГц. Основной источник флуктуаций интенсивности излучения лазера – спонтанный шум – действует во всей его рабочей полосе частот, значительно возрастая в высокочастотной области. Данная тенденция четко прослеживается на рис. 42 [6], где приведены теоретические (сплошные линии) и экспериментальные (пунктирные линии) данные, характеризующие зависимость RIN от частоты модуляции и превышения рабочего тока над пороговым для одномодового лазера распространенной конструкции, в котором эффект переключения мод устранен за счет термостабилизации. Из графиков рис. 42 можно сделать следующие выводы: Общей тенденцией является резкое уменьшение уровня RIN по мере превышения рабочего тока над пороговым, достигая на частотах ниже 200 МГц при I/Iпор=1,2 величины -147 дБ/Гц (2∙10-15 Гц-1). Детальные эксперименты с данным лазером [6] показали, что при двукратном превышении порога RIN=-155 дБ/Гц. На частотах выше 200 МГц RIN значительно возрастает, образуя пик на частоте, соответствующей частоте электронфотонного резонанса на частотно-модуляционной характеристике лазера (см. рис. 34). То есть можно предположить, что в более широкополосных излучателях точка начала повышения уровня RIN будет сдвигаться в сторону более высоких частот, что подтверждается другими экспериментальными данными [23]. 83 Рис. 42. Шумовые характеристики лазерного излучателя В одномодовых и одночастотных лазерах в динамическом режиме имеется еще один источник широкополосных флуктуаций, называемый шумом модового распределения (Mode Partition Noise). Он возникает из-за конкуренции продольных мод в случаях, когда нельзя пренебречь амплитудой соседних мод по сравнению с доминирующей [6]. При этом мощность шума в доминирующей моде на частотах менее 200-500 МГц получается на несколько порядков выше общего шума интенсивности лазера, и флуктуации интенсивностей основной и побочных мод склады- 84 ваются таким образом, что полная интенсивность остается постоянной [6]. Иллюстрацией вышесказанному служит рис. 43, где пунктирной линией показана экспериментальная частотная характеристика RIN доминирующей моды при соотношении рабочего и порогового токов 1,2. Рис. 43. Экспериментальная частотная характеристика RIN с учетом шума модового распределения одномодового лазера Вид спектральной характеристики исследуемого лазера с относительным уровнем наиболее мощных негенерируемых мод не более 5% приведен на врезке. Для сопоставления на том же рисунке представлена частотная характеристика полного шума интенсивности, соответствующая рис. 42. Как следует из рисун- 85 ка, на частотах 30-100 МГц уровень RIN доминирующей моды достигает -100...-110 дБ/Гц. Кроме того, известен эффект резкого увеличения RIN при попадании в резонатор полупроводникового лазера отражений вследствие рассмотренных в предыдущем параграфе эффектов рассеяния, а также от элементов ввода излучения в световод, неоднородностей волоконно-оптического тракта и даже от расположенного на дальнем конце линии фотодиода [23]. При значительном уровне отражений в ВОСП, особенно в АВОСП, может возникнуть так называемое нарушение когерентности излучения передатчика, при котором система связи становится неработоспособной. Универсальной мерой, предотвращающей увеличение RIN, является введение оптического изолятора. Типичные значения RIN для современных лазерных излучателей с оптическим изолятором составляют: -140…-150 дБ/Гц для лазеров с резонатором Фабри-Перо и -145..-155 дБ/Гц для лазеров с РОС, что приводит к ухудшению отношения сигнал/шум на выходе фотоприемника не более 1 дБ. Нелинейные искажения Полупроводниковый лазерный диод представляет собой принципиально нелинейный прибор с нелинейной, как у любого диода, вольт-амперной характеристикой. Нелинейные эффекты возникают как в процессе генерации фотонов в активном слое, например, насыщение усиления, нелинейная реакция связанных электронов, нелинейная кинетика свободных носителей, так и в процессе перемещения фотонов в лазерном резонаторе, например, нелинейная поляризуемость его материала [5]. Комплексное действие вышеперечисленных эффектов на сравнительно низких частотах проявляется в нелинейности его энергетической характеристики (см. рис. 28), а на сравнительно высоких частотах – в неравномерности частотномодуляционной характеристики (см. рис. 30) вблизи от релаксационного пика, который сохраняется и в режиме большого сигнала. В результате при передаче одноканального электрического сигнала на выходе даже линейного фотоприемника 86 возникают гармонические искажения, а при передаче многоканального сигнала с ЧРК к ним добавляются интермодуляционные искажения. Последние обычно наиболее опасны, поскольку находятся в непосредственной близости от несущих рабочих каналов. Для анализа нелинейных искажений в низкочастотной области, обычно простирающейся до десятков МГц [6], воспользуемся известным подходом для многоканальных систем связи. Нелинейность при передаче многоканального сигнала с ЧРК обычно оценивается в терминах коэффициентов интермодуляционных искажений второго и третьего порядков, определяемых относительно мощности несущей в эталонной точке [24]. Для случая ВОСП анализ может быть проведен следующим образом [25]. Слабо нелинейная энергетическая (ватт-амперная) характеристика лазера, определяющая зависимость мощности излучения от тока накачки, разлагается в ряд Тейлора в окрестности точки постоянного смещения (накачки) I0, и учитываются первые три члена разложения. dPe 1 d 2 Pe 1 d 3 Pe 2 3 (36) Pe Pe 0 (I I0 ) I I I I 0 0 dI 2 dI 2 6 dI 3 В этом выражении первое слагаемое представляет собой среднюю мощность излучения в рабочей точке, второе – линейное ватт-амперное преобразование, а третье и четвертое – соответственно нелинейные искажения второго и третьего порядков. В общем виде входной ток многоканального сигнала записывается как: N I I 0 I i cos it (37) i 1 где δIi, ωi – амплитуда и круговая частота поднесущей i-го канала. Тогда, считая, что мощность полезного оптического сигнала, модулированного поднесущей i–го канала, ΔРеi=Ii(dPe/dI) и глубина модуляции на канал mi=Ii(dPe/dI)/Pe0 одинаковые для всех каналов, из (38) и (39) можно известным способом рассчи- 87 тать коэффициенты интермодуляционных искажений1. А именно, интермодуляционные искажения второго порядка, получаемые за счет взаимодействия поднесущих двух каналов с частотами i и j: M i j C2 mi2 (38) где коэффициент С2: 2 1 d 2 Pe dPe (39) C2 Pe 0 2 2 dI dI Интермодуляционные искажения третьего порядка, получаемые за счет взаимодействия поднесущих трех каналов с частотами i , j и k: M i j k C3mi3 (40) где коэффициент С3: 3 1 2 d 3 Pe dPe (41) C3 Pe 0 3 dI dI 4 Таким образом, гармонические и интермодуляционные искажения вдали от пика электрон-фотонного резонанса можно рассчитать, зная производные первых трех порядков ваттамперной характеристики лазера в окрестности точки постоянного смещения. В частном случае двухканальной передачи из (38) можно получить 10 продуктов нелинейного взаимодействия, что проиллюстрировано с помощью рис. 44. Как видно из рисунка, только два из них: интермодуляционные искажения третьего порядка – в данном случае попадают в рабочую полосу АВОСП. Нелинейные искажения в области, близкой к электронфотонному резонансу, рассчитываются с помощью скоростных уравнений лазера [8] и в значительной степени зависят от соотношения между частотами модуляции и этого резонанса и от уровня пика на резонансной частоте (см. рис. 30). Так при достаточно низких частотах модуляции скорость их увеличения с поПриняв в (39) i=1, с помощью (38) можно также рассчитать коэффициенты гармонических искажений второго и третьего порядков. 1 88 вышением частоты может достигать 40 дБ на декаду [23]. Типичные результаты теоретических (сплошные линии) и экспериментальных исследований для лазеров, работающих во втором окне прозрачности, при токе, в полтора раза превышающем пороговый, и глубине модуляции, равной 40% для гармонических искажений и 80% для интермодуляционных искажений третьего порядка, представлены на рис. 45 [23]. Рис. 44. Нелинейные искажения в спектре выходного излучения лазера при двухканальной передаче на частотах ω1 и ω2. Из рисунка видно, что характеристика интермодуляционных искажений имеет два пика: на частоте электрон-фотонного резонанса и на частоте, равной ее половине, а характеристики гармоничеких искажений – только один пик на половинной частоте. Ниже этой частоты происходит монотоный спад со скоростью примерно 12 дБ на октаву. К сожалению, воспользоваться вышеописанным методом разложения в ряд статической ватт-амперной характеристики при расчете нелинейных искажений в реальных устройствах крайне затруднительно, поскольку измерение амплитудной характеристики с точностью, необходимой для определения малых коэффициентов ряда Тейлора, считается достаточно сложной задачей [24]. 89 В случае АВОСП она еще больше осложняется вследствие рассмотренной выше сильной зависимости ватт-амперных характеристик лазера от окружающей температуры. С другой стороны, в лазерном диоде, как и в любом нелинейном радиотехническом приборе, несложно с достаточно высокой точностью непосредственно измерить вышеуказанные коэффициенты интермодуляционных искажений, требования к которым для многоканальных систем с ЧРК нормируются соответствующим ГОСТ. Рис. 45. Частотные характеристики нелинейных искажений лазера в области верхних частот: 2HD: гармонические искажения второго порядка; 3HD: гармонические искажения третьего порядка; IMD: интермодуляционные искажения третьего порядка Так что обычно величина глубины модуляции подбирается экспериментально, и ее верхний предел определяется попадающим в рабочую полосу коэффициентом интермодуляционных искажений на выходе фотоприемного устройства. Например, для систем кабельного телевидения этот параметр должен быть не более –54 дБ 90 по сравнению с уровнем сигнала поднесущей частоты. 2.4. Устройство лазерного модуля Понятно, что в ВОСП в схеме оптического передатчика либо оптического модема полупроводниковый лазерный излучатель (ПЛИ) не может быть использован в бескорпусном виде. Кроме того, для эффективной и долговечной работы прибора он должен быть охвачен петлей стабилизации температуры и выходной мощности, к нему нужно с минимальными потерями подвести постоянный ток накачки и модулирующий электрический сигнал, а также эффективно ввести в световод оптическое излучение. Для этого в корпус прибора, обычно называемого лазерным модулем, встраиваются датчик температуры – терморезистор, датчик контроля выходной мощности – фотодиод, схема развязки постоянной и переменной (модуляции) составляющих тока накачки, микроохладитель, система оптической стыковки с волокном и т. д. Описанный выше принцип построения лазерного модуля проиллюстрирован на рис. 46. Как следует из рисунка, модуль размещается в герметичном корпусе и помимо лазерного диода обычно содержит: расположенный у заднего торца лазерного кристалла контрольный фотодиод, служащий датчиком схемы стабилизации мощности лазера; расположенный рядом с лазерным диодом терморезистор, служащий датчиком схемы стабилизации температуры лазера; лазерный диод вместе с терморезистором устанавливаются на рабочей поверхности термоэлектронного микроохладителя на эффекте Пельтье, который является исполнительным элементом схемы термостабилизации. Для эффективного ввода излучения лазера в волоконный световод в состав лазерного модуля входит узел оптического согласования. Внутренняя конструкция лазерного модуля приведена на рис. 47. Как видно из рисунка, в модуле присутствуют все требуемые элементы согласно рис. 46. Особо отмечу примененную конструкцию для стыковки лазера с волоконным световодом. Здесь волокно располагается в непосредственной близости от рабочего торца лазерного кристалла и двигается при юстировке с 91 помощью заранее припаянного к его опорной поверхности специального приспособления в виде кубика. Рис. 46. Принцип построения лазерного модуля Для повышения эффективности ввода конец волокна оплавляется в виде полусферы, что видно на рис. 46. При данном способе так называемой непосредственной стыковки предъявляются жесткие требования к минимизации погрешности смещения оптических осей лазерного кристалла и волоконного световода. Данные по влиянию смещения при непосредственной стыковке также приведены на рис. 48. Как следует из рисунка, эффективность ввода падает в 2 раза при продольном смещении порядка 10 мкм (левый график) и при поперечном смещении порядка 1 мкм (центральный график). В целом, чтобы эффективность ввода в одномодовый световод составила 30%, смещение в поперечном направлении не должно превышать 0,7 мкм (правый график), что предъявляет очень жесткие требования к устройствам юстировки. Реально при таком способе стыковки эффективность ввода излучения в одномодовый световод получается 20-25%, тогда как 92 при стыковке, например, с помощью двух микролинз – 40…50%. Рис. 47. Конструкция лазерного модуля для ВОСП Показанная на рис. 47 конструкция лазерного модуля может быть использована как для среднескоростных цифровых, так и для одноканальных аналоговых ВОСП. В качестве активного элемента в ней, как правило, применяется лазер с резонатором Фабри-Перо. В случае применения более чувствительного к оптическим отражениям (см. п. 2.3) лазера с РОС в состав узла оптического согласования в подавляющем большинстве случаев вводится оптический изолятор. Пример схемы специального лазерного модуля для многоканальных АВОСП сетей кабельного телевидения с использованием мощного лазера с РОС и оптического изолятора представлен на рис. 49 [26]. 93 Рис. 48. Влияние относительного смещения в продольном и поперечном направлениях при вводе излучения полупроводникового лазера в одномодовый световод 94 В модуле к выводам 1 и 2 подсоединен терморезистор сопротивлением 10 кОм, к выводам 4 и 5 – контрольный фотодиод, к выводам 6 и 7 – термохолодильник. Анод лазерного диода обычно соединен с корпусом прибора, к выводу 3 подводится постоянный ток накачки, к выводу 12 - модулирующий сигнал в полосе до 900 МГц. Дроссель между выводом 3 и катодом лазера предназначен для развязки переменной и постоянной составляющих тока накачки, резистор между выводом 12 и катодом лазера – для согласования импедансов источника сигнала и лазерного диода. Рис. 49. Схема лазерного модуля типа 1612Р производства фирмы ORTEL, США (TEC – термоэлектронный микроохладитель, CASE GROUND – корпус, NC – свободный, ISOLATOR – оптический изолятор) Выпускаемые промышленностью лазерные модули располагаются в стандартизованных корпусах со стандартным расположе- 95 нием выводов. Типичные конструкции современных лазерных модулей на базе корпусов типа DIL и «бабочка» приведены на рис. 50. Корпус типа DIL (справа) предназначен для низко- и среднескоростных цифровых ВОСП и одноканальных АВОСП при использовании печатных плат с монтажом в отверстия, а корпус типа «бабочка» (слева) - для высокоскоростных ВОСП и АВОСП различного назначения при использовании печатных плат с поверхностным монтажом. Как видно на рисунке, оптический вывод лазерного модуля обычно оформляется в виде отрезка волокна с оптическим разъемом соответствующего типа на конце. Рис. 50. Конструкции современных лазерных модулей Основные параметры современных лазерных и светодиодных модулей отечественного производства, а также ряда иностранных фирм представлены в табл. 2 Приложения1. Отмечу, что ресурс работы современных полупроводниковых лазерных модулей достигает 500 тысяч часов. 3. ФОТОПРИЕМНИК Последним ключевым компонентом элементной базы ВОСП является полупроводниковый фотоприемник. В этом оптоэлектронном приборе осуществляется обратное оптико-электрическое преобразование сигнала, который затем усиливается и соответствующим образом обрабатывается. В ВОСП в качестве фотоприемника повсеместно используются фотодиоды. Причем в Составлена на основе данных соответствующих фирм-производителей, опубликованных на их сайтах в сети ИНТЕРНЕТ 1 96 приемном устройстве цифровых ВОСП применяются фотодиоды двух типов: лавинные и pin-фотодиоды, в то время, как для АВОСП нашли применение только pin-фотодиоды. 3.1. Физические основы работы полупроводникового фотоприемника Приемник оптического излучения (фотоприемник) предназначен для обнаружения электромагнитного излучения оптического диапазона и осуществляет преобразование энергии света в другие виды, в частности, в электрический сигнал. В зависимости от физических явлений, положенных в основу принципа действия, все фотоприемники делятся на три группы: фотоэлектрические, фотоэлектронные и тепловые [11]. Из этих групп в ВОСП нашли применение только фотоэлектрические приборы. Фотоэлектрические полупроводниковые приемники излучения основаны на использовании явления внутреннего фотоэффекта, открытого У. Смитом еще в 1873 г., и полупроводниковой технологии. Внутренний фотоэффект представляет собой процесс образования внутри вещества (для ВОСП мы будем рассматривать только полупроводники) свободных носителей заряда при воздействии оптического излучения. Среди процессов, возникающих в полупроводнике под действием света, к фотоэффекту имеет отношение лишь поглощение фотонов при непосредственном возбуждении атомов кристаллической решетки полупроводника. Этот эффект приводит к появлению в полупроводнике дополнительных носителей заряда – так называемых фотоэлектронов. Фотоэффект проявляется в электронных переходах двух типов: собственных и примесных [13]. При собственном переходе возникает явление собственной проводимости полупроводника, сопровождающееся увеличением концентрации свободных носителей: электронов и дырок. Условие возникновения собственной проводимости под действием света вытекает из уже известной нам формулы Планка: h Eg (42) где h - постоянная Планка; ν - частота оптического излучения; Еg 97 - ширина запрещенной зоны полупроводника. Напомню, что произведение hν характеризует энергию фотона. При выполнении этого условия вблизи границы поглощения, соответствующей равенству (44), зависимость коэффициента поглощения α от энергии фотона для так называемых прямозонных полупроводников соответствует [13]: A(h Eg ) 1 2 (43) где: А – константа. Энергетическая модель перехода электронов под действием света из валентной зоны Ev в зону проводимости Eс для собственных и примесных полупроводников показана на рис. 51. Рис. 51. Энергетическая модель фотопереходов электронов в полупроводнике: 1 – собственный переход; 2-3 – примесный переход; Ел – уровень ловушки. Отмечу, что здесь, как и в полупроводниковых лазерах, для повышения вероятности перехода электронов (т.е. повышения квантовой эффективности) запрещенную зону сужают путем введения примесей. Модель примесного перехода также показана на рис. 51, где Ел – уровень ловушки, создаваемой за счет легирования. Равенство (44) определяет длинноволновую («красную») границу фотоэффекта: max ch / Eg 1,24 / Eg (44) 98 Спектральные характеристики коэффициента поглощения (а также так называемого обратного коэффициента поглощения 1/α) для широко используемых в фотоприемниках полупроводниковых материалов приведены на рис. 52 [13]. Рис. 52. Спектральные зависимости коэффициента поглощения α и обратного коэффициента поглощения (1/α) для применяемых в фотоприемниках ВОСП полупроводниковых материалов: (i) – In0,79Ga0,21As0,45P0,55; (ii) – In0,88Ga0,12As0,25P0,75 Как следует из рисунка, общим свойством всех материалов является эффект резкого увеличения коэффициента поглощения вблизи границы, определяемой (46). А именно, крутизна характеристики составляет 3–4 порядка при увеличении энергии фотона на 0,1 эВ. Из этого рисунка можно определить пригодность раз- 99 личных материалов для использования в ВОСП с учетом знакомых нам окон прозрачности волоконных световодов. В частности, длинноволновая граница кремния – 1,1 мкм, германия – 1,72 мкм. То есть, германий является единственным имеющимся в природе полупроводником, ширина запрещенной зоны которого позволяет создавать фотоприемники в наиболее перспективных в ВОСП втором и третьем окнах прозрачности кварцевого световода. Однако, с другой стороны, такая малая ширина запрещенной зоны (0,6 эВ) вызывает чрезмерно высокие шумы даже при комнатных температурах. Удовлетворительной заменой германию стали полупроводниковые соединения на основе InGaAsP, работающие во втором окне, и на основе InGaAs (на рисунке не показаны) с минимальной шириной запрещенной зоны 0,75 эВ, что соответствует длинноволновой границе рабочего диапазона 1,65 мкм. При выполнении условия (46) каждый поглощенный фотон в идеале порождает одну электронно-дырочную пару. Иными словами, по аналогии с полупроводниковыми лазерами, квантовая эффективность прибора η, в данном случае определяемая отношением числа пар фотоносителей к числу фотонов на входе фотоприемника1, получается равной 1. Такой режим работы фотоприемника без внутреннего усиления называется режимом счета фотонов [10]. При этом фототок Iф в нагрузке в зависимости от падающей оптической мощности Рпад будет определяться как: (45) I ф q Pпад h где q – элементарный заряд. Рассмотрим связь фототока с падающей оптической мощностью в реальном фотоприемнике ВОСП, когда помимо поглощения фотонов возникают побочные эффекты, как например, отражение на границе внешняя среда – полупроводник, оптические потери при выводе излучения из волокна. Потери за счет этих эффектов учитываются с помощью так называемого квантового выхода ηв, который определяется как отношение числа пар образовавшихся фотоносителей к числу поглоОтмечу, что в соответствие с квантовым подходом число фотонов просто определяется как Рпад/(hν). 1 100 щенных фотонов [10]. Из (23) следует, что процесс поглощения света в материале описывается экспоненциальной зависимостью. Тогда, фототок в цепи нагрузки фотоприемника: (46) I ф qв N3 1 e L Pпад h где N3 – коэффициент ввода, учитывающий потери и отражения при оптическом согласовании выходного торца световода и фоточувствительной площадки; L – толщина области поглощения света. Из сравнения (47) и (48) следует: (47) в N3 1 e L Квантовая эффективность, близкая к 1, сохраняется при примерно двукратном повышении энергии фотона. Однако при дальнейшем укорочении длины волны падающего света рост коэффициента поглощения ограничивается, и квантовая эффективность падает. Таким образом, фотоэффект наиболее целесообразен вблизи длинноволновой границы полупроводника. При преобразовании высокоэнергетических фотонов значительная часть их энергии превращается в тепловое излучение, что снижает его эффективность в ВОСП. Хотя в электронике существуют две формы проявления фотоэлектрического эффекта: фотопроводимость и так называемый фотовольтаический эффект, в приемниках ВОСП используется только последний [15]. Фотовольтаический эффект возникает при воздействии света на полупроводниковые структуры со встроенным потенциальным барьером, например, p-n переходом. Такой полупроводниковый фотоприемник называется фотодиодом. Упрощенная структура фотодиода с p-n переходом и соответствующая ей зонная диаграмма, построенная при отсутствии напряжения смещения, показаны на рис. 53 [15]. Фотодиод состоит из p-области, называемой базой, nобласти, называемой коллектором, и пограничной области p-n перехода. Предположим, что оптическое излучение проникает как в базу, так и в коллектор. В результате в p- и n-областях, а также в области p-n перехода появятся электронно-дырочные пары. Носители заряда диффундируют в обедненную область pn перехода. При этом высота потенциального барьера между 101 базой и коллектором уменьшается, что показано на рисунке пунктирными линиями, и возникает фотоЭДС. Такой режим работы без внешнего источника энергии и называется фотовольтаическим. Рис. 53. Упрощенная структура фотодиода с p-n переходом и соответствующая ей зонная диаграмма Основной недостаток данного режима состоит в сравнительно низком быстродействии прибора вследствие большого времени диффузии носителей. Поэтому в фотоприемниках ВОСП используется режим работы с прикладыванием внешнего постоянного напряжения, называемый фотодиодным. В фотодиодном режиме полярность питающего напряжения соответствует обратному смещению p-n перехода. Образовавшиеся под действием оптического излучения фотоносители попадают в сильное электрическое поле и дрейфуют в область p-n перехода со значительно меньшим временем, что повышает быстродействие фотоприемника. 102 3.2. Типы и основные структуры фотодиодов Схема включения фотодиода p-n типа приведена на рис. 54, а. Диод имеет обедненную область, образованную неподвижными положительно заряженными атомами донора в nобласти перехода и неподвижными отрицательно заряженными атомами акцептора в p-области, а также область поглощения падающего света. Здесь ширина обедненной области зависит от концентрации легирующих примесей. Чем меньше примесей, тем шире обедненный слой. Положение и ширина области поглощения зависят от длины волны падающего света и от материала фотодиода. Чем сильнее поглощается оптическое излучение, тем эта область тоньше. Если электронно-дырочные пары образуются при поглощении оптических фотонов в обедненной области, то электроны и дырки, попадая в сильное электрическое поле, будут быстро дрейфовать каждый в свою сторону: электроны в n-слой, а дырки – в p-слой. При этом во внешней цепи возникает фототок. Если же электронно-дырочная пара образуется вне обедненной области далеко от p-n перехода, то дырка сначала должна диффундировать до границ обедненной области. Так как процесс диффузии происходит значительно медленнее по сравнению с дрейфом, то желательно, чтобы максимально большая часть света поглощалась в обедненной области. Увеличение этой области достигается уменьшением концентрации примеси в n-слое. Слабо легированный n-слой может считаться слоем с собственной проводимостью и обозначается как i-слой. Добавив к i-слою сильно легированную n-область, можно получить так называемый фотодиод p-i-n типа, структура которого показана на рис. 54, б. Фотодиоды данной структуры характеризуются простотой, высокими эффективностью и быстродействием при преобразовании оптического излучения, поэтому они нашли самое широкое применение в ВОСП. Таким образом, фотодиод, как элемент электрической схемы, является источником тока. Поскольку фототок в нагрузке имеет очень небольшую величину, его желательно увеличить, для 103 чего используются так называемые лавинные фотодиоды (ЛФД). Если на обычный фотодиод p-n типа подать высокое напряжение обратного смещения, то электроны и дырки, дрейфуя через участок обедненной области с сильным полем, могут создать за счет ударной ионизации дополнительные пары носителей заряда. Т.е. вблизи пика электрического поля в запирающем слое возникает явление умножения носителей. Поскольку вновь появившиеся носители, в свою очередь, способствуют ударной ионизации других носителей, процесс приобретает лавинный характер, что выражается в существенном увеличении фототока и, следовательно, повышении квантовой эффективности фотодиода. Рис. 54. Основные структуры и схема включения фотодиодов: а: p-n типа; б: p-i-n типа. Однако ЛФД гораздо сложнее технологически (а, следовательно, дороже), чем фотодиоды p-i-n структуры. Кроме того, рост коэффициента усиления фототока в лавинных фотодиодах сопровождается уменьшением их быстродействия и увеличением шума. Отмечу, что ЛФД практически не применяются в современных АВОСП и достаточно ограниченно в цифровых ВОСП, в частности, в ВОСП с большим интервалом ретрансляции и скоростью передачи максимум до 1-3 Гбит/с. В связи с этим ограничусь, как и при рассмотрении светодиодов, кратким феноменологическим сравнением основных параметров современных ЛФД и p-i-n фотодиодов, которое представлено в виде табл. 3. 104 Таблица 3 Характеристика Материал ЛФД Si, Ge, InGaAs Полоса (в промышленноДо 10 ГГц сти) Рабочая длина волны От 0,6 до 1,8 мкм Эффективность преобра0,5...100 А/Вт зования Использование в составе Сложное, т.к. требуются приемного устройства схемы подачи высокого напряжения и термостабилизации Стоимость Высокая: $100...$2000 Р-i-n фотодиод Si, Ge, InGaAs, InGaAsP До 50 ГГц От 0,6 до 1,8 мкм 0,5...1 А/Вт Простое Низкая: $1...$500 Рассмотрим более подробно широко применяемые в современных цифровых и аналоговых ВОСП p-i-n фотодиоды. Основные структуры p-i-n фотодиодов показаны на рис. 55 [15]. На рисунке обозначения p+ и n+ соответствуют применению повышенной по сравнению с p- и n-областями концентрации легирующих примесей. Буквой ν или π отмечен слаболегированный i-слой, где имеется достаточный фон донорской (ν) или акцепторной (π) примеси. К диоду прикладывается напряжение обратного смещения, световое излучение вводится через окно в контакте базы (Б). Напряженность электрического поля базы и коллектора (К), обладающих высокой электропроводностью, близка к нулю. Электрическое поле сосредоточено в области пространственного заряда, что показано на рис. 55, г. Большая часть области пространственного заряда находится в полупроводнике с малой концентрацией примесей. Если в iслое отсутствует примесный фон, распределение напряженности поля в структуре приобретает равномерный характер, что показано сплошной линией на рис. 55, г, и границы области пространственного заряда совпадают с границами i-области. Из-за существования примеси в i-области появляется зависимость напряженности поля от координаты х (штриховые линии на рис. 55, г). Здесь через Uд1 и Uд2 обозначены напряжения обратного смеще- 105 ния. Таким образом, при малых напряжениях смещения (Uд1) область пространственного заряда будет занимать лишь часть iслоя, что уменьшает эффективность поглощения фотонов. Напротив, при относительно больших напряжениях смещения (Uд2) происходит обеднение всего i-слоя. Рис. 55. Основные структуры и пространственное распределение электрического поля в p-i-n фотодиодах 106 Фотодиодные структуры с улучшенными характеристиками Прежде всего, параметры фотодиода выбираются таким образом, чтобы в заданном спектральном диапазоне получить максимально высокое значение квантовой эффективности. Однако при этом должно обеспечиваться требуемое быстродействие. На быстродействие фотодиода основное влияние оказывают описанные выше транспортные процессы в базе, i-слое и коллекторе, а также способ засветки и параметры электрической эквивалентной схемы фотодиода. Остановимся подробнее на двух последних факторах. На рис. 56 [15] показаны возможные способы освещения фотодиода: прямая (а), обратная (б) и боковая (в) засветка. Понятно, что наибольшее быстродействие будет обеспечиваться при боковой засветке, поскольку она осуществляется непосредственно в область поглощения фотодетектора. Однако ее практическая реализация наиболее сложна из-за трудности ввода излучения в iобласть, толщина которой у современных фотодиодов составляет менее микрона. Из остальных двух более оптимальной для создания быстродействующих приборов считается обратная засветка со стороны n-области, когда свет попадает в i-слой через коллектор из широкозонного материала, что уменьшает его поглощение до области пространственного заряда. Однако на практике вследствие конструктивной простоты фотодиода наиболее часто применяется засветка через базу. Рис. 56. Способы засветки фотодиода: а: прямая; б: обратная; в: боковая 107 Процесс осуществляемого в реальном фотодиоде оптикоэлектрического преобразования может быть представлен с помощью широко применяемой при моделировании активных и пассивных элементов электрических схем физической эквивалентной схемы. Эквивалентная схема обратно смещенного фотодиода при приеме слабого оптического сигнала приведена на рис. 57 [13]. Рис. 57. Физическая эквивалентная схема обратно смещенного фотодиода при приеме слабого сигнала На рисунке все элементы схемы имеют физический смысл. В частности, процесс образования фотоносителей моделируется генератором тока IФ с внутренним сопротивлением RД, соответствующей наклону обратной ветви вольт-амперной характеристики фотодиода. Емкость СП определяется емкостью обратно смещенного p-n перехода, сопротивление RП – сопротивлением полупроводника и контактов фотодиода. Понятно, что при высоких модулирующих частотах на характеристику оптикоэлектрического преобразования будет оказывать влияние цепь CПRП, вызывая ухудшение коэффициента передачи. Для уменьшения этой паразитной емкости в фотодиодах так же, как и в полупроводниковых лазерах, используют мезаструктурный профиль. Пример мезаструктуры высокочастотного p-i-n фотодиода с гетеропереходом InP/InGaAs и прямой засветкой через p-область приведен на рис. 58, а, с гомопереходом InGaAs / InGaAs и обратной засветкой через n-область – на рис. 58, б [15]. Свет поступает через прозрачный слой InP – материала с широкой запрещенной зоной. 108 Рис. 58. Мезаструктуры высокочастотных p-i-n фотодиодов с гетеропереходом и прямой засветкой (а), с гомопереходом и обратной засветкой (б). Описанные выше фотодиоды с так называемой вертикальной засветкой, несмотря на относительную технологическую простоту, обладают существенным недостатком вследствие необходимости компромиссного выбора между квантовой эффективностью и быстродействием, или полосой пропускания. Так наиболее простым способом расширения полосы пропускания является уменьшение диаметра фоточувствительного окна. Однако это однозначно приводит к уменьшению квантовой эффективности из-за проблемы ввода излучения даже из одномодового волокна. Для ее увеличения, как и в лазерных излучателях, можно использовать микролинзы (подробней см. следующую главу), однако кардинальное решение состоит в использовании других фотодетекторных структур, сочетающих высокие квантовую эффективность и быстродействие с линейностью оптикоэлектрического преобразования, которая необходима в целом ряде практических применений в современных и перспективных телекоммуникационных ВОСП. Ниже будут рассмотрены две из них, считающиеся наиболее перспективными. 109 А) Структура на основе одного типа фотоносителей с боковой засветкой через подложку Для решения вышеуказанной проблемы был разработан новый тип фотодиода с полосой в СВЧ диапазоне [34] на основе одного типа фотоносителей (uni-travelling-carrier, UTC). По конструкции он представляет собой традиционный мезаструктурный фотодиод с обратной засветкой (см. рис. 58, б). Однако в отличие от последнего в его поперечной структуре имеется отдельный фотопоглощающий слой р-типа и широкозонный обедненный слой с собственной проводимостью. При образовании под действием облучения электронно-дырочных пар основными носителями являются дырки, которые быстро движутся к коллектору. Электроны же на пути к базе пролетают слой с собственной проводимостью, где получают дополнительное ускорение. Более высокая подвижность электронов и дополнительное ускорение в iслое приводят к уменьшению пролетного времени и, следовательно, к увеличению полосы пропускания по сравнению с обычным pin-фотодиодом с таким же диаметром мезы. Использование в качестве фотоносителей быстрых электронов также приводит к большему уровню мощности насыщения фототока, поскольку влияние пространственного заряда становится заметным при более высоких уровнях входной оптической мощности. Согласно экспериментальным данным в фотодиоде рассматриваемого типа можно достичь выходной мощности СВЧ сигнала на нагрузке 50 Ом порядка 10 мВт на частотах 10-12 ГГц и порядка 2-4 мВт на частотах 100-120 ГГц. Входная оптическая мощность в таком фотодиоде может достигать 100 мВт. Тем не менее, в описанной выше фотодиодной структуре сохраняется другая важная проблема, заключающаяся в том, что для расширения полосы пропускания повсеместно используемых фотодиодов с вертикальной засветкой необходимо уменьшать диаметр фоточувствительной площадки (см. выше). Однако при этом существенно ухудшается его квантовая эффективность. Наиболее перспективным вариантом преодоления вышеуказанной проблемы считается использование конструкции фотодиода с боковой засветкой через скошенную подложку (refracting-facet, 110 RF) [35]. Поперечная структура фотодиода, сочетающего один тип фотоносителей с боковой засветкой через скошенную подложку, представлена на рис. 59. Рис. 59. Поперечная структура и основные слои фотодиода UTC типа с боковой засветкой через скошенную подложку К наиболее важным преимуществам фотодиода такой структуры относятся: экономичность за счет упрощения схемы оптического ввода; высокая чувствительность за счет двукратного прохождения оптического сигнала через поглощающий слой (см. рисунок); широкая полоса пропускания; высокая мощность насыщения (линейность характеристики оптико-электрического преобразования); совместимость с оптоэлектронными интегральными схемами за счет боковой засветки. В ходе экспериментального исследования параметров структуры рис. 59 получены следующие основные результаты [35]: Токовая чувствительность (1,55 мкм) 1 А/Вт Полоса пропускания не менее 30 ГГц Фототок насыщения не менее 20 мА 111 Сравнение их с традиционной фотодиодной структурой с аналогичной полосой пропускания в СВЧ диапазоне показывает существенное преимущество по токовой чувствительности и линейности (см. 3.3). Б) Волноводная структура Волноводный фотодиод, как следует из названия, содержит входной оптический волновод, который встроен либо находится в непосредственной близости от поглощающего слоя (i-слой на рис. 56) фотодетекторной структуры. При этом вытекающее из него оптическое излучение будет распространяться вдоль i-слоя при длине поглощения несколько десятков микрон, что повышает квантовую эффективность боковой засветки даже при относительно слабой электромагнитной связи. С другой стороны, генерирующиеся под действием засветки электронно-дырочные пары будут дрейфовать в сильном электрическом поле, образованном за счет обратного смещения, только через тонкую обедненную область, что расширяет полосу пропускания по сравнению с традиционной фотодиодной структурой вследствие уменьшения пролетного времени. Таким образом, ортогональность распространения оптического и электрического полей в волноводном фотодетекторе позволяет принципиально разрешить описанную выше проблему компромиссного выбора между квантовой эффективностью и быстродействием в фотодиодах с вертикальной засветкой, где направления этих полей коллинеарные. Тем не менее, общей задачей при разработке высокоскоростного фотодиода волноводного типа является минимизация требуемой площади поглощения, т. е. емкости перехода (Cп на эквивалентной схеме рис. 57). Для засветки i-области в основном применяются два подхода, иллюстрирующиеся на рис. 60: с использованием в качестве входного волновода поглощающего слоя (а) и с использованием отдельного входного волновода запредельного типа (б). Первая конструкция более простая. В ней одновременное повышение быстродействия и эффективности ввода излучения из одномодового световода обеспечивается за счет применения мезаструкту- 112 ры (см. рис. 58) с грибообразным профилем [34]. В частности, на ее базе разработан фотодетектор, в котором при достаточно высокой внешней квантовой эффективности, составляющей 50%, удалось одновременно снизить так называемое последовательное сопротивление до 10 Ом и емкость перехода до 15 фФ (соответственно Rп и Cп на эквивалентной схеме рис. 57). При этом полоса пропускания фотодетектора, ограниченная влиянием RC-цепи, составляет порядка 110 ГГц. Рис. 60. Принципы ввода излучения в волноводный фотодетектор Структура рис. 60, а обладает двумя основными недостатками: чрезмерно жесткие допуски на пространственное рассогласование узла оптического ввода в поперечных направлениях и нелинейность характеристики передачи в высокочастотной области при больших уровнях входного оптического сигнала. Их влияние становится не таким заметным при применении для ввода известного в СВЧ технике запредельного1 волновода со слабой связью То есть с отсутствием распространения, что обеспечивается, если ширина волновода меньше половины длины волны источника сигнала. 1 113 через верхнюю стенку при помощи дополнительной переходной области (см. рис. 60, б). В частности, показано, что такая конструкция позволяет в четыре раза повысить фототок насыщения, при котором коэффициент оптико-электрического преобразования в режиме большого сигнала уменьшается на 1 дБ, за счет повышения однородности поглощения по длине i-слоя [34]. Тем не менее, использование данного подхода может привести к уменьшению общей квантовой эффективности быстродействующего фотодетектора даже по сравнению со структурой рис. 60, а. А именно, для повышения эффективности ввода излучения входной волновод должен быть достаточно широким в вертикальной плоскости, что вызывает ослабление связи с относительно коротким i-слоем и, в конечном итоге, снижает общую эффективность фотодетектора. Напротив, более тонкий волноводный слой позволяет уменьшить требуемую длину поглощения за счет более высоких вносимых потерь, однако одновременно ужесточаются допуски на пространственное рассогласование. 3.3. Ключевые параметры pin фотодиодов Согласно ГОСТ фотоэлектрический полупроводниковый приемник характеризуется комплексом взаимосвязанных параметров, измеряемых при воздействии немодулированного и модулированного излучения. Кратко рассмотрим основные из них на примере наиболее широко используемого в телекоммуникационных ВОСП фотодиода с вертикальной засветкой. Чувствительность В ВОСП наибольшее значение имеют два вида чувствительности: токовая и спектральная. Номинальная токовая чувствительность R0 представляет собой отношение среднего значения фототока Iф к среднему значению оптической мощности Рпад. R0 I ф Рпад (48) При этом из сравнения с (47) получается: R0 q h (49) То есть – это величина, прямо пропорциональная квантовой эффективности. Типичные фотодиоды p-i-n структуры имеют 114 значения токовой чувствительности порядка 0,6-0,97 А/Вт в зависимости от площади входного окна. Спектральная или монохроматическая чувствительность Sλ характеризуется зависимостью от длины волны падающего света. Ее вид для основных материалов фотодиодов ВОСП показан на рис. 61 [10]. Рис. 61. Спектральная чувствительность фотодиодов на основе различных материалов Как следует из рисунка, фотодиоды на тройных соединениях могут одновременно работать во втором и третьем окнах прозрачности при более высокой чувствительности в третьем окне. Частотная характеристика Частотная характеристика фотодиода в линейном режиме (в режиме малого сигнала) определяется как зависимость чувствительности от частоты, измеряемая при воздействии модулированного синусоидальным сигналом оптического излучения. Вид ее, как следует из эквивалентной схемы рис. 57, соответствует частотной характеристики фильтра нижних частот. Частота, на которой чувствительность уменьшается на 3 дБ по сравнению с ее значением на немодулированном излучении (статической чувствительностью), называется предельной частотой фотодиода. Ее величина, как правило, ограничивается 115 тремя факторами [10, 15]: временами дрейфа фотоносителей в обедненной области и диффузии носителей, генерированных вне обедненной области (см. 3.2), емкостью обратно смещенного p-n перехода (СП на эквивалентной схеме рис. 57). Первые два фактора, как было сказано выше, можно уменьшить путем оптимального подбора материала, конструкции и способа засветки. Емкость перехода так же как, например, в варикапе, уменьшается при увеличении напряжения обратного смещения, и ее типичная зависимость представлена на рис. 62. Рис. 62. Вольт-фарадная характеристика pin фотодиода Как следует из рисунка, емкость остается практически постоянной при напряжениях более 5 В. В широко применяемых мезаструктурных фотодиодах (см. рис. 58) емкость перехода может быть уменьшена при уменьшении диаметра мезы с одновременным уменьшением диаметра фоточувствительной площадки (входного окна). Результаты расчета зависимости предельной частоты от толщины обедненного слоя при двух значениях диаметра фоточувствительной площадки для работающего во втором окне прозрачности фотодиода на основе InGaAs/InP приведены на рис. 63. 116 Рис. 63. Зависимость предельной частоты фотодиода от толщины обедненного слоя Из рисунка видно, что при диаметре площадки 5 мкм может быть достигнута предельная частота 130 ГГц. Однако при этом возникает проблема повышения коэффициента ввода излучения (см. (48)), что уменьшает эффективную чувствительность фотодиода. Влияние рассогласования при вводе излучения из одномодового волокна при различных диаметрах площадки можно оценить из рис. 64. Эффективной мерой повышения коэффициента ввода в этом случае является применение согласующей микролинзы (СМЛ), что также иллюстрируется на рис. 64, где показана возможность увеличения допуска на рассогласование в 2,5 раза. Без линзы, как видно из рис. 65, предельная частота типичного pin фотодиода диапазона 1,3 мкм при квантовой эффективности 80% будет не более 20 ГГц. Типичные частотные характеристики pin фотодиода для телекоммуникационной ВОСП с диаметром входного окна 300 мкм при различных напряжениях смещения представлены на рис. 66. Как следует из рисунка, предельная частота существенно изменяется в 117 диапазоне напряжений от 5 до 10 В, достигая примерно 1,1 ГГц при 10 В. Рис. 64. Влияние рассогласования при вводе излучения из одномодового волокна при различных диаметрах фоточувствительной площадки Рис. 65. Зависимость предельной частоты фотодиода от диаметра фоточувствительной площадки 118 Рис. 66. Типичные частотные характеристики pin фотодиода для телекоммуникационной ВОСП с диаметром входного окна 300 мкм при различных напряжениях смещения Шумы Уникальной особенностью оптического канала передачи по сравнению с каналом передачи радиочастотного диапазона является принципиальное ограничение чувствительности приема вследствие содержащихся в принятом оптическом сигнале шумовых флуктуаций, причиной которых является квантовая природа света. Эти флуктуации при оптико-электрическом преобразовании трансформируются в дробовой шум в спектре выходного тока фотодиода с равномерной спектральной плотностью, который существует во всей полосе приема даже в случае идеального фотоприемника и определяет нижнюю границу мощности приема, называемую в литературе пределом по квантовым шумам [13]. В самом обратно смещенном pin фотодиоде основным источником шума также является дробовой шум, представляющий собой, как и в любом диоде, сумму токов от 119 отдельных электронно-дырочных пар, генерируемых в случайные моменты времени [15]. Ток, появляющийся в нагрузке фотодиода в результате действия данного источника шума, получил название темнового тока Iтемн, поскольку существует даже в отсутствие засветки [10]. Как и в электрических диодах, его величина зависит от напряжения смещения и от рабочей температуры. Общая величина дробового шума определяется формулой Шоттки: iш2 ДР 2qIФ (50) где iш2 ДР - среднеквадратическое значение спектральной плотности дробового шума; Iф - полный фототок через p-n переход, определяемый суммой токов вследствие внешнего излучения и темнового тока фотодиода. Отмечу, что в современных pin фотодиодах величина темнового тока в нормальных климатических условиях не превышает 1 нА и даже с учетом температурных изменений получается на 3-4 порядка ниже по сравнению сигнальным фототоком в приемном устройстве ВОСП. Поэтому при расчете шумов влиянием темнового тока обычно пренебрегают. Еще одним собственным источником шума в фотодиоде – источником теплового шума – в принципе является последовательное сопротивление RП в эквивалентной схеме рис. 57. Возникающий при этом шумовой ток в нагрузке фотодиода можно определить из следующего известного выражения: iш2T 4k Б Т 0 RП (51) где iш2 T - среднеквадратическое значение спектральной плотности теплового шума. Оценим уровень этого источника шума pin фотодиода при типичном значении RП=30 Ом. Согласно (53) среднеквадратическое значение спектральной плотности теплового шума получается где-то -213 дБ/Гц, что более, чем на 5 порядков ниже, чем величина рассмотренного в предыдущем параграфе RIN полупроводникового лазера, так что им также можно пренебречь, например, при анализе АВОСП. Таким образом, можно считать, что вследствие существенно более высокого требуемого порога чувствительности 120 приемного устройства АВОСП по сравнению с цифровыми ВОСП pin фотодиод в этом случае представляет собой идеальный (нешумящий) фотоприемник, что, в общем, некорректно при анализе ЦВОСП. Нелинейные искажения В общем, фотодиод, как и любой диод, в режиме большого сигнала является нелинейным прибором. Основными источниками нелинейности в нем считаются пролетные эффекты в области пространственного заряда (обедненной области), эффект деполяризации при протекании тока в нагрузке [10]. Также стандартным нелинейным эффектом, используемым, например, в варакторных умножителях частоты СВЧ диапазона, является нелинейность вольт-фарадной характеристики обратно смещенного pn-перехода, которая для случая pin-фотодиода явно заметна на рис. 64. Однако в цифровых ВОСП с типичными уровнями оптического сигнала на входе фотоприемного устройства много меньше 1 мВт и токами в нагрузке на уровне единиц мкА фотодиод можно считать линейным элементом. С другой стороны, в различных типах АВОСП, особенно в многоволновых системах, суммарное значение входной мощности может достигать нескольких мВт. При таком режиме работы фотодиода не учитывать влияние его нелинейности представляется некорректным. Вышесказанное подтверждается результатами численного расчета, представленными на рис. 67 [27]. Анализ производился для работающего во втором окне прозрачности pin-фотодиода с диаметром фоточувствительной площадки 20 мкм при подаче оптического излучения, модулированного по интенсивности с глубиной модуляции 50% гармоническим сигналом частотой 5 ГГц. Как следует из рисунка, уровни гармонических искажений в выходном сигнале становятся существенными даже при оптической мощности в районе 1 мВт. А именно, при сопротивлении нагрузки 50 Ом (сплошные линии) относительный уровень второй гармоники (Н 2) составляет -38 дБ, а третьей гармоники (Н3) – -51 дБ. 121 Рис. 67. Зависимость первой (Н1), второй (Н2) и третьей (Н3) гармоник мощности в нагрузке pin-фотодиода от уровня входной оптической мощности 122 Из рисунка также видно, что при увеличении сопротивления нагрузки до 150 Ом гармонические искажения еще больше возрастают (штриховые линии). Приведенные выше значения гармонических искажений неприемлемы для большинства применений АВОСП. С расширением фоточувствительной площадки и увеличением толщины области пространственного заряда порог возникновения нелинейных искажений существенно повышается [27]. Поэтому для АВОСП, применяемых в системах кабельного телевидения с верхней частотой 860 МГц, безопасный с точки зрения нелинейных искажений уровень мощности на входе используемых в них фотодиодов с площадкой 200...300 мкм может быть до 2...3 мВт. 3.4. Устройство фотодиодного модуля Аналогично полупроводниковым лазерам фотодиоды в составе ВОСП применяются в корпусном виде, называясь фотодиодными модулями. Понятно, что структурная схема фотодиодного модуля антисимметрична структурной схеме рассмотренного выше лазерного модуля и ее основными элементами являются: узел оптического согласования, оптикоэлектрический преобразователь (фотодиод) и узел электрического согласования. Задача узла оптического согласования состоит в максимизации ввода оптического излучения из линейного волоконнооптического тракта. В практических конструкциях фотодиодного модуля используется либо отрезок световода, либо розетка или вилка оптического разъема. С целью повышения коэффициента ввода излучения применяются просветляющее покрытие фоточувствительной площадки, а также уже упоминавшаяся согласующая микролинза. Узел электрического согласования предназначен для минимизации паразитных реактивных элементов в цепи нагрузки фотодиода, а также для компенсации влияния емкости p-n перехода и емкости и индуктивности корпуса фотодиода. Для этого при приеме, например, оптических сигналов с модуляцией на сверхвысоких частотах он выполняется в виде СВЧ цепи. Примеры реализа- 123 ции фотодиодных модулей с вышеописанными узлами оптического и электрического согласования показаны на рис. 68, а и б. а) б) Рис. 68. Конструкции СВЧ фотодиодного модуля с микрополосковым (а) и коаксиальным (б) электрическими выводами 124 На рис. 69 представлен вид широко распространенного в ВОСП экономичного фотодиодного модуля в корпусе типа DIL и вилочным оптическим соединителем. Рис. 69. Внешний вид фотодиодного модуля в корпусе DIL-типа Оценку типичных параметров опытных фотодиодов pin и лавинной структур, проведем на базе анализа данных зарубежной научной периодики, результаты которого представлены в табл. 4. Таблица 4 Параметры современных фотодиодов № Прип/п емник Материал ДиаUД Iтем Сд, Примеча, метр, M , н пФ ние мкм % мкм В нА , 1 р+ n ЛФД Ge 1,3 30 90 100 30 0,5 6 2 pin ФД Al- 1,3 130 70 10 1 20 1 Uпр =38 В, f np =l ГГц, Uр=80В 125 № Прип/п емник 3 рin ФД 4 pin ФД 5 pin ФД 6 pin ФД 7 рin ФД 8 ЛФД 9 Материал GaAsSb CdHgTe InGaAs/ InP InGaAs/ InP InGaAs/ InP InGaAs/ InP Ge InGaAs/ pin ФД InP ДиаUД Iтем Сд, Примеча, метр, M , н пФ ние мкм % мкм В нА , 1,3 80 75 1 10 1,3 80 70 1 10 0,3 1,3 40 52 1 7 0,145 — 1,3 10 36 1 1,3 1,55 10 90 80 1,55 80 85 100 100 45 50 1,55 1 5 2 fnp=3 ГГц fnp=22 ГГц 4... — 1,3 fпр=36 ГГц, 15 1 > 3 0,07 1 > 0,5 800 20 0,6 10 ... 0,3 10 20 Uр=70 В, 300 МГц Как следует из таблицы, современные фотодиоды работают в спектральных диапазонах 1,3 и 1,55 мкм с применением в качестве материала, как германия, так и различных полупроводниковых соединений. Диаметр фоточувствительной площадки в зависимости от верхней рабочей частоты составляет от 10 до 130 мкм. Квантовая эффективность в pin–диодном режиме изменяется от 36% для площадки диаметром 10 мкм до 90% для площадки порядка 100 мкм. Для лавинных фотодиодов коэффициент умножения фототока составляет порядка 100 при напряжении смещения около 30 В. Типичное напряжение смещения в pin фотодиодах составляет 3-10 В. Типичные значения емкости диода составляют 0,1…1 пФ, а темнового тока – 1-10 нА. Верхняя граничная частота бескорпусных фотодиодов достигает 100 ГГц, а фотодиодных модулей – 20-30 ГГц. Основные параметры и характеристики современных фотодиодных модулей отечественного производства, а также производимых в Беларуси представлены в табл. 3 Приложения 1. Составлена на основе данных соответствующих фирм-производителей, опубликованных на их сайтах в сети ИНТЕРНЕТ 1 126 ЗАКЛЮЧЕНИЕ В настоящем пособии рассмотрены принципы построения и функционирования, характеристики и особенности применения в современных цифровых и аналоговых телекоммуникационных системах основных компонентов ВОСП: излучателей, волоконные световодов и кабелей, фотодетекторов. Типичные значения параметров вышеуказанных компонентов, характеризующие современный уровень их разработки, представлены в табл. 5. Таблица 5 Достигнутые параметры Компонент Параметр Волокон- Материал: SiO2 (кристаллический кварц) ный свето- Окна прозрачности: I – 820…860 нм, II – 1260…1360 нм, вод III – 1430…1580 нм Потери при передаче, дБ/км: 2,4-3 (0,85 мкм), 0,3-0,4 (1,3 мкм), 0,2-0,3 (1,55 мкм) Коэффициент широкополосности, ГГц·км: - многомодовый: 0,2-0,5 (ступенчатый профиль), 0,8-1,2 (градиентный профиль) - одномодовый: 3 (0,85 мкм), 1000 (1,3 мкм), 15 (1,55 мкм) Поляризационные потери 0,1 дБ/км (1,55 мкм) Поляризационная модовая дисперсия 0,5 пс/км1/2 (1,55 мкм) Оптические обратные потери ≥40 дБ Пороговая мощность нелинейных эффектов: ≥8 мВт (ФСМ, ФКС), ≥10 мВт (ЧВС), ≥1 Вт (ВКР), ≥5 Вт (ВРМБ) Лазерный Материал: GaAlAs/GaAs (I окно), GaInAsP/InP (II и III окизлучатель на) Пороговый ток: 15-30 мА Квантовая эффективность: 0,2-0,4 Вт/А Оптическая мощность (волоконный выход) 0,5-25 мВт Ширина спектра излучения, нм: 3-8 (Фабри-Перо), 0,1-0,2 (РОС) 127 Компонент Параметр Пространственный угол излучения (по полуширине): 3540° (перпендикулярно гетеропереходу), 6-10° (параллельно гетеропереходу) Ширина линии генерации: сотни кГц – единицы МГц Относительный шум интенсивности (RIN), дБ/Гц: -140…-150 (Фабри-Перо с изолятором), -145…-155 (РОС с изолятором) Нелинейные искажения, дБ: гармонические: -40 (II гармоника), -60 (III гармоника) интермодуляционные: -60 (II порядка), -70 (III порядка) Рабочий ресурс: более 500 тысяч часов Фотодетектор Материал: Si, GaAs (I окно), Ge (I-III окна), InGaAs/InP, InGaAsP/InP (II-III окна) Темновой ток: 0,1 нА…0,8 мкА Номинальная чувствительность, А/Вт: 10-100 (ЛФД), 0,4-1 (pin) Полоса пропускания, ГГц: 0-10 (ЛФД), 0-50 (pin) Шумы: -200…-220 дБ/Гц (pin) Пороговая входная мощность по нелинейным искажениям: 2-3 мВт (pin) БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 1. Теумин И. И. Волноводы оптической связи – М.: «Связь», 1978. - 167 с. 2. Снайдер А., Лав Дж. Теория оптических волноводов // Пер. с англ. М.: Радио и Связь, 1987. - 655 с. 3. Мидвинтер Дж. Волоконные световоды для передачи информации.// Пер. с англ. М.: Радио и Связь, 1983. - 335 с. 4. Маркузе Д. Оптические волноводы.// Пер. с англ. – М.: Мир, 1974. 5. Кейси Х., Паниш М. Лазеры на гетероструктурах. Т. 1: Пер. с англ. /Под ред. П. Г. Елисеева– М.: Мир, 1981. - 299 с. 6. Физика полупроводниковых лазеров/Под ред. Х. Такумы // Пер. с япон. М.: Мир, 1989. - 310 с. 128 7. Ривлин Л.А., Семенов А.Т., Якубович С.Д. Динамика и спектры излучения полупроводниковых лазеров. М.: Радио и связь, 1989. 8. Полупроводниковые инжекционные лазеры. Динамика, модуляция, спектры./ Под ред. У. Тсанга // Пер. с англ. М.: Радио и связь, 1990 - 320 с. 9. Елисеев П.Г. Введение в физику инжекционных лазеров. М.: Наука, 1983. 10. Техника оптической связи, Фотоприемники / Под ред. У. Тсанга // Пер. с англ. М.: Мир, 1988. - 526 с. 11. Аксененко М. Д. и др. Приемники оптического излучения. Справочник. М.: Радио и связь, 1987. - 295 с. 12. Андрушко Л. М. и др. Волоконно-оптические линии связи. М.: Радио и связь, 1984. - 135 с. 13. Гауэр Дж. Оптические системы связи // Пер. с англ. М.: Радио и связь, 1989. - 500 с. 14. Гроднев И. И. и др. Волоконно-оптические системы передачи и кабели. Справочник – М.: Радио и Связь, 1993. - 263 с. 15. Шевцов Э. А., Белкин М.Е.. Фотоприемные устройства волоконно-оптических систем передачи. М.: Радио и связь, 1992. - 221 с. 16. Yao S.. Polarization in Fiber Systems: Squeezing out More Bandwidth. //In: The Photonics Handbook 2006. – Laurin Publishing, 52-th International Edition, 2007. - H162-H166. 17. Stolen R. H.. Nonlinearity in fiber transmission. Proceedings of the IEEE, 1980, v. 68, p. 1232-1236. 18. Портнов Э. Л.. Оптические кабели связи: Конструкции и характеристики. – М.: Горячая линия – Телеком, 2002. – 232 с. 19. Звелто О. Принципы лазеров. // Пер. с англ. М.: Мир, 1990.-560 с. 20. Берг А., Дин П. Светодиоды. // Пер. с англ. М.: Мир, 1973. - 98 с. 21. www.nolatech.ru 22. Хансперджер. Интегральная оптика. Теория и технология. // Пер. с англ. М.: Мир, 1985. -384 с. 129 23. Petermann K. Laser Diode Modulation and Noise. – Dordrecht: Kluwer Academic Publishers, 1988. – 310 p. 24. Системы передачи сообщений.// Пер. с англ. - М.: Связь, 1976. - 520 с. 25. Daly J. C. Fiber Optic Intermodulation Distortion. – IEEE Transactions on Communications, 1982, COM-30, № 8, p. 19541958. 26. www.emcore.com 27. Dental М., e. a. Numerical Simulation of the Nonlinear Response of a p-i-n Photodiode Under High Illumination. Journal of Lightwave Technology, 1990, v. LT-8, № 8, p. 1137-1144. 28. Lam C. F. Passive Optical Networks: Principles and Architecture. – Elsevier, 2007. – 324 pp. 29. Kuntz M., Fiol G., e.a. 10 Gbit/s data modulation using 1.3 um InGaAs quantum dot lasers. Electronics Letters, 2005, v. 41, p. 244-245. 30. Белкин М.Е., Васильев М.Г. Полупроводниковые лазерные излучатели с высоким произведением средней мощности на полосу модуляции. Нано- и микросистемная техника, 2008, № 9 (98), с. 23-33. 31. Kapon E., Sirbu A. Long-wavelength VCSELs: Powerefficient answer. Nature Photonics, 2009, v. 3, No 1, p. 27-29. 32. Koyama F. Recent advances of VCSEL photonics. IEEE Journal of Lightwave Technology, 2006, vol. 24, no. 12, p. 45024513. 33. Наний О. Е., Павлова Е. Г. Фотонно-кристаллические волокна. Lightwave. Russian Edition, 2004, № 3, с. 47-53. 34. Yu, P. K. L., Wu, M. C. Photodiodes for high performance analog links. // In book: RF photonic technology in optical fiber links, W. S. Chang, (Ed). - Cambridge university press, Cambridge, UK, 2002. – p. 231-254. 35. Muramoto Yo., Fukano H., Furuta T. A PolarizationIndependent Refracting-Facet Uni-Traveling-Carrier Photodiode with High Efficiency and Large Bandwidth. IEEE/OSA Journal of Lightwave Technology, 2006, v. 24, No. 10, p. 3830-3834 4, 8, 12, 16, 20, 24 4, 8, 12, 16, 20, 24 Способ прокладки Число волокон Характеристики волокна В кабельной канализации, трубах, коллекторах В грунте, кабельной канализации, коллекторах Назначение Коэф. затухания на волне 1,3/1,55 мкм, дБ/км Хроматич. дисперсия на волне 1,3/1,55 мкм, пс/(нм•км) Коэф. широкополосности, МГц•км Подвеска на опорах, между зданиями 4, 6, 8, 12, 16, 20, 24 4, 8, 12, 16, 20, 24, 28, 3248 Внутриобъектовый ОКСНМ Внутри здания, в трубах, коллекторах Внутриобъектовый ОККТЦ ММ: 600 ОМ: 3,5/18 ОМ: 0,35/0,22 ММ: 0,7/- Одномодовое (ОМ) или многомодовое (ММ) Зоновый, городской Магистральный, зоновый Тип ОКСТЦ ОМЗКГЦ Тип кабеля 4, 6, 8, 12, 16, 20, 24 Подвеска на опорах, между зданиями Внутриобъектовый ОКПЦ 130 ПРИЛОЖЕНИЕ 1 Таблица 1 Типичные параметры волоконно-оптических кабелей 6,0-10 ОМ 2,0 4,0-31 ОМ CyOptics Inc, 1,53…1,57 США 1,0 1,0-2,0 0,0350,006 1,0-2,0 0,05 0,05 0,05 0,05 100 5,0 3,0 20 20 11 12 - 18 18 1,0-5,0 2,0 5 1,0-2,0 2,0 20 1,0 2,0 15 0,05…1,5 200 3,0-10,0 0,0001 30-60 3,0-10,0 0,0001 30-60 ОМ ОМ ММ ОМ ОМ ОМ ОМ ОМ ОМ ОМ ОМ 1,30…1,32 OEpic,Inc, США 1612А/В EMCORE Inc, 1,30…1,32 США 1751А-FF 1,53…1,56 D572 LD1030 1,25…1,35 1,47…1,57 ПОМ-571 ИЛПН-360 1,25…1,35 ПОМ-561 Телаз,РФ 1,29…1,33 1,53…1,57 1,29…1,33 1,29…1,33 1,29…1,33 1,53…1,57 ТПМ-130А ТПМ-150А Телам-РФ ТПК-130 ТСЛД-130 ПОМ-22 Нолатех, РФ ПОМ-23 LFO-18 LFO-14 Тип 60 60 60 26 50 40 40 50 65 30 100 80 80 860 870 3000 12500 80 1200 1200 2000 700 3500 100 700 700 - - 125 40 - 300 300 - -155 -155 -145 -145 - - - - ПоТип Вых. Ширина Полоса Производирог. Рабоч. Фронт RIN, воло- мощность, спектра модул., тель ток, ток, мА имп., пс дБ/Гц кна мВт изл.,нм МГц мА 1,29…1,33 ММ 1,0-6,0 1,0 5 30 1200 300 ФТИОптоник, РФ 1,52…1,58 ОМ 1,0-3,0 1,0 10 40 1200 300 - Спектр. диапазон, мкм 131 Таблица 2 Типичные параметры лазерных излучателей 1,1…1,65 -«- -«- -«- -«- -«- РDI-75Р-R40 РDI-75Р-R50 РDI-300Р-R20 РDI-300Р-R40 РDI-300Р-R50 1,1…1,65 1,1…1,65 1,1…1,65 1,1…1,65 ИИТ, РБ 1,1…1,65 РDI-75Р-R20 0,96 0,96 0,96 0,9 0,9 0,9 0,85 1,1…1,65 РD-1355 -«- 0,9 0,85 РD-1375 -«- ТЛФД-80 1,1…1,62 0,9 ФТИОптроник, 1,1…1,65 РФ -«- ТФД-200 1,1…1,62 0,9 15 -«- ТФД-100 1,1…1,62 Чувствительность А/Вт 1,1…1,62 Телам, РФ ТФД-50 Тип Спектр. Производиапазон, дитель мкм 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 1,0 1,0 100 1,0 0,75 0,5 8,0 8,0 8,0 0,8 0,8 0,8 0,7 1,5 0,5 2,5 1,15 0,75 700 700 700 2500 2500 2500 3500 1500 650 1000 2500 2500 5 5 5 5 5 5 5 5 25…100 5 5 5 -50 -40 -20 -50 -40 -20 - - - - - - ТемноВерхняя Рабочее Обрат. вой Емкость, частота, напряж., отраж., ток, пФ МГц В дБ нА 132 Таблица 3 Типичные параметры фотодиодов 133 ПРИЛОЖЕНИЕ 2 Контрольное задание № 1 Тема: Расчет основных характеристик волоконных световодов 1. Определить предельный угол ввода αпр (в градусах) излучения в световод при: nc= 1,47, no= 1,46 nc= 1,47, no= 1,45 2. Определить максимальный диаметр световода, при котором выполняется условие одномодового режима. При: λ=0,85 мкм, αпр=10˚ (предельный угол ввода излучения) λ=1,32 мкм, αпр=7˚ (предельный угол ввода излучения) λ=1,55 мкм, αпр=8˚ (предельный угол ввода излучения) 3. Определить число волноводных мод в световоде с диаметром сердцевины 50 мкм. При: λ=1,32 мкм, αпр=8˚ (предельный угол ввода излучения) λ=0,85 мкм, αпр=10˚ (предельный угол ввода излучения) 4. Определить максимальную длину линии передачи lmax, чтобы расширение импульса (tвых/tвх) не превысило 10%. Дисперсия одномодового световода: материальная, τмат= -5 пс/(нм·км); волноводная, τвв= 8 пс/(нм·км). При: Скорость передачи сигнала 620 Мбит/с, ширина спектра лазера Δλ=3 нм Скорость передачи сигнала 1200 Мбит/с, ширина спектра лазера Δλ=1 нм Скорость передачи сигнала 10 Гбит/с, ширина спектра лазера Δλ=0,1 нм 5. Определить требуемую ширину спектра лазера Δλ для линии передачи длиной 100 км при передаче сигнала со скоростью 1,2 Гбит/с на волне 1,55 мкм при дисперсии одномодового световода: материальная, τмат= -18 пс/(нм·км); волноводная, τвв= 8 пс/(нм·км) так, чтобы расширение импульса (tвых/tвх) не превышало: 10% 20% 134 Контрольное задание № 2 Тема: Расчет основных характеристик полупроводниковых лазерных излучателей 1. Определить граничную частоту ν (ТГц) и длину волны излучения λ (мкм) полупроводника из следующих материалов: фосфид индия InP (ширина запрещенной зоны ΔEg=1,35 эВ) антимонид галлия GaSb (ширина запрещенной зоны ΔEg=0,73 эВ) арсенид индия InAs (ширина запрещенной зоны ΔEg=0,36 эВ) 2. Определить соотношение населенностей уровней n2/n1 полупроводника в равновесном состоянии при следующих длинах волн λ и абсолютных температурах T: λ=1,0 мкм, Т=300 К λ=0,85 мкм, Т=77 К λ=3,2 мкм, Т=77 К 3. Определить длину резонатора L лазера, чтобы на волне λ=1,5 мкм обеспечить расходимость пучка θ: 0,5˚ 5˚ 40˚ 4. Определить длину открытого резонатора l, для которой может быть выполнено условие самовозбуждения лазера при коэффициенте усиления среды α и коэффициенте потерь на зеркалах R: α =300 м-1, R=0,8 α =800 м-1, R=0,33 α =3500 м-1, R=0,2 Контрольное задание № 3 Тема: Расчет основных характеристик полупроводниковых фотоприемников и ПРОМ 1. Определить длинноволновую («красную») границу фотоэффекта полупроводника на основе следующих материалов: кремний (ширина запрещенной зоны ΔEg=1,8·10-22 Дж) 135 германий (ширина запрещенной зоны ΔEg=1,17·10-22 Дж) GaInAs (ширина запрещенной зоны ΔEg=1,24·10-22 Дж) Определить среднюю мощность засветки фотодиода при: S=0,9 А/Вт, Iф=5 мА S=0,6 А/Вт, Iф=10 мА S=0,8 А/Вт, Iф=1 мА 2. Определить требуемое значение сопротивления обратной связи предварительного усилителя трансимпедансного типа для обеспечения полосы пропускания ПРОМ 1 ГГц: Коэффициент усиления 20 дБ, входная емкость 10 пФ, емкость фотодиода 2 пФ Коэффициент усиления 30 дБ, входная емкость 3 пФ, емкость фотодиода 1,5 пФ Коэффициент усиления 40 дБ, входная емкость 5 пФ, емкость фотодиода 2 пФ 3. Определить требуемое значение входной емкости предварительного усилителя низкоимпедансного типа для обеспечения полосы пропускания ПРОМ 2,5 ГГц: Сопротивление нагрузки фотодиода 100 Ом, входное сопротивление усилителя 50 Ом, емкость фотодиода 0,5 пФ. Сопротивление нагрузки фотодиода 75 Ом, входное сопротивление усилителя 50 Ом, емкость фотодиода 0,2 пФ. Сопротивление нагрузки фотодиода 50 Ом, входное сопротивление усилителя 75 Ом, емкость фотодиода 0,3 пФ. 136 Белкин Михаил Евсеевич КОМПОНЕНТНАЯ БАЗА ТЕЛЕКОММУНИКАЦИОННЫХ ВОСП Учебное пособие Учебное пособие напечатано в авторской редакции Подписано в печать 00.00.2010. Формат 60х84 1/16. Бумага офсетная. Печать офсетная. Усл. печ. л.00,00 Усл. кр.-отт. 00,00. Уч.-изд. л. 00,00 Тираж 000 экз. С 00 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московский государственный технический Университет радиотехники, электроники и автоматики», 119454, Москва, пр. Вернадского, 78
