Останков А.В., Пастернак Ю.Г., Юдин В.И. Волоконно-оптические линии связи

Подождите немного. Документ загружается.

А.В. Останков Ю.Г. Пастернак В.И. Юдин

ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЕ

ЛИНИИ СВЯЗИ

Учебное пособие

Воронеж 2005

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ

РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Воронежский государственный технический

университет

А.В. Останков Ю.Г. Пастернак В.И. Юдин

ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЕ ЛИНИИ

СВЯЗИ

Утверждено Редакционно-издательским советом

университета в качестве учебного пособия

Воронеж 2005

(r,

)

(r,ϕ)

УДК 621.391.63;

621.7.068;

621.372.8

А.В. Останков, Ю.Г. Пастернак,

В.И.

Юдин. Волоконно-

оптические линии связи: Учеб. пособие / Под ред. В.И. Юдина.

Воронеж: Воронеж.

гос.

техн.

ун-т,

2005. 112 с.

Учебное пособие посвящено вопросам построения и

принципам действия самых современных телекоммуникаций:

волоконным линиям передачи оптических информационных

сигналов. Изложены физические основы работы важнейших

функциональных блоков волоконно-оптических линий связи:

оптических передатчиков и приемников, модуляторов, детек-

торов, усилителей, регенераторов, световодов. Рассмотрены

как аналоговые, так и цифровые варианты волоконно-оптичес-

ких линий связи. Затронуты вопросы новейших достижений в

области солитонных линий связи.

Пособие ориентировано на студентов радиотехнического

факультета очной и очно-заочной (вечерней) форм обучения и

имеет целью методическую поддержку учебных дисциплин

«Волоконно-оптические линии связи» и «Оптические устрой-

ства в радиотехнике», входящих в учебную программу подго-

товки радиоинженеров по специальности «Радиотехника».

Табл. 8. Ил. 87. Библиогр: 8 назв.

Рецензенты: кафедра радиоэлектронных систем и уст-

ройств МГТУ им. Н.Э. Баумана;

д-р физ.-мат.

наук, профессор Ю.Б. Нечаев

В.И. Юдин, 2005

государственный технический

университет, 2005

ВВЕДЕНИЕ

C незапамятных времен для передачи сообщений (смыс-

ловых сигналов, информации) на значительные расстояния че-

ловек использует энергию физических полей двух видов: энер-

гию звуковых и оптических волн, звук и свет. По сведениям, ос-

тавленным нам древнегреческим поэтом Эсхилом, более трех

тысяч лет назад микенский царь Агамемнон сообщил своей жене

Клитемнестре о взятии Трои с помощью эстафеты из девяти

зажигаемых поочередно один за другим костров, разведенных

на вершинах холмов, и перекрывших таким образом расстоя-

ние в 800 км. Возможно, это был первый пример атмосферной

линии, в которой применялась цифровая оптическая связь.

Спустя три тысячелетия оптическая связь в атмосфере

возродилась в виде световой телеграфной линии. Ее изобрета-

телями в 90-х годах XVIII века были И.П. Кулибин (Россия) и

К. Шапп (Франция), а через сотню лет после них − А.Г. Белл

(США). Все три изобретения относились к передаче информа-

ции в открытой воздушной среде в направлении, определяемом

линией прямой видимости, соединяющей передающую и при-

емную аппаратуру.

Первое предложение о передаче информации с помощью

светового пучка, распространяющегося в закрытом (защищен-

ном от внешней атмосферы) канале, выдвинул и реализовал

русский инженер В.Н. Чиколев (60-е годы XIX века). Свет от

угольной дуги Яблочкова он направлял к месту его использо-

вания (в частности, для освещения пороховых погребов) с по-

мощью полых металлических труб с зеркальной внутренней

поверхностью стенок. Однако средой распространения света и

здесь по-прежнему был воздух. Новое предложение – исполь-

зовать для передачи оптического излучения струю воды – при-

надлежит английскому физику Дж. Тиндалю, продемонстриро-

вавшему в 1870 г. зигзагообразное распространение светового

пучка внутри криволинейной сплошной водяной среды, сыг-

равшей роль первого диэлектрического волновода – световода.

Волновая теория цилиндрических диэлектрических волново-

дов круглого сечения была построена в начале ХХ века, но

только в середине последнего (1957 г.) в СССР впервые в мире

были проведены исследования в области оптической связи по

стеклянному волоконному световоду, которые, в частности, по-

зволили выяснить причину значительного ослабления оптиче-

ского излучения в стекле и указать пути повышения прозрач-

ности стеклянных световодов. Еще раньше, до указанных ис-

следований (1951

г.), А.Л. Микаэлян первым строго доказал, что

наилучшее качество передачи сигналов по диэлектрическому

волноводу обеспечивается при наличии градиента показателя

преломления материала в поперечном сечении волновода. Ис-

пользуя эту идею, в 1964 г. в СССР был разработан принцип

изготовления градиентных стеклянных световодов и целого ря-

да пассивных волоконно-оптических элементов на их основе.

В 1966 г. англичане Као и Хокхэм опубликовали извест-

ную статью, в которой теоретически доказали возможность пе-

редачи по световоду информации на большие расстояния, при

условии, что потери оптического излучения в стекле не будут

превышать 20 дБ/км. Световоды, удовлетворяющие данному тре-

бованию, появились в США уже через четыре года. В том же

1970 году академик Ж.И. Алферов (СССР) создал первый полу-

проводниковый лазер с двойной гетероструктурой. Собственно

идея создания лазера на основе активного полупроводникового

вещества и ее теоретическое обоснование принадлежит группе

советских физиков, возглавляемой академиком Н.Г. Басовым

(1959 г.). В современных волоконно-оптических линиях связи

(ВОЛС) типичный уровень потерь световодов составляет всего

0.2

дБ/км, а лазер Алферова стал лучшим источником когерент-

ного оптического излучения, применяемым в высококачествен-

ных ВОЛС во всем мире. В то время, когда разрабатывались по-

лупроводниковые лазеры, одновременно группа Ж.И. Алферо-

ва создала и полупроводниковые фотоприемники.

Таким образом, в начале 70-х годов прошлого века все

основные функциональные элементы ВОЛС (оптический пере-

датчик, оптический кабель и оптический приемник) были реа-

лизованы.

В настоящее время оптическая связь по стеклянным све-

товодам постепенно занимает господствующее положение в

мировых телекоммуникационных сетях. На планете проложено

свыше 24-х миллионов километров ВОЛС. Только в 2004 г. в

мире произведено 114 млн. км световодов. В 2005 г. ожидается

трехкратное увеличение этого объема. В системах межконтинен-

тальной связи на их долю приходится более двух третей кана-

лов (оставшаяся треть обеспечивается спутниковыми система-

ми связи). В последние годы почти все вновь вводимые назем-

ные и бортовые линии связи являются волоконно-оптически-

ми. Примерами наиболее протяженных ВОЛС на планете явля-

ется среди сухопутных российская Транссибирская оптическая

линия (протяженностью 17000 км), среди подводных – магист-

раль Австралия

Северная Америка (16000 км). Годовые темпы

роста мирового рынка ВОЛС составляют 40

%, что превосхо-

дит динамику развития других видов техники.

В чем причина «волоконного бума»? Очевидно, что в ус-

ловиях жесткой конкуренции место на рынке могут завоевать

только те новые технологии, которые бесспорно превосходят

существующие по технико-экономическим и эксплутационным

параметрам. В табл.

1.1 приведены для сравнения важнейшие

характеристики оптических и коаксиальных кабельных линий

(последние до недавнего времени являлись лучшими по крите-

рию «качество - надежность (скрытность) - стоимость»).

Таблица 1.1

Сравнительная характеристика важнейших параметров

оптических и коаксиальных кабельных линий связи

Технологический,

эксплутационный,

экономический параметр

Коаксиальный

кабель

Оптическое

волокно

Скорость передачи, бит/с не более 5·10

до 10

Число телефонных каналов до 10

более 2·10

Затухание, дБ/км 15…20

типично – 0.2

в перспективе –

0.005

Длина участка регенера-

ции, км

1…3

100…150

в режиме солито-

нов − более 1000

4 5

Продолжение таблицы 1.1

Энергозатраты на питание

регенераторов

большие малые

Чувствительность к внешним

электромагнитным полям

высокая отсутствует

Собственное излучение,

перекрестная наводка

присутствует отсутствует

Включение активных (уси-

ливающих) участков кабеля

отсутствует имеется

Солитонный режим пере-

дачи сигналов

отсутствует имеется

Материал

медь

(очень дефицит-

ный материал

)

кремний (один из

самых распростра-

ненных в природе

)

Расход материала на 1 км

длины кабеля (световода),

кг

−4

Габариты и масса передаю-

щей и приемной аппаратуры

большие малые

Опасность короткого замы-

кания

существует отсутствует

Опасность возникновения

искры

существует отсутствует

Стойкость к коррозии низкая высокая

Укладка кабеля затруднена простая

Подвеска кабеля к существу-

ющим высоковольтным ЛЭП

недопустима возможна

Потенциал развития исчерпан высокий

Перечень областей приме-

нения

ограничен очень широк

Относительная стоимость

канала, %

100 менее 5

Как видно, оптический кабель превосходит медный по

всем перечисленным параметрам, и, учитывая его далеко не-

исчерпанный потенциал, это превосходство, несомненно, бу-

дет с годами возрастать.

1. СТРУКТУРНОЕ ПОСТРОЕНИЕ ВОЛС

На рис. 1.1 изображена структурная схема системы связи,

использующей кабель для передачи сигналов.

Без специальных комментариев невозможно сказать, к

какому диапазону волн (радио- или оптическому) относится

приведенная схема, так как в структурном варианте изображе-

ния и для тех, и для других частот она выглядит одинаково.

Чтобы подчеркнуть принадлежность схемы к оптическому

диапазону, межблочные соединения на рис. 1.1, осуществляе-

мые электрическими (радио-) сигналами, изображены одиноч-

ными стрелками; там, где передаются оптические сигналы, −

двойными стрелками. Существенные различия между радио- и

оптическими кабельными системами связи обнаруживаются

при раскрытии внутреннего устройства и физического прин-

ципа действия генератора, модулятора, детектора, регенерато-

ра, собственно кабеля и не указанных на рис. 1.1 многочислен-

ных пассивных элементов.

В последующих главах излагаются физические основы

принципа действия, устройство и технические характеристики

функциональных блоков ВОЛС в порядке их расположения на

изображенной выше структурной схеме при движении от пе-

редатчика к приемнику.

6 7

де-

модулятор

источник

информации

модулятор генератор

передатчик

регенера-

тор

регенера-

тор

детектор

приемник

потребитель

информации

кабель

Рис. 1.1

2. ОПТИЧЕСКИЕ ПЕРЕДАТЧИКИ ВОЛС

2.1. Источники оптического излучения для ВОЛС

В оптических системах связи (ОСС) информация (речь,

музыка, подвижное изображение, любые другие данные) пере-

носится, как и в радиолиниях, с помощью модулированного

электромагнитного излучения (электромагнитных волн). Толь-

ко в ОСС частота этих волн в сотни тысяч – миллионы раз

превосходит радиочастоты. Всякая ВОЛС, если вдоль нее пе-

редвигаться от передатчика к приемнику, начинается с источ-

ника, вырабатывающего оптическое излучение. Два вида ис-

точников особенно широко применяются в ВОЛС: полупро-

водниковые лазеры (ППЛ) и светоизлучающие диоды (СИД).

Как устроен полупроводниковый лазер, из каких мате-

риалов он может быть изготовлен? ППЛ строится по схеме ти-

пичной для большинства лазеров (рис. 2.1). От источника 1 к

рабочему веществу 2 (полупроводящей среде) подводится

энергия накачки. Под действием последней рабочее вещество

переводится в активное состояние,

характерное

тем,

что в

среде

создается

инверсная населенность носителей заряда на некото-

ром переходе W

→

, где W

−

энергии, соответствующие

начальному и конечному состояниям квантового перехода

). Спонтанная излучательная рекомбинация заканчи-

вается рождением некогерентных квантов ħω

−

. При

помещении активной среды в оптический резонатор, образо-

ванный зеркалами 3, спонтанное излучение приводит к выну-

жденным рекомбинационным переходам. Это произойдет то-

гда, когда направление движения спонтанно рожденного

фото-

на случайно совпа-

дет с осью резонато-

ра. Если вынужден-

ные переходы, при

которых рождаются

кванты, будут про-

исходить чаще тех,

после которых квант ħω погибает, то в оптическом резонаторе

начнет генерироваться лазерное излучение, т.е. схема, изобра-

женная на рис. 2.1, станет работать, как автогенератор оптиче-

ских колебаний. Полезный результат описанного действия

(выходной лазерный пучок 4) появится в том случае, когда

усиление активной среды покроет суммарные потери оптиче-

ского излучения в лазере, включая мощность пучка 4, выводи-

мую за пределы резонатора.

2.2. Зонная структура полупроводниковых лазерных

материалов

Не всякий полупроводниковый материал годится для ис-

пользования в полупроводниковых лазерах и в светоизлучаю-

щих диодах. И хотя лазерный эффект получен в нескольких

десятках полупроводящих сред, лучше других этой цели отве-

чают двойные, тройные и четверные соединения химических

элементов, входящих в III-ю (Al, Ga, In) и V-ю (P, As, Sb)

группы таблицы Менделеева (соединения типа A

III

). Мате-

риалы, претендующие на роль рабочих сред в полупроводни-

ковом лазере, должны быть прозрачными монокристаллами,

чистыми (в смысле отсутствия содержания загрязняющих

примесей), с малой вероятностью безызлучательной рекомби-

нации электрон

дырка (в сравнении с излучательной реком-

бинацией). Помимо сказанного материал должен иметь одно-

долинную прямозонную структуру диаграммы «энергия-им-

пульс», наподобие той, что изображена на рис. 2.2.

Прямые переходы (рис. 2.2,а), при которых электрон не

изменяет начальный импульс, протекают с большой вероятно-

стью. Непрямые переходы (рис. 2.2,б) запрещены, но, если уж

они происходят, то с обязательным рождением фонона, чтобы

уравнять начальный и конечный импульсы, участвующие в ак-

те излучательной рекомбинации при переходе электрона из

зоны проводимости в валентную зону. Прямые переходы очень

вероятны, но они могут пойти разными путями: по излуча-

тельному каналу (рождается оптический фотон) и по безызлу-

8 9

Рис. 2.1

Рис. 2.2

чательному (энергия через генерацию фононов переходит в на-

грев кристалла). Поэтому полная вероятность рекомбинации ξ,

поскольку у электрона есть «право выбора» канала, равна

ИЗЛ

БЕЗЫЗЛ

(2.1)

Чем больше первое слагаемое, тем легче достигается лазерный

эффект в полупроводнике.

Указанные требования существенно сокращают список

полупроводниковых материалов, пригодных для ППЛ. Тем не

менее, они не исчерпывают перечень ограничений, наклады-

ваемых на рабочее вещество полупроводникового лазера. Пос-

ле выполнения вышеперечисленных

требований важнейшим, в конце кон-

цов, оказывается ограничение, связан-

ное с возможностью достижения ин-

версии населенности. Для однодолин-

ного прямозонного материала это озна-

чает следующее: можно ли в нем соз-

дать и поддерживать такое заселение

электронами энергетических состоя-

ний, какое показано на рис. 2.3.

В зависимости от того присутствуют или отсутствуют в

полупроводниковом материале донорные и акцепторные при-

меси различают собственные и примесные полупроводники. В

полупроводнике с собственным типом проводимости лазерная

генерация недостижима. Для этой цели пригодны только при-

месные материалы, причем полупроводники вырожденного ти-

па. В чем заключается их особенность?

На рис. 2.4 представлены зонные энергетические структу-

ры, характерные для собственного полупроводника (рис.

2.4,а),

примесного невырожденного (рис.

2.4,б,в) и примесного вырож-

денного (рис.

2.4,г). В примесном невырожденном полупровод-

нике энергетический уровень Ферми W

смещен относительно

середины запрещенной зоны 2, имеющей ширину W

ЗАПР

, либо

вниз (если внесена акцепторная примесь, рис.

2.4,б), либо

вверх (если примесь носит донорный характер, рис.

2.4,в). Од-

нако в обоих случаях энергия Ферми меньше W

ПР

– энергии,

соответствующей «дну» зоны проводимости 1, но больше W

–

энергии, соответствующей «потолку» валентной зоны 3. Вели-

чина смещения уровня W

с середины запрещенной зоны зави-

10 11

энергия

ПР

ЗАПР

энергия

ПР

а б

энергия

ПР

ЗАПР

в г

ЗАПР

энергия

ПР

Рис. 2.4

зона

прово-

димо сти

валентная

зона

фотон

энергия

импульс

валентная

зона

зона про-

водимос-

ти

фотон

энергия

импульс

фонон

а б

однодолинная структура двухдолинная структура

с прямым переходом с непрямым переходом

«зона

зона» «зона

зона»

электроны

энергия

импульс

дырки

Рис. 2.3

сит от концентрации примеси, и, когда последняя превышает

некоторое эффективное значение n

ЭФФ

см

−3

, уровень

Ферми смещается настолько сильно, что оказывается внутри

зоны проводимости W

ПР

(при концентрации донорной приме-

си n

ДОН

см

−3

), внутри валентной зоны W

(при концен-

трации акцепторной примеси n

АКЦ

см

−3

), или в той и в

другой зонах, когда применено сильное легирование и доно-

ром, и акцептором (в этом случае уровень Ферми раздваивает-

ся на квазиуровни W

ПР

и W

, рис. 2.4,в). Поскольку элек-

троны и дырки относятся к фермионам, распределение их по

энергетическим состояниям подчиняется статистике Ферми-

Дирака. Функция Ферми для электронов

{}

Фe

1)]()exp[()(

−

+⋅−= TkWWWF (2.2)

позволяет вычислить вероятность пребывания электрона в со-

стоянии с энергией W, если кристалл полупроводника нагрет

до температуры Т (k

–

постоянная Больцмана). На рис. 2.5,а

показан характер распределения электронов по энергиям в со-

ответствии с функцией Ферми в собственном полупроводнике.

Состояния, заселенные электронами, выделены штриховкой.

Видно (рис. 2.5,б), что инверсия электронов отсутствует и

принципиально не может быть достигнута, вследствие чего ге-

нерация лазерного излучения неосуществима.

При вырождении в полупроводнике как электронного,

так и дырочного газов из-за появления двух квазиуровней W

ПР

и W

распределение Ферми принимает другой вид (рис. 2.6,а).

Налицо появление инверсии (рис. 2.6,б): электроны заполняют

«дно» зоны проводимости, но освобождают для дырок верх-

нюю часть валентной зоны. В результате каждого акта реком-

бинации электрона, принадлежащего зоне проводимости, и

дырки, находящейся в валентной зоне, одна электронно-ды-

рочная пара исчезает, порождая фотон с энергией, величина

которой заключена в интервале

ПР

−

)

ħω

ПР

−

). (2.3)

Таким образом, монокристалл вырожденного полупро-

водника с однодолинной зонной структурой и прямыми элек-

тронными переходами подходит в качестве рабочей среды ППЛ.

Учитывая малую разницу энергий (W

ПР

−

ПР

) и (W

−

лазер, изготовленный из такого монокристалла, способен гене-

рировать когерентное оптическое излучение, заключенное в

узкой частотной полосе

[

]

h)()(

ВФПРПРФB

WWWW

−

∆

(2.4)

вблизи частоты (рис. 2.7)

ЗАПР

(2.5)

Длина волны света, излу-

чаемого полупроводниковым ла-

зером, обычно оценивается по

простой формуле, вытекающей

из (2.5):

,239.1

ЗАПР

(2.6)

Рис.2.6

(W)

0.5

ПР

энергия (W)

ħω

ПР

Рис. 2.5

(W)

0.5

ПР

импульс

энергия (W)

а б

12 13

ЗАПР

ВФПРФ

−

∆

Рис.2.7.

где численные значения ширины запрещенной зоны подстав-

ляется в электрон-вольтах, а вычисляемая длина волны полу-

чается в микрометрах.

Практически инверсия населенности в ППЛ достигается

в результате действия накачки: приложения к p-n-переходу

электрического напряжения и пропускания через него в пря-

мом направлении постоянного электрического тока. Это воз-

можно благодаря наличию проводимости у полупроводнико-

вых материалов. Среди применяемых в лазерной технике ме-

тодов накачки тот, что используется в ППЛ, один из самых

простых. Обычно его называют методом инжекции носителей

электрического заряда в область p-n-перехода, а сами лазеры –

инжекционными полупроводниковыми. Пространственно ак-

тивная зона полупро-

водникового кристалла

формируется вблизи

областей p-n-перехода,

включая его в себя.

Конфигурация энерге-

тических границ зон

проводимости и ва-

лентной, а также уров-

ни Ферми в вырожден-

ном полупроводнике до

накачки (внешнее пос-

тоянное электрическое

напряжение отсутству-

ет) и при ее включении

(прямое внешнее элек-

трическое напряжение

не равно нулю) показа-

ны на рис. 2.8.

Толщина актив-

ной области ∆

АКТ

ко-

леблется от 0.8

1.0 мкм

до нескольких микрон.

Реальная конструкция ППЛ выглядит просто (рис.

2.9). Из мо-

нокристалла А

III

с проводимостью n-типа (что достигается

введением донорных примесей из веществ VI-й группы табли-

цы Менделеева) вырезается образец 1, имеющий размеры (при-

мерно) 80×100×100 мкм. Со стороны одной из граней образец

легируется акцепторной

примесью (путем, напри-

мер, диффузии веществ из

II-й группы таблицы Мен-

делеева). Между n- и p-об-

ластями возникает тонкий

слой p-n-перехода. Обра-

зец припаивается n-гранью

к теплоотводящей алмаз-

ной или сапфировой под-

ложке 2, а к p-грани припаивается токоподводящая клемма 3

для подключения источника энергии накачки.

Две противоположные боковые грани образца, ориенти-

рованные перпендикулярно направлению, в котором жела-

тельно сформировать выходной лазерный пучок, скалываются.

Благодаря этому поверхности граней приобретают высокое

оптическое качество и выполняют функции зеркал оптическо-

го (лазерного) резонатора. Коэффициент отражения Френеля

на границе раздела сред полупроводник

воздух равен 0.3...0.4,

так что с учетом высокого квантового усиления активной сре-

ды требования баланса амплитуд, необходимое для автогене-

рации, выполняется без труда. Две другие боковые грани

умышленно скашиваются, чтобы предотвратить генерацию в

ортогональном направлении. Поскольку активный слой ППЛ

имеет вид тонкой широкой пластины (рис. 2.10), диаграмма

направленности излучения имеет лопатообразную форму с уг-

лами расходимости

)50...20()5...2( ×≈β×α

Из соединений А

III

наиболее часто применяются GaAs

и InP. При легировании для придания исходному материалу

проводимости нужного типа в качестве акцепторов используют

элементы II-й группы периодической таблицы Менделеева

14 15

ℓ

p-n-переход

Рис.2.9

ПР

Ф В

-область n-область

ПР

ширина

p-n-перехода

ВНЕШ

= 0

ПР

Ф В

-область n-область

ПР

область ин-

версии ∆

АКТ

ВНЕШ

≠ 0

ПР

ширина

p-n-перехода

Рис.2.8

∆

АКТ

≈ 1

мкм

Рис.

2.10

(Zn,

Cd), а в качестве доноров – элементы

IV-й группы (Se,

Te). Полупроводниковые

лазеры на двойных соединениях применя-

лись лишь в первых ВОЛС. В

настоящее время они почти пол-

ностью вытеснены лазерами, в которых используется тройные

и четверные соединения. Причина – серьезные недостатки

принципиального характера, присущие первым полупроводни-

ковым лазерам. Важнейшие из них заключаются в следующем.

Во-первых, из-за малости толщины ∆

АКТ

активной области и

высокой (до 10

м/с) скорости движения в ней инжектируемых

носителей заряда время пребывания электронов и дырок в

тонком активном слое очень мало, поэтому и вероятность их

рекомбинации, заканчивающейся излучением фотонов, так же

низка (рис. 2.11,а). Во-вторых, даже в тех нечастых случаях,

когда акт излучательной рекомбинации все же происходит,

маловероятно, чтобы спонтанно родившийся фотон вызвал ла-

винный эффект генерации индуцированного излучения по

причине того, что все три области ППЛ (p-, n-, p-n) принадле-

жат одному кристаллу (отсюда название – гомоструктура, гомо-

лазер), а значит имеют одинаковый показатель преломления. Т.е.

оптическая граница между названными областями полупро-

водникового материала отсутствует (рис. 2.11,в), и спонтанный

квант легко покидает активную зону, не испытывая отражения

от границ с прилегающими p- или n-областями (рис. 2.11,б)

поскольку в оптическом смысле этих границ не существует.

Обе причины приводят к тому, что монокристаллический по-

лупроводниковый лазер нуждается в очень высоком уровне

накачки для достижения инверсии населенностей, обеспечи-

вающей порог генерации индуцированного излучения. Поро-

говая плотность тока инжекции в гомолазере составляет от не-

скольких сотен ампер до килоампера на 1 мм

сечения актив-

ной области и только при глубоком охлаждении ППЛ (до темпе-

ратуры жидкого азота) падает на 1.5…2 порядка. В результате

срок службы гомолазера для комнатной температуры окру-

жающего воздуха изменяется минутами.

2.3. Светоизлучающие диоды и их параметры

Светоизлучающий диод (СИД) в простейшем случае

представляет полупроводниковый диод с p-n-гомопереходом.

Излучаемый им свет является следствием излучательной ре-

комбинации электронов и дырок в активном p-n-слое полупро-

водникового материала. Генерируемое СИД излучение некоге-

рентно, т.к. его фотоны рождаются спонтанно. Три преимуще-

ства по сравнению с полупроводниковым лазером привлекают

к СИД внимание разработчиков ВОЛС: низкая стоимость, зна-

чительный ресурс работы и ненужность термостабилизации.

Конструкция СИД бывает двух типов: с торцевым выводом из-

лучения и с излучающей поверхностью (рис. 2.12 – СИД в по-

перечном разрезе).

Диаграмма направленности СИД первого типа обычно

имеет угловую ширину порядка 30°, тогда как для СИД второго

p-n

p n

p-n

ħω

Рис. 2.11

показатель

преломления

16 17

типа – много больше (порядка 120°). Поэтому в оптическое

волокно СИД с излучающей поверхностью вводит очень ма-

лую часть мощности выходного излучения – около 1

%. В этом

отношении диод с торцевым выводом имеет преимущества.

Мощность СИД невелика – 10…100 мкВт. Спонтанная

природа излучения приводит к большой ширине спектра излу-

чения (∆λ

30…80 нм). Излучение столь низкого качества не

может обеспечить высокоскоростную передачу сигналов по

световоду. Поэтому СИД применяются в ВОЛС с битовыми

скоростями не более 150 Мбит/с. Диапазон длин волн, кото-

рый они излучают, отвечает используемым в ВОЛС "окнам":

0.8…0.9 мкм и 1.2…1.7 мкм (включая λ

1.31 мкм и 1.55 мкм).

Структура коротковолновых СИД определяется тройной сис-

темой AlGaAs/GaAs, в длинноволновом диоде применяются

четверные соединения GaInAsP.

Чтобы ослабить недостаток, связанный с широкоуголь-

ной диаграммой излучения, применяют фокусирующие эле-

менты, позволяющие увеличить долю оптической мощности,

вводимой в световод (рис. 2.13 – устройства ввода оптической

мощности в световод). Если принять равной единице эту долю

для схемы соединения, изображенной на рис. 2.13,а, то уста-

новка сферической линзы на торце световода (рис. 2.13,б) уве-

личивает вводимую мощность в 3..5 раз, линза на диоде

(рис. 2.13,в) – в 10…20 раз, а линзы на торце световода и на

поверхности СИД (рис. 2.13,г) – в 100…200 раз.

Типичные для СИД с торцевым выводом излучения тех-

нические параметры сведены в табл. 2.1.

Таблица 2.1

Основные параметры СИД с торцевым выводом излучения

Параметр Значение

Выходная мощность, излучаемая в одномодо-

вое волокно при 25°

С, мкВт

2…100

Числовая апертура 0.1…0.6

Время нарастания/спада импульса, нс 3

Ширина спектра излучения по уровню поло-

винной мощности, нм

30…80

Температурный коэффициент мощности, %/°С

1.2

Изменение центральной длины волны с тем-

пературой, нм/°С

0.5…0.8

Спектральное температурное уширение, нм/°С

0.4

2.4. Полупроводниковые лазеры

2.4.1. Лазеры с двойным гетеропереходом

В 1968…1970 гг. под руководством академика Ж.И. Ал-

ферова в СССР созданы одинарные и двойные полупроводни-

ковые гетероструктуры, в которых полностью решена пробле-

ма вынужденной сверхнакачки в гомолазере. Идея заключа-

лась в следующем. Если в GaAs по обе стороны от p-n-перехо-

да часть (х) атомов Ga заменить Al, имеющим одинаковую с

Ga постоянную кристаллической решетки, но разные физичес-

кие свойства (ширину запрещенной зоны, диэлектрическую про-

ницаемость, показатель преломления и др.), то тройная струк-

тура Al

1−Х

As с двойным гетеропереходом (по обе стороны

СИД

световод

СИД

световод

СИД

световод

СИД

световод

а б в г

Рис. 2.13

а б

Рис. 2.12

СИД с торцевым СИД с излучающей

излучением поверхностью

18 19