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

Подождите немного. Документ загружается.

от активного p-n-слоя), разрез которой изображен на рис. 2.14,а,

будет иметь следующую зонную структуру (рис. 2.14,б) и про-

филь показателя преломления (рис. 2.14,в):

Введение алюминия приводит к увеличению ширины за-

прещенной зоны в областях кристалла, прилегающих к актив-

ному слою (W'

ЗАПР

), и снижению показателя преломле-

ния (n'

n). Поэтому возникшие на границах активной зоны по-

тенциальные барьеры оказываются непреодолимым препятст-

вием для электронов, инжектируемых из n-областей через ак-

тивный слой в p-область, равно как и для дырок, инжектируе-

мых в обратном направлении (рис.

2.15,а). Время пребывания но-

сителей заряда в активном слое вследствие этого увеличивается,

отчего растет скорость актов излучательной рекомбинации, при-

чем появляющиеся фотоны не покидают активную область, ко-

торая теперь играет роль оптического световода, так как n

(рис. 2.15,б). В итоге плотность порогового тока накачки су-

щественно снижается (I

ПОР

5…12 А/мм

), и гетеролазер при-

обретает способность непрерывно генерировать индуцирован-

ное излучение при комнатной температуре.

Отдельные технические характеристики наиболее широ-

ко применяемых полупроводниковых лазеров с двойной гете-

роструктурой приведены в табл. 2.2.

Таблица 2.2

Характеристики ППЛ с двойной гетероструктурой

Материал

Длина вол-

ны излуче-

ния, мкм

Рабочая

темпера-

тура, °К

Пороговая

плотность тока

накачки, А/мм

Режим

излуче-

ния

GaAs 0.89

−

(Al,Ga)As 0.85 7.0

1.30 0.5

(Ga,In)(As,P)

1.50

300

1.2

непре-

рыв-

ный

Полупроводниковые лазеры относятся к источникам ко-

герентного излучения. В ППЛ с двойной гетероструктурой, ак-

тивная область которого выполняет функцию оптического вол-

новода, выходное излучение выводится, как правило, через

торцевую поверхность. Когерентный в ППЛ характер излуче-

ния находит отражение в расходимости выходного пучка света

(рис. 2.16) и в характерной ширине спектра его выходного из-

лучения (рис. 2.17). Для лазера типична узкая диаграмма на-

правленности и малая ширина спектра излучения.

активна

область

n-область

p-область

ПР

n-область

p-область

а б

Рис. 2.15

ППЛ

СИД

Рис. 2.16

выходная мощность

длина

волны

∆

СИД

∆λ

ППЛ

Рис. 2.17

0.3

0.7

(n)

GaAs

(n)

0.3

0.7

(p)

GaAs

(p)

медный теплоотвод

подложка GaAs

металл

активная

область

окисел

слой

металла

припой

∼1мкм

0.1-0.3

мкм

∼1мкм

∼1

мкм

ПР

ЗАПР

а б в

Рис. 2.14

20 21

Узкая диаграмма направленности обеспечивает облегченное со-

пряжение

полупроводникового

лазера

со световодом (рис.

2.18),

что, как будет показано ниже, положительно влияет на ослаб-

ление дисперсионного размывания оптических импульсных

сигналов, а, следовательно, позволяет по сравнению с СИД по-

высить дальность и скорость передачи информации по воло-

конно-оптической линии.

Типичные мощностные характеристики ППЛ и СИД в за-

висимости от силы тока накачки приведены на рис. 2.19.

Генерация индуцированного излучения в лазере носит

пороговый характер: быстрое, почти пропорциональное току

накачки нарастание выходной мощности имеет место в запо-

роговой области (I

НАК

ПОР

). Здесь преимущество ППЛ перед

СИД по мощности пучка многократно. Но в допороговом ре-

жиме (I

НАК

ПОР

) мощность светоизлучающего диода, особен-

но с торцевым выводом, значительно больше, чем полупровод-

никового лазера.

Рабочая длина волны полупроводниковых источников за-

висит от ширины запрещенной зоны материала (формула (2.6)).

Последняя может изменяться почти в двукратном диапазоне,

так что длина волны излучения может быть выбрана любой в

интервале от 0.8 до 1.7 мкм.

Формулы для расчета W

ЗАПР

зависимости от химического

состава полупроводникового ма-

териала приведены в табл. 2.3.

Длина волны когерентного из-

лучения ППЛ вычисляется по

формуле (2.6).

Таблица 2.3

Соотношения для оценки W

ЗАПР

полупроводников

Состав материала

(твердый раствор)

Ширина запрещенной зоны,

ЗАПР

, эВ

1-Х

1.424

1.266⋅х

0.260⋅х

1-X

0.360

0.629⋅х

0.436⋅х

InAs

1-Y

1.350

−

1.170⋅y

0.180⋅y

1-X

1.350

0.668⋅х

0.758⋅х

GaAs

1-Y

2.770

−

1.560⋅y

0.210⋅y

1-X

1-Y

1.350

0.668⋅х

−

1.170⋅y

0.180⋅y

−

0.069⋅xy

−

0.322⋅x

0.030⋅xy

0.758⋅х

1-Х

1-Y

1.430

−

1.900⋅х

1.042⋅y

0.468⋅y

1.000⋅xy

−

0.900⋅x

−

0.100⋅xy

1.200⋅х

В табл. 2.4 приведены характеристики двойных соедине-

ний класса А

III

, широко применяемых в источниках оптиче-

ского излучения для ВОЛС. Для практики наибольший инте-

рес имеют полупроводниковые структуры, способные генери-

ровать свет при комнатной температуре (табл. 2.5).

2.4.2. Многомодовые и одномодовые гетеролазеры

Если торцевые грани полупроводникового лазера плос-

кие (рис. 2.9) и параллельны одна другой, они играют роль оп-

тического резонатора Фабри-Перо, в котором при длине ℓ ак-

тивного слоя, равной нескольким сотням микрометров (рис. 2.9),

одновременно может резонировать большое число продольных

мод, разнесенных друг от друга на частотный интервал

⋅

=ω∆

(2.7)

где n

≈

3.5 – показатель преломления полупроводникового ма-

териала, с – скорость света. Число продольных резонансов оп-

тического резонатора, попадающих в полосу усиления активной

Рис. 2.18

Источник

излучения

се

дцевина

оболочка

СИД

ППЛ

22 23

выходная мощность

Рис.2.19

ППЛ

СИД

ток

накачки

ПОР

Таблица 2.5

Полупроводниковые лазерные структуры, способные работать при Т

300 К

Структура слоя

активного эмиттерных подложки

Длина волны

излучения λ,

мкм

Пороговая

плотность тока

ПОР

, кА/см

0.49

0.48

0.03

0.49

0.31

0.2

P GaAs 0.66 3.20

GaP

0.25

0.75

0.45

0.55

0.25

0.75

GaP

0.25

0.75

0.74

−

GaAs

0.3

0.7

As GaAs 0.82 0.07

0.04

0.96

0.4

0.6

As GaAs 0.85 1.20

GaAs

0.505

0.495

P GaAs 0.88…0.89

−

GaAs

0.92

0.08

0.2

0.8

0.92

0.08

GaAs

0.92

0.08

0.95

−

GaAs

0.88

0.12

0.4

0.6

0.88

0.12

GaAs 1.00…1.06 2.10

0.13

0.87

0.65

0.35

P GaAs 1.02…1.15

−

GaP

0.3

0.7

0.66

0.34

P GaP

1-X

0.70 3.40

1-X

1-Y

1-N

1-V

GaSb 1.08 2.50

0.3

0.7

0.4

0.6

0.5

P InP 0.70

−

0.39

0.08

0.53

InP InP 1.50 3.20

0.47

0.53

0.48

0.52

As InP 1.50 2.40

0.45

0.55

0.97

0.03

InP InP 1.62 3.20

0.47

0.53

InP InP 1.70 6.00

Таблица 2.4

Характеристики двойных соединений А

III

, используемых в источниках для ВОЛС

Соединения

Характеристика

AlAs AlSb GaP GaAs GaSb InP InAs InSb

Температура плавления, °С

1600 1065 1467 1238 712 1058 942 536

Теплопроводность, Вт/см⋅К

0.91 0.57 0.77 0.44 0.33 0.68 0.27 0.17

Период решетки,

нм 566.0 613.6 545.1 565.3 609.6 586.9 605.9 647.9

Ширина запрещенной зоны

при 77 К, эВ

при 300 К, эВ

2.231

2.163

1.677

1.580

2.330

2.240

1.507

1.424

0.797

0.726

1.412

1.351

0.410

0.360

0.228

0.172

Показатель преломления 3.178

−

3.452 3.655 3.820 3.450 3.520 4.000

Эффективная масса

0.150 0.120 0.340 0.071 0.047 0.077 0.026 0.013

Тип абсолютного минимума

зоны проводимости

непре-

рывн.

непре-

рывн.

непре-

рывн.

преры-

вист.

преры-

вист.

преры-

вист.

преры-

вист.

преры-

вист.

−

−4.0 −5.4 −5.0 −4.1 −4.6 −3.3 −2.9

Диэлектрическая проницае-

мость (статическая)

12.0 11.0 11.1 13.1 15.7 12.4 12.5 18.0

Подвижность носителей тока

при 300 К, см

/(В⋅с)

электронов

дырок

1000

100

4000

190

150

8500

400

4000

1400

4600

150

30000

240

76000

5000

24 25

среды, определяется отношением

)()(

ВПРВФПРФ

ω∆⋅

−

−−

WWWW

m (2.8)

Количество генерируемых продольных мод m

меньше m

так как индуцированное излучение происходит только на тех

резонансных частотах, на которых квантовое усиление в

p-n-активном слое превышает суммарные потери оптического

резонатора. Тогда в выходном пучке такого многомодового ла-

зера присутствует излучение на нескольких (примерно от 3-х

до 10-ти) частотах одновременно. Частотный интервал (2.7)

между соседними модами составляет примерно 1 ТГц. При

модуляции лазера синхронно модулируются все моды. Следо-

вательно, каждая из них переносит одну и ту же информацию.

Выходная мощность лазера распределяется между всеми

генерируемыми модами неравномерно: бóльшая мощность

приходится на среднюю моду в наборе (рис. 2.20). Модам, от-

стоящим от средней вверх и вниз по частоте, соответствует

меньшая мощность, плавно спадающая по мере удаления от

середины набора. На рис. 2.20 заштрихованные площади (пре-

вышение усиления над потерями) пропорциональны мощности

конкретной моды. За счет взаимодействия между собой моды

обмениваются энергией, и, хотя суммарная их мощность мо-

жет сохраняться, энергообмен приводит к шумам на выходе и

в высокоскоростных ВОЛС с малыми потерями − к необходи-

мости сокращать расстояние между соседними регенератора-

ми. Если же в ВОЛС имеются отражения, межмодовое пере-

распределение мощности еще более понижает потенциал сис-

темы связи, поскольку пе-

рекачка энергии из цент-

ральной моды в боковые

увеличивает эффективную

ширину спектра излуче-

ния и уменьшает важный

комплексный параметр

ВОЛС: произведение ско-

рости передачи информации на длину линии связи (точнее – на

протяженность ВОЛС между соседними регенераторами).

В одномодовых лазерах генерация происходит практиче-

ски на одной продольной моде. Мощность, переносимая ины-

ми продольными модами, кроме средней, ничтожно мала: ме-

нее 0.009 от полной мощности излучения. Одномодовость дос-

тигается дискриминацией боковых мод путем обеспечения для

них оптических потерь гораздо более высоких, чем для сред-

ней моды (рис. 2.21).

С помощью модули-

рованного излучения од-

номодового лазера инфор-

мация по ВОЛС может

передаваться с бóльшей

скоростью, на более про-

тяженное расстояние, с

повышенным качеством.

2.4.3. Лазеры с распределенной обратной связью

В лазерах, описанных выше, положительная обратная

связь по оптическому полю организуется отражением оптичес-

кого излучения, генерируемого в активном слое, от передней и

задней торцевых граней (рис. 2.9), т.е. место отражения излу-

чения локализовано (совпадает с плоскостью зеркал – торце-

вых граней). Доказано, что качество выходящего из лазера из-

лучения (оно в первую очередь определяется малостью шири-

ны спектра выходного излучения) удается существенно повы-

сить, если сосредоточенное отражение заменить распределен-

ным (растянутым по оси оптического резонатора). Это дости-

гается заменой торцевых зеркал периодическими структурами,

занимающими концевые участки или всю длину активного

слоя (рис. 2.22). В первом случае (рис. 2.22,а) структура назы-

вается РБО-лазером, во втором (рис. 2.22,б) – РОС-лазером.

Периодическая структура представляет собой гофриро-

ванную поверхность световода (p-n-слоя), на которой оптичес-

мощность

средняя

мода

уровень

потерь

контур

усиления

частота

Рис.2.21

мощность

средняя

мода

уровень

потерь

контур

усиления

частота

Рис.2.20

26 27

кие волны испытывают дифракцию, что приводит к их коге-

рентному отражению. Периодическая неоднородность выпол-

няется в виде изменения толщины p-n-слоя. При выполнении

условия Брэгга –

ЭФФ

2 n

⋅

λ⋅

=Λ

(2.9)

(где Λ – период структуры, m – порядок дифракции, n

ЭФФ

–

эффективное значение показателя преломления гофрированно-

го участка световода) – периодическая структура играет роль

частотно-селективного зеркала и позволяет добиться одночас-

тотной генерации излучения.

Распределенные отражающие структуры ослабляют за-

висимость длины волны генерируемого излучения от темпера-

туры и, что особенно важно, более чем на порядок улучшают

спектральные характеристики

РБО- и РОС-лазеров: спект-

ральная ширина индуцирован-

ного излучения лазера ∆λ

ППЛ

(рис.

2.17) снижается до значе-

ния 0.1 нм. При комбинирова-

нии РОС-структуры со струк-

турой, имеющей множествен-

ные квантовые ямы, рекордно

малая ширина ∆λ

ППЛ

оценива-

ется миллионными долями на-

нометра (рис. 2.23).

2.4.4. Лазер с вертикальным оптическим резонатором

Как и в СИД, индуцированное излучение полупроводни-

кового лазера может выводиться из активного p-n-слоя не

только через торец, но и через боковую поверхность. Устройст-

во подобного лазера показано на рис. 2.24.

В таком лазере база оптического резонатора (расстояние

между отражающими плоскостями − зеркалами) равна толщине

активного слоя, т.е. порядка одного микрометра. Тогда в соот-

ветствии с (2.7) соседние продольные моды будут разнесены по

шкале частот друг от друга примерно на 10

Гц. Т.е. в полосу

квантового усиления активной среды может попасть не более

одной моды. Понятно, что вы-

ходная мощность лазера с верти-

кальным оптическим резонатором

не может быть большой, но зато

по сравнению с обычным лазером

его выходной пучок имеет очень

важное достоинство: он круглый

в поперечном сечении, тогда как

в лазере с торцевым выводом се-

чение пучка излучения имеет эл-

липтическую форму. Круглый

пучок с бóльшей эффективностью

можно ввести в световод.

2.4.5. Параметры лазерных излучателей

Из большого числа параметров источников индуциро-

ванного излучения перечислим важнейшие.

Внутренняя квантовая эффективность:

БЕЗЫЗЛИЗЛ

ИЗЛ

Б.ИЗЛИЗЛ

ВНТР

ξ+ξ

ττ+

=η

(2.10)

где τ

ИЗЛ

– характерное время излучательной рекомбинации;

БЕЗЫЗЛ

– то же для безызлучательной рекомбинации;

p-тип

n-тип

РБО

РБО – распределенный

брэгговский отражатель

p-тип

n-тип

РОС

РОС – распределенная

обратная связь

Рис. 2.22

РБО-слои

p-типа

активный

слой

РБО-слои

n-типа

изолирующие слои

излучаемый

пучок

Рис. 2.24

интенсивность

длина

волны

1 –

∆

ППЛ

∼

3нм: лазер с резона-

тором Фабри-Петро;

2 – ∆λ

ППЛ

∼

0.1нм: РОС-лазер;

3 – ∆λ

ППЛ

∼

−6

нм: РОС-лазер

структура с квантовыми ямами

Рис. 2.23

28 29

ИЗЛ

, ξ

БЕЗЫЗЛ

– соответственно вероятность рекомбинации

излучательной и безызлучательной.

Внешняя квантовая эффективность является одной из

энергетических характеристик лазера:

ИНЖЭМИТВНШ

nn=

(2.11)

где n

ЭМИТ

–

число эмиттированных за единицу времени квантов;

ИНЖ

– количество инжектированных квантов за то же время.

Апертурный коэффициент определяет часть мощности

оптического излучения, выходящую из лазера

ВНТРВНШ

ηη=А (2.12)

Величина А всегда меньше единицы и составляет для СИД

0.01…0.06, а для лазера

− 0.2…0.4.

Ширина спектральной полосы излучения означает диапа-

зон длин волн ∆λ, симметричный относительно центральной

длины волны, на краях которого уровень излучаемой мощно-

сти снижается до половины максимального. Для СИД харак-

терна ∆λ

СИД

20…300 нм, для лазеров – ∆λ

ППЛ

1…2 нм.

Спектральная характеристика излучения показывает за-

висимость выходной мощности от длины волны в пределах спек-

тральной полосы усиления. Для многомодового и одномодового

режимов излучения спектральные характеристики GaAs-лазера

имеют вид, приведенный на рис. 2.25,а и б соответственно.

Среди лазеров с плоской геометрией активного слоя рас-

пространены два типа структуры: лазер с «волноводным уси-

лением» (gain-guided) и лазеры с «волноводным каналом» (in-

dex-guided). В лазерах первого типа поток индуцированного из-

лучения концентрируется в области с максимальной инверсией

населенности и локализуется в полосе активного слоя шири-

ной до w

10 мкм (рис. 2.26).

В зависимости от размера w и мощности накачки гене-

рируются различные моды излучения. На рис. 2.27,а показано

перекрытие активной зоны ППЛ лазерным пучком, а на

рис. 2.27,б – распределение в поперечном сечении пучка плот-

ности оптического излучения для моды Т

С увеличением ширины активного слоя w при постоян-

ной мощности накачки генерируются моды более высоких по-

рядков (рис. 2.28,а – в ближней зоне, рис. 2.28,б – в дальней

зоне).

Ватт-амперная характеристика (ВАХ) показывает зави-

симость мощности оптического излучения от величины тока

Рис. 2.25

мощность

820 822 824 826 828 830 λ,нм

мощность

839 841 843

,нм

б а

а б

Рис.2.27

активный слой

Рис.2.26

30 31

а б

мкм

Рис. 2.28

накачки. Типичные ВАХ лазера GaAlAs/GaAs c шириной ка-

нала w

10 мкм имеют вид, показанный на рис. 2.29.

Модуляционная характеристика показывает быстроту от-

клика источника излучения на внешнее воздействие и опреде-

ляет максимально достижимую частоту внутренней модуляции

генерируемого источником оптического излучения. Обычно

она составляет несколько гигагерц.

Способность лазера или СИД реагировать на внутрен-

нюю модуляцию непосредственно связана с их частотными

характеристиками. В большинстве полупроводниковых лазе-

ров глубина модуляции резонансным образом зависит от час-

тоты (рис. 2.30). Резонансное возрастание мощности излуче-

ния при разных значениях тока инжекции наблюдается в диа-

пазоне частот от 0.2 ГГц до

2 ГГц и вызвано энергооб-

меном между избыточными

носителями заряда и опти-

ческим полем резонатора.

Основные параметры

лазерных источников опти-

ческого излучения для

ВОЛС, выпускаемых зару-

бежными фирмами, приве-

дены в табл. 2.6.

Таблица 2.6

Технические характеристики зарубежных полупроводниковых лазеров

Тип излучателя, марка,

фирма-производитель

Длина

волны

излуче-

ния,

мкм

Ширина

спектра

излуче-

ния, нм

Порого-

вый ток

накачки,

мА

Время

нарастания

импульса из-

лучения, нс

Модовый

состав

излуче-

ния

Матери-

ал и тип

структу-

ры

Выход-

ная мощ-

ность,

мВт

Срок

службы,

ML-3000

«Mitsubishi Electronics»

0.83 <

5 30 0.1

AlGaAs

ML-7601 −"−

1.30 5 25

InGaAsP

LDS3-OMF

«Optel Corpor.»

0.82 10

нет

сведений

одномо-

довый

5⋅10

LDM3-H/ LDS3-H −"−

нет

сведений

30 0.15

одно/мно-

гомодовый

С86014E «RCA»

0.83

нет свед.

одномод.

C86040E −"−

0.90 80 <

нет свед.

C86030E −"−

0.82

100 1

AlGaAs

нет

сведений

OL 8200

«Opt.

Inform.

Syst.

Incorp.»

1.30 15 1

одномо-

довый

InGaAsP

OL 1010 −"−

0.83

1…2

нет свед.

−

нет свед.

NDL 3108 «NEC» 1.5

многомод.

NDL 3205 −"−

0.85 100

0.5

AlGaAs

NDL 5007 P −"−

1.90

20 <

одномо-

довый

InGaAsP

LS7716 «ITT» 0.5

многомод.

LS7737 −"−

0.83 2 120

нет свед.

AlGaAs

нет

сведений

HLP 5400 «Hitachi» 1.30 1 30 0.5

одномо-

довый

InGaAsP

Рис. 2.29

ИЗЛ

, мВт

20 40 60 80

НАК

, мА

ИЗЛ

, мВт

0 40 80 120 160

НАК

, мА

0°С 15 30 45

а б

структура с волноводным

силением

структура с канальным

волноводом

32 33

ИЗЛ

( f )/Р

ИЗЛ

(0)

0.2 0.4 0.6 0.8

МОД

, ГГц

НАК

const

рост I

НАК

Рис. 2.30

2.5. Модуляция полупроводниковых источников

оптического излучения

Возможны два пути управления излучением СИД и ППЛ:

внутренний и внешний.

Полупроводниковым излучателям (ППЛ) присущ самый

простой среди известных в лазерной технике способов внутри-

лазерной модуляции выходного излучения. Для этого требует-

ся только пропускать через p-n-активный слой в прямом на-

правлении модулированный ток, в результате чего выходное

излучение также будет промодулировано по интенсивности в

соответствии с законом модулирующего сигнала. Простота и

быстродействие внутренней модуляции обеспечили данному

способу широкое применение. Однако имеется один серьезный

его недостаток, который нейтрализует отмеченные преимуще-

ства, особенно в высокоскоростных ВОЛС. Виной тому –

формирование оптических импульсов с паразитной частотной

модуляцией (так называемых чирпов). При быстром нараста-

нии тока накачки и вслед за ним импульса оптического излу-

чения возникает импульсная поляризация вещества p-n-слоя.

Изменяющаяся во времени поляризация среды (а значит и по-

казатель преломления) вызывает неизбежную фазовую моду-

ляцию на переднем фронте оптического импульса, а, следова-

тельно, и модуляцию частоты. Оптический импульс с изме-

няющейся во времени несущей называют чирп-импульсом.

Частотная модуляция (ЧМ) оптических импульсов приводит к

их спектральному уширению, что при наличии дисперсии за-

метно ухудшает качество передачи информации по ВОЛС. Ха-

рактерная форма лазерного импульса при внутренней модуля-

ции излучения изображена на рис. 2.31. Действие чирпа при-

водит к тому, что каждый очередной импульс отличается от

предыдущего амплитудой первого и последующих выбросов,

временем нарастания и спада (длительностью переднего и зад-

него фронтов).

Вредное действие паразитной ЧМ при внутренней моду-

ляции удается ослабить выбором формы импульса тока ин-

жекции (рис. 2.32).

В режиме излучения ток накачки поддерживается на

уровне, немного превышающем пороговое значение I

ПОР

. Оп-

тический импульс при этом задерживается относительно им-

пульса тока накачки на время

),artharth(

0ПОР0ПОР0ПОРЗАД

IIIIIIt −⋅⋅τ= (2.12)

где τ – время рекомбинации, I

– начальный ток.

Эффект чирпа и его отрицательные последствия ради-

кально устраняются при внешней модуляции излучения опти-

ческих источников, так как в этом случае мощность выходного

излучения лазера постоянна во времени, а процессы, проте-

кающие во внешнем модуляторе, не влияют на свойства p-n-

слоя. Внешний модулятор действует как затвор, который от-

крыт (пропускает всю мощность излучения непрерывно рабо-

тающего источника оптического излучения) при передаче дво-

ичной единицы и закрыт, когда нужно передать двоичный

нуль. Применение нашли три типа модулятора: Маха-Цандера,

электроабсорбционный, реф-

ракционный.

Первые два модулятора

получили наибольшее распро-

странение. В модуляторе Маха-

Цандера немодулированное не-

прерывное излучение лазера

формальное формальный

начало имп

льса конец имп

льса

100 %

90 %

10 %

время

нарастания

интервал

колебаний

выброс

время

спада

спадающий

«хвост»

время

Рис.2.31

34 35

ПОР

НАК

(t)

Рис.2.32

вводится в световодный

Y-разветвитель и с половин-

ной мощностью пропускает-

ся по двум параллельным

световодам (рис. 2.33).

Плечи разветвителя

идентичны в оптическом от-

ношении, поэтому при от-

сутствии модулирующего сигнала на выходе разветвителя по-

токи лазерного излучения складываются синфазно, восстанав-

ливая тот же уровень мощности, что и на входе. Если же к од-

ному из плеч подводится модулирующий сигнал, его поле мо-

дулирует показатель преломления материала световода, и оп-

тическая длина данного плеча изменяется во времени, приводя

к временному изменению фазы оптической волны, прошедшей

данное плечо. Сложение волн двух плеч на выходе Y-развет-

вителя происходит в каждый момент с разной фазой, в резуль-

тате чего суммарное излучение приобретает модуляцию по ин-

тенсивности. Поток электрических бит, поступающий от ис-

точника модулирующего сигнала, переносится таким образом

в поток оптических бит на выходе разветвителя. Модулятор

Маха-Цандера, выполненный на основе LiNbO

осуществляет

модуляцию до скоростей 75 Гбит/с при разнице уровней сиг-

налов во включенном и выключенном состоянии около 10 дБ.

Действие модулятора электроабсорбционного типа осно-

вано на эффекте Франца-Келдыша, суть которого заключается

в изменении ширины запрещенной зоны в полупроводниковом

материале при изменении величины приложенного поперечно-

го электрического напряжения. Поэтому, если оптическое из-

лучение пропускать сквозь прозрачный полупроводниковый

материал, к которому подведен модулирующий сигнал, пере-

менное поле последнего, изменяя ширину запрещенной зоны,

будет влиять на коэффициент поглощения и, следовательно,

модулировать по интенсивности проходящее излучение. Для

модуляторов на эффекте Франца-Келдыша лучше других под-

ходят материалы с множественными квантовыми ямами. Мо-

дуляторы работают до скоростей 20 Гбит/с и более с коэффи-

циентом уровней “включено/выключено” 15 дБ и выше.

2.6. Модулированные импульсные последовательности

Чтобы передать информацию по световоду, необходимо

промодулировать распространяющуюся по нему оптическую

волну (или волны) информационным сигналом. Модулировать

можно амплитуду волны (точнее – ее квадрат, т.е. интенсив-

ность), частоту, фазу, поляризацию, причем модуляция может

быть как аналоговой, так и цифровой. Самый простой способ

передать по световоду с помощью света какое-либо сообщение

заключается в управлении интенсивностью света во времени

аналогично тому, как изменяется сам информационный сиг-

нал. Подобные ВОЛС с аналоговой модуляцией интенсивно-

сти нередко встречаются на практике. Однако если во главу

угла при проектировании системы оптической связи поставить

требование высокой надежности передачи информации, то

следует обратиться к цифровому способу модуляции. Доказа-

но, что природа, отбирая для живых существ, включая, естест-

венно, человека, каналы передачи биосигналов, остановилась

на цифровых коммуникациях, как самых надежных с точки

зрения увеличения продолжительности жизни отдельных жи-

вых организмов и роста численности их популяции.

Развивая технику телекоммуникаций, специалисты «под-

смотрели» это решение у Природы и теперь с успехом исполь-

зуют его в линиях передачи информации. Поэтому большинст-

во ВОЛС являются цифровыми. При передаче данных в циф-

ровом виде свет, генерируемый лазером или СИД, вводится в

световод не непрерывно, а лишь в определенные, дискретные

моменты, временной интервал между которыми выбирается в

соответствии с теоремой Котельникова. Прежде чем «оцифро-

вать» мгновенное значение сигнала, весь диапазон изменения

его амплитуды разбивается (квантуется) на некоторое число

уровней, ступеней (например, на 10, 100 или 1000: чем больше

уровней, тем мельче ступеньки, тем точнее копируется реаль-

лазер

источник

модулирующего

сигнала

Рис.2.33

36 37

ный сигнал). А затем в

выбранные

по

Котельни-

кову моменты времени,

численно

оценивается

ве-

личина сигнала по коли-

честву перекрытых уров-

ней квантования. После-

довательность перечис-

ленных процедур изо-

бражена на рис. 2.34.

Современные элек-

тронные цифровые схемы,

входящие в состав опти-

ческих передатчиков и

приемников, работают с

сигналами, представлен-

ными в том или ином

стандарте, принятом в ми-

ре. Стандарты различа-

ются уровнями двоично-

го нуля и единицы, и по-

этому выбор стандарта

диктуется типом логиче-

ских цепей, применяемых

в аппаратуре.

Наиболее широко применяется транзисторно-транзис-

торная цифровая логика (TTL), в которой двоичный нуль зада-

ется уровнем сигнала «плюс» 0.5 В, а двоичная единица –

уровнем «плюс» 5 В (рис. 2.35,а). Более быстрой является эмит-

терно-связанная логика (ECL), применяемая в ВОЛС при ско-

ростях передачи данных более 50 Мбит/с. В цепях с ECL-элемен-

тами нуль передается импульсом напряжения «минус» 1.75 В,

а единица – «минус» 0.9 В (рис. 2.35,б).

Передача информации со ступенчатым квантованием уров-

ня сигнала используется внутри цифровых логических схем.

При разнесении этих схем на значительное расстояние, как в

случае оптических

передатчика и приемника, входящих в состав

Рис.2.35

а б

уровень напряжения,

0.5

«0»

«1» «0»

TTL

уровень напряжения,

−0.9

−

1.75

«0»

«1» «0»

ECL

ВОЛС, данные передаются с помощью модуляционных кодов,

формат которых более сложен. Модуляционный код кодирует

цифровые данные, выходящие из аналого-цифрового преобра-

зователя оптического передатчика и направляемые в световод.

На рис. 2.36 показаны особенности наиболее популярных

модуляционных кодов. Допустим, что требуется передать по-

ток данных объемом 10 бит (рис. 2.36,а). Последовательность

чередующихся импульсов «min» и «max», пара которых задает

длительность бита, выполняет роль таймера (рис. 2.36,б). При

использовании простейшего модуляционного кода NRZ (без

возврата в нуль, рис. 2.36,в) нуль в цепочке данных представля-

ется нулем кода («плюс» 0.5 В в TTL и «минус» 1.75 В в ECL),

а единица данных – соответственно единицей кода («плюс» 5 В в

TTL и «минус» 0.9 В в ECL). В коде RZ (с возвратом в нуль,

рис. 2.36,г) иначе, чем в предыдущем случае, представляется

единица: в течение первой половины бита, соответствующего

«1», напряжение поддерживается на максимальном уровне, а

во время второй половины снижается до минимального уровня

(возвращается в нуль). Таким образом, в RZ-коде бит пред-

ставлен двумя символами, тогда как в NRZ-коде – одним. И в

том, и в другом коде отсутствует внутренняя синхронизация,

тогда оптический приемник, восстанавливающий передавае-

мую по ВОЛС информацию, должен иметь либо собственную

синхронизацию, либо получать сигналы таймера по отдельно-

му каналу, что, конечно, усложняет и удорожает систему свя-

зи. Для модуляционных кодов, показанных на рис. 2.36,д,е,ж,

сигнал таймера включен в их структуру: это коды с внутрен-

ней синхронизацией. В коде «Манчестер» каждый бит данных

передается двумя символами, только бит, соответствующий «0»

начинается с минимального уровня сигнала, а заканчивается

38 39

процедура дискретизации

и квантования сигнала

... ...

дискретная выборка сигнала

и ее ци

фр

овая оценка

... ...

2 2

представление цифровых оценок

сигнала в двоичной

ме

... ...

0010

0000

0111

0101

1100

0101

0010

Рис.2.34

еальный сигнал

u(t)