Урядов В.Н. Компоненты волоконно-оптических систем передачи. Конспект лекций

Подождите немного. Документ загружается.

центральной длине волны. Для многомодовых разветвителей измерения проводятся

с равновесным модовым наполнением (EMF).

Избыточные вносимые потери. В оптическом волноводном разветвителе

избыточные вносимые потери — это оптические потери, ассоциируемые с той

порцией света, которая не излучается из номинально функционирующих портов

данного устройства.

Однородность. Однородность является мерой того, насколько выходная

мощность равномерно распределена между выходными портами разветвителя.

Понятие однородности применяется к разветвителям с номинально равными

коэффициентами разветвления и определяется как разность между максимальными

и минимальными вносимыми потерями, оцененная на множестве всех выходных

портов рассматриваемого разветвителя и выраженная в дБ. Однородность задается

типовым значением для полосы пропускания в целом. Дополнительные

рассуждения относительно однородности приведены в разд. 2.3.9.

Telcordia определяет однородность

как максимальную вариацию вносимых

потерь между одним входным портом i и любыми двумя выходными портами j и к,

или между входными портами j и к и одним выходным портом i.

Элементы ветвления, которые предполагается использовать в цифровых

системах, работающих на скоростях до 10 Гбит/с, должны иметь следующую

однородность:

,log8,0

NL ≤Δ

где N — число портов разветвителя.

Для систем АМ-ЧПБП однородность определяется так:

.log5,0

NL ≤Δ

Однородность особенно важна для систем DWDM и АМ-ЧПБП.

Направленность, возвратные потери, отражательная способность. Направ-

ленность является отношением оптической мощности, поступающей на входной

порт, к оптической мощности, возвращенной с любого другого входного порта.

Направленность понимается как степень изоляции на ближнем конце, или

перекрестная помеха на ближнем конце. Возвратные потери являются отношением

оптической мощности, поступающей на входной порт, к оптической мощности,

возвращенной с того же входного порта. Как направленность, так и возвратные

потери, выражаются в дБ (положительные значения) и измеряются при условии, что

все выходные порты оптически терминированы (заглушены). Отражательная

способность численно равна возвратным потерям, но имеет противоположный знак.

Во многих случаях отражательная способность и возвратные потери используются

как синонимы. Минимальные значения направленности и возвратных потерь

являются теми нижними пределами, которые распространяются на весь диапазон

длин волн, определенный в полосе пропускания. Дополнительные рассуждения

относительно отражательной способности приведены в разд. 2.3.3.

2.5.5. Звездообразные и направленные разветвители/элементы ветвления —

дополнительное обсуждение

Звездообразныеразветвители имеют больше четырех портов. Существуют два

типа таких разветвителей: звездообразный разветвитель передающего типа и

звездообразный разветвитель отражающего типа. Звездообразный разветвитель

передающего типа показан на рис. 2.12.

Рис. 2.12. Звездообразный разветвитель передающего типа.

Световой поток, поступающий на один из входных портов звездообразного

разветвителя передающего типа, разветвляется на все выходные порты равномерно.

Например, на рис. 2.12, свет, поступающий на входной порт Е, разветвляется на

выходные порты G, H, I, J, К и L.

Рис. 2.13.Звездообразный разветвитель отражающего типа. Напоминает архитектуру

звезды пассивной ЛВС.

Существуют направленные ответвители с топологией дерева и ветви с

коэффициентом расщепления 1 х N, 2 х 2. Направленность достигается с одним

основным портом ввода-вывода и двумя ответвленными портами ввода-вывода.

Основное волокно (ствол дерева) может передавать оптическую мощность в двух

направлениях. Ответвленные порты при этом являются однонаправленными —

оптическая мощность направляется в них к основному или от основного волокна. На

рис. 2.13. показан звездообразный разветвитель отражающего типа.

2.6. Оптические аттенюаторы

Аттенюатор — устройство, которое уменьшает интенсивность светового сигнала,

прошедшего через него. Аттенюаторы часто используются в качестве звена в схеме

после лазерного передатчика, чтобы согласовать его выходную мощность с уровнем,

требуемым следующими за ним в этой схеме устройствами, такими как усилители

EDFA. Нужно тщательно выбирать тип аттенюаторов так, чтобы они имели отличные

параметры возвратных потерь (их уровень д. б. > 40 дБ), чтобы быть уверенным, что

уровень света, отражаемого обратно в направлении передатчика, будет очень низок.

Другими ключевыми параметрами аттенюаторов являются:

• стабильность;

• надежность;

• оптические возвратные потери (ORL);

• потери, зависящие от поляризации (PDL);

• точность;

• повторяемость;

• вносимые потери;

• поляризационная модовая дисперсия (PMD).

Одно из наиболее простых применений — короткие оптоволоконные секции, где

уровень интенсивности света настолько высок, что выходит за границы динамического

диапазона детектора света (приемника). В такой схеме можно поставить аттенюатор, для

уменьшения интенсивности света до уровня, соответствующего динамическому

диапазону используемого приемника.

Другим примером является применение аттенюатора в системах WDM, где

мощность каждого канала подстраивается так, чтобы обеспечить плоскую спектральную

характеристику светового сигнала, поступающего на первый в линии усилитель EDFA.

Следовательно, плоская спектральная характеристика в пределах ширины полосы канала

также является ключевым параметром аттенюатора.

Существуют оптические аттенюаторы с переменным (VOA) и фиксированным

коэффициентом ослабления, иногда называемые демпфирующими прокладками.

2.6.1. Основные рабочие параметры аттенюаторов

Допуск на вносимые потери должен быть не больше, чем ±15%. Для аттенюаторов с

фиксированным коэффициентом ослабления обычно используется следующий ряд

коэффициентов ослабления (вносимых потерь): 3, 5, 10, 15, 20, 25, 30 дБ. Значение

оптической отражательной способности должно, максимально, быть на уровне —40 дБ.

Диапазон рабочих длин волн аттенюаторов должен составлять, максимально, от 1360 до

1580 нм, минимально — от 1260 до 1480 нм. Типичная ширина полосы рабочих длин

волн составляет 1310-1580 нм. Уровень потерь аттенюаторов, зависящий от поляризации

(PMD), не должен быть выше 0,3 дБ.

2.7. Изоляторы

Изоляторы — устройства, для которых потери света малы при распространении в

одном направлении и велики в противоположном направлении. Изоляторы обычно

устанавливают в выходных схемах устройств с высоким уровнем интенсивности света,

таких как передатчики на лазерных диодах и усилители EDFA. Их функция —

уменьшить уровень сигнала, отраженного назад в используемый лазерный диод или

усилитель EDFA.

Характеристики изолятора определяются следующими критическими

параметрами:

• спектральной зависимостью, особенно для так называемых узкополосных

изоляторов, которые проектируются для работы в спектральном диапазоне уже, чем 20

нм. Изоляторы описываются пиком ослабления обратного излучения и шириной

полосы, лежащей в области 3 дБ ослабления уровня изоляции от максимума этого

пика.

• малым уровнем вносимых потерь, < 1 дБ в прямом направлении, и большим

уровнем потерь в обратном направлении: больше 35 дБ (при одноступенчатой

изоляции) и 60 дБ (при двухступенчатой изоляции), и слабой зависимостью от

поляризации.

• поляризационной модовой дисперсией (PMD). Изоляторы обычно про-

ектируются на основе использования элементов с высоким уровнем двойного

лучепреломления, а они весьма склонны к высокому уровню PMD (типичное

значение — 50-100 фс, 1фс = Ю

-15

с), в особенности для одноступенчатого

изолятора. Двухступенчатые изоляторы могут быть спроектированы так, что PMD,

вносимая первой ступенью, во многом компенсируется второй ступенью.

• потерями, зависящими от поляризации (PDL). Они ухудшают характеристики

оптического изолятора.

В общем случае при проектировании изоляторов используют эффект Фарадея.

Он управляет вращением плоскости поляризации оптического луча в присутствии

магнитного поля. Это вращение происходит в том же направлении, что и

направление распространение света, параллельно или антипараллельно

направлению магнитного поля. Оптический изолятор состоит из цилиндрического

стержня из материала с эффектом Фарадея, такого как железоиттриевый гранат

(YIG), длина которого выбирается так, чтобы обеспечить вращение на 45°. Этот

цилиндрический стержень помещается между двумя поляризаторами, чьи оси

скрещены на 45° относительно друг друга. Свет, распространяющийся в одном

направлении, проходит через второй поляризатор благодаря эффекту Фарадея. В

отличие от этого, свет, распространяющийся в противоположном направлении,

блокируется первым поляризатором. Уровень изоляции должен быть больше, чем 30

дБ. Отражательная способность оптического изолятора должна быть на уровне 40 дБ

и выше.

2.8. Волоконно-оптические фильтры

Оптические фильтры используют механизм селекции длин волн и могут быть

грубо разделены на две большие категории в зависимости от того, какой физический

механизм положен в их основу: оптической интерференции или дифракции.

Существуют фильтры, рассчитанные на выделение фиксированной длины волны, и

настраиваемые фильтры. Для настраиваемых фильтров желательно иметь

следующие свойства:

• широкий диапазон настройки для максимизации числа каналов, которые

могут быть выбраны;

• незначительные перекрестные помехи, чтобы избежать помех от соседних

каналов;

• быстрая настройка для минимизации времени доступа;

• малые вносимые потери.

Фильтры выполняют исключительно важную роль в оборудовании WDM/

DWDM на стороне демультиплексора. Стандарт ITU-T G.671 рекомендует

следующие значения параметров фильтров:

Вносимые потери: максимум 1,5 дБ в полосе пропускания; Вносимые

потери: минимум 40 дБ в полосе задерживания; Оптическая отражательная

способность: —40 дБ.

2.9. Оптические кроссы, коммутационные панели и оптические коммутаторы

Коммутационные панели как устройства чрезвычайно просты. Это пассивные

панели, которые имеют набор адаптеров (розеток), для соединения с помощью

кабелей и их разъединения. Большинство коммутационных панелей допускает

возможность подсоединения кабелей с двух сторон, что позволяет достичь большей

гибкости при реконфигурации оптических кабелей. Другие коммутационные панели

обеспечивают управление кабельным хозяйством, так чтобы сохранить в должном

порядке вариант маршрутизации и расположение кабелей.

Коммутационные панели используются также как схемы точек доступа для

тестирования и поиска неисправностей. Они используются для реконфигурации

оборудования. Если, например, оборудование, или устройство, вышло из строя, то

надлежащим образом скоммутированная панель позволяет персоналу легко

перенаправить поток с пострадавшего соединения на резервное или на другое

оборудование.

Распределительные блоки и шкафы аналогичны коммутационным панелям и

отличаются только тем, что имеют дополнительное пространство и позволяют

организовать раскладку волокна. Всегда рекомендуется оставлять некоторый

технологический запас волокна. Этот запас может пригодиться, если придется

изменить схему соединения. Распределительные блоки обеспечивают место для

хранения этого запаса волокна в виде достаточно большой бухты кабеля.

Кроссы, или кросс-соединители//кросс-коммутаторы, существуют в нескольких

модификациях. Некоторые техники и полевые инженеры используют термин кросс

как синоним коммутационной панели, в которой все операции осуществляются

вручную. Мы определим кросс как синоним переключателя световой волны (то есть

как синоним кроссс-коммутатора).

Основная цель кросс-коммутатора в сети — реорганизовать звенья связи. Они

выполняют изменение маршрута сигнала и используются для конфигурации

маршрута или восстановления звена связи. Эти коммутаторы автоматически

работают в оптической области, будучи сконфигурированы какими-то

управляющими воздействиями. Они используются также в оптических

мультиплексорах ввода-вывода. Кроме того они могут быть использованы в

оптических маршрутизаторах, осуществляющих маршрутизацию в зависимости от

длины волны. Ключевыми параметрами, определяющими показатели коммутаторов

и, следовательно, их пригодность для тех или иных приложений, являются:

• вносимые потери и потери на разветвление;

• возвратные потери;

• потери, зависящие от поляризации;

• перекрестные помехи и уровень изоляции;

• надежность;

• время переключения;

• стабильность;

• степень сложности.

В табл. 2.3 перечислены значения параметров передачи для оптических

коммутаторов, они взяты из стандарта ITU-T G.671.

Таблица 2.3. Параметры передачи, рекомендуемые для оптических коммутаторов.

Двойные значения (а//b) приведены: а — для медленных коммутаторов, b —

для быстрых коммутаторов

Рассматривается величина 25 дБ, решение зависит от согласованного

определения перекрестной помехи

3. Полупроводниковые лазеры

3.1. Гомоструктурный переход и полупроводниковые лазеры

Если к pn-переходу полупроводника приложить прямое напряжение

(напряжение в прямом направлении)

VR, то в р-область будет происходить инжекция

электронов, а в n-область — инжекция дырок. Эти инжектированные неосновные

носители, встречаясь с основными носителями, будут рекомбинировать, излучая

свет длиной волны, соответствующей энергетической ширине запрещенной зоны Е

Так как в этом случае концентрация неосновных носителей уменьшается в ехр(—

x/L

) раз (где La — диффузионная длина), то ширина области светового излучения

достигает порядка диффузионной длины, т. е. нескольких микрометров. Поскольку

диффузионная длина электрона много больше диффузионной длины дырки, то

световое излучение возникает в основном в р-области. Поэтому прибор,

использующий pn-переход полупроводника шириной, равной ширине запрещенной

зоны, называют полупроводниковым лазером с гомоструктурным переходом.

Работа полупроводникового лазера на кристалле из GaAs впервые наблюдалась

в 1962 г. Это был гомолазер, изготовленный при помощи диффузии акцепторной

примеси в кристалле GaAs. В этой конструкции инжектированные носители зани-

мают область ограниченную диффузионной длиной, малую по сравнению с

областью распространения светоизлучения в кристалле. Вследствие чего

эффективное взаимодействие со светом затрудняется. Пороговое значение

плотности тока оказывается высоким (более 50 кА/см

), и из-за выделения тепла на

постоянном токе при комнатной температуре лазерная генерация не возникает.

Такой лазер обычно не работает в непрерывном режиме.

Практическая реализация непрерывного режима работы полупроводникового

лазера при комнатной температуре впервые была достигнута в США в «Белл

лаборатриз» докторами И. Хаяси и М. Б. Панишем в 1970 г. Был изготовлен лазер на

двойной гетероетруктуре Al

Gai-

As и GaAs с различной шириной запрещенной

зоны, что позволило уменьшить пороговую-плотность тока при комнатной

температуре до 1,6 кА/см

*'.

Одновременно с этим достижением удалось снизить потери-при передаче света

по оптическому волокну с нескольких сот дБ/км до 20 дБ/км. Поскольку диапазон

длин волн излучения AlGaAs/GaAs-лазера около 0,8 мкм совпадает с диапазоном

длин волн высокоэффективного кремниевого фотоприемника излучения, то

неожиданно стала реальной задача практической реализации системы оптической

связи, объединяющей в себе полупроводниковые лазеры, оптическое волокно и

кремниевые фотоприемники.

__________________

* Снижение порогового тока в гетеролазерах достигается за счет кана-

лирования инжектированных носителей в узкой области, ограниченной по-

тенциальными барьерами гетероструктуры, а также за счет каналирования

спонтанного излучения в этой же области под действием волноводного эффекта,

возникающего из-за различия в показателях преломления материалов

гетероструктуры (см. далее раздел 3.2).

В настоящее время многие исследовательские центры в различных странах

мира ведут исследования и разработки полупроводниковых лазерных источников

светового излучения для оптической связи, результат которых уже сейчас отмечен

стремительным прогрессом в этой области. В последнее время помимо оптической

связи ведутся многочисленные исследования лазеров видимой области спектра для

лазерных запоминающих устройств на дисках, лазерных печатающих устройств и т.

д.

3.2. Лазеры на двойной гетероетруктуре

Двойная гетероструктура, как это видно на примере GaInAsP/InP-лазера,

представляет собой два слоя GalnP с узкой шириной запрещенной зоны, раз-

деленных слоем InP с большей шириной запрещенной зоны. Лазерное усиление

возникает в GaInAsP-слое, который называется активным слоем (активной средой),

а InP-слой называется обычно слоем покрытия (материалом покрытия). Если в

активном слое четырехкомпонентного GaxIni-^AsyP^y полупроводникового

кристалла путем изменения соотношения Ga (x) и As (у) осуществить согласование

постоянной решетки с кристаллом InP, то оказывается возможным в широких

пределах изменять ширину запрещенной зоны Е

. Длина волны излучения

полупроводникового лазера Я, приближенно определяется шириной запрещенной

зоны E

кристалла активного слоя

()

2398,1

эВЕ

мкм

(3.1)

Длины волн излучения GaInAsP/InP-лазера лежат в области 1,3—1,67 мкм.

Так как в AUGai-xAs/GaAs-лазере при увеличении составляющей алюминия х

увеличивается ширина запрещенной зоны, то слой AlGaA's с небольшим значением

х берут в качестве активного слоя, а слой AlGaAs с большим значением х—в качест-

ве слоя покрытия. Длины волн излучения лазера по мере увеличения значения х

активного слоя смещаются в область коротких волн. Однако поскольку при х≥0,45

запрещенная зона становится непрямой, то лазерное излучение прекращается. Так

как обычно в области длин волн, меньших 0,8 мкм, возникает ухудшение

характеристик, то практической областью длин волн излучения лазера считается

область длин волн 0,75—0,88 мкм.

В приведенном примере активный слой GalnAsP расположен между

поверхностями гетероперехода, состоящего из InP. На рис. 3.1 показана структура

энергетических зон. Так как на поверхности гетероперехода возникает гетеробарьер

с энергией АЕ, равной разности энергетической ширины запрещенных зон, то этот

гетеропереход будет препятствовать проникновению инжектированных носителей в

слой покрытия. Это явление называется эффектом удержания носителей.

Обычно коэффициент преломления полупроводников для света с энергией,

меньшей энергетической ширины запрещенной зоны, монотонно уменьшается с

увеличением длины волны. Поэтому, если рассматривать длины волн излучения

лазера, коэффициент преломления в слое покрытия с большой шириной

запрещенной зоны оказывается меньше коэффициента преломления активного слоя

и на границах гетероперехода возникает разность An в коэффициенте преломления

(рис. 3.1,6). Так как свет концентрируется в месте с более высоким коэффициентом

преломления, то, как видно из рис. 3.1, в, он будет заключен внутри активного слоя.

Это явление называется эффектом удержания света.

Рис. 3.1 Структура энергетических зон гетероперехода: а — инжекция элек-

тронов и дырок в активный слой; б—распределение коэффициента преломления; в

— распределение светового излучения;

Поскольку при использовании двойной гетероструктуры свет и носители

удерживаются в активном слое и эффективно взаимодействуют, то оказывается

возможным получение полупроводникового лазера с низким пороговым значением

тока.

При низком гетеробарьере из-за проникновения носителей возникает

ухудшение температурной характеристики порогового значения тока. В

AlGaAs/GaAs-лазере необходимо иметь значение ΔЕ>0,3 эВ.

Структуру, в которой гетеропереход имеется только с одной стороны активного

слоя, называют просто гетероструктурой.

3.3. Порог генерации и КПД полупроводникового лазера

Выведем формулы для порога генерации и КПД полупроводникового лазера.

Так как активный слой представляет собой диэлектрический световод, то толщина

активного слоя d, при ко-

Рис. 3.2. Резонатор полупроводникового лазера

торой имеет место распространение только одной поперечно» моды, должна

удовлетворять условию

(3.2)

где Δ — относительная разность коэффициентов преломления Δ=(n

—

)/(2n

). Значение d, при которой имеет место только одна поперечная мода, в

случае λ= 1,55 мкм, n

= 3,54, Δ=0,1 оказывается менее 0,5 мкм.

Условие возникновения генерации оптического лазера является условием

равенства оптического усиления потерям энергии, при однократном прохождении

света туда и обратно между двумя отражающими гранями резонатора (рис. 3.2) и

представляется в виде

(3.3)

где g

— коэффициент усиления активного слоя, необходимый для лазерной

генерации, £ — коэффициент удержания света, представляющий собой отношение

энергии, заключенной внутри активного слоя, к оптическому выходу поперечной

моды. Произведение g·£ называется коэффициентом усиления моды. l — длина

резонатора, R

и R

— коэффициенты отражения or граней резонатора, а — потери

на поглощение внутри резонатора.

(

)

11/1 RRnl называются потерями на отражение

и соответствуют величине оптического выхода лазера во внешнее пространство.

Используя коэффициент поглощения а

ас

активного слоя и коэффициент поглощения

слоя покрытия, получаем следующее значение для потерь моды:

(3.4)

Коэффициент усиления g возрастает пропорционально концентрации носителей

N в активном слое и, если коэффициент пропорциональности обозначить через А

имеет вид

(3.5)