Урядов В.Н. Волоконно-оптические системы передачи
Подождите немного. Документ загружается.
Рис. 4.2. Формы пучка излучения СИД с поверхностным излучателем (а) и с
торцевым излучателем (б).
Зависимость между током и мощностью оптического излучения в СИД, как
видно из формулы (4.1), при постоянном η
spon
носит линейный характер.
Практически с увеличением тока инжекции из-за возрастания безызлучательной
рекомбинации возникает нелинейность в виде выпуклости, которая особенно
заметна в GalnAsP СИД. Причиной нелинейности являются следующие механизмы
безызлучательной рекомбинации: 1) рекомбинация на границе раздела
гетеропереходов, 2) утечка (просачивание) инжектированных зарядов через
гетеробарьер, 3) оже-рекомбинация. В частности, в GalnAsP СИД ширина
запрещенной зоны
небольшая и значителен эффект Оже. Этот эффект возрастает
пропорционально квадрату концентрации носителей, поэтому даже в Al'GaAs СИД
с уровнем легирования, большим 5-10
18
см~
3
, он станет весьма значительным, что
приведет к резкому уменьшению КПД светового излучения.
4.3. Эффективность связи с волоконным световодом
Спонтанное оптическое излучение СИД является изотропным.Пучок света,
исходящий из поверхностного излучателя, как видно из рис. 4.2, а, имеет форму
(картину поля в дальней зоне), расширяющуюся в плоскости, и для заданного угла
б
(угол между данной точкой и нормалью к светоизлучающей поверхности) может
быть приближенно представлен косинусоидальной зависимостью, как в законе
Ламберта. Интенсивность падает вдвое при угле 120°. При таких больших углах
расходимости эффективность связи с волоконным световодом мала.
Рис. 4.3. Расчетные значения потерь при непосредственной связи СИД с
оптическим волокном: А — СИД с поверхностным излучателем; Б — СИД с
торцевым излучателем.
Поэтому при мощности оптического излучения 2—5 мВт ввод в волокно даже
при использовании линз оказывается порядка 100—300 мкВт.
Так как в СИД с поверхностным излучателем имеет место непосредственное
оптическое излучение, то никаких проблем, связанных с вторичным поглощением в
активном слое, здесь не возникает. Однако из-за большого угла излучения
заметную роль приобретает составляющая
, обусловленная полным отражением от
границы раздела с кристаллом (критический угол около 17°). Потери,
обусловленные френелевским отражением, также имеют место. В результате
значение η
ех
теоретически приближается к 3%.
В СИД с торцевым излучателем в направлениях, лежащих в плоскости
перехода, как показано на рис. 4.2, б, имеет место расширение пучка излучения в
соответствии с законом Ламберта. Вертикальное направление определяется
распределением поперечных мод, поэтому угол излучения оказывается
сравнительно небольшим. В связи с этим потери связи с волоконным световодом
у
СИД с торцевым излучателем оказываются на несколько децибел меньше по
сравнению с СИД с поверхностным излучателем, как это показано на рис. 4.3.
Однако абсолютные значения мощности оптического излучения, вводимые внутрь
волоконного световода, оказываются небольшими, порядка 1—2 мВт, т. е. того же
порядка, что и у СИД с поверхностным излучателем.
Потери связи СИД
с волоконным световодом, как видно из рис. 4.3,
снижаются пропорционально квадрату числовой апертуры оптического волокна.
Поэтому в оптических системах передачи с использованием СИД применяется
оптическое волокно с большой числовой апертурой.
Если в СИД с поверхностным излучателем диаметр D
1
источника оптического
излучения будет больше диаметра D
f
сердцевины оптического волокна, то потери
связи будут расти пропорционально (D
f
/D
1
)*, поэтому оптимальным является
D
1
≤D
f
. Кроме того, эффективность связи можно улучшить путем использования
линз. Если диаметр источника оптического излучения сделать меньше диаметра
сердцевины оптического
Рис. 4.4. Типы СИД с линзами: 1— оптическое волокно; 2 — линза из InР; 3 —
область оптического излучения; 4 — сферическая линза; 5 — эпоксидная смола.
волокна, использовать линзу с кратностью увеличения М = D
f
/D
1
и увеличить
диаметр светового пучка до диаметра сердцевины, то эффективность связи
окажется максимальной и приближенно будет представляться следующими
выражениями:
η
f =
M
2
·NA
2
(волокно со ступенчато-изменяющимся показателем преломления)
η
f =
2
1
M
2
·NA
2
(волокно с распределенным показателем преломления).
Так как M=l соответствует случаю отсутствия линзы, то из вышеприведенных
формул видно, что эффективность связи возрастает пропорционально квадрату
кратности увеличения линзы. На рис. 4.4, а и б приведены конструкции СИД, в
которых используется вышеописанный линзовый эффект.
Таким образом, с точки зрения оптической связи желательно иметь СИД с
небольшим диаметром источника оптического излучения.
4.4. Ширина спектральной полосы
Если предположить, что в распределении инжектированных носителей внутри
энергетической зоны наибольший вклад в излучение СИД вносят носители в
энергетической полосе шириной 3kT, тогда полная ширина спектральной полосы
на полувысоте будет иметь вид
(4.4)
где h — постоянная Планка, k — постоянная Больцмана, Т — абсолютная
температура.
Рис. 4.5. Зависимость ширины спектральной полосы Δλ, на полувысоте от
длины волны λ (сплошная линия соответствует расчетным значениям).
Рис. 4.6. Модуляционная характеристика СИД. Ось ординат соответствует
значениям |L
m
(ω)/L
m
(0) | в децибелах.
На рис. 4.5 представлена зависимость между шириной спектральной полосы и
длиной волны излучения, при этом сплошной линией представлена кривая,
рассчитанная по вышеприведенной формуле. Как видно из рисунка, данные расчета
λи эксперимента совпадают. Так, для GalnAsP СИД на длине волны 1,3 мкм
составляет 100—110 нм, а для AlGaAs СИД на длине волны 0,85 мкм
,
оказывается равной 30—45 нм.
4.5. Модуляционная характеристика
Модуляция интенсивности излучения в СИД осуществляется путем модуляции
тока инжекции, причем полоса модуляции ограничивается временем жизни
инжектированных носителей. Промодулированная мощность оптического
излучения описывается следующим выражением:
(4.5)
На рис. 4.6 приведена модуляционная характеристика СИД. Полоса модуляции
обычно определяется по частоте, на которой обнаружительная способность
(~L
2
m
(ω)/(L
z
m
(0) уменьшается вдвое, другими словами, когда имеет место
следующее соотношение:
(4.6)
При модуляции на частоте, превышающей
с
, концентрация носителей в
активном слое меняется не только в зависимости от времени жизни носителей т
s
,
поэтому модуляционная чувствительность, как показано на рис. 4.6, будет падать.
Далее, следует обратить внимание на то, что в соответствии с вышеприведенной
формулой полоса модуляции определяется влиянием двух составляющих:
излучательной и безызлучательной рекомбинациями.
Составляющая излучательной рекомбинации 1/
г
пропорциональна сумме
концентраций легирующей примеси р
0
и инжектированных носителей n и
выражается следующей формулой:
(4.7)
где В — коэффициент рекомбинации.
Если здесь положить n = τ
r
J/ed, то время жизни τ
r
можно представить как
функцию концентрации легирующей примеси p
0
и плотности тока инжекции J:
(4.8)
В активном слое n-типа вместо р
0
в этой формуле будет n
0
.
При незначительной безызлучательной рекомбинации полоса модуляции
определяется формулой (4.8), т. е. она является функцией р
0
, J и d. Значение В
определяется экспериментально и оказывается равным 5·10
-11
- -2·10
-10
см-3
/с. На рис.
4.7 приведены рассчитанные полосы модуляции при B=10
-10
см
3
/с. При небольшой
концентрации примесей в активном слое полоса модуляции возрастает
пропорционально
J/d. В этом случае f
с
приближенно определяется выражением
(4.9)
Для обеспечения быстродействия следует либо увеличивать ток инжекции,
либо уменьшать толщину активного слоя СИД. Однако плотность тока J из-за
теплового излучения обычно не превышает 15 кА/см
2
. Это значение в СИД с
диаметром источника излучения 50 мкм и толщиной d=l мкм соответствует току
I≈300 мА. Частота f
с
при этом равна 50 МГц.
С другой стороны, при высокой концентрации примеси полоса модуляции
расширяется. В этом случае, как видно из рис. 4.7, зависимость f
c
от J/d исчезает и
f
c
≈ (B/2π)p
0
. На рис. 4.8 показана зависимость между f
c
и концентрацией примеси.
Если концентрация примеси р
0
≥10
19
см
-3
, то быстродействие СИД может достичь
частот порядка нескольких сотен МГц.
Рис. 4.7. Зависимость полосы модуляции от плотности тока инжекции.
Пунктирная кривая получена на основании формулы (4.9): В=10
-10
cм
3
/с; d —
толщина активного слоя; диаметр источника излучения 50 мкм.
Рис. 4.8. Зависимость полосы модуляции от концентрации примеси р
0
(J/d=5
кА/см
2
/мкм; пунктирная линия построена по приближенной формуле f
с
=(В/2π)р
0
).
Однако с повышением концентрации примеси возникают проблемы,
связанные с резким возрастанием безызлучательной рекомбинации и уменьшением
КПД источника излучения. Имеется сообщение о том, что при использовании Ge в
качестве примеси значение произведения f
с
·η
spon
, которое может быть названо
показателем добротности, достигает максимума при концентрации примеси 3-
10
18
см
-3
.
Приведенная на рис. 4.9 зависимость максимальной мощности излучения от
полосы модуляции для реальных СИД с поверхностными излучателями
показывает, что в быстродействующих диодах с увеличением полосы мощность
излучения резко падает. Поскольку в СИД и эффективность связи с волокном также
оказывается низкой, то стремление иметь по возможности большую мощность
излучения, приводит к изготовлению
таких диодов, в которых f
e
составляет
несколько десятков мегагерц.
Рис. 4.9. Зависимость между максимальной мощностью излучения L, мвт и
полосой модуляции f
c
, МГц (I= 300 мА, D
1
=50 мкм).
5. ОПТИЧЕСКИЕ ПЕРЕДАЮЩИЕ МОДУЛИ [1, 5, 13, 15, 20]
5.1 Оптические передающие модули цифровых ВОСП
Передающий модуль является составной частью линейного тракта ВОСП. В нем
происходит преобразование электрического сигнала в оптический. K передающим
оптическим модулям предъявляется ряд требований, характеризующих их работу:
1. Эффективное преобразование электрического сигнала в оптический.
2. Стабильная работа схемы при воздействии внешних
дестабилизирующих факторов и деградации характеристик излучающего элемента.
3. Доступность элементной базы.
4. Простота и надежность схемы.
Передатчики на светодиодах отличаются простотой, так как зависимость
мощности выходного излучения от тока возбуждения световода практически
линейна и мало изменяется во времени. Поэтому в передатчиках на СД как правило
отсутствуют сложные схемы стабилизации параметров и возможно применение
простых импульсных схем (ключей, триггера Шмидта и т. д.) для накачки светодиода
током с заданной амплитудой.
При реализации передающих модулей на полупроводниковых лазерах
необходимо применять различные схемы автоматического управления лазера для
стабилизации его параметров, отличающихся различной степенью сложности, причем
во все случаях требуются какие-то средства контроля выходных характеристик прибора.
При разработке структурной схемы ПОМ необходимо рассмотреть несколько
вариантов построения передающих оптических модулей и выбрать наиболее
оптимальный. Известны следующие основные схемы.
Схема, стабилизирующая среднюю мощность излучения представлена на рис.
5.1. Она состоит из импульсного модулятора (ИМ), регулируемого генератора тока
(РГТ), интегратора, нагрузки фотодетектора (R
н
), дифференциального усилителя (ДУ),
сравнивающего сигнал управления с опорным значением (U
оп
). Принцип ее работы
основан на поддержании средней мощности излучения путем регулировки тока смещения
(I
см
) лазера.
Рис. 5.1
На рис. 5.2 показаны энергетические характеристики лазерного диода при
различных температурах
Рис. 5.2
I
п2
P
I
п1
I
T
1
T
2
>T
1
R
н
U
ИМ
ДУ
- +
РГТ
U
оп
Из рисунка видно, что с ростом температуры характеристика лазерного
диода смещается. При этом возрастает пороговый ток и практически не изменяется
наклон рабочего участка.
Другим дестабилизирующим фактором является деградация параметров
лазерного диода при его старении, которая приводит к изменению наклона рабочего
участка.
При этом для поддержания постоянства разности пиковой и остаточной мощностей
требуется регулировать импульсный ток накачки.
Рис. 5.3
На рис. 5.3 изменение характеристики лазерного диода при его старении
показано упрощенно без учета неизбежного при этом изменения порогового тока.
Достоинства:
• простота;
• не требует быстродействующего фотодиода в цепи обратной связи;
• устойчивость схемы (поскольку в схеме имеется одна петля обратной связи).
Недостатки:
• может быть использована только при сбалансированных линейных кодах
(у которых постоянная составляющая колеблется в небольших пределах);
• при пропадании сигнала возможно подача на вход лазера тока, значение
которого больше допустимого;
I
п2
P
остаточная
T
2
>T
1
T
1
деградация
пиковая
I
п1
I
• отсутствие стабилизации импульсной мощности приводит к
необходимости использовать большой первоначальный импульсный
ток накачки (I
н
).
На рис. 5.4 показана схема стабилизации смещения вблизи порога.
Рис 5.4
В этой схеме первый интегратор определяет среднее значение входного
сигнала. Второй интегратор определяет среднее значение сигнала, снятого с
оптического детектора. Разность напряжений, полученная на выходе операционного
усилителя, поступает на регулируемый генератор тока, который поддерживает ток
смещения лазера в предпороговом режиме.
Достоинства:
• простота;
• не требует быстродействующего фотодетектора обратной связи;
• при пропадании входного сигнала схема излучает мощность,
соответствующую предпороговому режиму;
• устойчивость схемы;
• используется при любых кодах и форматах кода;
• отсутствуют скачки оптической мощности при пропадании сигнала на
входе.
Недостатки:
• не регулируется импульсная мощность.
ИМ РГТ
1
2
-
+