«Волоконная оптика и линии связи» (Код М.1.В.02.)

1. Корпорация «РОСНАНО» ИРЭ-Полюс МГТУ МИРЭА «Волоконная оптика и линии связи»(Код М.1.В.02.) Курс лекций УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ СЛУШАТЕЛЕЙ Выполнено по направлению подготовки магистров 200400.68 «Оптотехника», утвержденным Министерством образования и науки Российской Федерации (приказ от 20 мая 2010 г. № 544). Входит в «Общенаучный цикл. Вариативная часть». Москва 2012

2. Содержание • Принципы построения телекоммуникационной системы • Классификация систем волоконно-оптической связи • Ключевая компонентная база современных систем ВОС • Устройства линейного тракта ВОСП

3. Цель изучения дисциплины • Получение следующих профессиональных компетенций: • представленийо требованиях, предъявляемых к современным аналоговым и цифровым волоконно-оптическим системам передачи (ВОСП) и основным телекоммуникационным стандартах, регламентирующих их работу; • знанийтеоретических и практических вопросов разработки, исследования и применения современных цифровых и аналоговых ВОСП, вопросов организации технической эксплуатации и управления современной транспортной ВОСП; • уменийкомпьютерного проектирования приемо-передающей аппаратуры цифровых и аналоговых ВОСП для телекоммуникационных применений и расчета их основных параметров и характеристик; • навыковизмерения основных характеристик приемо-передающей аппаратуры высокоскоростных цифровых и многоканальных аналоговых ВОСП.

4. Обобщенная структурная схема связи • Для достоверного приема сигнала в пункте получения информации телекоммуникационная система, содержащая передатчик, среду распространения и приемник, должна вносить минимальные искажения этого сигнала. • Для минимизации искажений: • передача в как можно более естественной форме, т.е. с наименьшим числом преобразований; • частоты носителя сигнала должны адаптироваться к условиям среды передачи; • канал передачи должен быть максимально помехоустойчивый.

5. Источники сигналов • Все виды информации, передаваемые с помощью телекоммуникационных систем, можно условно разделить на две группы: сообщения и данные. • К сообщениям относится информация, воспринимаемая нашими органами чувств. • Сообщениям, в общем, свойственна так называемая избыточность, то есть наличие элементов, несущественных для правильного понимания ее содержания. Эти элементы могут быть отброшены без потери смысла передаваемой информации. • К данным относится информация, передаваемая в виде сообразно выбранных символов, пригодных для машинной обработки. • Их отличительной особенностью является сравнительно слабая избыточность, которая, как правило, вводится искусственно, например, для организации коррекции и/или контроля качества передаваемой информации. • Сообщения и данные, передаваемые по каналу связи, преобразуются передатчиком в непрерывные (аналоговые) либо дискретные (цифровые) электрические сигналы или первичные сигналы электросвязи.

6. Сравнение цифровых и аналоговых систем • Основные достоинства метода представления информации в виде цифровых электрических сигналов состоят в простоте их формирования и регистрации, слабой избыточности и возможности передачи в одном канале разнородной по контенту информации. • Основным недостатком является неэффективность использования частотного ресурса, заключающаяся в необходимости существенного расширения требуемой полосы канала. Количественная оценка степени расширения полосы канала для современных служб электросвязи, полученная на основе проведенного выше рассмотрения, дается в таблице.

7. Классификация телекоммуникационных ВОСП Обычно системы связи, в том числе волоконно-оптические, классифицируют по области применения как локальные ВОСП и связывающие их транспортные ВОСП. Особенностью локальных ВОСП является разветвленность, скорость до 100 Гбит/с и развитая архитектура сетей. В частности, для построения локальных ВОСП широко используются стандартные сетевые топологии: звезда, сетка, кольцо, шина. К характерным особенностям транспортных ВОСП можно отнести: большую протяженность, скорость передачи выше 1 Гбит/с, неразветвленность структуры: соединения типа «точка-точка». Считаю, что для инженеров-разработчиков будет полезной классификация по применяемым схемотехническим решениям, представленная на рисунке.

8. Когерентные ВОСП По способу приема и обработки информации ВОСП можно разделить на два класса: ВОСП прямого детектирования и ВОСП с гетеродинным и гомодинным приемом - так называемые когерентные ВОСП. Базовая структурная схема когерентной ВОСП приведена на рисунке. На передающем конце системы стабильный немодулированный сигнал оптического задающего генератора (ОЗГ) поступает на вход внешнего оптического модулятора (ОМД), в котором при подаче на управляющий вход информационного сигнала будет осуществляться, например, цифровая фазовая (ИКМ-ФМ) или амплитудная (ИКМ-АМ) модуляция. На выходе передатчика желательно ввести оптический усилитель мощности (ОУМ). Для компенсации медленных уходов уровня мощности на выходе передатчика требуется схема автоматической регулировки мощности (АРМ), которая реализуется с помощью оптического гибридного соединения (ОГС). В приемнике сигнал оптического опорного генератора (ООГ), частота которого идентична (гомодинный прием) или отличается на величину находящейся в радиочастотном диапазоне промежуточной частоты (гетеродинный либо интрадинный прием) от частоты передаваемого по ОВС сигнала, смешивается при помощи ОГС, структура которого аналогична ОЗГ передатчика, с принятым оптическим сигналом и подается на вход ПРОМ. Существуют различные схемы демодуляции электрических цифровых сигналов, например, для сигналов с ИКМ-ФМ известны когерентное и автокорреляционное детектирование, с ИКМ-ЧМ — однополосное или двухполосноедетектирование.

9. Когерентные ВОСП Основными преимуществами оптических СКС по сравнению с ВОСПД являются: Повышенная чувствительность приема за счет применения гетеродинного или гомодинного детектирования, помехоустойчивых видов модуляции (ИКМ-ЧМ, ИКМ-ФМ) и когерентных методов демодуляции позволяет увеличить длину регенерационного участка в магистральных системах связи или число отводов в локальных и абонентских сетях. Расчеты показывают, что чувствительность может быть улучшена на 15—20 дБ (см. рисунок). Повышенная пропускная способность, достигаемая за счет применения известного в радиосвязи метода ЧРК в оптическом диапазоне с переносом операций уплотнения и разделения каналов в радиочастотный диапазон, в сочетании с уже используемым в ВОСП методом СРК позволяет реализовывать системы связи со сверхбольшой пропускной способностью • К недостаткам когерентных ВОСП, помимо очевидного усложнения структурной схемы фотоприемного устройства, следует отнести: • значительно более жесткие требования к долговременной и кратковременной стабильности излучения полупроводнико-выхлазеров; • гораздо большая критичность к шумам и искажениям в линейном тракте.

10. Цифровые ВОСП прямого детектирования В современных цифровых ВОСП (ЦВОСП) используются две несовместимые системы цифровой иерархии: более старая плезиохронная (то есть почти синхронная) и более новая синхронная. В качестве базового в обеих из них используется так называемый основной цифровой канал (ОЦК) со скоростью 64 кбит/с, поэтому эффективность и возможности любой ЦВОСП оцениваются числом передаваемых с ее помощью ОЦК. Цифровые иерархии представляют собой многоступенчатую структуру. Понятно, что чем выше ступень иерархии, тем больше организуется каналов, мощнее цифровой поток или тем больше его общая скорость. Рассмотрим вышеуказанные иерархии подробнее. Плезиохронная цифровая иерархия (ПЦИ, иностранная аббревиатура PDH) содержит две системы: Североамериканскую и Европейскую. Основным их отличием является объем ОЦК. Так в североамериканской ПЦИ число ОЦК первой ступени составляет 24 информационных канала, что соответствует скорости 1536 кбит/с. С другой стороны в европейской ПЦИ в качестве первичной принята скорость 2048 кбит/с, что соответствует 30 информационным + 2 служебным ОЦК 64 кбит/с. В частности, в европейской ПЦИ низшей ступенью является Е1, которая также называется первичным цифровым каналом (ПЦК). Вторая ступень Е2 получается за счет объединения четырех потоков Е1. Скорость цифрового потока на выходе этой аппаратуры 8,448 Мбит/с. Для образования следующей ступени Е3 объединяются четыре потока Е2. В результате скорость передачи в линии увеличивается до 34,368 Мбит/с. Четвертая ступень цифровой иерархии Е4 образуется за счет объединения четырех потоков Е3. Скорость на этой ступени составляет 139,264 Мбит/с. Наконец, последняя пятая ступень Е5 образуется за счет объединения четырех потоков Е4. Скорость на этой ступени составляет 564,992 Мбит/с.

11. Цифровые ВОСП прямого детектирования • Растущие общественные потребности выявили недостатки плезиохронной цифровой иерархии. Основными из них являются: • Недостаточно высокая максимальная линейная скорость; • Негибкость функционирования; • Многоступенчатый путь восстановления синхронизации первичных цифровых каналов при нарушении синхронизации группового сигнала. При этом существенно ухудшается время вхождения в синхронизм. • Отсутствие возможности автоматического контроля состояния и управления сетью. • Для оптимизации транспортирования цифровых потоков с различными скоростями предложена синхронная цифровая иерархия (СЦИ) с синхронным способом объединения и разделения цифровых потоков. Основу ее составляет первичный синхронный транспортный модуль STM-1 со скоростью передачи 155,520 Мбит/с. • Принцип формирования иерархической лестницы СЦИ соответствует ПЦИ. В настоящее время СЦИ содержит пять уровней, приведенных в таблице.

12. Аналоговые ВОСП прямого детектирования С точки зрения применяемых схемотехнических решений аналоговые ВОСП (АВОСП) подразделяются на АВОСП для передачи сигналов кабельного телевидения, т.е. широкополосные, с высокими требованиями к линейности, работающие в диапазоне модулирующих частот до 1 ГГц, и АВОСП для передачи СВЧ сигналов, т.е. более узкополосные, работающие в диапазоне модулирующих частот выше 1 ГГц. К ним можно отнести: системы распределения сигналов коллективного приема спутникового телевидения, волоконно-оптические вставки для обеспечения уверенного приема в зоне действия эфирной радиосистемы вещания и связи, оборудование для формирования микросоты в системах сотовой телефонии, а также ВОСП для радиолокационных применений. Аналоговые ВОСП разделяются по способу модуляции радиочастотной поднесущей: с амплитудной модуляцией и частотной модуляцией. Типичная схема распределительной сети системы кабельного телевидения с использованием АВОСП приведена на рисунке. АВОСП с ЧМ применяются в транспортных соединительных линиях, а АВОСП с АМ – в находящейся ближе к абонентам магистральной распределительной сети между местным сетевым узлом (МСУ) и абонентскими станциями (АС).

13. Спектральные характеристики ВОСП различных классов А – цифровая ВОСП с прямым детектированием; Б – многоканальная аналоговая ВОСП с ЧРК; В – многоствольная когерентная ВОСП; Г – ВОСП с спектральным разделением каналов

14. Компонентная база телекоммуникационных ВОСП Далее проводится рассмотрение и анализ принципиальных компонентов ВОСП: излучателей, оптического волокна, фотодетекторов с учетом их характеристик и особенностей применения для цифровых и аналоговых ВОСП

15. Оптическое волокно. Физика работы Факт распространения оптического сигнала в волоконном световоде основывается на законе преломления или законе Снелля: при падении оптического луча на границу двух сред с различной оптической плотностью (т. е. с различными показателями преломления) возникают отраженный и преломленный лучи. При этом справедливо следующее соотношение: где n1 и n2: соответствующие показатели преломления оптических сред, о – угол падения и 1 – угол преломления луча. Из закона Снелля можно определить т.н. критический угол падения луча, при котором возникает полное отражение. 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».

16. Оптическое волокно. Ввод и распространение лучей Лучи, выходящие из точечного источника, вводятся через центральную часть торца световода под определенным углом . Луч преломляется на границе воздух-диэлектрик и падает на границу сердцевина-оболочка под углом о. При достаточно малых углах ввода  луч полностью отражается от этой границы и посредством многократных отражений распространяется внутри сердцевины световода. На рисунке – это луч 1. Такие лучи называют меридиональные. При превышении угла  определенного значения, когда угол остановится меньше критического, появляется преломленный луч 2, и часть энергии выходит в оболочку. Однако угол падения на границу оболочка-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.

17. Оптическое волокно. Модовая структура 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. Число волноводных мод N для однородного двухслойного световода примерно равно: где параметр V называется нормированная рабочая частота и определяется из выражения (λ – длина волны): Типичные характеристики распространения мод в волоконном световоде приведены на рисунке. 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 - V 3,8.

18. Оптическое волокно. Типы и конструкция В зависимости от числа распространяющихся мод волокна можно классифицировать как одномодовые и многомодовые. Число мод определяется диаметром сердцевины. Поперечные сечения наиболее широко применяемых типов волоконных световодов показаны на рисунке. Для характеристики световода большое значение имеет так называемый профиль распределения показателя преломления в поперечном сечении. 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.

19. Оптическое волокно. Типы и конструкция Основными конструктивными 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 рисунке. 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.

20. Оптическое волокно. Ключевые характеристики: потери при передаче Для идеального световода фундаментальное (т.е. теоретическое) затухание определяется ИК и УФ поглощением и рэлеевским рассеянием. 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 в дБ как: 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(дБ/км). Спектральная характеристика затухания для типичного современного одномодового волокна в полосе 1200...1700 нм представлена на рисунке. На кривой затухания видны минимумы, в которых сосредоточена основная деятельность по современным ВОСП. Они называются «окна прозрачности» и в общем 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.

21. Оптическое волокно. Ключевые характеристики: дисперсия Основной причиной ограничения полосы пропускания, приводящей, например, к расширению передаваемых импульсов в цифровых ВОСП, считается явление дисперсии волокна. Дисперсия проявляется в зависимости скорости распространения от частоты. Учесть ее можно введением комплексного показателя преломления: где β – постоянная распространения, α – коэффициент поглощения, ω – угловая частота распространяющейся волны. 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. Известны три вида дисперсии: модовая, хроматическая и так называемая поляризационная модовая дисперсия. Общее значение хроматической дисперсии одномодового световода в различных окнах прозрачности можно определить из рисунка. В окне 0,85 мкм значение дисперсии составляет 100 пс/(нм·км), в окне 1,3 мкм дисперсия близка к нулевой, а в окне 1,55 мкм – около 20 пс/(нм·км).

22. Лазерный излучатель. Физика работы Лазер - это прибор, служащий источником направленного монохроматического когерентного излучения на частоте, лежащей в видимой либо инфракрасной области спектра. 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: где: Еm, Еn – энергетические уровни, между которыми происходит переход; h – постоянная Планка. 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 излучением. Отметим, что процесс хаотического спонтанного излучения существует всегда, а процесс стимулированного излучения – только при инверсии населенностей уровней.

23. Лазерный излучатель. Физика работы Стимулированное излучение усиливается при распространении в активной среде. Для увеличения пути распространения 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 (см. рисунок). • 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: • где R – коэффициент потерь на зеркалах, α - коэффициент усиления света средой, l - длина пути света в среде • вывести энергию из резонатора.

24. Особенности работы полупроводникового лазера для телекоммуникационной ВОСП • Из рассмотренных свойств оптического волокна 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; • 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 8-10 мкм – для одномодового световода); • угловое распределение излучения должно согласовываться 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.

25. Сравнение полупроводниковых лазерных излучателей (ПЛИ) и светодиодов (СИД) Вышеприведенные параметры ограничивают применение СИД в ВОСП системами с низкой пропускной способностью * По полуширине (т.е. полной ширине по уровню 0,5 от максимума)

26. Лазерный излучатель. Структуры и конструкции Поясняющая принцип построения и функционирования конструкция полупроводникового лазерного диода на основе GaAs и его спектральные характеристики представлены на рисунке. 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 (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 1017–1018 1/см3. Чтобы обеспечить электрический контакт, в р- и n-области впаиваются металлические электроды. Роль зеркал играют торцы чипа, сколотого вдоль кристаллографической плоскости. 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. При превышении током некоторого порогового значения диод переходит в лазерный режим, о чем свидетельствует резкое сужение его спектральной характеристики. Для управления его излучением по закону информационного сигнала достаточно просто промодулировать его ток прямого смещения.

27. Лазерный излучатель. Структуры и конструкции Для понимания сложности структуры современного полупроводникового лазера для ВОСП на рисунке показан пример поперечной наноструктуры высокоскоростного лазера с использованием, так называемой многоквантоворазмерной (QW) активной области, полученной методом газофазной эпитаксии (слева указана толщина слоев). С целью оптимального использования в ВОСП различного назначения в настоящее время разработаны самые разнообразные конструкции полупроводниковых лазеров. Три из них приведены на следующем слайде.

28. Лазерный излучатель. Структуры и конструкции С целью оптимального использования в ВОСП различного назначения в настоящее время разработаны самые разнообразные конструкции полупроводниковых лазеров. Две из них приведены на рисунке. Структура, показанная на рис. а, 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. б показана 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 а) б)

29. Лазерный излучатель. Структуры и конструкции Все рассмотренные выше лазерные конструкции по характеру вывода излучения относились к одному и тому же классу: лазеры 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 началось интенсивное развитие поверхностно-излучающих лазерных диодов с вертикальным микрорезонатором (VCSEL), специально предназначенных для применения в локальных сетях различного назначения. Их основными достоинствами являются: 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. Пример поперечной структуры VCSEL для ВОСП второго окна прозрачности представлен на рисунке. 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.

30. Лазерный излучатель. Ключевые параметры: энергетическая характеристика Энергетические характеристики или, как их называют, ватт-амперные характеристики лазерного излучателя показаны на рисунке. 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 тока, при котором начинается лазерная генерация. При меньших значениях прибор работает в светодиодном режиме с очень малым уровнем выходной мощности. На графиках видно, что увеличение температуры окружающей среды приводит к увеличению значения порогового тока и уменьшению крутизны электрооптического преобразования, называемой квантовой эффективностью η, Вт/Алазера. 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.

31. Лазерный излучатель. Ключевые параметры: модуляционные характеристики Принципы прямой модуляции интенсивности (или мощности) излучения полупроводникового лазера, применяемые в АВОСП (а) и ЦВОСП (б), показаны на рисунке. Из сравнения рисунков следует, что в АВОСП лазер должен работать в непрерывном режиме, а не в ключевом, как в цифровых ВОСП. Глубину модуляции оптического сигнала в АВОСП по аналогии с радиотехническими передатчиками с АМ можно определить как: где Ро – средняя мощность излучения в отсутствие модуляции; Рmax и Рmin–максимальное и минимальное значения мощности излучения; ΔРе – амплитуда переменной составляющей оптической мощности. В АВОСП глубина модуляции является критическим параметром, требующим точного определения, поскольку от нее в сильной степени зависят отношение сигнал/шум, нелинейные искажения и, в конечном итоге, протяженность линии передачи и пропускная способность системы.

32. Лазерный излучатель. Ключевые параметры: модуляционные характеристики Частотно-модуляционной характеристикой лазерного излучателя называется зависимость выходной мощности от частоты модуляции в режиме малого управляющего сигнала. Пример такой характеристики показан на рисунке. 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. Частотно-модуляционная характеристика практически равномерна до частоты 1 ГГц. Выше наблюдается пик на так называемой частоте электрон-фотонного резонанса, достигающий в разных лазерных структурах от 1 до 5-6 дБ. Частота этого пика сдвигается в сторону повышения при увеличении тока накачки (или же мощности излучения). Выше пика происходит резкий спад со скоростью более 40 дБ на декаду. Типичные значения верхней частоты модуляции в реальных лазерных диодах достигают 1-5 ГГц в зависимости от поперечной структуры лазера и превышения рабочего тока над пороговым.

33. Лазерный излучатель. Ключевые параметры: спектральная характеристика Из принципа работы полупроводникового инжекционного лазера следует, что при отсутствии пространственной и частотной селекции его выходной спектр будет содержать множество линий (мод). В современных полупроводниковых лазерах благодаря введению в их конструкции т.н. токового и оптического ограничений удалось обеспечить его работу в режиме одномодовой генерации. Однако, в наиболее экономичных лазерах с резонатором Фабри-Перо одна спектральная линия (режим одночастотной генерации) сохраняется только в статическом режиме (без модуляции) либо при малой глубине модуляции. По определению при этом относительный уровень побочных мод не должен превышать -20 дБ. Расширение спектра с увеличением частоты модуляции показано на рисунке а. Чтобы предотвратить вышеуказанные явления, которые в большинстве случаев негативно влияют на общие характеристики ВОСП, разработаны так называемые динамически одночастотные лазеры с встроенными высокодобротными резонаторами. Наиболее широко распространенным среди них является лазер с РОС, работающий в одночастотном режиме не только в отсутствие модуляции, но и при модуляции глубиной до 100% на частотах до нескольких ГГц (рис. б). Ширина спектра обычного лазера с резонатором Фабри-Перо составляет 3-8 нм, лазера с РОС – 0,1…0,2 нм.

34. Лазерный излучатель. Ключевые параметры: пространственная характеристика Пространственная характеристика лазера по аналогии с теорией антенных устройств определяется диаграммой излучения в дальней зоне. Типичная 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, размеры излучающей площадки не превышают 0,1...0,2 мкм по высоте и 2-4 мкм по ширине. Понятно, что при такой конфигурации источника на его диаграмму излучения будут оказывать влияние дифракционные эффекты, причем угол расходимости в поперечном направлении будет больше, чем в продольном . Вышесказанное иллюстрируется на рисунке. Как следует из рисунка, угол излучения по полуширине в поперечной плоскости 2 составляет 38°, а в продольной 1 – примерно 8,5°, что, тем не менее, дает возможность обеспечить достаточно эффективный ввод излучения даже в одномодовое волокно.

35. Лазерный излучатель. Ключевые параметры: шумовая характеристика 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: 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 преобладающим, что ухудшит отношение сигнал/шум 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. 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 рисунке.

36. Устройство лазерного модуля Принцип построения лазерного модуля проиллюстрирован на рисунке. 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. Типичные конструкции современных лазерных модулей на базе корпусов типа DIL и «бабочка» приведены на слайде 23. 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.

37. Фотодетектор. Физика работы В ВОСП в качестве фотодетектора повсеместно используются фотодиоды. Причем в приемном устройстве цифровых ВОСП применяются фотодиоды двух типов: лавинные и pin-фотодиоды, в то время, как для АВОСП нашли применение только pin-фотодиоды. Оба типа фотодиодов основаны на использовании явления внутреннего фотоэффекта, и полупроводниковой технологии. Внутренний фотоэффект представляет собой процесс образования внутри полупроводника 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. 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 формулы Планка. При выполнении этого условия вблизи границы поглощения зависимость коэффициента поглощения α от энергии фотона для так называемых прямозонных полупроводников соответствует : где: А – константа, Еg - ширина запрещенной зоны полупроводника.

38. Фотодетектор. Физика работы 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 фотоприемника, получается равной 1. Такой режим работы фотоприемника без внутреннего усиления называется режимом счета фотонов. При этом фототок Iф в нагрузке в зависимости от падающей оптической мощности Рпад будет определяться как: 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 поглощенных фотонов . Процесс поглощения света в материале описывается экспоненциальной зависимостью. Тогда, фототок в цепи нагрузки фотоприемника: где N3– коэффициент ввода, учитывающий потери и отражения при оптическом согласовании выходного торца световода и фоточувствительной площадки; L – толщина области поглощения света. Из сравнения вышеуказанных формул следует:

39. Фотодетектор. Физика работы Упрощенная структура фотодиода с p-n переходом и соответствующая ей зонная диаграмма, построенная при отсутствии напряжения смещения, показаны на рисунке. Фотодиод состоит из p-области, называемой базой, n-области, 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 p-n перехода. При этом высота потенциального барьера между базой и коллектором уменьшается, что показано на рисунке пунктирными линиями, и возникает фотоЭДС. Такой режим работы без внешнего источника энергии называется фотовольтаическим. Основной недостаток данного режима состоит в сравнительно низком быстродействии прибора вследствие большого времени диффузии носителей. Поэтому в фотодетекторах 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 его быстродействие.

40. Фотодетектор. Типы и основные структуры Схема включения фотодиода p-n типа приведена на рисунке а. Диод имеет обедненную область, образованную неподвижными положительно заряженными атомами донора в n-области перехода и неподвижными отрицательно заряженными атомами акцептора в p-области, а также область поглощения падающего света. 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. Так как процесс диффузии происходит значительно медленнее по сравнению с дрейфом, то желательно, чтобы максимально большая часть света поглощалась в обедненной области. 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-nтипа (рис. б). Фотодиоды данной структуры нашли самое широкое применение в ВОСП.

41. Фотодетектор. Типы и основные структуры Поскольку фототок в нагрузке имеет очень небольшую величину, его желательно увеличить, для 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. Однако ЛФД гораздо сложнее технологически. Кроме того, рост коэффициента усиления фототока в лавинных фотодиодах сопровождается уменьшением их быстродействия и увеличением шума. Краткое сравнение основных параметров современных ЛФД и p-i-nфотодиодов представлено в таблице.

42. Фотодетектор. Типы и основные структуры 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. На рисунке 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 i-область, 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.

43. Фотодетектор. Типы и основные структуры 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 рисунке а, с гомопереходомInGaAs / InGaAsи обратной засветкой через n-область – на рисунке б. Свет поступает через прозрачный слой InP – материала с широкой запрещенной зоной. Описанные выше фотодиоды с так называемой вертикальной засветкой, несмотря на 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.

44. Ключевые параметры pin-фотодиодов: 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. Типичные фотодиоды p-i-n структуры имеют значения токовой чувствительности порядка 0,6-0,97 А/Вт в зависимости от площади входного окна. Спектральная или монохроматическая чувствительность Sλхарактеризуется зависимостью от длины волны падающего света. Ее вид для основных материалов фотодиодов ВОСП показан на рисунке. Как следует из рисунка, фотодиоды на тройных соединениях могут одновременно работать во втором и третьем окнах прозрачности при более высокой чувствительности в третьем окне

45. Ключевые параметры pin-фотодиодов: 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. 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 тремя факторами: временами дрейфа фотоносителей в обедненной области и диффузии носителей, генерированных вне обедненной области, а также емкостью обратно смещенного p-n перехода. Типичные частотные характеристики pin фотодиода для телекоммуникационной ВОСП с диаметром входного окна 300 мкм при различных напряжениях обратного смещения представлены на рисунке. Как следует, предельная частота существенно изменяется в диапазоне напряжений от 5 до 10 В, достигая примерно 1,1 ГГц при 10В.

46. Устройство фотодиодного модуля Аналогично полупроводниковым лазерам фотодиоды в составе ВОСП применяются в корпусном виде, называясь фотодиодными модулями. Структурная схема фотодиодного модуля антисимметрична структурной схеме рассмотренного выше лазерного модуля и ее основными элементами являются: узел оптического согласования, оптико-электрический преобразователь (фотодиод) и узел электрического согласования. На рисунке представлен внешний вид широко распространенного в ВОСП экономичного фотодиодного модуля в корпусе типа DIL и вилочным оптическим соединителем

47. Пассивные волоконно-оптические устройства • Разъемные соединители; • Разветвители; • Спектральные фильтры; • Изоляторы; • Циркуляторы; • Поляризаторы; • Модуляторы. Пассивные устройства оптического тракта | 47| проф. Белкин М.Е.

48. Оптические соединители • Принцип: торцевое соединение двух оптических вилок с помощью проходной оптической розетки. • Может быть эффективно реализовано только при обеспечении строгой соосности волокон, идентичности их геометрии, а также высокой степени гладкости торцевых поверхностей. • Общим показателем качества оптического соединителя для ВОСП любого типа являются вносимые потери, которые в настоящее время для соединителей одномодовых волокон достигли 0,2-0,3 дБ. • Параметром, специфичным для АВОСП, является уровень обратного отражения, для существенного уменьшения которого необходимо создать между сердцевинами стыкуемых волокон, так называемый оптический контакт. • Контакт реализуется в современных соединителях при помощи: • сферической поверхности торцов наконечников (радиус сферичности 10-25 мм) • прижима с заданным усилием (порядка 10 Н) • высококачественной механической полировки торцов: • нормальная (обозначение РС) с уровнем обратного отражения -30 дБ • супер (обозначение SPC) с уровнем обратного отражения -40 дБ • ультра (обозначение UPC) с уровнем обратного отражения -50 дБ • наилучшим вариантом для АВОСП считается использование углового оптического контакта типа APC, получаемого при скашивании торцов обоих наконечников на угол около 8° - уровень обратных отражений не более -70 дБ. • Отличительным признаком соединителя данного типа является полимерный хвостовик зеленого цвета. Пассивные устройства оптического тракта | 48| проф. Белкин М.Е.

49. Пассивные оптические разветвители • Предназначены для разделения или объединения потоков оптического излучения, а также отвода части оптического излучения из основного канала передачи. • По принципу построения различают: • неселективные направленные • Неселективные ненаправленные • Спектрально-селективные разветвители, в состав которых входят спектральные фильтры. • Наибольшее применение в АВОСП нашли оптические разветвители и ответвители с числом отводов не более двух, получаемые путем сплавления оптических волокон. • В зависимости от конфигурации входных и выходных полюсов они получили название разветвители Y-типа и Х-типа. • Принцип функционирования таких разветвителей основан на концепции непрерывности электромагнитного поля в узкой области между сердцевинами двух близко расположенных волокон. Отличительная черта разветвителей, применяемых в АВОСП состоит в минимизации отражений от входных и выходных портов- вводится дополнительный параметр затухания несогласованности, определяющийся в дБ как разность между падающей и отраженной мощностью для каждого из портов. Пассивные устройства оптического тракта | 49| проф. Белкин М.Е.

50. Спектральный фильтр • Пассивное устройство, используемое для ослабления (режекции) либо пропускания определенного участка спектра оптического излучения. • Функционирует аналогично электрическим RLCфильтрам • основное их отличие в том, что оптические фильтры бывают только полосно-пропускающего либо полосно-запирающего (режекторного) типа. • Работа оптического фильтра базируется на явлениях дифракции, интерференции и поглощения. • Основные типы оптических фильтров: • интерференционные на базе интерферометров Фабри-Перо; • интерференционные на базе интерферометров Маха-Цандера; • дифракционные на базе проходной либо отражательной брэгговской решетки • Возможна простая перестройка в широком интервале длин волн, осуществляемая путем поворота решетки. • Изготавливаются в объемном, пленочном либо интегрально-оптическом исполнении. Наилучшие технические показатели получаются для объемного исполнения. Немаловажными для телекоммуникационных ВОСП достоинствами пленочных и интегральных фильтров являются лучшие экономические и массогабаритные характеристики. • В составе аппаратуры аналоговой ВОСП устройства нашли применение в сверхширокополосных оптических усилителях, в системах когерентной связи и в многоволновых ВОСП с СРК для объединения и разделения оптических стволов. Пассивные устройства оптического тракта | 50| проф. Белкин М.Е.