Построение оптических передатчиков

3.3.1.  Источники оптического излучения

Оптический  передатчик  (ОПД),  или  передающий  оптоэлектронный  модуль  (ПОМ)

предназначен    для    преобразования    передаваемых    электрических    видеоимпульсов    в

последовательность  оптических  «радиоимпульсов»,  которые  имеют

частоту  заполнения,

соответствующую используемой длине волны. В состав ОПД входят выполненные в едином конструктивном исполнении источник оптического излучения, электронные устройства для преобразования входных электрических сигналов и стабилизации режимов работы каскадов, а  также  оптический  соединитель,  или  устройство   ввода   излучения  в  ОВ.  Основным элементом  ОПД  является  источник   оптического  излучения.  Он  должен  удовлетворять следующим основным требованиям:

–    генерировать оптическое излучение на заданной длине волны, которая имеет один из минимумов затухания в ООВ (см. рис. 3.6);

–    обеспечивать высокий КПД ввода оптического излучения в ООВ;

–    иметь малые габариты, массу и потребляемую мощность;

–    отличаться простотой, надежностью и долговечностью.

Этим требованиям наиболее полно соответствуют источники оптического  излучения, построенные на основе полупроводниковых структур. Поэтому в качестве рассматриваемых источников в ВО ЦСП практически используют два типа полупроводниковых излучателей: светоизлучающие диоды (СИД) и  полупроводниковые лазеры (ППЛ). Физической основой работы   полупроводниковых   излучателей   (диодов   и   лазеров)   является   инжекционная электролюминесценция. Один из наиболее эффективных способов ее создания – пропускание электрического тока через р-п-переход полупроводника путём приложения к нему прямого напряжения  смещения.  При  этом  электроны  инжектируют  из  п-области  в  р-область,  где происходит  рекомбинация носителей  (электронов и дырок). В результате, освобождается энергия, которая излучается из р-п-перехода в виде квантов света – фотонов.

Энергия фотона, выделяемая в результате рекомбинации носителей, пропорциональна постоянной Планка:

Еф = hf = hc/λ,

где Еф – энергия фотона, эВ (1 эВ = 1,6*10-19 Дж); h = 6,626*10-34 – постоянная Планка, Дж • с; f – частота электромагнитного колебания оптического излучения, Гц; с = 3 • 108  – скорость света в вакууме, м/с.

Из  представленного  выражения  для  энергии  фотона  можно  получить  формулу  для длины волны оптического излучения λ:

λ = hc/Еф = 1,24/Еф.

В любом полупроводнике  зона

проводимости, имеющая

некоторую  концентрацию п

свободных электронов, отделена от валентной зоны, имеющей такую же  концентрацию р свободных  дырок,  энергетическим  зазором  запрещенной  зоны  Ед   [эВ],  как  показано  на рис. 3.13.  Оказывается,  что  у  разных  полупроводников  запрещенная  зона  имеет  разное значение.  При  ее   преодолении  инжектирующими  носителями  последние  излучают  из запрещенной зоны оптические волны разной длины.

Рис. 3.13

Первым  полупроводником  для  оптического  излучения,  который  был   опробован  в работе и хорошо отработан технологически, является арсенид  галлия (GaAs). Именно этот материал использовали в начале 80-х гг. при разработке источников 80-х гг. при разработке источников излучения для  оптической связи [29]. У арсенида галлия энергетический зазор запрещенной зоны равен 1,42 эВ, тогда длина волны оптического излучения в соответствии с приведенной выше для нее формулой имеет значение: λ = 1,24/Еф  = 1,24/1,42  = 0,87 мкм. Длина   волны   может   быть   увеличена   или   уменьшена,   например,   путем   легирования некоторого основного полупроводника различными примесями в разных концентрациях.

Современные  источники  длинноволнового  излучения  работают  на  основе  фосфида индия InP и четверного соединения с ним арсенидфосфида галлия и индия InGaAsP. Ширину запрещенной зоны у этих материалов можно  изменять от 1,35 до 0,74 эВ. Это позволяет перекрыть  диапазон  длин  волн  оптического  излучения  в  пределах  0,92…  1,67  мкм,  т.е. получить источники с длинами волн λ1  = 1,24/0,95 = 1,3 мкм и λ2= 1,24/0,8 = 1,55 мкм, где ООВ имеют минимальные значения коэффициентов затухания и хроматической дисперсии.

Светоизлучающие диоды и лазеры изготавливаются из указанных полупроводников на основе   двойной   гетероструктуры   InGaAsP/InP,    причем    прозрачная   для   оптического излучения подложка выполняется из  фосфида индия InP, а активный слой – из четверного соединения  InGaAsP  с  таким  соотношением  компонентов,  чтобы  обеспечить  оптическое излучение на требуемой длине волны.

Рассмотрим   устройство   и   основные   свойства   таких   структур   более   подробно.

Существуют  различные  полупроводниковые  материалы,  которые  имеют  одинаковые  или

почти  одинаковые  постоянные  кристаллические  решетки,  поэтому  эти  материалы  могут образовывать один монокристалл. На границе между ними меняются ширина запрещенной зоны,   диэлектрическая   проницаемость   и   другие   свойства.   Такие    переходы   между полупроводниками, имеющими согласованные решетки, но различные свойства, называются гетеропереходами. В гетеропереходах каждый из  полупроводников  может быть р- или n– типа. Если для обозначения типа широкозонного полупроводника использовать прописные буквы Р или N, а для узкозонного – строчные п или р, то возможны следующие переходы с различными свойствами: n = N, p = P, n = P и p = N.

Ниже будут рассмотрены структуры полупроводников, имеющие важное значение при разработке лазерных источников оптического излучения. В этих  структурах для создания двух    слоев    указанного    материала,    расположенных    между    слоями    широкозонного полупроводника,  используются  два  гетероперехода.  Одна  из  таких  структур  схематично представлена на рис. 3.14. Она называется двойной гетероструктурой.

Рис. 3.14

Укажем     основные     свойства     гетеропереходов,     необходимые     при     создании высокоэффективных источников оптического излучения [29].

1.Высокая   эффективность   инжекции.   Основные   носители   стремятся    покинуть узкозонный материал (обозначение 1). Это приводит к уменьшению доли тока через переход, обусловленного неосновными носителями, инжектированными  в  материал 2. При отличии энергетических зазоров на величину энергии более, чем несколько kT, этот эффект гораздо существеннее, чем действие легирования на величину длины волны оптического излучения данного источника.

2.Ограничение неосновных носителей в двойной гетероструктуре. При  приложении напряжения  положительного  смещения,  в  материале  1  устанавливается  более  высокая  и однородная концентрация неосновных носителей  и более высокая скорость рекомбинации. Это свойство играет важную роль при разработке источников оптического излучения.

3.Улучшение  омических  контактов.  Использование  гетеростуктур   позволяет   легко изготовить хорошие низкоомные контакты. Это одна из причин использования пятислойной структуры, показанной на рис. 3.14.

4.Прозрачность        широкозонного    материала.        Рекомбинационное    излучение, зародившееся  в  узкозонном  материале,  не  может  возбудить  зона  –   зонный  переход  в широкозонном  материале.  В  результате  этого  слои  2  и  3   на  рис.  3.14  оказываются значительно более прозрачными для излучения из материала 1, чем сам этот материал. Это означает, что если подложка  из  материала  InP прозрачна  для излучения светодиода или лазера,   то   методом    травления   в   ней   можно   изготовить   монолитную   микролинзу, улучшающую коэффициент связи между источником излучения и волокном.

5.Волноводный эффект. Поскольку показатели преломления материалов,  образующих гетеропереход,  различны,  лучи  внутри  перехода  могут  испытывать   полное  внутреннее отражение. В двойной гетероструктуре, если показатель  преломления материла 1 больше, чем материалов 2 и 3, рекомбинационное излучение, рожденное в слое (материале) 1, может распространяться вдоль него,  испытывая многократные отражения, как в ОВ. Этот эффект

особенно важен для работы лазеров на основе двойной гетероструктуры.  Оказывается, что почти   в   каждом   таком   лазере   широкозонный   материал   имеет   меньший   показатель преломления,   чем   узкозонный   (аналогично   показателям   преломления   сердцевины   и оболочки ОВ, где показатель  преломления сердцевины п1  больше показателя преломления оболочки n2).

Принципиальное различие между СИД и ППЛ состоит в том, что в первых происходит спонтанная  (самопроизвольная)  рекомбинация  носителей,  поэтому  излучение  на  выходе СИД  является  некогерентным  и  слабонаправленным.  Время  перехода  всех  электронов  с одного   энергетического  уровня  на  другой  разное.  Происходит  наложение   излучения, возникают  оптические  волны  с  неодинаковой  амплитудой  и   фазой.  Вследствие  этого наблюдается неоднородность и по частоте. Ширина спектра оптического излучения СИД Δλ составляет десятки нанометров.

Полупроводниковые   лазеры   являются   когерентными,   точнее   квазикогерентными источниками   оптического   излучения,   в   которых   происходит   направленное   излучение

фотонов.    Его    получают,     применяя

оптический     резонатор,    который

формирует

остронаправленное излучение. Ширина спектра излучения ППЛ Δλ  не  превышает единиц нанометров, а у некоторых – даже десятые и сотые их доли.

Кроме  указанных  параметров  (длины  волны  оптического  излучения  λ   и  ширины спектра  излучения  Δλ),  источники  оптического  излучения  характеризуются  следующими основными параметрами:

1)     выходная мощность оптического излучения Ризл составляет десятые доли милливатт для СИД и единицы милливатт для ППЛ;

2)     КПД при вводе оптического сигнала в ОВ – не более 10 % для СИД и 60… 80% – для ППЛ;

3)     ширина полосы частот модулирующего сигнала/мод – не более 200 МГц для СИД и единицы, десятки гигагерц – для ППЛ;

4)     продолжительность безотказной работы – до 109 ч для СИД и до 106 ч – для ППЛ;

5)     минимальные геометрические размеры – для ППЛ объем полупроводника примерно равен   1   мм3,   к   нему   подведены   металлические   проводники   (электроды),   излучение происходит из запрещенной зоны толщиной 0,15…0,20 мкм;

6)     низкая    стоимость,    высокая    надежность,    экономичность    энергопотребления,

возможность массового производства.

Источники оптического излучения вносят в передаваемый оптический  сигнал шумы, которые обусловлены колебаниями концентрации носителей, нелинейностью ваттамперной характеристики, переходными явлениями, релаксационными колебаниями и т. д.

В ППЛ шумы резко возрастают, если выходное оптическое излучение  отражается от внешних компонентов ОПД и возвращается обратно в  активную  область полупроводника. Вводимый в ООВ шум, вызванный отражениями, примерно на порядок больше, чем в случае MOB.

Светоизлучающие диоды проще, дешевле, более долговечны, надежны и  стабильны. Хотя полная мощность оптического излучения может достигать  несколько миливатт, из-за большой расходимости излучения удается ввести в ОВ не более 10 % излучаемой мощности. Это ограничивает область применения СИД. Они используются в ВО ЦСП малой дальности связи и низкой пропускной способности.

К преимуществам ППЛ относятся: малые массогабаритные параметры, высокий КПД, узкополосность  и  направленность  излучения,  возможность  модуляции  широкополосным сигналом,  а  также  непосредственной  модуляции  по  интенсивности  простым  изменением входного модулирующего тока.

Однако  существуют  и  недостатки  ППЛ:  большой  ток  модуляции  (десятки  и  сотни милиампер)  и  дефекты  полупроводниковых  структур  ограничивают  срок  службы.  Лазер имеет  нестабильные  оптические   параметры:  в  результате  старения  полупроводника   и изменения   его   температуры   возникают   колебания   мощности   оптического   излучения. Используя   специальную   обратную   связь   и   термостатирование,   мощность   излучения стабилизируют, но это усложняет ОПД и снижает его надежность.

Анализ  работы  ППЛ  показывает,  что  их  можно  успешно  применять  в  ВО  ЦСП,  в частности, для построения СЛТ систем передачи SDH, обеспечивающих большую дальность связи   (протяженность   линейных   трактов   сотни   и   тысячи   километров)   и   высокую пропускную способность (десятки и сотни тысяч ОЦК).

В волоконно-оптических системах передачи SDH в качестве источников  оптического излучения для передачи сигналов по ООВ используются только полупроводниковые лазеры. Поэтому рассмотрим их параметры более подробно.

Источник: Хмелёв К. Ф. Основы SDH: Монография. – К.: ІВЦ «Видавництво «Полігехніка»», 2003.-584 с.:ил.

Вы можете следить за любыми ответами на эту запись через RSS 2.0 ленту. Вы можете оставить ответ, или trackback с вашего собственного сайта.

Оставьте отзыв

XHTML: Вы можете использовать следующие теги: <a href="" title=""> <abbr title=""> <acronym title=""> <b> <blockquote cite=""> <cite> <code> <del datetime=""> <em> <i> <q cite=""> <s> <strike> <strong>

 
Rambler's Top100